Wie wählt man den richtigen Niveauschalter?

Es gibt verschiedene Niveausensor-Technologien, von denen Sie die meisten auf unserem Marketplace finden. Die verfügbaren Technologien sind mehr oder weniger an das Produkt angepasst, dessen Füllstand man messen will, d.h. an Flüssigprodukte, pastenförmige oder lose Festprodukte.

Sehen wir uns die Haupttechnologien der Niveauschalter an:

Niveauschalter mit Schwimmer: ein Schwimmer folgt den Bewegungen der Oberfläche einer Flüssigkeit und löst einen Umschalter aus.

Kapazitiver Niveauschalter: zusammen mit dem Reservoir bildet der Schalter einen elektrischen Kondensator, dessen Kapazität sich verändert, wenn der Füllstand den Detektor erreicht.

Konduktiver Niveauschalter : Wenn eine leitende Flüssigkeit mit den Sensorelektroden in Kontakt kommt, kann Strom fließen und den Schaltvorgang auslösen.

Grenzstandschalter / Schwinggabel: ein Stab oder Klingen vibrieren mit ihrer normalen Resonanzfrequenz. Erreicht das Produkt den Sensor, so werden die Schwingungen gedämpft und der Sensor schaltet um.

Drehflügel-Füllstandsdetektor dieses Modell funktioniert mit einem Lamellenmotor. Wenn das Produkt die Lamellen erreicht, wird die Drehung gestoppt und der Detektor schaltet um. 

Optoelektronischer Niveauschalter: hier wird das Licht einer Infrarot-LED von einem Prisma zu einem Empfänger reflektiert; hat der Flüssigkeitspegel das Prisma erreicht, wird der Strahl nicht mehr reflektiert, sondern in der Flüssigkeit gebrochen und der Detektor schaltet um.

Niveauschalter mit Schwimmer beruhen auf einem einfachen Prinzip: auf der Verbindung eines Schwimmers mit einem mechanischen oder magnetischen Gerät zum Umschalten (Reed-Umschalter). Es liegt in der Natur der Sache, dass ein in einer Flüssigkeit befindlicher Schwimmer dazu neigt, an der Oberfläche zu bleiben. Diesen Effekt nutzen wir hier aus, indem wir die Bewegungen eines Schwimmers erfassen, wenn die Flüssigkeitsoberfläche ihre Höhe im Tank erreicht.

Es gibt 3 Hauptmodelle von Schwimmer-Detektoren:

• Das Modell mit „schwebendem“ Schwimmer, das aus einem Schwimmer besteht, der am Ende eines Kabels hängt. Die Schaltvorrichtung (in der Regel mechanisch) befindet sich im Inneren des Schwimmers. Wenn die Flüssigkeitsoberfläche den Schwimmer erreicht, steigt dieser nach oben und kippt. Dies löst dann die Statusänderung der Schaltvorrichtung aus. Es handelt sich hier um eine einfache aber relativ unpräzise Technologie, die vielfach in Pumpen als Sicherheit für einen Leerlauf verwendet wird.
• Das vertikal montierte Modell, bei dem der Schwimmer entlang einer vertikalen Achse gleitet. Dieser Sensortyp verwendet einen Magnetschalter (Reed), der in die Achse integriert ist, wobei der Schwimmer mit einem Magneten ausgestattet ist. Der Detektor wechselt den Status, wenn die Flüssigkeit den Schwimmer auf die Höhe des Reed-Schalters anhebt.
• Das waagerecht montierte Modell, das aus einem Schwimmer besteht, der am Ende einer waagerechten Achse befestigt ist. Unter der Einwirkung der Flüssigkeit steigt der Schwimmer, was eine Änderung der Gelenkachsenneigung bewirkt. Auf diese Weise wird der Umschaltmechansmus des Detektors ausgelöst.

Vorteile:

• Die Niveauschalter mit Schwimmer eignen sich für alle Flüssigkeiten, sofern die Sensormaterialien mit der Flüssigkeit verträglich sind (Kunststoff für Säuren, Edelstahl für Wasser und Öle usw.);
• Sie sind zuverlässig, wirtschaftlich und einfach zu bedienen;
• Sie erfordern keine Eichung;
• Füllstandssensoren mit Schwimmer funktionieren unabhängig von der Art der Flüssigkeit, ihrer elektrischen Leitfähigkeit, den Druckbedingungen und der Temperatur innerhalb des Tanks und von Dämpfen, Schaum oder Turbulenzen an der Oberfläche; sie sind jedoch empfindlich gegen Wellenphänomene.

Kapazitive Füllstandssensoren basieren auf den Eigenschaften von elektrischen Kondensatoren. Der Detektor und die Wände des Tanks bilden gemeinsam die beiden Elektroden eines Kondensators, dessen Kapazität (elektrische Kapazität ausgedrückt in Farad) sich nach der Füllhöhe des Produktes im Tank richtet.

Füllstandsänderungen verursachen Kapazitätsänderungen, die von der integrierten Sensorelektronik in ein Schaltsignal umgewandelt werden.

Vorteile:

• Sehr robuste und zuverlässige Technologie;
• Keinerlei Wartungskosten;
• Wirtschaftliche Technologie;
• Montage der Detektoren in jeder beliebigen Lage;
• Der Detektor funktioniert mit Flüssigkeiten und Festststoffen, leitfähig oder nicht und ist widerstandsfähig gegen visköse oder anhaftende Produkte;
• Die Technologie ist gegen hohe Betriebstemperaturen und -drücke beständig.

Konduktive Niveauschalter werden ausschließlich bei leitenden Flüssigkeiten eingesetzt. In ihrer Grundkonfiguration bestehen sie aus zwei Elektroden, die durch einen Spalt getrennt sind und einen offenen Stromkreis bilden (zwischen den beiden Elektroden kann kein Strom fließen). Wenn das Flüssigkeitsniveau die Elektroden erreicht ist, die leitende Flüssigkeit den Stromkreis schließt und ein Strom zwischen den Elektroden fließt, wandelt die Sensorelektronik den Stromfluss in ein Schaltsignal um.

Diese Technologie funktioniert daher nur mit leitfähigen Flüssigkeiten wie Säuren, Laugen und wasserhaltigen Lösungen, während Kohlenwasserstoffe, Öle und Lösungsmittel, die in der Regel sehr schlecht leitfähig sind, mit dieser Technologie nicht kompatibel sind.

Diese Sensoren können mit agressiven Flüssigkeiten eingesetzt werden, wenn sie aus Materialien bestehen, die an diese Art von Flüssigkeiten angepasst sind.

Vorteile:

• Einfach, robust und wirtschaftlich;
• Vielfältige Montage- und Installationsmöglichkeiten;
• Keinerlei Wartungskosten;
• Die Möglichkeit mehrerer Umschaltpunkte durch die Auswahl eines Schalters mit mehreren Elektroden.

Die Niveauschalter mit Klingen und die Schalter mit Schwingstab basieren auf demselben Prinzip: ein Stab oder ein Paar Schwinggabelstäbe werden auf ihrer Resonanzfrequenz in Schwingungen versetzt (im Allgemeinen durch ein piezoelektrisches System). Wenn das gewünschte Produktniveau den Stab oder das Niveau dr Klingen ereicht,  werden die Schwingungen des sensiblen Elementes durch die umgebende Materie gedämpft.

Die Sensorelektronik wertet die Schwingungsamplitude und -frequenz aus und wandelt die durch das Produkt erhaltenen Variationen in ein Schaltsignal um.

Diese Technologie ist unempfindlich gegen natürliche oder produkttypsche Eigenschaften im Tank; sie kann mit Flüssigkeiten sowie groben und feinen körnigen Feststoffen sowie pulverförmigen Stoffen genutzt werden. Ein anderesr Vorteil legt darin, dass diese Detektoren auch im explosiven Bereich eingesetzt werden können; sie sind daher sehr interessant für die Lagerung von Rohstoffen sowie für die chemische und die Lebensmittelindustrie.

Vorteile:

• Unempfindlichkeit gegen das Produkt und seine Eigenschaften (Leitfähigkeit, Viskosität und Partikelgröße), Betriebsbedingungen (Temperatur, Druck), Turbulenzen, Schaum, Vibrationen und Verklebungen;
• Abriebfestigkeit;
• Einfach zu installieren und ohne Kalibrierung betriebsbereit;
• Selbstüberwachend;
• Keine Abnutzung, keine Wartung.

Das Prinzip des Drehflügel-Niveauschalters basiert auf einem Elektromotor, der mittels eines Antriebs und bei geringer Geschwindigkeit eine Achse mit einem oder mehreren Flügeln dreht.

Dieses Modell wird in Silos, Behältern, und Trichtern eingesetzt, um hohe und niedrige Füllstände von losen Feststoffen festzustellen. Wenn das Niveau des Produktes die Drehflügel erreicht, bremst das Produkt die Rotation und stoppt den Motor, was das Umschaltsignal des Schalters auslöst. 

Diese Niveauschalter werden häufig in Silos für Getreide, Zucker, Kakao, Tierfutter, Waschpulver, Kreide, Gips, Zement, Holzspäne usw. eingesetzt.

Vorteile:

• Messprinzip für einfache Anwendungen;
• Robuste Technologie;
• Keine Eichung erforderlich.

Die Funktionsweise des optoelektronischen Niveauschalters basiert auf einer Infrarot-DEL und einem Photorezeptor. Das Licht der DEL wird auf ein Glasprisma gesendet, das eine Spitze bildet, die ihrerseits die Sensorsonde darstellt. Solange dieses Prisma von Gas umgeben ist, wird das Licht durch das Prisma hindurch zum Empfänger reflektiert. Wenn das Flüssigkeitniveau das Prisma erreicht, wird der Lichtstrahl in der Flüssigkeit refraktiert und der Empfänger registriert einen Abfall der empfangenen Lichtintensität, was das Umschalten des Detektors auslöst.

Diese Detektoren funktionieren mit allen Flüssigkeiten; die Messung ist unabhängig von deren physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Dielektrizitätskonstante, Leitfähigkeit und Brechungsindex oder Farbe.

Sie sind robust, bestehen aus widerstandsfähigen Materialien (Edelstahl für das Gehäuse, Borosilikatglas oder Quarz für das Prisma); sie haben keine beweglichen Teile und technisch gesehen muss nur die Glasspitze des Prismas mit der Flüssigkeit in Kontakt sein. Dies ermöglicht extrem kompakte Detektoren mit einem minimalen Platzbedarf im Tank und die Möglichkeit, mit kleinen Produktmengen zu arbeiten.

Vorteile:

• Detektion unabhängig von Flüssigkeitseigenschaften (Dichte, Dielektrizitätskonstante, Leitfähigkeit, Farbe und Brechungsindex);
• Diese Methode funktioniert auch bei kleinen Mengen;
• Keine Eichung erforderlich;
• Einige Modelle können in gefährlichen Umgebungen eingesetzt werden.

Um einen Niveauschalter passend auszuwählen, muss zunächst bestimmt werden, welche Technologie für welches zu messende Produkt verwendet werden soll (Flüssigkeit, teigiges Produkt oder loses Festprodukt). Anschließend müssen die Eigenschaften dieses Produktes beachtet werden (leitend oder nicht-leitend usw., ätzend, abrasiv usw.) sowie das Vorhandensein von Schaum oder Turbulenzen.

Nachdem die Technologie ausgewählt wurde, muss ein Sensor gewählt werden, der den Betriebsbedingungen des Prozesses (Druck, Temperatur) standhält und dessen Materialien mit dem Produkt kompatibel sind.

Auch die Montage ist ein ausschlaggebendes Kriterium: die Schalter können senkrecht oder waagerecht sein, über ein Gewinde verfügen oder mit einem Flansch ausgestattet und mehr oder weniger kompakt sein.

Und schliesslich ist auch das Ausgangssignal des Niveauschalters ein Element, dem Rechnung getragen werden muss. Verschiedene Schaltsignale sind verfügbar: Trockenkontakt, NPN- oder PNP-Transistor.