Thermische, vibrierende und optische Füllstandsschalter sind Spezialgeräte, die zur Lösung spezifischer Probleme bei der Füllstandsmessung entwickelt wurden. Sie kommen in der Regel in Anwendungen zum Einsatz, die mit den gängigeren Schwimmer- und Sonden-Geräten nicht bewältigt werden können oder in denen Ultraschall-, Nuklear-, Radar- oder Mikrowellen-Konstruktionen zu komplex, zu teuer oder aus anderen Gründen für die Aufgabe ungeeignet wären.
Alle drei Typen können zur Messung von Flüssigkeitsständen oder Grenzflächen zwischen Flüssigkeiten verwendet werden. Der optische Füllstandschalter eignet sich auch zur Erkennung hoher Schaumstände, wenn er nach jedem Einsatz mit Wasser abgespült wird. In einigen speziellen Anwendungen wurden alle drei Schalter so eingestellt, dass sie bestimmte Materialien identifizieren oder feststellen können, wann ein Material eine bestimmte Viskosität, Dichte, Opazität oder Wärmeleitfähigkeit erreicht.
Alle drei Füllstandschalter sind einfach, unkompliziert und zuverlässig. Obwohl einige neben dem Füllstand auch andere Prozesseigenschaften erfassen können, besteht ihr Hauptzweck darin, das Vorhandensein oder Fehlen von Material auf einem bestimmten Füllstand in einem Tank zu messen.
Diese Schalter eignen sich gut für den Einsatz in Mehrzweck-Verarbeitungsanlagen, wo sie mit einer Vielzahl von Prozessmaterialien und Prozessbedingungen kompatibel sein müssen. Sie müssen zwischen den Chargen nicht neu kalibriert werden und können vor Ort gereinigt werden.
Vibrationssensoren werden häufig zur Erkennung von festen Materialien wie Pulvern, Schüttgütern, Getreide, Mehl, Kunststoffgranulat, Zement und Flugasche eingesetzt. Sie bieten eine hervorragende Leistung als Hoch- oder Niedrigstandschalter und können an der Oberseite oder an den Seiten von Tanks montiert werden. Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Feststoffen und die staubige Atmosphäre, die häufig im Dampfraum von Feststoffbehältern herrscht, schließen den Einsatz von optischen und thermischen Schaltern für die meisten Anwendungen zur Füllstandsmessung von Feststoffen aus. Wenn feste Materialien Rat-Hole- oder Brücken bilden, funktionieren nur wenige Sensoren (mit Ausnahme von Lastzellen
Zellen oder Strahlungsgeräte) gut funktionieren. Die Leistung von Schwingsonden und Stimmgabel-Sensoren ist in solchen Anwendungen ebenfalls fraglich, aber ihre Schwingungsnatur kann dazu beitragen, die Brücken zusammenbrechen zu lassen oder die Rat-Holes aufzubrechen.
Vibrations- und Stimmgabel-Sonden vertragen eine gewisse Ablagerung von Materialien oder können, wenn sie mit PFA beschichtet sind, in einigen weniger schwierigen Anwendungen selbstreinigend sein. Optische Füllstandsschalter sind mit automatischen Waschvorrichtungen erhältlich, um die Ablagerungen nach jedem Hochwasserereignis zu entfernen. Thermoschalter können bei leichter Beschichtung weiter funktionieren, aber Ablagerungen bilden in der Regel eine wärmeisolierende Schicht, die letztendlich die Ansprechzeit verlangsamt.
Von den drei in diesem Kapitel behandelten Füllstandschalterkonstruktionen ist nur der laserbasierte optische Füllstandschalter für die Füllstandsmessung in geschmolzenem Metall geeignet. Von den anderen Füllstandsensortechnologien werden auch feuerfeste Schwimmer, feuerfeste Sprudlerrohre und kapazitive Näherungssensoren in geschmolzenem Metall eingesetzt.
Thermoschalter
Thermische Füllstandsschalter erfassen entweder den Temperaturunterschied zwischen dem Dampfraum und der Flüssigkeit oder, was häufiger der Fall ist, den Anstieg der Wärmeleitfähigkeit, wenn eine Sonde in die Prozessflüssigkeit eingetaucht wird.
Eine der einfachsten Ausführungen eines thermischen Füllstandschalters besteht aus einem Sensor, der mit einer konstanten Wärmezufuhr beheizt wird. Solange sich die Sonde im Dampfraum befindet, bleibt sie auf einer hohen Temperatur, da Dämpfe mit geringer Leitfähigkeit nicht viel Wärme von der Sonde abführen. Wenn die Sonde eingetaucht wird, nimmt die Flüssigkeit mehr Wärme auf und die Temperatur der Sonde sinkt. Der Schalter wird betätigt, wenn diese
Temperaturänderung auftritt.
Eine andere Art von Temperatursensor verwendet zwei Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), die beide auf gleicher Höhe montiert sind. Eine Sonde wird beheizt, die andere dient als unbeheizte Referenz. Die Ausgänge beider Sensoren werden in eine Wheatstone-Brücke eingespeist (Abbildung 10-1). Befindet sich der Sensor in der Dampfphase, ist die beheizte Sonde wärmer als die Referenzsonde, und die Brückenschaltung ist unausgeglichen. Wenn beide Sonden in die Prozessflüssigkeit eingetaucht sind, nähern sich ihre Temperaturen der Temperatur der Flüssigkeit an. Ihre Ausgänge sind nahezu gleich, und die Brücke ist ausgeglichen. Dieser Niveauschalter wird betätigt, wenn sich das Gleichgewicht der Brücke ändert. Da alle Prozessmaterialien einen charakteristischen Wärmeübergangskoeffizienten haben, können thermische Niveauschalter so kalibriert werden, dass sie das Vorhandensein oder Fehlen einer Flüssigkeit erkennen. Daher können diese Schalter in schwierigen Anwendungen wie Trennschichten, Schlämmen und Schlammanwendungen eingesetzt werden. Sie können auch thermisch leitfähige Schäume erkennen, wenn sie nach jedem Betrieb mit einem Sprühreiniger gereinigt werden.
Thermische Füllstands- und Trennschalter haben keine mechanischen beweglichen Teile und sind für Drücke bis zu 3.000 psig und Prozesstemperaturen von -75 bis 175 °C (-100 bis 350 °F) ausgelegt. Bei der Wasserstandserkennung beträgt die Ansprechzeit in der Regel 0,5 Sekunden und die Genauigkeit liegt innerhalb von 2 mm. Im Allgemeinen funktionieren thermische Füllstandsschalter am besten mit nicht beschichtenden Flüssigkeiten und mit Schlämmen mit einer spezifischen Dichte von 0,4 bis 1,2 und einer Viskosität von 1 bis 300 cP.
Eine dritte Art von Thermoschalter verwendet ebenfalls zwei Sensoren innerhalb derselben vertikalen Sonde. Einer ist über dem anderen angebracht und beide sind an eine Spannungsquelle angeschlossen. Befinden sich beide in der Dampfphase oder beide in der Flüssigphase, ist der Stromfluss durch die beiden Sensoren gleich. Befindet sich hingegen der untere Sensor in der Flüssigkeit und der obere in der Dampfphase, fließt mehr Strom durch den unteren Sensor. Ein Stromkomparator kann diesen Unterschied erkennen und signalisieren, dass der Sensor die Dampf-/Flüssigkeitsgrenze erreicht hat.
Ein interessantes Merkmal dieser Konstruktion ist, dass die Sensorkapsel mit einem Kabel in einen Tank oder Brunnen eingehängt werden kann und der Sensorausgang zum Antrieb des Kabelaufnahmemotors verwendet werden kann. Auf diese Weise kann der Füllstandschalter als kontinuierlicher Detektor für die Position der Dampf-/Flüssigkeitsgrenze verwendet werden.
Thermometer können auch zur Füllstandsmessung in Prozessen mit höheren Temperaturen verwendet werden, beispielsweise zur Messung des Füllstands von geschmolzenem Stahl in Gussformen. Die Thermometer berühren das geschmolzene Metall nicht, sondern ermitteln die Stelle, an der die Temperatur an der Außenseite der Form plötzlich ansteigt. Dies ist der Füllstand innerhalb der Form. Mit mehreren vertikal angeordneten Sensoren kann das System den Füllstand des geschmolzenen Metalls in der Form auf einen Bruchteil eines Zentimeters genau bestimmen.
Vibrationsschalter
Vibrationsfüllstandsschalter erkennen die Dämpfung, die auftritt, wenn eine vibrierende Sonde in ein Prozessmedium eingetaucht wird. Die drei Arten von Vibrationssensoren – Reed, Sonde und Stimmgabel – unterscheiden sich durch ihre Konfiguration und Betriebsfrequenz (120, 200–400 bzw. 85 Hz). Ihre Funktionsweise und Anwendungen sind ähnlich. Der Reedschalter besteht aus einem Paddel, einem Treiber und einem Aufnehmer (Abbildung 10-2). Die Treiberspule induziert eine 120-Hz-Schwingung im Paddel, die gedämpft wird, wenn das Paddel von einem Prozessmaterial bedeckt wird. Der Schalter kann sowohl steigende als auch fallende Füllstände erkennen, und nur seine Betätigungstiefe (die Materialtiefe über dem Paddel) nimmt zu, wenn die Dichte der Prozessflüssigkeit sinkt. Die Abweichung in der Betätigungstiefe beträgt in der Regel weniger als einen Zoll. Ein Reedschalter kann Grenzflächen zwischen Flüssigkeit/Flüssigkeit, Flüssigkeit/Dampf und Feststoff/Dampf erkennen und auch Dichte- oder Viskositätsänderungen signalisieren.
Bei der Verwendung mit feuchten Pulvern neigt das vibrierende Paddel dazu, eine Vertiefung in den körnigen Feststoffen zu erzeugen. In diesem Fall kommt es zu falschen Messwerten, da der Sensor die Vertiefung mit einem Dampfraum verwechselt.
Es empfiehlt sich, einen Reedschalter bei Anwendungen ohne Beschichtung zu verwenden oder nach jedem Eintauchen in Schlamm oder Schlämme eine automatische Sprühreinigung durchzuführen. Vibrationssensoren vom Sondentyp sind weniger empfindlich gegenüber Materialablagerungen oder Beschichtungen. Die Vibrationssonde ist ein rundes Edelstahlelement (ähnlich einem Schutzrohr), das in das Material hineinragt. Wenn diese Geräte mit PFA beschichtet und in einem Winkel eingesetzt werden, neigen sie zur Selbstreinigung. Sowohl der Antrieb als auch der Sensor sind piezoelektrische Elemente: Das eine verursacht die Vibration, das andere misst sie. Wenn die Sonde unter dem Prozessmaterial vergraben ist, wird ihre Schwingung gedämpft, und diese Abnahme löst den Schalter aus. Vibrationssonden können zur Überwachung von Pulvern verwendet werden.">
Material begraben ist, wird ihre Schwingung gedämpft, und diese Abnahme löst den Schalter aus.
Vibrationssensoren können zur Überwachung von Pulvern, Schüttgütern und körnigen Materialien wie Getreide, Mehl, Kunststoffgranulat, Zement und Flugasche verwendet werden. Durch ihre Schwingungstendenz minimieren sie die Brückenbildung, die in festen Materialien auftritt. Stimmgabel-Sensoren werden durch einen piezoelektrischen Kristall mit etwa 85 Hz in Schwingung versetzt, während ein weiterer piezoelektrischer Kristall die Schwingung erfasst. Wenn die Prozessflüssigkeit ansteigt und die Stimmgabeln bedeckt, ändert sich die Schwingungsfrequenz.
Wie Vibrationssonden können auch Stimmgabel-Sensoren selbstreinigend sein, wenn sie mit PFA beschichtet und in einem Winkel installiert sind. Sie können auch kalibriert werden, um einen breiten Messbereich abdecken zu können, darunter Schmieröle, Hydraulikflüssigkeiten, Wasser, korrosive Materialien, Sand, dickflüssige und turbulente Flüssigkeiten, Pulver, leichte Granulate und Pasten.
Stimmgabel-Sensoren können mit Komponenten aus PVDF, Polypropylen, Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Aluminium hergestellt werden. Sie sind mit PFA-Beschichtung oder in hygienischen Ausführungen für sanitäre Anwendungen erhältlich.
Vibrationssensoren können zur Ermittlung von Flüssigkeits-, Feststoff- und Schlammständen verwendet werden. Reedschalter können bei Drücken bis zu 3.000 psig betrieben werden, während Stimmgabeln und Vibrationssonden auf 150 psig begrenzt sind. Die Betriebstemperaturen reichen von -100 bis 150 °C (-150 bis 300 °F) und die Ansprechzeit beträgt etwa 1 Sekunde.
Optische Schalter
Optische Sensoren verwenden sichtbares, infrarotes oder Laserlicht und nutzen bei der Füllstandsmessung die lichtdurchlässigen, reflektierenden oder brechenden Eigenschaften der Materialien. Der optische Füllstandschalter kann eine kontaktbehaftete oder
berührungsloses Design.
Bei einem berührungslosen, reflektierenden optischen Sensor wird ein Lichtstrahl auf die Oberfläche der Materialien gerichtet. Wenn der Füllstand dieser Oberfläche auf den Sollwert des Schalters ansteigt, wird der reflektierte Lichtstrahl von einer Fotozelle erfasst. Sowohl die LED-Lichtquelle als auch der Fotodetektor sind in demselben Gehäuse untergebracht.
Durch Einstellen der Fotozelle oder der Erfassungselektronik kann der Sensor so kalibriert werden, dass er Füllstände in Entfernungen von 0,25 bis 12 Zoll unterhalb des Sensors erfasst. Diese reflektierenden Schalter können die Füllstände von klaren sowie durchscheinenden, reflektierenden und undurchsichtigen Flüssigkeiten messen. Einige Feststoffe können ebenfalls erfasst werden. Durch den Einsatz mehrerer Fotozellen kann ein Sensor mehrere Füllstände erfassen.
Laserlicht kann auch bei schwierigen Füllstandsmessungen verwendet werden, z. B. bei geschmolzenen Metallen, geschmolzenem Glas, Glasplatten oder anderen festen oder flüssigen Materialien mit reflektierender Oberfläche. Wenn das Empfängermodul motorbetrieben ist, kann es den reflektierten Laserstrahl bei steigendem und fallendem Füllstand verfolgen und somit als kontinuierlicher Füllstandstransmitter fungieren.
Ein Refraktions-Sensor basiert auf dem Prinzip, dass Infrarot- oder sichtbares Licht seine Richtung ändert (brechend), wenn es die Grenzfläche zwischen zwei Medien passiert. Befindet sich der Sensor in der Dampfphase, wird der größte Teil des Lichts der LED innerhalb eines Prismas zurückreflektiert (Abbildung 10-3). Ist das Prisma untergetaucht, wird der größte Teil des Lichts in die Flüssigkeit gebrochen, und die Menge des reflektierten Lichts, die den Empfänger erreicht, nimmt erheblich ab. Ein Abfall des reflektierten Lichtsignals zeigt daher den Kontakt mit der Prozessflüssigkeit an.
Ein refraktiver Sensor kann nicht für Schlämme oder Beschichtungsflüssigkeiten verwendet werden, es sei denn, er wird nach jedem Eintauchen abgespritzt. Selbst wenige Tropfen Flüssigkeit auf dem Prisma brechen das Licht und führen zu fehlerhaften Messwerten. Refraktive Sensoren sind für das Eintauchen in Flüssigkeiten ausgelegt. Daher können beliebig viele davon an einem vertikalen Rohr installiert werden, um mehrere Füllstandspunkte zu erfassen.
Transmissionsoptische Sensoren senden einen Lichtstrahl über den Tank. Ein Schlammpegelsensor dieser Bauart verwendet eine LED und eine Fotozelle am Ende einer Sonde, die sich auf gleicher Höhe befinden und einige Zentimeter voneinander entfernt sind. Um den Schlammpegel zu ermitteln, senkt ein Mechanismus (oder ein Bediener manuell) die Sonde in den Tank, bis die Sensoren auf die Schlammschicht treffen.
Andere Transmissionssensoren basieren auf dem Refraktionsprinzip und verwenden ein unbeschichtetes, U-förmiges Glasfaserkabel. Eine Lichtquelle sendet einen gepulsten Lichtstrahl durch das Glasfaserkabel, und der Sensor misst die zurückkehrende Lichtmenge. Wenn Flüssigkeit das Kabel bedeckt, wird das Licht vom Kabel weg gebrochen. Durch die Verwendung von Glasfasern ist das System unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen, und einige Ausführungen sind zudem eigensicher.
Optische Sensoren können bei Drücken bis zu 500 psig und Temperaturen bis zu 125 °C (260 °F) betrieben werden. Die Ansprechzeit ist praktisch sofort, und die Genauigkeit der Erkennung der meisten Ausführungen liegt innerhalb von 1 mm. Optische Füllstandsschalter sind auch für spezifische oder einzigartige Anwendungen ausgelegt. Beispielsweise sind optische Füllstandsschalter aus PFA für die Erfassung des Füllstands von ultrareinen Flüssigkeiten erhältlich. Zu den weiteren einzigartigen Ausführungen gehört ein Füllstandsschalter, der einen optischen Sensor mit einem leitfähigkeitsbasierten Sensor kombiniert, um sowohl Wasser (leitfähig) als auch Kohlenwasserstoffe (nicht leitfähig) zu erkennen.
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