Der Trick mit dem statischen Druck

MSR / Automatisierung Der Trick mit dem statischen Druck

09.02.2007Redakteur: Redaktion PROCESS

Der Peilstab hat schon lange ausgedient – eines der modernsten und elegantesten Verfahren in der Füllstandmessung ist die Ermittlung über den hydrostatischen Druck. Die Vorteile reichen von der einfachen Installation über die völlige Unabhängigkeit vom Füllmedium bis hin zur hohen Messpräzision.

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Füllstandmessung in offenen und geschlossenen Behältern ist in der Verfahrenstechnik Tagesgeschäft - ohne sie geht in der stoffumwandelnden Industrie nichts. Zudem wachsen die Anforderungen an Funktionssicherheit und Genauigkeit von Füllstand-Messeinrichtungen.

Heute werden Messabweichungen von 0,2% und besser gefordert, insbesondere in Prozessen mit kostenintensiven Produkten wie in der Pharma- und Bioproduktion oder bei eichpflichtigen Niveaumessungen. In vielen verfahrenstechnischen Produktionsanlagen, z.B. bei Verdampfern oder Kolonnen, müssen diese Messungen auch unter extremen Betriebsbedingungen, wie sehr hohen Temperaturen und Drücken, korrosiven oder toxischen Medien, höchst zuverlässig arbeiten.

Außerdem wird heute neben der kontinuierlichen Messung des Füllstandes vielfach auch die gleichzeitige Grenzwerterfassung verlangt, um eine Überfüllung oder das Leerlaufen von Behältern zu vermeiden. Und genau hier haben viele der bekannten Füllstandmessverfahren - ganz gleich ob kontinuierlich oder punktuell, berührend oder berührungslos - erhebliche Probleme, eine ausreichende Präzision in allen Bereichen und unter allen Bedingungen dauerhaft zu gewährleisten. Was liegt also näher, als das Druckmess-prinzip, das sich in allen Bereichen der Verfahrenstechnik selbst unter extremsten Betriebsbedingungen bewährt, auf der Basis der Hydrostatik auch für die Füllstandmessung einzusetzen.

Füllstand stellt physikalisch betrachtet eine Länge dar, die auf einfachste Weise mit Peilstäben, Schau- oder Standgläsern, Schwimmern oder auch Lotgeräten erfasst werden kann. Mittelbare Messverfahren benötigen dagegen Produkteigenschaften zur indirekten Bestimmung der Standhöhe. So lässt sich bei der hydrostatischen Füllstandmessung über den hydrostatischen Bodendruck in Kombination mit der Dichte des Messmediums der Füllstand bestimmen. Die hydrostatische Füllstandmessung ist im Prinzip die einfache Messung eines Drucks, der durch die Höhe einer Flüssigkeitssäule erzeugt wird. Der Füllstanddruck berechnet sich für offene (atmosphärische) Behälter bekanntermaßen nach der Formelp = h · r · gmit p = Hydrostatischer Druck, h = Höhe der Flüssigkeitssäule, r = spezifisches Gewicht oder Dichte des Mediums und g = Schwerkraft.

Bei einer konstanten Dichte des Füllmediums ist somit der gemessene Druck p ein direktes Maß proportional zum Füllstand h. Einrichtungen zur Messung des hydrostatischen Druckes am Boden von Behältern gehören zu den häufigsten Methoden der Füllstandmessung. Sie sind problemlos, zuverlässig, preiswert und leicht zu warten. Bei einem Überlagerungsdruck in geschlossenen Behältern ist natürlich die Differenzdruckmessung zwischen Gasraum und Behälterboden eine adäquate Variante.

Die vielfältigen Prozessanschlüsse und das intelligente Modulkonzept der neuen Pascal CV-Serie von Labom ermöglichen maßgeschneiderte Lösungen für die Füllstandmesstechnik in einem Gerät:jals intelligenter Messumformer für die kontinuierliche Messung und Bilanzierung, jals Füllstandgrenzschalter mit integriertem Schaltmodul mit zwei potentialfreien Kontakten.

Wie in allen Bereichen der Druckmessung können auch in der hydrostatischen Füllstandmessung die Trennmembranen der Druckmittler frontbündig mit der Behälterinnenwand montiert werden, und die Kapillarverbindung zum Messumformer schützt vor kritischen Produkteigenschaften oder widrigen Betriebsbedingungen. Damit eignen sich diese Druckmittler besonders für die Füllstandmessungen von problematischen Füllmedien.

Genau hier lag einer der Schwerpunkte bei der Entwicklung der Pascal CV-Serie. Durch eine Vielzahl von Prozessanschlüssen kann der Druckmessumformer in allen gängigen Variationen an Tanks oder Behälter adaptiert werden. Frontbündige Membranen sorgen auf Wunsch für spaltfreie und hygienische Verbindungen an Tankwänden oder Rohrleitungen. Die „smarten“ Funktionsmodule zum Anzeigen, Schalten und Kommunizieren ermöglichen die optimale Auslegung der Mess-Signalaufbereitung auch vor Ort am Tank oder Behälter, ohne das Gerät auszubauen.

Eine einfache und übersichtliche Menü-Führung bietet dem Anwender die individuelle Anpassung des Messgerätes an die jeweilige Messaufgabe. Der werkskalibrierte Nennmessbereich lässt sich im Verhältnis 5:1 an die jeweilige Messspanne bzw. Füllhöhe angleichen (Turn-Down 5:1). Dabei behält der Messumformer uneingeschränkt seine Linearität - dies ist gerade für die eichfähige Füllstandmessung von entscheidender Bedeutung.

Zur Füllstandmessung werden die Druckmessumformer in der Regel unten am Behälter angebaut. Sollte dies nicht möglich sein oder liegt der Behälterabfluss oberhalb der Messstelle, kann der Nullpunkt über eine Menü-Funktion „Druck-Justierung“ einfach am Gerät vor Ort korrigiert werden.

Generell können der Nullpunkt und die Füllhöhe im Behälter einfach über eine „Teach-in-Funktion“ mittels eines Tastendruckes am Messumformer direkt übernommen werden. Das Display im Anzeigemodul zeigt die Messergebnisse immer druckproportional in den einstellbaren physikalischen Einheiten an, z.B. mmWs oder mWs. Mit dem Menü-Punkt „Tabellenfunktion“ kann der Anwender die Behältergeometrie für eine Tank-Inhaltsmessung parametrieren und damit über den Stromausgang optional das Füllvolumen ausgeben.

Dabei wird der werkseitig eingestellte lineare und druckproportionale Stromausgang (4..20 mA) zwischen 2 und 31 Tabellenpunkten gemäß einer gewünschten Ausgangsfunktion angepasst. Maximal kann bei der Wahl von 31 Tabellenpunkten der Stromausgang von 4...20mA in 30 Teilen individuell einer Behältergeometrie angeglichen werden. Die minimalen und maximalen Füllstandhöhen im Behälter werden kontinuierlich im Messumformer gespeichert (Schleppzeiger-Funktion) und sind jederzeit über das Betriebsmenü „Min-Max-Werte“ auszulesen.

Der Druckmessumformer bietet mit seiner „smarten“ Modultechnik und der Plug & Measure-Funktion Planern und Betreibern ein hohes Maß an Flexibilität für die Füllstandmessung. Die Modultechnik bildet die Basis für eine gleichzeitige Überwachung von Füllstandgrenzwerten. Mit einem integrierbaren Schaltmodul lassen sich parallel zum analogen Messumformersignal zwei potenzialfreie und kurzschlussfeste Schaltkontakte parametrieren.

Die Schaltpunkte können dabei jeweils zwischen 0 und 100% der Messspanne - hier die Füllstandhöhe - als Öffner oder Schließer eingestellt werden. Allseitig galvanisch getrennt, werden so Behälterfüllstandgrenzwerte sicher vor Überfüllung oder Leerlaufen detektiert. Dadurch sind erstmals für die Füllstandgrenzüberwachung keine weiteren Geräte und somit auch keine weiteren Prozess-anschlüsse erforderlich. Zudem können diese Schaltmodule auch einfach vor Ort - sogar bei laufender Anlage - nachgerüstet werden, ohne den Messumformer auszubauen. Die hierbei realisierte Plug & Measure-Technologie mit automatischer Modulerkennung macht die Parametrierung einfach.j

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