Was ist ein Füllstandsensor?
Füllstandsensoren sind Messgeräte, die zur Bestimmung der Höhe des Flüssigkeitsstands in Tanks und Behältern verwendet werden. Damit lässt sich die verbleibende Flüssigkeitsmenge in einem Tank oder Behälter ermitteln. Einige Sensoren stellen lediglich das Vorhandensein oder Fehlen von Flüssigkeit fest, während andere durch kontinuierliche Messung einen Prozentsatz der verbleibenden Menge berechnen können. Sie werden manchmal auch als Flüssigkeitsstandssensoren bezeichnet. Einige Flüssigkeitssensoren können auch auf partikelförmige Feststoffe wie Sand umgelenkt werden.
Anwendungen von Füllstandsensoren
In der Industrie werden Flüssigkeiten, die als Materialien oder Lösungsmittel für die Reinigung verwendet werden, manchmal in verschlossenen, nicht sichtbaren Behältern gelagert. Füllstandsensoren werden häufig zur Überwachung des verbleibenden Tankvolumens eingesetzt, insbesondere in großen Anlagen wie Ölraffinerien und Wasseraufbereitungsanlagen, in der Getränke- und Lebensmittelproduktion sowie in der Zellstoff- und Papierherstellung, da die Behälter nicht geöffnet werden müssen, um den Zustand der darin befindlichen Flüssigkeit zu überprüfen. Sie werden auch eingesetzt, um nicht nur die Restmenge, sondern auch den Verfall und die Qualität von Flüssigkeiten zu überprüfen.
Funktionsweise von Füllstandsensoren
Es gibt verschiedene Arten von Füllstandsensoren, die jeweils nach einem anderen Prinzip arbeiten. Die vier gängigsten Typen sind:
1. Schwimmer-Typ
Ein Rohr mit einem eingebauten Draht wird oben und unten am Tank befestigt und ein magnetisierter Schwimmer, der sich mit dem Flüssigkeitsstand entlang des Rohrs hebt und senkt, schwimmt auf der Flüssigkeitsoberfläche. Der Flüssigkeitsstand wird anhand der Strecke gemessen, die der Schwimmer und der Draht im Inneren des Rohrs zurücklegen.
2. Ultraschalltyp
Der Abstand zwischen dem Sensor und der Flüssigkeitsoberfläche wird gemessen, indem eine Ultraschallwelle zur Flüssigkeitsoberfläche gesendet, reflektiert und die Zeit gemessen wird, in der sie empfangen wird.
3. Kapazitiver Typ
Der Sensor wird in geringem Abstand zur Tankwand positioniert und überwacht die Kapazität zwischen der Wand und dem Sensor. Befindet sich Flüssigkeit zwischen dem Sensor und der Wand, ist die Kapazität größer; ist der Tank leer, ist die Kapazität kleiner.
Es wird davon ausgegangen, dass die Tankwände aus Metall bestehen. Wenn die Flüssigkeit nicht leitend ist, nimmt der Beitrag der von der Flüssigkeit abgeleiteten kapazitiven Komponente mit der Höhe der Flüssigkeitsoberfläche zu.
Im Allgemeinen ist die relative Dielektrizitätskonstante von nichtleitenden Flüssigkeiten größer als die von Luft, was bedeutet, dass der überwachte Kapazitätswert bei höheren Höhen der Flüssigkeitsoberfläche größer und bei niedrigeren Höhen der Flüssigkeitsoberfläche kleiner ist. Wenn diese Beziehung im Voraus als bekannte Funktion ermittelt wird, kann die Höhe der Flüssigkeitsoberfläche aus den tatsächlich gemessenen Werten des Sensorausgangs bestimmt werden.
Ist die Flüssigkeit hingegen leitend, gibt es keine von der Flüssigkeit abgeleitete Kapazitätskomponente, so dass die Höhe der Flüssigkeitsoberfläche auf die gleiche Weise bestimmt werden kann, indem die Sensorelektroden mit einem Isolator (Dielektrikum mit konstanter relativer Dielektrizitätskonstante) abgedeckt werden und der Sensor so konfiguriert wird, dass Schwankungen in der von der Luft abgeleiteten Kapazitätskomponente auf der Grundlage von Schwankungen in der Höhe der Flüssigkeitsoberfläche effektiv erkannt werden.
4. Optischer Typ
Das optische System, das aus einer Infrarot-LED und einem Empfänger besteht, ist so konzipiert, dass das Infrarotlicht den Empfänger erreicht, wenn keine Flüssigkeit vorhanden ist. Wenn der Sensor in Flüssigkeit eingetaucht ist, kann das Licht den Empfänger aufgrund von Lichtbrechung usw. nicht erreichen, so dass ein Anstieg des Flüssigkeitsstands erkannt werden kann.
Berührungslose Füllstandsensoren
Zu den bekannten berührungslosen Füllstandsensoren gehören Ultraschall-, Funkwellen-, Laser-, Strahlungs-, gravimetrische und Direktsichtsensoren.
Der Ultraschalltyp misst die Zeit, die die Ultraschallwellen benötigen, um von der Flüssigkeitsoberfläche zurückgeworfen zu werden. Die Messung ist zwar unabhängig von der Art der Flüssigkeit, aber sie ist anfällig für Kondensation und Hindernisse.
Radiowellensysteme messen die Zeit, die elektromagnetische Wellen benötigen, um von der Flüssigkeitsoberfläche zurückgeworfen zu werden. Sie zeichnen sich zwar durch eine hohe Umweltbeständigkeit aus, sind aber auch teuer und haben den Nachteil, dass sie große und schwere Geräte benötigen.
Beim Lasertyp wird ein Halbleiterlaser verwendet, um die Reflexion des Lichts von der Flüssigkeitsoberfläche zu messen. Er zeichnet sich durch seinen kleinen Messfleckdurchmesser aus und wird daher nicht durch Hindernisse im Tank beeinträchtigt. Andererseits ist sie teuer und erfordert eine Sicherheitskontrolle des Lasers.
Der Strahlungstyp nutzt die Transmission und Absorption von Gammastrahlen zur Messung. Sie können in giftigen, heißen und korrosiven Umgebungen eingesetzt werden, erfordern aber aufgrund des potenziellen Risikos für die menschliche Gesundheit Sicherheitskontrollen.
Gravimetrische Systeme messen den Flüssigkeitsstand durch Wiegen des gesamten Tanks. Dieses Verfahren hat zwar den Vorteil, dass es nicht durch das Tankinnere beeinflusst wird, ist aber anfällig für Änderungen des spezifischen Gewichts der Flüssigkeit, wie z. B. Blasenbildung.
Bei der direkten visuellen Methode wird der Füllstand visuell überprüft. Sie ist die billigste Methode, hat aber den Nachteil, dass sie bei Verschmutzung gereinigt werden muss und schwer zu automatisieren ist.
Füllstandsensoren auf Elektrodenbasis
Füllstandsensoren auf Elektrodenbasis (Niveauschalter) sind elektrische Füllstandssensoren ohne bewegliche Teile und werden häufig zur allgemeinen Füllstandskontrolle in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der Stahl-, Lebensmittel-, Chemie-, Pharma- und Halbleiterindustrie, in der Landwirtschaft, in Wasseraufbereitungsanlagen und bei der Abwasserbehandlung.
Bei der Messung wird eine Wechselspannung zwischen der Erdungselektrode und der Detektionselektrode angelegt. Sind die Elektroden nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit, fließt kein Strom, sind die Elektroden jedoch in Kontakt mit der Flüssigkeit, fließt ein Strom. Nach diesem Prinzip können nur leitende Flüssigkeiten nachgewiesen werden.
Das Gerät besteht aus einem Elektrodenhalter, Prozessanschluss, Elektrodenstab und Relaiseinheit. Abgesehen von der Relaiseinheit gibt es keine elektronischen Komponenten und keine beweglichen Teile, so dass es sich um einen einfachen Aufbau handelt.