Das Funktionsprinzip optischer Füllstand-Sensoren beruht auf der Lichtbrechung an der Grenze zweier Umgebungen mit unterschiedlichem Lichtbrechungsindex. Die Sensoren bestehen im Wesentlichen aus einem Prisma und einem Kunststofflichtleiter. Über diesen Lichtleiter sendet eine externe Quelle ein optisches Signal, meist einen permanenten Lichtstrahl im sichtbaren Spektrum.

Für spezielle Anwendungen, beispielsweise hoch lichtempfindliche Flüssigkeiten wie Entwicklerlösungen oder viele Lebensmittel, sind auch andere Spektren – zum Beispiel Infrarot-, Blau- oder Rotlicht – sowie gepulstes Licht denkbar.

Das Prisma an der Sensorspitze ist in der Regel so geformt, dass das Licht in Umgebungsluft intern reflektiert und über den Lichtleiter zurück zur Quelle gesendet wird. Berührt das Prisma hingegen eine Flüssigkeit, ändert sich der Brechungsindex des Lichts: Anstatt reflektiert zu werden, tritt das Licht zum großen Teil in die Flüssigkeit ein. Ein an der Quelle angebrachtes Steuergerät erkennt daraufhin die Unterbrechung des reflektierten Lichtstroms.

Der Lichtleitersensor LFP 1010-020 wiegt nur 28 g und entspricht Schutzart IP68.

Da im Normalzustand das Signal anliegt, ist eine Lichtleiterlösung fail-safe – bei einem Kabelbruch oder wenn sich der Sensor gelöst hat, wird ein Überlaufen verhindert. Für eine Füllstand-Messlösung mit Lichtleiter ist neben dem eigentlichen Sensor ein Lichtleiterverstärker nötig.

Dies können Geräte mit einer Distanzeinstellung über Potentiometer, Teach-In mit zusätzlicher manueller Feineinstellung sowie Impulsverzögerung und -verlängerung oder auch Geräte mit Digitalanzeige sein. Der Lichtleiterverstärker sendet, verstärkt und empfängt den Lichtstrahl und schaltet bei unterbrochenem Strahl beispielsweise eine angeschlossene Pumpe ein.

Prädestiniert für den Ex-Bereich

Im Gegensatz etwa zu kapazitiven Sensoren brauchen optische Lichtleiter keinerlei Stromversorgung. Somit liegt weder Spannung an noch können elektromagnetische Effekte auftreten. Zudem produzieren Lichtleiter keinerlei Abwärme. Anders als mechanische oder hydrostatische Sensoren arbeiten Lichtleiterlösungen absolut bewegungsfrei, so dass keine kinetische Energie freigesetzt werden kann.

Die Auswertung der Signale erfolgt in sicherem Abstand im Lichtleitergerät – alles Punkte, die für einen Einsatz von Lichtleiterlösungen in explosionsgefährdeten Umgebungen sprechen. Durch die räumliche Trennung von Lichtleiter und Steuergerät lassen sich Lichtleiterlösungen in Anwendungen nutzen, bei denen wenig Platz für die Sensoren zur Verfügung steht.

Die nur wenige Millimeter breiten Lichtleiterköpfe sind problemlos in engen Umgebungen wie Steigrohren oder Leitungen unterzubringen. Mit entsprechenden Steuergeräten ist auch eine zentrale Auswertung ganzer Sensorreihen ohne großen Aufwand zu realisieren. Die optischen Sensoren mit Lichtleitern haben allerdings auch ihre Grenzen: So erkennen sie zwar sowohl leitende als auch nicht leitende Flüssigkeiten in einem weiten Temperatur- und Druckbereich – die zu erkennende Flüssigkeit muss jedoch einen Lichtbrechungsindex haben, der sich ausreichend stark von der Umgebungsluft unterscheidet.

Bei bestimmten, meist weißlich-trüben Flüssigkeiten wie Milch oder weißer Farbe ist dies oft nicht der Fall. Ebenfalls ungeeignet sind klebrige oder zähflüssige Stoffe, die der Optik anhaften. Auch korrodierende oder extrem lichtempfindliche Stoffe erfordern eine andere Sensortechnologie.

Autor: Norbert Matthes ist Produkt Manager Sensoren bei Contrinex Deutschland in Nettetal.