Füllstandssensor

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Ein Füllstandssensor bestimmt die Höhe einer Flüssigkeit oder von Schüttgut in einem Behälter. Man unterscheidet zwischen kontinuierlichen Füllstandssensoren zur Messung der Höhe und Füllstandgrenzschaltern, die das Erreichen eines bestimmten Niveaus anzeigen. Je nach Art des Mediums und Anforderungen gibt es sehr unterschiedliche Ausführungen:

• Schwimmer: Ein Körper mit geringer Dichte schwimmt auf der Flüssigkeit (oder auf dem Schüttgut). Die Höhe des Schwimmers wird bestimmt. Dafür kann der Schwimmer an einem Hebel oder dünnen Seil befestigt sein; dadurch wird ein Schalter oder ein Wegaufnehmer, wie z.B. ein Potentiometer, bewegt. Es kann auch ein metallischer Schwimmer an einem senkrechten Rohr geführt werden. Die Position des Schwimmers kann berührungslos mit einem induktiven Sensor erfasst werden, oder ein am Schwimmer befestigter Magnet kann einen Magnetschalter betätigen oder mit einem magnetostrikiven Sensor erfasst werden.

• Distanzsensor: Es wird der Abstand zwischen dem Sensor an der Oberseite des Behälters und dem Niveau berührungslos bestimmt. Meist kommt Ultraschall-Entfernungsmessung (Bestimmung der Laufzeit von Ultraschall-Impulsen) zum Einsatz, oder Entfernungsmessung mit Mikrowellen. Bei Ultraschall muss berücksichtigt werden, dass die Schallgeschwindigkeit von der Temperatur und der Zusammensetzung des Gases im Behälter abhängt.

• Leitfähigkeitsmessung: Bei Erreichen eines bestimmten Füllstandes wird der elektrische Strom zwischen zwei Elektroden durch die Flüssigkeit geleitet. Das Verfahren ist natürlich nur für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten geeignet.

• Kapazitive Messung: Es wird die Änderung der elektrischen Kapazität zwischen zwei Elektroden oder auch drei Elektroden detektiert, wenn diese von einem Medium umgeben werden. Diese Änderung hängt von der Dielektrizitätskonstante ε des Mediums ab. Ist diese konstant, so kann aus der gemessenen Kapazität darauf geschlossen werden, wie weit die Elektroden in das Medium eintauchen. In diesem Fall kann also nicht nur ein Grenzwertschalter gebaut werden, sondern auch die Füllhöhe bestimmt werden.

• Druckmessung: Es wird der hydrostatische Druck am Boden des Behälters gemessen. Dieser ist proportional zur Dichte und der Höhe der Flüssigkeit über dem Sensor.

• Optische Messung: Es wird die Absorption des Lichts oder auch das Verschwinden der Totalreflexion detektiert, wenn der Sensor in das Medium eintaucht. Problem dieses Messverfahrens ist die Empfindlichkeit für Verschmutzungen.

• Abschwächung radioaktiver Strahlung: Es wird die Intensität von Gammastrahlen gemessen, die auf dem Weg von der radioaktiven Quelle zum Detektor das Medium durchdringen. Durch Absorption der Strahlung im Medium kommt es zu einer Intensitätsabnahme, aus der auf die Dicke der durchstrahlten Schicht, also auf den Füllstand geschlossen werden kann.

• Vibrationssensoren: Es wird die Dämpfung eines schwingenden Körpers, z.B. einer Stimmgabel bei Eintauchen in das Medium detektiert.

• Temperaturmessung: Dieser Sensortyp wird vor allem für flüssiges Helium verwendet. Ein senkrecht gespannter, stromdurchflossener Draht wird in dem Bereich, in dem er in flüssiges Helium eingetraucht ist, supraleitend, darüber hat er eine höhere Temperatur und ist normalleitend. Zum elektrischen Widerstand trägt nur der Teil des Drahtes oberhalb des flüssigen Heliums bei. Durch Messung des Widerstandes lässt sich also bestimmen, bis zu welcher Höhe flüssiges Helium im Behälter ist. Der Draht kann z.B. aus einer Niob-Titan-Legierung bestehen.

• TDR-Füllstandsensoren verwenden die Zeitbereichsreflektometrie (Time Domain Reflectometry, TDR), ein Verfahren zur Ermittlung von Laufzeiten elektromagnetischer Wellen mittels Analyse des reflektierten Signals. In der Füllstandmessung wird diese Technik seit der Mitte der 1990er Jahre zunehmend eingesetzt. Bei einem auf TDR basierenden Füllstandmessgerät wird von der Elektronik des ein hochfrequenter elektromagnetischer Impuls erzeugt, in einen Leiter (auch Sonde genannt) eingekoppelt und entlang dieser Sonde geführt (daher manchmal als „geführte Mikrowelle“, englisch auch „guided-wave radar“, GWR, bezeichnet). Die Sonde ist in der Regel ein Metallstab, Stahlseil oder Rohr mit koaxialem Innenleiter. Trifft der Impuls nun auf die Oberfläche des zu messende Mediums, so wird ein Teil des Impulses dort reflektiert und läuft an der Sonde entlang wieder zur Elektronik zurück, welche dann aus der Zeitdifferenz zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Impuls (im Nanosekunden-Bereich) den Füllstand errechnet. Das Messergebnis ist weitgehend unabhängig von den Eigenschaften des zu messenden Mediums wie etwa Dichte, Leitfähigkeit oder die Dielektrizitätskonstante und wird auch durch die Umgebungsbedingungen (Druck und Temperatur) oder andere Störeinflüsse (Schaumbildung) kaum beeinflusst. Ein Nachteil von TDR-Systemen sind die relativ hohen Kosten.