Füllstand im Drucktank messen: Gasraumdruck richtig kompensieren

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Bei einem geschlossenen, druckbeaufschlagten Tank lässt sich der Füllstand hydrostatisch nur dann zuverlässig bestimmen, wenn der auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkende Gasraumdruck aus dem Messergebnis herausgerechnet beziehungsweise direkt kompensiert wird.

Bei einem offenen Behälter genügt häufig die Messung des hydrostatischen Drucks am Tankboden. In einem geschlossenen Behälter wirkt jedoch zusätzlich der Druck des Gas- oder Dampfraums auf die Flüssigkeit und damit auch auf den unteren Messanschluss.

Ein einzelner Relativdrucktransmitter am Tankboden kann deshalb nicht unterscheiden, welcher Anteil seines Messwertes vom Flüssigkeitsstand und welcher Anteil vom Gasraumdruck verursacht wird.

Die klassische Lösung ist ein Differenzdrucktransmitter. Seine Hochdruckseite erfasst den Druck am unteren Messpunkt, während seine Niederdruckseite mit dem Gasraum verbunden wird. Der Gasraumdruck wirkt dadurch auf beide Seiten des Messsystems und wird weitgehend kompensiert.

Für die Füllstandsinformation bleibt im idealen Fall nur der hydrostatische Druckanteil der Flüssigkeitssäule übrig. Damit wird aus einer Druckmessung eine zuverlässige Füllstandsmessung – vorausgesetzt, Dichte, Anschlusspositionen, Referenzleitung und Nullpunkt sind korrekt berücksichtigt.

Ein besonders passendes Beispiel aus dem ICS-Portfolio ist der Siemens SITRANS P320. Er ist unter anderem für Differenzdruck- und Füllstandsmessungen in offenen und geschlossenen Behältern ausgelegt. Eine weitere passende Lösung ist der WIKA DPT-20 Differenzdrucktransmitter, der ebenfalls für hydrostatische Füllstandsmessungen an geschlossenen Tanks eingesetzt werden kann.

Bei schwierigen, hochviskosen, aggressiven, heißen oder kristallisierenden Medien können zusätzlich Druckmittlersysteme eingesetzt werden. Weitere Lösungen finden Sie unter Füllstandmesstechnik bei ICS Schneider.

Warum funktioniert eine einfache Bodendruckmessung im Drucktank nicht?

Bei einem offenen Tank wirkt auf die Flüssigkeitsoberfläche im Wesentlichen der atmosphärische Druck.

Wird ein Relativdrucktransmitter am Tankboden eingesetzt, wird der atmosphärische Druck über die Referenzseite des Sensors kompensiert.

Der gemessene Druck entspricht dann näherungsweise nur dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule.

Bei einem geschlossenen Drucktank ist die Situation anders

Auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkt zusätzlich ein Gasraumdruck.

Der Druck am unteren Messanschluss setzt sich deshalb zusammen aus:

punten = pGas + ρ · g · h

mit:

• punten = Druck am unteren Messanschluss,
• pGas = Druck im Gasraum,
• ρ = Dichte der Flüssigkeit,
• g = Erdbeschleunigung,
• h = Flüssigkeitshöhe über dem unteren Messpunkt.

Ein einzelner Drucktransmitter misst beide Anteile gemeinsam

Steigt beispielsweise der Gasraumdruck bei konstantem Füllstand, steigt auch der am Tankboden gemessene Druck.

Ein einfacher Bodendrucktransmitter würde dies fälschlicherweise als höheren Füllstand interpretieren.

Im druckbeaufschlagten Behälter muss der Gasraumdruck deshalb separat erfasst oder direkt über eine Differenzdruckmessung kompensiert werden.

Hydrostatischen Druck richtig berechnen

Der hydrostatische Druck einer Flüssigkeitssäule wird beschrieben durch:

phyd = ρ · g · h

Für Wasser mit einer Dichte von ungefähr:

1.000 kg/m³

ergibt sich pro Meter Flüssigkeitshöhe näherungsweise:

98,1 mbar/m

Beispiel

Bei einer Flüssigkeitshöhe von:

2,5 m

ergibt sich für Wasser:

phyd ≈ 245 mbar

Dieser hydrostatische Druck ist vergleichsweise klein.

Der Behälter selbst kann gleichzeitig beispielsweise unter einem Gasraumdruck von:

5 bar

stehen.

Der Füllstand wird dann aus einem Differenzdruck von nur etwa 245 mbar bestimmt, obwohl beide Prozessanschlüsse auf einem statischen Druckniveau von rund 5 bar liegen.

Wie kompensiert der Differenzdrucktransmitter den Gasraumdruck?

Ein Differenzdrucktransmitter besitzt zwei Prozessseiten:

• Hochdruckseite beziehungsweise HP-Seite,
• Niederdruckseite beziehungsweise LP-Seite.

Für eine klassische Füllstandsmessung am geschlossenen Tank wird die HP-Seite mit dem unteren Tankanschluss und die LP-Seite mit dem Gasraum verbunden.

Auf der Hochdruckseite wirkt

pHP = pGas + ρ · g · h

Auf der Niederdruckseite wirkt

pLP = pGas

Der Differenzdrucktransmitter bildet:

Δp = pHP - pLP

Damit ergibt sich:

Δp = pGas + ρ · g · h - pGas

und somit:

Δp = ρ · g · h

Der Gasraumdruck hebt sich rechnerisch auf.

Solange derselbe Gasraumdruck auf beide Seiten des Messsystems übertragen wird, bleibt die Füllstandsanzeige unabhängig davon, ob der Tank beispielsweise mit 2 bar, 5 bar oder 8 bar beaufschlagt ist.

Rechenbeispiel für einen druckbeaufschlagten Tank

Ein geschlossener Prozessbehälter enthält eine Flüssigkeit mit einer Dichte von:

800 kg/m³

Der gewünschte Füllstandsmessbereich beträgt:

0 … 2,5 m

Der Gasraumdruck kann zwischen:

2 … 6 bar

schwanken.

Hydrostatischer Druck bei 100 % Füllstand

Δp = ρ · g · h

Δp = 800 kg/m³ · 9,81 m/s² · 2,5 m

Δp ≈ 19.620 Pa

beziehungsweise:

Δp ≈ 196 mbar

Bei 0 %

ergibt sich bei idealer Anordnung:

Δp = 0 mbar

Bei 100 %

ergibt sich:

Δp ≈ 196 mbar

Der eigentliche Füllstandsmessbereich beträgt damit nur etwa:

0 … 196 mbar

obwohl auf beiden Seiten des Differenzdrucktransmitters gleichzeitig ein statischer Druck von mehreren bar anliegen kann.

Messbereich nach Flüssigkeitssäule und nicht nach Tankdruck auswählen

Ein häufiger Auslegungsfehler besteht darin, den Differenzdruckmessbereich nach dem maximalen Tankdruck auszuwählen.

Für die Füllstandsmessung ist jedoch in erster Linie die hydrostatische Druckdifferenz entscheidend.

Beispiel

Tankdruck:

0 … 10 bar

Hydrostatische Messspanne:

0 … 250 mbar

Dann wird für die eigentliche Messfunktion kein Differenzdruckbereich von 10 bar benötigt.

Ein zu großer Differenzdruckmessbereich würde die nutzbare Messauflösung und häufig auch die Messunsicherheit bei kleinen Füllstandsänderungen verschlechtern.

Der Transmitter sollte deshalb so ausgewählt werden, dass die reale hydrostatische Spanne innerhalb eines technisch günstigen Bereichs der Messzelle liegt.

Statischen Betriebsdruck trotzdem berücksichtigen

Obwohl der Differenzdruckmessbereich vergleichsweise klein sein kann, muss der Transmitter den auf beiden Seiten anliegenden statischen Prozessdruck sicher aufnehmen können.

Zu unterscheiden sind deshalb:

• Differenzdruckmessbereich,
• zulässiger statischer Betriebsdruck.

Beispiel

Ein Transmitter misst:

0 … 200 mbar Differenzdruck

kann aber konstruktiv für einen statischen Betriebsdruck von vielen bar oder sogar mehreren hundert bar ausgelegt sein.

Diese beiden Werte dürfen bei der Geräteauswahl nicht miteinander verwechselt werden.

Besonders kritisch sind Druckspitzen

Zusätzlich zum normalen Tankdruck sollten berücksichtigt werden:

• Füll- und Entleerungsvorgänge,
• Druckstöße,
• Reinigungsprozesse,
• Ventilschaltungen,
• mögliche einseitige Druckbelastungen.

HP- und LP-Seite richtig anschließen

Bei einer klassischen Füllstandsmessung im geschlossenen Tank gilt grundsätzlich:

• HP-Seite: unterer Messanschluss im Flüssigkeitsbereich,
• LP-Seite: oberer Anschluss im Gasraum.

Der untere Anschluss

sollte so positioniert sein, dass er innerhalb des vorgesehenen Messbereiches zuverlässig mit Flüssigkeit beaufschlagt wird.

Die Höhendifferenz zwischen diesem Messpunkt und dem gewünschten Nullniveau muss bei der Skalierung berücksichtigt werden.

Der obere Anschluss

überträgt den Gasraumdruck auf die LP-Seite.

Die Ausführung dieser Referenzseite ist entscheidend dafür, ob eine trockene oder gefüllte Referenzleitung verwendet wird.

Trockene Referenzleitung: Dry Leg

Bei einem nicht kondensierenden Gas kann die Leitung vom Gasraum zur LP-Seite als trockene Referenzleitung ausgeführt werden.

In diesem Fall enthält die Leitung hauptsächlich Gas.

Idealerweise gilt dann

auf der LP-Seite näherungsweise:

pLP = pGas

Die hydrostatische Wirkung der Gasfüllung ist bei kurzen Leitungen und niedriger Gasdichte häufig klein.

Voraussetzung

Die Leitung muss tatsächlich trocken bleiben.

Bei Dampf, feuchten Gasen oder wechselnden Temperaturen kann sich Kondensat bilden.

Dann verändert sich die Drucksäule auf der LP-Seite und damit auch der Nullpunkt.

Gefüllte Referenzleitung: Wet Leg

Wenn Kondensation auf der LP-Seite nicht zuverlässig verhindert werden kann, wird die Referenzleitung häufig bewusst vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt.

Diese Ausführung wird als Wet Leg bezeichnet.

Die Flüssigkeitssäule erzeugt einen zusätzlichen hydrostatischen Druck

Auf der LP-Seite wirkt dann:

pLP = pGas + ρref · g · Href

Für den Transmitter ergibt sich dadurch:

Δp = ρProzess · g · h - ρref · g · Href

Dadurch kann der Differenzdruck bei leerem Tank negativ sein

Das ist kein Fehler.

Die konstante Flüssigkeitssäule der Wet-Leg-Leitung erzeugt eine definierte Nullpunktverschiebung, die bei der Parametrierung berücksichtigt wird.

Entscheidend ist eine stabile Referenzsäule

Die Wet-Leg-Leitung muss:

• vollständig gefüllt,
• blasenfrei,
• möglichst temperaturstabil,
• gegen unkontrolliertes Verdampfen beziehungsweise Entleeren geschützt

sein.

Warum Kondensat in der Referenzleitung problematisch ist

Besonders kritisch ist ein undefinierter Zwischenzustand.

Eine ursprünglich trockene Referenzleitung beginnt beispielsweise im Betrieb teilweise mit Kondensat zu füllen.

Damit verändert sich die hydrostatische Zusatzlast auf der LP-Seite kontinuierlich.

Typisches Fehlerbild

Der tatsächliche Füllstand bleibt konstant, die Anzeige driftet jedoch langsam.

Nach längeren Stillstandszeiten oder Temperaturänderungen zeigt die Anlage andere Werte als zuvor.

Die Ursache liegt dann nicht zwingend im Transmitter

Der Differenzdrucktransmitter misst möglicherweise vollkommen korrekt den Druckunterschied, der ihm über die beiden Leitungen zugeführt wird.

Fehlerhaft ist die nicht reproduzierbare Referenzsäule.

Bei kondensierenden Medien muss deshalb bewusst zwischen einer zuverlässig trockenen und einer definiert gefüllten Referenzseite entschieden werden.

Füllstandsmessung mit Druckmittlern und Kapillarleitungen

Bei schwierigen Prozessbedingungen können direkte Impulsleitungen ungeeignet sein.

Das gilt beispielsweise bei:

• hochviskosen Medien,
• kristallisierenden Flüssigkeiten,
• aggressiven Medien,
• hohen Temperaturen,
• hygienischen Anwendungen,
• Messstoffen mit Ablagerungsneigung.

In solchen Anwendungen kann der Differenzdrucktransmitter über Druckmittler vom Prozess getrennt werden.

Die Druckübertragung erfolgt hydraulisch über eine Systemfüllflüssigkeit in den Kapillarleitungen.

Bei geschlossenen Tanks können zwei Druckmittler eingesetzt werden

Ein Druckmittler befindet sich am unteren Flüssigkeitsanschluss und ein zweiter am oberen Gasraumanschluss.

Beide werden über Kapillarleitungen mit dem Differenzdrucktransmitter verbunden.

Dadurch entstehen jedoch zusätzliche Einflussgrößen

• Dichte der Systemfüllflüssigkeit,
• Höhenunterschiede,
• Kapillarlänge,
• Temperatur der Kapillaren,
• Temperaturunterschiede zwischen beiden Seiten.

Diese Einflüsse müssen bereits bei der Auslegung und bei der Berechnung von Messanfang und Messende berücksichtigt werden.

Kapillarleitungen sollten möglichst vergleichbaren Temperaturen ausgesetzt sein

Unterschiedliche Erwärmung der beiden Kapillaren kann zu unterschiedlichen Volumen- und Druckänderungen der Systemfüllflüssigkeit führen.

Das kann sich bei kleinen Differenzdruckmessspannen deutlich auf den Füllstandswert auswirken.

Nullpunktanhebung und Nullpunktunterdrückung verstehen

Bei einer realen Anlage entspricht 0 % Füllstand nicht automatisch 0 mbar Differenzdruck.

Ursachen können sein:

• Einbauhöhe des Transmitters,
• Wet-Leg-Referenzsäule,
• Kapillarleitungen mit Druckmittlern,
• unterer Messanschluss unterhalb des definierten 0-%-Niveaus.

Beispiel mit Wet Leg

Die LP-Seite wird durch eine konstante Flüssigkeitssäule belastet.

Bei leerem Tank kann der Transmitter beispielsweise messen:

-300 mbar

und bei vollem Tank:

-50 mbar

Die eigentliche Messspanne beträgt trotzdem:

250 mbar

Der Ausgang kann entsprechend parametriert werden als:

-300 mbar = 4 mA = 0 %

und:

-50 mbar = 20 mA = 100 %

Ein negativer Differenzdruck bei leerem oder teilweise gefülltem Tank ist bei solchen Installationen deshalb technisch vollkommen plausibel.

Dichte des Mediums richtig berücksichtigen

Die hydrostatische Füllstandsmessung misst nicht direkt eine geometrische Höhe.

Sie misst den Druck, der aus Dichte und Flüssigkeitshöhe entsteht.

Aus:

Δp = ρ · g · h

folgt:

h = Δp / (ρ · g)

Ändert sich die Dichte

ändert sich bei gleicher geometrischer Füllhöhe auch der Differenzdruck.

Beispiel

Eine Flüssigkeitssäule von:

2 m

erzeugt bei:

ρ = 1.000 kg/m³

ungefähr:

196 mbar

Bei:

ρ = 800 kg/m³

sind es dagegen nur ungefähr:

157 mbar

Würde die Auswertung weiterhin von 1.000 kg/m³ ausgehen, wäre die angezeigte Füllhöhe deutlich falsch.

Besonders relevant ist dies bei

• starken Temperaturänderungen,
• wechselnden Produkten,
• unterschiedlichen Konzentrationen,
• Flüssiggasen,
• Prozessmedien mit stark temperaturabhängiger Dichte.

Temperatureinfluss auf Dichte und Messsystem

Temperatur kann die hydrostatische Füllstandsmessung auf mehreren Wegen beeinflussen.

1. Dichte des Prozessmediums

Die Flüssigkeitsdichte verändert sich mit der Temperatur und damit auch der hydrostatische Druck pro Meter Füllhöhe.

2. Dichte einer Wet-Leg-Flüssigkeit

Auch die konstante Referenzsäule kann temperaturabhängig sein.

3. Druckmittlersystem

Bei Kapillarleitungen können Temperaturänderungen die Systemfüllflüssigkeit beeinflussen.

4. Transmitter

Auch der Differenzdrucktransmitter selbst besitzt temperaturabhängige Messabweichungen.

Bei sehr kleinen hydrostatischen Messspannen und großen Temperaturänderungen sollte deshalb nicht nur die Genauigkeit des Transmitters betrachtet werden, sondern das komplette installierte Messsystem.

Einbauhöhe des Transmitters berücksichtigen

Der Differenzdrucktransmitter befindet sich in der Praxis häufig nicht exakt auf Höhe des unteren Prozessanschlusses.

Zwischen Prozessanschluss und Transmitter entsteht dadurch eine zusätzliche Flüssigkeitssäule.

Bei einer flüssigkeitsgefüllten HP-Leitung

erhöht eine vertikale Leitungssäule oberhalb des Transmitters den auf der HP-Seite anliegenden Druck.

Diese zusätzliche hydrostatische Höhe verändert den Messanfang.

Entscheidend ist deshalb nicht nur die Tankgeometrie, sondern auch:

• Höhe des unteren Prozessanschlusses,
• Höhe des oberen Anschlusses,
• Montagehöhe des Transmitters,
• Füllzustand der beiden Leitungen.

Nach einer Änderung der Montagehöhe sollte die Skalierung deshalb erneut überprüft werden.

Wann auch die Dichte des Gasraums relevant wird

Bei vielen Anwendungen wird die hydrostatische Wirkung der Gassäule in einer trockenen Referenzleitung vernachlässigt.

Das ist bei kurzen Leitungen, moderaten Drücken und geringer Gasdichte häufig gerechtfertigt.

Bei hohen Drücken kann die Gasdichte jedoch deutlich steigen

Zusammen mit großen vertikalen Höhenunterschieden kann dadurch ein zusätzlicher hydrostatischer Druck entstehen.

Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollten deshalb auch berücksichtigt werden:

• Gasart,
• Gasdruck,
• Gastemperatur,
• vertikale Höhe der Referenzleitung.

Der Effekt ist meist wesentlich kleiner als bei einer Flüssigkeitssäule, kann bei sehr kleinen Differenzdruckspannen aber relevant werden.

Ventilblock und Inbetriebnahme

Differenzdrucktransmitter werden in vielen Prozessanlagen mit einem Drei- oder Fünffach-Ventilblock installiert.

Damit lassen sich unter anderem:

• HP-Seite absperren,
• LP-Seite absperren,
• beide Seiten miteinander ausgleichen,
• Messleitungen entlüften beziehungsweise entleeren,
• Kalibrier- oder Prüfgeräte anschließen.

Für einen Nullabgleich

kann der Transmitter über das Ausgleichsventil auf beiden Seiten mit demselben Druck beaufschlagt werden.

Unter diesen definierten Bedingungen sollte der Transmitter einen Differenzdruck von:

0

erkennen, sofern keine zusätzlichen hydrostatischen Säulen zwischen Ventilblock und Messzelle wirken.

Die Ventilreihenfolge ist wichtig

Durch falsches Öffnen oder Schließen können kurzzeitig hohe einseitige Differenzdrücke entstehen.

Die Inbetriebnahme sollte deshalb immer entsprechend der Betriebsanleitung des verwendeten Transmitters und Ventilblocks erfolgen.

Einseitige Überlast vermeiden

Im normalen Betrieb liegen HP- und LP-Seite häufig auf nahezu demselben statischen Druckniveau.

Während Wartung oder Inbetriebnahme kann jedoch eine Seite drucklos sein, während auf der anderen Seite der volle Tankdruck anliegt.

Beispiel

LP-Ventil geschlossen beziehungsweise Leitung entlüftet:

0 bar

HP-Seite:

8 bar

Der Transmitter erlebt dann kurzfristig nicht die normale Füllstandsdifferenz von wenigen hundert mbar, sondern eine erhebliche einseitige Druckbelastung.

Bei der Geräteauswahl muss deshalb geprüft werden:

• zulässiger statischer Druck,
• zulässige einseitige Überlast,
• zulässige Differenzdrucküberlast.

0-%- und 100-%-Punkt richtig skalieren

Für die Parametrierung müssen die tatsächlich am Transmitter auftretenden Differenzdrücke für den unteren und oberen Füllstand bestimmt werden.

Bei idealer Dry-Leg-Anordnung

kann beispielsweise gelten:

0 % = 0 mbar

100 % = 300 mbar

Bei einer Wet-Leg- oder Druckmittleranordnung

kann dagegen gelten:

0 % = -420 mbar

100 % = -120 mbar

In beiden Fällen beträgt die Messspanne:

300 mbar

Die Stromausgangsskalierung kann entsprechend auf:

4 … 20 mA

gelegt werden.

Für die Parametrierung sind daher Messanfang und Messende entscheidend – nicht die Annahme, dass ein leerer Tank zwingend 0 mbar Differenzdruck erzeugen muss.

Von Füllhöhe zu Volumen umrechnen

Der Differenzdrucktransmitter ermittelt zunächst eine hydrostatische Füllhöhe.

Diese ist nur bei einem Behälter mit konstantem horizontalem Querschnitt direkt proportional zum Volumen.

Bei einem senkrechten zylindrischen Tank

gilt näherungsweise:

50 % Füllhöhe = 50 % Volumen

Bei anderen Tankformen

ist der Zusammenhang nicht linear.

Dazu gehören beispielsweise:

• liegende Zylindertanks,
• Kugeltanks,
• konische Behälter,
• Behälter mit gewölbten Böden.

Für eine korrekte Volumenanzeige ist dann eine Tankkennlinie beziehungsweise Linearisierung in:

• Transmitter,
• SPS,
• Leitsystem

erforderlich.

Warum zwei einzelne Drucktransmitter nicht immer die beste Alternative sind

Grundsätzlich könnte der Druck am Tankboden und der Gasraumdruck auch mit zwei einzelnen Drucktransmittern gemessen und anschließend in der Steuerung voneinander subtrahiert werden.

Das kann in bestimmten Anlagen sinnvoll sein.

Bei kleiner hydrostatischer Differenz und hohem Tankdruck entsteht jedoch eine anspruchsvolle Messaufgabe

Beispielsweise:

punten = 10,20 bar

und:

poben = 10,00 bar

Gesucht ist lediglich die Differenz:

0,20 bar

Bei zwei separaten Messgeräten gehen die Messabweichungen beider Druckmessungen in die berechnete Differenz ein.

Ein Differenzdrucktransmitter misst dagegen direkt die kleine Druckdifferenz bei gleichzeitig hohem statischem Druck.

Für klassische hydrostatische Füllstandsanwendungen in Druckbehältern ist dies häufig die messtechnisch günstigere Lösung.

Praxisbeispiel: Füllstand ändert sich scheinbar mit Tankdruck

In einem geschlossenen Prozessbehälter wird der Füllstand über einen Differenzdrucktransmitter gemessen.

Während des Produktionsprozesses steigt der Gasraumdruck von:

2 bar

auf:

4 bar

Der tatsächliche Flüssigkeitsstand bleibt unverändert.

Fehlerbild

Die Füllstandsanzeige verändert sich trotzdem um mehrere Prozent.

Erste Vermutung

Der Differenzdrucktransmitter sei druckabhängig beziehungsweise fehlerhaft.

Prüfung

Die HP-Seite ist korrekt mit dem unteren Tankanschluss verbunden.

Auf der LP-Seite befindet sich jedoch eine lange Referenzleitung, die ursprünglich als Dry Leg ausgelegt wurde.

Im Betrieb hat sich darin teilweise Kondensat gesammelt.

Folge

Mit steigendem Prozessdruck und wechselnden Temperaturen verändert sich der Zustand der Kondensatsäule.

Der LP-Druck entspricht deshalb nicht mehr reproduzierbar dem reinen Gasraumdruck.

Lösung

Die Referenzseite wird für die tatsächlichen Prozessbedingungen neu ausgelegt.

Je nach Medium kann beispielsweise:

• eine zuverlässig trockene Referenzleitung,
• eine definierte Wet-Leg-Ausführung,
• ein Druckmittlersystem

verwendet werden.

Nach korrekter Nullpunkt- und Spanneneinstellung bleibt die Füllstandsanzeige bei Änderungen des Gasraumdrucks stabil.

Das Beispiel zeigt, dass die Differenzdruckmesszelle nur ein Teil des Messsystems ist. Bei geschlossenen Behältern bestimmt insbesondere die LP-Seite wesentlich darüber, ob der Gasraumdruck tatsächlich sauber kompensiert wird.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Füllstand steigt mit Gasraumdruck	Gasraumdruck wird nicht oder fehlerhaft kompensiert	LP-Anschluss und Referenzleitung prüfen
Füllstand driftet langsam	Kondensatbildung in einer Dry-Leg-Leitung	Zustand der Referenzleitung kontrollieren
Anzeige besitzt konstanten Offset	Einbauhöhe oder Flüssigkeitssäule nicht berücksichtigt	Messanfang neu berechnen
Leerer Tank zeigt negativen Differenzdruck	Wet Leg oder Kapillarsystem erzeugt konstante Gegenlast	prüfen, ob Nullpunktverschiebung konstruktiv vorgesehen ist
Anzeige ändert sich mit Umgebungstemperatur	Dichteänderung oder unterschiedlicher Kapillareinfluss	Prozess- und Kapillartemperaturen prüfen
Messwert falsch nach Produktwechsel	andere Mediumsdichte	Dichtewert und Skalierung kontrollieren
Messwert springt nach Ventilbetätigung	falsche Ventilreihenfolge oder Luft-/Gasblasen	Ventilblock und Entlüftung prüfen
Nullabgleich nicht reproduzierbar	ungleiche Drücke oder instabile Leitungssäulen	Ausgleichsventil und Impulsleitungen prüfen
Transmitter zeigt nach Wartung deutlich anderen Wert	Leitung anders gefüllt oder Montagehöhe verändert	HP-/LP-Leitungen und Höhen neu erfassen
Füllstand stimmt nur bei einer Temperatur	Dichtekompensation fehlt	Dichte-Temperatur-Zusammenhang berücksichtigen
Messung stimmt unten, aber nicht oben	falsche Dichte oder falsche Messspanne	0-%- und 100-%-Punkt prüfen
Messung stimmt mit Prüfdruck, aber nicht im Prozess	Prozessleitungen oder Druckmittler verursachen Zusatzdruck	gesamtes installiertes Messsystem bewerten
Transmitter wird bei Inbetriebnahme überlastet	einseitige Beaufschlagung mit vollem Tankdruck	Ventilfolge und Überlastgrenzen prüfen

Empfohlener Auslegungs- und Prüfablauf

1. Tankart festlegen: Geschlossenen beziehungsweise druckbeaufschlagten Behälter eindeutig berücksichtigen.
2. 0-%- und 100-%-Niveau bestimmen: Tatsächlich gewünschte Flüssigkeitshöhe definieren.
3. Mediumsdichte bestimmen: Dichte im relevanten Temperaturbereich verwenden.
4. Hydrostatische Messspanne berechnen: Δp = ρ · g · h anwenden.
5. Gasraumdruck bestimmen: Minimalen, normalen und maximalen Betriebsdruck erfassen.
6. Statischen Druckbereich prüfen: Differenzdrucktransmitter entsprechend dimensionieren.
7. Einseitige Überlast berücksichtigen: Wartungs- und Ventilschaltzustände mit einbeziehen.
8. Unteren Messanschluss festlegen: Höhenlage gegenüber 0-%-Niveau dokumentieren.
9. Oberen Anschluss festlegen: Gasraumdruck zuverlässig erfassen.
10. Referenzkonzept auswählen: Dry Leg, Wet Leg oder Druckmittlersystem festlegen.
11. Kondensationsverhalten prüfen: Undefinierte Flüssigkeitssäulen vermeiden.
12. Montagehöhe des Transmitters festlegen: Zusätzliche hydrostatische Säulen berücksichtigen.
13. Druckmittler gegebenenfalls auslegen: Werkstoff, Kapillarlänge und Füllflüssigkeit abstimmen.
14. Kapillaren thermisch bewerten: Möglichst ähnliche Temperaturbedingungen schaffen.
15. LRV berechnen: Differenzdruck bei 0 % bestimmen.
16. URV berechnen: Differenzdruck bei 100 % bestimmen.
17. Ausgang skalieren: Beispielsweise 4 mA = 0 % und 20 mA = 100 %.
18. Ventilblock korrekt installieren: Absperrung, Ausgleich und Prüfanschlüsse berücksichtigen.
19. Impulsleitungen entlüften beziehungsweise füllen: Definierten Betriebszustand herstellen.
20. Nullpunkt prüfen: Nach realer Montage und unter definierten Druckbedingungen.
21. Mehrere Füllstände verifizieren: Wenn möglich mit unabhängiger Referenz.
22. Gasraumdruck verändern: Kontrollieren, ob die Füllstandsanzeige dabei stabil bleibt.
23. Temperaturverhalten bewerten: Besonders bei hohen Genauigkeitsanforderungen.
24. Ergebnisse dokumentieren: Dichte, Höhen, LRV, URV, Leitungszustand und Parametrierung festhalten.

Passende Differenzdrucktechnik bei ICS Schneider

Siemens SITRANS P320

Der Siemens SITRANS P320 ist ein Prozesstransmitter für Relativdruck, Absolutdruck, Differenzdruck, Durchfluss und Füllstand.

Für die hier beschriebene Anwendung besonders relevant sind:

• Differenzdruckmessung auch bei hohem statischem Prozessdruck,
• Füllstandsmessung in offenen und geschlossenen Behältern,
• kleine Differenzdruckmessbereiche,
• 4–20-mA-/HART-Kommunikation,
• umfangreiche Diagnosefunktionen,
• optionale Druckmittlersysteme für besondere Prozessbedingungen.

Damit ist der P320 eine besonders geeignete Lösung, wenn der Gasraumdruck eines geschlossenen Tanks direkt über die LP-Seite kompensiert werden soll.

WIKA DPT-20

Der WIKA DPT-20 ist ebenfalls speziell für industrielle Differenzdruckmessungen geeignet.

Typische Anwendungen umfassen:

• Füllstandsmessung in offenen und geschlossenen Tanks,
• Durchflussmessung,
• Filterüberwachung,
• Pumpenüberwachung.

Der DPT-20 bietet frei skalierbare Differenzdruckmessbereiche und kann mit Druckmittlern kombiniert werden, wenn der Messstoff nicht direkt zum Transmitter geführt werden soll.

IDPT200 Differenz-Druckmessumformer

Der IDPT200 ist für Differenzdruckmessungen in der Prozessindustrie ausgelegt.

Zu den typischen Einsatzbereichen gehört ausdrücklich die:

Füllstandsmessung an geschlossenen, druckbeaufschlagten Behältern

.

Je nach Anwendung können unterschiedliche Druckmittler angebaut werden, um das Messsystem an schwierige Prozessmedien anzupassen.

WIKA Druckmittler Typ 990.27

Der WIKA 990.27 besitzt einen Flanschanschluss mit frontbündiger Membrane und kann über Direktanbau oder Kapillarleitung mit geeigneten Druckmessgeräten kombiniert werden.

Solche Druckmittlersysteme sind insbesondere interessant bei:

• anhaftenden Medien,
• hochviskosen Flüssigkeiten,
• hohen Prozesstemperaturen,
• aggressiven Messstoffen,
• Anwendungen, bei denen Impulsleitungen problematisch wären.

Weitere Geräte finden Sie unter Prozesstransmitter und Differenzdrucktransmitter sowie unter Füllstandmesstechnik bei ICS Schneider.

Fazit

Die hydrostatische Füllstandsmessung in einem geschlossenen Drucktank ist technisch zuverlässig, wenn nicht der absolute Bodendruck, sondern die Druckdifferenz zwischen Flüssigkeitsseite und Gasraum ausgewertet wird.

Der Gasraumdruck muss kompensiert werden

Ein einzelner Drucktransmitter am Tankboden kann Füllstand und Gasraumdruck nicht voneinander unterscheiden.

Der Differenzdrucktransmitter übernimmt die Kompensation direkt

Der Gasraumdruck wirkt auf HP- und LP-Seite und hebt sich dadurch im Differenzsignal weitgehend auf.

Die hydrostatische Spanne bestimmt den eigentlichen Messbereich

Ein Tank kann mit mehreren bar beaufschlagt sein, während der zu messende Differenzdruck nur wenige hundert mbar beträgt.

Der statische Betriebsdruck bleibt trotzdem entscheidend

Die Messzelle und Prozessanschlüsse müssen den maximal auftretenden Tankdruck sicher verkraften.

Die LP-Seite ist besonders wichtig

Dry Leg, Wet Leg, Kondensat und Druckmittlersysteme erzeugen unterschiedliche Nullpunktbedingungen.

0 % müssen nicht 0 mbar bedeuten

Referenzsäulen, Einbauhöhe und Kapillarleitungen können zu positiver oder negativer Nullpunktverschiebung führen.

Dichte ist Teil der Messgleichung

Ändert sich die Flüssigkeitsdichte, verändert sich bei gleichem Füllstand auch der hydrostatische Differenzdruck.

Die gesamte Messanordnung muss betrachtet werden

Transmitter, Impulsleitungen, Druckmittler, Ventilblock, Einbauhöhe, Medium und Temperatur bilden gemeinsam das Messsystem.

Für die Praxis gilt

Füllstandsspanne bestimmen → Mediumsdichte erfassen → hydrostatischen Differenzdruck berechnen → maximalen statischen Tankdruck prüfen → HP-Seite unten und LP-Seite am Gasraum anschließen → Dry Leg, Wet Leg oder Druckmittlersystem bewusst auswählen → Einbauhöhen und Referenzsäulen berücksichtigen → Messanfang und Messende berechnen → Ventilblock korrekt bedienen → Nullpunkt unter realen Montagebedingungen prüfen → Füllstand bei mehreren Punkten verifizieren → kontrollieren, dass Änderungen des Gasraumdrucks den angezeigten Füllstand nicht beeinflussen.

FAQ: Füllstand im druckbeaufschlagten Tank richtig messen

Wie misst man den Füllstand in einem geschlossenen Drucktank?

Typischerweise mit einem Differenzdrucktransmitter. Die HP-Seite wird mit dem unteren Flüssigkeitsanschluss und die LP-Seite mit dem Gasraum verbunden.

Warum reicht ein Drucktransmitter am Tankboden nicht aus?

Weil er sowohl den hydrostatischen Flüssigkeitsdruck als auch den auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkenden Gasraumdruck misst.

Wie wird der Gasraumdruck kompensiert?

Der Gasraumdruck wird auf die LP-Seite des Differenzdrucktransmitters geführt. Da derselbe Druck auch auf der Flüssigkeitsseite enthalten ist, hebt er sich in der Differenz weitgehend auf.

Welche Formel gilt für den hydrostatischen Füllstand?

Der hydrostatische Druck wird mit Δp = ρ · g · h berechnet.

Was bedeutet HP beim Differenzdrucktransmitter?

HP steht für High Pressure. Bei der klassischen Füllstandsmessung wird diese Seite mit dem unteren Tankanschluss verbunden.

Was bedeutet LP?

LP steht für Low Pressure. Bei einem geschlossenen Tank wird diese Seite typischerweise mit dem Gasraum verbunden.

Muss der Differenzdruckmessbereich dem maximalen Tankdruck entsprechen?

Nein. Der eigentliche Messbereich richtet sich nach der hydrostatischen Druckspanne. Der Transmitter muss jedoch gleichzeitig für den maximalen statischen Tankdruck geeignet sein.

Was ist statischer Druck bei einem Differenzdrucktransmitter?

Das ist der Druck, der gleichzeitig auf beiden Prozessseiten anliegt. Er kann erheblich höher sein als die tatsächlich gemessene Differenz.

Was ist ein Dry Leg?

Ein Dry Leg ist eine trockene Referenzleitung vom Gasraum zur LP-Seite des Differenzdrucktransmitters.

Wann eignet sich ein Dry Leg?

Wenn das Gas nicht kondensiert und die Referenzleitung zuverlässig trocken bleibt.

Was passiert, wenn sich Kondensat in einem Dry Leg sammelt?

Die Flüssigkeitssäule erzeugt zusätzlichen hydrostatischen Druck auf der LP-Seite und verschiebt dadurch den angezeigten Füllstand.

Was ist ein Wet Leg?

Ein Wet Leg ist eine bewusst vollständig mit Flüssigkeit gefüllte Referenzleitung auf der LP-Seite.

Warum wird ein Wet Leg eingesetzt?

Wenn Kondensation nicht vermieden werden kann, lässt sich mit einer definiert gefüllten Leitung ein reproduzierbarer Referenzdruck erzeugen.

Warum kann ein leerer Tank einen negativen Differenzdruck erzeugen?

Eine Wet-Leg-Säule oder ein Druckmittlersystem kann auf der LP-Seite einen konstanten zusätzlichen Druck erzeugen. Dadurch kann der Differenzdruck bei 0 % negativ sein.

Ist ein negativer Differenzdruck bei der Füllstandsmessung ein Fehler?

Nein. Entscheidend ist, dass Messanfang und Messende korrekt berechnet und im Transmitter skaliert werden.

Was bedeutet Nullpunktanhebung beziehungsweise Nullpunktunterdrückung?

Damit wird berücksichtigt, dass der Differenzdruck bei 0 % Füllstand aufgrund der Installation nicht zwingend 0 mbar beträgt.

Warum beeinflusst die Dichte den Füllstand?

Der hydrostatische Druck ist proportional zur Flüssigkeitsdichte. Bei gleicher Höhe erzeugt eine dichtere Flüssigkeit einen höheren Druck.

Muss die Temperatur berücksichtigt werden?

Ja. Sie kann die Dichte des Prozessmediums, die Wet-Leg-Flüssigkeit und Druckmittlersysteme beeinflussen.

Wann sollte man Druckmittler einsetzen?

Bei hochviskosen, aggressiven, heißen, kristallisierenden oder hygienisch anspruchsvollen Medien können Druckmittler gegenüber direkten Impulsleitungen vorteilhaft sein.

Wie funktionieren Druckmittler?

Eine Membrane trennt das Prozessmedium vom Messgerät. Der Prozessdruck wird hydraulisch über eine Systemfüllflüssigkeit zum Transmitter übertragen.

Warum sind Kapillarlängen bei Druckmittlern wichtig?

Länge, Höhenlage und Temperatur der Kapillaren beeinflussen das Verhalten der Systemfüllflüssigkeit und können dadurch den Nullpunkt und die Messgenauigkeit beeinflussen.

Sollten beide Kapillaren gleich lang sein?

Bei symmetrischen Differenzdruck-Druckmittlersystemen sind vergleichbare Kapillarlängen und möglichst ähnliche Temperaturbedingungen in der Regel vorteilhaft, weil dadurch thermische Einflüsse auf beide Seiten ähnlicher wirken.

Warum wird ein Ventilblock verwendet?

Er ermöglicht die kontrollierte Absperrung beider Prozessseiten, den Druckausgleich sowie Prüf-, Entlüftungs- und Wartungsarbeiten.

Kann ein Differenzdrucktransmitter bei der Inbetriebnahme überlastet werden?

Ja. Wird eine Seite mit vollem Prozessdruck beaufschlagt, während die andere drucklos ist, kann kurzzeitig eine sehr hohe einseitige Differenz entstehen.

Wie wird ein Differenzdrucktransmitter genullt?

Typischerweise werden beide Messseiten über den Ventilblock auf denselben Druck gebracht und anschließend der Nullpunkt entsprechend der Herstelleranleitung geprüft beziehungsweise abgeglichen.

Kann man statt eines Differenzdrucktransmitters zwei Drucktransmitter verwenden?

Grundsätzlich ja. Bei kleinen hydrostatischen Differenzen auf einem hohen statischen Druckniveau kann die Subtraktion zweier separater Druckmesswerte jedoch eine größere Gesamtmessunsicherheit ergeben.

Kann aus dem Differenzdruck direkt das Tankvolumen bestimmt werden?

Nur bei Behältern mit entsprechend linearem Verhältnis zwischen Füllhöhe und Volumen. Bei anderen Tankformen ist eine Tanklinearisierung erforderlich.

Welcher Siemens-Transmitter eignet sich für diese Anwendung?

Der Siemens SITRANS P320 ist unter anderem für Differenzdruck- und Füllstandsmessungen in geschlossenen Behältern vorgesehen.

Welcher WIKA-Transmitter eignet sich?

Der WIKA DPT-20 eignet sich für Füllstandsmessungen an offenen und geschlossenen Tanks und kann bei schwierigen Medien mit Druckmittlern kombiniert werden.

Gibt es bei ICS weitere Differenzdrucktransmitter für Druckbehälter?

Ja. Der IDPT200 ist ebenfalls für Füllstandsmessungen an geschlossenen, druckbeaufschlagten Behältern ausgelegt.

Wo finde ich weitere Füllstandmesstechnik?

Weitere Lösungen finden Sie unter Füllstandmesstechnik bei ICS Schneider.