1. Füllstandsmessung

Messungen der Standhöhe von Füllgütern in Behältern, meistens Tanks oder Silos, bezeichnet man als Füllstandmessungen. Es gibt sowohl flüssiges, festes als auch gasförmiges Füllgut. Füllstandmessungen sind notwendig, um Überfüllungen und starke Entleerungen von Behältern zu vermeiden. Eine weitere Aufgabe ist in Pumpenvorlagen die Erhaltung des Flüssigkeitstandes in einem festgelegten Bereich, sodass Störungen im Zu- und Ablauf verhindert werden können. Hierbei spielt die sichere Funktion eine wichtigere Rolle als die Genauigkeit der Messeinrichtung.

Bei der „kontinuierlichen“ Füllstandmessung reicht eine Genauigkeit von + 1% des Messbereichs aus. Bei eichpflichtigem Verkehr sind jedoch genaue Füllstandmessungen erforderlich, die aus der Messgröße, den geometrischen Abmessungen der Behälter, der Temperatur und den Produkteigenschaften mit einer Genauigkeit von mindestens 0,5% berechnet wird. Zum Beispiel bei der Funktion des Umlaufverdampfers einer Destillationskolonne ist das genaue Einhalten eines Flüssigkeitsstandes häufig Voraussetzung für den richtigen Ablauf.

2. Messmethoden

Physikalisch stellt die Größe Füllstand eine Länge dar. Dabei ist oft der Inhalt in Kilogramm wichtiger als die Standhöhe in Metern. Es gibt zahlreiche Füllstandmesseinrichtungen, die alle auf unterschiedliche physikalische Grundlagen basieren. Im Weiteren werde ich einige Füllstandmesseinrichtungen erläutern und mich hauptsächlich auf Neuentwicklungen beziehen. Beim Bestimmen eines Füllstands werden Längen gemessen, die in direkte und indirekte Längenmessungen gegliedert werden. Einige Beispiele für direkte Längenmessungen sind Standmessungen mit Peilstäben und Peilbändern, in Schaugläsern oder mit Schwimmern. Die indirekte Längenmessung basiert auf modernere Messeinrichtungen, die aus längenabhängigen Effekten die Standhöhe bestimmen können. Modernere Messeinrichtungen sind beispielsweise kapazitive, radiometrische und Leitfähigkeitsmessgeräte. Die (Auftriebs-) Kraftmessung und die Messung des hydrostatischen Drucks sind zwei weitere physikalische Messmethoden, bei denen die Füllhöhe und die Dichte entscheidend sind.

2.1 Örtliche Füllstandmesseinrichtungen

Eine Einbindung von örtlichen mechanischen Messgeräten ist bei Anlagen mit Prozessleittechnik nicht möglich. Dass liegt daran das eine Fernübertragung der gemessenen Daten nicht möglich ist. Sie werden unter anderen dazu eingesetzt moderne und hochgenaue Messverfahren zu überprüfen.

2.1.1 Peilbänder, Peilstäbe

Peilbänder und Peilstäbe haben heute nur eine Bedeutung bei der Erst- oder Nacheichung von Füllstandsmessgeräten die eichfähig sind. Eine Messung funktioniert folgendermaßen, zuerst wird das Peilband oder der Peilstab in den Behälter mit der zu messenden Flüssigkeit eingetaucht bis er zum Beispiel mit seinem Spanngewicht auf eine Peilplatte, die sich am Boden des Behälters befindet, aufsetzt. Eine andere Möglichkeit ist ein Anschlag an der Oberseite des Behälters. Hier wird der Stab, wie man es von der Ölstandmessung bei einem KFZ kennt, komplett rein gesteckt. Zieht man den Stab oder das Band dann wieder aus dem Behälter heraus, kann man die Lage der Benetzungsgrenze ablesen. Um diese Grenze besser zu erkennen, kann man den Stab bzw. das Band mit Kreide, Farbe oder mit Peilpaste präparieren.

2.1.2 Schaugläser

Schaugläser sind in der Regel an der Seite der Behälter angebracht. Es sind Röhren die je nach Anwendung aus Glas oder Metall sind. Wobei die Metallröhren Hochdruckschaugläser haben. Ihr Einsatz ist aber zu meist schwierig da die Genauigkeit von vielen Faktoren abhängt, wie zum Beispiel die Beschaffenheit der Produkte. Sie können zäh oder verunreinigt sein und können sich möglicherweise am Schauglas ablagern. Zum anderem muss auch die Dichte im Behälter selbst wie auch in dem Schauglas übereinstimmen. Differenzen können hier entstehen, wenn beispielsweise die Temperaturen im Behälter hoch sind, aber das Produkt im Schauglas schneller abkühlt.

 

2.2 Laufzeitverfahren

Der heutige Stand der Technik sind Messgeräte, die berührungslos Messungen vornehmen. Sie messen die Distanz mit Hilfe von Ultraschall-, Radar- oder Laserwellen. Dabei wird die Laufzeit als Maß für die Distanz benutzt. Durch einen elektrischen Oszillator wird ein Geber an der Oberseite des Tanks oder des Silos angeregt, der einen kurzen Impuls in Richtung Füllgutoberfläche sendet. Der als Empfänger geschaltete Geber empfängt den Impuls als Echo und wandelt ihn in ein elektrisches Signal zurück. Der Impuls kann sowohl durch Ultraschall als auch durch elektrische Wellen dargestellt werden.

Da die erforderlichen Signal-Auswerte-Verfahren und auch die meisten Anforderungen, die an alle 3 Verfahren bei der Anwendung gestellt werden, sich sehr ähneln, gehen viele Hersteller dazu über ihre Produkte so zugestalten, dass ein einheitliches Layout für alle drei Messverfahren verwendet wird.

2.2.1 Ultraschall-Messeinrichtungen

Ein Piezokristall, der akustisch eng an einer Membraneangekoppelt ist, fungiert hier als Sender und Empfänger. Wenn hier eine Wechselspannung angelegt wird, die der Eigenfrequenz des Kristalls entspricht, sendet er ein Ultraschallsignal aus. Dieses Signal wird dann von der Produktoberfläche reflektiert und trifft so wieder auf den Kristall, dabei wird ein Spannungsimpuls erzeugt. Bei der Anwendung muss darauf geachtet werden das der Kristall eine Abklingzeit hat, nachdem er das Sendesignal abgegeben hat. Daraus folgt, dass es eine Mindestlaufzeit und damit eine Mindestentfernung zur Flüssigkeitsoberfläche geben muss.

2.2.2 Radar-Messeinrichtungen

Bei diesem Messverfahren wird die Antenne auch gleichzeitig als Sender und Empfänger genutzt. Im Gegensatz zum Ultraschallmessverfahren kommt hier keine direkte Laufzeitmessung, für die typischen Distanzen bei der Füllstandsmessung, in frage. Die Laufzeiten liegen hier im Nanosekunden-Bereich wegen der hohen Lichtgeschwindigkeit. FMCW (Frequency modulated continuous wave) und das Puls Laufzeitverfahren sind die 2 Verfahren die sich heute, durch ihre technische Umsetzbarkeit und der Möglichkeit auch mm genaue Messungen machen zu können, durchgesetzt haben.

2.2.3 Laser-Messeinrichtungen

Bei dem Lasermessverfahren sind Sender und Empfänger getrennt. Rot- bzw. Infrarotlaser sind Sender von Laser-Echo-Laufzeitmesseinrichtungen und Fotodioden sind Empfänger. Hierbei spielen das Impuls-Laufzeitmessverfahren und die Phasenkorrelation eine wichtige Rolle. Damit die Betriebsbedingungen nicht auf die Sensoren einwirken können, werden die Sensorsignale optisch über Fenster in Drucktanks eingekoppelt. Bei Staubablagerungen auf den Fenstern ist der Einsatz in Schüttgutanwendungen nicht mehr möglich. Der Laser muss hochgenau auf die Produktoberfläche ausgerichtet werden, damit ein Reflexionssignal empfangen werden kann.

2.2.4 Störeinflüsse auf Laufzeitmessungen

Wichtig bei Laufzeitmessungen ist die Unterscheidung von Hauptecho und Störecho, denn beispielsweise Ultraschallmessungen reagieren sehr stark auf Störechos. Beispiele für Störquellen sind Behältereinbauten wie Rührer oder Heizschlangen und auch Schweißnähte und Grate an Stutzen. Um die richtige Wahl der geeigneten Trägerfrequenz und Antennengröße für Füllstand-Radarsysteme zu treffen, gibt es einige Daumenregeln, die folgendes sagen: Eine größere Antenne verspricht eine bessere Richtcharakteristik und einen größeren Messbereich. Eine höhere Träger-Frequenz reduziert sowohl den Strahlkegeln als auch die Tankwandeinflüsse, aber vergrößert die Empfindlichkeit gegen Kondensat und Schaum.

2.3 Schwimmergeräte

Messkörper, die ihren senkrechten Abstand von einer Bezugsebene mit dem Füllstand ändern, nennt man Schwimmermesseinrichtungen. Änderungen der Dichte des Füllgutes haben keinen oder nur geringen Einfluss auf das Messergebnis, denn das Ergebnis ist von der Schwimmerform abhängig. Um einen Füllstand genau zu messen, muss sich der Schwimmer frei bewegen können. Die Führung der Schwimmer erfolgt entweder an senkrechte Rohre aus unmagnetischem Material oder in einem Parallelgefäß. Die Bewegung der Schwimmer wird dann auf ein Abgriffsystem übertragen. Doch beide Anordnungen zeigen folgende Vor- und Nachteile:

2.4 Verdrängergeräte

In der Regel sind die Messkörper schlanke, zylindrische Rohre, die spezifisch schwerer als die Flüssigkeit sind. Sie erfahren Auftriebskräfte, die proportional zur Eintauchtiefe sind. Die Messwerte werden durch Kompensierung messbarer Kräfte oder durch die Umformung über Federn in Wege repräsentiert. Für die Verdränger werden häufig Parallelgefäße vorgesehen, denn sie sind dort gegen seitliche Strömungen geschützt und es ist eine Prüfung, Reinigung und Reparatur durch Absperrhähne auch während des laufenden Betriebs möglich. Abgriffsysteme untergliedern sich in Induktiv- und Magnetabgriffe. Aus den Auftriebskräften werden über Federn Messwege im mm- oder cm-Bereich erzeugt, die über magnetische Felder herausgeführt werden. Schließlich erreichen sie die Anzeige oder werden in elektrische Signale umgeformt. Die Funktion dieser Abgriffsysteme ist die Bestimmung der Dichten innerhalb der Flüssigkeit, wodurch die Lage von Trennschichten ermittelt wird. Diese Funktionalität spielt bei der Tankstandmessung zur Volumen- oder Massebestimmung eine wichtige Rolle.

2.5 Bodendruckmessung

Der Bodendruck p in einem Behälter ist abhängig vom Füllstand h, der Flüssigkeitsdichte r und dem Gasdruck po an der Flüssigkeitsoberfläche und wird durch folgende Formel beschrieben:

P = po + h * p * g .

Mit einer Überdruckmesseinrichtung kann man bei gleichem Gas- und Atmosphärendruck sowie bekannter Dichte den Füllstand direkt messen. Wenn der Gasdruck höher oder tiefer als der Atmosphärendruck ist, subtrahiert man den Gasdruck vom Messergebnis. Der hydrostatische Druck ist die Differenz zwischen Bodendruck und Gasdruck. Das Fazit ist jedoch, dass sich Bodendruckmessungen nur bedingt für Trennschichtmessaufgaben eignen. Die Boden- und Gasdruckentnahme erfolgt über seitliche Stutzen am Behälter, über Tauchsonden oder durch Einperlung inerter Gase. Seitlich montierte Sensoren werden für Anwendungen mit Flüssigkeiten empfohlen. Ein bündiger Übergang der Sensor-Frontelemente zur Behälterwand ermöglicht einen eingeschränkten Einfluss von schlammartigen oder verkrusteten Bestandteilen des Füllguts. Die Entspannung und Entleerung des Behälters bei der Reinigung und Reparatur des Messumformers ist jedoch ein Nachteil der seitlich montierten Sensoren.

2.6 Kapazitätsmessung

Bei der kapazitiven Füllstandmessung werden Grenzstände in Flüssigkeiten und Schüttgütern gemessen. Durch den einfachen und robusten Aufbau ist der Einsatz unter extremen Bedingungen möglich. Der Behälter wird durch eine Elektrode, die isoliert in den Tank eingeführt wird, - elektrisch gesehen - zum Kondensator. Die Kapazität ist dabei abhängig vom Füllungsgrad. Umso weniger der Behälter gefüllt ist, desto geringer ist seine Kapazität. Sowohl die Leitfähigkeit der Füllgüter als auch die relativ hohen Kapazitätswerte der Sondendurchführungen sind zu beachten.

2.7 Konduktive Füllstandmessung

Diese Methode ist für leitfähige Flüssigkeiten wie beispielsweise Wasser, Abwasser und flüssige Lebensmittel geeignet. Aber auch aggressive Flüssigkeiten können durch hochbeständige Sondenwerkstoffe problemlos erfasst werden Der Leitfähigkeitsbereich darf in weiten Grenzen variieren. Zwischen zwei stabförmigen, parallelen Elektroden bildet das Füllgut je nach Standhöhe eine mehr oder weniger gut leitfähige Verbindung.

.

2.8 Radiometrische Füllstandmesseinrichtung

Die Gammaquelle sendet eine Strahlung aus, die beim Durchdringen von Materialien eine Dämpfung erfährt. Der Messeffekt ergibt sich aus der Absorption des zu messenden Produkts, welche durch die Füllstandsänderung verursacht wird. Diese Messmethode ist berührungslos von außen möglich für alle extremen Anwendungen wie z. B. bei stark korrosive, aggressive und abrasive Medien.

2.9 Elektromechanische Lotsysteme

Elektromechanische Lotsysteme sind zur elektromechanischen Füllhöhenmessung bei staubförmigen, feinkörnigen und grobkörnigen Schüttgütern geeignet. Ein mit einem Fühlgewicht beschwertes Messband wird in ein Silo hinab gelassen. Beim Auftreffen des Gewichtes auf der Füllgutoberfläche lässt die Zugkraft am Messband nach, wodurch der Motor umgeschaltet wird. Das Gewicht läuft in die Ausgangslage zurück. Aus der Länge des abgespulten Bandes lässt sich der Füllstand berechnen. Diese Messmethode ist zur Messung von Schüttgütern in hohen Silos bis 70 m geeignet.

3. Zusammenfassung

Die Entwicklung spezifischer Füllstandsmesssysteme wird aktiv weiter gehen und sich immer mehr spezialisieren bei gleichzeitiger Standardisierung und Zertifizierung.

 

 

Quellenverzeichnis

Zeitungsartikel: „Kontinuierliche Füllsatndsmessung für Verfahrenstechnische Anlagen“

Von Michael J. Heim, 2004 Heft 3, Seite 54 - 68