Sichere Füllstandsregelung

Dipl.-Ing. (FH) Josef Götz

Bei einfachen Füllstandsmessungen, wie Ein- und Zwei-Punkt-Füllstandsregelungen oder Überlauf- und Leckageschutz, denkt man zunächst an Schwimmerschalter. Diese genießen den Vorteil, sehr bekannt und verbreitet zu sein. Die Messmethode mittels Widerstandsmessung in leitfähigen Flüssigkeiten wird bei weitem nicht so häufig eingesetzt.

Das Funktionsprinzip der Regelung über Widerstandsmessung ist in Abbildung 1 dargestellt. Für die Regelung wird ein Überwachungsrelais mit der Auswerteelektronik und ein Sondensatz benötigt. Die Auswerterelais sind Standardprodukte und können praktisch von jedem Hersteller für Überwachungsrelais gekauft werden. Die Sonden kann man selbst fertigen oder ebenfalls zukaufen.

Die längste bzw. am tiefsten eingeschraubte Sonde stellt den Referenzpunkt dar. An sie legt das Auswerterelais eine Spannung von 24 V (AC) an. Des Weiteren werden noch eine oder zwei Sonden für den Min.- und/oder Max.-Wert benötigt, je nachdem, ob eine Zwei-Punkt-Regelung, ein Überlauf- oder ein Trockenlaufschutz realisiert werden soll. Befinden sich die Sonden in der Flüssigkeit, fließt ein Strom von maximal 1 mA von der Com-Sonde zu den anderen Sonden. Ist eine der Sonden nicht mehr in der Flüssigkeit, wird der Stromfluss unterbrochen, und über das Auswertrelais wird eine Pumpe oder ein Ventil je nach Anwendung gesteuert. Falls ein leitfähiger Tank verwendet wird, kann dieser als Referenzsonde eingesetzt werden.

Das Messsystem ist bei fast allen Flüssigkeiten, geleeartigen Stoffen und auch bei feinkörnigen Stoffen verwendbar. Eine der wenigen Ausnahmen ist destilliertes Wasser. Da die Leitfähigkeit von vielen Faktoren abhängt, wie Reinheitsgrad, Dichte, Feuchte, Schaumbildung usw., sollte der Versuch über die Anwendbarkeit entscheiden. Gibt es wider Erwarten doch Probleme, können diese oft durch einfache Veränderungen der Standardsonden abgestellt werden.

Die Messtechnik beinhaltet keine beweglichen Teile, die durch Schmutzpartikel schwergängig werden und dadurch blockieren oder ganz einfach durch die Bewegung oder die Atmosphäre verschleißen. Das Schaltelement sitzt bei der Widerstandsmessung in einem abgeschlossenen Schaltschrank und nicht wie beim Schwimmerschalter in einer rauen und feuchten Umgebung. Reißt beim Schwimmer der Gummi auf, ist der Schalter defekt und muss ausgetauscht werden. Durch die feuchte Umgebung des Schalters selbst besteht immer die Gefahr, dass sich auf dem Schaltkontakt Fremdschichten ablegen und dadurch Kontaktversager auftreten. Beim Überwachungsrelais hingegen kommen standardisierte und gekapselte Relais zum Einsatz, die auf Grund ihrer Fertigungsstückzahlen ein absolut zuverlässiges Serienprodukt sind. Somit ist die Widerstandsmessung in jedem Fall die zuverlässigere Art der Füllstandsregelung.

Die Widerstandsmessung ist äußerst vielseitig einsetzbar. Durch die einstellbare Empfindlichkeit am Überwachungsrelais können beispielsweise Schaum oder ähnliche überquellende Stoffe nach Wunsch des Anwenders berücksichtigt oder ausgeblendet werden. Durch den mechanischen Aufbau sind auch Kondenswasser oder ganz dünne Flüssigkeitsfilme erfassbar.

Verwendet man zum Beispiel Bügelsonden (Abb. 2b), werden auch die geringsten Flüssigkeitsmengen zwischen den nur ca. 3 mm enfernten Bügeln der Sonde erfasst. Auch in sehr engen Behältern kann mit der platzsparenden Bügelsonde gemessen werden.

Die Auswerterelais aller Anbieter, die auf diesem Prinzip beruhen, sind nahezu baugleich, der Hauptunterschied liegt in den Sonden, darum wird auf diese näher eingegangen.

Das Besondere an den Sonden dieses Herstellers ist die leichte Montage. Für die Stabelektroden werden dünne, PTFE-isolierte Edelstahldrähte verwendet, die mit einem Seitenschneider auf die richtige Länge gekürzt und mit einer Zange in die richtige Stellung gebogen werden können.

Es werden Sonden zum Einbau von oben und zum Einbau von der Seite angeboten. Erstere sind Drahtsonden aus nicht rostendem Edelstahl mit PTFE-Mantel, damit es zu keinem ungewollten Schalten durch Tropfen oder Gase kommt und Korrosion vermieden wird (Abb. 2a). Sie haben eine Länge von 500 mm und können von jedem Monteur vor Ort mit einem Seitenschneider einfach auf die erforderliche Länge abgeschnitten werden. Der PTFE-Mantel ist chemisch äußerst resistent und kann in fast jeder Flüssigkeit verwendet werden. Auch die Anwendung im Lebensmittelbereich ist ohne Einschränkung zulässig.

Falls wenig Platz in einem Tank oder Behälter vorhanden ist, können Sonden zum Einbau von der Seite verwendet werden (Abb. 2b). Man muss einfach ein Loch in den Behälter bohren und die Sonde mit Dichtung von außen eindrehen. Die Sonde benötigt praktisch keinen Platz. Die Drahtbügel stellen die notwendige elektrische Verbindung mit der Flüssigkeit her.

Mit einer zweipoligen Bügelsonde kann eine Alarmmeldung bei Überlauf oder Unterschreitung aufgebaut werden, für eine Regelung mit zwei Schaltpunkten sind zwei Sonden erforderlich. Es kann so auch eine große Füllhöhe überwacht werden, indem man die Sonden einfach weit auseinander montiert.

Die Sonden sind zudem als sogenannte Tauchsonden verwendbar. Man lässt sich einfach in den Tank hineinhängen und befestigt sie nur oben mit dem Kabel.

Das Überwachungsrelais 3UG3501 (Abb. 3) eignet sich sowohl für die Zwei-Punkt- als auch für die Ein-Punkt-Regelung. Dabei werden Min.- oder Max.-Wert am Gerät gebrückt. Das Relais wird mit den Versorgungsspannungen 24/120/240 V(AC) angeboten. Die geringe Gehäusebreite von 22,5 mm spart Platz im Schaltschrank. Es hat eine einstellbare Ansprechempfindlichkeit von 0 bis 100 kV, damit Spritzer, Blasen oder Gase nicht zu einer ungewollten Auslösung führen. Weiterhin kann das Auswerterelais zwischen Zu- und Ablauf umgeschaltet werden, je nachdem, ob die Pumpe oder das Ventil im Zu- oder im Ablauf sitzt. Als Ausgangsschaltglied ist ein Wechslerrelais eingebaut.

Als Messspannung/-strom wird Wechselspannung verwendet, um Elektrolyseerscheinungen zu vermeiden. Bei Gleichspannung würden sich über Ionen-Wanderungen Ablagerungen an den Elektroden bilden, die die Leitfähigkeit herabsetzen und die Flüssigkeit chemisch verändern. Die Messspannung beträgt 24 V(AC) bei einem maximalen Strom von 1 mA, somit können keine gefährlichen Spannungen und Ströme auftreten. Die Messspannung ist galvanisch von der Versorgungsspannung über einen Transformator getrennt.

Vergleicht man die beiden Messmethoden Füllstandsmessung mittels Widerstandmessung und Schwimmschalter, wird deutlich, dass die Widerstandsmessung die zuverlässigere und auch technisch hochwertigere Möglichkeit ist. Mit ihr lassen sich Anwendungen realisieren, wie z. B. Kondenswassererkennung, die mit Schwimmerschalter nicht möglich sind. Auch die Einfachheit der Montage darf nicht vernachlässigt werden. So muss beispielsweise die integrierte Verzögerungszeit von typisch 500 ms zur Ausblendung von Wellen und Spritzern beim Schwimmerschalter durch zusätzliche Bauteile realisiert werden.

E cav 241