Ein Füllstandswert kann in einer Prozessanlage an mehreren Stellen benötigt werden. Der Anlagenfahrer möchte direkt am Behälter erkennen, wie hoch der Flüssigkeitsspiegel steht. Gleichzeitig benötigt die SPS einen kontinuierlichen Messwert für Visualisierung, Regelung oder Trendaufzeichnung. Zusätzlich sollen ein MIN- und ein MAX-Grenzstand unabhängig vom analogen Messwert eine Meldung oder Schaltfunktion auslösen.
Ein magnetischer Bypass-Niveaustandsanzeiger kann diese Funktionen in einer gemeinsamen mechanischen Messstelle miteinander verbinden.
Die Grundlage bildet eine seitlich am Behälter angeschlossene Bypasskammer. Sie ist über mindestens zwei Prozessanschlüsse mit dem Behälter verbunden und arbeitet nach dem Prinzip der kommunizierenden Gefäße. Der Flüssigkeitsspiegel in der Bypasskammer folgt deshalb unter geeigneten Prozessbedingungen dem Füllstand im Behälter.
Im Bypass befindet sich ein Schwimmer mit einem Dauermagnetsystem. Sein Magnetfeld wirkt durch die Wand der Bypasskammer hindurch. Dadurch kann der Füllstand ohne direkten elektrischen oder mechanischen Durchgriff nach außen übertragen werden.
Diese eine Schwimmerbewegung lässt sich für mehrere Funktionen nutzen. Eine außenliegende Magnetanzeige visualisiert den Füllstand direkt vor Ort und benötigt dafür keine elektrische Hilfsenergie. Ein zusätzlich montierter Füllstandstransmitter wandelt die Schwimmerposition in ein kontinuierliches elektrisches Signal um. Magnetschalter können gleichzeitig definierte Grenzstände überwachen.
Auf den ersten Blick entstehen damit drei redundante Informationen über denselben Prozesswert. Genau hier ist jedoch eine wichtige Unterscheidung erforderlich.
Lokale Anzeige, kontinuierliches Fernsignal und Grenzschalter besitzen teilweise voneinander getrennte Anzeige-, Elektronik- und Signalwege. Sie können deshalb sehr gut zur gegenseitigen Plausibilitätskontrolle eingesetzt werden. Alle drei Funktionen sind jedoch in der Regel vom selben Schwimmer und von derselben Bypasskammer abhängig.
Blockiert der Schwimmer oder ist die Bypasskammer hydraulisch vom Behälter getrennt, können mehrere Signalwege gleichzeitig denselben falschen Füllstand anzeigen.
Die zentrale Aussage lautet: Ein magnetischer Bypassanzeiger mit Transmitter und Schaltern bietet eine sehr wertvolle funktionale Redundanz zwischen Vor-Ort-Anzeige, kontinuierlicher Fernmessung und Grenzmeldung. Für eine wirklich unabhängige Messredundanz muss jedoch zusätzlich die gemeinsame Abhängigkeit von Bypasskammer und Schwimmer berücksichtigt werden.
Inhaltsverzeichnis
- Wie funktioniert ein magnetischer Bypass-Niveaustandsanzeiger?
- Welche Aufgabe übernimmt die lokale Magnetanzeige?
- Wie wird aus der Schwimmerposition ein Fernsignal?
- Wie funktionieren zusätzliche Magnetschalter?
- Lokale Anzeige, Transmitter und Grenzschalter direkt vergleichen
- Was bedeutet Redundanz bei einem Bypassanzeiger tatsächlich?
- Warum der gemeinsame Schwimmer eine gemeinsame Fehlerquelle bleibt
- Wann entspricht der Bypassfüllstand wirklich dem Behälterfüllstand?
- Warum die Dichte des Mediums für den Schwimmer entscheidend ist
- Wie Temperatur, Viskosität und Isolation den Bypass beeinflussen
- Messbereich und Prozessanschlüsse richtig festlegen
- 4–20-mA-Signal richtig skalieren
- Reed- oder magnetostriktiven Transmitter auswählen
- MIN- und MAX-Schalter sinnvoll einsetzen
- Drei Signalwege zur Plausibilitätskontrolle nutzen
- Wann ein zweites unabhängiges Messprinzip erforderlich ist
- Inbetriebnahme systematisch durchführen
- Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
- Passende WIKA / KSR-Kübler Füllstandstechnik von ICS Schneider
- Fazit
- Häufige Fragen zu Bypassanzeigern mit Transmitter und Schaltern
1. Wie funktioniert ein magnetischer Bypass-Niveaustandsanzeiger?
Ein magnetischer Bypass-Niveaustandsanzeiger besteht im Wesentlichen aus einer vertikalen Bypasskammer, mindestens zwei Prozessanschlüssen und einem darin beweglichen Schwimmer.
Der untere Prozessanschluss verbindet den Flüssigkeitsraum des Behälters mit der Bypasskammer. Über den oberen Anschluss erfolgt je nach Ausführung die Verbindung zum oberen Behälterbereich beziehungsweise der notwendige Druckausgleich.
Dadurch stellt sich im Bypass grundsätzlich derselbe hydrostatische Flüssigkeitsspiegel ein wie im Behälter.
Der Schwimmer folgt diesem Niveau. In seinem Inneren befindet sich ein Dauermagnetsystem, das sein Magnetfeld durch die nichtmagnetische Wand der Bypasskammer nach außen überträgt.
Der große Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass unterschiedliche Anzeige- und Sensorkomponenten außen an der drucktragenden Bypasskammer montiert werden können. Die Kammer muss dafür nicht an jeder Messfunktion mechanisch durchdrungen werden.
Beim WIKA Typ BNA betätigt das Schwimmermagnetfeld beispielsweise die außenliegende Magnetanzeige. Gleichzeitig können ebenfalls außen am Bypass kontinuierliche Füllstandstransmitter und Magnetschalter montiert werden.
Damit bildet der Schwimmer das zentrale mechanische Informationselement der gesamten Messstelle.
2. Welche Aufgabe übernimmt die lokale Magnetanzeige?
Die lokale Magnetanzeige dient in erster Linie der unmittelbaren visuellen Kontrolle am Behälter.
Beim magnetischen Bypassanzeiger bewegt sich keine mechanische Welle vom Schwimmer direkt zur Anzeige. Stattdessen wirkt das Magnetfeld durch die Wand der Bypasskammer.
Beim WIKA BNA befinden sich außen zweifarbige Rollen beziehungsweise magnetische Klappen. Beim Vorbeilaufen des Schwimmermagneten drehen sich diese Anzeigeelemente und markieren dadurch die aktuelle Höhe des Flüssigkeitsspiegels.
Der wesentliche Vorteil ist, dass diese Anzeige ohne elektrische Hilfsenergie funktioniert.
Auch bei ausgefallener SPS, unterbrochener Stromversorgung oder defekter 4–20-mA-Stromschleife kann ein Mitarbeiter direkt am Behälter weiterhin einen Füllstand erkennen – vorausgesetzt, Bypasskammer, Schwimmer und Magnetanzeige funktionieren mechanisch korrekt.
Damit ist die lokale Anzeige eine wertvolle Rückfallebene für Service, Inbetriebnahme und Störungsdiagnose.
Sie ersetzt allerdings nicht automatisch einen unabhängigen zweiten Füllstandsensor, weil sie denselben Schwimmer nutzt wie die außen montierten magnetischen Zusatzsensoren.
3. Wie wird aus der Schwimmerposition ein Fernsignal?
Für eine SPS, ein Prozessleitsystem oder einen Datenlogger reicht eine rein optische Anzeige nicht aus. Der Füllstand muss in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
Dazu kann außen an der Bypasskammer ein Füllstandstransmitter montiert werden.
Auch dieser Sensor nutzt das Magnetfeld des Schwimmers. Es ist daher keine zusätzliche Öffnung in der drucktragenden Bypasskammer erforderlich.
Je nach Transmitterprinzip wird die Position unterschiedlich erfasst.
Bei einem Reed-Messwertgeber schaltet der Magnet des Schwimmers nacheinander Reed-Kontakte innerhalb einer Widerstandsmesskette. Aus dem daraus resultierenden Widerstands- beziehungsweise Spannungssignal wird der Füllstand bestimmt.
Bei einem magnetostriktiven Transmitter wird die Schwimmerposition über die Wechselwirkung des Schwimmermagnetfeldes mit einem magnetostriktiven Messelement hochauflösend bestimmt.
Die Elektronik kann daraus beispielsweise ein 4–20-mA-Signal erzeugen, das proportional zum konfigurierten Füllstandsbereich ist.
Damit steht derselbe physikalische Füllstand auch außerhalb des unmittelbaren Anlagenbereiches kontinuierlich zur Verfügung.
4. Wie funktionieren zusätzliche Magnetschalter?
Magnetschalter erfüllen eine andere Aufgabe als der kontinuierliche Füllstandstransmitter.
Sie sollen nicht jeden Zwischenwert erfassen, sondern einen definierten Grenzstand erkennen.
Ein Schalter wird beispielsweise auf der Höhe montiert, bei der eine MIN-Meldung ausgelöst werden soll. Ein zweiter Schalter kann als MAX- oder Überfüllmeldung eingesetzt werden.
Erreicht das Magnetfeld des Schwimmers den eingestellten Schaltbereich, ändert der Magnetschalter seinen elektrischen Zustand.
Das resultierende Binärsignal kann direkt einer Steuerung, einem Relais, einer Meldeeinrichtung oder einer geeigneten Sicherheitslogik zugeführt werden.
Bei bistabilen Ausführungen kann der erreichte Schaltzustand gespeichert bleiben, bis der Schwimmer den entsprechenden Rückschaltpunkt passiert.
Ein Grenzschalter stellt damit keine zweite kontinuierliche Füllstandsmessung dar. Er beantwortet eine viel einfachere, aber für den Betrieb häufig sehr wichtige Frage:
Ist der definierte Grenzstand erreicht – ja oder nein?
5. Lokale Anzeige, Transmitter und Grenzschalter direkt vergleichen
| Informationsweg | Ausgabe | Typische Funktion | Benötigt elektrische Versorgung? |
|---|---|---|---|
| Magnetanzeige | Direkt sichtbare Füllstandshöhe | Vor-Ort-Kontrolle | Nein |
| Füllstandstransmitter | Kontinuierlicher elektrischer Messwert | SPS, Leitsystem, Regelung, Trend | Ja, abhängig von Ausführung |
| MIN-Magnetschalter | Binäres Grenzsignal | Trockenlauf, Mindestbestand, Alarm | Abhängig von Schalter und Auswertung |
| MAX-Magnetschalter | Binäres Grenzsignal | Überfüllmeldung, Pumpenabschaltung | Abhängig von Schalter und Auswertung |
Gerade die unterschiedlichen Signalformen machen die Kombination attraktiv.
Ein Fehler in einer analogen Skalierung muss beispielsweise nicht zwangsläufig die lokale Anzeige beeinflussen. Ein Leitungsbruch der 4–20-mA-Schleife verändert ebenfalls nicht die rein magnetische Vor-Ort-Anzeige.
Umgekehrt kann eine verklemmte Anzeigeleiste erkannt werden, wenn der Transmitter weiterhin einen plausiblen und sich verändernden Messwert liefert.
Die drei Ebenen ermöglichen damit eine wirkungsvolle Diagnose verschiedener Signal- und Anzeigeprobleme.
6. Was bedeutet Redundanz bei einem Bypassanzeiger tatsächlich?
Der Begriff Redundanz muss bei dieser Bauweise differenziert verwendet werden.
Aus Sicht der Informationsverarbeitung existieren tatsächlich mehrere voneinander getrennte Signalwege.
Die lokale Anzeige benötigt keine SPS und keine elektrische Versorgung. Der kontinuierliche Transmitter besitzt einen eigenen elektrischen Signalweg. Die Grenzschalter wiederum arbeiten unabhängig von der analogen Skalierung des Transmitters.
Dadurch kann ein einzelner elektrischer Fehler häufig durch einen anderen Informationsweg erkannt oder überbrückt werden.
Diese Eigenschaft kann als funktionale beziehungsweise signaltechnische Redundanz bezeichnet werden.
Messtechnisch besitzen die Funktionen jedoch eine gemeinsame Grundlage: die Flüssigkeit in der Bypasskammer und den darin befindlichen Magnetschwimmer.
Damit existiert eine gemeinsame Fehlerquelle, die mehrere Ausgänge gleichzeitig beeinflussen kann.
Für normale Prozessüberwachung, Service und Plausibilitätsprüfung ist die Kombination dennoch äußerst wertvoll. Für Anforderungen an eine vollständig unabhängige redundante Füllstandsmessung muss die Architektur weiter betrachtet werden.
7. Warum der gemeinsame Schwimmer eine gemeinsame Fehlerquelle bleibt
Angenommen, der Schwimmer verklemmt sich bei 60 % Füllstand.
Die Magnetanzeige bleibt dann möglicherweise bei 60 % stehen. Ein außen montierter Reed- oder magnetostriktiver Transmitter erkennt weiterhin die Position desselben Magneten und meldet ebenfalls ungefähr 60 %. Ein darüber oder darunter positionierter Grenzschalter kann ebenfalls einen scheinbar plausiblen Zustand behalten.
Drei Informationen stimmen damit überein – obwohl der reale Behälterfüllstand inzwischen deutlich verändert sein kann.
Ein ähnliches Verhalten ist möglich, wenn beide Prozessanschlüsse des Bypassanzeigers durch Ventile vom Behälter getrennt wurden. Dann zeigt das komplette Bypasssystem nur noch den eingeschlossenen Zustand der Bypasskammer.
Diese sogenannten gemeinsamen Fehlerursachen sind der wesentliche Grund, warum die Zusatzkomponenten nicht mit drei vollständig unabhängigen Füllstandsmessungen gleichgesetzt werden dürfen.
Für die Anlagenplanung muss deshalb zwischen der Redundanz des Signalweges und der Redundanz des Messprinzips unterschieden werden.
8. Wann entspricht der Bypassfüllstand wirklich dem Behälterfüllstand?
Das Prinzip der kommunizierenden Gefäße funktioniert nur, wenn Behälter und Bypasskammer hydraulisch beziehungsweise pneumatisch korrekt miteinander verbunden sind.
Der untere Anschluss muss einen freien Flüssigkeitsaustausch ermöglichen. Ebenso muss der notwendige Druckausgleich über den oberen Anschluss sichergestellt sein.
Ist einer dieser Wege blockiert, kann sich ein anderer Füllstand im Bypass einstellen als im eigentlichen Behälter.
Typische Ursachen sind geschlossene Absperrarmaturen, Ablagerungen, erstarrtes Medium, Verschmutzung, Fremdkörper oder eine ungeeignete Leitungsführung.
Auch eingeschlossene Gas- oder Flüssigkeitsvolumen können den Ausgleich behindern.
Bei der Fehlersuche sollte deshalb nicht zuerst nur der elektrische Transmitter geprüft werden. Zunächst muss bestätigt werden, dass die Bypasskammer den realen Behälterfüllstand überhaupt noch physikalisch abbildet.
9. Warum die Dichte des Mediums für den Schwimmer entscheidend ist
Der Schwimmer wird durch den hydrostatischen Auftrieb getragen.
Dieser Auftrieb hängt unmittelbar von der Dichte des Mediums ab. Deshalb wird ein Schwimmer für einen bestimmten Dichtebereich ausgelegt.
Ändert sich die Dichte stark gegenüber dem Auslegungswert, verändert sich die Eintauchtiefe des Schwimmers.
Dadurch verschiebt sich auch die Position des Magneten relativ zur tatsächlichen Flüssigkeitsoberfläche.
Bei stark wechselnden Prozessmedien oder großen temperaturbedingten Dichteänderungen sollte deshalb überprüft werden, ob die Schwimmerauslegung weiterhin zur Anwendung passt.
Bei Trennschichtmessungen ist die Situation noch anspruchsvoller, da der Schwimmer gezielt auf die Dichten zweier Medien abgestimmt werden muss.
Die reine Länge der Magnetanzeige sagt daher noch nichts darüber aus, ob der ausgewählte Schwimmer für das vorhandene Medium geeignet ist.
10. Wie Temperatur, Viskosität und Isolation den Bypass beeinflussen
Die Bypasskammer befindet sich außerhalb des eigentlichen Behälters. Dadurch kann ihr thermischer Zustand vom Prozess abweichen.
Bei heißen Medien kann der Bypass stärker an die Umgebung abkühlen. Bei kalten oder kryogenen Medien kann dagegen Wärme aus der Umgebung eingetragen werden.
Diese Temperaturänderung kann wiederum Viskosität und Dichte des Mediums verändern.
Bei viskosen Produkten kann der Schwimmer dadurch im Bypass schwergängiger werden als im eigentlichen Behälter zu erwarten wäre.
Bei kristallisierenden oder erstarrenden Medien kann sich der Querschnitt der Bypasskammer zusätzlich zusetzen.
Je nach Anwendung sind deshalb Beheizung, Begleitheizung oder Isolation des Bypasssystems erforderlich.
Auch hierbei muss berücksichtigt werden, dass nicht nur die lokale Anzeige, sondern sämtliche angebauten magnetischen Mess- und Schaltfunktionen von der freien Bewegung des Schwimmers abhängig bleiben.
11. Messbereich und Prozessanschlüsse richtig festlegen
Der mechanisch sichtbare Bereich einer Bypassanzeige und der elektrisch konfigurierte Messbereich müssen zur tatsächlichen Behältergeometrie passen.
Besonders wichtig ist die Lage der oberen und unteren Prozessanschlüsse.
Der sicher nutzbare Bereich des Schwimmers wird konstruktiv durch die Bypasskammer, die Anschlüsse sowie obere und untere Anschläge begrenzt.
Ein Schaltpunkt sollte deshalb nicht einfach außerhalb des hydraulisch wirksamen Bereiches gesetzt werden.
Bei WIKA-BGU-Magnetschaltern ist beispielsweise zu beachten, dass eine sichere Funktion nur innerhalb des vorgesehenen Bereiches zwischen den Prozessanschlüssen gewährleistet werden kann.
Für die Anlagenplanung sollte daher vor der Bestellung definiert werden, welcher reale Behälterfüllstand 0 %, 100 %, MIN und MAX entsprechen soll.
Erst daraus lassen sich Mittenabstand, Gesamtlänge, Transmitterbereich und Schalterpositionen sinnvoll ableiten.
12. 4–20-mA-Signal richtig skalieren
Der kontinuierliche Fernmesswert wird häufig als 4–20-mA-Signal an die Steuerung übertragen.
Dabei muss eindeutig festgelegt werden, welche physikalische Füllstandshöhe 4 mA und welche Höhe 20 mA repräsentiert.
Das klingt selbstverständlich, wird in der Praxis aber durch unterschiedliche Bezugspunkte schnell kompliziert.
Die mechanische Skala kann beispielsweise in Millimetern angegeben sein, während die SPS 0 … 100 % oder ein Behältervolumen in Litern darstellt.
Die lineare Höhenmessung ist außerdem nicht automatisch identisch mit dem Behältervolumen. Bei einem liegenden zylindrischen Tank oder einem Behälter mit gewölbten Böden besteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Füllstandshöhe und Volumen.
Die Volumenberechnung gehört dann in die übergeordnete Auswertung und darf nicht mit der reinen Füllstandsmessung verwechselt werden.
Bei der Inbetriebnahme sollte das 4–20-mA-Signal deshalb nicht nur elektrisch geprüft, sondern mit der realen Schwimmerposition und lokalen Anzeige verglichen werden.
13. Reed- oder magnetostriktiven Transmitter auswählen
Für einen magnetischen Bypassanzeiger stehen unterschiedliche Prinzipien zur kontinuierlichen elektrischen Erfassung zur Verfügung.
Beim Reed-Messwertgeber wird die Schwimmerposition über eine Kette magnetisch betätigter Reed-Kontakte und Widerstände erfasst.
Der Aufbau ist robust und für viele klassische Prozessanwendungen gut geeignet. Die örtliche Auflösung wird dabei unter anderem durch das verwendete Kontaktraster bestimmt.
Beim WIKA BLR stehen je nach Ausführung unterschiedliche Rasterungen zur Verfügung. Die resultierende elektrische Information kann über geeignete Kopftransmitter beispielsweise als 4–20-mA- oder HART-Signal weitergegeben werden.
Ein magnetostriktiver Transmitter wie der WIKA BLM bestimmt die Position dagegen kontinuierlich über eine Laufzeitmessung einer mechanischen Welle im magnetostriktiven Sensorelement.
Dieses Prinzip eignet sich besonders, wenn eine hohe Positionsauflösung beziehungsweise eine präzisere kontinuierliche Fernmessung benötigt wird.
| Merkmal | Reed-Messwertgeber | Magnetostriktiver Transmitter |
|---|---|---|
| Positionserfassung | Reed-Kontakte und Widerstandsmesskette | Magnetostriktive Laufzeitmessung |
| Auflösung | Durch Kontaktraster beeinflusst | Hohe kontinuierliche Positionsauflösung |
| Typische Signalverarbeitung | Transmitter für z. B. 4–20 mA / HART | Direkte elektronische Messwertausgabe |
| Gemeinsame Grundlage | Magnetfeld des Bypassschwimmers | Magnetfeld des Bypassschwimmers |
Auch bei unterschiedlichen elektrischen Messprinzipien bleibt damit der Schwimmer die gemeinsame mechanische Referenz.
14. MIN- und MAX-Schalter sinnvoll einsetzen
Ein analoger Transmitter kann theoretisch bereits jeden beliebigen Füllstand auswerten. Trotzdem sind zusätzliche physische Magnetschalter in vielen Anlagen sinnvoll.
Ein Grund ist die Trennung der Signalwege.
Die SPS kann aus einem 4–20-mA-Signal einen MAX-Alarm berechnen. Ein zusätzlicher Magnetschalter erzeugt dagegen ein separates binäres Signal an einer mechanisch festgelegten Position.
Damit wird beispielsweise ein Fehler in der Analogskalierung, im Analogausgang, in der SPS-Kanalparametrierung oder in der Softwarelogik nicht automatisch auf den Grenzkontakt übertragen.
Typische Anwendungen sind Mindestfüllstand, Pumpenfreigabe, Trockenlaufschutz, Hochalarm und Überfüllmeldung.
Die Position des Schalters sollte nach der Montage mit dem realen Schwimmer beziehungsweise einer kontrollierten Füllstandsänderung geprüft werden.
Besonders bei bistabilen Schaltern ist außerdem die Schalt- und Rückschaltrichtung zu dokumentieren.
15. Drei Signalwege zur Plausibilitätskontrolle nutzen
Der größte praktische Vorteil der Kombination entsteht, wenn die Signale nicht nur parallel angezeigt, sondern aktiv miteinander verglichen werden.
Zeigt die lokale Magnetanzeige beispielsweise 70 %, während der Transmitter konstant 35 % meldet, liegt offensichtlich eine Abweichung innerhalb der Anzeige- oder Signalkette vor.
Zeigen lokale Anzeige und Transmitter übereinstimmend 80 %, während der MAX-Schalter bei seinem definierten Schaltpunkt nicht aktiviert wurde, sollte der Grenzschalter beziehungsweise dessen Verkabelung geprüft werden.
Bleiben dagegen alle drei Informationswege unverändert, obwohl sich der reale Behälterinhalt nachweislich verändert, spricht dies eher für eine gemeinsame mechanische beziehungsweise hydraulische Ursache.
| Beobachtung | Wahrscheinlicher Fehlerbereich | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Lokale Anzeige bewegt sich, 4–20 mA bleibt konstant | Transmitter, Versorgung, Stromschleife oder Auswertung | Transmitterausgang und SPS-Eingang prüfen |
| 4–20 mA verändert sich, lokale Anzeige bleibt stehen | Magnetanzeige beziehungsweise Anzeigeelemente | Klappen-/Rollensystem kontrollieren |
| Anzeige und Transmitter stimmen, Grenzschalter schaltet nicht | Schalterposition, Ausrichtung, Verdrahtung oder Schalterdefekt | Schalter mit realer Schwimmerbewegung prüfen |
| Alle Signale bleiben stehen | Schwimmer blockiert oder Bypass vom Behälter getrennt | Bypassanschlüsse, Armaturen und Schwimmerbeweglichkeit prüfen |
| Alle Signale ändern sich, passen aber nicht zum Behälter | Dichte, Bypasskommunikation oder falsche Prozesszuordnung | Medium, Schwimmerauslegung und hydraulische Verbindung prüfen |
| Konstanter Unterschied zwischen lokaler und elektrischer Anzeige | Nullpunkt- beziehungsweise Spanskalierung oder mechanische Ausrichtung | Referenzpunkte und Transmitterkonfiguration kontrollieren |
Diese Art der Signaldiagnose ist wesentlich aussagekräftiger als die isolierte Betrachtung eines einzelnen Messwertes.
16. Wann ein zweites unabhängiges Messprinzip erforderlich ist
Für normale Prozessführung kann die Kombination aus Magnetanzeige, Transmitter und Grenzschalter eine sehr robuste Architektur darstellen.
Sie sollte jedoch nicht automatisch als vollständig unabhängige dreifache Füllstandsmessung behandelt werden.
Ist eine Schutzfunktion so kritisch, dass ein gemeinsamer Fehler des Bypasssystems nicht akzeptabel ist, muss ein zweites unabhängiges Messprinzip betrachtet werden.
Das kann beispielsweise eine separate Radarmessung, hydrostatische Messung, Differenzdruckmessung oder ein anderes geeignetes Grenzstandprinzip sein.
Welches Konzept erforderlich ist, hängt von der Gefährdungsbeurteilung, dem Anlagenkonzept und gegebenenfalls den Anforderungen einer funktionalen Sicherheit ab.
Entscheidend ist, dass ein zusätzlicher Sensor nicht nur einen zweiten elektrischen Ausgang besitzt, sondern möglichst andere gemeinsame Fehlerursachen aufweist.
Eine Radarsonde im Behälter ist beispielsweise nicht vom mechanischen Schwimmer des Bypassanzeigers abhängig.
Gerade bei Überfüllschutz oder anderen sicherheitsrelevanten Funktionen muss deshalb zwischen zusätzlicher Anzeige und tatsächlich unabhängiger Schutzebene unterschieden werden.
17. Inbetriebnahme systematisch durchführen
Eine kombinierte Bypassmessstelle sollte bei der Inbetriebnahme als Gesamtsystem geprüft werden.
Zunächst wird kontrolliert, ob Bypasskammer, Prozessanschlüsse, Absperrarmaturen und Entlüftung entsprechend der Anlagenplanung montiert sind.
Anschließend wird überprüft, ob der verwendete Schwimmer zur Dichte, Temperatur und zum Druck des Mediums passt.
Danach wird eine kontrollierte Füllstandsänderung durchgeführt. Die lokale Anzeige muss der Schwimmerbewegung über den gesamten vorgesehenen Bereich folgen.
Parallel wird das kontinuierliche Ausgangssignal aufgenommen. Bei 4–20 mA werden Nullpunkt und Spanne mit den festgelegten mechanischen Bezugshöhen verglichen.
Danach werden die einzelnen Magnetschalter gezielt überfahren. Schaltpunkt, Schaltzustand und Rückschaltverhalten werden mit der SPS beziehungsweise Meldeeinrichtung abgeglichen.
Abschließend sollte geprüft werden, ob die Visualisierung im Leitsystem dieselbe Einheit und denselben Bezugsbereich verwendet wie die lokale Messstelle.
Durch diese gemeinsame Prüfung entstehen Referenzwerte, die bei späteren Wartungs- und Störungsfällen sehr hilfreich sind.
18. Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
Bei einer Störung sollte zuerst geklärt werden, welcher Teil der Messkette tatsächlich betroffen ist.
Ein eingefrorener SPS-Wert bedeutet nicht automatisch, dass sich der Schwimmer nicht bewegt. Umgekehrt beweist eine plausible lokale Anzeige nicht, dass der elektrische Transmitter korrekt skaliert ist.
Besonders wichtig ist die zeitliche Beobachtung der Signale.
Bewegt sich eine Anzeige bei einer Prozessänderung verzögert, kann eine erhöhte Viskosität oder ein schwergängiger Schwimmer vorliegen. Springt der Transmitter dagegen plötzlich auf einen elektrischen Fehlerwert, liegt eher ein Problem in Versorgung oder Signalweg vor.
Werden nach Wartungsarbeiten ungewöhnliche Abweichungen festgestellt, sollten außerdem die Stellungen der oberen und unteren Absperrarmaturen kontrolliert werden.
Ein vollständig abgesperrter Bypass kann einen bemerkenswert stabilen und plausiblen Messwert liefern – er zeigt dann jedoch nur noch den eingeschlossenen Füllstand seiner eigenen Kammer.
19. Passende WIKA / KSR-Kübler Füllstandstechnik von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet Bypass-Niveaustandsanzeiger, kontinuierliche Füllstandstransmitter, Magnetschalter und Schwimmer von WIKA / KSR Kuebler. Eine Übersicht finden Sie unter Füllstandmesstechnik.
19.1 WIKA Typ BNA Bypass-Niveaustandsanzeiger
Der WIKA Typ BNA kombiniert eine seitlich am Behälter montierte Bypasskammer mit einem Magnetschwimmer und einer außenliegenden Magnetanzeige.
Der Füllstand wird dadurch direkt am Behälter und ohne elektrische Hilfsenergie sichtbar.
Abhängig von der konkreten Ausführung sind Anwendungen von tiefen Temperaturen bis zu Hochtemperatur- und Hochdruckprozessen möglich. WIKA nennt für die Produktfamilie Einsatzgrenzen bis −196 … +450 °C, von Vakuum bis 400 bar und Schwimmerausführungen ab bestimmten Mindestdichten.
Diese Werte stellen maximale Grenzen der Gerätefamilie dar und müssen für jede konkrete Material-, Druck-, Temperatur- und Schwimmerkombination separat geprüft werden.
Transmitter und Magnetschalter können optional außen am Bypass ergänzt werden.
19.2 WIKA Typ BLR Reed-Füllstandstransmitter
Der WIKA Typ BLR erfasst den Füllstand über magnetisch betätigte Reed-Kontakte innerhalb einer Widerstandsmesskette.
Je nach Ausführung stehen unterschiedliche Kontaktraster zur Verfügung. Über entsprechende Messumformer lassen sich Feldsignale wie 4–20 mA oder HART sowie weitere Kommunikationsvarianten realisieren.
Der BLR eignet sich damit für robuste kontinuierliche Füllstandserfassung und klassische Prozessleittechnik.
19.3 WIKA Typ BLM magnetostriktiver Füllstandstransmitter
Der WIKA Typ BLM nutzt ein magnetostriktives Messprinzip zur hochauflösenden Bestimmung der Schwimmerposition.
Der Transmitter wird außen am Bypass montiert und arbeitet damit ebenfalls ohne direkten zusätzlichen Prozessanschluss.
Die Gerätefamilie unterstützt unter anderem 2-Leiter-Technik mit 4–20-mA-Signal und digitale Messwertübertragung.
Der BLM ist besonders interessant, wenn eine fein aufgelöste kontinuierliche Füllstandsinformation für Regelung, Trendanalyse oder präzisere Fernanzeige benötigt wird.
19.4 WIKA Typ BGU Magnetschalter
Der WIKA Typ BGU dient zur Grenzwerterfassung am Bypass-Niveaustandsanzeiger.
Die Schalter werden je nach Ausführung an der Magnetanzeige beziehungsweise direkt an der Bypasskammer befestigt und auf den gewünschten Schaltpunkt eingestellt.
Sie liefern ein binäres Signal für beispielsweise MIN-, MAX-, Pumpen- oder Alarmfunktionen.
Je nach Ausführung stehen unterschiedliche Schaltfunktionen, Zulassungen und Temperaturbereiche zur Verfügung.
Bei der Positionierung muss darauf geachtet werden, dass der Schalter innerhalb des funktionalen Schwimmerbereiches montiert wird und seine Ausrichtung der vorgesehenen Schaltlogik entspricht.
19.5 WIKA Typ BFT Schwimmer
Der Schwimmer ist das zentrale mechanische Element des Bypasssystems.
WIKA bietet unterschiedliche BFT-Schwimmerausführungen in Abhängigkeit von Dichte, Druck, Temperatur und Prozessmedium an.
Da lokale Anzeige, kontinuierliche Messung und Magnetschalter alle das Magnetfeld dieses Schwimmers verwenden, ist seine richtige Auslegung für die gesamte Messstelle entscheidend.
19.6 Auslegung durch ICS Schneider
Für die Auslegung eines magnetischen Bypassanzeigers werden insbesondere Medium, minimale und maximale Dichte, Prozessdruck, Prozesstemperatur, Behälteranschlüsse, gewünschter Mittenabstand, Messbereich, Werkstoffe, Anschlusslage, Isolierung beziehungsweise Beheizung und erforderliche Zulassungen benötigt.
Für die elektrische Erweiterung kommen gewünschtes Ausgangssignal, Auflösung, Kommunikationsschnittstelle sowie Anzahl und Funktion der Grenzschalter hinzu.
Ebenso sollte bereits bei der Planung geklärt werden, ob die Zusatzsignale lediglich der Prozessüberwachung und Plausibilitätskontrolle dienen oder ob eine tatsächlich unabhängige Schutzmessung benötigt wird.
20. Fazit
Ein magnetischer Bypass-Niveaustandsanzeiger kann wesentlich mehr leisten als eine rein mechanische Füllstandsanzeige.
Die lokale Magnetanzeige ermöglicht eine unmittelbare Kontrolle ohne elektrische Hilfsenergie. Ein zusätzlicher Transmitter stellt einen kontinuierlichen Messwert für SPS, Leitsystem oder Datenaufzeichnung bereit. Magnetschalter können unabhängig von der analogen Skalierung feste MIN- und MAX-Grenzen melden.
Diese unterschiedlichen Informationswege lassen sich sehr wirkungsvoll gegeneinander plausibilisieren.
Bewegt sich die lokale Anzeige, während das 4–20-mA-Signal stehen bleibt, liegt der Fehler wahrscheinlich in der elektrischen Messkette. Stimmen lokale Anzeige und Transmitter überein, während ein Grenzkontakt nicht reagiert, kann gezielt der Schalter untersucht werden.
Die Kombination verbessert damit Diagnosefähigkeit und Anlagenverfügbarkeit erheblich.
Sie besitzt jedoch eine gemeinsame mechanische Basis. Bypasskammer und Magnetschwimmer beeinflussen alle angebauten Funktionen.
Ein blockierter Schwimmer oder eine hydraulisch isolierte Bypasskammer kann deshalb mehrere scheinbar unabhängige Signalwege gleichzeitig verfälschen.
Der Begriff Redundanz sollte daher bewusst verwendet werden:
Lokale Anzeige + kontinuierlicher Transmitter + Grenzschalter = sehr gute funktionale und signaltechnische Redundanz, aber keine vollständig unabhängige dreifache Füllstandsmessung.
Ist echte Messprinzipredundanz erforderlich, muss zusätzlich ein vom Bypassschwimmer unabhängiges Messverfahren vorgesehen werden.
Für die normale Prozesspraxis ergibt sich eine sinnvolle Struktur:
Lokale Anzeige für den Bediener → kontinuierliches Signal für Steuerung und Trend → separate Grenzschalter für definierte Alarme → gegenseitige Plausibilisierung → bei kritischer Schutzfunktion zusätzlich unabhängiges Messprinzip.
Richtig ausgelegt verbindet der magnetische Bypassanzeiger damit gute Vor-Ort-Ablesbarkeit, robuste Fernübertragung und klar definierte Grenzmeldungen in einer einzigen prozessgerechten Messstelle.
21. Häufige Fragen zu Bypassanzeigern mit Transmitter und Schaltern
21.1 Funktioniert die lokale Anzeige ohne Strom?
Ja. Bei einem magnetischen Bypassanzeiger wie dem WIKA BNA wird die Anzeige durch das Magnetfeld des Schwimmers betätigt und benötigt für die reine Vor-Ort-Anzeige keine elektrische Hilfsenergie.
21.2 Kann ich gleichzeitig einen Transmitter und Magnetschalter verwenden?
Ja. Ein Bypass-Niveaustandsanzeiger kann mit einem kontinuierlichen Transmitter und zusätzlichen Magnetschaltern ausgerüstet werden.
21.3 Sind lokale Anzeige und 4–20-mA-Signal unabhängig?
Der Anzeige- beziehungsweise Signalweg ist teilweise unabhängig. Beide Funktionen verwenden jedoch normalerweise dasselbe Magnetfeld des gemeinsamen Schwimmers und sind daher messtechnisch nicht vollständig unabhängig.
21.4 Sind zwei Magnetschalter eine redundante Füllstandsmessung?
Nein. Sie stellen zwei separate Grenzsignale dar, verwenden jedoch weiterhin denselben Schwimmer beziehungsweise dieselbe Bypasskammer als gemeinsame Prozessinformation.
21.5 Was passiert, wenn der Schwimmer klemmt?
Dann können Magnetanzeige, Transmitter und Magnetschalter gleichzeitig einen unveränderten Zustand zeigen, obwohl sich der tatsächliche Füllstand im Behälter verändert.
21.6 Kann ein Bypassanzeiger einen falschen Füllstand zeigen, obwohl alle Signale übereinstimmen?
Ja. Beispielsweise kann die Bypasskammer durch geschlossene oder verstopfte Prozessanschlüsse vom Behälter getrennt sein. Alle Komponenten zeigen dann möglicherweise denselben Bypassfüllstand, aber nicht mehr den tatsächlichen Behälterfüllstand.
21.7 Warum braucht der Bypass zwei Behälteranschlüsse?
Damit sich der Flüssigkeitsspiegel in der Bypasskammer entsprechend dem Prinzip der kommunizierenden Gefäße an den Behälterfüllstand angleichen und gleichzeitig der notwendige Druckausgleich stattfinden kann.
21.8 Warum ist die Flüssigkeitsdichte wichtig?
Die Dichte bestimmt den Auftrieb und damit die Eintauchtiefe des Schwimmers. Der Schwimmer muss deshalb für die tatsächliche Prozessdichte ausgelegt sein.
21.9 Was ist der Unterschied zwischen BLR und BLM?
Der BLR arbeitet mit Reed-Kontakten und einer Widerstandsmesskette. Der BLM bestimmt die Schwimmerposition magnetostriktiv und ermöglicht eine hochauflösende kontinuierliche Positionserfassung.
21.10 Ist ein Reed-Transmitter wirklich kontinuierlich?
Er liefert ein kontinuierlich nutzbares Füllstandssignal, die interne Positionserfassung erfolgt jedoch über diskrete Reed-Kontakte. Die erreichbare Auflösung wird deshalb unter anderem vom verwendeten Kontaktraster beeinflusst.
21.11 Wann ist ein magnetostriktiver Transmitter sinnvoll?
Wenn eine hohe Positionsauflösung, präzise Trenddarstellung oder eine feinere kontinuierliche Erfassung gewünscht wird, kann ein magnetostriktiver Transmitter vorteilhaft sein.
21.12 Warum zusätzliche Magnetschalter verwenden, wenn bereits 4–20 mA vorhanden ist?
Ein separater Grenzschalter besitzt einen eigenen elektrischen Signalweg und ist unabhängig von der analogen Skalierung und der daraus abgeleiteten Softwaregrenze. Das kann Diagnose und Betriebssicherheit verbessern.
21.13 Kann ein MAX-Schalter als Überfüllschutz verwendet werden?
Das hängt von der geforderten Sicherheitsfunktion, der konkreten Gerätezulassung und der gesamten Sicherheitsarchitektur ab. Ein normaler Prozessgrenzschalter ist nicht allein deshalb automatisch ein normgerechter unabhängiger Überfüllschutz.
21.14 Wo darf ein Magnetschalter montiert werden?
Der Schalter muss innerhalb des für den Schwimmer nutzbaren beziehungsweise vom Hersteller vorgesehenen Bereichs positioniert werden. Bei BGU-Schaltern ist insbesondere der Bereich zwischen den Prozessanschlüssen zu beachten.
21.15 Was bedeutet ein bistabiler Magnetschalter?
Ein bistabiler Schalter kann seinen Schaltzustand nach dem Vorbeifahren des Schwimmermagneten beibehalten, bis das Magnetfeld beim Rücklauf den entsprechenden Umschaltbereich erneut passiert.
21.16 Kann das 4–20-mA-Signal direkt in Liter skaliert werden?
Das ist über die übergeordnete Auswertung möglich. Bei nichtlinearen Behältergeometrien darf die lineare Füllstandshöhe jedoch nicht ohne Behälterkennlinie direkt in Volumen umgerechnet werden.
21.17 Warum können lokale Anzeige und Fernsignal unterschiedliche Werte zeigen?
Mögliche Ursachen sind eine falsche Transmitterskalierung, mechanische Verschiebung des Gebers, eine blockierte Magnetanzeige oder eine fehlerhafte SPS-Konfiguration.
21.18 Was sollte bei der Inbetriebnahme geprüft werden?
Bypassverbindung, Schwimmerbewegung, lokale Anzeige, 4–20-mA-Nullpunkt und -Spanne sowie sämtliche Grenzschalter sollten über den tatsächlich vorgesehenen Füllstandsbereich gemeinsam geprüft werden.
21.19 Wann brauche ich ein unabhängiges zweites Messprinzip?
Wenn ein gemeinsamer Ausfall von Bypasskammer oder Schwimmer für die betreffende Schutz- oder Prozessfunktion nicht akzeptabel ist. Dann kann beispielsweise eine zusätzliche Radar-, hydrostatische oder Differenzdruckmessung sinnvoll sein.
21.20 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auslegung?
Hilfreich sind Medium, Dichtebereich, Viskosität, Prozessdruck, Prozesstemperatur, Behälteranschlüsse, Mittenabstand, gewünschter Messbereich, Werkstoffe, Anzahl und Position der Grenzschalter, gewünschtes Ausgangssignal beziehungsweise Kommunikationsprotokoll, Ex-Anforderungen sowie Informationen darüber, ob die Messstelle nur zur Prozessüberwachung oder auch für eine sicherheitsrelevante Funktion verwendet werden soll.