Füllstand-Dreierpack A filling level hattrick

Xaver Meier, Christoph Müller

Typische Einsatzgebiete des Füllstandmesssystems LFT von Sick sind wasser- und ölbasierte Flüssigkeiten in Behältern und Tanks. Das Messprinzip beruht auf der sogenannten Zeitbereichs-Reflektometrie – im Englischen Time-Domain Reflectometry (TDR) genannt. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur Ermittlung und Analyse von Lauflängen und Reflektionscharakteristika von elektromagnetischen Wellen und Signalen. Das LFT besteht aus einer Elektronik- und Auswerteeinheit im IP 67-Gehäuse mit einem Bedienelement und verschiedenen Schnittstellen zur Signalausgabe sowie einer hochbeständigen Koaxial-Messsonde aus Edelstahl 1.4404. Die Elektronik erzeugt hochfrequente, niedrigenergetische Mikrowellenimpulse, die in die Sonde eingekoppelt und an ihr entlang geführt werden. Trifft dieser Impuls auf die Oberfläche der zu erfassenden Flüssigkeit, wird ein Teil des Impulses dort reflektiert und läuft an der Sonde entlang wieder zur Elektronik zurück. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Impuls errechnet das Gerät mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern den aktuellen Füllstand. Das TDR-Verfahren und die Koaxial-Bauweise der Sonde bieten in der Praxis der Füllstandmessung eine Reihe von Vorteilen. Die Messergebnisse werden – im Gegensatz zu manch anderen sensorischen Wirkprinzipien – nur unwesentlich durch die Eigenschaften des zu messenden Mediums beeinflusst. Das gilt auch für die Dielektrizitätskonstante ÎR. Das LFT misst selbst Öl mit einem typischen ÎR von 1,8. Zudem muss der LFT nicht neu konfiguriert werden, wenn sich die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten ändern. Unabhängig von dem zu erfassenden Medium erreicht das System innerhalb seines Messbereichs zwischen 30 und 1990 mm eine Messgenauigkeit von 3 mm. Da innerhalb der Messsonde immer definierte, interferenzfreie Umgebungszustände herrschen, bietet das LFT auch hinsichtlich der Behältereigenschaften und der Einbausituation hohe Freiheitsgrade. Der Einsatz in Edelstahltanks ist ebenso möglich wie in Kunststoffbehältern. Hierfür bietet das LFT wahlweise G¾-A- bzw. ¾“-NPT-Anschlussgewinde.

Die Geometrie und Formgebung hat keinen Einfluss auf das Messprinzip, da nicht im Zusammenspiel mit einer Behälterwand gemessen wird, sondern innerhalb der Sonde. Aus diesem Grund haben auch starke Oberflächenbewegungen, wie sie z. B. von einem Behälterzulauf oder einem Rührwerk hervorgerufen werden können, keinen Einfluss auf die Niveauerfassung. Schließlich arbeitet das TDR-Verfahren auch unabhängig von Faktoren wie Druck und Temperatur. Das LFT vereint die kontinuierliche Füllstandmessung, die Grenzwerterfassung und die Funktion der Überfüllsicherung in einem Gerät. Unabhängig von der konkreten Aufgabenstellung kann es auf einfache Weise in Betrieb genommen werden. Über nur eine Teach-Taste werden die Schaltpunkte gesetzt, die Schaltausgänge zwischen Öffner und Schließer umgeschaltet, die Hysterese für die Schaltausgänge vorgegeben und der tatsächliche Messbereich entlang der Koaxialsonde festgelegt. Neben einem 4…20-mA-Analogausgang verfügt das LFT auch über vier Schaltausgänge, die alle einzeln programmiert werden können, z. B. als Voll-, Bedarfs- oder Leermeldung. Damit ist das LFT gegenüber separaten Grenzwertschaltern umso wirtschaftlicher, je mehr Schaltpunkte zu erfassen sind. Soll eine Min-Max-Steuerung realisiert werden, z. B. zur Pumpenansteuerung zwischen einem Minimal- und einem Maximalniveau, lassen sich zwei Schaltpunkte miteinander verknüpfen. Schließlich bietet das LFT dank der TDR-Technologie eine hohe Verfügbarkeit. Das Gerät weist keine bewegten und damit potenziell störanfälligen Teile auf. Die Sonde wurde so konstruiert, dass etwaige Produktanhaftungen im Inneren zuverlässig vermieden werden. Dementsprechend ist das LFT nahezu verschleiß- und wartungsfrei.

The LFT from Sick is typically used on containers and tanks for almost all water and oil-based liquids. The measurement principle is based on so-called time-domain reflectometry (TDR). This is a process for determining and analysing the run lengths and reflective characteristics of electromagnetic waves and signals. The LFT consists of an electronic and evaluation unit in an IP 67 housing with an operating element and a variety of interfaces for signal output, as well as a highly resistant coax-ial measurement probe made of 1.4404 stainless steel. The electronics generate high-frequency, low-energy microwave pulses, concentrated in the probe and passed along it. These pulses are reflected wherever they meet the surface of the liquid to be detected, and then run back along the probe to the electronics. The device determines the current filling level by the time difference between the emitted and the received pulse with an accuracy of a few millimetres. The LFT’s TDR process and the coaxial design of its probe offer a variety of advantages in practical filling level measurement. The measurement results are only insignificantly affected by the properties of the medium to be measured. This also applies for the dielectric constant «r. The LFT measures even oil with a typical «r of 1.8. Moreover, it requires no reconfiguration when the physical properties of the liquid change. Regardless of the medium to be detected, the system achieves a measurement accuracy of 3 mm within its measurement range of between 30 and 1990 mm. Because there is always a defined, interference-free environment within the measurement probe, the LFT also offers a high level of freedom regarding the container properties and installation location. It can be used in both stainless steel tanks and plastic containers. For this purpose, the LFT offers a choice of G¾ A or ¾” NPT connection threads.

Geometry and shape have no effect on the measurement principle because there is no interplay with the container wall, but only within the probe. For this reason, even heavy surface movements, such as would be caused by a container inlet or stirring equipment, have no effect on level detection. Finally, the TDR process also operates independently of factors such as pres-sure and temperature. The LFT combines continuous filling level measurement, limit value detection and overfill protection functions in a single device. It offers easy operation regardless of the concrete task involved. The switching points are set via a teach-in button, the switching outputs are switched between an N.O. contact and N.C. contact, the hysteresis levels for the switching outputs are set, and the actual measurement range along the coaxial probe is defined. In addition to a 4…20 mA analogue output, the LFT also has four switching outputs which can each be independently programmed. Thus, the more switching points require determination, the more economical is the LFT compared to the use of separate limit value switches. Two switching points can be linked together, if a min./max. control is required, e. g. for controlling a pump between a minimum and maximum level. Finally, the LFT offers high availability thanks to the TDR technology. The device has no moving parts and thus no parts that are potentially subject to failure. The probe is constructed in such a way that any internal product adhesion is prevented. It is correspondingly almost friction- and maintenance-free.

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