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Noch enormes PotenzialWohin sich die hydrostatische Füllstandsmesstechnik entwickelt

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. Doch die Hersteller haben sich nicht auf den Lorbeeren ausgeruht.

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Die Füllstandsmesstechnik unterlag in den vergangenen Jahrzehnten einem umfassenden Wandel, von der rein mechanischen Füllstandsmessung hin zu komplexen, elektronischen Sensoren verschiedenartiger Mess­

prinzipien. Die große Zahl alternativer Technologien zur Messung des Füllstandes wie Hydrostatik, Reed­Kette, Magnetoresistivität, Radar, Ultraschall, Optik und viele mehr, bietet dem Anwender heute die Möglichkeit, die bestgeeignete Sensorik für dessen indi­viduelle Anforderungen auswählen zu können.

In der kontinuierlichen Füllstandsmessung gilt die hydro­statische Druck­ oder Füllstandsmesstechnik mit einem Markt­anteil von rund 40 Prozent (Quelle: VDC Research Group) 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 Millionen US­Dollar im Vorkrisenjahr 2008 auf circa 770 Millionen US­Dol­lar im Jahr 2013 deutlich wieder.

Was versteht man nun in diesem Zusammenhang unter Hydro­statik? Hydrostatische Drucksensoren dienen der Messung des Füllstandes oder 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.

Das hydrostatische Paradoxon 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. Somit ist trotz des scheinbaren Widerspruchs einer mit der Höhe überproportiona­len Zu­ oder Abnahme des Volumens oder 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 oder einen ansteigenden hydrostatischen Druck. Folglich stellt der hydrostatische Druck ein direktes Maß für den Füllstand oder 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/Füllmenge­Wertepaarungen 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 enthält jedoch zusätzlich zur Gewichts­kraft des Mediums auch den auf die Flüssigkeitsoberfläche wirken­den Umgebungsdruck im Falle offener oder belüfteter Tanks/Be­cken respektive den Gasdruck in gekapselten, gasdicht verschlossenen Tanks. Den aufliegenden Druck der Umgebungs­luft oder des Gasdrucks kann man als Kraft oder Gewicht ansehen, die zusätzlich zur Flüssigkeitsgewichtskraft auf den Drucksensor als hydrostatischen Druck wirkt.

Füllstandsmessung in offenen, belüfteten Behältern In der hydrostatischen Füllstandsmessung in offenen oder 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 Umge­

Füllstandsmessung in offenen, belüfteten Tanks und Behältern.

Füllstandsmessung in gekapselten, gasdicht geschlossenen Tanks und Behältern.

Differenzdrucktransmitter DPT-10 von Wika.Bi

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bungsdruck ausgeglichenen oder 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.

Als einfache Faustformel für das Medium Wasser kann man an­nehmen, dass ein Druck von 1 bar (relativ) einer Füllhöhe von 10 m Wassersäule entspricht. Die Formel skizziert aber auch, dass der hydrostatische Druck in einem Behälter proportional zur Füllhöhe des Mediums ist, solange dieses eine konstante Dichte aufweist, vollkommen unabhängig von Form oder Füllmenge.

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.

Arten hydrostatischer FüllstandssensorenDiese Anwendung stellt prinzi­piell eine Differenzdruckmes­sung dar, bei der zwei separate Druckmessungen miteinander verrechnet werden. 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.

In der hydrostatischen Füll­standsmesstechnik kann man primär drei Arten oder Baufor­men von Füllstandssensoren unterscheiden: konventionelle Drucktransmitter, Prozess­drucktransmitter und Pegel­sonden, verfügbar in Relativ­, Absolut­ oder Differenz­druckausführung. Für die An­

wendung in Tanks und freistehenden Behältern eignet sich insbe­sondere der Einsatz von konventionellen Drucktransmittern oder Prozessdrucktransmittern, wahlweise mit klassischem Druckkanal oder in frontbündiger Ausführung. Die häufigste Verwendung fin­

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den hierbei konventionelle Drucktransmitter, die aufgrund ihrer großen industriellen Verbreitung, speziell im Maschinenbau, ger­ne in Anwendungen ohne besondere Anforderungen an die Mess­technik, wie Skalierbarkeit des Messbereiches oder integrierte Tanklinearisierung, eingesetzt werden.

Konventionelle Sensoren zeichnen sich hier speziell durch ihr günstiges Preis­Leistungs­Verhältnis 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 Bus­Signalen, Skalierbar­keit des Messbereiches, integrierte Tanklinearisierung, eingesetzt und finden daher verstärkt in Applikationen der Chemie und Petro chemie 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 oder Tauchsonden

nologie. Die größten Vorteile gegenüber alternativen Messverfah­ren sind: ■ Bewährtes und etabliertes Messprinzip mit hoher Zuverlässig­

keit durch millionenfache Erprobung. ■ Robustes Messverfahren, unbeeinflusst von Störstoffen und

­faktoren wie Staub, Schaum, Dämpfen, Anhaftungen, Schmutz­stoffen. ■ 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.Es sollen aber auch nicht die Einschränkungen verheimlicht

werden: für Feststoffe ungeeignet, genaue Messung erfordert kons­tante Dichte oder Dichtemessung des Mediums.

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, bei­spielsweise einer Mindermessung des Füllstandes. Daher wird eine hydrostatische Füllstandsmessung vor allem in Applikationen ein­gesetzt, die sich innerhalb bekannter Prozessgrenzen oder einer bekannten Dichte des Mediums bewegen. Sollte der Prozess eine stark variierende oder unbekannte Dichte enthalten, 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 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. 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 oder verhindert im Extrem­fall eine korrekte Druckmessung sogar vollständig. Beachtet man also bereits in der Auswahl eines konventionellen Drucktransmit­

„Die hydrostatische Füllstandsmes-sung wird gegenüber alternativen Messprinzipien auch in Zukunft einen weiterhin ansteigenden Marktanteil zeigen.“

Enrico Bossart, Wika

eingesetzt, um den Füllstand in Becken, Brunnen oder Gewässern zu messen. 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 hydro statischen Messung handelt es sich auch hier um einen klas­sischen Drucksensor, der jedoch bedingt durch die spezifische Tauchanwendung immer vollständig und dauerhaft in Medien­kontakt steht.

Aufwendige Messtechnik Die Bauform des Differenzdrucktransmitters 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.

Die hydrostatische Druck­ oder Füllstandsmessung erfreut sich einer anhaltend hohen Beliebtheit, bedingt durch die hohe Robust­heit, große Zuverlässigkeit und einfache Installation dieser Tech­

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ters die Eigenschaften des zu messenden Mediums, so kann die hydrostatische Druckmessung selbst unter härtesten Bedingungen zuverlässig eingesetzt werden. Pegelsonden als spezifische Bau­form eines Drucktransmitters werden sowohl in verschmutzten Medien, zum Beispiel Abwasser, als auch in reinen Medien, wie 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 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. Die Höhendifferenz der Messstellen zum Differenzdrucktransmitter führen zu hydrostati­schen Drücken innerhalb der Kapillare, die einen Über­ oder 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 Kompen­

sation dieser Störfaktoren vornimmt. Es ist daher empfehlenswert, den Transmitter grundsätzlich unterhalb der Höhe der Füllstands­messstelle zu positionieren, um einen negativen hydrostatischen Druck oder Unterdruck auf die Füllstandsmessung auszuschlie­ßen.

Doch 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.

Fazit: 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.

Autor Enrico Bossart, Wika, www.wika.de

Hydrostatische Füllstandsmessung mittels Differenzdrucksensoren.

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