Bei der Füllstandmessung von Schüttgütern oder Flüssigkeiten liegt die Herausforderung darin, unterschiedliche Aspekte miteinander zu verknüpfen. Dabei sind zunächst die charakteristischen Eigenschaften einzelner Materialien wie Feuchtigkeit, Staubbildung oder Anhaftung zu betrachten. Da sich Schüttgut und Flüssigkeit aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften unterschiedlich verhalten, führt eine unpassende Wahl des Mess-gerätes zu Fehlmeldungen. Unternehmen benötigen dementsprechend für ihre unterschiedlichen Einsatzorte – wie beispielsweise Silos oder Abfüllanlagen – Messgeräte, die an die verschiedenen Aufgaben und unterschiedlichen Mate-rialeigenschaften angepasst sind.

Manche Entscheidungen stellen sich zudem mit der Zeit als technisch falsch oder auch als kaufmännisch bedenklich heraus. Zur Veranschaulichung ein Beispiel aus der Praxis: Ein Silo wird in zeitlich gleichbleibenden Abständen mit Mehl gefüllt. Des günstigen Preises wegen wählt der Anlagenbetreiber ein kontinuierlich messendes Ultraschallgerät zur Füllstandmessung aus. Er will lediglich während des Mehlverbrauchs den Füllstand im Silo messen. Soweit funktioniert das System. Bei der Befüllung des Silos wird jedoch Mehlstaub aufgewirbelt. Durch den Staub hindurch kann das Ultraschallgerät nicht messen; in der Folge erbringt es das erforderliche Signal zur Silo-Vollmeldung bei Staubbildung nicht. Es löst eine Fehl- oder Störmeldung aus und ist damit für diese Anwendung insgesamt weniger geeignet.

Nass, staubig oder klebend?

Grundsätzlich beeinflussen die charakteristischen Merkmale des Füllgutes im Abfüll- oder Messprozess die Auswahl des geeigneten Messverfahrens. Erst wenn diese Frage geklärt ist, kann die Ausführung des Messgerätes festgelegt werden. Oft wird jedoch die Qualität eines Messgerätes mit der grundsätzlichen Anwendbarkeit des Messprinzips verwechselt. Zwei Anwendungsfälle beschreiben diese Thematik:

Drehflügelanzeiger als Voll- und Leermelder

Beispielsweise benötigte ein Unternehmen aus der Molkereibranche an unterschiedlichen Einsatzorten, wie etwa in den Milchpulver-Silos, den Vorlauf- und Nachlaufbehältern und den sogenannten Trockentürmen, eine sichere Füllstandmesstechnik. Da bei Milchpulver die Bildung von Staubexplosionen möglich ist, entschied sich das Unternehmen für ein Gerät, das speziell für explosionsgefährdete Bereiche, Temperaturen bis +350 °C und erhöhten Druck ausgelegt ist. Das Gerät nutzt das Drehflügel-Verfahren und besitzt den Ex-Schutz für Zone 20 und 21. Vorteil dieses Drehflügelanzeigers ist die Einsatzmöglichkeit als Voll- und Leermelder in fast allen Schüttgütern. Erreicht das Material den Drehflügel, stoppt dieser und löst das Voll-Signal aus.

Produktberührende Teile des Dreh­flügelanzeigers sind aus Edelstahl, der Dichtungsring ist aus Teflon.

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Die Messung erfolgt zudem sicherheitsorientiert durch die Rotationsüberwachung der Welle: Als Vollmelder verhindert das Messgerät das Überlaufen eines Silos auch dann, wenn Störungen wie Spannungsausfall oder Drahtbruch in der Zuleitung auftreten. Wenn kein Signal ansteht und die Welle sich nicht mehr dreht, wird eine Störung am Gerät angezeigt und gleichzeitig ein „Voll“-Signal erzeugt, welches die Befüllung des Silos stoppt und damit dessen Überfüllung verhindert.

Wird das Gerät als Leermelder eingesetzt, meldet es bei Ausfall der Betriebsspannung den Status „leer“. Das Gerät besitzt einen großen Klemmenraum für den Anschluss der Kabel und einen drehbaren Gerätekopf zur exakten Ausrichtung der Anschlüsse nach der Montage.

Der Gerätekopf lässt sich zur Wartung, Kontrolle oder zum Austausch vom Prozessanschluss abziehen. Auch die Schaltempfind-lichkeit ist einstellbar. Neben der klassischen Mikroschalterversion mit sicherheitsgerichteter Schaltung setzt das Molkerei-Unternehmen die Version mit elektronischer Einschalt- und Ausschaltverzögerung ein, die unru-hige Produktbewegungen bei der Befüllung oder Entleerung des Silos berücksichtigt. Die elektronisch geregelte Innenbeheizung für sehr niedrige Umgebungstemperaturen ist eine optionale Funktion, die den Einsatz bis zu einer Temperatur von –30 °C erlaubt. Da sich der Motor durch seine Eigendrehung beim Festhalten des Flügels aus seiner Position herausdreht und so die Mikroschalter betätigt, kann auch die Rückzugfeder des Motors in ihrer Stärke und Einstellung verändert werden. Je nach Material und Paddelgröße wird die passende Feder gewählt. Ein weiterer Vorteil neben der Konfigurierbarkeit ist die Leistungsfähigkeit des Drehflügelprinzips. Während andere Hersteller das Messprinzip „Drehflügel“ nur bis +80 °C empfehlen, können die MBA-Drehflügel-Geräte bei hoher Feuchtigkeit, in korrosiver Atmosphäre, wie bei Salzen, oder bei extrem hohen Temperaturen bis +1000 °C eingesetzt werden. So wird das Gerät auch anspruchsvollen Anwendungsfällen gerecht.

Schwinggabel versus Schwingstab

Bei einem Kunden aus der Kunststoff-Recycling-Branche ist mithilfe von Füllstandsensoren die Befüllung der Dosierbehälter zur Übergabe von Shredder-Chips an die Kühlschnecke diskontinuierlich zu überwachen. Zunächst wird ein einfaches Füllstandmessgerät eingesetzt, das jedoch nicht zuverlässig schaltet – es ist nicht sensibel genug. Daraufhin lässt das Recycling-Unternehmen einen Schwingflügel installieren. Den Einsatz eines Schwingstabes an Stelle einer Schwinggabel bestimmten die Rahmenbedingungen.

Die Vibration des messerförmigen Schwingflügels kann man nur fühlen aber nicht sehen. Bei der kleinsten Berührung hört die Schwingung auf und ein leises „Klick“ verrät einen Schaltvorgang: Der Alarm ist ausgelöst.

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Zweifelsohne ist die Schwinggabel bei einigen pulverförmigen Schüttgütern einsetzbar, neigt das Schüttgut allerdings zu Verbackungen oder handelt es sich um grobkörniges Material, das sich zwischen den Gabelenden verklemmen kann, wird die Schwingung behindert. Eine sichere Signalgebung und damit eine sichere Messung sind dann unmöglich. Als Lösung eignet sich daher der Schwingstab, hier ist ein Verklemmen ausgeschlossen. Dabei ist zwischen unechtem Schwingstab – dem Stab-in-Rohr-System – und echtem Schwingstab – dem Ein-Stab – zu unterscheiden. Während bei leichtem Verbiegen des unechten Schwingstabs der Innenstab das ihn umgebende Außenrohr berühren kann, damit die Schwingung blockiert und eine Messung unmöglich ist, kann der echte Schwingstab durchaus ver-bogen werden. Er schwingt weiter und funktioniert einwandfrei.

Der Ein-Stab wird auch Schwingflügel genannt, da der „Flügel“ in Fließrichtung des Schüttguts abgeflacht ist. Mit einer Nano-Beschichtung versehen, umfließt ihn das Schüttgut ohne anzu-backen. Auch hier bestimmt die kon-struktive Qualität des Gerätes dessen Einsatzmöglichkeiten.

Das Messprinzip des Schwingflügels ist einfach: Berührt das Füllgut den Schwingflügel, wird die Schwingung gedämpft. Die Elektronik registriert diese Dämpfung und schaltet ein binäres Signal. Sinkt der Füllstand ab, gibt er den Schwingflügel wieder frei und dieser beginnt, wie vorher, ungedämpft zu schwingen; das Signal schaltet zurück.

Autor: Hans-Heinrich Westphal ist Geschäftsführer bei MBA Instruments.