Entwicklung eines kontinuierlich messenden Sensors für die Füllstandsmessung mit geführten akustischen Wellen bei unterschiedlichen Anwendungsszenarien

Die Erfassung einer Füllstandshöhe ist neben Temperatur und Druck einer der am meisten gemessenen Parameter bei der Prozessüberwachung. Weltweit hat der Markt an Füllstandsmessgeräten eine Größe von etwa 3 Milliarden US$. In vielen Anwendungen wird der Füllstand zur Prozesskontrolle aber auch als Sicherheitsfunktion zum Schutz der Umwelt eingesetzt. Man unterscheidet dabei zwischen kontinuierlichen und grenzwertüberwachenden Geräten.

Insbesondere die Leckageüberwachung und auch die Überfüllabsicherung sind typische Grenzwertüberwachungen und erfordern zuverlässige und präzise Systeme. Hierbei werden Grenzstandschalter basierend auf unterschiedlichsten Messprinzipien eingesetzt. Diese Geräte werden in den Behälter eingebracht und lösen bei Berührung mit dem Medium einen Alarm aus. Dies bedeutet allerdings auch, dass der Grenzwert für die Füllhöhe durch den geometrischen Aufbau bzw. durch die Montageposition der Messsonde festgelegt wird (siehe Abbildung 1). Ein nachträgliches Verändern des Grenzwertes ist nur in einem geringen Maße möglich. Zusätzlich besteht bei Messsonden, die in den Behälter eingebracht werden, immer auch die Gefahr, dass das Medium langfristig das Messsignal z.B. durch Ablagerungen beeinflusst oder sogar die Messsonde zerstört.

Der Markt verlangt nach Lösungen zur Überwachung von Füllstandsgrenzwerten, die entweder flexibel an der Behälteraußenwand positioniert werden können (ohne Zerstörung der Behälterwand) oder ein einfaches Ändern des Grenzwertes nach Einbau in den Behälter ermöglichen. Hinzu kommt, dass trotz Trennschichten dennoch zuverlässig ein Füllstand überwacht werden muss.Grundsätzlich würde sich das durch kontinuierlich messende Füllstandssensoren bzw. auch berührungslose Messverfahren wie Radar und Ultraschall lösen lassen, allerdings sind diese unter Berücksichtigung der Störgrößen oft ungenau, zu teuer oder zu fehleranfällig.

Ziel des beantragten Projektes ist die Entwicklung eines kontinuierlich messenden und hochgenauen Füllstandsmessverfahrens für eine freie Konfiguration der Grenzwerte an Behältern mit unterschiedlichen Füllmedien und Füllhöhen. Das zu entwickelnde Messverfahren soll auf der Nutzung von geführten akustischen Wellen (GAW), einer Sonderform des Ultraschalls, beruhen. Vorgesehen ist die Entwicklung einer mechanischen Sensorkonfiguration in Form eines Eintauchsensors zur Integration in bestehende Behälter bzw. eines Wandsensors zur Anbringung an die Behälteraußenwand. Der neu zu entwickelnde GAW-Sensor soll insbesondere bei verschmutzen Flüssigkeiten und/oder zur Detektion des Füllstandes von Flüssig-Flüssig Trennschichten eingesetzt werden und dank Multimodenanalyse und KI-basierter Signalauswertung auch bei Schaumbildung, Rührwerksbewegungen o.ä. zuverlässig funktionieren.

Das Messverfahren beruht auf der Messung von Schalllaufzeitänderungen in Abhängigkeit der Füllhöhe: bei Änderung des Zustands an der Grenzfläche ändert sich auch die effektive Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser GAW; wodurch die Füllhöhe kontinuierlich über eine Messung der linear vom Füllstand abhängigen Laufzeit von Schallpulsen erfasst werden kann. Über die Erfassung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der GAW kann nicht nur der Füllstand, sondern auch die die akustischen Eigenschaften der Flüssigkeit gemessen werden, was insbesondere bei mehrphasigen Flüssigkeiten (z.B. Öl-Wasser) von Interesse ist. Die besonderen Vorteile dieses Zeitmessverfahrens sind Robustheit, Störunempfindlichkeit, hohe Genauigkeit und geringer Kalibrieraufwand. Durch das Vorhandensein vieler unterschiedlicher Wellenformen ist auch eine Autokalibration, eine Störgrößenkompensation und eine Selbstüberprüfung möglich.

Im vorgesehenen Projekt soll eine praxistaugliche Weiterentwicklung des GAW-Messverfahrens für reale Anwendungen erfolgen und die Grenzen der Messmethodik hinsichtlich des Einflusses folgender Stör-/Einflussgrößen identifiziert werden:

- Ablagerungen am Sensor

- Behälterform/ Höhe- und Geometrie bzw. vorhandene Einbauten

- Art des Mediums und Änderungen der Medienzusammensetzung

- Trennschichtbildung

- Schaumbildung

- Verschmutzungen des Mediums

- Rührwerkbewegungen

- Temperatureinfluss