Bei einem geschlossenen Prozessbehälter soll der Füllstand mit einem Differenzdrucktransmitter gemessen werden. Die Hochdruckseite ist am unteren Behälteranschluss angeschlossen, die Niederdruckseite am Gasraum. Damit wird der Gasraumdruck auf beiden Seiten des Transmitters wirksam und kann sich bei der Differenzbildung weitgehend herausheben.
In vielen Anwendungen bleibt die Referenzleitung zum oberen Behälteranschluss jedoch nicht trocken. Bei Dampf, warmen Medien oder kondensierbaren Gasen kann sich Flüssigkeit in der Leitung bilden. Eine teilweise gefüllte Leitung wäre für die Messung besonders ungünstig, weil sich die zusätzliche hydrostatische Drucksäule dann unkontrolliert verändern würde. Statt diesen Zustand dem Zufall zu überlassen, wird die Referenzleitung deshalb gezielt vollständig mit einer definierten Flüssigkeit gefüllt. Man spricht von einer nassen Referenzleitung beziehungsweise einem Wet Leg.
Damit wird die Messung reproduzierbar – aber die Berechnung verändert sich. Die Flüssigkeitssäule des Wet Legs wirkt permanent auf die Niederdruckseite des Differenzdrucktransmitters. Selbst bei leerem Tank kann deshalb ein erheblicher negativer Differenzdruck vorhanden sein. Dieser Wert ist kein Gerätefehler, sondern ein konstruktiv erzeugter Offset der Messstelle.
Zusätzlich ist die Dichte der Referenzflüssigkeit entscheidend. Ändert sich ihre Temperatur, verändert sich auch ihre Dichte und damit der hydrostatische Gegendruck. Wird die Referenzleitung nicht vollständig gefüllt, entstehen Gasblasen oder sinkt der Flüssigkeitsspiegel im Kondensatgefäß, verschiebt sich die Anzeige ebenfalls.
Die wichtigste Regel lautet deshalb: Bei einer Wet-Leg-Füllstandmessung müssen Prozessflüssigkeit und Referenzsäule getrennt bilanziert werden. Höhe und Dichte der nassen Referenzleitung bestimmen die Nullpunktverschiebung, während Dichte und Füllhöhe des Prozessmediums die eigentliche Messspanne bestimmen.
Wie funktioniert die Füllstandmessung mit Differenzdruck?
Der hydrostatische Druck einer Flüssigkeitssäule ergibt sich aus ihrer Höhe und ihrer Dichte. Vereinfacht gilt:
p = ρ × g × h
Dabei ist:
- p = hydrostatischer Druck,
- ρ = Dichte der Flüssigkeit,
- g = Erdbeschleunigung,
- h = Höhe der Flüssigkeitssäule.
Bei einem offenen Behälter kann ein Drucktransmitter am unteren Messpunkt diesen hydrostatischen Druck direkt erfassen. Bei einem geschlossenen Behälter wirkt zusätzlich ein Gas- oder Dampfdruck auf die Flüssigkeitsoberfläche.
Der Druck am unteren Behälteranschluss beträgt dann vereinfacht:
punten = pGas + ρP × g × h
Ein einzelner Relativdrucktransmitter könnte nicht unterscheiden, welcher Anteil dieses Druckes vom Füllstand und welcher vom Gasraum stammt.
Deshalb wird ein Differenzdrucktransmitter verwendet. Die Hochdruckseite H beziehungsweise + wird mit dem unteren Prozessanschluss verbunden. Die Niederdruckseite L beziehungsweise − erhält den Gasraumdruck vom oberen Anschluss.
Bei einer ideal trockenen Referenzleitung gilt:
Δp = (pGas + ρP × g × h) - pGas
und damit:
Δp = ρP × g × h
Der Gasraumdruck hebt sich heraus. Genau dieses Grundprinzip bleibt auch beim Wet Leg erhalten. Allerdings kommt dort auf der Niederdruckseite eine zusätzliche Flüssigkeitssäule hinzu.
Was ist eine nasse Referenzleitung beziehungsweise ein Wet Leg?
Ein Wet Leg ist eine bewusst vollständig mit Flüssigkeit gefüllte Referenzleitung zwischen dem Gasraum eines geschlossenen Behälters und der Niederdruckseite des Differenzdrucktransmitters.
Die Flüssigkeit kann beispielsweise aus Kondensat des Prozessmediums bestehen. Bei anderen Anwendungen kann ein separates geeignetes Sperr- beziehungsweise Füllmedium eingesetzt werden.
Entscheidend ist nicht allein, dass sich irgendeine Flüssigkeit in der Leitung befindet. Für eine reproduzierbare Messung muss die Referenzsäule einen definierten und möglichst konstanten Zustand besitzen.
Eine halb gefüllte Leitung ist messtechnisch wesentlich schlechter als eine bewusst trockene oder bewusst vollständig gefüllte Leitung. Wenn der Flüssigkeitsspiegel in der Referenzleitung mit dem Betriebszustand wandert, verändert sich der hydrostatische Zusatzdruck auf der L-Seite und damit direkt der angezeigte Füllstand.
Ein Wet Leg wird deshalb besonders dort eingesetzt, wo Kondensation ohnehin zu erwarten ist. Statt eine unkontrollierte Kondensatbildung zuzulassen, wird eine feste Referenzsäule geschaffen.
Dry Leg und Wet Leg unterscheiden
| Merkmal | Dry Leg | Wet Leg |
|---|---|---|
| Zustand der LP-Referenzleitung | Gasgefüllt beziehungsweise trocken | Vollständig mit Flüssigkeit gefüllt |
| Typische Anwendung | Nicht kondensierendes Gas beziehungsweise trockener Gasraum | Kondensierender Dampf oder Prozessgas mit erwarteter Flüssigkeitsbildung |
| Hydrostatischer Zusatzdruck auf LP-Seite | Näherungsweise keiner | Konstante Flüssigkeitssäule |
| 0-%-Differenzdruck | Bei idealer Geometrie häufig etwa 0 | Häufig deutlich negativ |
| Wichtige Zusatzgröße | Kondensatfreiheit der Referenzleitung | Wet-Leg-Höhe und Dichte der Referenzflüssigkeit |
| Typische Fehlerquelle | Unbeabsichtigte Kondensatbildung | Teilentleerung, Gasblasen, Dichteänderung oder wechselnde Referenztemperatur |
Der entscheidende Punkt ist die Reproduzierbarkeit. Eine Dry-Leg-Anordnung funktioniert nur dann wie berechnet, wenn die Leitung tatsächlich trocken bleibt. Ein Wet Leg funktioniert nur dann wie berechnet, wenn die Referenzsäule tatsächlich vollständig und mit der angenommenen Dichte vorhanden ist.
Grundgleichung der Wet-Leg-Messung
Für eine vereinfachte Anordnung wird zunächst angenommen, dass der Differenzdrucktransmitter auf Höhe des unteren Prozessanschlusses montiert ist. Zusätzliche Höhenanteile der Hochdruckleitung werden zunächst vernachlässigt.
Auf der Hochdruckseite wirkt:
pH = pGas + ρP × g × h
Auf der Niederdruckseite wirkt:
pL = pGas + ρW × g × HW
Daraus ergibt sich:
Δp = pH - pL
und damit:
Δp = ρP × g × h - ρW × g × HW
Dabei ist:
- ρP = Dichte des Prozessmediums,
- h = aktueller Prozessfüllstand über dem unteren Messpunkt,
- ρW = Dichte der Wet-Leg-Flüssigkeit,
- HW = vertikale Höhe der Wet-Leg-Flüssigkeitssäule.
Der Gasraumdruck ist in beiden Gleichungen enthalten und fällt bei der Differenzbildung heraus.
Die Wet-Leg-Säule bleibt dagegen erhalten. Da sie auf der Niederdruckseite wirkt, wird ihr hydrostatischer Druck vom Nutzsignal abgezogen.
Warum 0 % Füllstand einen negativen Differenzdruck ergeben kann
Bei leerem Behälter beziehungsweise bei 0 % des definierten Messbereiches ist die hydrostatische Prozesssäule im vereinfachten Beispiel null:
h = 0
Damit bleibt:
Δp0% = -ρW × g × HW
Der Differenzdrucktransmitter sieht also einen negativen Wert, weil die gefüllte L-Seite einen höheren hydrostatischen Druck erzeugt als die H-Seite.
Das ist vollkommen normal.
Ein leerer Tank muss bei einer Wet-Leg-Anordnung deshalb keineswegs 0 mbar Differenzdruck erzeugen. 0 % Füllstand kann beispielsweise −400 mbar, −300 mbar oder einen anderen projektspezifischen Wert bedeuten.
Dieser konstante Versatz wird bei der Parametrierung berücksichtigt. In der klassischen Transmitterterminologie wird eine solche Verschiebung häufig als Zero Elevation beziehungsweise Nullpunktanhebung bezeichnet.
Wichtig ist dabei weniger die Bezeichnung als die korrekte Berechnung: Der physikalisch vorhandene Differenzdruck darf nicht durch einen falschen Nullabgleich „weggedrückt“ werden, ohne dass die Messbereichsgrenzen entsprechend berücksichtigt werden.
LRV und URV richtig berechnen
Für die Parametrierung eines modernen Differenzdrucktransmitters sind insbesondere der Lower Range Value und Upper Range Value relevant.
Unter der vereinfachten Geometrie gilt bei 0 %:
LRV = -ρW × g × HW
Bei 100 % Füllstand mit der Messhöhe HP gilt:
URV = ρP × g × HP - ρW × g × HW
Die eigentliche Messspanne ist:
Span = URV - LRV
Damit ergibt sich:
Span = ρP × g × HP
Das ist ein wichtiger Zusammenhang: Eine ideal konstante Wet-Leg-Säule verschiebt den gesamten Differenzdruckbereich, verändert aber nicht die durch den Prozessfüllstand erzeugte Spanweite.
Genau deshalb können bei einer Wet-Leg-Anordnung sowohl LRV als auch URV negativ sein und der Transmitter trotzdem einen vollkommen normalen 4–20-mA-Füllstand von 0 bis 100 % ausgeben.
Praxisbeispiel mit 4 m Wet Leg
Ein geschlossener Prozessbehälter soll über einen Füllstandsbereich von 3,0 m gemessen werden. Der Differenzdrucktransmitter sitzt für diese vereinfachte Betrachtung auf Höhe des unteren Messanschlusses.
Gegeben seien:
- Messhöhe des Prozessmediums: 3,0 m,
- Dichte des Prozessmediums: 800 kg/m³,
- Höhe der nassen Referenzleitung: 4,0 m,
- Dichte der Wet-Leg-Flüssigkeit: 1.000 kg/m³,
- Erdbeschleunigung: 9,80665 m/s².
Der hydrostatische Druck der vollständig gefüllten Referenzleitung beträgt:
pWetLeg = 1.000 × 9,80665 × 4,0
pWetLeg ≈ 39,23 kPa
Bei 0 % Füllstand ergibt sich damit:
LRV ≈ -39,23 kPa
Der Prozessfüllstand von 3,0 m erzeugt bei 800 kg/m³:
pProzess,100% = 800 × 9,80665 × 3,0
pProzess,100% ≈ 23,54 kPa
Bei 100 % beträgt der Differenzdruck deshalb:
URV = 23,54 - 39,23
URV ≈ -15,69 kPa
| Zustand | Prozesssäule | Wet-Leg-Druck | Differenzdruck | Ausgang |
|---|---|---|---|---|
| 0 % Füllstand | 0 kPa | 39,23 kPa | −39,23 kPa | 4 mA |
| 50 % Füllstand | ca. 11,77 kPa | 39,23 kPa | ca. −27,46 kPa | ca. 12 mA |
| 100 % Füllstand | 23,54 kPa | 39,23 kPa | −15,69 kPa | 20 mA |
Der gesamte kalibrierte Differenzdruckbereich liegt in diesem Beispiel im negativen Bereich. Trotzdem steigt der Differenzdruck mit zunehmendem Füllstand kontinuierlich von −39,23 auf −15,69 kPa.
Das Leitsystem kann diesen Bereich problemlos auf 0 bis 100 % beziehungsweise 4 bis 20 mA skalieren.
Einfluss der Prozess- und Referenzdichte
Bei einer hydrostatischen Füllstandmessung ist Dichte kein nebensächlicher Parameter. Der Transmitter misst Druck, nicht unmittelbar geometrische Höhe.
Ändert sich die Prozessdichte bei konstantem tatsächlichem Füllstand, verändert sich der hydrostatische Druck auf der H-Seite. Die Anzeige kann sich damit verändern, obwohl sich die geometrische Flüssigkeitshöhe nicht geändert hat.
Beim Wet Leg gibt es zusätzlich eine zweite Dichte: die Dichte der Referenzflüssigkeit.
Damit wirken zwei voneinander unabhängige Dichteänderungen auf die Messstelle:
- Ändert sich ρP, verändert sich die Steigung der Füllstandkennlinie.
- Ändert sich ρW, verschiebt sich hauptsächlich der Referenzdruck beziehungsweise Nullpunkt der Messung.
Das ist für die Diagnose sehr hilfreich. Eine Änderung der Prozessdichte wirkt typischerweise füllstandsabhängig. Eine veränderte Wet-Leg-Dichte erzeugt dagegen einen weitgehend konstanten zusätzlichen Offset.
Bei Medien mit stark temperatur- oder konzentrationsabhängiger Dichte sollte deshalb bereits bei der Auslegung geklärt werden, ob die gewünschte Genauigkeit mit einer festen Dichteannahme erreichbar ist oder ob eine zusätzliche Dichte- beziehungsweise Temperaturkompensation erforderlich wird.
Warum die Temperatur der Referenzleitung wichtig ist
Auch die Wet-Leg-Flüssigkeit besitzt eine temperaturabhängige Dichte.
Erwärmt sich beispielsweise eine wassergefüllte Referenzleitung, sinkt die Flüssigkeitsdichte. Damit wird die hydrostatische Drucksäule auf der Niederdruckseite kleiner.
Bei der üblichen Verschaltung mit H unten und L am Wet Leg bedeutet dies:
Der L-Druck nimmt ab, der gemessene Differenzdruck H - L steigt und der angezeigte Füllstand kann zu hoch erscheinen.
Kühlt die Referenzsäule ab und steigt ihre Dichte, kann sich der Effekt umkehren.
Besonders kritisch ist eine lange Referenzleitung, die durch mehrere Temperaturzonen verläuft. Ein Teil kann sich in einem beheizten Bereich befinden, während ein anderer Abschnitt im Freien liegt. Dann lässt sich die wirksame mittlere Dichte nicht mehr einfach aus einer einzigen Raumtemperatur ableiten.
Bei anspruchsvollen Anwendungen gehören deshalb Umgebungstemperatur, Isolation und Leitungsführung zur Messstellenauslegung.
Eine einseitige Begleitheizung oder eine starke lokale Wärmequelle kann die Referenzsäule ebenso beeinflussen wie direkte Sonneneinstrahlung.
Warum der Wet-Leg-Füllstand konstant bleiben muss
Die Berechnung funktioniert nur dann reproduzierbar, wenn die vertikale Flüssigkeitssäule auf der L-Seite bekannt ist.
Sinkt der Flüssigkeitsspiegel im Wet Leg, wird dessen hydrostatischer Gegendruck kleiner. Der gemessene Differenzdruck steigt und der Transmitter zeigt bei ansonsten unverändertem Prozess einen höheren Füllstand an.
Ähnliches gilt für eine größere Gasblase innerhalb der Referenzleitung. An der Stelle der Gasblase fehlt ein Teil der vorgesehenen Flüssigkeitssäule. Der effektive hydrostatische Referenzdruck wird kleiner.
Umgekehrt kann eine zusätzliche dichtere Füllflüssigkeit beziehungsweise ein höherer Referenzstand den L-Druck vergrößern und die Füllstandanzeige nach unten verschieben.
Für eine belastbare Messung ist deshalb nicht nur wichtig, dass die Referenzleitung beim ersten Start korrekt gefüllt wird. Ihr Zustand muss während des gesamten Betriebes reproduzierbar bleiben.
Aufgabe des Kondensatgefäßes
Bei Behältern mit kondensierendem Dampf wird häufig ein Kondensatgefäß beziehungsweise eine Kondensatkammer am oberen Referenzanschluss eingesetzt.
Das Gefäß schafft einen definierten oberen Bezugspunkt für die Flüssigkeitssäule. Kondensierender Dampf kann dort Flüssigkeit bilden und die angeschlossene Referenzleitung wird kontrolliert mit Kondensat gefüllt.
Die vertikale Höhe zwischen diesem Referenzniveau und dem Transmitter bestimmt gemeinsam mit der Flüssigkeitsdichte den hydrostatischen Druck auf der L-Seite.
Damit das Konzept funktioniert, müssen Einbauhöhe und Füllzustand des Kondensatgefäßes zur Berechnung passen.
Ein verschobenes Gefäß, eine nachträgliche Änderung der Transmitterhöhe oder eine Leitung, die teilweise höher beziehungsweise tiefer neu verlegt wird, kann den berechneten Referenzdruck verändern.
Bei Wartungsarbeiten sollte deshalb nicht nur der Transmitter selbst dokumentiert werden. Auch Kondensatgefäß, Impulsleitung und Einbauhöhen gehören zur Messstelle.
Transmitterhöhe und Impulsleitungen mitberechnen
Die bisher verwendete Gleichung ging der Einfachheit halber davon aus, dass der Transmitter auf Höhe des unteren Prozessanschlusses sitzt.
In realen Anlagen ist das häufig nicht der Fall.
Sitzt der Differenzdrucktransmitter beispielsweise einen Meter unterhalb des unteren Prozessanschlusses und ist die H-Leitung mit Prozessflüssigkeit gefüllt, erzeugt auch diese Flüssigkeitssäule einen zusätzlichen konstanten Druck.
Eine allgemeinere Betrachtung lautet deshalb:
Δp = ρP × g × h + ρH × g × HH - ρW × g × HW
Dabei beschreibt ρH × g × HH den konstanten hydrostatischen Anteil der Hochdruck-Impulsleitung.
Für die Parametrierung müssen deshalb die tatsächlichen vertikalen Höhen verwendet werden. Die gesamte Rohr- oder Schlauchlänge ist für die statische Drucksäule nicht ausschlaggebend.
Eine zehn Meter lange horizontal verlegte Leitung erzeugt nicht dieselbe hydrostatische Verschiebung wie eine zehn Meter hohe Flüssigkeitssäule.
Nach einer nachträglichen Veränderung der Montagehöhe des Transmitters sollten LRV und URV daher erneut überprüft werden.
4–20-mA-Bereich richtig parametrieren
Ein häufiger Denkfehler besteht darin, 4 mA grundsätzlich mit 0 mbar Differenzdruck gleichzusetzen.
Bei einer Wet-Leg-Füllstandmessung ist das gerade häufig nicht der Fall.
Im oben berechneten Beispiel gilt:
−39,23 kPa = 4 mA = 0 %
und:
−15,69 kPa = 20 mA = 100 %
Der Transmitter wird also nicht auf „0 bis 23,54 kPa“ eingestellt, sondern auf den real anliegenden Differenzdruckbereich.
Das Leitsystem erhält anschließend ein gewöhnliches lineares 4–20-mA-Signal und kann daraus Prozent, Füllhöhe oder – mit einer Tankkennlinie – Volumen berechnen.
Bei nichtlinearen Tankgeometrien wie liegenden Zylindern oder Kugelbehältern sollte Füllhöhe nicht einfach linear als Volumen interpretiert werden. Dafür ist eine entsprechende Linearisierung beziehungsweise Tanktabelle erforderlich.
Nullabgleich und Nullpunktverschiebung unterscheiden
Der Begriff „Nullpunkt“ führt bei Wet-Leg-Anwendungen häufig zu Missverständnissen.
Ein Differenzdrucktransmitter kann über einen Ventilblock so beaufschlagt werden, dass auf H- und L-Seite derselbe Druck anliegt. Dann beträgt der physikalische Differenzdruck an der Messzelle 0 mbar. Dieser Zustand kann zum Prüfen beziehungsweise für einen Geräte-Nullabgleich verwendet werden.
Das bedeutet jedoch nicht, dass 0 mbar im realen Prozess anschließend 0 % Füllstand entsprechen.
Nach Rückkehr in den normalen Prozesszustand wirkt die Wet-Leg-Flüssigkeitssäule wieder auf die L-Seite. Bei leerem Tank liegt deshalb erneut der berechnete negative Differenzdruck an.
Man muss also zwei Dinge sauber trennen:
- Sensor-Null: Beide Eingänge werden mit demselben Druck beaufschlagt, Δp = 0.
- Prozess-Null beziehungsweise 0 % Level: Der reale Differenzdruck bei minimalem Füllstand einschließlich aller hydrostatischen Installationsanteile.
Wer diese beiden Zustände verwechselt, kann eine korrekt ausgelegte Wet-Leg-Messstelle durch einen falschen Nullabgleich vollständig falsch skalieren.
Alarmierung und Leitsystem richtig skalieren
Für die Prozessführung wird normalerweise nicht mit dem rohen Differenzdruckwert gearbeitet, sondern mit dem daraus skalierten Füllstand.
Grenzwerte wie:
- Low,
- Low-Low,
- High,
- High-High
sollten deshalb auf einer korrekt parametrierten und dokumentierten Füllstandsskala basieren.
Bei einer Wartung ist es dennoch sinnvoll, den rohen Differenzdruck zusätzlich verfügbar zu halten. Ein scheinbar wandernder Füllstand lässt sich wesentlich leichter diagnostizieren, wenn bekannt ist, ob sich der eigentliche Δp-Rohwert verändert hat.
Bei kritischen Anwendungen kann außerdem die Temperatur der Referenzleitung beziehungsweise des Kondensatbereichs als zusätzliche Diagnosegröße hilfreich sein. Damit lässt sich eine temperaturbedingte Nullpunktverschiebung besser von einer tatsächlichen Füllstandänderung unterscheiden.
Die kontinuierliche Füllstandmessung und eine unabhängige Grenzstanderfassung erfüllen dabei unterschiedliche Aufgaben. Ob für eine konkrete Anlage eine separate Überfüll- oder Trockenlaufsicherung erforderlich ist, ergibt sich aus dem jeweiligen Anlagen- und Sicherheitskonzept.
Typische Wet-Leg-Fehler erkennen
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvoller Prüfschritt |
|---|---|---|
| Angezeigter Füllstand steigt langsam ohne reale Befüllung | Wet Leg verliert Flüssigkeit oder enthält Gas | Füllzustand, Kondensatgefäß und Referenzleitung kontrollieren |
| Füllstand verändert sich mit Außentemperatur | Dichteänderung der Wet-Leg-Flüssigkeit | Temperaturverlauf und Leitungsführung prüfen |
| Konstanter Offset seit Inbetriebnahme | LRV/URV oder Montagehöhe falsch berechnet | Geometrie, Dichten und Parametrierung nachrechnen |
| Messwert springt nach Wartungsarbeiten | Referenzleitung nicht vollständig gefüllt oder nicht entlüftet | Wet Leg entsprechend Betriebsanweisung wiederherstellen |
| Messwert stimmt nur bei einer bestimmten Produkttemperatur | Prozess- oder Referenzdichte nicht korrekt berücksichtigt | Dichte-Temperatur-Verhalten prüfen |
| Transmitter zeigt korrekt 0 mbar am Ventilblock, Prozessanzeige bleibt aber falsch | Geräte-Null ist korrekt, Anwendungs-Skalierung beziehungsweise Wet-Leg-Berechnung falsch | LRV, URV und Prozessgeometrie kontrollieren |
Diese Fehlerbilder zeigen, warum bei einer Differenzdruck-Füllstandmessung nicht nur das elektronische Messgerät betrachtet werden darf.
Transmitter, Ventilblock, beide Impulsleitungen, Kondensatgefäß, Füllmedien, Dichten und Einbauhöhen bilden gemeinsam die Messkette.
Wann Druckmittler oder elektronische Differenzdruckmessung sinnvoll sind
Ein klassisches Wet Leg ist bewährt, einfach nachvollziehbar und in vielen Anlagen sehr zuverlässig. Es erfordert jedoch eine definierte, dauerhaft stabile Flüssigkeitssäule.
Bei problematischen Medien oder hohen Temperaturen können Druckmittlersysteme eine Alternative darstellen. Dabei wird der Prozess durch Membranen vom Messsystem getrennt und der Druck über vollständig gefüllte Kapillarsysteme übertragen.
Dadurch entfällt eine klassische offene Wet-Leg-Impulsleitung. Gleichzeitig entstehen jedoch andere Einflüsse, insbesondere durch Füllflüssigkeit, Kapillarlänge, Montagehöhe und Umgebungstemperatur.
Bei sehr großen vertikalen Abständen kann außerdem eine elektronische Differenzdrucklösung interessant sein. Dabei messen zwei Drucktransmitter die beiden Prozessdrücke separat und bilden die Differenz elektronisch.
Eine solche Lösung besitzt keine mehrere Meter hohe gemeinsame Referenzflüssigkeitssäule. Dafür müssen die Genauigkeit zweier separater Druckmessungen und der statische Prozessdruck zur erforderlichen kleinen Differenz passen.
Es gibt deshalb keine grundsätzlich beste Lösung. Wet Leg, Druckmittler und elektronische Differenzdruckmessung müssen anhand von Medium, Temperatur, Druck, Höhe, Wartung, Messspanne und geforderter Genauigkeit verglichen werden.
Systematischer Auslegungs- und Inbetriebnahmeablauf
Für eine belastbare Wet-Leg-Füllstandmessung sollte die komplette Messstelle vor der Parametrierung geometrisch und hydraulisch beschrieben werden.
- Messbereich festlegen: Unteren und oberen Füllstand eindeutig definieren.
- Behälterdruck bestimmen: Minimalen und maximalen statischen Gasraumdruck erfassen.
- Prozessdichte bestimmen: Dichte und gegebenenfalls deren Temperatur- oder Konzentrationsabhängigkeit dokumentieren.
- Referenzart festlegen: Dry Leg oder Wet Leg bewusst auswählen.
- Wet-Leg-Flüssigkeit definieren: Kondensat oder geeignetes separates Füllmedium festlegen.
- Wet-Leg-Dichte bestimmen: Relevanten Temperaturzustand berücksichtigen.
- Vertikale Höhen aufnehmen: Prozessanschlüsse, Kondensatgefäß und Transmitterposition exakt dokumentieren.
- Hochdruck-Impulsleitung berücksichtigen: Zusätzliche Flüssigkeitssäule zwischen unterem Anschluss und Transmitter einrechnen.
- LRV berechnen: Differenzdruck bei minimalem Füllstand bestimmen.
- URV berechnen: Differenzdruck bei maximalem Füllstand bestimmen.
- Transmitterbereich prüfen: Negative und positive Bereichsgrenzen müssen innerhalb der Gerätespezifikation liegen.
- Referenzleitung vollständig füllen: Luft- und Dampfblasen entsprechend der vorgesehenen Inbetriebnahmeprozedur entfernen.
- Ventilblock und Anschlüsse prüfen: H- und L-Seite eindeutig zuordnen.
- 4–20-mA-Skalierung setzen: LRV = 4 mA und URV = 20 mA parametrieren.
- Prozesswert plausibilisieren: Füllstand mit bekanntem Anlagenzustand vergleichen.
- Ausgangszustand dokumentieren: Dichten, Höhen, Temperaturen und Konfiguration für spätere Wartung festhalten.
Gerade die Dokumentation der Höhen und Dichten ist wichtig. Wird nach Jahren der Transmitter getauscht, reicht die Information „Messbereich 0 bis 100 %“ nicht aus, um die Wet-Leg-Konfiguration korrekt zu rekonstruieren.
Häufige Planungs- und Inbetriebnahmefehler
0 % Füllstand mit 0 mbar gleichsetzen
Bei einer Wet-Leg-Anordnung liegt bei leerem Behälter häufig ein deutlich negativer Differenzdruck an. Dieser Wert gehört zur korrekten Messstellenberechnung.
Die Dichte des Wet Legs mit der Prozessdichte gleichsetzen
Referenzflüssigkeit und Prozessmedium können unterschiedliche Dichten und unterschiedliche Temperaturen besitzen. Beide müssen separat betrachtet werden.
Die gesamte Leitungslänge statt der vertikalen Höhe verwenden
Der hydrostatische Druck hängt von der vertikalen Flüssigkeitssäule ab, nicht von der gesamten geometrischen Rohrlänge.
Eine teilweise gefüllte Referenzleitung akzeptieren
Ein wechselnder Flüssigkeitsspiegel erzeugt einen wechselnden Referenzdruck und damit einen direkten Füllstandfehler.
Nach einem Nullabgleich 0 mbar als 4-mA-Punkt programmieren
Geräte-Null und Prozess-Null sind bei einer Wet-Leg-Messung unterschiedliche Zustände.
Die Transmitterhöhe nachträglich ändern
Damit ändern sich die vertikalen Flüssigkeitssäulen in den Impulsleitungen. LRV und URV müssen anschließend erneut geprüft werden.
Temperaturänderungen der Wet-Leg-Flüssigkeit ignorieren
Die Dichte der Referenzflüssigkeit verändert sich mit der Temperatur. Bei langen Wet Legs und kleinen Messspannen kann daraus eine relevante Nullpunktverschiebung entstehen.
Den Gasraumdruck in die Füllstandspanne einrechnen
Bei korrekter Differenzdruckverschaltung wirkt der Gasraumdruck auf beide Seiten und hebt sich weitgehend heraus. Entscheidend sind die hydrostatischen Differenzen.
Nur den Differenzdrucktransmitter kalibrieren
Ein korrekt arbeitendes Gerät garantiert noch keine korrekte Füllstandmessung. Impulsleitungen, Referenzsäule, Dichten und Geometrie gehören ebenfalls zur Messkette.
Passende Messtechnik bei ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet Differenzdruck- und Füllstandmesstechnik für offene und geschlossene Prozessbehälter sowie für anspruchsvolle Industrieanwendungen an.
Der Siemens SITRANS P320 eignet sich für Relativdruck, Absolutdruck, Differenzdruck, Durchfluss und Füllstand. Damit kann er für klassische Füllstandmessungen an geschlossenen Behältern mit H-/L-Prozessanschlüssen eingesetzt werden.
Bei Wet-Leg-Anwendungen wird der reale Differenzdruckbereich aus Prozessdichte, Referenzsäule und Einbaugeometrie ermittelt und anschließend als unterer und oberer Messbereichswert im Transmitter parametriert.
Der WIKA DPT-20 ist ebenfalls für industrielle Differenzdruck- und Füllstandmessungen in offenen und geschlossenen Tanks vorgesehen. Unterschiedliche Messbereiche und Prozessausführungen ermöglichen die Anpassung an kleine Differenzdrücke bei gleichzeitig hohem statischem Prozessdruck.
Für schwierige Prozessbedingungen stehen außerdem Druckmittlerlösungen und entsprechendes Zubehör für Differenzdruckmessstellen zur Verfügung.
Füllstandmesstechnik bei ICS Schneider
Prozesstransmitter und Differenzdrucktransmitter bei ICS Schneider
Weiterführend: Füllstand im Drucktank messen – Gasraumdruck richtig kompensieren
Weiterführend: Differenzdrucktransmitter liefert unplausible Werte
Fazit
Eine nasse Referenzleitung macht die Differenzdruck-Füllstandmessung in geschlossenen Behältern mit kondensierendem Gas- oder Dampfraum reproduzierbar. Dafür wird die Niederdruckseite bewusst mit einer definierten Flüssigkeitssäule beaufschlagt.
Diese Referenzsäule ist kein unerwünschter Stördruck, sondern Bestandteil der Messstellenberechnung. Ihre Höhe und Dichte verschieben den gesamten Differenzdruckbereich und führen häufig dazu, dass 0 % und 100 % Füllstand beide bei negativen Differenzdrücken liegen.
Die Prozessdichte bestimmt im Wesentlichen die nutzbare Füllstandspanne. Die Dichte und Höhe des Wet Legs bestimmen dagegen einen wesentlichen Teil des konstanten Offsets. In realen Installationen kommen zusätzlich die Montagehöhe des Transmitters und die Flüssigkeitssäulen in den Impulsleitungen hinzu.
Besondere Aufmerksamkeit verdient die Temperatur. Ändert sich die Dichte der Referenzflüssigkeit, verändert sich der hydrostatische Druck auf der L-Seite und damit die Füllstandanzeige. Ein Wet Leg muss deshalb nicht nur vollständig gefüllt, sondern auch thermisch und geometrisch möglichst reproduzierbar betrieben werden.
Wer LRV und URV aus der tatsächlichen Anlagengeometrie berechnet, Geräte-Null und Prozess-Null sauber trennt und Wet-Leg-Füllstand, Dichte sowie Temperatur bei der Wartung berücksichtigt, erhält eine robuste und nachvollziehbare Differenzdruck-Füllstandmessung.
FAQ zur Füllstandmessung mit Wet Leg
Was ist ein Wet Leg bei einer Differenzdruck-Füllstandmessung?
Ein Wet Leg ist eine vollständig mit Flüssigkeit gefüllte Referenzleitung auf der Niederdruckseite eines Differenzdrucktransmitters. Sie erzeugt eine definierte hydrostatische Referenzsäule.
Wann wird eine nasse Referenzleitung verwendet?
Sie wird insbesondere eingesetzt, wenn im Gas- oder Dampfraum Kondensation zu erwarten ist und eine trockene Referenzleitung deshalb nicht dauerhaft gewährleistet werden kann.
Welche Seite des Differenzdrucktransmitters wird mit dem Wet Leg verbunden?
Bei der klassischen Füllstandmessung im geschlossenen Behälter wird der untere Prozessanschluss mit H beziehungsweise + und die nasse Referenzleitung vom Gasraum mit L beziehungsweise − verbunden.
Warum ist der Differenzdruck bei leerem Tank häufig negativ?
Die gefüllte Referenzleitung erzeugt auf der Niederdruckseite einen hydrostatischen Druck. Ist dieser größer als der Druck auf der Hochdruckseite bei minimalem Füllstand, ergibt sich ein negativer Differenzdruck.
Ist ein negativer Differenzdruck bei 0 % ein Fehler?
Nein. Bei einer korrekt berechneten Wet-Leg-Anordnung ist dies vollkommen normal. Entscheidend ist, dass LRV und URV entsprechend parametriert werden.
Was ist Zero Elevation?
Damit wird häufig eine Messbereichsverschiebung bezeichnet, bei der 0 % des Prozesswertes einem negativen Differenzdruck entspricht. Wet-Leg-Anwendungen sind ein typisches Beispiel.
Wie berechnet man den Wet-Leg-Druck?
Vereinfacht mit p = ρ × g × h. Benötigt werden die Dichte der Referenzflüssigkeit und die vertikale Höhe der Flüssigkeitssäule.
Welche Dichte muss für das Wet Leg verwendet werden?
Die Dichte der tatsächlich vorhandenen Referenzflüssigkeit unter den relevanten Temperaturbedingungen. Sie muss nicht mit der Dichte des Prozessmediums identisch sein.
Beeinflusst die Temperatur des Wet Legs den Füllstand?
Ja. Die Dichte der Referenzflüssigkeit ändert sich mit der Temperatur. Dadurch verändert sich der hydrostatische Druck auf der L-Seite und der Nullpunkt der Füllstandmessung kann wandern.
Was passiert, wenn die Wet-Leg-Leitung teilweise leer wird?
Der hydrostatische Gegendruck auf der Niederdruckseite nimmt ab. Bei der üblichen Verschaltung steigt dadurch der gemessene Differenzdruck und der angezeigte Füllstand kann zu hoch sein.
Können Gasblasen im Wet Leg einen Messfehler verursachen?
Ja. Sie reduzieren die wirksame Flüssigkeitssäule und können dadurch einen Offset beziehungsweise instabile Messwerte verursachen.
Warum wird ein Kondensatgefäß verwendet?
Es schafft bei kondensierenden Dämpfen einen definierten oberen Bezugspunkt und unterstützt eine reproduzierbare, vollständig gefüllte Referenzsäule.
Verändert ein Wet Leg die eigentliche Messspanne?
Bei konstanter Referenzsäule verschiebt das Wet Leg vor allem den Messbereich. Die durch die Änderung der Prozessfüllhöhe erzeugte Spanweite bleibt grundsätzlich von Prozessdichte und Füllhöhenbereich bestimmt.
Kann 4 mA einem negativen Differenzdruck entsprechen?
Ja. Ein Differenzdrucktransmitter kann beispielsweise so parametriert werden, dass −400 mbar 4 mA beziehungsweise 0 % und −150 mbar 20 mA beziehungsweise 100 % entsprechen.
Ist ein Nullabgleich mit geöffnetem Ausgleichsventil dasselbe wie 0 % Füllstand?
Nein. Beim Ausgleich liegen an H und L dieselben Drücke an und die Messzelle sieht 0 mbar. Der reale Prozesszustand bei 0 % kann aufgrund des Wet Legs einen deutlich negativen Differenzdruck besitzen.
Muss die Transmitterhöhe berücksichtigt werden?
Ja. Vertikale Flüssigkeitssäulen zwischen Prozessanschlüssen und Transmitter erzeugen zusätzliche konstante hydrostatische Druckanteile und müssen in die LRV-/URV-Berechnung einbezogen werden.
Ist die gesamte Länge der Impulsleitung für den hydrostatischen Druck relevant?
Nein. Für den statischen hydrostatischen Anteil ist hauptsächlich die vertikale Höhendifferenz relevant, nicht die gesamte Leitungslänge.
Wann ist ein Druckmittlersystem eine Alternative zum Wet Leg?
Druckmittler können sinnvoll sein, wenn Impulsleitungen wegen Medium, Temperatur, Viskosität, Kristallisation oder Wartungsanforderungen problematisch sind. Sie bringen jedoch eigene Temperatur- und Kapillareinflüsse mit sich.
Welcher Transmitter eignet sich für eine Wet-Leg-Füllstandmessung?
Geeignete industrielle Differenzdrucktransmitter wie der Siemens SITRANS P320 oder WIKA DPT-20 können für solche Anwendungen eingesetzt werden, sofern Messbereich, statischer Druck, Prozessanschlüsse und Ausführung zur konkreten Anlage passen.