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Mit hoher Präzision

Füllstand- und Trennschichtmessung in einem System
Mit hoher Präzision

Der Torrix-Füllstandsensor arbeitet nach dem magnetostriktiven Messverfahren, das sich vor allem durch seine hohe Genauigkeit und geringe Störanfälligkeit auszeichnet. Torrix liefert ein 4…20mA-Signal (Zweileiter-Anschluss), das je nach verwendetem Schwimmer den Füllstand oder die Trennschicht im Behälter repräsentiert.

Dr. Christian Maurer, Dipl.-Ing. Stefan Kunter

Zur Bestimmung der Position des mit einem Magnet bestückten Schwimmers nutzt der Füllstandsensor Torrix von Fafnir den physikalischen Effekt der Magnetostriktion (Verkürzung unter Einfluss eines Magnetfeldes). Durch den im Sensor gespannten Draht aus magnetostriktivem Material werden in kurzen zeitlichen Abständen Strompulse geschickt. Das an der Position des Magneten resultierende nicht tangentiale Magnetfeld löst eine mechanische Welle (Ultraschallwelle) aus, die sich auf dem Sensordraht in beide Richtungen mit ca. 3 000 m/s ausbreitet. Diese, verglichen mit anderen Wellen moderate Geschwindigkeit (Licht: ca. 300 000 km/s), erlaubt ohne technische Klimmzüge eine sehr hohe Auflösung der Position im µm-Bereich.
Die Ultraschallwelle wird sowohl im Sensorkopf als auch am Sensorende reflektiert, wobei im Sensorkopf mittels piezokeramischen Pickups die Zeiterfassung stattfindet. Da jede erzeugte Welle mehrfach vermessen wird, nutzt der integrierte Mikrokontroller die redundanten Informationen zum Erkennen und Ausschluss von Fehlmessungen und zur Verbesserung der Auflösung bei kurzen Sonden (Torrix ist lieferbar ab 100 mm Sondenrohrlänge).
Messwert- bestimmung
Die Bestimmung der Schwimmerposition erfolgt über Laufzeitmessungen der Ultraschallwellen. Da der Sensor keine Dämpfungs- und damit auch keine Totzonen besitzt, läuft eine einmal erzeugte Welle mehrfach zwischen Sensorkopf und -ende hin und her, bis sie aufgrund der Restdämpfung auf dem Draht verschwindet. Solange die Welle eine ausreichende Amplitude besitzt, wird diese zur Auswertung herangezogen. Störwellen, wie sie beispielsweise von heftigen Stößen oder Vibrationen verursacht werden können, werden mühelos erkannt und verworfen.
Sollten unter extremen Umständen keine vernünftigen Messungen möglich sein, signalisiert Torrix dies durch eine erhöhte Stromaufnahme von 21,5 mA (konform zur Namur NE43).
Die Ergebnisse jeder gültigen Messung werden der Mittelwertbildung zugeführt, wobei die Zahl der berücksichtigten Werte von der Schwimmergeschwindigkeit abhängt. Steht der Schwimmer und tritt nur Quantisierungsrauschen auf, wird über bis zu 256 Messwerte gemittelt, um eine möglichst hohe Auflösung zu erreichen. Bewegt sich der Schwimmer, wird nur die letzte Messung berücksichtigt, alle vorhergehenden verworfen, wobei der Messwert 50 Mal pro Sekunde aktualisiert wird.
Die Umwandlung der Schwimmerposition in eine Stromaufnahme von 4…20 mA erfolgt mit einer Auflösung von nahezu 24 bit, wobei der tatsächliche Messbereich auf 3,8…20,5 mA (konform zur Namur NE43) aufgeweitet ist. Die Zuordnung Schwimmerposition – Stromaufnahme erfolgt mittels zweier Tasten im Sensorkopf an zwei beliebigen Schwimmerpositionen. Auch der Abstand der beiden Kalibrierpunkte ist nahezu beliebig wählbar, so dass im Extremfall auch ein Messbereich von 10 mm programmiert werden kann.
Temperaturbereich
Der Sensorkopf mitsamt der Elektronik darf lediglich Temperaturen von -40 bis 85 °C ausgesetzt werden. Innerhalb des Sensorrohrs befinden sich nur mechanische Teile, deren Temperaturbeständigkeit bei Bedarf von -200 bis +250 °C reicht. Das Magnetmaterial im Schwimmer muss ebenfalls entsprechend gewählt werden. Bei den HT-Ausführungen ist dieser Umstand berücksichtigt.
Festlegung des Schwimmers
Eine Grundvoraussetzung für den Einsatz von Torrix ist, den für den Einsatzzweck geeigneten Schwimmer zu finden. Dabei spielt neben der Dichte die Medien- und Druckbeständigkeit des Schwimmers die entscheidende Rolle. Grundsätzlich muss die zu messende Flüssigkeit eine Mindestdichte von 0,45 g/cm3 besitzen, was bei den meisten Flüssigkeiten gegeben ist. Leitungswasser z. B. hat bei 4 °C eine Dichte nahe bei 1,0 g/cm3.
Bilden zwei Flüssigkeiten eine Trennschicht aus, so kann mit einem entsprechend gewählten Trennschichtschwimmer auch die schwerere beider Flüssigkeiten gemessen werden. Dazu muss die Dichtedifferenz mindestens 0,1 g/cm3 betragen.
Füllstandmessung im Laborbehälter
Die Anforderungen nach einem kleinen, kompakten Füllstandsensor mit Atex-Zulassung Zone 0, der speziell in Laboranwendungen einsetzbar ist, werden durch den Füllstandsensor Torrix erfüllt. Je nach Anwendung oder Prozessverfahren wird der Torrix in branchenüblichen Kleingebinden von 10 l aufwärts bis zu einem Volumen von 1000 l eingesetzt.
Die Entnahme und Befüllung der Gebinde mit chemischen Flüssigkeiten lässt sich mit diesem Sensor hochgenau dosieren.
Die standardmäßig für Gebinde vorhandenen Entnahmesysteme dienen dem Torrix als Prozessanschluss. Er ist somit ohne Zusatzaufwand in diese Entnahmesysteme integrierbar. M12-Steckverbinderanschlüsse am Torrix und angepasste Platz sparende Anzeigeeinheiten für den Laborbetrieb garantieren eine schnelle Montage und zuverlässige Unterstützung in den Laboren der Chemie-, Pharma-, Halbleiter-, und Lebensmittelindustrie.
Bypass-Füllstandmessung
Ein Schwimmer in einer an der Seite eines Behälters angebrachten Bypass-Kammer (Standrohr) steigt und fällt mit dem Flüssigkeitsstand des zu messenden Mediums im Behälter. Die Bypass-Kammer ist vollkommen flüssigkeits- und gasdicht. Das einzige bewegliche Teil in Kontakt mit der Flüssigkeit ist der Schwimmer. Wenn der Schwimmer sich bewegt, wird eine zweifarbige Magnetrolle durch den im Schwimmer eingebauten Magnet um 180 °gedreht und verursacht dadurch eine Farbänderung im Sichtfenster an der Außenseite der Kammer. Somit wird eine fortlaufende visuelle Darstellung des Flüssigkeitsstands ganz ohne Hilfsenergie erreicht.
Häufig besteht jedoch der Wunsch nach Integration der Bypass-Füllstandmessung in die Prozesssteuerung. Hierfür ist es möglich, den magnetostriktiven Füllstandsensor Torrix in das Magnetfeld des Schwimmers, der in der Bypass-Kammer vorhanden ist, einzukoppeln. Eine derartige Adaption des Torrix-Sensors bietet dem Anwender die Möglichkeit, ohne weitere Eingriffe in den Prozess oder Lagerbehälter hochgenaue Füllstanddaten in die Prozesssteuerung zu integrieren.
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