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Sensoren für die Frischwasserversorgung und für die Abwasserentsorgung

 Inhalt

1          Druckmessung
1.1       Kolbendruckmesser
1.2       Plattenfederdruckmesser
1.3       Federbalgdruckmesser
1.4       Federkapseldruckmesser
1.5       Schwimmerdruckmesser
1.6       Differenzdruckmesser
1.7       Piezoelektrischer Druckmesser

2          Wegmessung
2.1       Ohmsche Wegmessung
2.1.1    Wegmessung über Potenziometer
2.1.2    Wegmessung über Dehnungsmessstreifen
2.2       Induktive Wegmessung
2.3       Kapazitive Wegmessung
2.4       Digitale Wegmessung

3          Füllstandsmessung
3.1       Kontinuierliche Füllstandsmessung
3.1.1    Messung im offenen Behälter
3.1.2    Messung im geschlossenen Behälter
3.1.3    Füllstanderfassung über Laufzeitmessung (Ultraschall)
3.1.4    Verdrängungskörperprinzip
3.1.5    Elektromechanisches Lotsystem
3.1.6    Füllstandsmessung über Leistungsmessung am Pumpenantrieb
3.1.7    Füllhöhenmessung über Gewichtsbestimmung
3.2       Füllhöhenmessung mit Niveauschaltern
3.2.1    Schwimmerschalter
3.2.2    Absorbtionsmessung (Lichtwellen, Mikrowellen, Radiometrie)
3.2.3    Kapazitive Niveauschalter
3.2.4    Drehflügelschalter
3.2.5    Füllstandsgeber durch Wärmeleitung

4          Messung der Strömungsgeschwindigkeit

5          Leckstellenortung in Rohrleitungen


1       Druckmessung

Druckmessungen werden in vielfältiger Form in der Verfahrenstechnik und Umwelttechnik eingesetzt. Sie basieren meistens darauf, dass unter der Druckeinwirkung in einem Kristall (Piezoeffekt) eine Änderung der Ladungsverteilung erfolgt oder dass sich ein elastischer Körper verformt. Bei dem Piezoeffekt ist die Ladungskonzentration an der Kristalloberfläche dem anliegenden Druck proportional. Bei dem elastischen Körper ist die Verformung proportional zum anliegenden Druck.
Die Drucksensoren auf der Basis des Piezoeffekts werden hauptsächlich für oszillierende Druckverläufe benutzt, während die Sensoren, bei denen durch den Druck ein elastisches Bauteil verformt wird, in der Hauptsache zur Erfassung stationärer Drücke eingesetzt werden.
Bei allen Sensoren ist im Hinblick auf eine Datenübertragung und Datenspeicherung die Umsetzung des anliegenden Drucks in ein proportionales elektrisches Signal, meistens in ein Stromsignal von 4…20 mA, erforderlich.
Während beim Sensor auf der Basis des Piezoeffekts die druckabhängige Ladungskonzentration an der Oberfläche über einen Ladungsverstärker in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, erfolgt die Umsetzung der Verformung bei den Sensoren mit den elastischen Komponenten über Wegaufnehmer in druckproportionale elektrische Signale.
In den folgenden Abschnitten werden Aufbau und Funktion einiger Sensoren näher erläutert.

1.1       Kolbendruckmesser
Beim Kolbendruckmesser (Bild 1.1-1) ist das bewegliche Element ein Kolben, der durch eine Feder gestützt ist. Über den Kolben wirkt der zu messende Druck p gegen den Umgebungsdruck p0, die Federkraft c∙x und die Schwerkraft m∙g. Über die Beziehung für das Kräftegleichgewicht ergibt sich die Gleichung

Für den Kolbenweg x ergibt sich aus dieser Gleichung

Für die Praxis ist eine Eichung durchzuführen, um die exakte Beziehung x=f(p) zu ermitteln. Ferner ist darauf zu achten, dass die Reibung zwischen Kolben und Druckgehäuse möglichst gering ist.

 

Bild 1.1-1 Schematischer Aufbau eines Kolbendruckmessers

 

 

 

 

1.2       Plattenfederdruckmesser
Das elastische Element in diesem Drucksensor ist eine Plattenfeder. Er ist schematisch in Bild 1.2-1 dargestellt. Der Sensor hat eine offene Seite. Hier wirkt auf die Platte der Umgebungsdruck p0.
Die Beziehung zwischen Federweg und Druck ergibt sich zu

Eine Umformung ergibt

 

Bild 1.2-1 Schematischer Aufbau eines Plattenfederdruckmessers

 

 

 

1.3       Federbalgdruckmesser
Der Federbalgdruckmesser ist von seinem Aufbau, wie er schematisch in Bild 1.3-1 dargestellt ist, sehr einfach. Das elastische Element dieses Sensors ist der Federbalg. Dieser ist durch zwei Platten abgedeckt, Wenn, wie in Bild 1.3-1 gezeichnet, über die untere Platte ein Druck in den Federbalg gegeben wird, dehnt sich der Balg aus. Bei diesem Sensor ergibt sich die Beziehung zwischen Druck und Federweg zu

Eine Umstellung liefert

Bild 1.3-1 Schematischer Aufbau eines Federbalgdruckmessers

 

 

 

 

1.4       Federkapseldruckmesser
In Bild 1.4-1 ist der Federkapseldruckmesser schematisch dargestellt. Auf Grund ihrer Elastizität dehnt sich die Federkapsel bei steigendem Druck weiter aus. Damit ergibt sich auch hier, wie beim Federbalg, zwischen dem Federweg (Kapselausdehnung) und dem angelegten Druck die Beziehung

Durch Umformung folgt aus dieser Gleichung

 

Bild 1.4-1 Schematischer Aufbau eines Kapselfederdruckmessers

 

 

 

 

1.5       Schwimmerdruckmesser
Den prinzipiellen Aufbau eines Schwimmerdruckmessers zeigt Bild 1.5-1. Bei einer Druckdifferenz an den Flüssigkeitszylindern ergibt sich eine Pegeldifferenz Dh. Diese berechnet sich zu

Durch Umformung der Gleichung ergibt sich

Bild 1.5-1 Prinzipieller Aufbau eines Schwimmerdruckmessers.
Die Beziehung zwischen x und Dh ist abhängig von der Geometrie des Übertragungsgestänges.

 

1.6       Differenzdruckmesser
Der schematische Aufbau eines Differenzdruckmessers ist in Bild 1.6-1 dargestellt. Einfache Druckgeber dienen dazu, den Druck in einem Behälter oder einer Rohrleitung gegenüber dem Umgebungsdruck zu erfassen. Der Differenzdruckgeber soll unabhängig vom Umgebungsdruck die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten eines Systems erfassen. Als einfaches Beispiel ist ein geschlossener Behälter vorstellbar, in dem sich unter Druck eine Flüssigkeit befindet. Die Höhe der Flüssigkeit lässt sich dann aus der Druckdifferenz am Behälterboden und am Behälterdeckel berechnen. Die Beziehung zwischen Federweg und Druckdifferenz ergibt sich zu


Eine Umformung ergibt

Hier ist wieder darauf zu achten, dass zwischen dem Druckgehäuse und dem Gestänge, dass die Plattenbewegung nach außen überträgt. Die Reibung möglichst gering ist.
Bild 1.6-1 Schematischer Aufbau eines Differenzdruckgebers

 

 

 

 

1.7       Piezoelektrischer Druckgeber
Der prinzipielle Aufbau eines piezoelektrischen Druckgebers mit angeschlossenem  Ladungsverstärker ist in Bild 1.7-1 angegeben.

 

Bild 1.7-1 Der prinzipielle Aufbau eines piezoelektrischen Druckgebers mit angeschlossenem Ladungsverstärker

Die Unterseite des Gehäuses ist sehr „weich“ gehalten, damit der äußere Druck gut auf den Sensor übertragen werden kann. Dieser Sensor ist aus zwei Kristallen aufgebaut, so dass sich an der mittleren Elektrode die doppelte Ladung ergibt. Die Ladung, die an einem solchen Kristall entsteht, berechnet sich zu

d          Piezoelektrische Konstante
Mit der Beziehung

folgt

Da vom Kristall Ladungen in den nachgeschalteten Ladungsverstärker abfließen, sollte dieser Sensor nur bei oszillierenden Druckverläufen eingesetzt werden.

2       Wegmessung


Drucksensoren, die vorzugsweise für das Messen stationärer Drücke eingesetzt werden, setzen den anliegenden Druck über ein elastisches Bauteil in einen dem Druck proportionalen Weg um. Deswegen muss in einem zweiten Schritt dieser Weg in ein proportionales elektrisches Signal umgewandelt werden. Dazu gibt es drei grundsätzlich verschiedene Verfahren, von denen aber jedes noch verschiedene Ausführungsformen haben kann.
In den folgenden Abschnitten werden die Grundlagen dieser Verfahren dargestellt.

2.1       Ohmsche Wegmessung
Bei der ohmschen Wegmessung sind zwei Methoden vorwiegend im Einsatz. Dieses sind die Wegmessung über Potenziometer und über Dehnungsmessstreifen.

2.1.1    Wegmessung über Potenziometer
Bei der ohmschen Wegmessung wird das elastische Element des Drucksensors mit dem Schleifer eines Potenziometers verbunden. Das Bild 2.1.1-1 zeigt den prinzipiellen Aufbau dieses Sensors.

 

Bild 2.1.1-1 Prinzipieller Aufbau eines Sensors zur ohmschen Wegmessung

 

Das verwendete Potenziometer hat die Länge l und dabei einen Widerstand R. Es liegt an einer Spannung von U0. Außerdem wird angenommen, dass der Schleifer des Potenziometers bei Umgebungsdruck oder bei p2 – p1 = 0 an der Stelle l/2 steht. Dann errechnet sich die zum Wert x proportionale Spannung zu

Daraus berechnet sich dann die durch den Druck verursachte Verformung des elastischen Körpers zu


2.1.2    Wegmessung über Dehnungsmessstreifen
In der Festigkeitslehre beschreibt das Hooke’sche Gesetz den Zusammenhang zwischen der Verformung eines Bauteils und der in ihm vorhandenen Spannung. Wenn die Verformung (Dehnung oder Stauchung) bekannt ist, kann daraus über das Hooke’sche Gesetz die Spannung im Bauteil berechnet werden. Zur Messung der Verformung an belasteten Bauteilen werden Dehnungsmessstreifen (DMS) verwendet. Dazu werden dieses fest auf ein verformbares Bauteil geklebt. Steht das Bauteil unter Zugspannungen, dehnt es sich. Diese Dehnung wird auf den Dehnungsmessstreifen übertragen. Der Widerstand des Dehnungsmessstreifens erhöht sich proportional zu der Längenänderung des Bauteils. Wenn im umgekehrten Fall das Bauteil durch Druck belastet wird, erfährt es eine Stauchung. Diese wird auf den aufgeklebten Dehnungsmessstreifen übertragen. Dadurch wird sein Widerstand proportional zu der Stauchung des Bauteils reduziert.
Zur Erfassung der Verformung eines Druckgebers soll hier beispielhaft ein Bügel z. B. aus Federstahl betrachtet werden, wie er in Bild 2.1.2-1 dargestellt ist. Unter der Annahme, dass x größer wird, wenn sich der über einen Geber (z. B. Faltenbalg) zu messende Druck erhöht, wird der Bügel innen gedehnt und außen gestaucht. Diese Dehnung bzw. Stauchung wird auf die Dehnungsmessstreifen übertragen, und der Widerstand der DMS R1 und R2 nimmt zu und der von R3 und R4 ab. Im Falle einer Verkleinerung von x sind die Verhältnisse an den Dehnungsmessstreifen umgekehrt. Die Dehnungsmessstreifen sind zu einer Brücke verschaltet. Es werden vier Dehnungsmessstreifen verwendet, um die Empfindlichkeit der Messeinrichtung zu erhöhen und zur Temperaturkompensation.

Bild 2.1.2-1 Prinzipielle Darstellung der Wegmessung über Dehnungsmessstreifen und Differenzspannungsmessung durch Instrumrntenverstärker
Die Auswertung des Brückensignals erfolgt generell durch Operationsverstärkerschaltungen. Besonders vorteilhaft ist es, dafür einen Instrumentenverstärker zu verwenden. Dieser besteht aus drei Operationsverstärkern, die in einem IC integriert sind (grau hinterlegte Schaltung). Die Verstärker V1 und V2 sind als Impedanzwandler geschaltet. Diese haben einen sehr hohen Eingangswiderstand. Dadurch ergibt sich eine sehr geringe Strombelastung der Messbrücke. Der Operationsverstärker V3 ist mit den Widerständen RE und RA zu einem Differenzverstärker verschaltet. Der Anwender hat dann lediglich die Aufgabe, die Messbrücke anzuschließen, einen möglichst verstellbaren Widerstand RG anzuschalten und eine Referenzspannung URef anzulegen. Für die gesamte Schaltung gilt die Beziehung

Wenn die Wegänderung x über die Dehnungsmessstreifen und die Brückenschaltung in die Spannungsdifferenz UE2-UE1 umgesetzt wird, kann mit dem Instrumentenverstärker über die Referenzspannung ein Offsetabgleich erfolgen und über den Widerstand RG kann die Wegändärung x auf jede gewünschte Spannung UA eingestellt werden.

 

2.2       Induktive Wegmessung
In Bild 2.2-1 ist ein induktiver Wegmesser schematisch dargestellt. In der angegebenen Form ist das Joch eines magnetischen Kreises mit dem elastischen Teil des Drucksensors verbunden. Somit ändert sich mit jeder Verformung, die der Druckgeber erfährt, die Länge des Luftspalts des magnetischen Kreises. Durch die Änderung der Luftspaltlänge ändert sich auch die Induktivität des magnetischen Kreises.
Für den dargestellten magnetischen Kreis berechnet sich der magnetische Widerstand im Luftspalt zu

Der magnetische Widerstand im Eisen  ergibt sich aus der Beziehung

Bild 2.2-1 Prinzipieller Aufbau eines induktiven Wegsensors

Der magnetische Widerstand des geschlossenen Kreis ergibt sich zu

Da  wesentlich größer ist als gilt näherungsweise

Mit der Beziehung für die Induktivität

folgt

Die Induktivität L muss durch geeignete Verfahren gemessen werden.
µ0 = 4∙π∙10-7 Vs/Am               Magnetische Feldkonstante
µr =10…106                            Permeabilitätszahl

 

2.3       Kapazitive Wegmessung
Das Bild 2.3-1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines kapazitiven Wegsensors. In der angegebenen Ausführung ist das Dielektrikum, das sich zwischen den Platten eines Kondensators befindet, mit dem elastischen Teil des Drucksensors verbunden. Somit ändert sich mit jeder Verformung, die der Druckgeber erfährt, in dem Kondensator die Überdeckung der Platten mit dem Dielektrikum. Durch die Änderung der Plattenüberdeckung mit dem Dielektrikum ändert sich auch die Kapazität des Kondensators.
Für einen Kondensator mit der Plattenfläche A, dem Plattenabstand d und einem Dielektrikum zwischen den Platten berechnet sich die Kapazität zu

Wenn durch die Verformung des Drucksensors das Dielektrikum verschoben wird, wie in Bild 2.3-3 dargestellt, ergibt sich nur noch eine Überdeckung von

Damit folgt für die Kapazität

Bild 2.3-1 Schematische Darstellung einer kapazitiven Wegmessung


Mit dieser Gleichung lässt sich aus der gemessenen Kapazität, den Abmessungen und den benötigten Konstanten die Verschiebung des elastischen Elements des Drucksensors berechnen.
e0 = 8,854∙10-12           Elektrische Feldkonstante
e  10                        Dielektrizitätskonstante

 

2.4       Digitale Wegmessung
Den schematischen Aufbau einer digitalen, optischen Wegmessung zeigt Bild 2.4-1. Mit dem elastischen Teil des Drucksensors wird ein Streifen verbunden, auf dem sich abwechselnd lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Markierungen im µm-Bereich mit Hilfe von Lithographie und Ätztechnik angebracht sind. Auf der einen Seite des Streifens befindet sich eine Photodiode, die ständig Licht aussendet Auf der anderen Seite des Streifens ist ein Phototransistor positioniert. Beide Bauelemente sind mit einer geeigneten fokussierenden Optik ausgestattet. Bewegt sich dieser Streifen, so werden  von dem Phototransistor abwechselnd 0/1-Signale erfasst. Diese werden von einem Zähler je nach Bewegungsrichtung inkrementiert oder dekrementiert. Unter der Voraussetzung, dass der Zähler bei einem Druck von 0 Pa auf null gesetzt wird, ist der Zählerstand jederzeit proportional zum anstehen Druck.

 

 

Bild 2.4-1 Schematischer Aufbau eines optischen, digitalen Wegsensors

Da der druckproportionale Messwert jetzt in digitaler Form vorliegt, kann er dem Zähler direkt zur Übertragung über Feldbusse entnommen werden.

 

3       Füllstandsmessung


Bei der Füllstandsmessung sind zwei verschieden Fälle zu betrachten. In einem Fall soll der Füllstand in einem Behälter kontinuierlich angezeigt werden können. Im anderen Fall interessiert man sich nur dafür, ob bestimmte Füllhöhen (z. B. 25%, 50%, 75%, 100%) erreicht sind. Die kontinuierliche Füllhöhe wird meistens über statische Drucksensoren bestimmt, wie sie in Abschnitt 1 beschrieben sind. Aber auch andere Verfahren kommen zum Einsatz (Abschnitt 3.1). Für die Anzeige bestimmter Füllhöhen verwendet man andere Sensoren. Diese werden in Abschnitt 3.2 beschrieben.

3.1       Kontinuierliche Füllstandsmessung
Bei der kontinuierlichen Füllstandsmessung ist noch zu unterschieden, ob die Messung in einem offenen Behälter oder in einem geschlossen Behälter mit Vordruck erfolgt.

3.1.1    Messung im offenen Behälter
Die prinzipielle Anordnung einer solchen Messeinrichtung zeigt Bild 3.1.1-1. Aus der Darstellung ist erkennbar, dass auf der Flüssigkeitsoberfläche und auf der freien Seite des Drucksensors der Umgebungsdruck p0 anliegt. Damit wird die Auslenkung der Platte des Sensors nur durch den statischen Druck p der Flüssigkeitshöhe verursacht.
Zwischen dem Druck p am Boden des Behälter und der darüber stehenden Flüssigkeit gilt die Beziehung

Wenn der Druck gemessen wird und alle anderen Daten über den Behälter und die Flüssigkeit bekannt sind, lässt sich die Flüssigkeitshöhe berechnen durch Umformung der o. a. Gleichung zu

g=9,81 m/s2                Erdbeschleunigung

 

 

Bild 3.1.1-1 Prinzipielle Darstellung der Füllhöhenmessung in einem offenen Behälter

 

 

 

 

3.1.2    Messung im geschlossenen Behälter
In Bild 3.1.2-1 ist die  prinzipielle Anordnung zur Messung des Füllstands in einem geschlossenen Behälter dargestellt. Dabei kann der Behälter auch noch mit einem zusätzlichen Druck beaufschlagt werden. Dieser wird oberhalb der Flüssigkeit als Druck p1 gemessen. Wenn am Boden des Behälters der Druck p2 gemessen wird, kann die Füllhöhe aus dem Differenzdruck p2 – p1 unter Verwendung der der Behälterabmessungen und der Dichte der Flüssigkeit bestimmt werden. Um in einem solchen Fall den Messaufbau möglichst einfach zu gestalten, verwendet man Differenzdrucksensoren. Diese haben den Vorteil, dass die Druckdifferenz  mit ihnen über das elastische Bauteil des Sensors direkt in einen Weg umsetzt wird.

 

 

 

 

 

 

Bild 3.1.2-1 Prinzipielle Darstellung der Füllhöhenmessung in einem geschlossenen Behälter
Zwischen der Druckdifferenz p2 – p1 und der Höhe der Flüssigkeit gilt die Beziehung

Durch Umstellung ergibt sich daraus die Beziehung für die Füllhöhe

g=9,81 m/s2                Erdbeschleunigung

 

3.1.3    Füllstandserfassung über Laufzeitmessung (Ultraschallmessung)
Bei der Laufzeitmessung wird von einem Sender ein Signal ausgesendet, an einem Körper oder an einer Oberfläche reflektiert und wieder empfangen. Den prinzipiellen Aufbau einer solchen Messeinrichtung und die Verläufe von gesendeten und empfangenen Signal zeigt Bild 3.1.3-1. Zwischen gesendeten Signal x(k∙T0), und empfangenen Signal y(k∙T0) lässt sich die Phasenverschiebung j   unter Verwendung der Kreuzkorrelation und der Kreuzleistungsdichte berechnen. Aus der Phasenverschiebung kann dann die Signallaufzeit t berechnet werden.

3.1.3-1 Schematischer Aufbau zur Laufzeitmessung mit den charakteristischen Signalverläufen

Die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in Luft wird üblicherweise mit c bezeichnet und beträgt ca. c = 3∙1011 m/s. Die Entfernung zwischen Station und Objekt bzw. Oberfläche berechnet sich dann zu

Der Füllstand im Behälter kann dann ermittelt werden mit der Beziehung

 

3.1.4 Verdrängungskörperprinzip
Die prinzipielle Anordnung des Verdrängungskörperprinzips zur kontinuierlichen Füllstandsbestimmung in einem Behälter zeigt Bild 3.1.4-1. Gemessen wird dabei die Gewichtskraft eines über die gesamte Füllhöhe einer Flüssigkeit eingetauchten Verdrängungskörpers. Der Verdrängungskörper ist so zu dimensionieren, dass er bei maximaler Füllhöhe immer noch schwerer ist als die Auftriebskraft, die durch das verdrängte Flüssigkeitsvolumen entsteht.
Eine Waage in der Aufhängung des Verdrängungskörpers zeigt die Differenz zwischen der Gewichtskraft des Verdrängungskörpers und der Auftriebskraft an. Dabei steigt mit zunehmender Füllhöhe die Auftriebskraft immer weiter  an und die von der Waage angezeigte Differenzkraft nimmt weiter ab.

 

Bild 3.1.4-1 Prinzipielle Anordnung des Verdrängungskörperprinzips zur kontinuierlichen Füllstandsbestimmung in einem Behälter

 

 

 

3.1.5 Elektromechanisches Lotsystem
Ein mit einem Gewicht beschwertes Maßband wird in ein mit Feststoff beschicktes Silo oder in einen mit einer Flüssigkeit befüllten Behälter hinab gelassen. Beim Auftreffen auf die Füllhöhe lässt die Zugkraft in dem Maßband nach. Aus der Länge des Maßbandes, die bis zur Reduzierung der Zugkraft in das Silo bzw. den Behälter hineinreicht, und der Höhe der Einführung des Maßbands über den Behälter(Silo)boden lässt sich die Füllhöhe berechnen.
Das Bild 3.1.5-1 zeigt ein automatisiertes Lotsystem zur Füllhöhenbestimmung. Das Seil mit dem Gewicht ist auf eine Seiltrommel gewickelt. Diese wird durch einen Motor angetrieben. Der Motor verfügt über eine Einrichtung zur Zählung seiner Umdrehungen. Wenn der Motor aus seiner Nullposition (oberste Position  des Gewichts) das Gewicht über die Seiltrommel ablässt, befindet er sich im Generatorbetrieb. Dies ist erkennbar an der Richtung des Stroms (dieser fließt in das Netzteil zurück). Beim Auftreffen des Gewichts auf die Füllfläche braucht der Motor das Gewicht nicht mehr zu halten und der Strom reduziert sich auf den Leerlaufstrom.

Aus der Anzahl der Umdrehungen vom Einschalten des Motors bis zur Detektierung der Stromreduzierung  und dem Seiltrommeldurchmesser lässt sich der Weg des Gewichts von seiner bekannten Nullposition bis zum Auftreffen auf die Füllhöhe berechnen.

 

 

 

 

Bild 3.1.5-1 Automatisiertes Lotsystem zur Füllhöhenbestimmung mit Gewicht, Seiltrommel und Motor

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3.1.6 Füllhöhenmessung über Leistungsmessung eines Pumpantriebs
Das Bild 3.1.6-1 zeigt den schematischen Aufbau einer Füllhöhenbestimmung über Leistungsmessung an der Pumpe. In der angegebenen Darstellung muss die Pumpe einen Mengenstrom dm/dt gegen eine Druckdifferenz von p2 - p1 fördern. Dafür berechnet sich die Leistung für den Pumpenantrieb nach der Beziehung
In dieser Gleichung sind
hP        Wirkungsgrad der Pumpe
r      Dichte der Flüssigkeit

Bild 3.1.6-1  Schematischen Aufbau einer Füllhöhenbestimmung über Leistungsmessung an der Pumpe

Wenn über die Pumpendrehzahl der Mengenstrom dm/dt gemessen wird, lässt sich der Druck am Behälterboden berechnen zu

Wenn die Abmessungen des Behälters bekannt sind, ergibt sich zwischen Druckdifferenz und Füllhöhe der Zusammenhang

3.1.7 Füllhöhenmessung über Gewichtbestimmung
Messzellen zur Gewichtsbestimmung auf der Basis von Dehnungsmessstreifen sind in der Praxis weit verbreitet. Der schematische Aufbau einer solchen Messzelle und eine einfache Auswerteschaltung zeigt Bild 3.1.7-1.
Die Messzelle besteht aus einem einseitig eingespannten Biegebalken aus hochfestem Stahl. Dieser ist an seinem Einspannende, also dort, wo das höchste Biegemoment und damit die größte Verformung auftritt, mit einem Langloch versehen, so dass an Ober- und Unterseite nur Stege stehen bleiben. Bei der angegebenen Kraftrichtung ergeben sich am oberen Steg Zug- und im unteren Steg Druckkräfte. Dadurch werden die im Langloch eingeklebten Dehnungsmessstreifen R1 und R2 gedehnt und R3 und R4 gestaucht. Vier Dehnungsmessstreifen werden verwendet, um eine höhere Empfindlichkeit der Wägezelle zu erreichen und um Temperaturschwankungen zu kompensieren.
Die Dehnungsmessstreifen werden zu einer Messbrücke zusammengeschaltet. Bei Belastung des Biegebalkens verändern die Dehnungsmessstreifen ihre Widerstände und die Messbrücke liefert eine der Kraft F proportionale Differenzspannung UE2-UE1.Mit dem Instrumentenverstärker lässt sich dann über den Widerstand RG für F eine proportionale Spannung UA mit jeder gewünschten Verstärkung einstellen. Über die Referenzspannung URef, lässt sich ein Offsetabgleich durchführen, wobei auch ein Tara-Abgleich (Behältereigengewicht) einbezogen werden kann.

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 3.1.7-1 Prinzipieller Aufbau einer Wägezelle mit Dehnungsmessstreifen und Auswertung des Brückensignals mit Instrumentenverstärker
Die schematische Aufstellung eines Behälters mit Dehnungsmessstreifen zeigt Bild 3.1.7‑2 Die Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen lassen sich in Auflagern für alle Arten von Behältern integrieren. Zur exakten Gewichtsfeststellung sind pro Behälter mindestens drei Wägezellen erforderlich. Um das Füllgewicht zu bestimmen, muss das Leergewicht des Behälters von den aufgenommenen Messwerten subtrahiert werden. Wenn das Gewicht des Behälterinhalts G, die Materialdichte r und die Behälterabmessungen bekannt sind, berechnet sich die Füllhöhe zu

 

 

Bild 3.1.7-2 Schematische Darstellung eines Behälters mit Wägezellen

 

 

 

3.2    Niveaumessung mit Niveauschaltern
Bei allen Messverfahren, die die Füllhöhe in einem Behälter kontinuierlich messen, lassen sich durch Einschaltung von Komparatoren bei jedem gewünschten Füllstand Schaltsignale ableiten. Daneben gibt es spezielle Niveauschalter, die sich durch ihren einfachen Aufbau und ihr einfaches Handling auszeichnen. Einige davon werden in den folgenden Abschnitten näher beschrieben.

3.2.1    Schwimmerschalter
Den Aufbau des Schwimmerschalters und seine Lage in der Aufhängung oberhalb der des Füllniveaus zeigt Bild 3.2.1-1. Der Schwimmerschalter besteht aus einem birnenförmigen, luftdichten Kunststoffgehäuse. In der oberen Spitze ist eine Kabeldurchführung angebracht. Über dieses Kabel wird das Signal herausgeführt, das die Lage des Schwimmerschalters angibt. Gleichzeitig dient dies Kabel zur Aufhängung des Sensors an der Behälterabdeckung.
Wenn der Schwimmerschalter in die Flüssigkeit eintaucht, ändert sich seine Neigung zur Flüssigkeitsoberfläche, wie dies in Bild 3.2.1-2 dargestellt ist. Um eine Neigung von mehr als 45°zur Flüssigkeitsoberfläche zu erreichen, ist die birnenförmige Form gewählt und zusätzlich ist die Spitze durch Eisenspäne beschwert. Diese Eisenspäne werden durch eine Vergussmasse gehalten, die auch gleichzeitig die Kabeldurchführung abdichtet.
In der Mitte des Schwimmerschalters ist an dafür vorgesehenen Halterungen ein Rohr angebracht. An diesem befindet sich ein Kippschalter und in diesem kann eine Stahlkugel  hin- und herrollen. Durch die Stahlkugel wird der Kippbügel bewegt. An dem Kippbügel befindet sich ein Kontakt, der je nach Stellung des Kippbügels geöffnet oder geschlossen ist.
Ist der Schwimmerschalter in seiner aufgehängten Position oberhalb der Flüssigkeit, befindet sich die frei bewegliche Kugel in dem erweiterten Teil des Gehäuses und der Kontakt am Kippbügel ist geöffnet, wie dies in Bild 3.2.1-1 dargestellt ist. Steigt der Flüssigkeitsspiegel weiter an, so dass die Aufhängung entlastet ist und das Gehäuse in der Flüssigkeit schwimmt, nimmt er je nach Dichte der Flüssigkeit die in Bild 3.2.1-2 dargestellte Position ein. Die Kugel rollt jetzt, der Schwerkraft folgend, in die Spitze. Dadurch wird der Bügel in die andere mögliche Position gekippt und der Kontakt geschlossen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 3.2.1-1 Schematische Darstellung des Schwimmerschalter, der oberhalb des Flüssigkeitsspiegels aufgehängt ist

Damit wird durch den geschlossenen Kontakt angezeigt, ob ein durch die Länge der Aufhängung bestimmtes Flüssigkeitsniveau erreicht ist.
Der Kippbügel wird während des Rollens der Kugel von einer Position in die andere durch eine Zugfeder in der jeweiligen letzten Position gehalten, bis durch das Auftreffen der Kugel das Umkippen des Hebels ausgelöst wird. Durch diese Maßnahme wird ein Prellen des Kontaktes vermieden.


Bild 3.2.1-2 Prinzipielle Darstellung des Schwimmerschalters, der in der Flüssigkeit schwimmt

Bild 3.2.1-3 zeigt die schematische Darstellung eines Behälters mit zwei Schwimmerschaltern. Einer davon befindet sich noch in der Aufhängung oberhalb des Flüssigkeitsniveaus, während der andere schon in die Flüssigkeit eingetaucht ist und schwimmt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Bild 3.2.1-3 Schematische Darstellung eines Behälters mit zwei Schwimmerschaltern

3.2.2 Absorbtionsmessung (Lichtwellen, Mikrowellen, Radiometrie)
Die Absorbtionsmessung benutzt das Sender/Empfänger-Prinzip. Dabei wird vom Sender ein Signal ausgesendet und von einem entfernt angebrachten Empfänger aufgenommen. Die Anwendung dieser Methode ist schematisch in Bild 3.2.2-1 dargestellt.
Ist die Strecke zwischen Sender und Empfänger frei, wird das Signal kaum gedämpft (Messstelle 1). Befindet sich aber zwischen Sender und Empfänger ein flüssiges oder festes Medium (Messstelle 2), wird das Signal durch das Medium teilweise absorbiert. Damit unterscheiden sich die empfangenen Signale bei freier oder bei durch ein Medium versperrter Strecke zwischen Sender und Empfänger. Aus diesem Unterschied können dann Rückschlüsse auf das Füllniveau des Behälters oder Silos gezogen werden. In Bild 3.2.2-1 sind im Behälter Sender und Empfänger durch Antennensymbole dargestellt Diese Methode wird mit verschiedenen Signalarten angewendet.


 

 

 

 

 

 

 

 

Bild 3.2.2-1 Prinzipielle Darstellung der Absorbtionsmethode zur Erfassung des Füllniveaus

3.2.3 Kapazitive Niveaumessung
Bei der Messung mit kapazitiven Schaltern wird eine Änderung der Dielektrizitätskonstanten e detektiert. Diese Änderung wird in ein Schaltsignal umgesetzt. Bild 3.2.3-1 zeigt den schematischen Aufbau der kapazitiven Messmethode. Daraus ist erkennbar, dass die Messeinrichtung aus einem Plattenkondensator mit der Plattengröße A und dem Plattenabstand d besteht.
Ist die Messeinrichtung noch oberhalb Materialpegels (Messstelle 1), gilt für die Kapazität

Ist der Materialpegel soweit angestiegen, dass sich das Medium zwischen den Kondensatorplatten befindet (Messstelle 2) gilt für die Kapazität

Bild 3.2.3-1 Schematischen Aufbau einer kapazitiven Niveaumessung

 

 

 

 

 

3.2.4 Drehflügelschalter
Bei der Füllstandsmessung mit Drehflügelschalter werden die Flügel durch einen Motor angetrieben. Bei Motoren ist bei konstanter Spannung das Drehmoment dem aufgenommenen Motorstrom proportional. Da zum Drehen der Flügel in Luft ein geringeres Drehmoment erforderlich ist als für das Drehen der Flügel in einem flüssigen oder festen Medium, erfolgt ein Ansteigen des Motorstroms, sobald die Füllhöhe soweit angestiegen ist, dass sich die Flügel durch das Medium drehen. Damit ist der Anstieg des Motorstroms ein Indiz dafür, dass der Füllstand die Befestigungshöhe des Drehflügelschalters erreicht hat.
Bild 3.2.4-1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Niveaumessung mit Drehflügelschalter. Es sind zwei Drehflügelschalter in verschiedenen Höhen angebracht. Der eine Schalter dreht seine Flügel noch in Luft (Messstelle 1), während die Füllhöhe des Mediums den anderen schon erreicht hat (Messstelle 2).

 

Bild 3.2.4-1 Prinzipieller Aufbau einer Niveaumessung mit Drehflügelschalter

 

 

 

 

3.2.5 Füllstandgeber durch Wärmeleitung
Zentrales Bauelement bei dieser Füllstandsmessung sind Kaltleiter (PTC). Ihr Widerstand steigt mit zunehmender Temperatur an.  Bei der Niveaumessung werden die unterschiedlichen Wärmeableitverhältnisse in Luft und Flüssigkeit ausgenutzt. Fließt über den Kaltleiter ein  konstanter Strom, wird an ihm eine Verlustleistung produziert und er erwärmt sich. Da in Luft die entstehende Wärme  schlechter abgeleitet wird als in der Flüssigkeit, hat er in Luft eine höhere Temperatur und damit einen höheren Widerstand als in der Flüssigkeit. Wird ein Konstantstrom (unabhängig vom Widerstand) über den Kaltleiter geschickt, so reduziert sich der Spannungsfall am Kaltleiter, sobald er von Flüssigkeit umgeben ist. Dieser Abfall im Spannungsverlauf wird zur Detektierung der Füllhöhe ausgenutzt.
Bild 3.2.5-1 zeigt einen Behälter bei dem sich ein Kaltleiter noch in der Luft (Messstelle 1) und der andere schon in der Flüssigkeit befindet (Messstelle2). Die Kaltleiter werden durch eine Konstantstromquelle versorgt und an ihnen der Spannungsfall gemessen.

Bild 3.2.5-1 Schematische Darstellung einer Niveaumessung mit Kaltleitern

 

 

4                Messung der Strömungsgeschwindigkeit


Für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit ist ein gerader Rohrabschnitt erforderlich, wie er in Bild 4-1 dargestellt ist.

 

 

Bild 4-1 Messanordnung zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit in einem Rohr

Angewendet wird ein Ultraschall-Durchflussmesser zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit im Messrohr mittels zweier in einem Abstand s angeordneter  Sensoren. Dabei wird der Effekt genutzt, dass Schall schneller mit der Durchflussrichtung übertragen wird als gegen die Durchflussrichtung. Voraussetzung für die Messung ist deshalb die Kenntnis der Schallausbreitungsgeschwindigkeit vRu im ruhenden Zustand des im Rohr fließenden Mediums. Wenn dieses Medium durch das Rohr fließt, wird an der Messstelle 1 ein Signal x(k∙T0) aufgeschaltet. Dies erscheint zeitverzögert an der Messstelle 2 als Signal y(k∙T0). In Bild 4-2 ist ein Bespiel für solche Signalverläufe angegeben. Unter Verwendung von Kreuzkorrelation und Kreuzleistungsdichte kann die Phasenverschiebung j und daraus die Zeitverschiebung t zwischen den Signalen berechnet werden.
Die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im strömenden Medium berechnet sich dann zu

 

Die Differenz zwischen vRu und vStr ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des betreffenden Mediums im Rohr. Anhand des Vorzeichens dieser Differenz ist dann sogar die Strömungsrichtung erkennbar.

 

 

 

Bild 4-2 Verläufe von x(k∙T0) und y(k∙T0)

5                Leckstellenortung in Rohrleitungen


Eine weitere Anwendung von Kreuzkorrelation und Kreuzleistungsdichte ist die Lokalisierung von Undichtigkeiten in Rohrleitungen. Dabei wird der durch das austretende Medium erzeugte Körperschall ausgenutzt. Die dazu erforderliche Messanordnung ist in Bild 5-1 dargestellt. Die Messstellen sind zweckmäßigerweise beiderseits der vermuteten Leckstelle anzuordnen.
An der Messstelle 1 wird das Signal x(k∙T0) und an der Messstelle 2 das Signal y(k∙T0) gemessen. Mit Hilfe von Kreuzkorrelation und Kreuzleistungsdichte wird die Phasenverschiebung j zwischen beiden Signalen berechnet. Daraus lässt sich der Laufzeitunterschied t von der Leckstelle zu den beiden Messstellen berechnen. Mit der bekannten Schallausbreitungsgeschwindigkeit für den Ruhezustand vRu des im Rohr vorhandenen Mediums ergibt sich

Mit

folgt

 

 

Bild 5-1 Schematische Anordnung der Messstellen zur Lokalisierung einer Leckstelle an einem Rohr