kapazitive Füllstandsmessung

Kapazitive Füllstandsmessung – das sollten Sie wissen!

In der Industrie besteht im Rahmen von Prozessketten die Notwendigkeit, Flüssigkeiten und andere Medien einer kontinuierlichen Füllstandsmessung zu unterziehen. Dazu stehen verschiedene physikalische Verfahren zur Auswahl. Eines davon ist die sogenannte kapazitive Füllstandsmessung, deren Wesen und Ablauf im folgenden Fachbeitrag dargelegt wird.

Was versteht man unter kapazitiver Füllstandsmessung?

Die Füllstandsmessung stellt eine Sammlung unterschiedlicher physikalischer Verfahren dar, mittels derer die Standhöhe in einem Behälter befindlicher Flüssigkeiten, Pasten oder Schüttgüter durch ein Messgerät erfasst werden kann. Dabei ermittelt die sogenannte kapazitive Füllstandsmessung den Füllstand eines Behältnisses mit Hilfe eines elektrischen Felds, dessen mengenabhängige Kapazitätsänderung messtechnisch registriert wird. Bei der Messung kommt es auf Genauigkeit und Zuverlässigkeit an, sind Messwerte fehlerhaft, können industrielle Prozesse zum Stillstand kommen.

Kapazitive Füllstandsmessung – Funktionsweise und Anwendung

Die kapazitive Füllstandsmessung bedient sich eines sogenannten kapazitiven Sensors, der wie ein offener Kondensator funktioniert und als Sonde in das zu prüfende Material eingeführt wird. Zwischen der in der Sensorspitze verbauten Messelektrode und der GND-Elektrode, welche zusammen die Platten des Kondensators bilden, wird ein elektrisches Feld aufgebaut, welches messtechnisch wie folgt reagiert: Dringt ein Medium mit einer elektrischen Leitfähigkeit grösser als Luft (gemessen durch die sogenannte Dielektrizitätszahl) in das Messfeld ein, vergrößert sich je nach Permittivität (stoffabhängig relative Leitfähigkeit, angegeben als Faktor “Epsilon r”) des Materials die Kapazität des Feldes. Die Messelektrode registriert diese Kapazitätsänderung, das erzeugte Signal wird in Echtzeit ausgewertet und führt bei entsprechender Stärke zu einem Messergebnis in Form eines Schaltkontakts im Elektroden-Ausgangsrelais. Es existieren verschiedene Varianten von kapazitiven Sensoren, die nach divergenten Methoden arbeiten und für unterschiedliche Materialien geeignet sind. Allgemein verbreitet sind Näherungsschalter, Drucksensor, Abstandssensor und Beschleunigungssensor.

Leitende und nicht leitende Materialien

Hinsichtlich der Entscheidung über das jeweils anzuwendende Verfahren der Füllstandsmessung ist die Unterscheidung zwischen elektrisch leitenden und nicht leitenden Materialien von Bedeutung.

Zu den leitenden Medien bzw. Materialien zählen:

  • H2O
  • Tinte
  • Milch
  • Aceton
  • Metalle
  • Graphit
  • Polymere (Kunststoffverbindungen)
  • Silizium
  • Selen

Nicht leitende Medien wie Glas, Öl, Kunststoff oder Holz weisen im Regelfall eine Permittivität von < 20 µS/cm auf. Gelangt ein nicht leitendes Medium in den Sensorbereich, verstärkt sich das Feld in Abhängigkeit der Permittivitätszahl “Epsilon r” und des Materialvolumens, was zu einer Erhöhung der elektrischen Kapazität des Messfeldes führt. Somit gilt: Je niedriger der Faktor “Epsilon r”, desto schwieriger ist das Objekt zu analysieren.

Messverfahren

Eine kapazitive Füllstandsmessung ist bei nicht leitender Tankwand auch ohne Kontakt mit dem Medium von außen mittels kapazitiver Sensoren möglich, diese Methode wird vor allem bei chemisch aggressiven Medien oder bei nicht kontaminierbaren Materialien angewendet. Bei elektrisch leitenden Behältern und materialinvasiver innerer Messung kommen meist auf analoger, binärer oder digitaler Basis arbeitende kapazitive Sensoren, Ultraschall-Sonden oder kapazitive Näherungsschalter zum Einsatz. Bei der Ultraschall-Messmethode setzt die Sonde einen Ultraschallimpuls ab, welcher von dem zu prüfenden Medium reflektiert wird. Misst man die Laufzeit des Signals, kann die Entfernung und somit der aktuelle Füllstand präzise ermittelt werden. Dem gegenüber stellt ein kapazitiver Näherungsschalter einen speziellen Sensor dar, welcher bereits auf die Annäherung eines leitenden oder nicht leitenden Mediums mit einer Signalgebung reagiert. Durch die sich dabei verändernde elektrische Kapazität der Messelektrode im Verhältnis zur Umgebung kann der Füllstand zweifelsfrei ermittelt werden.

Welche Materialien sind durch die kapazitive Füllstandsmessung detektierbar?

Zur Targetierung und Analyse von Stoffen sind Sensoren mit GND-Elektrode zu empfehlen, da sich bei diesen Sonden das elektrische Feld von der Mess- bis zur GND-Elektrode ausbreitet und auf diese Weise ein definierter Messbereich entsteht. So sind sowohl elektrische Nichtleiter wie z.B. Öle, Glas oder Holz als auch leitende Medien wie Wasser, Metallverbindungen, Polymere oder Graphit problemlos identifizierbar.

Auf welchen Gebieten wird die kapazitive Füllstandsmessung eingesetzt?

Die kapazitive Füllstandsmessung ist zur Füllstandskontrolle von Schüttgut, Pasten oder Flüssigkeiten in elektrisch leitenden oder nichtleitenden Tanks bzw. Dosiereinheiten mit einer Permittivitäts-Konstante zwischen 2 und 80 gut geeignet. Dank anpassungsentwickelter Sondengehäuse können zahlreiche Industriezweige serviciert werden. Von der Lebensmittelindustrie und der chemischen Industrie über die Pharma-, Recycling- und Verpackungsbranche bis hin zur Fahrzeug- und Drucktechnik reicht die Palette.

Kapazitive Füllstandsmessung – Welche Vor- und Nachteile bestehen?

Vorteile:

  • Zuverlässiges und bewährtes Messprinzip
  • Einfache Inbetriebnahme bzw. Einbau
  • Universell adaptierbare Sonden
  • Keine tote Zone (Blockdistanz), daher auch für kleine Behälter geeignet
  • Schnelle Messfrequenz, daher für Anwendungen mit sich rasch ändernden Füllstands-Pegeln geeignet

Nachteile:

  • Inhomogenitäten der Dielektrizitätskonstante im Medium (z.B. Emulsionen unterschiedlicher Zusammensetzung) können Messungenauigkeiten verursachen
  • Ablagerungen oder Verschmutzungen am Sensor, z.B. bei kristallinen oder viskosen Flüssigkeiten, beeinflussen die Messung*
    Elektrostatische Aufladungen verfälschen das Messergebnis ebenfalls
  • Bei nicht leitenden Medien ist nach einem Medienwechsel ein neuer Abgleich erforderlich

* Ein unbeabsichtigtes Einschalten des Sensor-Relais und damit ein ungültiger Signalkontakt aufgrund einer verschmutzten Sensorlinse kann durch den Einbau einer Kompensationselektrode, die unerwünschte Objekte wie etwa Verschmutzungen ausblendet, verhindert werden.

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