So funktioniert die hydrostatische Füllstandmessung
Eine Flüssigkeitssäule drückt auf den Behälterboden mit einem Druck, der nur von ihrer Höhe und Dichte abhängt, nicht von Form oder Volumen des Behälters. Ein Drucktransmitter am Boden oder eine in die Flüssigkeit gehängte Tauchsonde misst deshalb den Füllstand:
p = ρ × g × h
ρ ist die Dichte in kg/m³, g die Fallbeschleunigung und h die Flüssigkeitshöhe über der Membran. Mit Normfallbeschleunigung ergibt ein Meter Wasser bei 20 °C 9,789 kPa bzw. 97,89 mbar.
Den Messbereich des Transmitters wählen
Der Transmitter wird so kalibriert, dass 4 mA dem niedrigsten und 20 mA dem höchsten zu messenden Füllstand entsprechen:
LRV = ρ × g × (hmin + h0) URV = ρ × g × (hmax + h0)
h0 ist die Höhe des Nullniveaus über dem Transmitter. Ein Transmitter an einem Stutzen 0,3 m unter dem Behälterboden sieht immer 0,3 m zusätzliche Flüssigkeit; der Messanfang liegt dann über null („angehobener Nullpunkt“). Die Messspanne bleibt gleich.
Wählen Sie einen Transmitter, dessen obere Messbereichsgrenze auf oder etwas über dem Messende liegt, damit die kalibrierte Spanne einen guten Teil des Sensorbereichs nutzt. Ein Sensor mit viel größerem Bereich wird stärker gespreizt, und seine meist auf die obere Messbereichsgrenze bezogenen Fehler werden im Vergleich zur Spanne groß; prüfen Sie das mit dem Rechner für die Transmittergenauigkeit.
Rechenbeispiel
Ein Wasserbehälter bei etwa 20 °C, Füllstand 0 bis 5 m, Transmitter am Behälterboden:
- Dichte 998,21 kg/m³, Druck pro Meter 9,789 kPa
- Messanfang 0 bar, Messende 0,48945 bar (489,45 mbar)
- Ein Füllstand von 3 m ergibt 0,29367 bar, 60 % der Spanne, 13,6 mA
Sitzt derselbe Transmitter 0,5 m unter dem Boden, wird der Bereich zu 0,04895 bis 0,53840 bar; die Spanne bleibt unverändert.
Dichte und Temperatur
Die Dichte ist die größte Fehlerquelle der hydrostatischen Füllstandmessung. Wasser hat bei 4 °C 999,97 kg/m³, bei 20 °C 998,21 kg/m³ und bei 60 °C 983,20 kg/m³: Ein kalt kalibrierter Behälter zeigt bei 60 °C warmem Wasser 1,5 % zu wenig an. Solen, Öle, Säuren und Schlämme weichen viel stärker ab, und ihre Dichte kann sich mit der Konzentration ändern. Verwenden Sie die Dichte bei Betriebstemperatur aus dem Prozessdatenblatt oder messen Sie sie.
Offene, geschlossene und druckbeaufschlagte Behälter
Offene oder belüftete Behälter. Ein Relativdrucktransmitter oder eine belüftete Tauchsonde misst die Flüssigkeitssäule direkt; der Belüftungsschlauch im Sondenkabel muss offen und trocken bleiben.
Geschlossene Behälter mit Gas oder Dampf über der Flüssigkeit. Der Gasdruck addiert sich zum Messwert. Verwenden Sie einen Differenzdrucktransmitter, dessen Minusseite mit dem Gasraum verbunden ist: Der Gasdruck wirkt auf beide Seiten und hebt sich auf. Mit trockener Referenzleitung gilt die Rechnung hier unverändert.
Nasse Referenzleitungen. Füllt sich die Minusleitung mit Kondensat oder einer Füllflüssigkeit, wirkt auf die Minusseite eine konstante Säule. Der Bereich verschiebt sich dann zu negativen Werten (Nullpunktunterdrückung) und muss mit Leitungshöhe und deren Dichte berechnet werden.
Häufige Fehler
In Meter Wassersäule für eine andere Flüssigkeit kalibrieren. Ein Transmitter mit 0–5 mH₂O zeigt bei einer Flüssigkeit mit 850 kg/m³ um 15 % zu wenig an.
Den Einbauversatz vergessen. Ein Transmitter unter dem Behälterboden zeigt die Stutzenhöhe auch bei leerem Behälter an.
Einen Druckbehälter mit einem Relativdrucktransmitter messen. Jede Änderung des Überlagerungsdrucks sieht wie eine Füllstandänderung aus.
Zu stark spreizen. Ein Transmitter 0–10 bar, eingestellt auf 0–0,5 bar, funktioniert, aber sein auf die Messbereichsgrenze bezogener Temperatureinfluss und seine Langzeitstabilität sind im Verhältnis zur Spanne zwanzigmal größer.
Häufige Fragen
Welche Einheiten kann ich verwenden?
Längen in m, cm, mm, ft und in; Druck in bar, mbar, kPa, psi, mH₂O und inH₂O. Wassersäulen beziehen sich auf 4 °C, wie im Druckeinheiten-Umrechner.
Wie rechne ich den Füllstand in Volumen um?
Das hängt von der Behältergeometrie ab: linear bei stehenden Zylindern, nicht linear bei liegenden Zylindern und Kugeln. Der Transmitter misst die Höhe; die Peiltabelle wird im Leitsystem hinterlegt.
Ist der 4–20-mA-Ausgang proportional zum Füllstand?
Ja, linear. Der Strom für einen beliebigen Füllstand steht unter „Bei“; der 4–20-mA-Umrechner rechnet Messwerte vor Ort um.