Die Füllstandsmessung in Flüssigkeiten ist ein wichtiger Bestandteil vieler industrieller Prozesse. Sie wird verwendet, um den Füllstand von Behältern mit Flüssigkeiten zu überwachen, um sicherzustellen, dass die Prozesse effizient und sicher ablaufen. Es gibt eine Vielzahl von Methoden zur Füllstandsmessung in Flüssigkeiten, die je nach Anwendung und den spezifischen Anforderungen des Prozesses ausgewählt werden müssen.
Freistrahler-Laufzeitmessung
Beginnen wir mit dem einfachsten Prinzip:
Die klassische Freistrahler-Laufzeitmessung – simpel (relativ) günstig und überraschend genau!
Die Laufzeitmessung von Freistrahlern ist eine einfache und zuverlässige Methode zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Fluiden. Sie ist kostengünstig und kann leicht in eine Vielzahl von Anwendungen integriert werden.
Beispiele:
- Die Messung der Geschwindigkeit von Wasser in Rohrleitungen
- Die Messung der Geschwindigkeit von Luft in Flugzeugtriebwerken
- Die Messung der Geschwindigkeit von Gasen in chemischen Reaktoren
- Die Messung der Geschwindigkeit von Strömen in der Atmosphäre
Es wird die Laufzeit eines Impulses (Sensor <-> Wasseroberfläche) gemessen, auf den Abstand zur Oberfläche gerechnet und in ein Volumen umgemünzt. Damit kann man sogar den Durchfluss eines freien Gerinnes (z. B. Bach) messen.
Aber: „Hast du Dampf und Schaum, kannst du nem Freistrahler nicht traun!“
Das geführte Radar
Das leitet uns weiter zum geführten Radar: Das Prinzip ist gleich, jedoch wird der Impuls in einem Stab (oder ggf. Seil) auf die Reise geschickt und ist daher, vereinfacht gesagt, von den Umgebungsbedingungen besser geschützt.
Einsatzbereiche:
- Füllstandsmessung in Behältern mit Flüssigkeiten und Feststoffen
- Füllstandsmessung in Rohrleitungen
- Füllstandsmessung in Silos und Lagern
- Füllstandsmessung in Tanks und Kesseln
- Füllstandsmessung in Prozessbehälter
Der offensichtliche Nachteil: Wenn der Tank fünf Meter hoch ist, brauchen wir einen fünf Meter langen Stab! Seile sind einfacher einzufädeln, aber sobald etwas Bewegung im Tank ist, schwingen die Seile und eine genaue Messung ist nicht möglich. Ein guter Merksatz (mit Augenzwinkern) ist „Wird im Tank stark gerührt, nimm kein Radar geführt!“
In diesem Zusammenhang muss man auch die magnetostriktive Schwimmer erwähnen, ein Stab mit Schwimmer. Vorteil: Absolut sicheres Messergebnis, die Nachteile: Schlechtere Reinigbarkeit und falls der Stab verbogen ist, muss dieser entsorgt werden.
Ein kurzer Exkurs zu den kapazitiven Messungen
Sie ist die bevorzugte Messmethode in vielen Branchen und funktioniert, indem die Kapazität zwischen einem Sensor und der Behälterwand gemessen wird. Die Kapazität ändert sich, wenn sich der Füllstand ändert, da die Flüssigkeit einen unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten als die Behälterwand hat. Je mehr Flüssigkeit den Stab berührt, desto höher wird die Kapazität (quasi ein sich verändernder Elektrolytkondensator) Wichtig: die zu messenden Flüssigkeit muss noch einen Restleitwert haben.
Harter Schnitt, auf zum Differenzdruck
Bei dieser Methode wird der Druckunterschied zwischen zwei Punkten gemessen. Wir sind in der glücklichen Lage, dass die Erdanziehungskraft relativ konstant ist und Gravitationswellen derzeit nur beim Nobelpreis eine Rolle spielen. Daher die ganz einfache Messung: Druck unten minus Druck oben ist die Füllhöhe. 1bar sind dann quasi die 9,81m. Nachteil: „Ists oben kalt und unten warm, wirst du mit Differenzdruck arm.“ Druckmessungen müssen deshalb je nach Messprinzip temperaturentkoppelt oder kompensiert werden.
Zum Thema Differenzdruck gehören auch die Hydrostatischen Messungen. Die hydrostatische Messmethode für Füllstandsmessung ist eine Methode zur Bestimmung des Füllstands von Flüssigkeiten in Behältern durch die Messung des Drucks, den die Flüssigkeit auf den Boden des Behälters ausübt. Um die Füllhöhe mit der hydrostatischen Messmethode zu bestimmen, wird ein Drucksensor in den Behälter eingetaucht. Der Drucksensor misst den Druck an der Unterseite des Behälters. Der Druck ist direkt proportional zur Höhe der Flüssigkeit im Behälter. Man verzichtet auf die obere Messung, dazu muss der Behälter aber atmosphärisch betrieben werden.
Die Füllstandsmessungen mit Hilfe von Wiegezellen
Hier wird der Füllstand in Behältern durch die Messung der Kraft, die die Flüssigkeit oder der Feststoff auf die Wiegezelle ausübt, ermittelt. In jeder Zelle ist ein Dehnmessstreifen, der seinen elektrischen Widerstand ändert, je mehr Last ihm auferlegt wird. Die Kraft ist direkt proportional zur Masse des Mediums im Behälter. Dies klappt natürlich nur gut, wenn der Tank ordentlich „entkoppelt“ ist. Ein Beispiel aus dem Alltag: Wenn ich meinen Kopf beim Wiegen auf den Waschtisch lege, dann sieht zwar mein BMI besser aus, aber es ändert leider nix an der Realität!
Füllstandsmessung mittels optischer Messung
Diese Methode wird immer häufiger verwendet. Der Behälterinhalt wird gefilmt, eine Kameraauswertung errechnet den Füllstand. Ein Beispiel für eine optische Füllstandsmessung mit Kamera ist die Verwendung einer 2D-Kamera, um ein Bild des Behälters zu erfassen. Das Bild wird von einem Computer analysiert, um den Füllstand zu bestimmen. Die Analyse des Bildes kann durch die Verwendung von verschiedenen Methoden durchgeführt werden, wie z. B.:
- Die Erkennung von bestimmten Merkmalen im Bild, wie z. B. den Rand der Flüssigkeit
- Die Messung der Höhe der Flüssigkeit im Bild
- Die Verwendung einer Bildverarbeitungssoftware zur Bestimmung des Füllstands
Nachteil: Kondensat
Wenn man mit der Kamera nichts erfassen kann, kann man nicht auswerten.
Radiometrische Messungen
Hier wird die Absorption von Gammastrahlung durch das Medium gemessen. Die Gammastrahlung wird von einer radioaktiven Quelle emittiert und durch das Medium in den Sensor geleitet. Der Sensor misst die Intensität der Strahlung, die den Sensor erreicht. Die Intensität der Strahlung ist direkt proportional zur Höhe des Mediums im Behälter.
Ein Beispiel für eine radiometrische Füllstandsmessung ist die Verwendung einer Gammasonde, um den Füllstand eines Behälters mit einer flüssigen Substanz zu bestimmen. Die Gammasonde wird in den Behälter eingetaucht und die Gammastrahlung wird durch das Medium in die Sonde geleitet. Die Sonde misst die Intensität der Strahlung, die den Sensor erreicht. Die Intensität der Strahlung ist direkt proportional zur Höhe der Flüssigkeit im Behälter.
Zum Abschluss die Lasermessung
Entfernung zwischen dem Laser und der Oberfläche des Füllguts zu messen. Der Laserstrahl wird in den Behälter gerichtet und die Zeit, die der Laserstrahl benötigt, um von der Quelle zur Oberfläche des Füllguts und zurück zu gelangen, wird gemessen. Die Entfernung zwischen dem Laser und der Oberfläche des Füllguts ist direkt proportional zur Höhe des Füllstands im Behälter. Diese Methode ist noch nicht weit verbreitet und wird selten angewendet.
Das war ein kurzer Überflug einiger Füllstand Messprinzipien. Wir unterstützen gerne bei der Auslegung, Beschaffung, Montage, Inbetriebnahme, Wartung und Kalibrierung der Lösung, die für ihre Anwendungen am Besten passt!