Durch Wände “sehen”

Die Füllstandserfassung in Metallbehältern stellt meist ein Problem dar. Üblicherweise kommen medienberührende Systeme zum Einsatz. Die Sensorfamilie levelprox erfasst mit Hilfe von hochfrequentem Ultraschall Füllstände von Flüssigkeiten durch Metallwände.

Die Erfassung von Füllständen ist ein zentraler Bestandteil vieler Automatisierungslösungen in der Industrie. Das Angebot an Sensoren ist dabei ebenso groß wie die Vielzahl der Applikationen. Von besonderer Bedeutung für die Auswahl des richtigen Sensors ist die Frage, in welcher Form der Sensor mit dem zu überwachenden Medium in Wechselwirkung tritt. Die Mehrzahl der Füllstandssensoren ist auf einen direkten mechanischen Kontakt mit dem zu erfassenden Stoff angewiesen. Beispiele hierfür sind Schwimmerschalter, konduktive Sonden oder Schwinggabelsensoren.
Medienkontakt ist besonders in der Lebensmittelindustrie problematisch, wo die Medien aus Hygienegründen nicht mit der Umgebung in Kontakt kommen dürfen. Ein medienberührender Sensor, der in einem Lebensmittelbehälter den Füllstand erfassen soll, muss daher den Behälter vollständig abdichten und seine medienberührenden Teile müssen denselben Anforderungen an Material und Oberflächenbeschaffenheit genügen wie die Behälterinnenwand selbst. Zudem stellen diese Sensoren für Rührwerke oder Molche ein Hindernis dar. Problematisch sind medienberührende Füllstandssensoren auch im Servicefall. Ein Austausch des Sensors ist gleichbedeutend mit einer Öffnung des Behälters und dem damit verbundenen Produktionsausfall.
Ultraschallsensoren, die den Füllstand von oben durch die Luft erfassen, müssen das Medium zwar nicht berühren, zumindest der Schallwandler muss sich aber innerhalb des Behälters befinden. Damit sind diese Geräte bezüglich der Gehäusematerialien im Lebensmittelbereich ähnlichen Einschränkungen unterworfen wie medienberührende Geräte.
Kapazitive Sensoren können Füllstände durch Behälterwände hindurch erfassen. Edelstahlwände, wie sie in der Lebensmittelindustrie üblich sind, kann das elektrische Feld dieser Sensoren aber nicht durchdringen.
Der ideale Füllstandssensor für die Lebensmittelindustrie erfasst das Medium durch eine Edelstahlwand hindurch. Er ist einfach von außen zu montieren und auszutauschen, er ist problemlos einzustellen und verlässlich im Betrieb. Mit der neuen Sensorfamilie levelprox stellt Turck einen Füllstandssensor vor, der diese Anforderungen bei der Erfassung von Flüssigkeiten erfüllt.
Funktionsweise
Der levelprox erzeugt einen hochfrequenten Ultraschallpuls, der durch ein Koppelgel von außen in die Behälterwand eingekoppelt wird. Dieser Puls breitet sich innerhalb der Wand aus und wird mehrfach an der Innen- und Außenfläche reflektiert. Befindet sich an der Innenfläche der Wand Luft, dann ist diese Reflexion sehr effektiv und die Echos sind relativ lange zu hören. Befindet sich dort eine Flüssigkeit, dann ändert sich das Reflexionsverhalten. Der Schall wird zum Teil in die Flüssigkeit eingekoppelt und die Mehrfachreflexionen klingen schneller ab. Durch diese Unterschiede in der Echokurve kann levelprox unterscheiden, ob sich innerhalb des Behälters eine Flüssigkeit befindet oder nicht. Da der Unterschied der beiden Echokurven sehr stark von der Behälterart, der Einbauposition des Sensors sowie von der zu erfassenden Flüssigkeit abhängt, muss der levelprox nach dem Einbau zunächst lernen, wie es “klingt” wenn sich auf der Höhe des Sensors Flüssigkeit befindet oder nicht. Dazu müssen im Lernmodus des Sensors nacheinander beide Befüllungszustände hergestellt und jeweils ein Taster am Sensor betätigt werden. Der levelprox passt sich dabei den akustischen Umgebungsbedingungen an. Im Betriebsmodus wird entsprechend den erlernten Kriterien der Schaltausgang gesetzt oder nicht. In gleicher Weise wird eine fehlerhafte Ankopplung an die Behälterwand erkannt. Dieser Fehler wird durch das Leuchten der roten LED und das Durchschalten des Alarmausgangs angezeigt.
Montage
Durch die in der Lebensmittelindustrie verbreitete Tri-Clamp Verbindung ist der Sensor problemlos an der Behälterwand zu befestigen. Ein Clampstutzen wird an den Tank angeschweißt oder geklebt. Der Sensor wird in beliebiger Ausrichtung aufgesteckt und mit einem Spannring fixiert. Ein Dichtungsring sorgt für einen hygienischen Abschluss der Sensorfläche von der Umgebung. Um zu jedem Zeitpunkt eine optimale Andruckkraft des Schallwandlerkopfs zu gewährleisten, ist dieser federnd gelagert. Unabhängig vom Behälterdurchmesser wird der Kopf nach der Montage mit der richtigen Andruckkraft an die Wand gedrückt.
Das Koppelmedium ist ein handelsübliches Silikongel. Es ist leicht aufzutragen, ungefährlich und bleibt auf Dauer auch bei hohen Temperaturen elastisch. Auf Wunsch ist ein auch physiologisch unbedenkliches Gel lieferbar, das bei irrtümlichem Kontakt mit Lebensmitteln keinerlei Vergiftungen verursachen kann.
Weitere Anwendungen
Der levelprox ist der ideale Sensor, wenn Flüssigkeiten durch Metallwände hindurch erfasst werden sollen. Die Lebensmittelindustrie ist sicherlich ein Hauptanwendungsgebiet dieses Sensors. Es gibt aber ebenso viele Einsatzmöglichkeiten im Maschinen- und Anlagenbau oder in der chemischen Industrie. Durch Klebemontage ist er sogar während des Betriebs leicht an bestehenden Anlagen anzubringen. Durch Umsetzen des Sensors ist der Schaltpunkt problemlos nachträglich an veränderte Betriebsbedingungen anzupassen.

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