Optischer Grenzschalter meldet falsch: Schaum, Blasen und Anhaftungen richtig bewerten

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Der Behälter ist nahezu leer, der optische Füllstandschalter meldet aber weiterhin „voll“. Nach dem Reinigen funktioniert die Messstelle wieder einwandfrei. In einem anderen Behälter flattert das Schaltsignal während des Pumpenbetriebs ständig zwischen „Medium vorhanden“ und „Medium nicht vorhanden“.

Solche Fehlerbilder sind bei optischen Grenzstandsensoren nicht automatisch ein Zeichen für einen defekten Sensor. Schaum, Luftblasen, Tropfen, Produktfilme oder Ablagerungen an der optischen Spitze können die Grenzfläche verändern, auf die das Messprinzip angewiesen ist.

Besonders wichtig ist deshalb die Frage, ob die Sensorspitze tatsächlich vollständig vom Medium bedeckt beziehungsweise freigegeben wird oder ob sich dort nur ein dünner Film, eine Schaumblase oder ein wechselnder Gas-Flüssigkeits-Bereich befindet.

Geeignete Lösungen finden Sie unter Grenzstanderfassung. Weitere Messprinzipien und Produkte sind unter Füllstandmesstechnik zusammengefasst.

Wie funktioniert ein optischer Grenzstandschalter?

Ein optischer beziehungsweise optoelektronischer Grenzstandschalter besitzt an seiner Prozessseite normalerweise eine transparente Prismenspitze.

Im Sensor befinden sich:

• eine Lichtquelle, häufig eine Infrarot-LED,
• ein optisches Prisma,
• ein Lichtempfänger,
• eine Auswerteelektronik.

Ist die Prismenspitze von Luft beziehungsweise Gas umgeben, wird das Licht im Prisma weitgehend zum Empfänger zurückgeführt.

Wird die Spitze dagegen von Flüssigkeit bedeckt, verändert sich die optische Grenzfläche zwischen Prisma und Umgebung. Ein größerer Anteil des Lichtes tritt aus dem Prisma in das Medium aus und am Empfänger kommt deutlich weniger Licht an.

Die Elektronik erkennt diese Änderung und schaltet den Ausgang.

Das Prinzip benötigt deshalb normalerweise:

• keinen Schwimmer,
• keine mechanisch bewegten Teile,
• keinen langen Messstab.

Dadurch eignen sich optische Grenzschalter besonders für kompakte Behälter und Anwendungen, in denen ein definierter einzelner Grenzstand erkannt werden soll.

Warum kann ein optischer Sensor falsch schalten?

Der Sensor kann nicht erkennen, warum sich die optischen Bedingungen an seiner Prismenspitze verändert haben.

Für ihn ist zunächst entscheidend, ob die Spitze optisch eher dem Zustand:

trocken

oder:

von Medium bedeckt

entspricht.

Dadurch können auch Zustände zwischen „vollständig trocken“ und „vollständig eingetaucht“ Einfluss auf die Messung haben.

Typische Ursachen sind:

• Schaum,
• Luftblasen,
• Gasblasen,
• Tropfen,
• anhaftende Flüssigkeitsfilme,
• Öl- oder Fettbeläge,
• getrocknete Produktrückstände,
• starke Wellenbewegungen direkt am Schaltpunkt.

Die Fehlersuche sollte deshalb immer mit einer Sichtkontrolle der Sensorspitze und der Einbausituation beginnen.

Klare und trübe Flüssigkeiten richtig bewerten

Optische Grenzstandschalter werden häufig mit „optischer Messung“ gleichgesetzt und deshalb fälschlicherweise nur für transparente Flüssigkeiten vorgesehen.

Das Messprinzip betrachtet jedoch nicht durch den gesamten Behälter hindurch.

Entscheidend ist vielmehr die optische Grenzfläche unmittelbar an der Prismenspitze.

Deshalb können abhängig vom konkreten Gerät beispielsweise sowohl:

• Wasser,
• Öle,
• Emulsionen,
• Kühlmittel,
• andere geeignete Flüssigkeiten

erkannt werden.

Eine trübe Flüssigkeit ist daher nicht automatisch problematisch.

Kritischer können Medien sein, die:

• stark anhaften,
• die Prismenspitze beschichten,
• bei Entleerung nur sehr langsam ablaufen,
• stark schäumen.

Die Eignung sollte deshalb immer anhand des konkreten Mediums und der Herstellerfreigabe des Sensors geprüft werden.

Wie beeinflusst Schaum die Messung?

Schaum besteht aus Flüssigkeitsfilmen und eingeschlossenen Gasblasen.

Damit liegt an der Sensorspitze kein eindeutig homogener Zustand vor.

Je nach:

• Schaumdichte,
• Blasengröße,
• Flüssigkeitsanteil,
• Benetzung der Prismenspitze,
• Beständigkeit des Schaums

kann der Sensor unterschiedlich reagieren.

Ein dichter, nasser Schaum kann sich optisch stärker wie Flüssigkeit verhalten als ein trockener grobblasiger Schaum.

Das kann zu zwei grundsätzlich unterschiedlichen Problemen führen.

Schaum wird als Medium erkannt

Der eigentliche Flüssigkeitsspiegel liegt unterhalb des Sensors, dichter Schaum erreicht jedoch bereits die Prismenspitze.

Der Sensor meldet dann möglicherweise:

Grenzstand erreicht

obwohl die Flüssigkeit selbst noch tiefer steht.

Flüssigkeit ist vorhanden, Signal bleibt aber instabil

Große Gasblasen beziehungsweise stark bewegter Schaum können die Prismenspitze abwechselnd benetzen und wieder freigeben.

Der Ausgang kann dadurch wiederholt umschalten.

Wenn der Prozess regelmäßig starken Schaum erzeugt, muss deshalb zuerst festgelegt werden:

Soll der Schaum erkannt oder ausgeblendet werden?

Diese Frage bestimmt wesentlich, ob ein optischer Grenzschalter für die Anwendung das geeignete Messprinzip ist.

Gas- und Luftblasen an der Sensorspitze

Auch ohne sichtbaren Schaum können einzelne Luft- oder Gasblasen den Schaltzustand beeinflussen.

Typische Ursachen sind:

• Rücklaufleitungen,
• Pumpenansaugung,
• starke Umwälzung,
• Lufteintrag beim Befüllen,
• Ausgasung des Mediums,
• Kavitation.

Befindet sich der Sensor direkt in einem stark durchströmten Bereich, kann eine größere Gasblase die Flüssigkeit kurzfristig von der Prismenspitze verdrängen.

Der Sensor sieht dann für einen kurzen Moment einen Zustand ähnlich „trocken“.

Das Ergebnis kann ein kurzer Schaltimpuls sein.

Ein solches Verhalten sollte nicht vorschnell durch eine sehr lange SPS-Zeitverzögerung kaschiert werden.

Zuerst sollte geprüft werden, ob die Messstelle konstruktiv aus dem stark turbulenten Bereich verlegt werden kann.

Tropfen, Filme und Anhaftungen

Nach dem Entleeren eines Behälters muss die Prismenspitze wieder eindeutig in den trockenen Zustand zurückkehren.

Bei gut ablaufenden Flüssigkeiten geschieht dies normalerweise schnell.

Problematisch sind dagegen:

• viskose Öle,
• klebrige Medien,
• Emulsionen mit Rückständen,
• Fette,
• kristallisierende Flüssigkeiten,
• getrocknete Prozessrückstände.

Bleibt ein ausreichend dicker Flüssigkeitsfilm auf dem Prisma zurück, kann die optische Grenzfläche weiterhin verändert sein.

Der Behälter ist dann mechanisch bereits leer, während die Sensorspitze optisch noch nicht vollständig freigegeben ist.

Typisches Fehlerbild:

Sensor meldet nach dem Entleeren weiterhin „voll“ und schaltet erst nach Reinigung zurück.

Bei wiederkehrendem Belag sollte nicht lediglich häufiger gereinigt werden.

Es sollte geprüft werden, ob:

• die Einbaulage verbessert werden kann,
• das Medium von der Spitze besser ablaufen kann,
• eine regelmäßige automatische Reinigung möglich ist,
• ein anderes Grenzstandprinzip geeigneter ist.

Einbaulage richtig wählen

Optische Grenzstandschalter können je nach Ausführung in unterschiedlichen Einbaulagen montiert werden.

Für die tatsächliche Anwendung ist trotzdem nicht jede Position gleich günstig.

Besonders bei Medien mit Tendenz zu Anhaftungen kann die Lage beeinflussen, wie schnell die Sensorspitze nach dem Absinken des Füllstands wieder frei wird.

Ungünstig sind Messstellen, an denen:

• Flüssigkeit dauerhaft stehen bleibt,
• Spritzwasser direkt auf das Prisma trifft,
• ein Rücklauf auf den Sensor gerichtet ist,
• Schaum bevorzugt gesammelt wird,
• Ablagerungen konstruktiv begünstigt werden.

Bei seitlicher Montage sollte außerdem geprüft werden, ob das Medium sauber von der Prismenspitze ablaufen kann.

Bei Einbau von oben muss dagegen sichergestellt sein, dass der gewünschte Grenzstand konstruktiv eindeutig erreicht wird und keine dauerhaften Tropfen beziehungsweise Kondensate den Sensor beeinflussen.

Wellen und turbulente Flüssigkeit beruhigen

Ein Grenzstand ist in einem bewegten Tank keine mathematisch exakt horizontale Linie.

In kleinen Maschinenbehältern können bereits:

• Pumpenrücklauf,
• Rührwerke,
• bewegte Maschinenteile,
• schnelles Befüllen

erhebliche Wellen verursachen.

Liegt der mittlere Flüssigkeitsspiegel genau auf Höhe der Prismenspitze, wird der Sensor bei jeder Welle abwechselnd bedeckt und freigegeben.

Ein schnell reagierender optischer Sensor bildet diesen Zustand entsprechend schnell am Ausgang ab.

Mögliche Gegenmaßnahmen sind:

• Messstelle in einen ruhigeren Tankbereich verlegen,
• Abstand zum Rücklauf vergrößern,
• Beruhigungsbereich vorsehen,
• eine kurze Schaltverzögerung verwenden.

Schaltlogik und Zeitverzögerung richtig festlegen

Nach der mechanischen Optimierung sollte die elektrische Auswertung betrachtet werden.

Bei einem Grenzstandsignal muss klar definiert sein:

• Was bedeutet Ausgang EIN?
• Was bedeutet Ausgang AUS?
• Wie wird ein Leitungsbruch bewertet?
• Welche Reaktion erfolgt bei Spannungsausfall?
• Welche Verzögerung ist zulässig?

Die SPS sollte nicht ausschließlich die logische Bezeichnung „0“ oder „1“ dokumentieren, sondern die reale Prozessbedeutung.

Beispiel:

Zustand	Prozessbedeutung
Sensor trocken	Grenzstand nicht erreicht
Sensor benetzt	Grenzstand erreicht
Signal fehlt	Messkreis beziehungsweise Versorgung prüfen

Eine Zeitverzögerung kann kurze Blasen oder Wellen ausblenden.

Sie muss jedoch zur Schutzfunktion passen.

Bei einem Trockenlaufschutz darf beispielsweise keine so lange Verzögerung eingestellt werden, dass die Pumpe bereits mehrere Sekunden ohne ausreichendes Medium läuft.

Temperatur, Druck und Medienverträglichkeit prüfen

Neben dem optischen Verhalten müssen die normalen Prozessdaten berücksichtigt werden.

Dazu gehören:

• Mediumtemperatur,
• Umgebungstemperatur,
• Prozessdruck,
• Prozessanschluss,
• Werkstoff der Prismenspitze,
• Dichtwerkstoffe,
• Gehäusewerkstoff.

Ein optischer Grenzschalter darf nicht allein deshalb eingesetzt werden, weil das Messprinzip grundsätzlich für Flüssigkeiten geeignet ist.

Alle medienberührten Materialien müssen zum Prozess passen.

Bei wechselnder Temperatur ist außerdem zu berücksichtigen, dass sich:

• Viskosität,
• Schaumbildung,
• Benetzungsverhalten

des Mediums verändern können.

Eine Messstelle kann deshalb bei kaltem Öl problemlos freigeben und bei warmem, stärker haftendem Medium ein anderes Verhalten zeigen – oder umgekehrt.

Reinigbarkeit der Messstelle berücksichtigen

Die optische Fläche ist das eigentliche funktionale Element der Messstelle.

Sie sollte deshalb bei der Wartungsplanung genauso berücksichtigt werden wie eine Messmembran oder eine Elektrode.

Wichtig sind:

• Zugänglichkeit,
• geeignete Reinigungsmethode,
• geeignete Reinigungsmittel,
• keine Beschädigung oder Verkratzung der optischen Fläche.

Ein Sensor, der tief hinter einer schwer zugänglichen Abdeckung sitzt, kann technisch funktionieren, verursacht bei regelmäßigem Belag aber unnötig hohen Wartungsaufwand.

Bei stark verschmutzenden Prozessen sollte die Reinigbarkeit deshalb bereits bei der Auswahl der Messstelle berücksichtigt werden.

Optischen Grenzschalter systematisch prüfen

Bei einem unplausiblen Schaltsignal ist folgende Vorgehensweise sinnvoll:

1. Prozesszustand prüfen: Ist die Sensorspitze tatsächlich benetzt oder trocken?
2. Prisma kontrollieren: Schaum, Tropfen, Ölfilm oder Belag suchen.
3. Sensor reinigen: Zulässige Reinigungsmethode verwenden.
4. Trockenfunktion testen: Ausgangszustand bei sauberer trockener Spitze prüfen.
5. Benetzung testen: Spitze mit dem tatsächlichen Prozessmedium bedecken.
6. Schaltzustand kontrollieren: Sensor-LED beziehungsweise Ausgang prüfen.
7. Einbausituation beobachten: Rücklauf, Blasen und Wellen während des Betriebs kontrollieren.
8. SPS-Eingang vergleichen: Prüfen, ob der elektrische Sensorzustand korrekt verarbeitet wird.
9. Wiederholtest durchführen: Mehrfach benetzen und freigeben.

Funktioniert der Sensor nach der Reinigung zuverlässig, liegt die Ursache häufig nicht in der Elektronik, sondern in der tatsächlichen Benetzungssituation der optischen Spitze.

Optisch, kapazitiv oder Schwimmer?

Messprinzip	Typische Stärke	Zu beachten
Optischer Grenzschalter	Kompakt, schnell, keine beweglichen Teile	Schaum, Blasen und Belag an der optischen Spitze bewerten
Kapazitiver beziehungsweise impedanzbasierter Grenzstand	Je nach Technologie gezielte Medien- und Belagerkennung möglich	Dielektrische Eigenschaften und Parametrierung beachten
Schwimmerschalter	Einfaches direktes mechanisches Prinzip	Bewegliche Teile, Viskosität, Verschmutzung und Verklemmen berücksichtigen

Es gibt deshalb kein grundsätzlich bestes Messprinzip.

Ein optischer Sensor ist besonders attraktiv bei:

• kleinen Behältern,
• sauberen bis mäßig verschmutzten Flüssigkeiten,
• kompakten Maschinen,
• schneller Grenzstanderfassung,
• Anwendungen ohne mechanisch bewegliche Sensorteile.

Bei starkem Schaum oder dauerhaftem Belag kann dagegen ein Sensorprinzip sinnvoll sein, das gezielt zwischen Flüssigkeit, Schaum und Anhaftung unterscheiden kann.

Praxisbeispiel an einem Kühlmitteltank

Eine Werkzeugmaschine besitzt einen kleinen Kühlmitteltank mit optischem Grenzstandschalter.

Der Sensor dient als Mindeststandüberwachung für die Kühlmittelpumpe.

Nach mehreren Monaten meldet die Steuerung sporadisch:

Kühlmittelstand ausreichend

obwohl der Behälter nahezu leer ist.

Die elektrische Prüfung zeigt:

• Versorgungsspannung korrekt,
• Sensorausgang schaltet,
• SPS-Eingang arbeitet korrekt.

Bei der mechanischen Kontrolle ist die Prismenspitze jedoch mit einem zähen Film aus Kühlmittelemulsion und feinen Bearbeitungsrückständen bedeckt.

Nach der Reinigung schaltet der Sensor trocken sofort korrekt zurück.

Während des Betriebs wird außerdem festgestellt, dass der Rücklaufstrahl unmittelbar auf die Messstelle trifft.

Dadurch wird das Prisma ständig benetzt, selbst wenn der mittlere Flüssigkeitsspiegel bereits etwas unterhalb des Sensors liegt.

Die Messstelle wird deshalb in einen ruhigeren Bereich des Tanks verlegt.

Zustand	Vor Änderung	Nach Änderung
Tank ausreichend gefüllt	korrekt	korrekt
Tank fast leer	sporadische Fehlmeldung	eindeutige Freigabe
Pumpe läuft	starke Benetzung durch Rücklauf	ruhige Messstelle

Der Sensor selbst war damit nicht defekt.

Die Ursache bestand aus einer Kombination von Anhaftung und ungünstiger Montageposition.

Typische Fehler und Gegenmaßnahmen

Fehler	Mögliche Folge	Geeignete Maßnahme
Dichter Schaum erreicht den Sensor	Grenzstand wird zu früh gemeldet	Prüfen, ob Schaum erkannt oder ausgeblendet werden soll
Große Luftblasen an der Spitze	Kurzzeitiges Rückschalten	Messstelle aus turbulentem Bereich verlegen
Flüssigkeitsfilm bleibt am Prisma	Sensor meldet nach Entleerung weiterhin Medium	Reinigung und Einbaulage optimieren
Rücklaufstrahl trifft direkt auf Sensor	Dauerhafte beziehungsweise wechselnde Benetzung	Ruhigere Messposition wählen
Schaltpunkt genau im starken Wellenbereich	Flatterndes Signal	Messstelle beruhigen und gegebenenfalls kurze Verzögerung verwenden
Lange SPS-Verzögerung kaschiert Problem	Echte Grenzstandänderung wird zu spät erkannt	Zuerst mechanische Ursache beheben
Belag wird nie kontrolliert	Schaltverhalten verändert sich über die Betriebszeit	Sicht- und Funktionskontrolle in Wartung aufnehmen
Falsche Schaltlogik in SPS	Benetzt und trocken werden vertauscht	Realen Schaltzustand bei Inbetriebnahme testen
Sensor nur nach Anschlussgewinde gewählt	Temperatur, Druck oder Medium ungeeignet	Gesamte Prozessspezifikation prüfen

Welche Geräte eignen sich?

Optoelektronische Grenzstandschalter

Optoelektronische Grenzschalter eignen sich für kompakte punktuelle Füllstandüberwachungen von Flüssigkeiten.

Typische Anwendungen sind:

• Werkzeugmaschinen,
• Kühlmitteltanks,
• Hydraulikaggregate,
• Pumpensysteme,
• kleine Prozessbehälter,
• Maschinenbau.

Ein konkretes Beispiel ist der WIKA OLS-C01. Der kompakte optoelektronische Grenzschalter arbeitet ohne bewegliche Bauteile und verwendet eine optische Prismenspitze zur Flüssigkeitserkennung.

Alternative Grenzstandtechnologien

Unter Grenzstanderfassung stehen abhängig von der Anwendung auch andere Messprinzipien zur Verfügung.

Dazu können beispielsweise gehören:

• kapazitive Grenzstandsensoren,
• elektronische Grenzstandsensoren,
• Schwimmerschalter,
• Schwinggabeln,
• weitere anwendungsspezifische Lösungen.

Bei starkem Schaum, wechselnden Medien oder hartnäckigen Anhaftungen sollte bereits bei der Geräteauswahl ausdrücklich geprüft werden, wie das jeweilige Sensorprinzip mit diesen Prozesszuständen umgeht.

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl des geeigneten Grenzstandprinzips sowie bei der Bewertung von Medium, Temperatur, Druck, Einbaulage und gewünschter Schaltfunktion.

Fazit

Ein optischer Grenzstandschalter ist kompakt, schnell und benötigt keine beweglichen Sensorteile. Seine Funktion hängt jedoch davon ab, dass an der optischen Prismenspitze ein eindeutiger Zustand zwischen trocken und von Flüssigkeit bedeckt entsteht.

Schaum, einzelne Gasblasen und Flüssigkeitsfilme können genau diesen Übergang uneindeutig machen.

Bei einer Fehlmeldung sollte deshalb nicht zuerst die Elektronik verdächtigt werden. Die wichtigste Kontrolle ist die tatsächliche Situation direkt an der Sensorspitze.

Meldet der Sensor „voll“, obwohl der Behälter leer ist, sollte insbesondere nach anhaftendem Film, Tropfen oder Schaum gesucht werden.

Flattert das Signal, sind Luftblasen, Wellenbewegungen und eine Messstelle unmittelbar neben Rücklauf oder Pumpe typische Ursachen.

Eine SPS-Verzögerung kann kurze Störungen ausblenden, sollte aber nicht dazu verwendet werden, eine grundsätzlich ungeeignete Einbausituation zu kaschieren.

Bei dauerhaft starkem Schaum oder hartnäckigen Ablagerungen kann schließlich ein anderes Grenzstandprinzip besser geeignet sein.

Entscheidend ist deshalb nicht nur die Frage, ob ein Sensor Flüssigkeit erkennen kann, sondern unter welchen realen Bedingungen der Grenzstand in der jeweiligen Anlage entsteht.

Häufige Fragen zu optischen Grenzstandschaltern

Wie funktioniert ein optischer Füllstandschalter?

Eine Infrarot-LED sendet Licht in eine Prismenspitze. Im trockenen Zustand wird das Licht zum Empfänger reflektiert. Bei Benetzung durch Flüssigkeit verändert sich die optische Grenzfläche und der Empfänger erhält deutlich weniger Licht.

Kann Schaum einen optischen Grenzschalter auslösen?

Das ist abhängig von Art und Flüssigkeitsanteil des Schaums sowie der Benetzung der Sensorspitze. Dichter nasser Schaum kann das Schaltverhalten deutlich beeinflussen.

Warum meldet mein Sensor voll, obwohl der Tank leer ist?

Eine häufige Ursache ist ein verbleibender Flüssigkeitsfilm oder Belag auf der optischen Prismenspitze. Auch Schaum oder dauerhafte Benetzung durch einen Rücklauf können die Ursache sein.

Warum flattert der Ausgang?

Wellen, Luftblasen oder ein Flüssigkeitsspiegel genau auf Höhe der Sensorspitze können zu einem schnellen Wechsel zwischen benetztem und trockenem Zustand führen.

Hilft eine SPS-Zeitverzögerung gegen Luftblasen?

Eine kurze Verzögerung kann einzelne kurze Signaländerungen ausblenden. Zunächst sollte jedoch geprüft werden, ob die Messstelle aus dem turbulenten Bereich verlegt werden kann.

Funktionieren optische Sensoren nur mit klaren Flüssigkeiten?

Nein. Entscheidend ist das optische Verhalten unmittelbar an der Prismenspitze. Je nach Sensorausführung können auch Öle, Emulsionen und andere geeignete Flüssigkeiten erkannt werden.

Sind optische Füllstandschalter für klebrige Medien geeignet?

Das hängt von der Anwendung ab. Bleiben dauerhafte Rückstände auf der Prismenspitze zurück, kann das Schaltverhalten beeinträchtigt werden. Reinigbarkeit und Einbaulage müssen deshalb besonders berücksichtigt werden.

Kann ich den Sensor direkt neben einer Rücklaufleitung montieren?

Das ist häufig ungünstig. Ein Rücklauf kann Wellen, Blasen oder eine dauerhafte lokale Benetzung erzeugen und damit einen Füllstand vortäuschen, der nicht dem mittleren Behälterniveau entspricht.

Welche Alternative gibt es bei starkem Schaum?

Je nach Medium können beispielsweise kapazitive oder impedanzbasierte Grenzstandsensoren eingesetzt werden, die Schaum beziehungsweise Anhaftungen durch geeignete Parametrierung besser unterscheiden können.

Wie prüfe ich einen optischen Grenzstandschalter?

Prismenspitze reinigen, trockenen Schaltzustand prüfen, anschließend mit dem tatsächlichen Medium benetzen und Sensor- sowie SPS-Ausgang vergleichen. Danach sollte die Messstelle unter realen Betriebsbedingungen mit Pumpen, Rücklauf und Schaumbildung beobachtet werden.