Füllstandmessung in Lagerbehältern

Diese Aktionen können sich in Warn- oder Alarmmeldungen äußern, aber auch konkrete Reaktionen auslösen – wie zum Beispiel:

• Einschalten der Reinstwassererzeugungsanlage zum Nachspeisen des Behälters;
• Ausschalten der Reinstwassererzeugungsanlage, wenn das Soll-Behäl-terfüllniveau erreicht ist;
• Ausschalten der Ringpumpe als Trockenlaufschutz;
• Sperren der Entnahmeventile, um trotz geringem Behälterfüllstand (Gefahr von Kavitation) den Ringbetrieb aufrecht erhalten zu können, bis genug frisches Reinstwasser nachgefördert wurde;
• Überfüllschutz.

Der Behälterfüllstand kann entweder kontinuierlich über das komplette Behälterfüllvolumen oder nur an einzelnen Positionen, an denen sich entsprechende Sensoren im Behälter befinden, gemessen werden. Bei zweitem Verfahren spricht man auch von Grenzstandmessung. Darüber hinaus unterscheidet man noch zwischen berührender und berührungsloser Messung.

Kontinuierliche Messverfahren zur Füllstandmessung überwachen den Behälterfüllstand ohne Unterbrechung über die gesamte mögliche Behälterfüllhöhe. In diesem Kapitel werden verschiedene in Reinstwassersystemen häufig eingesetzte Messverfahren beschrieben. Neben den hier geschilderten Messverfahren existieren noch weitere Verfahren, die aber aus verschiedenen Gründen bei Reinstwassersystemen in der Regel keine Verwendung finden.

Mikrowellen-Füllstandmessung

Bei der Mikrowellen-Füllstandmessung wird das Messsystem oben in den Behälter eingebaut. Die Messung erfolgt nach unten gerichtet auf die Produktoberfläche. Hierzu wird ein Mikrowellenimpuls abgestrahlt, der von der Produktoberfläche reflektiert wird. Der reflektierte Mikrowellenimpuls wird durch das Messsystem wieder detektiert. Danach wird die Laufzeit des Signals ausgewertet, wobei die Entfernung zur Produktoberfläche proportional zur Laufzeit des Impulses ist.

Der Mikrowellenimpuls wird auch durch die Behälterwände und sich im Behälter befindende Einbauteile, wie zum Beispiel Rührwerke, reflektiert. Diese Reflektionen führen bei der Signalauswertung zu Störechos, die durch die Auswerteelektronik ausgefiltert werden müssen. Das Gleiche gilt für Störechos, die durch Streuung auf der Produktoberfläche entstehen. Die eingehenden Reflexionsechos werden als Hüllkurve ausgewertet und durch geeignete Algorithmen von den Störechos befreit.
Die Mikrowellen-Füllstandmessung ist aufgrund des Messverfahrens vor allem für hohe Behälter ohne Sprühkugel geeignet, da durch die Beregnung des Behälters mit einer Sprühkugel die Störreflexionen durch die Wassertropfen sehr stark zunehmen. Da Reinstwasserbehälter in aller Regel mit Sprühkugeln versehen sind, wird diese Technik im Reinstwasserbereich nur sehr selten eingesetzt.

Kapazitive Füllstandmessung

Die kapazitive Füllstandmessung beruht auf dem Kondensatorprinzip. Messelektrode, Produkt und Behälter bilden hierbei einen elektrischen Kondensator. Die Kapazität eines Kondensators definiert sich durch drei Größen:

• Größe der Elektrodenflächen,
• Abstand der Elektrodenflächen sowie
• Material zwischen den Elektroden (Dielektrikum).

Bei der kapazitiven Füllstandmessung bildet der Sensor eine der beiden Elektroden (entspricht beim Zylinderkondensator dem inneren Zylinder), und der Behälter bildet die zweite Elektrode (den äußeren Zylinder). Voraussetzung für diese Anordnung ist jedoch, dass der Behälter aus einem leitenden Material, wie beispielsweise Edelstahl, besteht und das Produkt elektrisch nicht leitend ist.

Die Elektrodenfläche und der Elektrodenabstand sind konstant, da diese aus dem Sensor und dem Behälter gebildet werden. Die sich im Behälter befindende Luft und das Produkt bilden das Dielektrikum. Die Permittivitätszahl von Luft (und Vakuum) ist 1, die von anderen Materialien ist größer als 1 (zum Beispiel Wasser = 81). Mit steigender Bedeckung der Elektrode nimmt die Kapazität des aus Sensor und Behälter gebildeten Kondensators zu.
Bei einem nicht leitenden Behälterwerkstoff wie etwa PVDF muss eine Gegenelektrode (zum Beispiel Masserohr, zweite Sonde, Zweistabmesssonde, wobei sich das Masserohr aus hygienischen Gründen hier ausschließt) verwendet werden, bei der auch die zweite Elektrode durch einen Sensor gebildet wird. Bei elektrisch leitendem Produkt muss eine isolierte Elektrode verwendet werden. Für eine kontinuierliche, kapazitive Füllstandmessung ist eine konstante Dielektrizitätszahl des Produktes Voraussetzung. Dies führt zu Problemen bei der Füllstandmessung von Reinstwasserbehältern während Reinigungsprozessen. Reinstwasser kann mit einem Leitwert <1µS/cm als Nichtleiter betrachtet werden. Wird es mit Laugen und Säuren zur Reinigung versetzt, ist der Leitwert um ein Vielfaches höher, und die Dielektrizitätszahl verändert sich auch. Folglich kann während des Reinigungsprozesses der Füllstand nicht gemessen werden.
Gemessen wird der Füllstand letztlich dadurch, dass man eine Hochfrequenzspannung mit konstanter Frequenz an die Elektroden anlegt (zum Beispiel Sensor, Behälter). Mit steigendem Füllstand und steigender Kapazität steigt auch der über den Kondensator fließende Hochfrequenzstrom an. Die Messelektronik wandelt dies in ein zum Füllstand proportionales Gleichstromsignal um. Die kapazitive Füllstandmessung ist vor allem für stehende Behälter geeignet. Bei stehenden, zylindrischen Behältern verlaufen die Behälterwände parallel zum Sensor, wodurch sich ein homogener Feldlinienverlauf zwischen den beiden Kondensatorelektroden ergibt und damit auch ein lineares Füllstandsignal. Bei einem liegenden, zylindrischen oder kugelförmigen Behälter ist der Feldlinienverlauf inhomogen und das Füllstandsignal damit auch nicht linear.

Hydrostatische Füllstandmessung

Bei der hydrostatischen Füllstandmessung wird der Füllstand des Behälters mit einem Druckaufnehmer unten im Behälter gemessen. Eine Flüssigkeitssäule erzeugt durch ihr Gewicht einen hydrostatischen Druck, dessen Größe bei konstanter Dichte der Flüssigkeitssäule nur von der Höhe abhängig ist. Dieses Messverfahren kann allerdings nur bei offenen Behältern angewendet werden. Bei über einen Filter belüfteten Behältern kann je nach Verblockungsgrad des Filters ein- oder ausströmende Luft beim Befüllen oder Entleeren des Behälters zu einer Drucküberlagerung führen, die die Messung des hydrostatischen Druckes verfälscht. Gleiches gilt für mit Schutzgas überlagerte Behälter. Daher sollte von der Verwendung einer hydrostatischen Füllstandmessung bei Lagerbehältern für Reinstwasser auf jeden Fall abgesehen werden, da ein offener Behälter hier ausscheidet.

Differenzdruckmessung

Da bei mit Schutzgas überlagerten oder über Sterilfilter beatmeten Behältern der Überlagerungsdruck die Messung einer hydrostatischen Füllstandmessung verfälscht, muss dieser Druck mit einem zweiten Druckaufnehmer gemessen und von dem im unteren Behälterteil gemessenen Gesamtdruck abgezogen werden, um den korrekten hydrostatischen Druck ermitteln zu können. Man spricht bei diesem Messverfahren von einer Differenzdruckmessung, welche auch zur Überwachung von Filtern oder zur Volumenstrommessung verwendet wird. Bei der Differenzdruckmessung gibt es zwei Möglichkeiten, den Differenzdruck zu messen.

• Beide Drücke werden mit Hilfe zweier, voneinander unabhängiger Druckaufnehmer gemessen. Das elektrische Messsignal jedes Druckaufnehmers wird in die Steuerung oder in eine spezielle Messelektronik weitergeleitet. Hier werden die beiden Messsignale ausgewertet und dann der Differenzdruck ermittelt.
• Der Differenzdruck wird mit einem Differenzdrucktransmitter gemessen. Dieser ist mit zwei Druckaufnehmern ausgestattet, die durch zwei mit einer Druckmittlerflüssigkeit gefüllten Kapillare mit dem Differenzdrucktransmitter verbunden sind. Von dem Druckaufnehmer wird der gemessene Druck mit Hilfe der Druckmittlerflüssigkeit in den Differenzdrucktransmitter geleitet. Hier wird der Differenzdruck direkt gemessen und ein einzelnes Differenzdrucksignal gebildet.

Die Messbereiche beider Druckaufnehmer sollten den gleichen Messbereich haben, der auch in den Unterdruckbereich gehen sollte. Ein Unterdruck kann entstehen, wenn über die Pumpe ein größeres Volumen Wasser abgepumpt wird als Luft über den Sterilfilter in den Behälter nachströmen kann. Verdeutlichen soll dies folgendes Beispiel: Eine Behälterfüllhöhe von 400mm Wasser entspricht bei einer Dichte von 998,19kg/m3 bei 20°C einem hydrostatischen Druck von ungefähr 392mbar. Baut sich bei der Behälterentleerung durch einen verblockten Filter ein Unterdruck von –500mbar auf, so ist auch der im unteren Behälterbereich gemessene Gesamtdruck negativ.

Grenzstandmessverfahren

Bei den Grenzstandmessverfahren wird nur eine bestimmte Füllhöhe des Behälters gemessen, die durch die Einbaulage der Messeinrichtung vorgegeben ist. Mögliche Anwendungen für Grenzstandmessverfahren sind etwa die Überfüllsicherung von Behältern, der Trockenlaufschutz oder die Überwachung anderer wichtiger Schaltpunkte.

Das Messprinzip entspricht der kapazitiven Füllstandmessung. Wenn das Medium im Behälter den Sensor benetzt, ändert sich die Kapazität, was digital beispielsweise durch ein 24-V-Signal an eine Steuerung gemeldet wird. Der Vibrationsgrenzschalter hat die Form einer Stimmgabel und wird piezoelektrisch zum Schwingen gebracht. Die Frequenz dieser Schwingung entspricht hierbei der Resonanzfrequenz. Wird der Vibrationsgrenzschalter von dem Medium bedeckt, so ändert sich die Resonanzfrequenz; dies wird durch die Messelektronik detektiert und als Schaltsignal ausgegeben.

Kontinuierliche Messverfahren zur Füllstandsmessung überwachen den Behälterfüllstand über die gesamte mögliche Behälterfüllhöhe