Ratgeber Füllstand messen für Flüssigkeiten und Schüttgüter

Das Wichtigste auf einen Blick

Von der Anforderung bis zur Abnahme: fünf Arbeitsschritte

Eine Messstelle entsteht in fester Reihenfolge: erst die Aufgabe, dann das Medium, dann der Behälter, dann das Gerät. Wer den letzten Schritt vorzieht, kauft am Bedarf vorbei.

Schritt eins legt fest, was die Messstelle leisten muss. Ein Überfüllschutz in Zone 0 stellt andere Anforderungen als eine Bestandsmessung in einem offenen Becken.

In Schritt zwei entsteht das Lastenheft für das Medium. Wasser mit einer Dielektrizitätszahl von etwa 80 verhält sich für Radar völlig anders als trockenes Zementmehl mit einem Wert um 3.

Schritt drei prüft die Einbausituation. Ein Stutzen von 100 Millimetern Länge verengt den Radarstrahl, ein laufendes Rührwerk erzeugt Oberflächenwellen, ein tangentialer Einlauf schiebt den Füllstand schräg.

Schritt vier vergleicht verfügbare Geräte. Endress+Hauser, VEGA, Siemens, Krohne und Sick decken alle gängigen Prinzipien ab, unterscheiden sich aber bei Zulassungen, Prozessanschlüssen und Bedienkonzepten.

Schritt fünf entscheidet über die späteren Stillstandskosten. Wer Prüffrist, Referenzmessung und Ersatzteil schon bei der Bestellung festlegt, verkürzt jede Wartung.

Kontinuierliche Verfahren: Radar, Ultraschall, kapazitiv, hydrostatisch

Freistrahlendes Radar gilt als flexibelstes Verfahren für Flüssigkeiten und Schüttgüter. Das Gerät sendet einen kurzen Impuls, empfängt das Echo der Oberfläche und rechnet die Laufzeit in eine Entfernung um. Moderne Geräte arbeiten bei 80 Gigahertz, wodurch Antennen klein bleiben und der Strahl eng wird.

Typische Vertreter sind VEGAPULS von VEGA, Micropilot von Endress+Hauser, SITRANS LR von Siemens und OPTIWAVE von Krohne. Die Produktübersicht von VEGA zu Füllstandsensoren zeigt die Gerätefamilien mit Messbereichen, Prozessanschlüssen und Zulassungen.

Geführtes Radar führt die Laufzeitmessung entlang einer Stab- oder Seilsonde. Das Verfahren arbeitet nach Herstellerangaben ab einer Dielektrizitätszahl von etwa 1,4 und bleibt bei Schaum, Dampf und bewegter Oberfläche stabiler als freistrahlendes Radar.

Vertreter sind Levelflex von Endress+Hauser, VEGAFLEX von VEGA, OPTIFLEX von Krohne sowie LFP Inox und LFP Cubic von Sick. Die Sonde berührt das Medium, deshalb verkürzen Anbackungen und Abrasion die Lebensdauer.

Ultraschall nutzt Schalllaufzeiten im Luftraum über dem Medium. Das Verfahren ist berührungslos und günstig, arbeitet in Behältern häufig bis rund 15 Meter und wird von VEGASON, Prosonic von Endress+Hauser und SITRANS LUT von Siemens abgedeckt.

Die Grenzen liegen im Übertragungsweg. Temperaturschichten, Dampf, Staub, Schaum und Kondensat dämpfen oder beugen den Schall. Bei starkem Dampf und in Kühltürmen ist Radar die sicherere Wahl.

Kapazitive Sonden bilden mit Behälterwand und Medium einen Kondensator. Die Kapazität steigt mit Füllhöhe und Dielektrizitätszahl. Unter etwa 1,5 wird das Signal klein, weshalb trockene Schüttgüter mit Vorsicht zu planen sind.

Beispiele sind VEGACAP, Multicap von Endress+Hauser und SITRANS LC von Siemens. Anbackungen verändern die Nullkapazität dauerhaft, deshalb gehören Sonde und Elektronik in den Prüfplan.

Hydrostatische Messung schließt vom Druck am Behälterboden auf die Füllhöhe. Es gilt p gleich rho mal g mal h. Das Verfahren funktioniert nur bei bekannter und konstanter Dichte und passt für Wasser, Abwasser und wässrige Lösungen.

Tauchfähige Messumformer hängen direkt im Medium und messen die Druckhöhe der überstehenden Säule, etwa der SITRANS LH100, ein tauchfähiger hydrostatischer Füllstandsmessumformer von Siemens. Ein Millibar entspricht rund einem Zentimeter Wassersäule.

Grenzstand überwachen: Schwinggabel, Schwimmer, Grenzstandschalter

Die Schwinggabel ist der Standard für Grenzstände in Flüssigkeiten. Eine Stimmgabel schwingt bei einer festen Frequenz, die beim Bedecken mit Flüssigkeit abfällt. Das Gerät meldet dann Voll oder Leer, unabhängig vom Messprinzip der kontinuierlichen Messung.

Bekannte Baureihen sind Liquiphant FTL von Endress+Hauser, VEGASWING von VEGA, SITRANS LVL200 von Siemens, OPTISWITCH von Krohne und LFV200 von Sick. Für Flüssigkeiten ab etwa 0,5 Gramm pro Kubikzentimeter ist der Schaltpunkt stabil.

Für Schüttgüter gibt es Vibrationsstäbe wie VEGAVIB oder LBV300 von Sick. Sie reagieren auf Bedeckung mit Pulver, Granulat oder Pellets und sind unempfindlich gegen Staub.

Schwimmerschalter arbeiten mit einem Auftriebskörper und einem Magneten, der einen Reedkontakt schaltet. Sie sind in Pumpwerken, Regenüberlaufbecken und Hebeanlagen verbreitet, weil sie ohne Hilfsenergie auskommen.

Die Schwachstelle liegt in den beweglichen Teilen. Faserige Medien, Kalk oder Fette können den Schwimmer blockieren, dann bleibt der Kontakt in der falschen Stellung.

Kapazitive Grenzstandschalter erfassen die Bedeckung der Sonde. Konduktive Sonden brauchen eine leitfähige Flüssigkeit, üblich sind Leitfähigkeiten ab etwa einem Mikrosiemens pro Zentimeter.

Drehflügelmelder arbeiten in Silos. Ein Motor dreht einen Flügel, der beim Bedecken stehen bleibt. Dreht der Flügel frei, liegt der Füllstand unter dem Einbauort.

Wer wassergefährdende Stoffe lagert, plant Grenzstandmelder als Teil der Überfüllsicherung nach dem Wasserhaushaltsgesetz und der zugehörigen Verordnung für Anlagen mit wassergefährdenden Stoffen.

Störgrößen: Dielektrizitätszahl, Schüttgutwinkel, Schaum und Kondensat

Die Dielektrizitätszahl beschreibt, wie stark ein Medium ein elektrisches Feld verändert. Sie entscheidet über die Amplitude des Radarreflexes und über die Empfindlichkeit kapazitiver Sonden.

Wasser liegt bei etwa 80, Milch und wässrige Lösungen in ähnlicher Größenordnung. Mineralöle liegen bei etwa 2, Kunststoffgranulat bei etwa 2,5, trockenes Zementmehl bei etwa 3. Bei solchen Werten braucht freistrahlendes Radar eine ruhige Oberfläche und einen kurzen Weg.

Der Schüttgutwinkel bestimmt die Oberflächenform im Silo. Schüttkegel zwischen 20 und 45 Grad entstehen beim Befüllen, beim Austrag bildet sich ein Trichter. Radar muss den Kegel erfassen, deshalb sitzt der Sensor mittig über dem Behälter.

Geführtes Radar folgt der Oberfläche am Seil oder Stab und ist bei stark wechselnden Schüttgutwinkeln im Vorteil. Ultraschall scheitert an staubigen Schüttgütern häufig wegen der Schallabsorption.

Schaum auf Flüssigkeiten ist der häufigste Störfaktor. Fester Schaum reflektiert Radar bereits an der Schaumdecke, Ultraschall wird stark gedämpft, geführtes Radar arbeitet oft bis durch den Schaum.

Kondensat bildet Tropfen an Antenne oder Sondenkopf. Diese Tropfen erzeugen Störechos nah am Gerät. Abhilfe schaffen eine Linsenantenne, eine beheizte Antenne oder ein Einbau mit Kondensatablauf.

Anbackungen, Rührwerke, Einströmungen und Einbauten erzeugen weitere Störechos. Eine Referenzmessung beim Abgleich trennt Nutzecho und Störecho sauber.

Bei unruhiger Oberfläche hilft ein Beruhigungsrohr oder ein Bypass mit seitlicher Anbindung. Der Sensor sieht dann eine ruhige Säule, und die Messung bleibt auch bei Rührbetrieb stabil.

Ex-Zonen, Normen und Zulassungen

In explosionsgefährdeten Bereichen gilt die Richtlinie 2014/34/EU zu Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen. Sie legt die Gerätekategorien fest, die Betreiber in ihre Zonenplanung übersetzen.

Zündschutzarten wie Ex ia, Ex d, Ex e und Ex tb legen fest, wie ein Gerät einen Zündfunken oder eine heiße Oberfläche verhindert. Zusätzlich gelten Temperaturklassen und die Staubgruppen IIIA, IIIB und IIIC.

Normen ergänzen die Richtlinie. Die Reihe IEC 61508 beschreibt Sicherheitsfunktionen bis SIL 3, die Normenreihe IEC 60079 die Geräte für explosionsgefährdete Bereiche, IEC 60529 die Schutzarten gegen Wasser und Staub.

Für die Messstelle selbst ist VDI/VDE 3519 die bekannte Normenreihe zur Füllstandmesstechnik. In der Lebensmittel- und Pharmaindustrie kommen Anforderungen aus EHEDG und 3-A sowie FDA-konforme Werkstoffe hinzu.

Wer Geräte für den Export plant, prüft zusätzlich das IECEx-Schema. In vielen Anlagen wird die Zulassung mehrfach verlangt: einmal nach Richtlinie, einmal nach IECEx, einmal nach Kundenvorschrift.

Die Zonenplanung gehört in die Dokumentation der Anlage. Jede Messstelle erhält darin ihre Zone, ihre Kategorie und ihre Zündschutzart, damit Ersatzgeräte ohne Rückfrage bestellt werden können.

Inbetriebnahme, wiederkehrende Prüfung und Dokumentation

Die BetrSichV im Gesetzesportal des Bundes regelt Inbetriebnahme, Wartung und Prüfung von Arbeitsmitteln und überwachungsbedürftigen Anlagen. Für Füllstandsmessstellen bedeutet das: Prüfung vor der ersten Inbetriebnahme und danach in festen Fristen.

Der Anhang 2 der BetrSichV zu Prüfungen und Instandhaltung benennt die wiederkehrenden Prüfungen und die dafür nötige Befähigung. Geprüft wird von einer befähigten Person, die Ergebnis und Frist dokumentiert.

Vor der Inbetriebnahme stehen Nullpunkt und Endwert auf dem Programm. Bei hydrostatischen Geräten wird der Nullpunkt bei leerem Behälter gesetzt, bei Radargeräten die Nullstrecke bis zur Oberfläche abgeglichen.

Danach folgt der Funktionstest mit einer Referenz. Dazu gehört eine unabhängige Messung, etwa ein Handpegel oder eine zweite Sonde, damit die Anzeige nachweisbar stimmt.

Für jedes Gerät werden Lebenslauf und Prüfergebnis geführt. Fällt ein Sensor durch Drift auf, hilft ein Blick in die Historie: Erst dann lassen sich Anbackung, Alterung und Prozessänderung unterscheiden.

Rechenbeispiel: Messbereich, Totzone und Druckäquivalent

Beispiel eins betrifft eine hydrostatische Messung in einem offenen Wassertank. Der Behälter ist 8,00 Meter hoch, die maximale Füllhöhe beträgt 6,00 Meter, die Dichte liegt bei 998 Kilogramm pro Kubikmeter.

Der Druck am Boden ergibt sich zu 998 mal 9,81 mal 6,00, also 58.742 Pascal oder 0,587 bar. Gewählt wird ein Messumformer mit 0 bis 1 bar Messbereich.

Bei 0,5 Prozent Genauigkeit vom Endwert sind das 5 Millibar. Ein Millibar entspricht rund 1,02 Zentimetern Wassersäule, die Messunsicherheit liegt also bei etwa 5 Zentimetern Füllhöhe.

Beispiel zwei betrifft die Totzone eines Radarsensors. Der Behälter ist 15,00 Meter hoch, der Flansch sitzt oben, die Totzone beträgt 0,30 Meter, die Reserve am Boden 0,20 Meter.

Der nutzbare Messbereich reicht damit von 0,30 Meter bis 14,80 Meter, also über eine Spanne von 14,50 Metern. Wer die Totzone ignoriert, verliert bei jedem Befüllvorgang die letzten Zentimeter bis zum Überlauf.

Häufige Fragen

Reicht Ultraschall statt Radar?

Ultraschall reicht bei ruhigen, staubfreien und dampffreien Verhältnissen bis etwa 15 Meter. Bei Schaum, Kondensat, Dampf oder starken Temperaturschichten ist Radar die zuverlässigere Wahl.

Welche Dielektrizitätszahl braucht eine kapazitive Sonde?

Kapazitive Sonden arbeiten zuverlässig oberhalb einer Dielektrizitätszahl von etwa 1,5. Darunter wird das Signal so klein, dass Anbackungen und Temperaturdrift die Messung überlagern.

Wie oft muss ein Füllstandssensor geprüft werden?

Die Frist folgt aus der Gefährdungsbeurteilung und den Vorgaben der BetrSichV. Üblich sind jährliche Sichtprüfungen und ein Abgleich im Abstand von zwei bis fünf Jahren.

Was hilft gegen Schaum auf der Oberfläche?

Geführtes Radar arbeitet häufig bis durch den Schaum. Alternativ kommen eine zweite Messstelle, eine Beruhigungsstrecke oder eine Grenzstandsonde zur Überfüllsicherung infrage.

Kann Radar in Zone 0 eingesetzt werden?

Ja, mit passender Zulassung und Zündschutzart. In Zone 0 sind Geräte der Kategorie 1G nötig, in Staubzone 20 die Kategorie 1D. Die Auswahl prüft man gegen die Zonenplanung der Anlage.