Potentiometrischer Füllstandsensor

Dr. Wolfgang Schrittenlacher, Dipl.-Ing. Stefan Kunter

Das zentrale Bauelement des potentiometrischen Füllstandsensors MSR von Fafnir ist ein metallisches Sondenrohr, das senkrecht in den Behälter eingeführt wird. Dieses Sondenrohr ist mit einer Messelektronik verbunden. Um den in die Flüssigkeit eingetauchten Teil des Sondenrohres entstehen Streupotentiale. Diese werden mit der Elektronik ausgewertet und stehen dann dem Anwender als höhenproportionales Ausgangssignal zur Verfügung.

Die Grundvoraussetzung für eine exakte Füllstandmessung ist, dass die zu messende Flüssigkeit eine Mindestleitfähigkeit von 1 mS/cm besitzt. Leitungswasser beispielsweise hat eine Leitfähigkeit von 300 bis 500 mS/cm. Säuren, Laugen und Salzlösungen können eine Leitfähigkeit bis zu 0,8 S/cm aufweisen. Alle diese Flüssigkeiten können problemlos gemessen werden. Das Verfahren arbeitet also von 1 mS/cm bis 1 S/cm, d. h. über einen Bereich von sechs Größenordnungen, unabhängig von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit.

Große Vorteile hat das MSR-Füllstandmesssystem, wenn bei einem Verarbeitungsprozess Schaum entsteht. Viele Verfahren sind hierfür nicht geeignet, da der Schaum den Messprozess behindert, wie bei der Ultraschallmessung oder Radar. Kapazitive Messungen liefern bei wechselnden Flüssigkeiten fehlerhafte Füllhöhenwerte und Schwimmersysteme sind bei Rührwerksbehältern wegen der ständigen Flüssigkeitsbewegung und dem damit verbundenen Verschleiß nicht geeignet.

Die elektrische Leitfähigkeit des Schaumes ist sehr viel geringer als die der Flüssigkeit. In diesem Fall liefert das MSR-Verfahren die tatsächliche Füllhöhe unbeeinflusst von der Schaumbildung und ermöglicht so eine sichere Prozesssteuerung. Einsatzmöglichkeiten sind z. B. in der chemischen Industrie bei Behältern mit Einlaufrohren im oberen Bereich, wo die Flüssigkeit zunächst frei fällt, und bei Reinigungsflüssigkeiten, die häufig Schaumbildung zeigen, aber auch in der Brauereiindustrie bei dem Herstellungsprozess für alkoholfreies Bier.

Bei der Messung der Trennschicht zwischen zwei entmischten Flüssigkeiten muss eine der Flüssigkeiten die Mindestleitfähigkeit von 1 mS/cm oder größer aufweisen. Die zweite Flüssigkeit ist nicht leitfähig ( 1 nS/cm). Eine Trennschicht kann aber auch erkannt werden, wenn beide Flüssigkeiten leitfähig sind. Die Voraussetzung hierzu ist das Vorhandensein eines Leitfähigkeitsunterschiedes von mindestens zwei Größenordnungen. Es wird nur der Bereich der Flüssigkeit mit der höheren Leitfähigkeit gemessen. Besondere Probleme ergeben sich in der Praxis der Trennschichtmessung, wenn zwischen den beiden Flüssigkeiten ein diffus gemischter Übergangsbereich existiert. In solchen Fällen ist die Trennschicht mit reflexgebenden Verfahren wie Ultraschall oder Radar nicht mehr erkennbar. Mit dem MSR-Messsystem sind auch in diesen schwierigen Fällen genaue Bestimmungen der Trennschicht möglich. Die Trennschichtmessung kann vorteilhaft bei Prozesssteuerungen eingesetzt werden, sofern getrennte Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit zu handhaben sind. Häufige Anwendungen sind z. B. Anlagen zur Trennung von wasserartigen und ölartigen Flüssigkeiten.

In der Regel hat die leitfähigere Flüssigkeit eine höhere spezifische Dichte als die nichtleitfähige und befindet sich daher unten. Da nur diese leitfähigere Flüssigkeit gemessen wird, entspricht dieser Messwert gerade dem Trennschichtpegel. Die Flüssigkeit im oberen Bereich mit der niedrigeren Leitfähigkeit wird ignoriert. Dies entspricht der Einbausituation einer normalen Füllhöhenmessung.

Es gibt jedoch auch den Fall, dass die leitfähigere Flüssigkeit leichter ist und sich daher oben sammelt. Um unter diesen Umständen die Trennschicht messen zu können, muss die Anlage so gesteuert werden, dass der Gesamtpegel mit Hilfe eines Überlaufrohres auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Dieses Niveau wird als Nullpunkt der Sonde eingestellt und die Messrichtung verläuft vom Sondenkopf zum Sondenende, also vom Überlaufpegel bis zum Trennschichtpegel. Die nichtleitfähige Flüssigkeit im unteren Bereich des Behälters wird wie zuvor nicht mitgemessen.

Bei einigen Produktionsprozessen besteht nur die Notwendigkeit, eine Trennschicht im unteren Bereich eines Behälters zu messen. In diesen Fällen ist es vorteilhaft, eine Sonde von unten in den Behälter einzubauen. Auch dieses ist mit dem MSR-Messsystem für beide zuvor beschriebenen Fälle möglich. Ein großer Vorteil gegenüber anderen Messverfahren besteht in den kompakten Einbaumaßen. Für kleinere Versuchsanlagenbehälter können Sensoren mit Durchführungsbohrungen ab 6 mm realisiert werden.

E cav 270