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INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2020

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2020

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Ein starkes Team Elektronische Differenzdruckmessung mit zwei Prozesstransmittern sorgt für genaue Ergebnisse Die Füllstandskontrolle mithilfe der Differenzdruckmessung hat eine neue Bedeutung bekommen: ein System mit zwei Prozesstransmittern in einer Master-Slave- Anordnung. Im Vergleich zu einer konventionellen Messlösung wird bei dieser Variante der Temperaturfehler minimiert und eine höhere Genauigkeit ermöglicht. Lesen Sie mehr. Für die Überwachung von Füllständen hält der Markt eine breite Auswahl an Messmethoden bereit. Bei Applikationen mit geschlossenen Tanks oder vergleichbaren Behältern wird das Niveau des Inhalts vielfach über einen Differenzdrucktransmitter ermittelt. Diese Methode hat sich bewährt, denn diese ist häufig dort einsetzbar, wo ein Messgerät – z. B. wegen eines Mahlwerks oder eines aggressiven Mediums – im Behälterinneren nicht in Frage kommt. Bernd Reichert, Product Management Process Instrumentation Pressure bei der WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG in Klingenberg Zur Erfassung des Füllstands wird der Differenzdruck zwischen der flüssigen und der gasförmiger Phase im Behälter ermittelt. Für die genaue Berechnung des Inhaltes müssen neben dem hydrostatischen Druck noch die Tankgeometrie – liegender oder stehender Behälter, verschiedene Deckel und Böden – sowie die spezifische Dichte des Messstoffs in die Kalkulation einbezogen werden. Kapillarleitungen überbrücken Distanz zwischen Drücken Differenzdrucktransmitter verfügen über zwei nebeneinander angeordnete 1/4NPT- Prozessanschlüsse gemäß IEC61518. Diese Konstruktion entspricht der genuinen Aufgabe solcher Messgeräte, einen Druckabfall z. B. in Leitungen, an Filtern oder Pumpen festzustellen. Bei einer Füllstandsmessung hingegen ist die Distanz zwischen den Messpunkten für die Drücke P1 und P2 deutlich größer. Sie muss daher mithilfe von Kapillarleitungen überbrückt werden. Deren Volumen ist aus Gründen einer störungsfreien Druckübertragung limitiert. Messlösungen mit einer derartigen Verbindung zu den Messpunkten sind anfällig für Temperatureinflüsse, die sich auf das Messergebnis auswirken. Starke Temperaturschwankungen können das Resultat sogar verfälschen. Bei Applikationen, die eine höhere Genauigkeit erfordern, stößt diese Messmethode rasch an ihre Grenzen. Inzwischen aber lassen sich die negativen Auswirkungen der konventionellen Messung durch eine Alternativlösung minimieren, durch eine Füllstandskontrolle per elektronischer Differenzdruckmessung. Das von Wika entwickelte Messsystem basiert auf zwei einzelnen Prozesstransmittern, z. B. den Typen CPT-2x oder IPT-2x mit Genauigkeiten bis zu 0,05 % der eingestellten Spanne, in unterschiedlicher Konfiguration. Beide Geräte arbeiten als Master und Slave und sind über ein Signalkabel rein elektrisch und damit störunanfällig miteinander verbunden. Sie kommunizieren über einen internen Bus. Master und Slave: Lösung minimiert den Temperatureinfluss Der Slave wird über den Master mit Strom versorgt und über die Schnittstellen bzw. über das Display am Master parametriert. Er misst den Druck P1, z. B. den Gasdruck in einem geschlossenen Tank, und überträgt diesen an den Master. Dieser erfasst den Druck P2, im Beispielfall also den Druck in der Flüssigkeitssäule am Tankboden. Aus P1 und P2 berechnet der Master den Differenzdruck. Damit und unter Einbeziehung anderer notwendiger Prozessparameter wie Tankform und Dichte des Mediums bestimmt der Master das Volumen im Tank als Angabe für das Niveau. Dieser Wert kann wahlweise als Anlogoder Digitalsignal an die Leitwarte und/oder 16 INDUSTRIELLE AUTOMATION 04/2020 www.industrielle-automation.net

SENSORIK UND MESSTECHNIK mit Differenzdrucktransmitter hingegen muss ein Testlauf vorgeschaltet werden, um eine problemlose Funktion der Kapillarleitungen sicherzustellen, beispielsweise durch das Eliminieren von Lufteinschlüssen in den Impuls- beziehungsweise Druckleitungen. Auch der Austausch der Messgeräte ist bei der elektronischen Differenzdruckmessung weitaus weniger kompliziert. Hinzu Die Master-Slave-Messanordnung lässt sich auch für die differenzdruckbasierte Durchflussmessung verwenden an das Anzeigendisplay des Mastergeräts ausgegeben werden. Der Vorteil einer solchen Lösung besteht nicht allein in der Minimierung des Temperatureinflusses und der höheren Genauigkeit. Die elektronische Differenzdruck messung kann darüber hinaus schneller in Betrieb genommen werden. Dem Einsatz einer Messanordnung kommt die Möglichkeit, bei Fehlfunktion nur eines der beiden Geräte auszuwechseln, während das andere mit dem Tauschgerät (Master oder Slave) weiterbetrieben werden kann. Bei der Differenzdruckmessung mit Kapillaren ist im Fall eines Defekts immer ein Totaltausch notwendig, selbst wenn nur die Druckleitung an einer Stelle geknickt wurde. Turn-Down: Einstellung indivi dueller Messspanne Zahlreichen Füllstandsapplikationen kommt ein zusätzliches Feature der Prozesstransmitter zugute: der Turn Down, die Möglichkeit, eine bestimmte Messspanne individuell einzustellen. Das bedeutet übertragen auf die Füllstandsmessung, dass ein Tankbetreiber den Messbereich des Transmitters auf die Spanne skaliert, die für den Prozess tatsächlich relevant ist. In dieser Spanne wird das Messsignal, zum Beispiel 4…20 mA, optimal ausgenutzt. Zu berücksichtigen ist dabei jedoch, dass die Messgenauigkeit ab einer bestimmten Grenze proportional zum Turn Down abnimmt. Bei einem Turn Down bis 5:1 gibt es allerdings keine Einschränkung. Wenn also die eingestellte Spanne 200 mbar (= 2 m Wassersäule) abdeckt, kann das Messgerät mit 0…1 bar ohne Veränderung der Genauigkeit von z. B. 0,1 % eingesetzt werden: Bei 200 mbar läge die Messunsicherheit bei lediglich 0,2 mbar oder 2 mm. Die Eigenschaften der elektronischen Differenzdruckmessung ermöglichen eine hohe Einsatzflexibilität. Neben der tatsächlichen Niveauerfassung kommt diese Methode vor allem für Applikationen mit unterschiedlichen Medien in Frage, zum Beispiel in der Fruchtsaftproduktion, bei der das Mischungsverhältnis von Konzentrat und Wasser über die Veränderung der Dichte und damit des Drucks ermittelt werden kann. Ein verwandtes Beispiel ist die Kontrolle von Bilgenwasserbehältern in Schiffen, in denen sich Meerwasser mit Betriebsund Schmiermitteln mischt. Der sich aus den im Tank auftretenden Messstoffdichten ergebende Differenzdruck signalisiert, wann der Wasserstand die definierte Obergrenze erreicht. Erweiterung der Möglichkeiten zur Füllstandskontrolle Das Differenzdruck-Messsystem mit zwei Prozesstransmittern in einer Master-Slave- Beziehung erweitert die Möglichkeiten zur Füllstandskontrolle in geschlossenen Tanks und in Behältern mit gemischten Medien um eine Variante, die flexibel einsetzbar ist. Diese kommt vor allem für Applikationen mit höheren Genauigkeitsanforderungen in Frage, bei denen Temperatureinflüsse möglichst zu vermeiden sind. Bilder: Aufmacher MiguelMalo/iStock; sonstiges Wika Während in Tanks statische Druckverhältnisse herrschen, treten in Rohrleitungen vergleichsweise hohe Prozessdrücke auf www.wika.de www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 04/2020 17

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