Tabelle 6: Zum Vergrößern auf die Abbildung klicken. Kapazitive Füllstandssensoren werden auch als Hochfrequenz- (HF) oder Admittanz-Füllstandssensoren bezeichnet. Sie arbeiten im niedrigen MHz-Hochfrequenzbereich und messen die Admittanz eines Wechselstromkreises, die sich mit dem Füllstand ändert. Die Admittanz ist ein Maß für die Leitfähigkeit in einem Wechselstromkreis und ist der Kehrwert der Impedanz. Admittanz und Impedanz in einem Wechselstromkreis entsprechen in etwa der Leitfähigkeit und dem Widerstand in einem Gleichstromkreis. In diesem Kapitel wird der Begriff Kapazitätsfüllstandsensor verwendet 
Abbildung 8-1: Zum Vergrößern auf die Abbildung klicken. anstelle von HF oder Admittanz.
Table 6 lists some of the industries and applications where capacitance-type level sensors are used.
In Tabelle 6 sind einige der Branchen und Anwendungen aufgeführt, in denen kapazitive Füllstandssensoren zum Einsatz kommen.
Theorie des Betriebs
Ein Kondensator besteht aus zwei Leitern (Platten), die durch einen Nichtleiter (Dielektrikum) voneinander getrennt sind. Wenn die beiden Leiter unterschiedliche Potentiale (Spannungen) haben, kann das System elektrische Ladung speichern. Die Speicherkapazität eines Kondensators wird in Farad gemessen. Wie in Abbildung 8-1 dargestellt, haben die Kondensatorplatten eine Fläche (A) und sind durch einen Spalt (D) voneinander getrennt, der mit einem nichtleitenden Material (Dielektrikum) mit der Dielektrizitätskonstante (K) gefüllt ist. Die Dielektrizitätskonstante eines Vakuums beträgt 1,0; die Dielektrizitätskonstanten verschiedener Materialien sind in Tabelle 7 aufgeführt.
Die Dielektrizitätskonstante eines Stoffes ist proportional zu seiner Admittanz. Je niedriger die Dielektrizitätskonstante, desto geringer ist die Admittanz des Materials (d. h. desto weniger leitfähig ist es). Die Kapazität (C) wird wie folgt berechnet:
C=KA/D
Wenn die Fläche (A) und der Abstand (D) zwischen den Platten eines Kondensators konstant bleiben, variiert die Kapazität nur in Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstante des Materials, das den Spalt zwischen den Platten ausfüllt. Wenn eine Änderung des Füllstands eine Änderung des Gesamtdielektrikums des Kapazitätssystems verursacht, weil (wie in Abbildung 8-1B dargestellt) der untere Teil der Fläche (A) einer Flüssigkeit (Dielektrikum Kl) ausgesetzt ist, während der obere Teil mit einem Dampf (Dielektrikum Kv, das nahe bei 1,0 liegt) in Kontakt steht, ist die Kapazitätsmessung proportional zum Füllstand.Bei einem horizontal montierten Füllstandschalter (Abbildung 8-2) bildet eine leitfähige Sonde eine der Platten des Kondensators (A1) und die Behälterwand (vorausgesetzt, sie besteht aus einem leitfähigen Material) die andere (A2). Ein Isolator mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante wird verwendet, um die leitfähige Sonde vom Gehäuse zu isolieren, das mit der Behälterwand verbunden ist. Die Sonde ist über die leitfähigen Gewinde des Gehäuses mit dem Füllstandssensor verbunden. Die Messung erfolgt
Abbildung 8-2: Zum Vergrößern auf die Abbildung klicken. durch Anlegen eines HF-Signals zwischen der leitfähigen Sonde und der Behälterwand. Das HF-Signal bewirkt einen winzigen Stromfluss durch das dielektrische Prozessmaterial im Tank von der Sonde zur Behälterwand. Wenn der Füllstand im Tank sinkt und die Sonde noch weniger leitfähigen Dämpfen ausgesetzt ist, sinkt die Dielektrizitätskonstante. Dies führt zu einem Abfall des Kapazitätsmesswerts und einem winzigen
Abbildung 8-3: Zum Vergrößern auf die Abbildung klicken. zu einem geringfügigen Rückgang des Stromflusses. Diese Änderung wird von der internen Schaltung des Füllstandschalters erkannt und in eine Änderung des Relaiszustands des Füllstandschalters umgewandelt. Bei kontinuierlichen Füllstandsmessgeräten (vertikale Sonden) ist der Ausgang kein Relaiszustand, sondern ein skaliertes Analogsignal. Die Gesamtfläche ist die kombinierte Fläche der Füllstandssonde und der Fläche der leitfähigen Behälterwand (A = A1 + A2), und der Abstand (D) ist der kürzeste Abstand zwischen der Sensorsonde und der Behälterwand. Beide Werte sind fest. Wenn die Sonde also nicht mehr von Dämpfen (K1), sondern vom Prozessmaterial (K2) umgeben ist, steht die resultierende Kapazitätsänderung in direktem Zusammenhang mit der Differenz der Dielektrizitätskonstante zwischen den beiden Medien:
Änderung in C=(K2-K1)(A/D)
Die Empfindlichkeit eines Kapazitätssensors wird in Picofarad (pF) angegeben. Die Einheit der Kapazität ist das Farad, definiert als das Potential, das entsteht, wenn eine an einen Kondensator angeschlossene 1-Volt-Batterie die Speicherung von einem Coulomb elektrischer Energie bewirkt. Ein Picofarad ist ein Billionstel davon, und die Empfindlichkeit eines genauen Kapazitätsdetektors beträgt 0,5 pF. Dies ist die minimal erkennbare Änderung der Kapazität, die sich aus einer Änderung der Dielektrizitätskonstante (K2 -K1) ergibt.Bei den meisten Füllstandsmess-Anwendungen ist das Referenzmaterial Luft (K1 = 1,0). Tabelle 7 enthält die K2-Werte einer Vielzahl von Prozessmaterialien. Je näher die Dielektrizitätskonstante des Prozessmaterials der von Luft kommt (K2 für Kunststoffgranulat beträgt beispielsweise 1,1), desto schwieriger wird die Messung.
Sondenkonstruktionen
Das gängigste Sondendesign ist ein Edelstahlstab mit einem Durchmesser von 1/4 Zoll oder 1/2 Zoll, der für die meisten nicht leitenden und nicht korrosiven Materialien geeignet ist. Die Sonde ist durch einen Isolator mit niedriger Dielektrizitätskonstante, wie Nylon oder Ryton, vom Gehäuse und der Behälterwand isoliert. Diese Polymere haben maximale Betriebstemperaturen von 175-230 °C (350-450 °F). Keramik kann für Anwendungen mit höheren Temperaturen oder bei Anforderungen an die Abriebfestigkeit verwendet werden. Bei Anwendungen, bei denen das Prozessmaterial leitfähig und korrosiv ist, muss die Sonde mit PFA oder Kynar beschichtet sein.
Einige Sensoren sind mit einer Anhaftungsimmunität oder einer Beschichtungsabweisung erhältlich. Dies ist erforderlich, wenn das Prozessmaterial nass oder klebrig ist und wahrscheinlich eine dauerhafte Beschichtung verursacht. Die Anlagerungsimmunität wird durch Hinzufügen eines zweiten aktiven Abschnitts der Sonde und eines zweiten Isolators erreicht (Abbildung 8-3). Dieser zweite aktive Abschnitt (die angesteuerte Abschirmung) wird mit dem gleichen Potential und der gleichen Frequenz wie die Messsonde angesteuert. Da zwischen gleichen Potentialen kein Strom fließen kann, kann die Messsonde
Kapazitätssonden sind in der Regel mit PFA (abgebildet), Kynar oder Polyethylen beschichtet erfasst keine Materialablagerungen zwischen der Sonde und der Behälterwand.
Der Messbereich der Standard-Kapazitätssonden reicht von 7 bis 16 Zoll. Diese Sonden werden in der Regel seitlich montiert (Abbildung 8-4A). Vertikale Sonden können mit massiven Stangen auf eine Länge von 1,2 bis 1,5 m (4 bis 5 ft) verlängert werden, oder es kann ein Stahlseil mit einem Gewicht verwendet werden.
Abbildung 8-4: Zum Vergrößern auf die Abbildung klicken.
verwendet werden, um die Sonde bis zu 15 m (50 ft) aufzuhängen (Abbildung 8-4B). Die meisten kapazitiven Füllstandssensoren sind mit 3/4- bis 1-1/2-Zoll-NPT-Montageanschlüssen ausgestattet. Die passende Gegenkupplung wird in der Regel an die Behälterwand geschweißt, und der kapazitive Sensor wird in den Gegenanschluss geschraubt. Es sind auch flache kapazitive Sensoren erhältlich (Abbildung 8-4C), die mit einem Flansch befestigt werden.
In Anwendungen, in denen der Behälter nicht leitfähig ist und keinen Rückweg für das HF-Signal bilden kann, kann eine zweite Sonde parallel zur aktiven Sonde oder ein leitfähiger Streifen installiert werden.
Elektronik und Gehäuse
Die elektronische Schaltung der Sonde erfüllt folgende Funktionen: 1) Gleichrichtung und Filterung der eingehenden Leistung, 2) Erzeugung des Hochfrequenzsignals, 3) Messung der Änderungen im Stromfluss und 4) Ansteuerung und Steuerung von Schnittstellengeräten wie Relais, analogen Signalgeneratoren und Anzeigegeräten. Die Schaltung ist in der Regel als Halbleiterschaltung ausgeführt und mit Potentiometern zur Einstellung der Empfindlichkeit und der Zeitverzögerungen ausgestattet.
Da der Füllstandsensor letztendlich ein externes Gerät ansteuert, ist es ratsam, die Anzahl der erforderlichen Relais, deren Kapazitäten oder die erforderlichen analogen Signale, Zeitverzögerungen und Anforderungen an die Stromversorgung im Hinblick auf die Systemkompatibilität zu bewerten. Fortgeschrittenere Mikroprozessor-gesteuerte Geräte sind selbstkalibrierend; die Einstellung der Empfindlichkeit und der Zeitverzögerung erfolgt über Drucktasten. Diese Geräte sind oft mit einer Selbsttestfunktion und einer integrierten Temperaturkompensation ausgestattet.
Die fortschrittlicheren Modelle sind außerdem zweidrahtig, eigensicher und bieten wahlweise einen Standardausgang von 4–20 mA oder einen digital verbesserten Ausgang mit HART (Highway
Tabelle 7: Zum Vergrößern auf die Abbildung klicken. Adressierbarer Fernwandler). Die Genauigkeit (einschließlich Linearität, Hysterese und Wiederholbarkeit, jedoch ohne Berücksichtigung von Temperatur- und Versorgungsspannungseinflüssen) beträgt typischerweise 0,25 % des Messbereichs. Die Mindestspanne beträgt 4 pF und der obere Messbereich (URL) 2.500 pF.
Füllstandsschalter sind in der Regel mit Zeitverzögerungen ausgestattet, um Fehlmessungen aufgrund von Materialverschiebungen oder Spritzflüssigkeiten herauszufiltern. Darüber hinaus bietet die ausfallsichere Wählbarkeit eine vorbestimmte Einstellung für den Relaisausgang im Falle eines Stromausfalls oder einer Fehlfunktion.
Die Sensorgehäuse bestehen in der Regel aus Aluminiumguss, Stahl oder synthetischen Materialien wie glasfaserverstärktem Nylon. Die meisten Gehäuse sind für die Installation im Freien in staubigen oder feuchten Umgebungen geeignet.
Die Dielektrizitätskonstante
Die Dielektrizitätskonstante der Materialien ist der wichtigste Aspekt der Prozessdaten. Je größer der Unterschied zwischen den Dielektrizitätskonstanten (der Materialien und des Dampfraums oder zwischen den beiden Schichten im Falle einer Grenzflächenmessung) ist, desto einfacher ist die Messung. Ist der Unterschied gering (K2-K1 < 1,0 in Abbildung 8-2), muss ein hochsensibles Design (0,5 pF) verwendet werden.
Jeder Sensor hat einen Kapazitätsschwellenwert, der als die Kapazitätsänderung definiert ist, die erforderlich ist, um eine Änderung des Sensorausgangs zu bewirken. Die Dielektrizitätskonstante eines Materials kann sich aufgrund von Schwankungen der Temperatur, Feuchtigkeit, Materialdichte und Partikelgröße ändern. Wenn die Änderung der Dielektrizitätskonstante zu einer größeren Kapazitätsänderung führt als der kalibrierte Kapazitätsschwellenwert des Sensors, kommt es zu einer falschen Messung. Dieser Zustand kann in der Regel durch Verringern der Empfindlichkeit (Erhöhen des Kapazitätsschwellenwerts) des Sensors korrigiert werden.
Wie in Verbindung mit Abbildung 8-3 gezeigt, kann die Empfindlichkeit durch Vergrößern der Sondenlänge (A) oder durch Verringern der Spaltgröße (D) erhöht werden. Eine oder beide Änderungen minimieren den Einfluss von Schwankungen der Dielektrizitätskonstante oder erhöhen die Empfindlichkeit gegenüber niedrigen Dielektrizitätskonstanten. In der Regel ist es praktischer, eine längere Sonde zu spezifizieren, als den Abstand (D) zur Behälterwand zu verringern. Wenn die Sonde seitlich installiert wird (Abbildung 8-4A), ist D fest, während D bei einer Installation der Sonde von oben in den Tank verändert werden kann (sofern andere Überlegungen dies zulassen), indem die Sonde näher an die Behälterwand herangeführt wird.
Wenn derselbe Behälter zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Materialien enthält, muss der Kapazitätssensor
If the same vessel will hold different materials at different times, the capacitance sensor must be 
Abbildung 8-5: Zum Vergrößern auf die Abbildung klicken.
mit einer lokalen oder ferngesteuerten Neukalibrierungsfunktion ausgestattet sein.
Leichte Materialien mit einer Dichte unter 20 lb/ft3 und Materialien mit Partikelgrößen von mehr als 1/2 Zoll Durchmesser können aufgrund ihrer sehr niedrigen Dielektrizitätskonstanten (verursacht durch den großen Luftraum zwischen den Partikeln) ein Problem darstellen. Diese Anwendungen sind möglicherweise nicht für die kapazitive Füllstandsmessung geeignet.
Anwendungshinweise
Leitfähige Materialien (Flüssigkeiten auf Wasserbasis mit einer Leitfähigkeit von 100 Mikromhos/cm oder mehr) können einen Kurzschluss zwischen einer blanken Edelstahlsonde und der Behälterwand verursachen. Wenn der Flüssigkeitsstand sinkt, bleibt die Sonde benetzt und bildet einen leitfähigen Pfad zwischen der Sonde und der Behälterwand. Je schneller sich der Füllstand ändert, desto wahrscheinlicher ist das Auftreten dieser Fehlanzeige. Es ist ratsam, die leitfähige Sondenoberfläche mit einer PFA- oder Kynar-Isolierbeschichtung zu versehen, wenn die Prozessflüssigkeit leitfähig ist.
Die Temperatur wirkt sich sowohl auf die Sensorkomponenten im Inneren des Behälters (aktive Sonden und Isolatoren) als auch auf die elektronischen Komponenten und das Gehäuse außerhalb aus. Eine aktive Sonde besteht in der Regel aus Edelstahl und ist daher (sofern sie nicht beschichtet ist) für die meisten Anwendungen geeignet. Sondenisolatoren können aus PFA, Kynar oder Keramik bestehen und sollten entsprechend der Betriebstemperatur der Anwendung ausgewählt werden. Das Gehäuse und die Elektronik werden sowohl von der Innen- als auch von der Außentemperatur des Behälters beeinflusst.
Die Umgebungstemperaturgrenzen werden in der Regel vom Hersteller angegeben, aber die Wärmeleitung aus einem Hochtemperaturprozess ist schwieriger zu bewerten. Die Wärmeleitung kann durch die Verwendung einer verlängerten Montagekupplung oder einer Kupplung aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit reduziert werden. Wenn solche Methoden nicht ausreichen, kann die Elektronik in einer Entfernung von bis zu 20 Fuß montiert und über ein Koaxialkabel angeschlossen werden. Die dem Kabel eigene Kapazität verringert jedoch die Gesamtempfindlichkeit des Systems.
Die Gehäuse müssen außerdem den Anforderungen für gefährliche, nasse und/oder staubige Umgebungen entsprechen. In explosionsgeschützten Umgebungen muss das Gehäuse möglicherweise zertifiziert sein. Darüber hinaus muss die aktive Sonde möglicherweise eigensicher sein.
Wenn das Prozessmaterial korrosiv gegenüber Edelstahl ist, sollte die Sonde zum Schutz mit Kynar oder PFA beschichtet werden. Ryton ist eine gute Wahl für abrasive Materialien, und für Anwendungen in Lebensmittelqualität oder im Sanitärbereich sind Edelstahl und PFA eine gute Kombination aus Sonde und Isolator.
Überlegungen zur Installation
Die Kapazitätssonde sollte so montiert werden, dass ihr Betrieb nicht durch ein- oder ausströmendes Material beeinträchtigt wird (Abbildung 8-5A). Materialaufpralle können zu falschen Messwerten oder zu Schäden an der Sonde und dem Isolator führen. Bei der Messung von Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist es wichtig, dass die gesamte Sonde bedeckt ist, nicht nur die Spitze (Abbildung 8-5C). Bei Verwendung von Stangen- oder Kabelverlängerungen ist eine aktive Sondenabdeckung von 8 bis 12 Zoll vorzusehen.
Installieren Sie die Sonde so, dass sie weder die Behälterwand (Abbildung 8-5B) noch andere strukturelle Elemente des Behälters berührt. Bei Verwendung einer Kabelverlängerung ist ein Schwingen des Kabels bei steigendem Materialstand im Behälter vorzusehen, damit das Lot am Ende des Kabels die Behälterwand nicht berührt. Die Sonde sollte nicht an einer Stelle montiert werden, an der Materialien eine Brücke zwischen der aktiven Sonde und der Behälterwand bilden können. Außerdem sollte die Sonde nicht in einem nach oben gerichteten Winkel montiert werden (Abbildung 8-5D), um Materialablagerungen zu vermeiden.
Wenn mehr als ein kapazitiver Füllstandsensor im Behälter montiert ist, sollte ein Mindestabstand von 18 Zoll zwischen den Sonden eingehalten werden (Abbildung 8-5E). Bei einem geringeren Abstand könnten sich ihre elektromagnetischen Felder gegenseitig stören. Wenn eine Kapazitätssonde durch die Seitenwand eines Behälters installiert ist und das Gewicht des auf die Sonde einwirkenden Prozessmaterials manchmal zu groß ist, sollte über dem Sensor eine Schutzblende angebracht werden (Abbildung 8-4A).
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