Füllstände mit hydrostatischen, opto-elektronischen oder kapazitiven Sensoren messen

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Hydrostatische, opto-elektronische oder kapazitive Sensoren – das Angebot an Füllstandssensorik ist vielfältig. Doch nicht jede eignet sich für jede Anwendung. Hinzu kommt: Wo die Füllstandssensorik für die Entwicklung und den Betrieb von Anlagen eine wichtige Rolle spielt, werden entwicklungstechnische Unterstützung und individuelle Lösungen zu kaufentscheidenden Faktoren.

Ob sich eine hydrostatische, opto-elektronische oder kapazitive Füllstandsmessung empfiehlt, hängt vom zu messenden Medium, den gewünschten Ergebnissen (kontinuierlich oder Grenzwert), den Anforderungen an die Datenübertragung und Schnittstellen sowie letztlich auch vom Budget ab. Die Ausprägungen der einzelnen Anwendungen können dabei sehr vielfältig sein: So stellen aggressive, pulvrige oder sterile Medien, Schaum oder unterschiedliche Flüssigkeitsdichten zusätzliche Anforderungen dar.

Hydrostatische Tauchsonden: Bewährte Messtechnik
Im Kern misst ein hydrostatischer Sensor als Tauchsonde direkt über dem Gefäß- oder Gewässerboden den Druck der über ihm lastenden Flüssigkeitssäule und bestimmt so den Füllstand. Je nach Produkt werden die Messdaten als analoge oder digitale Signale einer Dauermessung ausgegeben.
Will man den Behälterboden nicht anbohren, werden die Sonden von oben am Kabel direkt in das Medium hinabgelassen. Tauchsonden sind ausgereifte Messgeräte und weitgehend resistent gegen aggressive Substanzen, da ihr Gehäuse – je nach Umgebungsmedium – aus Edelstahl oder Kunststoff bestehen kann. Sensortechnics bietet für jedes Medium, Druck- und Temperaturverhältnis das richtige Gehäuse samt großer Kabelauswahl.
Hydrostatische Sensoren können in relativ großen Gehäusen untergebracht werden und lassen sich daher auch problemlos mit anderer Sensorik verknüpfen. So gibt es auf den Wolkenkratzern New Yorks Dachtanks, deren Regenwasserfüllstand mit Tauchsonden gemessen wird, die zugleich Temperaturmessungen vornehmen. Unterschreitet das Wasser in den Zisternen eine Mindesttemperatur, springen Heizungen an, die ein Einfrieren verhindern. Eine Kombi-Anwendung, die von Sensortechnics nach spezifischen Anforderungen des Kunden entwickelt und implementiert wurde. Hydrostatische Sensoren finden sich auch in Anwendungen wie dem Austarieren von Ballasttanks in Schiffen oder als Durchweichalarm für Deiche in den küstenschutzerprobten Niederlanden.
Allerdings gibt es auch Einschränkungen für den Einsatz hydrostatischer Tauchsonden. Sie verbieten sich beispielsweise, wenn ein Rührwerk im Spiel ist. Ein hydrostatischer Drucktransmitter kann dann am Gefäßboden durch die Wand eingeschraubt werden – allerdings nur dort, wo Medien und Anwendungen das Anbohren der Gefäßwand zulassen.
Opto-elektronische Füllstandsschalter: deutlich preiswerter
Opto-elektronische Sensoren sind eine einfachere und kostengünstigere Variante der Füllstandsmessung. Das Prinzip: Eine Leuchtdiode sendet Licht in ein Prisma, wo es gebrochen und auf einen Fototransistor zurückgeworfen wird. Das funktioniert, solange sich das Prisma mangels Füllstand in Luft befindet. Umschließt hingegen eine Flüssigkeit das Prisma, öffnet sich der Brechungswinkel des LED-Lichts. Der Fototransistor empfängt weniger Licht und meldet dies an das übergeordnete Auswertesystem. Opto-elektronische Füllstandssensoren sind klein, einfach zu installieren und breit einsetzbar. Es gibt viele Gehäusevarianten für optimale Medienverträglichkeit und eine einfache Anbringung.
Optische Sensoren sind allerdings nur „Grenzwertschalter“ mit den Zuständen „ein/aus“ beziehungsweise „Füllstand erreicht/unterschritten“. Kontinuierlich messen können sie nicht. Da sie zudem in die Tank- oder Gefäßwand montiert werden, muss diese meist durchbohrt und mit einem Gewinde versehen werden. Dies kann bei hohem Flüssigkeitsdruck oder sonstigen baulichen Einschränkungen unzweckmäßig sein. Auch für sterile oder pulvrige Medien sowie Flüssigkeiten mit bewegten Oberflächen eignen sich optische Schaltsensoren nur bedingt oder gar nicht. Im Betrieb stellen Verschmutzungen eine Störungsquelle dar.
Kapazitive Sensoren: Berührungslos und kontinuierlich
Eine neuere Entwicklung sind kapazitive Sensoren und Schalter. Den vorläufigen Höhepunkt dieser Sensoriken stellen die Serien CLC und CLW von Sensortechnics dar: Sie sind derzeit die einzigen kapazitiven Sensoren am Markt, die berührungslos und gleichzeitig kontinuierlich über Kapazitätsunterschiede Füllstände messen können. Hierbei ist das Messsignal von der Permittivität des Mediums abhängig. Temperatur- und Luftfeuchtigkeitseinflüsse werden mit Hilfe einer Referenzelektrode kompensiert.
Kapazitive Sensoren sind klein, preiswert und messen berührungslos, da sie von außen an die Behälterwand geklebt werden können. Daher sind sie ideal zur kontinuierlichen Messung steriler Medien in kleinen Gefäßen, etwa in der Medizintechnik oder Pharmaindustrie. Hersteller wie Sensortechnics, die nach ISO 13485:2003-zertifiziert sind, erfüllen für ihre Produkte die hohen Anforderungen für Medizinprodukte.
Wo es um wenige Milliliter und kontinuierliche Messungen geht, lassen sich kapazitive Sensoren auf kleinste Mengen und millimetergenaue Füllstandskontrolle kalibrieren. Ferner lassen sie sich so justieren, dass sie Schäume auf der Oberfläche der Flüssigkeiten je nach Bedarf messen oder ignorieren. In industriellen Anwendungen ist das Potenzial berührungsloser kapazitiver Sensorik noch wenig ausgeschöpft, obwohl Präzision, Flexibilität und einfache Kalibrierbarkeit viele Einsatzmöglichkeiten eröffnen. Eine bekannte Anwendung ist die Füllstandsmessung in industriellen Druckmaschinen. Ein anderes Beispiel ist die Steuerung von Pumpen, wo ein Schaden verhindert werden soll, der entsteht, wenn Wasser statt Öl ins System gelangt. Die Grenze solcher zweiphasiger Gemische erfassen die kapazitiven CLC-Sensoren exakt. Ferner sind kapazitive Sensoren flexibel und robust in der Handhabung. So können diese an Außenwände nichtmetallischer Gefäße geklebt und sehr einfach kalibriert werden.
Weniger geeignet sind die Geräte bei großen Füllständen, da die Stabelektroden bei einer Länge über 10 cm störanfällig werden, wenn sie nicht entsprechend abgeschirmt sind. Durch das „In-Reihe-schalten“ lässt sich der Messbereich des CLC-Sensors jedoch erweitern
Beim Entwicklersupport trennt sich Spreu vom Weizen
Standardlösungen auf Basis hydrostatischer oder opto-elektronischer Sensoren lassen sich für Integratoren heute als Katalogeinkauf abwickeln. Ganz anders sieht es dort aus, wo die Anwendung spezielle kunden- oder anlagenspezifische Anpassungen erfordert oder es um hochpräzise, kapazitive Messungen geht. Solche Anpassungen beginnen bereits bei Kabelaufbauten, Kabellängen und Gewinden – hier stoßen Kunden an die Grenzen von Katalogherstellern. Wichtig sind auch die Schnittstellen zum Auswertesystem. Liefert der Sensorhersteller die Messdaten über die entsprechende Schnittstelle und im gewünschten Format, lassen sich Entwicklungskosten sparen.
Die Premiumhersteller im Sensorikbereich bieten zudem kompetenten Entwicklersupport. Hier bringen eigene Ingenieure ihr Sensorik-Knowhow und ihre langjährige Anwendungserfahrung in die Entwicklerteams ein – in gemeinsamen Co-Entwicklungen oder als Teilprojekt bis zur CE-Zulassung auf Basis eines Pflichtenheftes. So profitieren Kunden beim Design-in beispielsweise von Kompetenzen in den Bereichen Selbsttestfunktionen, Remote-Messung, Kombinationssensorik und bei der Integration von Sensorik/Aktorik in die Gesamtlösung. Wertvoll für Kunden ist auch die Erfahrung mit der Genauigkeit und der Lebensdauer der Sensorik – weil Anlagen- und Geräteentwickler diese Kompetenzen dann nicht erst langwierig im eigenen Unternehmen aufbauen müssen.
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