Funktionsweise und Technologie von Füllstandsmessung und Füllstandssensoren

Eine in die Sensorspitze integrierte Elektrode bildet zusammen mit der Umgebung einen Kondensator. Das Medium bestimmt auf Basis seiner Dielektrizitätskonstante (DK-Wert) den Kapazitätswert und bildet mit Hilfe einer Spule in der Sensorelektronik einen Resonanzkreis. Abhängig der gemessenen Resonanzfrequenz und den programmierbaren Schaltschwellen wird das Schaltsignal des Sensors angesteuert.

Die universell einsetzbaren Grenzstandsensoren der CleverLevel Serie erkennen sämtliche Medien egal ob fest, flüssig oder anhaftend und ist damit die clevere Alternative zur Schwinggabel.

Im Prinzip funktioniert der kapazitive Füllstandssensor wie ein offener Kondensator. Zwischen der Messelektrode und der GND-Elektrode wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Sollte ein Material mit einer Dielektrizitätszahl εr grösser als Luft in das elektrische Feld eindringen, vergrössert sich je nach εr dieses Materials die Kapazität des Feldes. Die Elektronik misst diese Kapazitätserhöhung, das erzeugte Signal wird in der nachfolgenden Signalaufbereitung ausgewertet und führt bei entsprechender Größe zum Schalten des Ausgangs.

Das Funktionsprinzip optischer Füllstandssensoren beruht auf der Veränderung des Grenzwinkels für die Totalreflexion, je nachdem, ob die Sensorspitze von Flüssigkeit oder Luft umgeben ist. Wird die Fühlerspitze von einer Flüssigkeit umgeben, so wird der Lichtstrahl in die Flüssigkeit abgelenkt und der Sensorausgang ändert seinen Schaltzustand. Das flüssige Medium kann elektrisch leitend, trübe oder klar sein.

Die Füllstandssensoren zur Schlauch-/Steigrohrmontage funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip jedoch ohne Kontakt zum Medium. Im Zustand ohne Flüssigkeit trifft das ausgesendete Licht direkt auf den Empfänger. Wenn Flüssigkeit in den Detektionsbereich gelangt, wird ein Teil des ausgesendeten Lichts abgelenkt, so dass weniger Licht auf den Empfänger trifft. Diese Lichtänderung kann vom Sensor entsprechend ausgewertet werden.

Das Messprinzip potentiometrischer Füllstandssensoren arbeitet mit der Veränderung des Spannungsverhältnisses zwischen dem Messstab des Sensors und der metallischen Tankwandung der zufüllenden Tanks. Durch die Flüssigkeit entsteht ein elektrisches Strömungsfeld, gebildet von dessen elektrischer Leitfähigkeit sowie der kapazitiven Eigenschaft. Die Messsonde wird somit zu einem Spannungsteiler bei dem sich je nach Füllstand das Verhältnis der beiden Spannungen zueinander verändert. Das Verhältnis der beiden Spannungen ist proportional zum Füllstand. Vereinfacht kann das System aus Sonde und Flüssigkeit auch als Potentiometer betrachtet werden, wobei eine Veränderung des Füllstandes dem Drehen an einem normalen Potentiometer entspricht.

Das Messprinzip hydrostatischer Füllstandssensoren beruht auf einer Druckmessung, wobei die Messzelle des Druckumformers den Druck des Füllmediums auf den Behälterboden misst und somit die dazugehörige Füllhöhe errechnet. Bedingt durch die Gravitation nimmt der hydrostatische Druck mit steigender Höhe des Füllstands im Behälter zu.

Ultraschallsensoren basieren auf der gemessenen Laufzeit des Ultraschallsignals. Sie senden hochfrequente Schallwellen aus, die an der Oberfläche des zu messenden Mediums reflektiert werden. Die Medien können flüssig, körnig oder pulverförmig sein. Durchsichtige und andere optisch schwer erfassbare Objekte werden mit Ultraschallsensoren eindeutig erkannt.
Bei Ultraschallsensoren zu kontinuierlichen Füllstandsmessung wird der gemessene Entfernungswert vom Sensor zur Medienoberfläche als Spannungswert ausgegeben. Der abgegebene Strom bzw. die abgegebene Spannung ist dabei proportional zum Füllstand bzw. Abstand zur Medienoberfläche.