Füllstandmesstechnik Zuverlässige Füllstandüberwachung nach dem potentiometrischen Prinzip

Autor / Redakteur: Andrea Finkel / Dr. Jörg Kempf

Zur exakten Messung des Füllstandes in einem Behälter kommen verschiedene Verfahren in Betracht. In Umgebungen, die eine berührende Messung zulassen, bieten sich auf Leitfähigkeit basierende Geräte an.

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LSP 05x-Sensor mit 3A-Zulassung für eine kontinuierliche Füllstandmessung (Bilder: Baumer)
LSP 05x-Sensor mit 3A-Zulassung für eine kontinuierliche Füllstandmessung (Bilder: Baumer)
( Archiv: Vogel Business Media )

Sie stellen eine Alternative zu aufwändigeren Messsystemen dar und eignen sich insbesondere zur kontinuierlichen Füllstandmessung in der Lebensmittelindustrie.

Das Messen und die Überwachung von Füllständen in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen erfordern ein zuverlässiges Messsystem zu vertretbaren Kosten. Grenzstandsmelder allein können den Tankinhalt nur punktuell wiedergeben und reichen somit für eine genauere Wiedergabe nicht aus. Eine genaue Messung ist erforderlich, wenn Beimischungen oder Dosierungen von Flüssigkeiten vorgenommen werden sollen, eine Feinregelung erforderlich oder eine Verbrauchs- oder Verlustkontrolle notwendig ist.

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Baumer bietet eine Reihe von Messsystemen an, die auf verschiedenen Technologien basieren: Geräte für die hydrostatische Druck- und Differenzdruckmessung, Ultraschall- und optische Sensoren sowie auf Leitfähigkeit basierende Geräte. Unter den Sensoren, die auf Leitfähigkeit basieren, zeichnet sich das Füllstandmessgerät LSP 05x durch einfachen Aufbau und Montage sowie durch seine Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit aus.

Das Messprinzip

Das Messprinzip beruht auf einem niederohmigen Messstab, der in eine leitende Flüssigkeit taucht. Ein Oszillator erzeugt einen Wechselstrom, der über den gesamten Messstab eingespeist wird. Zwischen dem Stab und der metallischen Tankwand oder einer Referenzelektrode wird gemäß dem jeweiligen Füllstand ein proportionaler Stromfluss erfasst und an einen Verstärker weitergeleitet. Hierbei nimmt der Widerstand der Flüssigkeit proportional zum eingetauchten Teil des Stabes ab. Bei einer homogenen Zusammensetzung der Flüssigkeit ist ein absolut linearer Abgriff des Füllstands und somit ein linearer Signalausgang von 4...20 mA gegeben.

Der Medium-berührende Stab besteht aus Edelstahl 1.4404 und einer hochresistenten, mediumseitigen Kunststoffabdichtung aus PEEK. Je nach Ausführung kann damit ein Füllstand bis zu einer Höhe von drei Metern erfasst werden.

Das Gerät eignet sich aber auch für kleine Behältnisse oder Rohrleitungen und lässt sich in allen Flüssigkeiten einsetzen, die teilaggressiv, zäh oder sogar pastös sind wie Ketchup, Honig oder Zahnpasta. Voraussetzung für dieses Messprinzip ist eine Mindestleitfähigkeit der Flüssigkeit von 1µS/cm. Eine Beeinflussung durch Druck, Dichte, Temperatur und DK-Wert gibt es nicht, was ein breites Anwendungsgebiet für diese Technologie eröffnet.

Die Programmierung des Sensors erfolgt bequem über einen Taster am Gerät. Durch das einfache Teach-In-Verfahren können Füllhöhen von 50 mm bis über die gesamte Stablänge eingestellt werden. Dies gilt auch für den Einbau in den Tankboden, wobei in diesem Fall das Ausgangssignal reversiert werden kann. Lediglich das Ende des Messstabes von etwa 5 mm ist inaktiv.

Medienseitig sind ein Druck von maximal 16 bar und eine Dauertemperatur von –20 bis 140 °C möglich. Das Gerät übersteht aber auch kurzeitige Temperaturen von 150 °C schadlos. Dadurch ist der Sensor auch für den Einsatz in CIP- und SIP-Anlagen geeignet.

Die hohe Messgenauigkeit von ±0,5 Prozent der jeweiligen Stablänge und die kurze Ansprechzeit von Tm=10 ms ermöglichen eine genaue Kontrolle des Füllstands. Eine abgesicherte Spannungsversorgung von 18...36 VDC bei 200 mA garantiert den sicheren Betrieb.

Erfolgreich im kritischen Umfeld

Der hygienegerechte Einbau und das robuste, leicht zu reinigende Edelstahlgehäuse der Schutzart IP 67 inklusive Schraubdeckel mit Griffmulden und O-Ringabdichtung, der Messstab aus Edelstahl 1.4404 sowie der 3A-gerechte Prozessanschluss ermöglichen den Einsatz vor allem in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, aber auch in der Pharmazeutik und Biochemie.

Gegenüber weiteren, ebenfalls üblichen Messverfahren bietet diese Ausführung eine kostenoptimierte Lösung für die Überwachung von kleinen und mittleren Behältern und Tanks. Bei einer geforderten Isolierung des Messstabs zum Einbauort hin, z.B. bedingt durch Schaumbildung, kann dieser Teil mit Teflon beschichtet werden.

Sollten die baulichen Verhältnisse einen geraden Einbau des Messstabs nicht zulassen, so kann dieser mit einem Biegeradius von ≥10 cm bis zu 90° abgewinkelt werden. Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn nur ein Einbau von der Seite möglich ist.

Durch eine getrennte Ausführung können hohe Umgebungstemperaturen am Messort, erforderliche Reinigungsmaßnahmen durch starkes Strahlwasser oder Hochdruckreiniger geräteverträglich abgedeckt werden. Dazu wird der Messstab mittels Leergehäuse am Messort eingebaut und über ein bis zu fünf Meter langes Kabel mit der Verstärkerelektronik in einem externen Gehäuse verbunden. Dieses kann dann an einen gerätefreundlichen Ort montiert werden.

Die genannten Eigenschaften und Einbaumöglichkeiten bieten in industriellen und verfahrenstechnischen Bereichen wie in der Produktion von Nahrungsmitteln sowie in der Chemie und Feinchemie viele Vorteile und ermöglichen somit eine messtechnisch reproduzierbare Lösung.

Anwendungsbeispiele

Die Herstellung von Schokoladenmusen oder das Messen in Behältern mit bewegter Flüssigkeit stellen besondere Herausforderungen an die Füllstandmessgeräte. Mit dem LSP 05x konnten in folgenden Beispielen praktikable und wirtschaftliche Lösungen gefunden werden.

Ein liegender Trommelbehälter erlaubte nur den seitlichen Einbau des Messstabs. Das Medium ist Schokoladenmus. Der Füllstand ist konstant zu halten, da die nachgeschaltete Dosieranlage mit einer immer gleichmäßigen Menge versorgt werden muss. Der Stab wurde um 45° abgewinkelt, der waagrechte Schenkel mit Teflon beschichtet. Der abgewinkelte Schenkel dient zur Aufnahme des Füllstands.

In einem anderen Fall sollte der Füllstand einer sich stark bewegenden Flüssigkeit in einem Becken aus Beton hochgenau erfasst werden. Der Messstab des LSP wurde hierzu mittig in ein Edelstahlrohr mit einem Innendurchmesser von 30 mm eingebracht. Die vorgenommene Funktionsprüfung ergab eine einwandfreie Messung.

Die in Zusammenarbeit mit den Kunden und Systempartnern entwickelten Lösungen zur genauen Füllstandmessung machen deutlich, dass das leitfähigkeitsbasierte Messsystem auch unter schwierigen Verhältnissen erfolgreich eingesetzt werden kann.

Fazit: Die Beispiele aus der Praxis zeigen, dass sich Zuverlässigkeit und Robustheit einerseits und hohe Genauigkeit andererseits nicht ausschließen müssen. Bei kleinen bis mittleren Behältern oder in Rohrleitungen, in denen eine berührende Messung durchgeführt werden kann, ist der LSP 05x eine Alternative zu teureren Systemen.n

Die Autorin arbeitet als Fachjournalistin.

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