In Abscheidern, Lagertanks und Prozessbehältern befinden sich häufig zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten gleichzeitig. Typische Beispiele sind Öl und Wasser, organische und wässrige Phasen oder unterschiedliche Prozessflüssigkeiten mit ausreichend großer Dichtedifferenz. Für die Prozessführung ist dann nicht nur der Gesamtfüllstand interessant, sondern vor allem die Lage der Grenzfläche zwischen beiden Flüssigkeiten.
Eine bewährte Möglichkeit zur Erfassung dieser Trennschicht ist die Differenzdruckmessung. Sie nutzt den hydrostatischen Druck, den die beiden Flüssigkeitssäulen zwischen zwei Messpunkten erzeugen. Das Verfahren ist technisch vergleichsweise einfach, kann in offenen und geschlossenen Behältern eingesetzt werden und lässt sich mit industriellen Differenzdrucktransmittern und Druckmittlern realisieren.
Die vermeintliche Einfachheit hat jedoch eine wesentliche Voraussetzung: Die Zuordnung zwischen Differenzdruck und Grenzflächenhöhe hängt unmittelbar von den Dichten beider Flüssigkeiten ab. Ändert sich beispielsweise nur die Dichte der oberen Phase, verschiebt sich bereits der gemessene Differenzdruck. Ändert sich gleichzeitig auch die Dichte der unteren Phase, verändern sich sowohl Nullpunkt als auch Messspanne der Grenzflächenmessung.
Eine einmal für zwei Nenndichten skalierte Messstelle kann deshalb bei Temperatur-, Konzentrations- oder Produktänderungen einen plausiblen und stabilen Messwert liefern, obwohl sich die tatsächliche Grenzfläche an einer anderen Position befindet.
Die zentrale Aussage lautet: Die Differenzdruck-Grenzflächenmessung bestimmt die Trennschichthöhe nicht direkt. Sie misst zunächst den hydrostatischen Druck einer aus zwei Flüssigkeiten zusammengesetzten Säule. Nur wenn die Dichten bekannt beziehungsweise ausreichend konstant sind, kann daraus eindeutig auf die Lage der Grenzfläche geschlossen werden.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Wie funktioniert die Grenzflächenmessung mit Differenzdruck?
- 2. Welche Rolle spielen die Dichten beider Flüssigkeiten?
- 3. Warum die Dichtedifferenz die Messspanne bestimmt
- 4. Was passiert, wenn sich eine oder beide Dichten ändern?
- 5. Temperatur als häufigste Ursache für Dichteänderungen
- 6. Warum Gesamtfüllstand und Messpunkte berücksichtigt werden müssen
- 7. Behältergeometrie richtig bewerten
- 8. Druckmittler und Kapillaren als Teil des Messsystems
- 9. Differenzdrucktransmitter richtig parametrieren
- 10. Wann eine Dichtekompensation erforderlich ist
- 11. Emulsions- und Übergangsschichten richtig bewerten
- 12. Typische Messfehler systematisch diagnostizieren
- 13. Grenzwerte und Alarmierung sinnvoll festlegen
- 14. Auswahlkriterien für die Messstelle
- 15. Wann ein anderes Messprinzip sinnvoller ist
- 16. Passende Messtechnik von ICS Schneider
- 17. Fazit
- 18. Häufige Fragen zur Grenzflächenmessung per Differenzdruck
1. Wie funktioniert die Grenzflächenmessung mit Differenzdruck?
Die hydrostatische Druckmessung basiert auf einem einfachen physikalischen Zusammenhang. Eine Flüssigkeitssäule erzeugt aufgrund ihrer Masse einen Druck, der mit der Höhe der Flüssigkeitssäule und ihrer Dichte zunimmt.
Für eine einzelne homogene Flüssigkeit gilt:
p = ρ · g · h
Dabei steht ρ für die Dichte der Flüssigkeit, g für die Erdbeschleunigung und h für die Höhe der Flüssigkeitssäule.
Bei einer Grenzflächenmessung befinden sich zwischen zwei Druckmesspunkten jedoch zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dichten. In einem typischen Aufbau liegt die leichtere Flüssigkeit oben und die schwerere Flüssigkeit unten. Die Grenzfläche befindet sich irgendwo zwischen dem unteren und dem oberen Messpunkt.
Der Differenzdruck ergibt sich dann aus der Summe der hydrostatischen Druckanteile beider Flüssigkeitssäulen. Wandert die Grenzfläche nach oben, wird innerhalb des festen Messabstandes mehr von der schweren und weniger von der leichten Flüssigkeit erfasst. Der Differenzdruck steigt. Wandert die Grenzfläche nach unten, nimmt der Anteil der leichteren Flüssigkeit zu und der Differenzdruck sinkt.
Aus dieser Druckänderung lässt sich die Position der Grenzfläche bestimmen – allerdings nur dann eindeutig, wenn die Dichten beider Phasen bekannt sind.
2. Welche Rolle spielen die Dichten beider Flüssigkeiten?
Für die weitere Betrachtung sei H der feste vertikale Abstand zwischen dem unteren und dem oberen Messpunkt. Die Höhe der schweren unteren Flüssigkeit innerhalb dieses Bereichs wird mit h bezeichnet.
Die untere Flüssigkeit besitzt die Dichte ρschwer, die obere Flüssigkeit die Dichte ρleicht.
Dann gilt vereinfacht:
Δp = g · [ρschwer · h + ρleicht · (H − h)]
Umgestellt ergibt sich:
Δp = g · [ρleicht · H + (ρschwer − ρleicht) · h]
Diese Darstellung zeigt sehr deutlich, warum beide Dichten wichtig sind. Die Dichte der oberen Phase bestimmt einen wesentlichen Grundanteil des Differenzdrucks. Die Differenz zwischen schwerer und leichter Flüssigkeit bestimmt dagegen, wie stark sich der Differenzdruck verändert, wenn die Grenzfläche ihre Position verändert.
Ist der gemessene Differenzdruck bekannt und sollen daraus die Grenzflächenhöhe h berechnet werden, ergibt sich:
h = [Δp / g − ρleicht · H] / (ρschwer − ρleicht)
Damit ist unmittelbar erkennbar: Ohne Kenntnis von ρleicht und ρschwer kann die Grenzflächenhöhe nicht eindeutig aus dem Differenzdruck berechnet werden.
3. Warum die Dichtedifferenz die Messspanne bestimmt
Befindet sich die Grenzfläche genau auf Höhe des unteren Messpunktes, liegt zwischen den beiden Messpunkten ausschließlich die leichtere Flüssigkeit. Der Differenzdruck beträgt dann:
Δpmin = ρleicht · g · H
Befindet sich die Grenzfläche am oberen Messpunkt, ist der gesamte Bereich zwischen den Druckmittlern mit der schwereren Flüssigkeit gefüllt:
Δpmax = ρschwer · g · H
Die für die Grenzflächenbewegung nutzbare Differenzdruckspanne beträgt damit:
ΔpSpan = (ρschwer − ρleicht) · g · H
Genau diese Formel ist für die Auslegung besonders wichtig. Nicht die absolute Dichte einer einzelnen Flüssigkeit bestimmt die Empfindlichkeit der Grenzflächenmessung, sondern die Dichtedifferenz der beiden Phasen.
Je kleiner diese Dichtedifferenz ist, desto kleiner wird der Differenzdruck, der zwischen vollständig leichter und vollständig schwerer Flüssigkeit entsteht. Damit steigen die Anforderungen an Transmitter, Druckmittler, Installation, Temperaturstabilität und Kalibrierung.
| Prozessbedingung | Auswirkung auf das Δp-Signal | Folge für die Grenzflächenmessung |
|---|---|---|
| Große Dichtedifferenz | Große nutzbare Druckspanne | Günstige Messbedingungen |
| Kleine Dichtedifferenz | Kleine nutzbare Druckspanne | Höhere relative Empfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen |
| Dichte der oberen Phase steigt | Unterer Bezugspunkt des Δp-Bereichs steigt | Berechnete Grenzfläche kann sich scheinbar verschieben |
| Dichte der unteren Phase sinkt | Oberer Bezugspunkt sinkt | Messspanne wird kleiner |
| Beide Dichten verändern sich | Nullpunkt und Messspanne können sich gleichzeitig verschieben | Feste Skalierung kann nicht mehr korrekt sein |
4. Was passiert, wenn sich eine oder beide Dichten ändern?
Eine klassische Differenzdruck-Grenzflächenmessung wird üblicherweise für zwei festgelegte Dichten ausgelegt. Diese Werte bestimmen die Differenzdrücke für die untere und obere Grenze des Messbereichs.
Verändern sich die realen Dichten im Betrieb, verändert sich der gemessene Differenzdruck auch dann, wenn sich die tatsächliche Grenzflächenhöhe überhaupt nicht bewegt.
Das ist ein entscheidender Unterschied zu einem klassischen Sensorfehler. Der Transmitter kann den tatsächlich anliegenden Differenzdruck vollkommen korrekt messen. Falsch wird erst die Interpretation dieses Druckes als Grenzflächenhöhe, weil die Berechnung weiterhin mit den ursprünglich hinterlegten Dichten arbeitet.
Besonders anspruchsvoll wird die Situation, wenn beide Flüssigkeiten gleichzeitig Dichteänderungen erfahren. Dann kann sich sowohl der Grunddruck der leichteren Phase als auch die Dichtedifferenz zwischen beiden Phasen verändern.
Ein einzelner Differenzdruckmesswert enthält in diesem Fall nicht genügend Informationen, um gleichzeitig eine unbekannte Grenzflächenhöhe und zwei unbekannte Flüssigkeitsdichten zu bestimmen.
Die Aufgabe ist mathematisch nicht eindeutig lösbar, solange keine zusätzlichen Informationen über die aktuellen Dichten zur Verfügung stehen.
Beispiel: Dichteänderung ohne reale Grenzflächenbewegung
Angenommen, die Grenzfläche steht im Behälter vollkommen still. Durch eine Temperaturerhöhung nimmt jedoch die Dichte der unteren Flüssigkeit ab. Der hydrostatische Anteil dieser Flüssigkeit wird dadurch kleiner und der Differenzdruck sinkt.
Eine Steuerung, die weiterhin mit der ursprünglichen Dichte rechnet, interpretiert diesen Druckabfall als Bewegung der Grenzfläche nach unten – obwohl sich die Grenzfläche tatsächlich überhaupt nicht verändert hat.
Dasselbe Prinzip gilt für eine Dichteänderung der oberen Flüssigkeit. Deshalb reicht es bei Zweiphasensystemen nicht aus, nur die Dichte der schweren Phase zu betrachten.
5. Temperatur als häufigste Ursache für Dichteänderungen
Die Dichte vieler Flüssigkeiten hängt deutlich von der Temperatur ab. Erwärmt sich eine Flüssigkeit, nimmt ihre Dichte in der Regel ab. Die Größenordnung dieses Effekts ist jedoch stark medienabhängig.
Bei einer Zweiphasenmessung können sich beide Phasen unterschiedlich stark erwärmen beziehungsweise unterschiedliche Temperaturkoeffizienten besitzen. Dadurch verändert sich nicht nur die absolute Dichte, sondern möglicherweise auch die Dichtedifferenz zwischen beiden Flüssigkeiten.
Eine einfache Temperaturkompensation funktioniert deshalb nur dann zuverlässig, wenn für beide Medien belastbare Zusammenhänge zwischen Temperatur und Dichte vorliegen.
Wichtig ist außerdem, welche Temperatur tatsächlich für die Berechnung verwendet wird. In großen Behältern können Temperaturgradienten auftreten. Die Temperatur am Behälterkopf muss dann nicht der Temperatur im unteren Flüssigkeitsbereich entsprechen.
Bei Prozessen mit großen Temperaturänderungen sollte deshalb bereits während der Planung geklärt werden, ob die Dichten praktisch konstant bleiben, ob temperaturabhängige Dichtekennlinien bekannt sind oder ob zusätzliche Prozessinformationen erforderlich sind.
6. Warum Gesamtfüllstand und Messpunkte berücksichtigt werden müssen
Für eine klassische Differenzdruck-Grenzflächenmessung zwischen zwei seitlichen Messpunkten muss die Trennschicht innerhalb des von diesen Messpunkten aufgespannten Bereichs liegen.
Der obere Messpunkt muss außerdem von Flüssigkeit bedeckt sein. Sinkt der Gesamtfüllstand unter diesen Punkt, ändert sich die hydraulische Situation grundsätzlich. Die bisher verwendete Grenzflächenbeziehung gilt dann nicht mehr.
Dieser Punkt wird in der Praxis gelegentlich übersehen, wenn der Gesamtfüllstand eines Separators stark schwankt.
Liegt der Gesamtfüllstand dagegen dauerhaft oberhalb des oberen Messpunktes und sind beide Messpunkte hydraulisch mit dem Prozess verbunden, wirkt der Druckanteil oberhalb des oberen Messpunktes auf beide Seiten entsprechend der gewählten Messanordnung und beeinflusst den zwischen den Messpunkten erfassten hydrostatischen Unterschied nicht auf dieselbe Weise wie eine klassische Boden-gegen-Gasraum-Füllstandmessung.
Die konkrete Druckmittler- und Anschlussanordnung muss deshalb immer Bestandteil der Berechnung sein. Eine Grenzflächenmessung mit zwei seitlichen, ständig überfluteten Druckmittlern darf nicht ohne Weiteres mit einer klassischen Differenzdruck-Füllstandmessung zwischen Tankboden und Gasraum gleichgesetzt werden.
7. Behältergeometrie richtig bewerten
Der Differenzdruck hängt zunächst von der vertikalen Höhe der Flüssigkeitssäulen ab und nicht direkt vom Behältervolumen. Die geometrische Form des Behälters verändert daher nicht den grundlegenden hydrostatischen Zusammenhang zwischen Messpunkten und Grenzflächenhöhe.
Für die Prozessführung kann die Behältergeometrie trotzdem sehr wichtig sein.
In einem zylindrischen, vertikal stehenden Behälter mit konstantem Querschnitt entspricht eine bestimmte Höhenänderung der Grenzfläche einer proportionalen Volumenänderung der unteren Phase. In einem liegenden Zylindertank, einem Behälter mit gewölbten Böden oder einem konischen Abscheider ist dieser Zusammenhang nicht linear.
Wenn nicht nur eine Grenzflächenhöhe, sondern auch das Volumen einer Phase berechnet werden soll, ist deshalb eine Behälterlinearisierung beziehungsweise eine geometrische Kennlinie erforderlich.
Auch Einbauten, Beruhigungsbleche und Abscheiderkammern müssen berücksichtigt werden. Die Grenzfläche am Messort muss repräsentativ für diejenige Grenzfläche sein, die für den Prozess tatsächlich relevant ist.
8. Druckmittler und Kapillaren als Teil des Messsystems
Bei vielen Grenzflächenanwendungen werden die beiden Prozessdrücke über Druckmittler und Kapillarleitungen zum Differenzdrucktransmitter übertragen. Dies ermöglicht eine geschlossene Messanordnung und kann bei aggressiven, verschmutzten, viskosen oder hygienisch anspruchsvollen Medien Vorteile bieten.
Druckmittler und Kapillaren sind jedoch keine messtechnisch neutralen Verbindungselemente. Ihre Füllflüssigkeit besitzt ebenfalls eine temperaturabhängige Dichte und ein temperaturabhängiges Volumen.
Unterschiedliche Kapillarlängen, unterschiedliche Höhenlagen oder unterschiedliche Umgebungstemperaturen können deshalb zusätzliche Nullpunktverschiebungen erzeugen.
Bei einer Grenzflächenmessung mit vergleichsweise kleiner nutzbarer Δp-Spanne können solche Effekte einen erheblichen Anteil am gesamten Fehlerbudget ausmachen.
Aus diesem Grund sollten beide Kapillaren möglichst symmetrisch geplant und vergleichbaren Temperaturbedingungen ausgesetzt werden. Auch die Montageposition des Differenzdrucktransmitters und die Höhenunterschiede zwischen Druckmittlern und Messzelle müssen bei der Auslegung berücksichtigt werden.
9. Differenzdrucktransmitter richtig parametrieren
Bei der Inbetriebnahme werden der untere und obere Differenzdruckwert des vorgesehenen Grenzflächenbereichs festgelegt.
Für den vereinfachten Fall zweier Messpunkte mit dem vertikalen Abstand H gilt:
Untere Grenzfläche am unteren Messpunkt:
Δpmin = ρleicht · g · H
Grenzfläche am oberen Messpunkt:
Δpmax = ρschwer · g · H
Diese beiden Werte können anschließend beispielsweise den Ausgangspunkten 4 mA und 20 mA zugeordnet werden.
Dabei müssen zusätzliche hydrostatische Anteile aus Druckmittlern, Kapillaren und der realen Montagehöhe mit einbezogen werden. Deshalb sollte eine solche Skalierung nicht ausschließlich anhand einer vereinfachten Formel erfolgen, wenn der reale Aufbau davon abweicht.
Besonders wichtig ist die richtige Wahl des Differenzdruckmessbereichs. Bei kleinen Dichtedifferenzen kann die eigentliche Grenzflächenspanne nur wenige Millibar betragen, obwohl auf beiden Seiten gleichzeitig ein hoher statischer Prozessdruck anliegt.
Der Transmitter muss daher sowohl eine ausreichend kleine Differenzdruckspanne zuverlässig erfassen als auch dem maximal auftretenden statischen Druck entsprechen.
10. Wann eine Dichtekompensation erforderlich ist
Eine Dichtekompensation wird dann relevant, wenn die Dichteschwankungen im normalen Betrieb so groß werden, dass daraus eine nicht mehr akzeptable Abweichung der berechneten Grenzflächenhöhe entsteht.
Grundsätzlich gibt es dafür unterschiedliche Ansätze.
Sind beide Flüssigkeiten eindeutig bekannt und ändern sich ihre Dichten im Wesentlichen mit der Temperatur, können hinterlegte Dichte-Temperatur-Kennlinien verwendet werden. Voraussetzung ist, dass die aktuelle Temperatur der jeweiligen Phase ausreichend repräsentativ gemessen wird und die Zusammensetzung der Flüssigkeiten konstant bleibt.
Ändern sich zusätzlich Konzentration oder Zusammensetzung, reicht eine reine Temperaturkompensation möglicherweise nicht aus. Dann müssen die aktuellen Dichten anderweitig bestimmt oder aus weiteren Prozessmessgrößen berechnet werden.
Die korrigierte Grenzflächenhöhe kann anschließend in einer SPS, einem Prozessleitsystem oder einer geeigneten Auswerteeinheit berechnet werden.
Dabei ist wichtig: Der Differenzdrucktransmitter liefert weiterhin den gemessenen Differenzdruck. Die dynamische Korrektur der Grenzflächenposition erfolgt erst mit zusätzlichen Informationen über die Prozessdichten.
| Prozesszustand | Geeignete Vorgehensweise | Grenze des Verfahrens |
|---|---|---|
| Beide Dichten praktisch konstant | Feste DP-Skalierung | Änderungen außerhalb der Auslegungswerte erzeugen Messfehler |
| Dichten ändern sich reproduzierbar mit Temperatur | Temperaturabhängige Dichtekompensation | Dichte-Temperatur-Kennlinien müssen bekannt sein |
| Zusammensetzung einer Phase ändert sich | Aktuelle Dichte zusätzlich bestimmen oder berechnen | Temperatur allein reicht möglicherweise nicht aus |
| Beide Dichten unbekannt und variabel | Zusätzliche Messgrößen beziehungsweise anderes Messprinzip prüfen | Eine einzelne Δp-Messung ist mathematisch nicht eindeutig |
| Dichtedifferenz wird sehr klein | Messprinzip grundsätzlich neu bewerten | Nutzbare Δp-Spanne kann zu klein werden |
11. Emulsions- und Übergangsschichten richtig bewerten
Die bisherige Betrachtung geht von zwei klar getrennten Flüssigkeiten mit einer eindeutig definierten Grenzfläche aus. In realen Abscheidern ist das nicht immer gegeben.
Zwischen Öl und Wasser kann beispielsweise eine mehr oder weniger breite Emulsionsschicht entstehen. Innerhalb dieser Zone verändert sich die Zusammensetzung und damit die Dichte kontinuierlich.
Eine Differenzdruckmessung erfasst in diesem Fall den integrierten hydrostatischen Effekt der gesamten Flüssigkeitssäule. Sie erkennt nicht automatisch, wo innerhalb einer mehrere Zentimeter oder Dezimeter breiten Übergangszone eine bestimmte Konzentrationsgrenze liegt.
Der im Leitsystem angezeigte „Grenzflächenwert“ ist dann eine aus dem hydrostatischen Gesamtzustand abgeleitete Größe und nicht zwingend die geometrisch scharf definierte Grenze zwischen zwei homogenen Flüssigkeiten.
Bei Anwendungen mit ausgeprägten Emulsionsschichten sollte deshalb geprüft werden, welche physikalische Grenze für den Prozess tatsächlich benötigt wird und ob das Differenzdruckverfahren diese ausreichend eindeutig abbilden kann.
12. Typische Messfehler systematisch diagnostizieren
Eine fehlerhafte Grenzflächenanzeige bedeutet nicht automatisch, dass der Differenzdrucktransmitter defekt ist. Gerade bei dieser Messaufgabe entstehen viele Abweichungen außerhalb der eigentlichen Messzelle.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Grenzfläche verschiebt sich scheinbar mit der Prozesstemperatur | Dichteänderung einer oder beider Phasen | Temperaturen und aktuelle Flüssigkeitsdichten vergleichen |
| Abweichung nach Produktwechsel | Neue Flüssigkeitsdichten passen nicht zur Parametrierung | Medien- und Dichtedaten prüfen, Skalierung neu berechnen |
| Signalbereich wird kleiner | Dichtedifferenz zwischen beiden Flüssigkeiten hat abgenommen | ρschwer − ρleicht unter Betriebsbedingungen bestimmen |
| Messwert ändert sich mit Außentemperatur | Temperatureinfluss auf Kapillaren oder Füllflüssigkeit | Temperaturverhältnisse beider Druckmittlersysteme prüfen |
| Anzeige passt nach Wartung nicht mehr | Montagehöhe, Kapillarführung oder Parametrierung verändert | Mechanischen Aufbau und Nullpunkt überprüfen |
| Signal reagiert kaum auf reale Grenzflächenbewegung | Sehr kleine Dichtedifferenz oder zu große Messspanne | Erwartete theoretische Δp-Spanne berechnen |
| Unruhige oder verzögerte Anzeige | Emulsionszone, verstopfter Anschluss oder träges Druckmittlersystem | Prozesszustand und hydraulische Messanbindung untersuchen |
| Anzeige wird unplausibel bei niedrigem Gesamtfüllstand | Oberer Messpunkt nicht mehr vollständig bedeckt | Gesamtfüllstand separat prüfen |
Den gemessenen Roh-Differenzdruck mit betrachten
Für die Fehlersuche ist es sehr hilfreich, nicht ausschließlich die bereits in Prozent oder Millimetern umgerechnete Grenzflächenanzeige zu betrachten.
Der tatsächliche Differenzdruck in mbar oder Pa zeigt, was der Transmitter physikalisch misst. Anschließend kann geprüft werden, ob dieser Druck zu den aktuellen Flüssigkeitsdichten und zur tatsächlichen Grenzflächenposition passt.
So lässt sich besser unterscheiden, ob ein Sensorproblem, eine falsche Skalierung oder eine reale Änderung der Prozessdichten vorliegt.
13. Grenzwerte und Alarmierung sinnvoll festlegen
In Abscheidern wird die Grenzflächenmessung häufig nicht nur zur Anzeige verwendet. Sie kann beispielsweise eine Ablaufregelung steuern oder einen oberen beziehungsweise unteren Grenzwert auslösen.
Wenn die aus Differenzdruck berechnete Grenzflächenhöhe eine relevante Unsicherheit durch Dichteschwankungen besitzt, wirkt sich diese Unsicherheit auch unmittelbar auf die Schaltpunkte aus.
Ein Alarm bei beispielsweise 70 % Grenzflächenhöhe ist nur dann zuverlässig, wenn die Umrechnung des Differenzdrucks in Prozent unter den realen Prozessbedingungen ausreichend genau bleibt.
Bei betrieblich oder sicherheitstechnisch kritischen Funktionen sollte deshalb geprüft werden, ob zusätzliche unabhängige Grenzstanderfassungen erforderlich sind. Eine kontinuierliche Differenzdruckmessung ersetzt nicht automatisch eine unabhängig ausgelegte Schutzfunktion.
14. Auswahlkriterien für die Messstelle
Für die Auswahl eines Differenzdrucktransmitters reicht es nicht, lediglich den gewünschten Grenzflächenbereich anzugeben. Zunächst muss der erwartete Differenzdruck aus den realen Prozessdaten berechnet werden.
Besonders wichtig sind dabei die minimalen und maximalen Dichten beider Flüssigkeiten. Relevant sind nicht nur die Werte bei Raumtemperatur, sondern die Dichten unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen.
Zusätzlich müssen maximaler statischer Behälterdruck, minimale und maximale Prozesstemperatur, vertikaler Abstand der Messpunkte, Druckmittlerausführung, Kapillarlängen, Werkstoffanforderungen und mögliche Ex-Anforderungen bekannt sein.
Auch die Frage, ob die Grenzfläche immer innerhalb des vorgesehenen Messbereichs liegt und der obere Messpunkt ständig bedeckt bleibt, gehört zu den grundlegenden Auslegungsdaten.
Je kleiner die Dichtedifferenz der beiden Phasen ist, desto sorgfältiger muss insbesondere der Differenzdruckmessbereich ausgewählt werden. Ein unnötig großer Messbereich reduziert die nutzbare Auflösung der eigentlichen Trennschichtinformation.
15. Wann ein anderes Messprinzip sinnvoller ist
Die Differenzdruckmessung ist besonders attraktiv, wenn zwei gut bekannte Flüssigkeiten mit ausreichend stabilen und deutlich unterschiedlichen Dichten vorliegen.
Werden die Dichten dagegen stark variabel oder nähert sich die Dichte der beiden Phasen einander an, kann ein anderes Messprinzip Vorteile bieten.
Geführte Mikrowelle beziehungsweise TDR kann je nach Dielektrizitätskonstanten der beiden Flüssigkeiten eine Grenzfläche direkt erfassen. Auch kapazitive, magnetostriktive oder schwimmerbasierte Verfahren kommen abhängig von Medium, Druck, Temperatur und Prozessaufbau infrage.
Allerdings ist auch bei diesen Verfahren die Eignung nicht automatisch gegeben. Ein Schwimmer benötigt beispielsweise eine definierte Dichte, während TDR ausreichende Unterschiede der elektrischen Eigenschaften der Medien benötigt. Emulsionen, Schaum, Ablagerungen oder sehr kleine Eigenschaftsunterschiede können auch alternative Verfahren beeinträchtigen.
Die Auswahl sollte daher nicht nach dem vermeintlich „modernsten“ Messprinzip erfolgen, sondern anhand der realen Prozessbedingungen.
16. Passende Messtechnik von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet unterschiedliche Lösungen für hydrostatische Füllstand-, Differenzdruck- und Grenzflächenanwendungen. Eine Übersicht finden Sie in der Kategorie Füllstandmesstechnik.
Für Differenzdruckanwendungen stehen außerdem verschiedene Differenzdrucksensoren und Differenzdrucktransmitter zur Verfügung.
WIKA DPT-20
Der WIKA DPT-20 Differenzdrucktransmitter ist für industrielle Differenzdruck- und Füllstandmessungen ausgelegt. In der Herstellerdokumentation wird die Trennschichtmessung mit zwei Druckmittlern ausdrücklich beschrieben.
Für diese Anwendung werden der Abstand zwischen den Messpunkten sowie die Dichten beider Flüssigkeiten zur Festlegung des unteren und oberen Differenzdruckwertes verwendet. Druckmittler ermöglichen außerdem eine Anpassung an schwierige Prozessmedien und Prozessanschlüsse.
Siemens SITRANS P320
Der Siemens SITRANS P320 ist in Ausführungen für Differenzdruck- und Füllstandmessung erhältlich und bietet unter anderem HART-Kommunikation sowie umfangreiche Diagnosefunktionen.
Für eine Grenzflächenanwendung müssen Messbereich, Prozessanschlüsse beziehungsweise Druckmittler, statischer Druck und die erforderliche Auswertung passend zur konkreten Messstelle ausgelegt werden.
Weitere Grundlagen zum Einfluss von Dichte, Temperatur und Medium auf hydrostatische Füllstandmessungen finden Sie im Fachbeitrag „Füllstandmessung bei schwierigen Medien: Dichte, Viskosität und Temperatur beachten“.
Bei geschlossenen und drucküberlagerten Behältern ist zusätzlich der Fachbeitrag „Füllstand im Drucktank messen: Gasraumdruck richtig kompensieren“ relevant.
17. Fazit
Die Grenzflächenmessung per Differenzdruck ist ein bewährtes Verfahren für Behälter mit zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte. Ihr physikalisches Prinzip ist einfach, die korrekte Anwendung erfordert jedoch eine sorgfältige Betrachtung des gesamten Prozesses.
Der Transmitter misst nicht unmittelbar die Position der Grenzfläche. Er misst den hydrostatischen Differenzdruck zwischen zwei Prozesspunkten. Dieser Differenzdruck setzt sich aus den Druckanteilen der schweren und der leichten Flüssigkeit zusammen.
Damit hängt die berechnete Grenzflächenhöhe zwingend von den Dichten beider Medien ab. Die Dichte der oberen Phase beeinflusst den Ausgangspunkt der Kennlinie, während insbesondere die Differenz zwischen beiden Dichten die nutzbare Messspanne bestimmt.
Bei konstanten Dichten kann die Grenzflächenposition sehr gut über eine feste Differenzdruckskalierung bestimmt werden. Ändert sich dagegen die Dichte einer oder beider Flüssigkeiten, kann sich das Messsignal auch bei unveränderter realer Grenzfläche verschieben.
Sind die aktuellen Dichten durch Temperaturmessung, Stoffdaten oder zusätzliche Prozessmessungen bekannt, kann eine entsprechende Kompensation durchgeführt werden. Sind dagegen Grenzflächenhöhe und beide Dichten gleichzeitig unbekannt, reicht ein einzelner Differenzdruckmesswert nicht mehr für eine eindeutige Bestimmung aus.
Zusätzlich müssen Messpunktabstand, Gesamtfüllstand, Druckmittler, Kapillaren, Umgebungstemperatur, statischer Druck und mögliche Emulsionsschichten berücksichtigt werden.
Eine belastbare Grenzflächenmessung beginnt deshalb nicht mit der Auswahl des Differenzdrucktransmitters, sondern mit einer vollständigen Beschreibung von Medium, Dichten und deren Schwankungen, Temperatur, Behältergeometrie und Betriebszuständen.
18. Häufige Fragen zur Grenzflächenmessung per Differenzdruck
Kann mit einem Differenzdrucktransmitter die Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten gemessen werden?
Ja. Voraussetzung ist, dass die beiden Flüssigkeiten unterschiedliche Dichten besitzen und die Messanordnung entsprechend ausgelegt wird. Die Grenzfläche muss sich innerhalb des vorgesehenen Bereichs zwischen den beiden Messpunkten befinden.
Warum müssen die Dichten beider Flüssigkeiten bekannt sein?
Der Differenzdruck setzt sich aus den hydrostatischen Anteilen beider Flüssigkeitssäulen zusammen. Die Grenzflächenhöhe lässt sich daher nur berechnen, wenn sowohl die Dichte der oberen als auch die Dichte der unteren Flüssigkeit bekannt sind.
Was passiert, wenn sich nur die Dichte der oberen Flüssigkeit ändert?
Auch dann verändert sich der gemessene Differenzdruck bei unveränderter Grenzflächenposition. Gleichzeitig verändert sich die Dichtedifferenz zwischen beiden Flüssigkeiten und damit möglicherweise auch die Messspanne.
Was passiert, wenn sich beide Dichten ändern?
Dann können sich sowohl der Ausgangspunkt als auch die Steigung der Zuordnung zwischen Differenzdruck und Grenzflächenhöhe verändern. Eine feste 4…20-mA-Skalierung auf Basis der ursprünglichen Dichten kann dadurch falsche Grenzflächenwerte liefern.
Kann der Differenzdrucktransmitter diese Dichteänderungen automatisch erkennen?
Ein klassischer Differenzdrucktransmitter misst zunächst nur den Differenzdruck. Ohne zusätzliche Information kann er nicht unterscheiden, ob eine Druckänderung durch eine Grenzflächenbewegung, eine Dichteänderung oder eine Kombination aus beidem verursacht wurde.
Kann die Dichte über die Temperatur kompensiert werden?
Ja, wenn für beide Flüssigkeiten belastbare Dichte-Temperatur-Beziehungen bekannt sind und ihre Zusammensetzung ansonsten ausreichend konstant bleibt. Ändert sich zusätzlich die Konzentration oder Produktzusammensetzung, kann eine reine Temperaturkompensation unzureichend sein.
Warum ist die Dichtedifferenz so wichtig?
Die nutzbare Differenzdruckspanne der Grenzflächenmessung ist proportional zur Differenz zwischen der Dichte der unteren und der oberen Flüssigkeit. Je kleiner dieser Unterschied wird, desto kleiner wird das Signal für dieselbe Grenzflächenbewegung.
Kann eine Grenzfläche gemessen werden, wenn beide Flüssigkeiten nahezu dieselbe Dichte besitzen?
Grundsätzlich wird das Differenzdrucksignal dann sehr klein. Ab einem bestimmten Punkt können Messunsicherheit, Temperatureffekte und andere Störeinflüsse im Verhältnis zur eigentlichen Grenzflächeninformation zu groß werden. Dann sollte ein anderes Messprinzip geprüft werden.
Muss der Gesamtfüllstand konstant sein?
Bei einer Messanordnung mit zwei ständig überfluteten Messpunkten kann der Gesamtfüllstand oberhalb des oberen Messpunktes variieren. Wichtig ist jedoch, dass dieser obere Messpunkt bedeckt bleibt und die Grenzfläche zwischen den beiden Messpunkten liegt. Andere Messanordnungen, beispielsweise zwischen Tankboden und Gasraum, müssen separat betrachtet werden.
Kann die Messung in einem geschlossenen Druckbehälter eingesetzt werden?
Ja. Differenzdruckmessungen können auch in geschlossenen Behältern eingesetzt werden. Die konkrete Anordnung muss sicherstellen, dass der statische Behälterdruck beziehungsweise gemeinsame Druckanteile korrekt berücksichtigt werden.
Warum werden häufig Druckmittler eingesetzt?
Druckmittler trennen die Messzelle vom direkten Prozessmedium und können unter anderem bei aggressiven, viskosen, verschmutzten oder heißen Medien sinnvoll sein. Sie ermöglichen außerdem geeignete Prozessanschlüsse. Die Druckmittler- und Kapillarsysteme selbst müssen jedoch hinsichtlich Temperatur- und Höheneinflüssen berücksichtigt werden.
Warum sollten beide Kapillaren möglichst ähnlichen Temperaturen ausgesetzt sein?
Temperaturänderungen beeinflussen die Füllflüssigkeit in den Kapillaren. Unterschiedliche thermische Bedingungen auf beiden Seiten können deshalb einen zusätzlichen Differenzdruck beziehungsweise Nullpunktversatz erzeugen.
Kann eine breite Emulsionsschicht zuverlässig als Grenzfläche gemessen werden?
Eine Differenzdruckmessung erfasst den hydrostatischen Gesamteffekt der Flüssigkeitssäule. Bei einer breiten Emulsionszone existiert möglicherweise keine scharfe geometrische Grenzfläche. Der daraus berechnete Grenzflächenwert muss deshalb entsprechend der Prozessdefinition interpretiert werden.
Wie wird der Messbereich eines Differenzdrucktransmitters für die Grenzflächenmessung bestimmt?
Er wird aus dem Abstand der Messpunkte und den Dichten der beiden Flüssigkeiten berechnet. Zusätzlich müssen gegebenenfalls hydrostatische Einflüsse von Druckmittlern, Kapillaren und Montagehöhen berücksichtigt werden.
Welcher Transmitter eignet sich für eine solche Messung?
Ein geeigneter Differenzdrucktransmitter muss die erwartete kleine Differenzdruckspanne mit ausreichender Genauigkeit erfassen und gleichzeitig für den maximalen statischen Prozessdruck, die Prozessmedien, Temperatur und erforderlichen Zulassungen geeignet sein. Der WIKA DPT-20 unterstützt laut Herstellerdokumentation ausdrücklich Trennschichtmessungen.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auslegung?
Benötigt werden insbesondere beide Flüssigkeiten, minimale und maximale Dichten unter Betriebsbedingungen, Temperaturbereich, Behälterdruck, gewünschter Grenzflächenbereich, Abstand und Position der Messpunkte, Behältergeometrie, Prozessanschlüsse, Werkstoffanforderungen sowie Angaben zu Ex-Bereich, Ausgangssignal und gewünschter Messgenauigkeit. Bei variablen Dichten sollte zusätzlich beschrieben werden, warum und in welchem Bereich sich diese verändern.