Füllstandmessung von Flüssigkeiten

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1 Füllstandmessung von Flüssigkeiten Unter Füllstandmessung sind sowohl Verfahren zur kontinuierlichen Messung von Füllständen als auch zur Grenzstanderfassung z. B. für Überfüllsicherungen und ähnlichen zu verstehen. Endress + Hauser Messtechnik GmbH+Co. Colmarer Strasse Weil am Rhein Inhalt: Allgemeines...2 Begriffe...2 Konduktives (Widerstandsmessverfahren) Anwendungsbereich Kapazitives Anwendungsbereich Messen mittels Dämpfung mechanischer Schwingungen Anwendungsbereich: Hydrostatisches Anwendungsbereich Mikrowellenverfahren Anwendungsbereich Radiometrische Anwendungsbereich Zählrohr...10 Szintillationszähler...10

2 Allgemeines Begriffe Füllstand ist die Höhenlage einer Messstoffoberfläche über einer Bezugsebene. Gemessen wird die Länge. Aus dem Füllstand können auch Volumen oder Masse in einem Behältnis abgeleitet werden. Der Füllstand kann unmittelbar aus der Höhenlage bestimmt werden, oder es wird mit mittelbaren eine in anderer Einheit gemessene Größe erfasst und aus dieser den Füllstand berechnet. Messbereiche, Skalenteilungen (z. B. Längen-, Prozent- oder Volumenteilung) oder Ansprechpunkte von Grenzwertgebern richten sich nach dem Einsatzbereich. Der Messbereich ist die Differenz zwischen einem definierten Anfangswert (Messanfang) und einem definierten Endwert (Messende). Standaufnehmer Messumformer Anzeige Der Anfangswert und Endwert ist vom Anwender entsprechend der Behälterform und dem Verwendungszweck festzulegen. 100% Anzeige Endwert Die Messwerte können örtlich angezeigt oder durch Messumformer in übertragungsfähige Signale umgeformt werden, wie z. B. 0/...20 ma, digitale Informationen oder ähnlichem. hb 0% hx ho h Anfangswert Messgeräte müssen den einschlägigen Gesetzen, Richtlinien, Verordnungen und sicherheitstechnischen Vorschriften entsprechen. Nullebene Bei den Überfüllsicherungen gibt es bis heute keine Bauart auf dem Markt, die gleichzeitig alle Anwendungs- und sicherheitstechnischen Anforderungen erfüllt. Aus diesem Grund sind unterschiedliche physikalische zugelassen, die bei der Wahl eines geeigneten Füllstandmessgerätes beachtet werden müssen. Die Geräte müssen den am Einsatzort auftretenden Einflüssen und Einwirkungen standhalten.

3 Konduktives (Widerstandsmessverfahren) Bei diesem Verfahren wird die Widerstandsänderung zwischen zwei Elektroden im Behälter zur Bestimmung des Füllstandsgrenzwertes bei leitenden Flüssigkeiten verwendet. Bei steigendem Füllstand des Messmediums mit Kontakt der beiden Elektroden kommt es zu einer sprunghaften Widerstandsänderung. Diese Änderung wird als Signal ausgewertet. Anwendungsbereich Messanordnungen mit konduktiven Sonden (Leitfähigkeitssonden), werden vorwiegend zur Grenzstanderfassung bei leitenden Flüssigkeiten eingesetzt. Bei der Anwendung sollte die spezifische Leitfähigkeit des Messstoffes größer als 5 µs/cm sein. Bei der Grenzwerterfassung wird bei Überschreiten des oberen Grenzwertes eine leitende Verbindung zwischen den Messelektroden hergestellt, wenn der Messstoff die Elektroden berührt. Die Widerstandsänderung wird als Schaltsignal benutzt. Es werden Elektroden in Form von Stäben oder Seilen eingesetzt, die gegen den Behälter isoliert angeordnet sind. Häufig dient die metallische Behälterwand als Gegenelektrode. Durch die Anordnung von mehreren Elektroden können mehrere Grenzstände ermittelt werden.

4 Kapazitives Das kapazitive beruht auf der durch die Änderung des Füllstandes hervorgerufene Kapazitätsänderung in einer aus den kapazitiven Standaufnehmer und der Gegenelektrode (Behälterwand) oder Masseelektrode ausgeführten Messanordnung. Die gemessene Kapazität setzt sich aus der Leerkapazität des leeren Kondensators (leerer Behälter) und der Kapazitätsänderung, die durch die Füllstandsänderung des Messstoffes hervorgerufen wird. Anwendungsbereich Das kapazitive wird zur Grenzwerterfassung sowie zur kontinuierlichen Messung eingesetzt. Es kann für nichtleitende und leitende Flüssigkeit sowie für Schüttgüter eingesetzt werden. Zur Sicherstellung der Messung muss der Messstoff eine Mindestdielektrizitätszahl (> 1,4) haben. Die Dielektrizitätszahl ist eine stoffspezifische, charakteristische Eigenschaft des Messstoffes und ist u. a. abhängig von der Zusammensetzung des Messstoffes, der Temperatur und der Feuchte. Bei der kontinuierlichen Messung ist dies besonders zu beachten, weil hier eine konstante Dielektrizitätszahl vorausgesetzt wird. Bei der Grenzstanderfassung sind diese Einflüsse von untergeordneter Bedeutung. Hier muss jedoch gewährleistet sein, dass sich durch den Unterschied der Dielektrizitätszahl von Luft (leerer Behälter) und Messstoff eine ausreichende Kapazitätsänderung ergibt. Ablagerungen an den Standaufnehmern (Sonden) beeinflussen das Messergebnis und müssen vermieden werden. Für viele Behälterformen kann die Berechnungsformel eines zylindrischen Rohrkondensators angewendet werden. Die Behälterwand stellt dabei den äußeren Zylindermantel dar und der Standaufnehmer den inneren Zylinder. Die dem jeweiligen Füllstand entsprechende Kapazität errechnet sich als Summe der zwei parallelgeschalteten Teilkapazitäten des gefüllten und des leeren Behälters. Die gemessene Kapazität setzt sich aus der Leerkapazität und der Kapazitätsänderung zusammen, die durch die Füllstandsänderung des Messmediums hervorrufen wird.

5 Die kapazitiven Standaufnehmer bestehen im allgemeinen aus senkrecht eingebauten Stäben oder Seilen bei der kontinuierlichen Messung sowie Grenzwerterfassung, schräg oder horizontal eingebauten Stäben für die Grenzwerterfassung. Die kapazitiven Standaufnehmer bestehen aus leitfähigen Werkstoffen in Form von Stäben oder Seilen. Bei leitfähigen Medien (Leitfähigkeit > 20 µs/cm) wird der Standaufnehmer isoliert. Im gefüllten Teil des Behälters bildet dann die Isolation des Standaufnehmers das kapazitätsbestimmende Dielektrikum; das leitfähige Medium dient als Gegenelektrode. Stabförmige Standaufnehmer werden sowohl zur Grenzwerterfassung als auch für die kontinuierliche Messung benutzt. Seilsonden werden bei großen Messbereichen eingesetzt. Es ist dafür zu sorgen, dass der Standaufnehmer die senkrechte Einbaulage beibehält (Abspannen, Gewicht).

6 Messen mittels Dämpfung mechanischer Schwingungen Mechanische Schwingsysteme werden elektrisch zu mechanischen Schwingungen angeregt. Das mechanische Schwingsystem besteht aus zwei, auf einer Membran nebeneinander angeordneten Schwingstäben. Die Schwinggabel wird bedämpft, wenn diese in den Messstoff eintaucht. Die daraus resultierende Schwingfrequenzänderung wird erfasst. Anwendungsbereich: Schwinggabelsysteme werden zur Grenzwerterfassung bei Flüssigkeiten eingesetzt. Das ist unabhängig von den elektrischen Eigenschaften des Messstoffes und weitgehend unempfindlich gegen Ablagerung (Ansatzbildung). Durch zu große Ansatzbildung erfolgt eine Dämpfung der Schwinggabel, was zu einer Schwingfrequenzänderung führt und ausgewertet wird. Die Grenzwerterfassung ist ab einer Messstoffdichte von 0,5 g/dm³ möglich. Bei Messeinrichtungen mit Schwinggabel erfolgen die Anregung und Schwingersystemauswertung in der gleichen Baugruppe. Zur Anregung des Schwinggabelsystems dient ein piezoelektrischer Antrieb mit einer Arbeitsfrequenz in Luft >350 Hz...<420 Hz. Wird das Schwingsystem vom Typ LIQUIPHANT durch den Messstoff gedämpft, erfolgt eine Absenkung der Frequenz auf <350 Hz, was zu einer Meldung führt. Wird das Schwingersystem durch Korrosion angegriffen, so verändert dies die Schwingmasse des Schwingsystems. Durch den Korrosionsabtrag wird die Masse kleiner und führt zu einem Frequenzanstieg. Ein Anstieg der Frequenz auf >420 Hz wird als unzulässiger Korrosionsabtrag erkannt, was zur selbsttätigen Fehlermeldung führt. Diese Überwachung mittels einem sogenannten Frequenzfenster werden Ausfälle durch Korrosion selbsttätig gemeldet. Die Standaufnehmer vom Typ LIQUIPHANT - sind einsetzbar bei Wechselbefüllung, - sind einfach zu installieren, - es ist kein Abgleich auf den Messstoff notwendig, - sind betriebsbewährt und zuverlässig.

7 Hydrostatisches Der hydrostatische Druck einer Flüssigkeit ist ein Maß für den Füllstand. Der Anfangswert ist durch die Einbauhöhe des Messaufnehmers oder durch den unteren Anschlussstutzen am Behälter gegeben. Bei offenen Behältern wird der hydrostatische Druck als Druck gegen den Atmosphärendruck gemessen. Bei geschlossenen Behältern ist eine Differenzdruckmessung notwendig. Zur Berechnung des Füllstandes aus dem hydrostatischen Druck muss die Dichte des Messstoffes bekannt sein. Anwendungsbereich Bei der Auswahl geeigneter Messaufnehmer ist das statische Druckverfahren für nahezu alle Flüssigkeiten und beliebige Messbereiche anwendbar. Hohe Viskositäten schränken die Anwendung ein. für offene Behälter Bei Flüssigkeiten geringer Viskosität werden Druckaufnehmer ohne besondere Anforderungen verwendet.

8 Mikrowellenverfahren Elektromagnetische Wellen können sich unabhängig von Materie auch in Vakuum ausbreiten. Zur berührungslosen Füllstandmessung kommt im wesentlichen die Laufzeitmessung zur Anwendung. Das genutzte Frequenzspektrum liegt zwischen ca. 4 und 45 GHz. Zur Auskopplung und zum Empfang der Strahlung werden spezielle Antennensysteme eingesetzt. Anwendungsbereich Kontinuierliche, berührungslose Füllstandmessung von z. B. Flüssigkeiten. Bei diesem Verfahren wird der Abstand zwischen Mikrowellensender und der Messstoffoberfläche mittels Laufzeitmessung bestimmt. Die Laufzeit eines an der Messstoffoberfläche reflektierten Mikrowellensignals ist direkt proportional zum zurückgelegten Weg. Das Mikrowellensignal wird in Form von kurzen Impulsen (Pulsradar) ausgesendet. Die Zeitdifferenz zwischen Aussendung des Impulses und Eintreffen der Reflektion des Impulses wird gemessen. Die Messeinrichtungen werden von oben lotgerecht zur Messstoffoberfläche eingebaut. Sender, Antenne und Empfänger bilden eine Einheit. Ausschlaggebend für die Messung ist die Leistungsbilanz bezüglich der abgestrahlten Sendeleistung, Verluste auf der Übertragungsstrecke, Störrefflektionen sowie des Reflektionsgrades des Messstoffes und der empfangenen Leistung.

9 Radiometrische Trifft radioaktive Strahlung auf Materie, so finden unterschiedliche Wechselwirkungsprozesse statt. Dabei wird die Strahlung z. B. durch Absorption geschwächt. Dieser Effekt wird zur Füllstandmessung ausgenutzt. Die Schwächung der Strahlung durch einen absorbierenden Stoff ist abhängig aus der Messstoffdichte und dem Absorptionsweg, sowie von der Art des verwendeten radioaktiven Strahlers. Dieser Effekt wird bei der Durchstrahlungsmessung mit Gamma-Strahlen ausgenützt. Anwendungsbereich Füllstandmessverfahren nach der radiometrischen Methode werden sowohl zur Grenzstanderfassung als auch zur kontinuierlichen Füllstandmessung angewendet. Die Methode arbeitet berührungslos und erlaubt den Einsatz bei hohen Behältertemperaturen, hohen Behälterdrücken und problematischen Messstoffeigenschaften. Die Durchstrahlungsmethode nutzt die Schwächung radioaktiver Strahlung bei Durchdringen von Materie aus. Diese Schwächung erfolgt nach dem Absorptionsgesetz. Dabei ist die geschwächte Strahlungsintensität, die ursprüngliche Strahlungsintensität, der lineare Schwächungskoeffizient und Schichtdicke des absorbierenden Stoffes maßgeblich. Die Absorptionsschichten setzen sich dabei im wesentlichen aus der Behälterwand und dem Füllstoff zusammen. Als Strahlenquellen für Füllstandsmessungen werden grundsätzlich umschlossene radioaktive Stoffe verwendet. Dabei ist die radioaktive Substanz selbst in einer Kapsel dicht eingeschlossen, die den Sicherheitsanforderungen nach DIN/ISO entsprechen müssen. Für die Füllstandmessung bevorzugt Gamma-Strahler aus Kobalt (Co60) oder Cäsium (Cs137) eingesetzt. Die Strahler werden in der Regel in Abschirmungen eingebaut, die nur in Richtung auf den Detektor ein Nutzstrahlbündel freigeben. Zum Nachweis von radioaktiver Strahlung gibt es unterschiedliche Detektorenarten, wobei in der Füllstandmessung bevorzugt Zählrohre und Szintillationszähler verwendet werden.

10 Zählrohr Als Zählrohr wird das Geiger-Müller-Zählrohr verwendet. Durch die absorbierte Strahlung wird in der Gasfüllung des Zählrohres eine Stoßionisation ausgelöst. Es entstehen relativ größere Ausgangsimpulse, deren Häufigkeit (Impulsrate) proportional der Dosisleistung am Detektor ist. Szintillationszähler Der Detektor für die radioaktive Strahlung ist hier ein spezieller Kunststoff, mit welchem bei Absorption von Strahlung Lichtblitze erzeugt werden. Die Anzahl der Lichtblitze ist proportional zur auftretenden Strahlung. Der Detektor ist optisch mit einem Photomultiplayer verbunden. Szintillationszähler haben eine hohe Empfindlichkeit für Gammastrahlung. Sie werden dann eingesetzt, wenn eine höhere Messgenauigkeit gefordert wird.