Hydrostatische Füllstandsüberwachung auf piezoresistiver Basis in Tanks

 

 

Hydrostatische Druckmessung in offenen und verschlossene Tanks.jpeg

 

Die hydrostatische Druckmessung ist eine der zuverlässigsten und einfachsten Methoden zur Füllstandsüberwachung in flüssigkeitsführenden Tanks. Im Folgenden erklären wir, wie die hydrostatische Füllstandsüberwachung funktioniert und was dabei von Anwendern zu beachten ist.

 

Bei der hydrostatischen Füllstandsüberwachung wird die Füllhöhe einer Flüssigkeit in einem Behältnis gemessen. Dabei wird die Gewichtskraft gemessen, die auf den am Boden des Behälters installierten Druckmessumformer wirkt. Diese Gewichtskraft nennt man in diesem Zusammenhang Flüssigkeitssäule. Sie steigt proportional zur Füllhöhe und wirkt als hydrostatischer Druck auf das Messinstrument. Bei der hydrostatischen Füllstandsüberwachung ist stets die spezifische Schwerkraft der Flüssigkeit zu beachten. Die Füllhöhe wird also mit folgender Formel berechnet:

 

h = p/sg

 

In dieser Formel steht h für die Füllhöhe, p für den hydrostatischen Druck am Grund des Tanks und sg für die spezifische Schwerkraft der Flüssigkeit.

 

Die Flüssigkeitsmenge spielt bei der hydrostatischen Füllstandsüberwachung keine Rolle, da lediglich die Füllhöhe entscheidend ist. Das bedeutet, dass der hydrostatische Druck identisch ist bei einem in sich zur Tiefe hin verengenden Tanks mit 200 Litern Flüssigkeit und einem geraden Tank mit 150 Litern Flüssigkeit, solange Flüssigkeit und die Füllhöhe identisch sind (z.B. 3 Meter).

 

Die einfachste Anwendung der hydrostatischen Druckmessung ist, wenn es sich bei der Flüssigkeit um Wasser handelt, da die spezifische Schwerkraft hier ausser Acht gelassen werden kann. Handelt es sich um eine andere Flüssigkeit als Wasser, muss der Druckmessumformer entsprechend skaliert werden, um die spezifische Schwerkraft der Flüssigkeit zu kompensieren. Ist dies einmal gemacht, kann der Füllstand wie bei Wasser über den spezifische Schwerkraft am Boden des Tanks ermittelt werden. Komplizierter ist es, wenn verschiedene Flüssigkeiten in einem einzelnen Tank verwendet werden. In diesem Fall muss nicht nur der hydrostatische Druck am Boden des Tanks, sondern gleichzeitig die spezifische Schwerkraft der jeweiligen Flüssigkeit gemessen werden. Letzteren Fall wollen wir an dieser Stelle ausklammern und im Folgenden die hydrostatische Druckmessung jeweils in geschlossenen und offenen Tanks betrachten.

 

Hydrostatische Druckmessung in offenen und geschlossenen Tanks

 

Bei offenen Tanks spielt es keine Rolle, ob sie sich oberhalb der Erde befinden oder in dieser eingelassen sind, solange sie über eine Öffnung verfügen, die für einen ausgeglichenen Luftdruck innerhalb und ausserhalb des Tanks sorgt. Die Messung des hydrostatischen Drucks kann ohne weitere Anpassungen am Boden des Tanks erfolgen. Ist die Messung am Boden des Tanks nicht möglich, kann der Füllstand auch über eine Tauchsonde erfolgen, die über ein Kabel von oben in den Tank geführt wird.

 

In verschlossenen Tanks herrschen oft höhere Gasdrücke als in der den Tank umgebenen Atmosphäre. Diese über der Flüssigkeit liegende Gasdecke erhöht den Druck auf die Flüssigkeit. Dadurch kann die Flüssigkeit schneller abfliessen und es entsteht auch weniger Verlust durch Verflüchtigung. Von der Umgebungsluft abgeschlossene Tanks werden daher häufig in der Öl- und Chemieindustrie verwendet. Die auf die Flüssigkeit drückende Gasdecke wirkt allerdings auch indirekt auf den Druckmessumformer am Boden des Tanks und muss daher berücksichtigt werden, um den korrekten Füllstand zu ermitteln (durch den erhöhten Druck würde ein höherer Füllstand als vorhanden angezeigt werden). In geschlossenen Behältern müssten demnach zwei Drücke gemessen werden: Der Gasdruck und der Druck am Boden des Tanks. Der hydrostatische Druck der Flüssigkeit ergibt sich aus der Differenz des gemessenen Gasdrucks und des am Boden gemessenen Drucks. Diese Differenz kann dann in eine Angabe zum Füllstand des Tanks umgewandelt werden. Für diese Art der Anwendung wird in der Regel ein Differenzdrucksensor verwendet.

 

Abschliessende Bemerkungen

 

Bei der hydrostatischen Füllstandsüberwachung von Tanks sind immer zwei Faktoren zu berücksichtigen: Die Art der Flüssigkeit und die Art des Tanks. Die einfachste Anwendung wäre die Überwachung von Wasserständen in offenen Tanks, da in dieser Konstellation keine Anpassungen vorzunehmen sind. Handelt es sich aber um eine andere Flüssigkeit, muss der spezifischen Schwerkraft der Flüssigkeit Rechnung getragen werden. Darüber hinaus ist ein Messinstrument zu wählen, dass den Eigenschaften des Mediums standhält. Während bei den meisten Flüssigkeiten Edelstahl als Gehäusematerial ausreichend ist, können stark korrosive Medien auch andere Materialien erfordern.

 

 

 

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