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Impedanzspektroskopie

Ablagerungen und Schaum erschweren häufig eine sichere Füllstanderfassung. Die Impedanzspektroskopie-Technologie misst die elektrische und magnetische Feldstärke in einem Frequenzband zwischen 50 und 200 MHz. Die Art des Mediums sowie Anhaftungen oder Schaum besitzen unterschiedliche elektrische Eigenschaften, die zur Auswertung genutzt werden. An jedem Punkt erfolgen drei Messungen:

  • Abschwächung (Dämpfung) des elektromagnetischen Felds
  • Konduktivität des elektrischen Felds (Fähigkeit eines Materials elektrischen Strom zu leiten)
  • Permittivität des magnetischen Felds (Fähigkeit Partikel zu polarisieren)

Bei vorhandenem Medium stimmen diese Messungen mit dem Profil überein. Ist kein Medium oder nur ein Rückstand vorhanden, stimmen die Messungen nicht überein. Befindet sich das gemessene Profil im grünen Schaltbereich, ändert der Ausgang des Sensors seinen Zustand.

Kein Medium vorhanden: Die obere Abbildung zeigt die Situation, in der kein Medium die Sensorspitze bedeckt. Dämpfung, Konduktivität und Permittivität sind niedrig. Das Signaturprofil liegt außerhalb des Schaltbereichs.

Medium vorhanden: In der nachfolgenden Abbildung sieht man das Profil mit vorhandenem Medium an der Sensorspitze. Dämpfung, Konduktivität und Permittivität sind hoch und das gemessene Profil liegt innerhalb des Schaltbereichs. Der Ausgang ändert seinen Zustand.

Rückstände vorhanden: Bedecken nur Anhaftungen die Sensorspitze, fallen Konduktivität und Permittivität hoch aus, da Spuren des Mediums vorhanden sind. Die Dämpfung ist jedoch gering, da nur wenig Medium vorhanden ist. Das Profil liegt außerhalb des Schaltbereichs und der Ausgang ändert seinen Zustand nicht.

Andere Medien weisen andere Profile auf. Mittels IO-Link können die Prozesswerte des Mediums ausgewertet und zur Materialunterscheidung herangezogen werden, z.B. Öl vs. Wasser, Vollmilch vs. 2 %-Milch, usw.

Besonderheiten:

  • Ausblendung von Anhaftungen und Schaum
  • Totraumfreies Dichtungskonzept der Sensorspitze aus PEEK erfüllt 3A-Anforderungen
  • Gehäuse aus Edelstahl sorgt für Robustheit

Alle Versionen sind programmierbar; für wasserbasierte Medien, ölbasierte / pulverförmige Medien und Medien mit hohem Zuckergehalt sind werkseitige Voreinstellungen verfügbar.

Geführte Mikrowelle (GWR)

Das Prinzip der geführten Mikrowelle (Guided Wave Radar) nutzt elektromagnetische Impulse im Nanosekunden-Bereich. Die Impulse werden vom Kopf des Sensors ausgesendet und entlang des Sensorstabs geführt. Trifft der Mikrowellenimpuls auf das Medium, wird dieser reflektiert, vom Sensorstab erfasst und zum Sensorkopf zurückgeführt. Die zeitliche Dauer zwischen dem Senden und Empfangen des Impulses (Time-of-Flight) dient als direktes Maß für die zurückgelegte Distanz.

Es muss eine Einkoppelplatte aus Metall von mindestens 150 mm² oder 150 mm Durchmesser verwendet werden, um eine ausreichende Einkopplung des Radarimpulses zu ermöglichen. Verfügt der Behälter über einen Metalldeckel, kann dieser als Einkoppelplatte dienen.

Das Bild oben zeigt einen Behälter mit Metalldeckel. Es ist keine Einkoppelplatte erforderlich, da der Deckel diese Funktion übernimmt.

Bei Behältern mit Kunststoffdeckel ist eine Einkoppelplatte aus Metall erforderlich. Abgebildet ist ein Flansch mit einem Mindestdurchmesser von 150 mm.

Auch bei offenen Behältern ist eine Einkoppelplatte erforderlich. Eine einfache Möglichkeit, dies umzusetzen, ist durch Befestigung des Flansches an einem Metallwinkel.

Die Oberfläche von ölbasierten Medien reflektiert den Radarimpuls weniger gut als Wasser. Um das Signal zu verstärken und aufzunehmen, ist die Verwendung eines Koaxialrohrs erforderlich.

Bei Verwendung des Koaxialrohrs ist die oben beschriebene Einkoppelplatte nicht erforderlich. Dies erleichtert die Montage. Allerdings kann es durch Brückenbildung zwischen Sondenstab und Koaxialrohr durch Feststoffe, Emulsionen, usw. zu einer fehlerhaften Füllstandsanzeige kommen. Das Koaxialrohr kann auch in wasserbasierten Medien verwendet werden und kann entsprechend der Sondenlänge gekürzt werden.

Besonderheiten:

  • Einige Modelle sind nach 3A für den Einsatz in Clean-out-of-Place (COP) - Anwendungen zertifiziert
  • Einige Modelle bieten eine Druckfestigkeit bis 40 bar
  • Edelstahlkonstruktion
  • Beständig gegen Staub, Nebel und Dampf

Hydrostatischer Druck

Der hydrostatische Druck ist die Kraft, die von einer Flüssigkeitssäule auf eine Fläche ausübt wird. Er ist nur von der Höhe des Gefäßes abhängig, hängt also nicht von der Form oder dem Volumen eines Gefäßes ab. Der hydrostatische Druck lässt sich mit der folgenden Gleichung berechnen:

Wenn die Dichte oder die Erdbeschleunigung der Flüssigkeit bekannt ist, kann die Höhe (oder der Füllstand) der Flüssigkeit anhand der hydrostatischen Druckmessung bestimmt werden.
Eine häufige hydrostatische Druckanwendung ist die Messung des Füllstands in einem geschlossenen Behälter. Um eine Oxidation der Flüssigkeit zu verhindern, kann eine Inertgasfüllung verwendet werden, wie z. B. CO2 in einem Biertank. In diesem Fall kann mithilfe von zwei Drucksensoren der Differenzdruck berechnet werden. Der obere Sensor misst den Gasdruck und der untere Sensor misst den Gasdruck plus den Druck durch die Flüssigkeit. Der Druck der Flüssigkeit (und damit der Füllstand der Flüssigkeit) ergibt sich aus der Differenz der beiden Messungen.

Kapazitive Grenzstanderfassung (Kxxxxx-Artikelnummern)

Kapazitive Sensoren erfassen berührend oder berührungslos beliebige Materialien. Anwender können die Empfindlichkeit der kapazitiven Näherungsschalter von ifm so einstellen, dass flüssige oder feste Medien auch durch nichtmetallische Behälterwände hindurch erkannt werden.

Diagram of tanks with capacitive point level sensors for high and low level particulate and/or liquid detection

Für eine erfolgreiche Füllstandabfrage mit Hilfe von kapazitiven Sensoren achten Sie darauf, dass:

  • die Behälterwand nicht metallisch ist
  • die Behälterwand weniger als 6 bis 12 mm dick ist
  • sich kein Metall in der unmittelbaren Umgebung des Sensors befindet
  • die aktive Fläche des Sensors direkt auf der Behälterwand sitzt
  • der Sensor und die Behälterwand auf dem selben Potenzial geerdet sind

Kapazitive kontinuierliche Füllstandmessung (Lxxxxx-Artikelnummern)

Die kontinuierlichen Füllstandsensoren der Baureihen LK und LT von ifm bestehen aus 16 übereinander angeordneten kapazitiven Sensorelementen.

Capacitance continuous level sensor diagram showing 16 capacitive cells in the probe

Jedes Sensorelement wertet seine Umgebung aus, um festzustellen, ob es vom Medium bedeckt ist. Der Mikroprozessor wertet alle 16 Sensorelemente aus, um den Füllstand zu ermitteln.

Capacitive sensor diagram showing capacitive cells exposed to air outside of the tank, the mounting, air inside the tank, and water level

Die LK- und LT-Baureihen besitzen eine integrierte Überfüllsicherung. Der Algorithmus für die Überfüllsicherung arbeitet unabhängig von der allgemeinen Füllstandmessung. Sollten die Ausgänge nicht wie gewünscht schalten und der Füllstand steigt weiter an, erzwingt die Überfüllsicherung ein Schalten der Ausgänge.

Die LT-Baureihe besitzt zusätzlich einen separaten Ausgang für die Medientemperatur.

Ultraschallsensoren

Ultraschallsensoren erfassen zur Füllstandmessung Schallwellen, die an der Oberfläche reflektiert werden. Die Oberfläche des Mediums reflektiert die Schallwellen und per Laufzeitmessung wird die Distanzinformation ermittelt.

Anders als bei optischen Sensoren spielen Farbe, Transparenz und Reflektivität des Mediums für die Erkennung keine Rolle.

Ultraschallsensoren weisen eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und Staub auf. Die aktive Fläche schwingt mit einer sehr hohen Frequenz und reduziert Anhaftungen von Feuchtigkeit und Staub, bevor diese die Leistung negativ beeinflussen können. Allerdings können Temperaturextreme die Genauigkeit beeinträchtigen, da die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist.

Optische Sensoren

Der Laser-Distanzsensor O1D und der Vision-Sensor O3D nutzen die PMD Time-of-Flight-Technologie, um den Abstand zur Oberfläche des Mediums zu messen. Das Time-of-Flight-Verfahren misst dabei die Lichtlaufzeit bis zur Oberfläche und zurück zum Sensor. Das Signal wird anschließend von einem Empfängerelement verarbeitet.

Diese Technologie ist nicht zur Füllstandmessung von klaren Flüssigkeiten geeignet. Sie kann ausschließlich für nicht transparente Flüssigkeiten und Feststoffe eingesetzt werden.

Radarsensoren

Radarsensoren erfassen den Füllstand eines Mediums berührungslos. 80GHz-Sensoren, die nach dem Verfahren der Frequency Modulated Continuous Wave (FMCV) arbeiten, senden elektromagnetische Impulse mit einer sich ständig ändernden Frequenz im Bereich von 77 bis 81 GHz an die Oberfläche des Mediums. Durch die sich verändernden Frequenzen ergibt sich eine Frequenzdifferenz zwischen dem gesendeten und dem reflektierten Signal. Aus der Differenz des ein- und ausgehenden Signals zu einem Zeitpunkt kann der Sensor den Abstand zur Oberfläche des Mediums berechnen. Die Messtechnologie ermöglicht eine reaktionsschnelle, zuverlässige und hochgenaue Füllstandmessung.

Welchen Vorteil bietet die 80GHz-Technologie?

Antennengröße und Frequenz sind die zwei wesentlichen Faktoren, die über den Öffnungswinkel und damit über die Reichweite und die Präzision eines Radarsensors entscheiden. Grundsätzlich gilt:

  • Je kleiner die Antennengröße, umso größer der Öffnungswinkel bei gleicher Frequenz.
  • Je höher die Frequenz, umso kleiner der Öffnungswinkel bei gleicher Antennengröße.

Wie im Bild veranschaulicht bedeutet dies: Die hochfrequente 80GHz-Technologie ermöglicht einen vergleichsweise kleinen Öffnungswinkel bei ebenfalls kleiner Antenne.

Stärkeres Signal, weniger Störungen
In der Praxis ermöglicht es die durch den geringen Öffnungswinkel erzeugte starke Signalfokussierung, Medien mit niedriger Dielektrizitätskonstante zu erfassen, da der hohe Fokus die Reflexion zum Sensor erhöht. Zudem vermeidet die hohe Fokussierung, dass Hindernisse wie Rührwerke oder Sprühkugeln erfasst werden und Signalstörungen verursachen.

Hochauflösende, präzise Füllstanderfassung über die gesamte Tankhöhe.  
Bei Anwendungen wie der industriellen Füllstanderfassung ist die millimetergenaue Messung von größter Bedeutung. Wie präzise eine Messung erfolgt und wie hoch die Auflösung der Entfernung erfolgt (sprich: wie exakt Füllstandveränderungen erfasst werden), hängt von der Bandbreite der ausgesendeten Frequenzen ab. So erzielt ein 80GHz-Radarsensor, der im Frequenzbereich von 77 bis 81 GHz arbeitet, im Vergleich zu einem 24 GHz-Radarsensor eine 20-mal höhere Präzision. Außerdem hilft die hohe Auflösung dabei, den Flüssigkeitsstand von unerwünschten Reflexionen am Boden des Tanks zu trennen. Dadurch kann der Sensor den Flüssigkeitsstand über die gesamte Tankhöhe genau messen und den Totbereich am Boden des Tanks minimieren. Da die hohe Auflösung zudem den minimal messbaren Abstand erheblich reduziert, erfasst der Sensor auch den exakten Füllstand eines komplett gefüllten Tanks.