27.08.2021 • Automatisierung • Messtechnik • Sensorik

Vielfalt für den Füllstand - Sensorlösungen für Füllstandabfragen und -kontrollen

Für die Füllstandskontrolle gibt es – abhängig von der Applikation, der Aufgabe und dem abzufragenden Medium – zahlreiche, unterschiedliche Verfahren und Sensorlösungen. Einen Überblick gibt der folgende Artikel.

Kapazitiv

Kapazitive Sensoren zur Füllstandsmessung basieren auf der Funktionsweise eines Plattenkonden-sators, wobei die aktive Sensorfläche aus zwei konzentrisch angeordneten metallischen Elektroden besteht. Nähert sich ein Objekt (z.B. ein flüssiges Medium) der aktiven Fläche, ändert sich das elektrische Feld vor den Elektrodenflächen und damit die Kapazität. Die Kapazitätsänderung wird über eine Auswerteschaltung in ein Schaltsignal umgesetzt.

Konduktiv

Ein einfaches Verfahren zur Füllstandskontrolle von elektrisch leitfähigen Medien – vorwiegend auf Wasserbasis – funktioniert nach dem Grundprinzip eines offenen bzw. geschlossenen Stromkreises. Daher sind für die Messungen mehrere Sonden bzw. Elektroden notwendig. Die von einem Auswertegerät erzeugte Wechselspannung liegt zwischen den Messelektroden oder zwischen einer Elektrodensonde und Bezugselektrode (z.B. Behälter- oder Rohrwandung) an. Schließt ein elektrisch leitfähiges Füllgut den Stromkreis zwischen den beschriebenen Elektroden, fließt ein Wechselstrom und die Auswerteeinheit schaltet.

Mikrowelle

Das Verfahren basiert auf dem Prinzip der geführten Mikrowelle. Hierbei wird die Laufzeit einer Mikrowelle vom Sensor durch einen Messstab zur Medienoberfläche und zurück erfasst und hieraus der Füllstand errechnet.

Statischer Druck

Bei diesem Verfahren wird der sog. hydrostatische Druck ermittelt, der durch die Höhe einer Flüssigkeitssäule in einem Behälter auf eine Messmembrane in einem Sensor einwirkt. Die Ermittlung der Füllstandshöhe ist zudem von der spezifischen Dichte eines Mediums und der Gravitationskonstante (9,81m/s2) abhängig. Durch die Gravitation nimmt mit steigender Höhe der Flüssigkeitssäule der hydrostatische Druck zu.

Ultraschall

Hierbei wird durch das Echo-Laufzeit-Verfahren die Zeit gemessen, die ein Schallimpuls zu einer Medienoberfläche und zurück benötigt, wodurch sich die Füllstandshöhe in einem Behälter ermitteln lässt.

Sensorlösungen im Überblick

Neben kapazitiven Sensoren mit Digital- und Analogausgang für klassische Füllstandsabfragen bietet IPF Electronic Lösungen mit kontinuierlichem Füllstandssignal (z.B. für den Trockenlaufschutz von Pumpen in Behältern) und Geräte mit großer aktiver Fläche und damit hoher Kapazität. Eine Besonderheit sind hier Geräte mit kolbenförmigem Teflongehäuse, das u.a. ein sehr gutes Abtropfverhalten aufweist. Durch eine Spezial-elektrode verfügen die Sensoren über eine sehr gute Kompensation von Feuchtigkeit und eignen sich vor allem zur Überwachung der Füllhöhe in Behältern mit zähflüssigen Medien, wie Kühl- und Schmiermittel für Werkzeuge von Maschinen.

Das Portfolio an konduktiven Füllstandssystemen umfasst verschiedene, flexibel einsetzbare Auswertegeräte und Sonden mit bis zu drei Elektroden. Ausführungen mit ein oder zwei Elektroden (Längen von 500 bis 1.000 mm) eignen sich für Medientemperaturen von -20 °C bis +100 °C und sind druckfest bis 10 bar. Potenzielle Einsatzbereiche solcher Lösungen: Füllstandsabfrage von elektrisch leitfähigen Medien auch in Kunststoff-behältern, Überwachung von Füllstandsgrenzwerten in Behältern, Trockenlaufschutz für Pumpen oder die Zweipunktregelung von Anlagen.

Durch ihren Parallelstab ermöglichen die nach dem Prinzip der geführten Mikrowelle arbeitenden Füllstandssensoren hochpräzise Messungen ohne vorhergehenden Medienabgleich. Die Geräte für Medientemperaturen von -20 °C bis +80 °C integrieren einen Analog- sowie Schaltausgang mit programmierbarer/konfigurierbarer Schaltfunktion. Die Sensoren eignen sich zur Füllstandabfrage von Behältern mit Ölen, Laugen, Reinigungs-mitteln, Trennmitteln, etc. Eine Sonderbauform mit einem Messstab reagiert auf Medienberührung an der Messspitze und eignet sich u.a. für die Erfassung von Medien wie Pulver oder Granulate.

Hydrostatische Drucksensoren von IPF Electronic ermöglichen eine gleichsam einfache wie hochpräzise Füllstandsabfrage von flüssigen Medien mit nur einem Sensor. Die Geräte arbeiten wartungsfrei, sind auf eine Wassersäule von 1,5 m oder für Druckbereiche von 0 bis 0,4 bar abgestimmt und lassen sich ohne weitere Einstellungen für die Messungen durch „hängende Montage“ sehr einfach installieren. Die Geräte integrieren eine Druckmesszelle mit nachgeschalteter Elektronik zur Umsetzung des statischen Drucks einer Flüssigkeitssäule in ein analoges Messsignal. Da messtechnisch der statische Druck ermittelt wird, lassen sich auch gelartige oder pastöse Medien abfragen. Die Einsatzfelder für diese Lösungen finden sich in der Füllstandsabfrage von flüssigen Medien wie z.B. Wasser, Abwasser, Lösungsmittel, Ölschlamm, Fette, etc.

Hohe Reichweiten von bis zu sechs Metern erzielen die Ultraschallsensoren von IPF Electronic und ermöglichen somit einfache Füllstandsabfragen auch aus großer Entfernung, beispielsweise in Silos. Da die Messung berührungslos erfolgt, eignen sich die Geräte ideal für Abfragen von Behältern mit aggressiven Medien. Auch hier hat das Unternehmen mit der Reihe UT12 eine Besonderheit zu bieten, denn der Schallwandler der Geräte hat einen Öffnungswinkel von 6°, wodurch sich Füllstandskontrollen von Behältern mit sehr kleinen Öffnungen realisieren lassen (z.B. Reagenzgläser, Ampullen für Vakzine, etc.).

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