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Füllstandsensoren, die nach dem kapazitiven Messprinzip arbeiten, werden in unterschiedlichen Flüssigkeiten, Pasten, Schäumen und Schlämmen eingesetzt und können in allen Arten und Formen von Tanks, metallisch oder nicht-metallisch, implementiert werden. Dabei weisen sie eine sehr hohe Präzision in leitenden sowie nicht leitenden Medien auf. Schaut man sich das Ganze in der Praxis an, wird deutlich wie vielseitig einsetzbar das kapazitive Messprinzip in sehr unterschiedlichen Prozessbedingungen ist. Für eine stahlproduzierende Anlage wurde eine kontinuierliche Füllstandmessung, die unbeeinflusst von Dampf oder Druck-schwankungen innerhalb eines sehr kleinen Messbereichs funktioniert, mit dem NivoCapa® NC 8000 in Wasser zur Gaskühlung realisiert. Die bewährte Technologie mit aktiver Ansatzkompensation und abstimmbarem Oszillator stellte eine flexible Lösung zur Optimierung der Herstellungsprozesse dar.

Messgenauigkeit & korrosionsfeste Bauweise inkl. PFA-Abschirmung
Einer der Top 10 Stahlproduzenten weltweit war auf der Suche nach einer unempfindlichen und zugleich genauen kontinuierlichen Füllstandmessung von Kühlwasser innerhalb sehr kleiner verstreut platzierter Tanks zur Gaskühlung.
Im Zuge der Modernisierung der Produktionsstätten in Indien sollten mehrere Werke mit einer präzisen Füll-standüberwachung ausgestattet werden. Neben dem Befüllen und Entleeren mittels Pumpen, welche Druck-schwankungen innerhalb der Tanks verursachen, war das Vorhandensein von H2 Gas als kritischer Faktor für
die Auswahl geeigneter Messtechnik zu betrachten.

Mehrere von Sumit Majumder, Geschäftsführer der UWT Indien, und seinem Team durchgeführte Tests vor Ort mit verschiedenen Sensoren machten schnell klar, dass die Tanks mit dem kapazitiven Messprinzip der robusten NivoCapa® NC 8000 Sonde sicher überwacht werden können. Für den kleinen Messbereich der Anwendung von 1150 mm bot die Stabausführung NC 8100 mit einen Gesamtmessbereich bis zu 5 Meter (in der Seilversion bis zu 25 Meter) eine kompatible Lösung. Der NivoCapa® NC 8000 ist eine einfache und kostengünstige Füllstandüberwachung von wasserbasierten Flüssigkeiten oder Ölen sowie fließfähigen Pulvern. Gemessen wird die elektrische Kapazität im Prozess, welche proportional zum Füllstand im Behälter ist. Die mechanische Sonde besteht aus dem Messbereich mit flexibler Länge, und der aktiven Ansatzkompensation mit fester Länge. Sie liefert den elektrischen Kapazitätswert des Messbereiches bezüglich der Umgebung (Behälterwand, Mess-/Masserohr oder leitfähiges Material) und ist mit dem Messumformer verbunden. Der Füllstandsensor kann in großen Silos oder Tanks sowie kleinen Prozessbehältern, Pufferspeichern, Trichtern, Wannen, Bypässen oder Fallrohren verwendet werden. Die stabile, verschleiß- und abriebfeste Edelstahlsonde aus 1.4404 (316L) ist durch einen optional erhältlichen PFA Überzug für den Einsatz in aggressiven chemischen Medien bestens geeignet. Die unterschiedlichen Geräteausführungen ermöglichen Installationen von oben, unten und dank abgesetztem Gehäuse auch bei größeren Vibrationen oder sehr geringem Platzangebot. Die Gehäuse sind Aluminium pulverbeschichtet und die hohe Sensibilität ab einem DK-Wert von 1,5 gewährleitet eine hohe Funktionssicherheit und macht den Füllstandsensor flexibel in vielen Medien einsetzbar. Unterschiedliche Dielektrizität wird problemlos ausgewertet und detektiert. Der NC 8000 ist ein 2-Leiterinstrument mit analogen 4…20 mA Ausgangsignal nach NAMUR NE43. Er vereint eine einfach einzustellende Elektronik mit felderprobten Sondenauslegern. Die zusätzlich verbaute „Active Shield“ Technologie schützt mit aktiver Ansatzkompensation vor Messfehlern, welche durch Brückenbildung, Schäume, Materialablagerung und Anbackung entstehen können. Der flexible Messbereich kombiniert mit einer sehr hohen Auflösung, stellt präzise Messergebnisse sicher, auch bei extremen Prozesstemperaturen innerhalb eines Bereichs von -40 °C bis zu +200 °C sowie innerhalb eines Prozessüberdrucks bis zu 35 bar.
Der Stabsensor NivoCapa® NC 8100 setzt eine zuverlässige Füllstanddetektion innerhalb der Kühltanks mit einer variierenden Prozesstemperatur zwischen 80 °C und 150 °C problemlos um. Die kapazitive Messtechnologie realisiert eine sehr schnelle Messung (<1s) und wird auch nicht vom vorherrschenden Dampf oder Druckschwankungen beeinflusst. Der Einbau auf einem Stutzen erlaubt es zudem einen Messbereich bis zum Tankdeckel zu realisieren und mit maximaler Genauigkeit über die gesamte Länge des Sensors zu arbeiten. Die Füllstandmesser sind mit einem nutzerfreundlichen User Interface inklusive LCD Display mit Bedientasten und Diagnosefunktion leicht zu handhaben. Die Sensoren der kompletten NivoCapa® Serie verfügen neben einer WHG auch über die für die Anwendung innerhalb des Kühlsystems notwendigen internationalen Zulassungen für gas- und staubexplosionsgefährdete Bereiche.

Durch die Umsetzung der praktischen Lösung für eine funktionelle und sichere Füllstandmessung entsprechend den hohen Anforderungen und Standards des Stahlproduzenten wird ein reibungsloser Anlagenbetrieb optimal unterstützt.

Füllstandmessung mit kapazitiver Messtechnik

Um die kapazitive Füllstandmesstechnik zu erklären, ist es wichtig das Grundprinzip eines Kondensators zu verstehen. Ein Kondensator besteht aus zwei voneinander isolierten, leitfähigen Elektroden. Er hat die Fähigkeit, innerhalb eines elektrischen Feldes, Energie zwischen seinen Elektroden zu speichern. Gelangt nicht leitfähiges Material (= das Dielektrikum Ɛr) zwischen die Elektroden, erhöht sich die Menge an speicherbarer Energie und damit die Kapazität des Kondensators. Diese wird zusätzlich von den Dimensionen der Elektroden (Flächeninhalt A) und deren Abstand (d) zueinander bestimmt. Die Kapazität eines Plattenkondensators wird allgemein mit der Formel C = Ɛr * A/d beschrieben.
Mit diesem Verständnis lässt sich nun die Funktionsweise eines kapazitiven Füllstandsensors erklären. Dieser besteht aus einer medienberührenden, metallischen Sonde (Stab oder Seil), die zusammen mit einer leitfähigen Behälterwand als die beiden Elektroden eines Kondensators zu verstehen sind. Ein nicht-leitfähiges Medium, wie beispielsweise Öl (nicht leitfähige Medien < 1 µS/ cm), bildet das Dielektrikum zwischen diesen beiden Elektroden. Steigt nun der Füllstand an, vergrößert sich die Elektrodenfläche, was wiederum zu einer Erhöhung der Kapazität führt. Diese Kapazitätsänderung wird vom Sensor erkannt und zu einem, dem Füllstand proportionalen Signal umgewandelt.
Funktionsbedingt müssen kapazitive Füllstandsensoren oftmals auf das Medium abgeglichen und kalibriert werden (Leer- sowie Vollkapazität). Der Medienabgleich entfällt, wenn das zu messende Medium leitfähig ist, wie beispielsweise Wasser (leitfähige Medien > 100 µS), da in diesem Fall das Medium selber die zweite Elektrode darstellt. Als Dielektrikum dient die isolierende PFA-Stabummantelung, wodurch das Grundprinzip eines Kondensators wieder gegeben ist.

„Inverse Frequency Shift“ Technologie
Eine kleine Änderung der Kapazität ergibt eine relativ große Veränderung in der Frequenz
Was diese kapazitive Messtechnik zudem auszeichnet ist die einzigartige im Sensor verwendete „Inverse Frequency Shift“ Technologie. Es wird nicht direkt die Kapazität gemessen sondern vielmehr auch die Änderung einer erzeugten Frequenz ausgewertet.

Stellen Sie sich vor sie haben einen leeren Behälter, die Sonde ist nicht bedeckt, die Frequenz ist hoch und die Kapazität niedrig. Jetzt füllt sich der Behälter, die Sonde wird bedeckt und somit fällt die Frequenz und die Kapazität steigt. Was klar zu erkennen ist, eine kleine Änderung der Kapazität ergibt eine relativ große Veränderung in der Frequenz. Dadurch dass die Frequenz ausgewertet werden kann, können bereits kleine Änderungen im Füllstand detektiert werden. Somit ist eine sehr hohe Messgenauigkeit gegeben und der Sensor kann sehr empfindlich eingestellt werden.