Eine präzise Füllstandsmessung ist für einen sicheren und effizienten Betrieb in Industrieprozessen, die unterschiedliche Medien umfassen, unerlässlich. Das kapazitive Messprinzip bietet eine vielseitige Lösung zur Grenzstand- und kontinuierlichen Füllstandsmessung, insbesondere in anspruchsvollen Anwendungen.
Dieses Prinzip basiert auf der Kapazitätsänderung zwischen zwei Elektroden, typischerweise der Tankwand und einer Sonde. In dem Maße, in dem sich der Füllstand des Mediums ändert, ändert sich auch dementsprechend das dielektrische Medium zwischen den Elektroden und verändert so die Kapazität. Diese Änderung wird erkannt und in ein Ausgangssignal konvertiert.
Die kapazitive Messung funktioniert in leitfähigen und nicht leitfähigen Flüssigkeiten und passt sich an die spezifischen Eigenschaften jedes Mediums an. Sie eignet sich für hohe Temperaturen, hohe Drücke und explosionsgefährdete Bereiche, was sie zu einer robusten und flexiblen Lösung für eine Vielzahl von Industrien macht.
Im Video erfahren Sie, wie das kapazitive Messprinzip funktioniert.
Vorteile kapazitiver Füllstandsensoren, wie Liquicap, Liquipoint, Solicap und Minicap:
- Universeller Einsatz für Flüssigkeiten und Feststoffe
- Zuverlässige Messung in Medien und Medien mit hoher Viskosität
- Unabhängig von der Tankgeometrie in leitfähigen Medien
- Universell anpassbare Sonden
- Einfache Inbetriebnahme
So funktioniert das die kapazitive Füllstandsmessung:
Tagtäglich werden Tanks über Rohrleitungen mit den unterschiedlichsten Medien befüllt und entleert. Beispiele dafür sind Trinkwasser, Fruchtsäfte, Öle und Benzine, Säuren oder Laugen. Da diese Medien zum Teil völlig unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, existieren zu deren Erfassung auch unterschiedliche Messprinzipien. Beispielsweise die Füllstandsmessung nach dem kapazitiven Prinzip.
Die älteste Bauform eines Kondensators geht auf Ewald Georg von Kleist und Pieter von Musschenbroek im Jahre 1745 zurück. Ein verbesserter Kondensator wurde 1775 von Alessandro Volta erfunden. Dieser gilt als Prototyp moderner Kondensatoren. Zu seinen Ehren lautet die SI-Einheit für elektrische Spannung "Volt". Durch die Entdeckung der elektromagnetischen Induktion durch Michael Faraday konnten elektrische Felder erzeugt werden, was zusammen mit der Erfindung der Kondensatoren als Grundlage für die Anwendung der kapazitiven Messtechnik sorgte. Zu Ehren Faradays wurde die SI-Einheit für elektrische Kapazität "Farad" genannt.
Kapazitive Füllstandsmessgeräte können zur Detektion von Grenzständen und zur kontinuierlichen Füllstandsmessung, bevorzugt in Flüssigkeiten, verwendet werden. Das Messprinzip basiert auf der Kapazitätsänderung eines Kondensators. Lassen Sie uns die Funktionsweise dieses Messverfahrens am Beispiel einer kontinuierlichen Messung etwas näher betrachten. Der Raum zwischen zwei ungleich geladenen Objekten wird elektrisches Feld genannt. In dem Raum wird durch eine elektrische Ladung auf eine andere Ladung eine Kraft ausgeübt. Die Stärke und Richtung des elektrischen Felds wird durch Feldlinien dargestellt. Wird an einen Plattenkondensator eine Wechselspannung angelegt, fließt Strom. Die Stromstärke ist abhängig von dem sich zwischen den Platten befindlichen Dielektrikum, beispielsweise Luft oder Medium. Eine Änderung des Isolationswerkstoffs, die eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten zur Folge hat, erhöht die Kapazität des Kondensators und somit den Stromfluss.
Der Stromfluss kann außerdem durch den Abstand und die Größe der Platten beeinflusst werden. Diese Eigenschaften eines Kondensators stellen die Grundlagen des Messprinzips der kapazitiven Füllstandsmessung dar. Die elektrisch leitende Behälterwand und eine im Behälterinneren befindliche Sonde bilden einen Kondensator, dessen Kapazitätsänderungen zur Bestimmung des Füllstands genutzt werden. Man unterscheidet bei der kapazitiven Messung nach elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten und nicht leitfähigen Flüssigkeiten. Bei leitfähigen Flüssigkeiten, das sind in der Regel wasserbasierte Flüssigkeiten, erfolgt die Messung folgendermaßen:
Das Medium bildet einen elektrischen Kurzschluss von der Behälterwand zur Sondenisolation. Somit bildet sich der Messeffekt nur aus der vom Medium abgegriffenen Sondenisolationskapazität. Hierbei erhält man eine stabile Messung, die unabhängig von der Behältergeometrie und der Dielektrizitätskonstanten des Mediums ist. Steigt der Füllstand im Behälter, so vergrößert sich proportional die Fläche des Kondensators. Die gemessene Kapazitätsänderung wird zur Bestimmung des Füllstands genutzt.
Bei nicht leitfähigen Flüssigkeiten, das sind in der Regel Öle und Lösungsmittel, erfolgt die Kapazitätsänderung durch die höheren Dielektrizitätskonstanten des Mediums gegenüber Luft. Das nicht leitfähige Medium bildet einen zusätzlichen in Reihe geschalteten Kondensator zur Behälterwand. Er ist bestimmend für die Gesamtkapazität. Steigt der Füllstand im Behälter, so vergrößert sich proportional die Fläche des Kondensators. Die gemessene Kapazitätsänderung wird zur Bestimmung des Füllstands genutzt und erhöht sich mit steigendem Füllstand aufgrund der höheren Dielektrizitätskonstanten des Mediums.
Die Messung ist somit abhängig von der Dielektrizitätskonstanten des Mediums und der Behältergeometrie. Deshalb werden in der Praxis meist Masserohrsonden verwendet, die eine definierte Geometrie darstellen und durch den geringen Plattenabstand den Messeffekt zusätzlich erhöhen. Bei leitfähigen Medien Leitfähigkeit größer als 100 Mikrosiemens pro Zentimeter ist durch die DK- und Behälterunabhängigkeit ein werksseitiger Vorabgleich möglich, was eine schnelle Inbetriebnahme ermöglicht. Bei nicht leitfähigen Medien Leitfähigkeit kleiner 1 Mikrosiemens pro Zentimeter ist ein kundenseitiger Abgleich auf das jeweilige Dielektrikum des Mediums notwendig.
In einem kleinen Übergangsbereich zwischen leitfähigen und nicht leitfähigen Medien liegt ein so genannter kritischer Bereich. In diesem Bereich führt eine minimale Leitfähigkeitsänderung des Mediums zu einer sprunghaften Änderung des Messwerts. Applikationen in diesem Leitfähigkeitsbereich sind deshalb zu vermeiden.
Messgeräte nach dem kapazitiven Messprinzip von Endress+Hauser ermöglichen die Messung von Füllstand, der Trennschicht sowie des Grenzstands in Flüssigkeiten und Feststoffen – auch bei Anwendungen mit hohen Temperaturen oder Drücken sowie im explosionsgefährdeten Bereich. Wir haben für jede Anwendung die geeignete Lösung.
