MESSUNG – REGELUNG – ANALYSE

Messmethode auf Basis des hydrostatischen Drucks

Füllstandsmessung mit Pegelsonden

Rund 130 Liter Trinkwasser verbraucht die Bevölkerung Deutschlands pro Kopf und Tag. Mehr als 70 Prozent des Bedarfs pumpen die Versorgungsunternehmen aus Grundwasseradern in ihre Systeme. Diese mächtigen Speicher dürfen nicht leerlaufen. Damit die Entnahme rechtzeitig gestoppt werden kann, um ausreichend Wasser nachfließen zu lassen, muss das Niveau der Adern kontinuierlich überwacht werden. Die Kontrolle findet bis zu 200 Meter unterhalb der Erdoberfläche statt. Bei einer solchen Entfernung kommt nur eine hydrostatische Füllstandsmessung in Frage. Die speziell für diese Messmethode entwickelten Pegel- oder Tauchsonden von Wika werden an ihrem Anschlusskabel bis zum Grund der Wasseradern hinabgelassen. Ihr Sensor erfasst dort den Schwere- oder hydrostatischen Druck als primäre Größe zur Berechnung des Wasserstands.​

Pegel- oder Tauchsonden sind dabei überaus zuverlässig, einfach zu installieren und in nahezu allen Flüssigkeiten einsetzbar. Die Messmethode auf Basis des hydrostatischen Drucks eignet sich für die unterschiedlichsten Applikationen – und in der Tiefe ist sie ohne Alternative. Das Vorgehen ist für fast jede Flüssigkeit anwendbar, im Becken einer Kläranlage ebenso wie im engen Schacht eines Bohrlochs. Der hydrostatische Druck bleibt unbeeinflusst von der Flüssigkeitsmenge und der Geometrie eines Behälters. Er verändert sich ausschließlich mit der Höhe der Flüssigkeitssäule. In einem Wassertank beispielsweise ist der Druck nach jedem Meter Wassertiefe um ca. 100 mbar höher als der Druck an der Wasseroberfläche.

Unbeeinflusst von Behältergeometrie

Die Pegelsonde überträgt den Druckmesswert an eine nachgelagerte Logik, die dann die tatsächliche Füllhöhe berechnet. Sie bezieht dafür, neben dem Druck, die Dichte der jeweiligen Flüssigkeit und die Schwerkraft beziehungsweise Erdbeschleunigung mit ein. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen und/oder signifikanten Temperaturschwankungen im Medium muss zusätzlich die temperaturbedingte Dichteänderung berücksichtigt werden, sonst wird das Messergebnis verfälscht. Für solche Fälle empfiehlt sich der Einsatz von Pegelsonden mit integriertem Temperaturfühler, das erspart die Einrichtung einer zusätzlichen Messstelle für die Temperaturüberwachung.​

Die hydrostatische Füllstandsmessung funktioniert nicht nur unabhängig von der Geometrie ihres Einsatzortes zuverlässig. Im Vergleich zu anderen Messmethoden bleibt sie von vielen physikalischen Eigenschaften eines Mediums, wie zum Beispiel Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Schaumbildung oder Viskosität, unbeeinflusst. Die Pegelsonde, als ihr zugeordnetes Messgerät, verursacht darüber hinaus nur einen geringen Installationsaufwand und kann ohne Parametrierung in Betrieb genommen werden.​

Neben den Messeigenschaften bewogen diese Vorteile beispielsweise einen Großlieferanten für die Harnstofflösung AdBlue dazu, seine, bei den Kunden stationierten, Vorratstanks mit Pegelsonden auszustatten. Die Füllstandsüberwachung in diesen Behältern basiert auf der Kombination der Messgeräte mit einer telemetrischen Einheit. Diese übermittelt das erfasste Niveau an eine zentrale Plattform, so dass der erforderliche Nachschub rechtzeitig auf den Weg gebracht werden kann. Abnehmer in diesem System sind in erster Linie Speditionen, Busunternehmen, größere Pkw-Fuhrparks und Landwirte. Analog zur Fahrzeuganzahl fallen die AdBlue-Tanks der Kunden unterschiedlich groß beziehungsweise tief aus. Da der Sondentyp für die Messaufgabe stets derselbe ist, braucht der Lieferant lediglich die Kabellänge und den Messbereich anzupassen.

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Verbrauchsentwicklung ablesen

Die Pegelsonden im Tank können mehr als die Füllhöhe anzeigen. Da sie kontinuierlich messen, erhalten Lieferant und Kunde, anhand des Datenverlaufs, ein genaues Bild von der jeweiligen Verbrauchsentwicklung.Ob Harnstofflösungen, Wasser, Laugen oder Abwässer: Pegelsonden können dauerhaft in den unterschiedlichsten Flüssigkeiten betrieben werden und müssen daher über den Schutzgrad IP68 verfügen. Ihre Konstruktion muss bezüglich Medienbeständigkeit und Dichtigkeit für die jeweilige Applikation optimiert sein. Das kompakte Gehäuse ist aus 316L-Edelstahl gefertigt, bei aggressiven Flüssigkeiten bieten sich jedoch auch Sonderlegierungen, wie Hastelloy oder Titan, an.

 

Für die bestmögliche Messung ist der Sensor der Pegelsonde am unteren Ende des Gehäuses integriert. Die Messzelle muss selbst, unter widrigsten Bedingungen, ein zuverlässiges Ergebnis im Rahmen der Spezifikation liefern. Entsprechend groß ist die Auswahl an Materialien, von Edelstahl bis zur antikorrosiven Spezialkeramik. Letztere empfiehlt sich vor allem für eine frontbündige Ausführung, weil sie leicht von möglichen Anhaftungen gereinigt werden kann.

Unbeeinflusst von Behältergeometrie

Die Pegelsonde überträgt den Druckmesswert an eine nachgelagerte Logik, die dann die tatsächliche Füllhöhe berechnet. Sie bezieht dafür, neben dem Druck, die Dichte der jeweiligen Flüssigkeit und die Schwerkraft beziehungsweise Erdbeschleunigung mit ein. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen und/oder signifikanten Temperaturschwankungen im Medium muss zusätzlich die temperaturbedingte Dichteänderung berücksichtigt werden, sonst wird das Messergebnis verfälscht. Für solche Fälle empfiehlt sich der Einsatz von Pegelsonden mit integriertem Temperaturfühler, das erspart die Einrichtung einer zusätzlichen Messstelle für die Temperaturüberwachung.​

Die hydrostatische Füllstandsmessung funktioniert nicht nur unabhängig von der Geometrie ihres Einsatzortes zuverlässig. Im Vergleich zu anderen Messmethoden bleibt sie von vielen physikalischen Eigenschaften eines Mediums, wie zum Beispiel Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Schaumbildung oder Viskosität, unbeeinflusst. Die Pegelsonde, als ihr zugeordnetes Messgerät, verursacht darüber hinaus nur einen geringen Installationsaufwand und kann ohne Parametrierung in Betrieb genommen werden.​

Neben den Messeigenschaften bewogen diese Vorteile beispielsweise einen Großlieferanten für die Harnstofflösung AdBlue dazu, seine, bei den Kunden stationierten, Vorratstanks mit Pegelsonden auszustatten. Die Füllstandsüberwachung in diesen Behältern basiert auf der Kombination der Messgeräte mit einer telemetrischen Einheit. Diese übermittelt das erfasste Niveau an eine zentrale Plattform, so dass der erforderliche Nachschub rechtzeitig auf den Weg gebracht werden kann. Abnehmer in diesem System sind in erster Linie Speditionen, Busunternehmen, größere Pkw-Fuhrparks und Landwirte. Analog zur Fahrzeuganzahl fallen die AdBlue-Tanks der Kunden unterschiedlich groß beziehungsweise tief aus. Da der Sondentyp für die Messaufgabe stets derselbe ist, braucht der Lieferant lediglich die Kabellänge und den Messbereich anzupassen.

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Hohe Genauigkeiten

Im Vergleich zur Langzeitstabilität spielt die Genauigkeit bei den meisten Applikationen in der Regel eine eher sekundäre Rolle. Ein Wert von 0,5 Prozent ist Standard und reicht in diesen Fällen aus. Ausnahmen bilden zum Beispiel Messaufgaben im Bereich Food & Pharma, wo die Unternehmen aus Gründen der Prozesssicherheit oder wegen des wirtschaftlichen Werts der jeweiligen Medien nach Genauigkeiten von bis zu 0,1 Prozent verlangen.​

Die Elektronik gleicht der eines herkömmlichen Drucksensors. Sie wandelt den Druckwert in ein normiertes Industriesignal um, meist 4…20 Milliampere. Für batteriebetriebene Messstellen im Feld sind zudem Ausführungen mit einem Low-Power-Signal (0,1-2,5 Volt) erhältlich. Da Pegelsonden überwiegend außen eingesetzt werden, verfügt ihre Elektronik optional über einen Schutz vor Überspannung als Folge eines nahen Blitzeinschlags.​

Eine andere sensible Stelle ist die Kabeleinführung des Gehäuses. Der Hohlraum dort wird üblicherweise vergossen. Diese Füllung kann nach einer bestimmten Zeit spröde werden und sich lösen. Sie reicht bei Anwendungen mit unkritischen Medien und durchschnittlichen Tauchtiefen in der Regel jedoch aus. Für Applikationen, bei denen die Gefahr einer „Sicherheitslücke“ an dieser Stelle minimiert werden muss, hat Wika eine mechanische Lösung mit Langzeitwirkung entwickelt. Im Pegelsondentyp LF-1, für hohe Messanforderungen konzipiert, presst eine Formfeder eine Spezialdichtung mit 1000 Newton gegen die Fassung.

Quellflies gegen Kabel-Leckage

Die primäre Aufgabe des Anschlusskabels, an dem die Pegelsonde zum Messpunkt hinabgelassen wird, ist die sichere Signalübertragung. Sein Mantel muss der dauerhaften Medieneinwirkung und einem, zum Teil erheblichen Tiefendruck, verlässlich standhalten, um dem Eindringen von Flüssigkeit ins Kabel und damit einem Sensorausfall vorzubeugen. Um die Wahrscheinlichkeit eines solchen Schadens nahezu auszuschließen, können Pegelsonden von Wika mit einer besonderen Kabelausführung ausgestattet werden: Kommt es zu einem Mikroriss im Kabelmantel und tritt Feuchtigkeit ein, bauscht sich ein Quellflies auf und blockiert die Leckage.​

Das Anschlusskabel einer Pegelsonde enthält, neben der Signalleitung, noch eine Belüftungskapillare, denn das Gerät, ausgerichtet auf Einsätze in offenen Behältern und Gebinden (Seen, Flüsse, Becken), misst den hydrostatischen Druck relativ zum Umgebungsdruck. Möchte man eine Pegelsonde auch zur Füllstandsmessung in einem geschlossenen System heranziehen, muss zusätzlich ein Drucksensor in die Seitenwand des Behälters eingebaut werden. Dieser erfasst den Druck in der Gaszone oberhalb der Flüssigkeit, um dessen Wert der von der Pegelsonde gemessene Gesamtdruck kompensiert wird. Ohne diese Maßnahme entstünden beträchtliche Messfehler: Denn die Pegelsonde überträgt in dem Fall einen Gesamtdruck, bestehend aus dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeit und dem Gasdruck. Das heißt: Der berechnete Füllstand ist höher als der tatsächlich vorhandene.

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Messung – Regelung – Analyse

Messung – Regelung – Analyse