Hydrostatische Drucksensoren gewinnen durch ihre einfache Anwendung und schnelle Inbetriebnahme weiterhin an Popularität in der kontinuierlichen Füllstandsmessung. Aber „Was versteht man unter dem hydrostatischen Druck?“, „Wie funktioniert die hydrostatische Füllstandsmessung?“ und „Wie kann man mit diesem Messprinzip den Füllstand zuverlässig messen?“
Was versteht man unter der hydrostatischen Füllstandsmessung und welche Auswirkung hat die temperaturbedingte Dichteänderung darauf?
Hydrostatische Drucksensoren dienen der Messung des Füllstandes oder der Füllhöhe einer Flüssigkeit. Die hydrostatische Druckmessung eignet sich für die Füllstandsmessung aufgrund der hydrostatischen Wirkung strömungsfreier Fluide. Dieses physikalische Prinzip beschreibt die Wirkung der Gewichtskraft einer ruhenden, sprich strömungsfreien Flüssigkeit auf einen Messpunkt.
Die Funktionsweise der hydrostatischen Füllstandsmessung basiert auf folgendem Prinzip: Eine Flüssigkeit bewirkt durch ihre spezifische Dichte und die Schwerkraft eine entsprechend der Füllhöhe ansteigende Gewichtskraft. Diese proportional zur Füllhöhe ansteigende Gewichtskraft nennt man Flüssigkeitssäule. Wählt man also einen hydrostatischen Drucksensor, z. B. eine Pegelsonde/Tauchsonde Typ LF-1 zur Messung des Füllstandes, so misst dieser die höhenabhängig auf ihn wirkende Gewichtskraft der Flüssigkeitssäule als hydrostatischen Druck. Aus dem gemessenen hydrostatischen Druck und der Dichte des Füllgutes kann nun die Füllhöhe des Behälters berechnet werden.
Die hydrostatische Füllstandsmessung erfreut sich seit Jahren einer hohen Beliebtheit und stellt die mit Abstand häufigste Form der elektrischen Füllstandsmessung dar. Sie zeichnet sich vor allem durch ihre hohe Zuverlässigkeit und den sehr geringen Installationsaufwand aus. Dennoch müssen einige Faktoren beachtet werden, um eine möglichst präzise Füllstandmessung zu erhalten.
Einfluss von Temperaturschwankungen
Bei der hydrostatischen Füllstandsmessung wirken ich Temperaturschwankungen im Medium auf die Genauigkeit des Messergebnisses aus. Doch warum ist das so und wie kann man den Temperatureinfluss auf die hydrostatische Füllstandsmessung minimieren?
Im Blogbeitrag „Hydrostatische Füllstandsmessung in offenen Geometrien und Behältern“ wird die Berechnung der Füllstandshöhe näher erläutert. Die hydrostatische Füllstandsmessung ist nicht von der Behälterform abhängig und lässt sich mit der Formel h = p / (ρ * g) berechnen.
h: Füllstandshöhe
p: Hydrostatischer Druck
ρ: Mediendichte
g: Fallbeschleunigung
m: Masse
V: Volumen
Die Mediendichte ρ = m / V unterliegt jedoch dem Einfluss der Temperatur. Der Grund dafür ist die physikalische Gesetzmäßigkeit, dass sich ein Volumen bei Temperaturerhöhung unter konstantem Druck ausdehnt. Das heißt, mit steigender Temperatur schrumpft die Mediendichte und umgekehrt. Da der hydrostatische Druck p in offenen Behältern dabei konstant bleibt, hat der Einfluss der Temperatur eine negative Auswirkung auf das Messergebnis. Deshalb ist der gemessene hydrostatische Druck einer Flüssigkeit immer in Korrelation zur Medientemperatur zu setzen.
Fallbeispiel: Abweichungen der Genauigkeit ohne Temperaturkompensation
Die Dichte von Wasser beträgt bei Raumtemperatur (20 °C) 998,20 kg/m³. Wird nun derselbe Dichtewert für die Berechnung bei 80 °C warmem Wasser angenommen, so tritt ein Messfehler von 2,7 % auf, da die Dichte von 80 °C warmem Wasser nur 971,79 kg/m³ beträgt (vgl. Titelbild). Bei Ölen und Kraftstoffen fällt die temperaturbedingte Dichteänderung noch größer aus und so ist bei einem Motorenöl im gleichen Rechenbeispiel eine Messabweichung von ca. 4,5 % zu erwarten.
Möchte man lediglich den Füllstand überwachen und die Genauigkeit spielt eine untergeordnete Rolle, so ist eine Temperaturkompensation durch Korrektur der Dichte (vgl. Titelbild) nicht notwendig. Auch ist diese nicht nötig, wenn keine oder nur geringe Temperaturschwankungen im Prozess herrschen. Wird aber eine präzise hydrostatische Füllstandsmessung bei schwankenden Medientemperaturen gefordert, ist eine Kompensation der temperaturbedingten Dichteänderung zwingend erforderlich. Mit der Kenntnis über die aktuelle Medientemperatur kann die tatsächliche Dichte zur Berechnung der Füllstandshöhe herangezogen werden. Ein temperaturbedingter Messfehler ist somit ausgeschlossen.
Hinweis
Als führender Hersteller von hydrostatischen Füllstandssensoren bietet WIKA eine große Auswahl an Pegelsonden, auch mit integrierter Temperaturmessung. Gerne berät Sie Ihr Ansprechpartner zur Auswahl der geeigneten Produktlösung.
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Hydrostatische Füllstandsmessung in offenen Geometrien und Behältern – Berechnung der Füllhöhe
Hydrostatische Füllstandsmessung in geschlossenen Geometrien – Berechnung der Füllhöhe
Was ist eigentlich eine Pegelsonde/ Tauchsonde?
Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie auch auf unserer
Informationsplattform “Hydrostatische Füllstandsmessung” (in englischer Sprache)
