Hydrostatische Füllstandsmessung Der Klassiker stellt sich vor: Hydrostatische Füllstandsmessung

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (BA) Enrico Bossart / Anke Geipel-Kern

Hydrostatische Füllstandsmessung ist ein echter Klassiker – aber einer mit Potenzial. Hygienische und zunehmend auch intelligente Sensoren verdrängen alternative Messmethoden, wodurch die Marktanteile stetig zu nehmen.

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(Bild: Wika)

Der Anwender industrieller Füllstandssensoren sieht sich heute einer schier unüberschaubaren Anzahl verschiedenartiger Messprinzipien und alternativer Produkte in der Instrumentierung von Füllstandsmessstellen ausgesetzt. Die hydrostatische Druckmesstechnik gilt bereits seit vielen Jahren als das bedeutendste Messprinzip in der kontinuierlichen Füllstandsmessung. Dieser Fachartikel stellt die Grundlagen der hydrostatischen Füllstandsmesstechnik in praxisnaher und verständlicher Ausführung dar.

Die Bedeutung der hydrostatischen Füllstandsmesstechnik

Die Füllstandsmesstechnik unterlag in den vergangenen Jahrzehnten einem umfassenden Wandel, von der rein mechanischen Füllstandsmessung hin zu komplexen, elektronischen Sensoren verschiedenartiger Messprinzipien. Die große Zahl alternativer Technologien zur Messung des Füllstandes wie Hydrostatik, Reed-Kette, Magnetoresistivität, Radar, Ultraschall, Optik und viele mehr, bietet dem Anwender heute die Möglichkeit die bestgeeignete Sensorik für dessen individuelle Anforderungen auswählen zu können.

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In der kontinuierlichen Füllstandsmessung gilt die hydrostatische Druck- bzw. Füllstandsmesstechnik mit einem Marktanteil von ca. 40%1 des Absatzvolumens als wichtigstes Sensorik- und Messprinzip. Noch deutlich vor der Ultraschall- und Radartechnik findet sich die hydrostatische Füllstandssensorik in mehr als jeder zweiten Messstelle wieder. Die enorme Bedeutung dieser Technologie spiegelt sich daher folgerichtig in deren stetigem Wachstum von 650 Mio. US$ im Vorkrisenjahr 2008 auf circa 770 Mio. US$ im Jahr 20131 deutlich wieder.

Was versteht man unter Hydrostatik?

Hydrostatische Drucksensoren dienen der Messung des Füllstandes bzw. der Füllhöhe einer Flüssigkeit. Die hydrostatische Druckmessung eignet sich für die Füllstandsmessung aufgrund der hydrostatischen Wirkung strömungsfreier Fluide. Dieses physikalische Prinzip beschreibt die Wirkung der Gewichtskraft einer ruhenden, sprich strömungsfreien Flüssigkeit auf einen Messpunkt. Diese auf einen spezifischen Messpunkt wirkende Gewichtskraft bezeichnet man üblicherweise als „hydrostatischen Druck“.

Die wichtigste Voraussetzung für die hydrostatische Füllstandsmessung ist das sogenannte „hydrostatische Paradoxon“. Dieses besagt, dass unabhängig von Form und Volumen eines Behälters, der hydrostatische Druck am Messpunkt eines Tanks oder Behälters ausschließlich zur Füllhöhe proportional ist (Bild 1). Somit ist trotz des scheinbaren Widerspruchs einer mit der Höhe überproportionalen Zu- oder Abnahme des Volumens bzw. Gewichts einer Flüssigkeit, der hydrostatische Druck am Messpunkt ausschließlich zur absoluten Füllhöhe und nicht zur Füllmenge proportional.

Eine statische Flüssigkeit bewirkt durch ihre spezifische Dichte und die wirkende Schwerkraft eine entsprechend der Füllhöhe proportional ansteigende Gewichtskraft bzw. einen ansteigenden hydrostatischen Druck. Folglich stellt der hydrostatische Druck ein direktes Maß für den Füllstand bzw. den Füllgrad eines Tanks- oder Behälters dar.

Da der hydrostatische Druck jedoch unabhängig vom Volumen und der Form eines Behälters ist, kann er zwar direkt zur Messung des Füllstandes verwendet werden, muss jedoch für eine „Messung“ der Füllmenge weiter verarbeitet werden. Aus dem gemessenen Füllstand kann mittels einer sogenannten Tanklinearisierungstabelle die aktuell im Behälter vorhandene Füllmenge berechnet werden.

Diese Tanklinearisierungstabelle dokumentiert für verschiedene Druckwerte die jeweils im Behälter befindliche Füllmenge. Aus diesen hinterlegten Druck/Füllmenge-Wertepaarungen kann nun eine Kurve abgeleitet werden, die dem Anwender für jeden gemessenen hydrostatischen Druck ein entsprechendes Füllvolumen darstellt. Üblicherweise erfolgt diese Berechnung in der SPS, so dass dem Benutzer direkt auf dem Bildschirm die aktuell vorhandene Füllmenge im Behälter angezeigt wird.

Um die Füllmenge mit hoher Genauigkeit aus dem hydrostatischen Druck bestimmen zu können, wird der Drucksensor idealerweise auf Höhe der gewünschten Nullmessung platziert. Ausgehend von diesem Messpunkt misst der Sensor den hydrostatischen Druck als direktes Maß für den Abstand vom gewählten Messpunkt bis zur Medienoberfläche. Der gemessene hydrostatische Druck einer Flüssigkeit beinhaltet jedoch zusätzlich zur Gewichtskraft des Mediums auch den auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkenden Umgebungsdruck im Falle offener bzw. belüfteter Tanks/Becken respektive den Gasdruck in gekapselten, gasdicht verschlossenen Tanks. Den aufliegenden Druck der Umgebungsluft bzw. des Gasdrucks kann man als Kraft bzw. Gewicht ansehen, die zusätzlich zur Flüssigkeitsgewichtskraft, auf den Drucksensor als hydrostatischen Druck wirkt.

Füllstandsmessung in offenen, belüfteten Behältern

In der hydrostatischen Füllstandsmessung in offenen bzw. belüfteten Becken und Behältern findet ein kontinuierlicher Druckausgleich der Umgebungsluft mit der Gasphase oberhalb der Flüssigkeit statt. Daher entspricht der Umgebungsdruck, der als „Gewichtskraft“ auf das Medium wirkt, immer auch dem wirkenden Umgebungsdruck auf das gesamte System, einschließlich des Füllstandsensors. Setzt man nun einen Drucksensor mit Relativdruckmesszelle ein, also einen ebenso wie der Tank mit dem Umgebungsdruck ausgeglichenen bzw. belüfteten Drucksensor, so gleicht dieser „selbstständig“ den Einfluss dieses Umgebungsdrucks auf die Füllstandsmessung aus. Dies bedeutet, dass ein Relativdrucksensor in belüfteten Behältern und Tanks den auf der Flüssigkeit aufliegenden Luftdruck vollständig aus der Füllstandsmessung „herauskompensiert“. Somit entspricht der hydrostatische Druck ausschließlich der Füllhöhe der Flüssigkeit (Bild 2).

Füllstandsmessung in gekapselten, gasdicht geschlossenen Behältern

Die Füllstandsmessung in gekapselten, gasdicht geschlossenen Behältern, die häufig in der chemischen Industrie vorzufinden sind, erfordert eine Kompensation des Druckes der über der Flüssigkeit eingeschlossenen Gasphase. Der eingeschlossene Druck der Gasphase wirkt als zusätzliche Gewichtskraft auf die Flüssigkeit und verfälscht eine hydrostatische Druckmessung am Behälterboden. Deshalb muss dieser die Messung verfälschende Einfluss durch eine zusätzliche Druckmessung der Gasphase kompensiert werden.

Häufig setzt man daher einen zweiten Drucksensor für die Messung des Gasdruckes ein. Diese Anwendung stellt prinzipiell eine Differenzdruckmessung dar, bei der zwei separate Druckmessungen miteinander verrechnet werden (Bild 3). Diese Verrechnung kann sowohl durch zwei individuelle Sensoren, als auch durch einen integrierten Differenzdrucksensor durchgeführt werden. In dieser Anwendung können Sensoren wahlweise in Relativdruck- (Sensor mit Umgebungsdruckausgleich) oder auch in Absolutdruckausführung (Sensor mit eingeschlossener Vakuumreferenz) genutzt werden.

Arten hydrostatischer Füllstandssensoren

In der hydrostatischen Füllstandsmesstechnik kann man primär drei Arten bzw. Bauformen von Füllstandssensoren unterscheiden: konventionelle Drucktransmitter, Prozessdrucktransmitter und Pegelsonden, verfügbar in Relativ-, Absolut- oder Differenzdruckausführung. Für die Anwendung in Tanks und freistehenden Behältern eignet sich insbesondere der Einsatz von konventionellen Drucktransmittern (Bild 4 und 5) oder Prozessdrucktransmittern (Bild 6), wahlweise mit klassischem Druckkanal (Bild 4) oder in frontbündiger Ausführung (Bild 5).

Die häufigste Verwendung finden hierbei konventionelle Drucktransmitter, die aufgrund ihrer großen industriellen Verbreitung, speziell im Maschinenbau, gerne in Anwendungen ohne besondere Anforderungen an die Messtechnik, wie z. B. Skalierbarkeit des Messbereiches oder integrierte Tanklinearisierung, eingesetzt werden. Konventionelle Sensoren zeichnen sich hier speziell durch ihr ausgezeichnetes Preis-/Leistungsverhältnis aus.

Sie sind robust, einfach in der Installation und Anwendung, schnell, und in variablen Genauigkeiten bis hin zu < 0,1 % verfügbar. Prozessdrucktransmitter hingegen werden vornehmlich in Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Messtechnik, wie z. B. Bus-Signalen, Skalierbarkeit des Messbereiches, integrierte Tanklinearisierung, u.v.m. eingesetzt und finden daher verstärkt in Applikationen der Chemie und Petrochemie ihre Anwendung. Die umfangreiche Einstellbarkeit und eine hohe Intelligenz dieser programmierbaren Prozessdrucktransmitter spiegeln sich auch in deren Preisstellung im Vergleich zu konventionellen Industrietransmittern wieder, die leicht den fünf- bis zehnfachen Preis eines konventionellen Drucksensors erreichen kann.

Speziell in der Wasser- und Abwasserwirtschaft werden häufig tauchfähige Drucksensoren, sogenannte Pegel- bzw. Tauchsonden eingesetzt, um den Füllstand in Becken, Brunnen oder Gewässern zu messen (Bild 7). Pegelsonden sind eine spezifische Bauform eines Drucktransmitters, die sich von klassischen Drucksensoren, bedingt durch die charakteristische Tauchanwendung, vor allem hinsichtlich der Medienbeständigkeit, Druckdichtigkeit, Kabelqualität und Schutzart unterscheiden. Rein vom Funktionsprinzip der hydrostatischen Messung handelt es sich auch hier um einen klassischen Drucksensor, der jedoch bedingt durch die spezifische Tauchanwendung immer vollständig und dauerhaft in Medienkontakt steht.

Die Bauform des Differenzdrucktransmitters (Bild 8), gilt speziell innerhalb der Chemie und Petrochemie als Stand der Technik. Differenzdrucktransmitter bieten den Vorteil, dass bereits in der Intelligenz des Transmitters der Druck der Gasphase eines gasdicht geschlossenen Tanks vollständig kompensiert und aus der Füllstandsmessung herausgerechnet werden kann. Der Anwender erhält somit eine hydrostatische Füllstandsmessung, die ohne zusätzliche Kompensationsmaßnahmen oder weitere Sensoren die korrekte Füllhöhe anzeigt. Diese aufwendige Messtechnik spiegelt sich jedoch im Preis, sowohl des Gerätes selbst als auch in der zugehörigen Installation, wieder.

Vorteile und Einschränkungen der hydrostatischen Füllstandsmessung

Die hydrostatische Druck- bzw. Füllstandsmessung erfreut sich einer anhaltend hohen Beliebtheit, bedingt durch die hohe Robustheit, große Zuverlässigkeit und einfache Installation dieser Technologie. Die größten Vorteile und Einschränkungen gegenüben alternativen Messverfahren sind folgende Eigenschaften:

Vorteile:

- Bewährtes und etabliertes Messprinzip mit hoher Zuverlässigkeit durch millionenfache Erprobung

- Robustes Messverfahren, unbeeinflusst von Störstoffen und -faktoren wie Staub, Schaum, Dämpfen, Anhaftungen, Schmutzstoffen, u.v.m.

- Messung unbeeinflusst von vielen physikalischer Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante oder Viskosität

- Füllstandsmessung unabhängig von Behältergeometrie und vorhandenen Einbauten

- Einfachste Installation und Anwendung durch Tauchsonden und konventionelle Drucksensoren ohne dass eine Kalibrierung oder Justage erforderlich wird

- Direkter Kontakt zum Füllmedium

- Vielzahl alternativer Bauformen und Messverfahren für nahezu jede Anwendung

Einschränkungen:

- Für Feststoffe ungeeignet

- Genaue Messung erfordert konstante Dichte oder Dichtemessung des Mediums

Hydrostatische Füllstandsmessung in der Praxis

Die Auswahl eines Füllstandssensors ist oftmals von einer großen Unsicherheit hinsichtlich der jeweiligen Eignung einer Technologie in der spezifischen Applikation geprägt. Die große Popularität hydrostatischer Sensoren liegt in deren einfacher Anwendung, einer geringen Fehleranfälligkeit von der Installation bis hin zum Dauerbetrieb, sowie deren großer Störgrößentoleranz und Eignung der Technologie für nahezu alle Einsatzbedingungen begründet. Dennoch gilt es auch hier einige wichtige Fallstricke zu vermeiden, um dieses Messverfahren effektiv und sicher zur Füllstandsmessung zu nutzen.

Der Einfluss der Temperatur, speziell deren Einfluss auf die spezifische Mediumsdichte, muss für eine korrekte Füllstandsmessung immer in die Berechnung des Niveaus einfließen. So führt ein Anstieg der Prozesstemperatur zu einer geringeren Dichte des Mediums und einem entsprechend ansteigenden Füllstand, jedoch nicht immer zu einem ebenso stark steigenden hydrostatischen Druck. Dies führt zu einer Ungenauigkeit in der Berechnung, z. B. einer Mindermessung des Füllstandes.

Daher wird eine hydrostatische Füllstandsmessung vor allem in Applikationen eingesetzt, die sich innerhalb bekannter Prozessgrenzen bzw. einer bekannten Dichte des Mediums bewegen. Sollte der Prozess eine stark variierende bzw. unbekannte Dichte beinhalten, so wird diese üblicherweise durch zusätzliche Sensoren kompensiert. Auch deshalb verfügen eine Reihe von Drucksensoren über zusätzliche, integrierte Temperatursensoren die eine Erfassung der Medientemperatur zur Dichtekompensation ermöglichen.

Das Medium und dessen Eigenschaften, insbesondere dessen Viskosität und Feststoffanteil entscheiden über den Einsatz eines Drucksensors in klassischer Bauform mit Druckkanal oder mit frontbündiger Membran.

Ein Drucksensor mit Druckkanal (Bild 4) sollte immer dann eingesetzt werden, wenn das Medium dünnflüssig und möglichst frei von groben Verschmutzungen ist. Neigt ein Medium jedoch zu Anhaftungen, ist hochviskos oder stark partikelhaltig, so wählt man einen Sensor mit frontbündiger Membran (Bild 5). Eine frontbündige Membran verhindert im Gegensatz zu einem Sensor mit Druckkanal, dass ein solcher Druckkanal verstopfen oder das Medium in diesem aushärten oder auskristallisieren kann.

Eine Verstopfung des Druckkanals verlangsamt die Messung bzw. verhindert im Extremfall eine korrekte Druckmessung sogar vollständig. Beachtet man also bereits in der Auswahl eines konventionellen Drucktransmitters die Eigenschaften des zu messenden Mediums, so kann die hydrostatische Druckmessung selbst unter härtesten Bedingungen zuverlässig eingesetzt werden. Pegelsonden (Bild 7) als spezifische Bauform eines Drucktransmitters werden sowohl in verschmutzten Medien, wie z. B. Abwasser, als auch in reinen Medien, wie z. B. Kraftstoff oder Grundwasser, eingesetzt. Hierbei werden sowohl frontbündige Produktausführungen, als auch weite Druckkanäle genutzt, um eine hohe Zuverlässigkeit der Füllstandsmessung in der Tauchanwendung zu gewährleisten.

In der Differenzdruckmessung durch Prozesstransmitter (Bild 9) ist die Positionsabhängigkeit eine häufige Quelle von Ungenauigkeiten in der Füllstandsmessung. Die Messstellen des Mediums und der Gasphase werden typischerweise durch ölgefüllte Kapillare mit der Differenzdruckmesszelle verbunden (in Bild 9 blau bzw. rot dargestellt). Die Höhendifferenz der Messstellen zum Differenzdrucktransmitter führen zu hydrostatischen Drücken innerhalb der Kapillare (siehe Bild 10), die einen Über- bzw. Unterdruck an der Messzelle darstellen und somit die hydrostatische Druckmessung verfälschen.

Die daraus resultierende Ungenauigkeit des Messergebnisses muss bereits bei Installation durch eine Lagekorrektur und die Konfiguration des Differenzdrucktransmitters korrigiert werden, damit dieser vollautomatisch eine Kompensation dieser Störfaktoren vornimmt. Es ist daher empfehlenswert den Transmitter grundsätzlich unterhalb der Höhe der Füllstandsmessstelle zu positionieren, um einen negativen hydrostatischen Druck bzw. Unterdruck auf die Füllstandsmessung auszuschließen.

Wohin entwickelt sich die Hydrostatik

Bedingt durch die große Verbreitung industrieller Drucksensoren und deren Herstellung in millionenfacher Ausführung haben hydrostatische Drucksensoren einen signifikanten Preisvorteil gegenüber vielen alternativen Füllstandsmessverfahren erreicht. Die Verbreitung von Drucksensoren zur Füllstandsmessung wird daher vor allem in der Breitenanwendung ohne besondere Anforderungen an die Messtechnik weiterhin ansteigen. Folgerichtig wird die hydrostatische Füllstandsmessung gegenüber alternativen Messprinzipien auch in Zukunft einen weiterhin ansteigenden Marktanteil zeigen und eine wirtschaftliche Füllstandsmessung in vielen neuen Anwendungen ermöglichen.

Alternative Materialien

In den vergangenen Jahren konnte man den Trend auf dem Markt beobachten, durch die hydrostatische Füllstandsmesstechnik alternative Messprinzipien zu ersetzen und diese verstärkt in vielen Anwendungen der Prozessmesstechnik einzusetzen. So ist ein klarer Trend zur Messung von aggressiven Medien (z. B. Säuren und Laugen) erkennbar, der die üblichen Anwendungsbedingungen des Einsatzes von Drucksensoren im Maschinenbau deutlich überschreitet. Diesen oftmals klassisch in der Prozessindustrie präsenten Medien begegnen Hersteller von Drucksensoren mit einer deutlichen Anpassung im Produktdesign.So findet man vermehrt den Einsatz alternativer Werkstoffe und Beschichtungen von Drucksensoren bzw. deren medienberührenden Teile vor. Titan, Gold, Keramik, Teflon und viele weitere Materialien, sind bereits heute im Markt erhältliche und gängige Werkstoffoptionen für Drucksensoren, deren Bedeutung in Zukunft weiter zunehmen wird.

Hygienic Design

Das Stichwort „Hygienic Design“ bzw. hygienegerechte Konstruktion, ursprünglich aus der Pharma-, sowie Nahrungs- und Genussmittelindustrie stammend, findet einen immer größeren Anklang auch in der chemischen Industrie. Die spezifischen Anforderungen dieser Branchen an eine größtmögliche Reinheit der zu messenden Produktionscharge, an eine optimierte Reinigbarkeit aller medienberührenden Teile der Prozessinstrumentierung, hohe Medien- und Umgebungstemperaturen, u.v.m. haben in einer Vielzahl spezialisierter hydrostatischer Drucksensoren eine Umsetzung gefunden. Die Vorteile einer hygienegerechten Konstruktion begründen sich aus den steigenden Anforderungen in der Produktion chemischer und petrochemischer Produkte hinsichtlich Reinheit und Güte.

Kleinere Batchgrößen, schnellere und häufigere Chargenwechsel, folglich eine höhere Flexibilität in der Produktion – ohne das Risiko von Kreuzkontaminationen durch Produktreste aus vorhergehenden Chargen - bietet die hygienegerechte Konstruktion aller medienberührten Bauteile. Aufgrund dieser Vorteile finden bereits heute hydrostatische Füllstandssensoren in hygienegerechter Ausführung auch in vielen klassischen Anwendungen der Prozessinstrumentierung in der chemischen Industrie ihren Einsatz.

Intelligentere Drucksensoren

Hydrostatische Drucksensoren haben in der Vergangenheit oftmals einfache Anwendungen mit hoher Preissensitivität besetzt. Im Zuge einer weiterhin ansteigenden Komplexität der Regelungstechnik und Prozesssteuerung, sowie durch die Verdrängung alternativer Messprinzipien durch die hydrostatischer Füllstandsmesstechnik, steigen auch die Anforderungen an hydrostatische Drucksensoren weiter an. Anforderungen wie digitale Kommunikation, Programmierbarkeit oder interne Tanklinearisierung haben bereits eine Umsetzung in Prozessdrucktransmittern gefunden.

Diese Anforderungen werden jedoch zukünftig vermehrt auch an vermeintlich einfachere und kostengünstigere Industrietransmitter gestellt. Führende Anbieter industrieller Drucksensoren haben bereits durch neue, spezielle Modelle reagiert. Es ist daher zu erwarten, dass Anwender hydrostatischer Füllstandssensoren zukünftig eine deutlich zunehmende Anzahl konventioneller Industrietransmitter mit umfangreichen Konfigurationsmöglichkeiten im Markt vorfinden werden.

Multiple Messgrößen

In der Messung chemischer Parameter, wie z. B. Chlorid-, Sauerstoff- und Stickstoffgehalt, sind Messsysteme zur Messung multipler Messgrößen ein erprobter Stand der Technik. In der Messung physikalischer Parameter hingegen fokussierte man sich in der Vergangenheit auf die Messung einer einzelnen Messgröße durch einen entsprechenden Sensor, wie z.B. einen Temperatursensor für die Temperaturmessung. In den letzten Jahren konnte man jedoch häufig den Bedarf an kombinierten Instrumentierungslösungen auch für physikalische Messgrößen beobachten.

Die Kombination von Druck- und Temperaturmessung innerhalb eines Drucksensors konnte daher bereits vielfach vorgefunden werden, primär um die Anzahl der zu instrumentierenden Messstellen zu minimieren. Der Trend zu kombinierten Sensorprinzipien wird daher in den folgenden Jahren zu einer wachsenden Anzahl am Markt verfügbarer Drucksensoren und einer steigenden Marktrelevanz der kombinierten hydrostatischen Druck- bzw. Füllstands- und Temperaturmessung führen.

Die hydrostatische Füllstandsmesstechnik hat in den vergangenen Jahren aufgrund ihrer einfachen und leicht verständlichen Anwendung eine außerordentliche Marktbedeutung erlangt. Durch ihre große Widerstandsfähigkeit und Toleranz gegenüber einer Vielzahl von Störgrößen, sowie schwankender Prozessbedingungen, wird sie auch in absehbarer Zeit den Status als wichtigstes Sensorikprinzip zur Füllstandsmessung behaupten.

Neue Anwendungen und die Substitution alternativer Messprinzipien werden einen weiteren Anstieg der Verbreitung hydrostatischer Drucksensorik begünstigen. Die Hersteller industrieller Drucksensoren haben in den vergangenen Jahren durch alternative Werkstoffe und einer beständig wachsenden Komplexität der Drucksensorik die hydrostatische Füllstandsmesstechnik bereits für die Anforderungen der kommenden Jahre geformt. ●

* Der Autor arbeitet als Produktmanager bei WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, Geschäftsbereich Elektronische Druckmesstechnik

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