Grenzstandmessung: so wählen Sie den passenden Grenzschalter

5.1 Vibronik-Messprinzip zur Flüssigkeitsmessung

Vibrationsfüllstandschalter, die auf dem Vibronik-Messprinzip basieren, eignen sich für den medienberührenden Einsatz in nicht anhaftenden und nicht ablagernden Flüssigkeiten. Sie können unabhängig von Flüssigkeitseigenschaften wie Leitfähigkeit, Dichte, Druck und Temperatur eingesetzt werden. Zudem sind sie unempfindlich gegenüber Schaum- und Blasenbildung sowie Turbulenzen.

Das Vibronik-Messprinzip, auch als Stimmgabel-Prinzip bezeichnet, beruht, wie die Bezeichnung bereits vermuten lässt, auf der grundlegenden Funktionsweise von Stimmgabeln. Diese geraten bei bestimmten Frequenzen in Resonanz und erzeugen dabei charakteristische Schwingungen. Bei Vibrationsfüllstandschaltern dient die Resonanzfrequenz dabei als Referenz für die Grenzstandmessung. Wenn die Stimmgabel mit Flüssigkeit bedeckt wird, kommt es zu einer Frequenzänderung. Diese Veränderung ermöglicht Rückschlüsse auf den Grenzstand. Dadurch erklärt sich, warum die Enden der Vibrationsfüllstandschalter Stimmgabeln ähneln.

Vibrationsfüllstandschalter sind auch in beschichteter Ausführung erhältlich und eignen sich daher zusätzlich für Anwendungen in der chemischen Industrie.

Je nach Anwendungen werden die Schalter üblicherweise an Außenwänden von Behältern angebracht, direkt in geeignete Behälteröffnungen eingeführt, über einen Flansch installiert oder an Rohrleitungen befestigt.

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Abb. 2: Die Messspitze des Vibrationsfüllstandschalter ähnelt einer Stimmgabel

Abb. 3: Ein Schwimmerschalter benötigt keine Spannungsversorgung, um betrieben zu werden

5.2 Mechanisches Messprinzip

Die nach dem mechanischen Messprinzip arbeitenden Schwimmerschalter eignen sich für den Einsatz in leit- und nicht leitfähigen Flüssigkeiten. Sie sind auch für Umgebungen vorgesehen, in denen der Einsatz von elektronischen Sensoren ungeeignet ist und beispielsweise direkte Steuerungen von Pumpen oder Ventilen zum Tragen kommen.

Diese kostengünstigen medienberührenden Schalter werden ohne Spannungsversorgung betrieben und sind in der Lage, den Füllstand einer Flüssigkeit durch den Auftrieb eines Schwimmers oder durch mechanische Bewegungen zu erfassen. Wenn der Füllstand ein bestimmtes Niveau erreicht, wird der Schalter aktiviert und ein Signal ausgegeben, damit Aktoren direkt ein- oder ausgeschaltet werden können.

Die Schwimmerschalter bestehen aus einfachen Materialien, weshalb die vom Hersteller empfohlenen Druck- und Temperaturgrenzen nicht überschritten werden dürfen. Weiterhin ist es wichtig, dass die Schaltleistung des Schwimmerschalters nicht übermäßig beansprucht wird, um den Schaltkontakt nicht zu beschädigen.

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5.3 Konduktives Messprinzip

Wenn Sie mit leitfähigen Flüssigkeiten wie Wasser, Säuren oder Laugen arbeiten, können Sie mit medienberührenden Grenzstandschaltern, die nach konduktivem Messprinzip arbeiten, auf eine kostengünstige Lösung zur Grenzstandmessung zurückgreifen.

Hierbei erzeugen die in die Flüssigkeit eingetauchten Elektroden der Sensoren einen Wechselstrom. Wenn sich der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden verändert, kann darauf basierend auf den Grenzstand geschlussfolgert werden. Bei Berührung der Elektroden mit der leitenden Flüssigkeit wird der elektrische Widerstand verringert. Die dadurch veränderte Wechselstromstärke löst ein Schaltsignal aus.

Um eine ordnungsgemäße Funktion des konduktiven Grenzstandschalters zu gewährleisten, sind bei der Wahl des passenden Modells die jeweiligen Temperatur- und Druckgrenzen zu beachten.

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Abb. 4: Aufbau eines konduktiven Grenzstandschalters

Abb. 5: Einbau eines kapazitiven Grenzstandschalters zur Grenzstanderfassung von Flüssigkeiten

5.4 Kapazitives Messprinzip zur Erfassung von Flüssigkeitsgrenzständen

Zur Erfassung von leit- und nicht leitfähigen Flüssigkeiten eignen sich die kostengünstigen kapazitiven Grenzstandsensoren.

Diese arbeiten nach kapazitivem Prinzip, indem ihre Elektroden, jeweils eine bedeckte und eine unbedeckte Sonde, mit dem jeweiligen Behälter einen Kondensator bilden. Durch die Veränderung des Füllstands ändert sich die Kapazität des Kondensators. Diese Kapazitätsänderung wiederum ermöglicht Rückschlüsse auf den Grenzstand der Flüssigkeit.

Um Schäden an den verwendeten kapazitiven Grenzschaltern zu vermeiden, sollten diese entsprechend den Angaben des Herstellers hinsichtlich der Druck- und Temperaturlimits ausgewählt werden.

Kapazitive Füllstandschalter können auch in spezieller Ausführung mit einer zusätzlichen Elektrode erworben werden und sich dadurch auch für den Einsatz in anhaftenden Medien eignen.

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5.5 Optisches Messprinzip

Für vielseitige Anwendungsfälle, in denen Sie auf berührungslose oder medienberührende Weise Grenzstände von leitenden und nicht leitenden Flüssigkeiten erfassen wollen, eignen sich Grenzschalter, die nach dem optischen Messprinzip arbeiten.

Die weiteren Eigenschaften der Flüssigkeit wie Temperatur, Druck, Dichte, Leitfähigkeit sowie Dielektrizitätskonstante sind unerheblich, da das optische Messprinzip auf der Emission eines Lichtstrahls und der Detektion des reflektierten oder transmittierten Lichtsignals basiert. Dabei wird die Lichtintensitätsänderung oder das reflektierte Licht als Messindikator für den Füllstand verwendet.

Medienberührende optoelektronische Schalter werden direkt in den Flüssigkeiten eingesetzt. Dies kann durch Integration in den Behältern selbst oder durch Anbringung an speziellen Einbauteilen oder Flanschen erfolgen.

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Abb. 6: Optoelektronischer Schalter mit Medienberührung

Abb. 7: Berührungslos arbeitende Lasersensoren eignen sich zur Grenzstandmessung aggressiver Medien

Im Gegensatz dazu arbeiten die optischen Grenzstandsensoren mit Lichtstrahlen.

Sie kommen nicht mit den Medien in Berührung und eignen sich daher zusätzlich zur Erfassung aggressiverer Flüssigkeiten wie Aceton und Säuren sowie für hygienische Anwendungen.

Überdies eignen sie sich auch zur Grenzstanderfassung von Flüssigkeiten in engen Tanks oder speziell geformten Behältern. Dabei können sie an beliebiger Position des Behälterdeckels oder der Tankwand angebracht werden.

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6. Passende Messverfahren für die Grenzstandmessung von Schüttgütern

Schüttgüter können ebenso wie Flüssigkeiten vielfältig beschaffen sein. Sie sind zum Beispiel grobkörnig, feinkörnig, pulverförmig staubig, anhaftend, feucht, trocken, abrasiv, schütt- oder nicht schüttfähig sowie korrosiv sein.

Auch hier muss zur Grenzstanderfassung zwischen verschiedenen geeigneten Messprinzipien unterschieden werden, die auf die Eigenschaften des Schüttguts abgestimmt sind.

Drei häufig verwendete Messprinzipien werden im Nachfolgenden thematisiert.

Abb. 8: Schüttgüter können sich stark voneinander unterscheiden

Abb. 9: Die Vibrationsfüllstandschalter-Messspitze kann bei der Grenzstandmessung von Schüttgütern auch stabförmig sein

6.1 Vibronik-Messprinzip zur Erfassung von Schüttgüter-Grenzständen

Das vibronische Messververfahren für Schüttgüter ist mit dem Messprinzip für Flüssigkeiten vergleichbar. Allerdings wird zur medienberührenden Grenzstanderfassung von Schüttgütern nicht die Frequenzänderung der Schwingungen, sondern die Veränderung der Amplitude genutzt. Die Änderungen werden in ein Schaltsignal umgesetzt.

Trotz dieser Unterschiede arbeiten beide Verfahren grundsätzlich auf ähnliche Weise und ermöglichen eine zuverlässige sowie präzise Grenzstandmessung. Während sich die stabförmigen Vibrationsfüllstandschalter für grobkörnige Schüttgüter eignen, sind die stimmgabelförmigen Varianten für die fein- oder pulverförmigen Feststoffe mit geringer Dichte geeignet.

Physikalische Eigenschaften des Mediums wie Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Dichteänderung, Druck oder Temperatur, Turbulenzen, Schaum oder perlende Flüssigkeiten haben keinen nachteiligen Einfluss auf die Grenzstandmessung.

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6.2 Elektromechanischen Messprinzip

Wenn Sie Grenzstände von Schüttgütern mit verschiedenen Korngrößen und Dichten erfassen möchten, sind die nach elektromechanischem Messprinzip arbeitenden Drehflügelfüllstandschalter beziehungsweise Rotationsflügel-Grenzschalter für Sie geeignet. Die elektrischen Eigenschaften des Mediums sind bei dieser Messvariante unerheblich.

Bei elektromechanischen Messverfahren verursacht eine bestimmte Füllhöhe eine simple mechanische Bewegung des Schalters, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird, das zur Detektion des Grenzstands verwendet wird.

Aufgrund der mechanischen Beanspruchung der beweglichen Teile wie des Drehflügels, ist bei diesem Messverfahren eine regelmäßige Wartung des Schalters erforderlich, um einem Verschleiß und einer Fehlfunktion vorzubeugen.

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Abb. 10: Simpel und bewährt: Drehflügelschalter zur Grenzstandmessung

Abb. 11: Unten installierter kapazitiver Grenzschalter zur Grenzstanderfassung von Schüttgütern

6.3 Kapazitives Messprinzip zur Schüttgütermessung

Das Grundprinzip der kapazitiven Messung zur Grenzstandmessung von Flüssigkeiten ist auch auf die Schüttgüterdetektion übertragbar.

Kapazitive Füllstandschalter können für alle Schüttgüter eingesetzt werden, sofern bei der Erfassung des Grenzstands auf Basis der Kapazitätsveränderung auch die Dielektrizitätskonstante berücksichtigt wird.

Der Unterschied liegt darin, dass die Dielektrizitätskonstante des jeweiligen Schüttguts zusätzlich zu berücksichtigen ist, da sie Einfluss auf die Kapazitätsveränderung hat, die zur Erfassung des Grenzstands herangezogen wird. Die Dielektrizitätskonstante wiederrum wird zum Beispiel von der Zusammensetzung, Temperatur und Feuchtigkeit des Schüttguts bestimmt.

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Wenn Sie neben Grenzständen auch beliebige Füllstandhöhen erfassen wollen, sind Lösungen zur kontinuierlichen Füllstandmessung passend für Sie.

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