Ein optischer Grenzstandschalter überwacht den maximal zulässigen Flüssigkeitsstand in einem kleinen Prozessbehälter. Während der Befüllung mit klarem Wasser schaltet der Sensor zuverlässig. Nach einer Umstellung auf eine ebenfalls transparente Prozessflüssigkeit treten jedoch gelegentlich abweichende Schaltzustände auf. Die Flüssigkeit ist optisch klar, der Sensor besitzt keine beweglichen Teile und die elektrische Verbindung funktioniert einwandfrei. Trotzdem meldet der Grenzstandschalter zeitweise einen trockenen Zustand, obwohl sich Flüssigkeit im Bereich der Sensorspitze befindet.
Die Ursache kann im optischen Messprinzip liegen. Optoelektronische Grenzstandschalter erkennen Flüssigkeiten über eine Veränderung der Lichtreflexion an einer transparenten Sensorspitze. Entscheidend ist dabei nicht allein, ob das Medium für das menschliche Auge durchsichtig erscheint. Vielmehr beeinflussen der Brechungsindex des Mediums, die optischen Eigenschaften des Sensormaterials und die tatsächliche Benetzung der Prismenspitze die Signaländerung zwischen trockenem und benetztem Zustand.
Auch die mechanische Einbausituation ist wichtig. Eine nur teilweise benetzte Spitze, eine anhaftende Gasblase oder ein dünner Flüssigkeitsfilm können den optischen Zustand verändern. Zusätzlich können Temperaturschwankungen, Ablagerungen und die Geometrie des Behälteranschlusses die Wiederholbarkeit des Schaltpunkts beeinflussen.
Dieser Fachbeitrag erläutert, wie optische Grenzstandschalter bei transparenten Medien richtig ausgewählt, eingebaut und geprüft werden. Im Mittelpunkt stehen Totalreflexion, Brechungsindex, sichere Benetzung, Schaltpunkt und Alarmverhalten. Ein Rechenbeispiel zeigt die Veränderung des Grenzwinkels beim Übergang von Luft zu Wasser beziehungsweise einem transparenten Öl. Darüber hinaus werden typische Fehlerszenarien, elektrische Schnittstellen und geeignete WIKA-Füllstandschalter aus dem ICS-Sortiment beschrieben.
Inhaltsverzeichnis
- Die Grenzstanderfassung und ihre Sicherheitsfunktion festlegen
- Das optoelektronische Messprinzip verstehen
- Totalreflexion und Lichtbrechung an der Prismenspitze unterscheiden
- Den Brechungsindex transparenter Flüssigkeiten richtig bewerten
- Sichere Benetzung als Voraussetzung für zuverlässiges Schalten erkennen
- Schaltpunkt, Eintauchtiefe und Flüssigkeitsoberfläche unterscheiden
- Wasser, Öle und transparente Prozessmedien vergleichen
- Rechenbeispiel: Kritischen Winkel der Totalreflexion bestimmen
- Teilbenetzung, Meniskus und Flüssigkeitsfilme bewerten
- Luftblasen, Schaum und turbulente Flüssigkeitsoberflächen berücksichtigen
- Beläge, Kristallisation und Verschmutzung der optischen Spitze erkennen
- Temperatur, Konzentration und wechselnde Medien berücksichtigen
- Prismenmaterial, Dichtungen und chemische Beständigkeit auswählen
- Behältergeometrie, Prozessanschluss und Einbaulage auslegen
- Min-/Max-Überwachung und Schaltlogik richtig konfigurieren
- Elektrische Ausgänge, SPS-Anbindung und Signalverarbeitung prüfen
- Überfüllschutz, Trockenlaufschutz und funktionale Sicherheit bewerten
- Optischen Sensorzustand und elektrische Fehler getrennt untersuchen
- Schaltpunktprüfung, Funktionsprüfung und Dokumentation durchführen
- Einen systematischen Auswahl- und Inbetriebnahmeablauf durchführen
- Typische Fehlerbilder und Fehlinterpretationen diagnostizieren
- Passende optoelektronische Grenzstandschalter von ICS Schneider
- Fazit: Optische Grenzstanderfassung auf Medium und Benetzung abstimmen
- Häufige Fragen zu optischen Grenzstandschaltern bei transparenten Medien
1. Die Grenzstanderfassung und ihre Sicherheitsfunktion festlegen
Ein optischer Grenzstandschalter erfasst, ob sich am vorgesehenen Messpunkt Flüssigkeit befindet oder nicht.
Im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Füllstandmessgerät liefert er normalerweise keinen fortlaufenden Füllstandwert über die gesamte Behälterhöhe. Er erkennt vielmehr das Erreichen beziehungsweise Unterschreiten eines definierten Grenzniveaus.
Typische Anwendungen sind die Überwachung kleiner Vorratsbehälter, Hydraulikaggregate, Kühlmitteltanks, Dosieranlagen und anderer industrieller Flüssigkeitssysteme.
Vor der Geräteauswahl muss festgelegt werden, welcher Zustand erkannt werden soll.
Bei einer Maximalstandüberwachung soll der Sensor melden, wenn die Flüssigkeit eine bestimmte Höhe erreicht. Damit kann beispielsweise die weitere Befüllung gestoppt werden.
Bei einer Minimalstandüberwachung wird dagegen geprüft, ob der Flüssigkeitsstand unter eine vorgegebene Grenze sinkt. Ein solcher Schalter kann zur Überwachung einer Pumpenversorgung eingesetzt werden.
Die tatsächliche sicherheitstechnische Bedeutung der Messstelle muss gesondert bewertet werden.
Eine einfache Meldung an die SPS ist nicht automatisch mit einer normativ geforderten Überfüllsicherung oder einer sicherheitsgerichteten Trockenlaufschutzfunktion gleichzusetzen.
Für eine zuverlässige Auslegung sind daher folgende Angaben erforderlich: Medium, tatsächlicher Schaltpunkt, Behältergeometrie, Temperatur, Druck, Einbauposition, gewünschte Schaltlogik und gegebenenfalls notwendige Sicherheitsfunktionen.
Auch die Frage, wie sich die Flüssigkeit an der Sensorspitze verhält, gehört zur grundlegenden Messaufgabe.
Ein Sensor kann nur dann zuverlässig zwischen trocken und benetzt unterscheiden, wenn die tatsächlichen Betriebszustände einen ausreichend eindeutigen optischen Unterschied erzeugen.
2. Das optoelektronische Messprinzip verstehen
Viele optoelektronische Grenzstandschalter arbeiten nach dem Prinzip der Lichtreflexion an einer transparenten Prismenspitze.
Im Inneren des Sensors befinden sich eine Lichtquelle, beispielsweise eine Infrarot-LED, und ein lichtempfindlicher Empfänger.
Das ausgesendete Licht wird in ein optisches Prisma geleitet, das die messstoffberührte Spitze des Grenzstandschalters bildet.
Wenn sich die Spitze in Luft beziehungsweise in der Gasphase befindet, wird das Licht bei entsprechend ausgelegter Geometrie an den inneren Grenzflächen des Prismas reflektiert und zum Empfänger zurückgeführt.
Steigt der Flüssigkeitsstand und benetzt die Prismenspitze, verändern sich die optischen Bedingungen an ihrer Oberfläche.
Ein größerer Anteil des Lichtes kann in die angrenzende Flüssigkeit übertreten. Dadurch nimmt die zum Empfänger zurückkehrende Lichtintensität ab.
Die Auswerteelektronik erkennt diese Veränderung und schaltet den entsprechenden Ausgang.
Die WIKA OLS-Serie verwendet dieses Prinzip für die Grenzstanderfassung von Flüssigkeiten.
Ein Beispiel ist der WIKA OLS-C01. Er besitzt eine Infrarot-Lichtquelle, ein Prisma und einen optischen Empfänger.
Das Verfahren benötigt keine mechanisch beweglichen Bauteile.
Es ist außerdem unabhängig von einer elektrischen Leitfähigkeit des Mediums. Auch destilliertes Wasser und andere schlecht leitfähige Flüssigkeiten können damit erfasst werden.
Die physikalische Grundlage der Messung ist jedoch der Unterschied der optischen Eigenschaften an der Prismenoberfläche. Darum sind Brechungsindex und Benetzung für die Auswahl und Fehlerdiagnose wichtig.
3. Totalreflexion und Lichtbrechung an der Prismenspitze unterscheiden
Totalreflexion tritt auf, wenn Licht innerhalb eines optisch dichteren Materials auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium trifft und der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel ist.
Bei einem optischen Füllstandschalter bildet beispielsweise das Glasprisma das optisch dichtere Medium. Die angrenzende Luft besitzt einen deutlich kleineren Brechungsindex.
Dadurch kann die Prismenoberfläche das intern geführte Licht vollständig reflektieren.
Bei Benetzung mit einer Flüssigkeit verändert sich die optische Grenzfläche. Wasser besitzt beispielsweise einen höheren Brechungsindex als Luft.
Damit verändert sich auch der kritische Winkel der Totalreflexion.
Unter geeigneten geometrischen Bedingungen wird das Licht bei benetzter Spitze nicht mehr vollständig reflektiert, sondern tritt teilweise in die Flüssigkeit aus.
Der optische Empfänger erfasst eine entsprechend geringere Lichtintensität.
Wichtig ist, dass die physikalische Änderung nicht zwingend für jedes Medium dieselbe Intensitätsdifferenz erzeugt.
Auch die Prismenform, die verwendete Lichtwellenlänge und die Position von Lichtquelle und Empfänger beeinflussen das tatsächliche Verhalten.
Ein optischer Grenzstandschalter ist deshalb ein speziell abgestimmtes Messsystem. Die bloße Angabe eines Brechungsindex genügt nicht, um den genauen Schaltpunkt oder die Schaltsicherheit einer konkreten Geräteausführung vollständig vorauszuberechnen.
Dennoch erklärt die Totalreflexion, warum ein transparentes Medium zuverlässig erkannt werden kann, obwohl es optisch kaum sichtbar ist.
4. Den Brechungsindex transparenter Flüssigkeiten richtig bewerten
Der Brechungsindex beschreibt, wie sich Licht in einem optischen Medium ausbreitet. Er wird üblicherweise mit n bezeichnet.
Je nach Material, Lichtwellenlänge und Temperatur besitzt eine Flüssigkeit einen charakteristischen Brechungsindex.
Wasser besitzt im sichtbaren Spektralbereich bei Raumtemperatur ungefähr einen Brechungsindex von 1,33.
Viele transparente Öle liegen bei höheren Werten, beispielsweise in der Größenordnung von 1,45. Die tatsächlichen Werte können je nach Ölzusammensetzung deutlich variieren.
Luft besitzt unter normalen Bedingungen einen Brechungsindex nahe 1,00.
Für die Funktion eines optischen Grenzstandschalters ist entscheidend, wie sich die Grenzfläche zwischen Prismenspitze und Medium verändert.
Das bedeutet jedoch nicht, dass der Schalter für jedes Medium einen eigenen exakt einzustellenden Brechungsindex benötigt.
WIKA beschreibt seine OLS-Prozessgeräte als in weiten Bereichen unabhängig von Eigenschaften wie Brechzahl, Farbe, Dichte, Dielektrizitätskonstante und Leitfähigkeit.
Diese Aussage betrifft den vorgesehenen Einsatzbereich und die Konstruktion des jeweiligen Sensors. Sie bedeutet nicht, dass der Brechungsindex physikalisch bedeutungslos ist.
Wenn der Brechungsindex eines Mediums ungewöhnlich hoch oder niedrig ist, sich stark verändert oder nur eine schwache optische Signaländerung hervorruft, muss die Eignung der konkreten Geräteausführung geprüft werden.
Auch transparente Flüssigkeiten sind deshalb nicht allein aufgrund ihres Aussehens automatisch uneingeschränkt geeignet.
Für einen zuverlässigen Betrieb sind zusätzlich die tatsächliche Benetzung, die chemische Verträglichkeit und das Verhalten beim Entleeren des Behälters zu berücksichtigen.
5. Sichere Benetzung als Voraussetzung für zuverlässiges Schalten erkennen
Bei der optischen Grenzstanderfassung ist der Benetzungszustand der Prismenspitze unmittelbar entscheidend.
Der Schalter reagiert nicht auf einen beliebigen Flüssigkeitsstand irgendwo im Behälter, sondern auf die optischen Bedingungen an seiner eigenen Messoberfläche.
Die Flüssigkeit muss die dafür wirksamen Bereiche der Sensorspitze ausreichend benetzen.
Für bestimmte WIKA OLS-Varianten beschreibt der Hersteller beispielsweise einen Schaltvorgang, wenn ungefähr zwei Drittel der Glasspitze von Flüssigkeit benetzt werden.
Dieser Wert ist eine gerätespezifische Funktionsbeschreibung und darf nicht pauschal als identischer Schaltpunkt aller optischen Grenzstandschalter verwendet werden.
Besonders wichtig ist der Unterschied zwischen dem geometrischen Füllstand und der tatsächlich benetzten Oberfläche.
Eine Flüssigkeit kann bereits bis zur Höhe des Sensors angestiegen sein, während eine Luftblase oder ungünstige Einbaugeometrie verhindert, dass die optisch wirksame Fläche ausreichend benetzt wird.
Umgekehrt kann nach dem Absinken des Flüssigkeitsspiegels ein Flüssigkeitsfilm an der Prismenspitze zurückbleiben.
Der Schalter kann dann unter bestimmten Bedingungen weiterhin einen benetzten Zustand erkennen, obwohl die freie Flüssigkeitsoberfläche bereits tiefer liegt.
Die erforderliche Benetzung hängt unter anderem von der Oberflächenspannung, Benetzbarkeit des Prismenmaterials, Viskosität, Einbaulage und Prozessdynamik ab.
Eine vollständige Bewertung muss deshalb sowohl den ansteigenden als auch den fallenden Flüssigkeitsstand berücksichtigen.
Ein erfolgreicher Test beim erstmaligen Eintauchen reicht nicht aus, wenn der Sensor später auch das zuverlässige Freilegen der Spitze erkennen muss.
6. Schaltpunkt, Eintauchtiefe und Flüssigkeitsoberfläche unterscheiden
Der elektrische Schaltpunkt eines optischen Grenzstandschalters ist mit der tatsächlichen Position seiner optisch wirksamen Prismenspitze verknüpft.
Er entspricht jedoch nicht zwangsläufig exakt der mechanischen Mitte des Sensors oder dem ersten Flüssigkeitskontakt.
Je nach Prismenform und interner Optik ist ein bestimmter Benetzungsgrad notwendig, damit die Elektronik den Zustandswechsel erkennt.
Das wird besonders bei einem seitlich eingebauten Sensor deutlich.
Wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche von unten ansteigt, wird zunächst nur ein Teil der Sensorspitze benetzt.
Mit zunehmendem Füllstand vergrößert sich die benetzte Oberfläche, bis die optische Schaltschwelle erreicht wird.
Beim Entleeren kann der Vorgang zeitlich beziehungsweise geometrisch etwas anders verlaufen.
Flüssigkeitsfilme, Meniskusbildung und die jeweilige elektronische Hysterese beeinflussen dabei den Unterschied zwischen Ein- und Ausschaltpunkt.
Bei einigen WIKA-OLS-Kompaktgeräten wird eine Genauigkeit von ±2 mm angegeben.
Diese Herstellerangabe darf nicht mit einer universellen Garantie gleichgesetzt werden, dass der Schaltpunkt bei beliebigen Medien, Turbulenzen, Montagegeometrien und Verschmutzungszuständen stets innerhalb von ±2 mm liegt.
Für eine anspruchsvolle Grenzstanderfassung müssen die Bedingungen der jeweiligen Spezifikation eingehalten werden.
Außerdem muss klar sein, auf welche geometrische Referenz sich der Schaltpunkt bezieht.
Besonders bei einem oberen Grenzstand ist ein ausreichender Abstand zwischen dem realen Schaltpunkt und einem unzulässigen Überlaufniveau vorzusehen.
Der Grenzstandschalter sollte deshalb nicht erst unmittelbar am mechanisch letzten zulässigen Flüssigkeitsniveau schalten, wenn zusätzliche Reaktionszeiten der Steuerung oder des Füllprozesses zu berücksichtigen sind.
7. Wasser, Öle und transparente Prozessmedien vergleichen
Transparente Flüssigkeiten können sich hinsichtlich ihrer optischen und physikalischen Eigenschaften erheblich unterscheiden.
Eine klare wässrige Lösung besitzt beispielsweise andere Benetzungs- und Ablaufbedingungen als ein hochviskoses transparentes Öl.
Für einen optischen Grenzstandschalter ist nicht nur die Transparenz relevant. Besonders wichtig ist, ob die Sensoroberfläche beim Erreichen des Grenzstands zuverlässig benetzt und beim anschließenden Freilegen wieder ausreichend trocken wird.
Die folgende Tabelle zeigt typische Einflussgrößen.
| Medium oder Zustand | Relevanter Einfluss | Mögliche Auswirkung | Empfohlene Prüfung |
|---|---|---|---|
| Klares Wasser | Definierter Brechungsindex, meist gutes Ablaufverhalten | Bei geeigneter Montage deutlicher Wechsel zwischen trocken und benetzt | Schaltpunkt beim Befüllen und Entleeren prüfen |
| Destilliertes Wasser | Geringe elektrische Leitfähigkeit | Optisches Messprinzip bleibt grundsätzlich geeignet | Medien- und Werkstofffreigabe kontrollieren |
| Transparentes Öl | Anderer Brechungsindex, Viskosität und Benetzungsverhalten | Rückbleibender Ölfilm kann die Freigabe der Spitze verzögern | Benetzung und Ablauf bei Betriebstemperatur testen |
| Wässrige Prozesslösung | Konzentration kann Brechungsindex und Oberflächeneigenschaften verändern | Schaltsignal und Benetzungsverhalten können sich verändern | Vorgesehenen Konzentrationsbereich untersuchen |
| Transparente Lösungsmittel | Unterschiedliche optische und chemische Eigenschaften | Mögliche Wechselwirkungen mit Dichtungen und Prismenmaterial | Werkstoffverträglichkeit und Gerätefreigabe prüfen |
| Flüssigkeit mit Gasblasen | Gas kann die optisch wirksame Fläche zeitweise freilegen | Instabile oder kurzzeitige falsche Schaltzustände | Messstelle außerhalb starker Begasungszonen platzieren |
| Flüssigkeit mit Belagbildung | Ablagerungen verändern die optische Grenzfläche | Fehlmeldungen oder ausbleibende Zustandswechsel | Reinigung und regelmäßige Funktionsprüfung vorsehen |
Die Tabelle zeigt, dass bei transparenten Medien häufig die Kombination aus optischem Verhalten und tatsächlicher Benetzung über die Zuverlässigkeit entscheidet.
Ein Medium mit günstigem Brechungsindex kann problematisch sein, wenn sich dauerhaft ein Film auf der Sensorspitze bildet.
Umgekehrt kann eine Flüssigkeit mit deutlich anderen optischen Eigenschaften zuverlässig erkannt werden, wenn der konkrete Grenzstandschalter für diesen Medienbereich ausgelegt ist und eine eindeutige Benetzung erfolgt.
Die Medienbewertung sollte deshalb immer unter realistischen Betriebsbedingungen erfolgen.
8. Rechenbeispiel: Kritischen Winkel der Totalreflexion bestimmen
Der kritische Winkel der Totalreflexion lässt sich mit dem Brechungsgesetz berechnen.
Für Licht, das sich von einem optisch dichteren Material mit dem Brechungsindex n1 zu einem optisch dünneren Medium mit n2 bewegt, gilt:
sin(θkrit) = n2 / n1
und damit:
θkrit = arcsin(n2 / n1)
Voraussetzung ist, dass n1 größer als n2 ist.
Für eine vereinfachte Beispielrechnung wird angenommen, dass die Prismenspitze aus einem optischen Glas mit dem Brechungsindex n1 = 1,50 besteht.
Die Lichtwellenlänge und die jeweiligen Referenztemperaturen werden für dieses Modell als konstant angenommen.
Als angrenzende Medien werden Luft, Wasser und ein beispielhaftes transparentes Öl betrachtet.
| Angrenzendes Medium | Angenommener Brechungsindex n₂ | Kritischer Winkel | Verhalten bei 50° Einfallswinkel |
|---|---|---|---|
| Luft | 1,00 | ca. 41,8° | Totalreflexion |
| Wasser | 1,33 | ca. 62,5° | Keine Totalreflexion; Licht kann austreten |
| Transparentes Öl (Beispiel) | 1,45 | ca. 75,2° | Keine Totalreflexion; Licht kann austreten |
Für die Grenzfläche zwischen Glas und Luft ergibt sich:
θkrit,Luft = arcsin(1,00 / 1,50) ≈ 41,8°
Für die Grenzfläche zwischen demselben Glas und Wasser lautet die Rechnung:
θkrit,Wasser = arcsin(1,33 / 1,50) ≈ 62,5°
Wird beispielhaft ein interner Einfallswinkel von 50° angenommen, liegt er über dem kritischen Winkel der Glas-Luft-Grenzfläche, aber unterhalb des kritischen Winkels der Glas-Wasser-Grenzfläche.
In Luft tritt damit im idealisierten Modell Totalreflexion auf. Bei Benetzung mit Wasser kann dagegen ein Teil des Lichtes in die Flüssigkeit übertreten.
Genau diese grundsätzliche Veränderung wird bei optischen Grenzstandschaltern messtechnisch genutzt.
Für das beispielhafte Öl mit n = 1,45 ergibt sich ein kritischer Winkel von rund 75,2°. Auch hier kann bei 50° Licht in das Medium austreten.
Die tatsächlich reflektierte und ausgekoppelte Lichtintensität hängt jedoch zusätzlich von der Prismenform, der Polarisation, der Lichtwellenlänge und den jeweiligen optischen Oberflächeneigenschaften ab.
Besonders wichtig: Die Rechnung beschreibt ausschließlich eine idealisierte optische Grenzfläche.
Sie stellt keine genaue Modellierung der internen Strahlenführung des WIKA OLS-C01 oder eines anderen konkreten Füllstandschalters dar.
Die realen Brechungsindizes eines Prismenmaterials und einer Prozessflüssigkeit können außerdem von den hier verwendeten Beispielwerten abweichen.
Die Aussage des Beispiels lautet deshalb nicht, dass ein bestimmter Flüssigkeitstyp grundsätzlich besser oder schlechter erfasst wird, sondern dass sich die optische Grenzbedingung bei einem Medienwechsel messbar verändert.
9. Teilbenetzung, Meniskus und Flüssigkeitsfilme bewerten
Der Übergang zwischen trockenem und benetztem Zustand erfolgt im realen Behälter nicht immer schlagartig.
Besonders bei kleinen Sensorgeometrien kann sich an der Oberfläche ein Meniskus bilden.
Ein Meniskus entsteht durch das Zusammenspiel von Oberflächenspannung, Benetzbarkeit und der Geometrie des angrenzenden Bauteils.
Die Flüssigkeitsoberfläche kann sich dadurch unmittelbar an der Sensorspitze anders verhalten als an einer freien, ungestörten Stelle im Behälter.
Bei einem gut benetzenden Medium kann die Flüssigkeit an der Oberfläche des Prismas etwas höher ansteigen als der freie Flüssigkeitsspiegel.
Bei anderen Materialkombinationen kann die Benetzung verzögert oder weniger vollständig erfolgen.
Für den Schaltpunkt bedeutet dies, dass die lokale Benetzung nicht in jedem Fall exakt der geometrischen Lage der freien Flüssigkeitsoberfläche entspricht.
Besonders bei einem seitlich eingebauten Grenzstandschalter können solche Effekte eine Rolle spielen.
Auch das Verhalten beim Absinken des Füllstands ist wichtig.
Ein dünner Flüssigkeitsfilm kann an der Spitze zurückbleiben. Ob dieser Film ausreicht, um den optischen Empfänger weiterhin im Zustand „benetzt“ zu halten, hängt vom konkreten Sensor und vom Filmzustand ab.
Ein vorhandener Flüssigkeitsfilm führt daher nicht zwangsläufig immer zu einer Fehlmeldung, ist aber als mögliche Fehlerquelle zu bewerten.
Bei hochviskosen transparenten Medien kann der Ablauf besonders langsam erfolgen.
Die Schaltpunktprüfung sollte deshalb sowohl bei steigendem als auch bei sinkendem Flüssigkeitsspiegel durchgeführt werden.
Werden die Grenzstandschalter für eine Minimalstandüberwachung eingesetzt, ist das zuverlässige Freigeben der Prismenspitze nach dem Entleeren besonders wichtig.
10. Luftblasen, Schaum und turbulente Flüssigkeitsoberflächen berücksichtigen
Ein optischer Grenzstandschalter kann auch bei vollständig transparenten Flüssigkeiten durch Gasblasen beeinflusst werden.
Entsteht direkt an der Prismenspitze eine Gasblase, verändert sich der Kontakt zwischen Flüssigkeit und optischer Oberfläche.
Der Sensor kann dadurch zeitweise eine optische Situation erkennen, die eher dem trockenen Zustand entspricht.
Besonders bei schnell einströmenden Flüssigkeiten, Pumpenrückläufen und begasten Prozessen können solche Zustände auftreten.
Auch Schaum ist zu berücksichtigen.
Eine Schaumschicht besteht aus Flüssigkeitslamellen und eingeschlossenem Gas. Ihre optischen Eigenschaften unterscheiden sich von einer vollständig benetzten Sensorspitze in homogener Flüssigkeit.
Ob der Sensor Schaum als benetzten Zustand erkennt, hängt unter anderem von der tatsächlichen Flüssigkeitsverteilung direkt an der Prismenspitze ab.
Eine starke Turbulenz kann zusätzlich bewirken, dass die Sensorspitze abwechselnd mit Flüssigkeit und Gas in Kontakt kommt.
Der elektrische Ausgang kann dann entsprechend häufig umschalten.
Eine zeitliche Schaltverzögerung kann kurze Schwankungen reduzieren. Sie ersetzt jedoch keine geeignete Messstellenposition.
Bei der Auswahl des Einbauorts sollten Bereiche unmittelbar neben Füllstrahlen, Pumpenrückläufen oder starken Wirbelzonen nach Möglichkeit vermieden werden.
Auch eine geeignete Beruhigungszone kann hilfreich sein, sofern sie das tatsächliche Flüssigkeitsniveau ausreichend repräsentativ wiedergibt.
Bei dauerhaft starker Schaumbildung oder erheblichen Gaseinschlüssen kann ein alternatives Grenzstandprinzip besser geeignet sein.
Der ICS-Fachbeitrag Optischer Grenzschalter meldet falsch: Schaum, Blasen und Anhaftungen richtig bewerten behandelt diese Fehlerbilder ausführlicher.
11. Beläge, Kristallisation und Verschmutzung der optischen Spitze erkennen
Die Prismenspitze eines optischen Grenzstandschalters muss die vorgesehenen optischen Eigenschaften dauerhaft erfüllen.
Ablagerungen können diese Bedingungen verändern.
Beispiele sind Rückstände aus Prozessflüssigkeiten, Kristallisation, eingetrocknete Salze, Ölfilme oder andere anhaftende Stoffe.
Solche Beläge können die optische Grenzfläche verändern oder Licht streuen und absorbieren.
Dadurch kann das Empfangssignal vom vorgesehenen Zustand abweichen.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen einer vorübergehend benetzten Oberfläche und einer dauerhaft veränderten Oberfläche.
Ein transparenter Flüssigkeitsfilm kann unter Umständen nach einiger Zeit ablaufen.
Ein eingetrockneter Belag bleibt dagegen bestehen und kann die Messung auch dann beeinflussen, wenn der Behälter vollständig leer ist.
Auch chemische Angriffe auf das Prismenmaterial können problematisch sein.
Wird die optische Oberfläche beispielsweise durch aggressive Medien matt oder angegriffen, kann die ursprüngliche Strahlenführung beeinträchtigt werden.
Bei der Wartung muss deshalb nicht nur geprüft werden, ob der Sensor elektrisch schaltet, sondern auch, ob die optische Oberfläche unbeschädigt und ausreichend sauber ist.
Die Reinigung muss nach den Herstellerangaben und mit geeigneten Mitteln erfolgen.
Ungeeignete mechanische Werkzeuge können die Oberfläche beschädigen und damit die Messfunktion dauerhaft verändern.
Bei regelmäßig auftretenden Ablagerungen sollten Reinigbarkeit, Zugang zur Messstelle und gegebenenfalls ein anderes Messprinzip bereits bei der Projektierung berücksichtigt werden.
12. Temperatur, Konzentration und wechselnde Medien berücksichtigen
Der Brechungsindex einer Flüssigkeit kann von ihrer Temperatur und Zusammensetzung abhängen.
Ändert sich beispielsweise die Konzentration einer transparenten Lösung, können sich ihre optischen Eigenschaften verändern.
Auch die Viskosität und das Benetzungsverhalten können temperaturabhängig sein.
Bei einem Grenzstandschalter wirken sich solche Änderungen nicht zwangsläufig direkt als Verschiebung eines elektronisch eingestellten Messwerts aus.
Sie können jedoch die optische Signalreserve und das Verhalten beim Benetzen beziehungsweise Freilegen der Prismenspitze beeinflussen.
Ein Medium kann beispielsweise bei Raumtemperatur schnell und vollständig von der Oberfläche ablaufen, bei niedriger Betriebstemperatur aber wesentlich zähflüssiger sein.
Nach dem Entleeren können dann länger Flüssigkeitsreste auf der Spitze verbleiben.
Bei hoher Temperatur können sich wiederum andere Effekte ergeben, etwa Verdampfung, Gasblasenbildung oder eine beschleunigte Belagbildung.
Besonders kritisch sind Anwendungen, in denen unterschiedliche Produkte nacheinander denselben Behälter durchlaufen.
Ein für Wasser erfolgreich geprüfter Grenzstandschalter ist nicht automatisch für jedes Lösungsmittel oder Öl geeignet.
Die Medienverträglichkeit und das Schaltverhalten sollten deshalb für sämtliche vorgesehenen Betriebsmedien beurteilt werden.
Wenn der Prozess große Temperatur- oder Konzentrationsbereiche umfasst, kann eine Funktionsprüfung unter mehreren repräsentativen Bedingungen sinnvoll sein.
Das gilt insbesondere dann, wenn der Sensor für einen sicherheitsrelevanten oberen oder unteren Grenzstand verwendet wird.
13. Prismenmaterial, Dichtungen und chemische Beständigkeit auswählen
Ein optoelektronischer Grenzstandschalter besitzt mehrere medienberührte Komponenten.
Dazu gehören insbesondere die optische Prismenspitze, der Prozessanschluss und gegebenenfalls Dichtungen.
Die verwendeten Werkstoffe müssen zur vorgesehenen Flüssigkeit passen.
WIKA verwendet bei entsprechenden optoelektronischen Füllstandschaltern transparente optische Messspitzen, beispielsweise aus Glas beziehungsweise geeigneten speziellen Prismenmaterialien.
Die konkrete Ausführung hängt vom jeweiligen Gerätemodell ab.
Bei aggressiven Chemikalien kann die Werkstoffverträglichkeit entscheidend sein.
Ein Medium kann die metallischen Bauteile eines Sensors nur gering beeinflussen, während es eine ungeeignete Dichtung angreift.
Umgekehrt kann eine bestimmte Prozessflüssigkeit für die Dichtungen geeignet sein, aber mit dem optischen Prismenmaterial unverträglich sein.
Für die Auswahl müssen daher alle medienberührten Werkstoffe betrachtet werden.
Auch Druck und Temperatur gehören zur Werkstoffbewertung.
Ein optischer Grenzstandschalter kann bei atmosphärischem Druck für ein Medium geeignet sein, während für dieselbe Flüssigkeit unter hohen Temperaturen oder Drücken eine andere Geräteausführung benötigt wird.
Bei hygienischen Anwendungen sind zusätzliche Anforderungen an Oberflächen, Dichtungen, Reinigbarkeit und gegebenenfalls Autoklavierbarkeit relevant.
Für entsprechende Anwendungen bietet WIKA beispielsweise den optoelektronischen Füllstandschalter OLS-F1 an.
Die chemische Beständigkeit darf nicht allein aus der allgemeinen Produktgruppe abgeleitet werden.
Maßgeblich sind die tatsächliche Bestellvariante, die vorgesehenen Materialien und die Herstellerfreigabe für den Einsatzfall.
14. Behältergeometrie, Prozessanschluss und Einbaulage auslegen
Die mechanische Einbausituation beeinflusst die zuverlässige Funktion optischer Grenzstandschalter erheblich.
Besonders wichtig ist, dass die Prismenspitze den tatsächlichen Flüssigkeitsstand im Behälter repräsentativ erfasst.
Wird der Sensor beispielsweise seitlich montiert, muss die optische Spitze ausreichend weit in den Behälter hineinragen.
Eine tiefe Einbaunische oder ein ungeeignet gestalteter Anschlussstutzen kann verhindern, dass die Spitze gleichmäßig vom Medium umströmt und benetzt wird.
Auch Flüssigkeitsreste können sich in solchen Bereichen ansammeln.
Bei einem hochviskosen Medium kann eine enge Einbaunische besonders ungünstig sein, weil Flüssigkeit dort nach dem Entleeren länger stehen bleibt.
Die Sensorposition sollte außerdem nicht unmittelbar in einem starken Füllstrahl liegen.
Eine mechanisch stabile Montage bedeutet nicht zwangsläufig, dass die optischen Messbedingungen günstig sind.
Für längere Sensoren muss zusätzlich die mechanische Beanspruchung berücksichtigt werden.
Der WIKA OLS-C02 bietet beispielsweise wählbare Schalterlängen von 65 bis 1.500 mm. Damit kann der Schaltpunkt an weiter innen liegende Behälterbereiche angepasst werden.
Die tatsächliche Länge ist unter Berücksichtigung von Prozessgeometrie, Medium und mechanischer Belastung auszuwählen.
Viele optoelektronische WIKA-Schalter können in unterschiedlichen Einbaulagen verwendet werden.
Diese Angabe bedeutet jedoch nicht, dass jede Einbaulage für jedes Medium dasselbe Ablaufverhalten besitzt.
Besonders bei Flüssigkeitsfilmen, Gasblasen oder Schaumbildung kann die Orientierung der Prismenspitze einen Einfluss haben.
Die Einbaulage muss deshalb sowohl mechanisch als auch hinsichtlich der sicheren Benetzung bewertet werden.
15. Min-/Max-Überwachung und Schaltlogik richtig konfigurieren
Ein optischer Grenzstandschalter kann beispielsweise einen maximalen oder minimalen Flüssigkeitsstand überwachen.
Die elektrische Schaltlogik muss zur jeweiligen Funktion passen.
Bei einer Maximalstandüberwachung kann das Erreichen des benetzten Zustands dazu verwendet werden, eine Füllpumpe abzuschalten oder ein Zulaufventil zu schließen.
Bei einer Minimalstandüberwachung soll dagegen häufig das Freilegen der Prismenspitze eine Störmeldung auslösen.
Wichtig ist die Unterscheidung zwischen dem physikalischen Sensorzustand und dem elektrischen Ausgangszustand.
Ein Ausgang kann beispielsweise als Öffner, Schließer oder über eine entsprechende elektronische Schaltlogik ausgeführt sein.
Die tatsächlichen Funktionen sind abhängig vom Gerät beziehungsweise der verwendeten Auswerteelektronik.
Für eine robuste Anlagenintegration muss festgelegt werden, welcher elektrische Zustand den trockenen beziehungsweise benetzten Zustand repräsentiert.
Ebenso wichtig ist das Verhalten bei Unterbrechung der Versorgung oder einer Leitungsstörung.
Ein einfacher PNP-Ausgang kann nicht automatisch zwischen einem normalen ausgeschalteten Zustand und jedem möglichen Gerätefehler unterscheiden.
Für sicherheitsrelevante Anwendungen kann deshalb eine entsprechend ausgelegte Signalauswertung oder Diagnosefunktion erforderlich sein.
Bei bestimmten optischen Füllstandschaltern wird eine separate Schaltverstärkerelektronik verwendet.
Die WIKA OLS-S- und OLS-H-Baureihen arbeiten beispielsweise mit einem dafür vorgesehenen Schaltverstärker OSA-S.
Je nach Ausführung können Alarmrichtung und Schaltverzögerung an der Auswerteelektronik eingestellt werden.
Eine zeitliche Verzögerung kann kurzzeitige Schwankungen durch Wellen oder Gasblasen unterdrücken.
Sie darf jedoch nicht so groß gewählt werden, dass ein tatsächlich kritischer Grenzstand erst zu spät erkannt wird.
16. Elektrische Ausgänge, SPS-Anbindung und Signalverarbeitung prüfen
Die elektrischen Ausgangssignale optischer Grenzstandschalter unterscheiden sich je nach Geräteausführung.
Kompakte industrielle Sensoren können beispielsweise elektronische Schaltausgänge verwenden, die direkt mit einem geeigneten SPS-Digitaleingang verbunden werden.
Andere Ausführungen besitzen einen separaten Schaltverstärker mit entsprechenden Relais- oder weiteren Ausgangsfunktionen.
Vor der Auswahl müssen Versorgungsspannung, Ausgangstyp, maximale Schaltlast und die elektrischen Anforderungen der Steuerung geprüft werden.
Besonders wichtig ist die korrekte Unterscheidung zwischen PNP-, NPN-, Open-Collector- und Relaisausgängen.
Ein PNP-Ausgang liefert bei entsprechendem Schaltzustand ein Signal mit positiver Bezugsspannung an einen dafür geeigneten Eingang.
Ein NPN-Ausgang besitzt dagegen eine andere Schaltcharakteristik.
Die tatsächliche Beschaltung muss der Herstellerdokumentation entsprechen.
Auch optische Statusanzeigen am Sensor können bei der Diagnose hilfreich sein.
Beim WIKA OLS-C01 wird der Schaltzustand beispielsweise über eine integrierte gelbe LED angezeigt.
Eine solche Anzeige erleichtert die örtliche Funktionskontrolle.
Sie beweist jedoch nicht automatisch, dass der richtige Zustand auch am SPS-Eingang ankommt.
Für die Inbetriebnahme sollten deshalb Sensorausgang, Verdrahtung und die tatsächlich verarbeitete SPS-Information getrennt geprüft werden.
Besonders bei einer Min-/Max-Überwachung ist außerdem zu kontrollieren, ob die Schaltlogik nach einem Spannungsausfall beziehungsweise Neustart wie vorgesehen arbeitet.
Ein Grenzstandschalter sollte nicht allein anhand des im Schaltschrank sichtbaren Meldetextes beurteilt werden.
17. Überfüllschutz, Trockenlaufschutz und funktionale Sicherheit bewerten
Optische Grenzstandschalter können für die Überwachung wichtiger Betriebszustände eingesetzt werden.
Dazu gehören beispielsweise die Meldung eines zu hohen Flüssigkeitsstands oder die Überwachung einer ausreichenden Flüssigkeitsversorgung.
Die Tatsache, dass ein Grenzstandschalter einen Alarm auslösen kann, bedeutet jedoch nicht automatisch, dass er für jede sicherheitsgerichtete Funktion geeignet ist.
Wenn eine Messstelle Bestandteil eines sicherheitsgerichteten Schutzsystems ist, muss die vollständige Sicherheitsfunktion bewertet werden.
Dazu gehören Sensor, Signalauswertung, gegebenenfalls Sicherheitssteuerung und die abschaltenden beziehungsweise schützenden Stellglieder.
Eine geeignete funktionale Sicherheit kann abhängig von der Anwendung Anforderungen nach IEC 61508 beziehungsweise IEC 61511 oder anderen einschlägigen technischen Regelwerken betreffen.
Eine allgemeine optoelektronische Füllstandserfassung ist nicht automatisch ein SIL-zertifiziertes Schutzsystem.
Entscheidend sind die konkrete Geräteausführung, ihre dokumentierten Zulassungen und die nachgewiesene Eignung für die vorgesehene Sicherheitsfunktion.
Bei explosiven oder leicht entzündlichen Medien können zusätzliche Anforderungen an den Explosionsschutz entstehen.
Für solche Anwendungen besitzt WIKA beispielsweise den optoelektronischen Grenzstandschalter OLS-C51 in einer eigensicheren Ex-i-Ausführung.
Auch hierbei müssen die genauen Zulassungsbedingungen der jeweiligen Ausführung eingehalten werden.
Ein Ex-geeigneter Sensor benötigt gegebenenfalls eine passende eigensichere Auswerteeinheit und korrekt ausgeführte Stromkreise.
Für einen zuverlässigen Überfüllschutz ist außerdem die Reaktionszeit der vollständigen Anlage zu berücksichtigen.
Der Schaltpunkt muss so gewählt werden, dass nach dem Erkennen des Grenzstands noch ausreichend Reserve bis zum unzulässigen Flüssigkeitsniveau vorhanden ist.
Bei einem Trockenlaufschutz ist entsprechend zu bewerten, wie schnell die Pumpe nach Unterschreiten des Grenzstands tatsächlich abgeschaltet wird.
18. Optischen Sensorzustand und elektrische Fehler getrennt untersuchen
Eine systematische Fehlersuche sollte zunächst feststellen, ob der optische Sensor die tatsächliche Benetzung richtig erkennt.
Eine falsche Meldung in der SPS kann nämlich unterschiedliche Ursachen haben.
Der Sensor kann an seiner Spitze eine unzureichende optische Signaländerung erkennen.
Er kann aber auch korrekt arbeiten, während ein Verdrahtungs- oder Konfigurationsfehler zu einer falschen Zustandsanzeige in der Steuerung führt.
Besonders hilfreich ist daher eine getrennte Betrachtung des optischen Zustands, der geräteeigenen Statusanzeige und des elektrischen Ausgangs.
Wenn der Sensor bei vollständig benetzter Prismenspitze nicht schaltet, sollten zunächst der tatsächliche Benetzungszustand, mögliche Gasblasen und die Medienverträglichkeit geprüft werden.
Bleibt die Anzeige dagegen nach vollständiger Entleerung im Zustand „benetzt“, können Flüssigkeitsfilme, Beläge oder eine ungeeignete Montagegeometrie die Ursache sein.
Bei einem ordnungsgemäß wechselnden Sensorstatus, aber unveränderter SPS-Anzeige muss die elektrische Signalführung untersucht werden.
Auch die Versorgungsspannung und die Zuordnung des Ausgangstyps zum Digitaleingang sind dann relevant.
Eine unzulässige Verbindung oder Prüfung unter Druck darf nicht allein zum Zweck der Fehlersuche hergestellt werden.
Insbesondere bei aggressiven, heißen oder gefährlichen Flüssigkeiten muss die Messstelle vor einer Demontage in einen geeigneten sicheren Zustand gebracht werden.
Eine belastbare Diagnose benötigt daher sowohl messtechnische als auch sicherheitstechnische Kenntnisse der konkreten Anlage.
19. Schaltpunktprüfung, Funktionsprüfung und Dokumentation durchführen
Bei einem optischen Grenzstandschalter steht häufig die Prüfung des elektrischen Zustandswechsels bei einer definierten Flüssigkeitshöhe im Vordergrund.
Im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Füllstandtransmitter besitzt der Schalter üblicherweise keine fortlaufende Messkennlinie über einen größeren Füllstandsbereich.
Eine praktische Prüfung kann deshalb darin bestehen, den Flüssigkeitsspiegel unter definierten Bedingungen langsam ansteigen und anschließend wieder absinken zu lassen.
Dabei werden der Schaltpunkt beim Benetzen und der Rückschaltpunkt beim Freilegen der Prismenspitze erfasst.
Besonders wichtig ist die Vergleichbarkeit der Prüfbedingungen.
Verwendetes Medium, Temperatur, Einbaulage und Zustand der optischen Spitze müssen dokumentiert werden.
Ein Grenzstandschalter, der bei Wasser im Labor zuverlässig funktioniert, kann bei einem anderen transparenten Prozessmedium ein verändertes Ablaufverhalten zeigen.
Für anspruchsvolle Prüfungen sollten deshalb nach Möglichkeit die tatsächlichen Betriebsmedien beziehungsweise repräsentative Medien verwendet werden.
Auch Wiederholungsmessungen sind sinnvoll.
Sie können zeigen, ob der Sensor unter vergleichbaren Bedingungen reproduzierbar schaltet.
Die Schaltpunktprüfung darf jedoch nicht mit einer vollständigen sicherheitstechnischen Abnahme gleichgesetzt werden.
Wenn der Sensor Teil einer Überfüll- oder Trockenlaufschutzfunktion ist, müssen gegebenenfalls auch die nachgeschaltete Steuerung, Störungsreaktion und Schaltgeräte geprüft werden.
Für die Dokumentation sind mindestens Gerätetyp, Bestellvariante, Messmedium, Prüfbedingungen, Einbauposition, Schaltzustände und Ergebnisse relevant.
Zusätzlich sollte festgehalten werden, ob die Prismenspitze während der Prüfung sauber und ausreichend benetzt war.
20. Einen systematischen Auswahl- und Inbetriebnahmeablauf durchführen
Eine zuverlässige optische Grenzstanderfassung beginnt bereits bei der Geräteauswahl und endet nicht mit dem elektrischen Anschluss.
Der folgende Ablauf verbindet Mediumsbewertung, mechanischen Einbau, elektrische Integration und Funktionsprüfung.
- Messaufgabe definieren: Festlegen, ob ein minimaler oder maximaler Flüssigkeitsstand überwacht werden soll.
- Medien erfassen: Alle vorgesehenen Flüssigkeiten einschließlich Temperatur, Konzentration, Transparenz und Benetzungsverhalten dokumentieren.
- Optische Eignung beurteilen: Den relevanten Brechungsindex und mögliche außergewöhnliche optische Eigenschaften berücksichtigen.
- Benetzungsverhalten prüfen: Untersuchen, ob die Prismenspitze beim Befüllen zuverlässig benetzt wird und beim Entleeren ausreichend freigegeben wird.
- Belagbildung bewerten: Mögliche Rückstände, Kristallisation oder andere Verschmutzungen berücksichtigen.
- Prozessbedingungen festlegen: Betriebsdruck, Prozesstemperatur und gegebenenfalls auftretende Druck- oder Temperaturwechsel erfassen.
- Werkstoffverträglichkeit prüfen: Prismenmaterial, Prozessanschluss und Dichtungen mit dem Medium abgleichen.
- Geräteausführung auswählen: Geeigneten optoelektronischen Grenzstandschalter anhand der Herstellerangaben bestimmen.
- Behältergeometrie beurteilen: Prüfen, ob die optisch wirksame Sensorspitze das tatsächliche Flüssigkeitsniveau repräsentativ erfasst.
- Einbaulage auswählen: Einen geeigneten Montageort mit möglichst eindeutiger Benetzung und geringem Einfluss von Gasblasen oder Turbulenzen festlegen.
- Mechanischen Anschluss prüfen: Gewinde, Dichtprinzip, Einbaulänge und zulässige mechanische Belastungen kontrollieren.
- Elektrische Schnittstelle festlegen: Versorgungsspannung, Ausgangstyp und Eingangsbeschaltung der Steuerung aufeinander abstimmen.
- Schaltlogik konfigurieren: Zustandszuordnung für trocken und benetzt sowie gegebenenfalls Alarmrichtung und Verzögerung festlegen.
- Ausgangssignal überprüfen: Sensorausgang und angezeigten Zustand in der SPS getrennt kontrollieren.
- Benetzungstest durchführen: Das Verhalten beim tatsächlichen Erreichen des Grenzstands untersuchen.
- Entleerungstest durchführen: Prüfen, ob der Sensor nach Freigabe der Prismenspitze zuverlässig zurückschaltet.
- Störbedingungen berücksichtigen: Typische Wellenbewegungen, Blasen, Temperaturwechsel und Medienwechsel im vorgesehenen Rahmen prüfen.
- Schaltpunkt wiederholt überprüfen: Reproduzierbarkeit und gegebenenfalls Abweichung zwischen Schalt- und Rückschaltpunkt dokumentieren.
- Alarmfunktion prüfen: Die vorgesehenen Meldungen und nachgeschalteten Anlagenreaktionen verifizieren.
- Inbetriebnahme abschließen: Ergebnisse, Einschränkungen, Wartungshinweise und die freigegebene Konfiguration dokumentieren.
Besonders wichtig ist, dass die Prüfung nicht ausschließlich mit trockener Sensorspitze oder unter Laborbedingungen erfolgt.
Das tatsächliche Verhalten im Medium muss Bestandteil der Bewertung sein.
Bei Anwendungen mit wechselnden Flüssigkeiten kann eine gesonderte Prüfung für mehrere typische Betriebszustände notwendig sein.
Auch die regelmäßige Kontrolle der optischen Spitze kann sinnvoll sein, wenn das Medium zu Ablagerungen oder dauerhaften Flüssigkeitsfilmen neigt.
Die Wartungsintervalle sind anhand der realen Prozessbedingungen festzulegen.
21. Typische Fehlerbilder und Fehlinterpretationen diagnostizieren
Bei optoelektronischen Grenzstandschaltern können Fehler auftreten, obwohl die Elektronik selbst ordnungsgemäß funktioniert.
Die folgende Übersicht verbindet typische Beobachtungen mit möglichen Ursachen und geeigneten Prüfungen.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Sensor schaltet bei Wasser, aber nicht zuverlässig bei einem anderen klaren Medium | Andere optische Eigenschaften oder ungeeignete Benetzung | Medieneignung, Brechungsindex und tatsächlichen Benetzungszustand prüfen |
| Sensor meldet trocken, obwohl der Behälter Flüssigkeit enthält | Prismenspitze nicht ausreichend benetzt, Gasblase oder ungünstige Montageposition | Lokale Situation direkt an der Sensorspitze kontrollieren |
| Sensor meldet benetzt, obwohl der Flüssigkeitsstand abgesunken ist | Verbleibender Flüssigkeitsfilm oder Ablagerung | Ablaufverhalten und Sauberkeit der optischen Spitze untersuchen |
| Schaltpunkt ist beim Befüllen anders als beim Entleeren | Meniskus, Oberflächenspannung, Ablaufverhalten oder elektronische Hysterese | Schalt- und Rückschaltpunkt getrennt dokumentieren |
| Schaltsignal flattert bei laufender Pumpe | Turbulenzen, Blasenbildung oder häufig wechselnde Benetzung | Messstellenposition und Flüssigkeitsbewegung prüfen |
| Schalter reagiert erst bei höherem Flüssigkeitsstand | Teilbenetzung, ungünstiger Anschlussstutzen oder ungeeignete Sensorgeometrie | Einbaulänge und Benetzung der aktiven Prismenspitze kontrollieren |
| Schalter zeigt nach längerer Betriebszeit einen anderen Zustand als früher | Belagbildung, Oberflächenveränderung oder Änderung der Medienbedingungen | Prismenspitze, Flüssigkeitszusammensetzung und Temperatur prüfen |
| Sensor arbeitet elektrisch, SPS erhält aber keine korrekte Meldung | Verdrahtungsfehler, ungeeigneter Eingang oder falsche Schaltlogik | Sensorstatus und elektrische Signalübertragung getrennt prüfen |
| Schaltzustand ändert sich beim Wechsel der Prozesstemperatur | Verändertes Benetzungsverhalten, Medienzustand oder temperaturbedingter elektrischer Fehler | Prozesstemperatur, Medienverhalten und Gerätespezifikation vergleichen |
| Sensor bleibt nach Reinigung weiterhin fehlerhaft | Beschädigte optische Oberfläche oder interner Gerätefehler | Optische Spitze und Sensorfunktion nach Herstellerverfahren prüfen |
| Grenzstand wird beim Befüllen richtig erkannt, bei Schaum jedoch nicht | Schaum verursacht keinen stabilen Zustand vollständig benetzter Flüssigkeit | Schaumverhalten bewerten und gegebenenfalls anderes Messprinzip wählen |
| Nach Spannungsausfall ist die Alarmmeldung unplausibel | Ausgangslogik oder SPS-Auswertung behandelt den Fehlerzustand nicht wie vorgesehen | Versorgungsausfall, Schaltlogik und Fehlerreaktion kontrollieren |
Die Tabelle enthält typische Ursachen und Prüfansätze, aber keine eindeutigen Ferndiagnosen.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen einem elektrisch defekten Sensor und einer physikalisch uneindeutigen Benetzung.
Ein optischer Grenzstandschalter kann korrekt auf die Situation direkt an seiner Prismenspitze reagieren und trotzdem einen für den Betreiber unerwarteten Zustand anzeigen.
Für die Fehlersuche muss deshalb zuerst geklärt werden, welchen Zustand die Spitze tatsächlich aufweist.
Erst danach sollte die elektrische Auswertung verändert oder das Messgerät ersetzt werden.
22. Passende optoelektronische Grenzstandschalter von ICS Schneider
22.1 WIKA OLS-C01: Kompakter optischer Grenzstandschalter
Der WIKA OLS-C01 ist ein kompakter optoelektronischer Füllstandschalter für industrielle Anwendungen.
Er eignet sich beispielsweise zur Grenzstanderfassung in Werkzeugmaschinen, Hydraulikaggregaten, Pumpenanlagen und kleineren Behältern.
Das Messprinzip basiert auf einer Infrarot-LED und einem optischen Empfänger. Die Prismenspitze verändert bei Kontakt mit Flüssigkeit die interne Lichtreflexion.
Der Schalter besitzt keine beweglichen Bauteile und kann gemäß Herstellerangaben in unterschiedlichen Einbaulagen verwendet werden.
Für die Baureihe wird eine Schaltpunktgenauigkeit von ±2 mm angegeben.
Der aktuelle Schaltzustand wird durch eine integrierte gelbe LED angezeigt.
Als elektrische Anschlüsse stehen unter anderem PUR- beziehungsweise PVC-Kabel sowie ein Rundstecker M8 × 1 zur Verfügung.
Der Sensor ist insbesondere für Flüssigkeiten wie Wasser, destilliertes Wasser, Öle und weitere geeignete wässrige Medien interessant.
Für transparente Prozessmedien ist zu prüfen, dass die tatsächlichen optischen und chemischen Eigenschaften des Mediums zur vorgesehenen Geräteausführung passen.
Auch die sichere Benetzung und das Ablaufverhalten der Prismenspitze müssen bei der Einbauplanung berücksichtigt werden.
22.2 WIKA OLS-C02: Optoelektronischer Schalter mit wählbarer Sensorlänge
Der WIKA OLS-C02 erweitert das optoelektronische Messprinzip um unterschiedliche Schalterlängen.
Der Hersteller bietet wählbare Längen von 65 mm bis 1.500 mm an.
Damit kann die optische Messspitze an weiter innen liegenden Punkten eines Behälters positioniert werden.
Der OLS-C02 besitzt ebenfalls keine beweglichen Bauteile und arbeitet mit einer Infrarot-Lichtquelle sowie einer optischen Prismenspitze.
Eine Schaltpunktgenauigkeit von ±2 mm wird für die entsprechende Geräteausführung angegeben.
Zur elektrischen Verbindung stehen unter anderem Kabelausführungen, M12-Rundstecker und geeignete Winkelstecker zur Verfügung.
Besonders interessant ist diese Baureihe, wenn der Grenzstand nicht unmittelbar an der Behälterwand erfasst werden soll.
Die wählbare Sensorlänge kann helfen, eine optisch und strömungstechnisch günstigere Messposition zu erreichen.
Bei längeren Ausführungen müssen die mechanische Einbausituation, mögliche Strömungsbelastungen und die tatsächliche Benetzung der Spitze entsprechend berücksichtigt werden.
22.3 WIKA OLS-C20: Kompakte Ausführung für erhöhte Prozessdrücke
Der WIKA OLS-C20 ist ein kompakter optoelektronischer Füllstandschalter für anspruchsvollere industrielle Bedingungen.
Die bei ICS dokumentierte Baureihe ist für Messstofftemperaturen von −30 … +135 °C ausgelegt.
Je nach Ausführung stehen Druckbereiche von Vakuum bis 50 bar zur Verfügung.
Der optische Sensor arbeitet mit einer Prismenspitze, deren Reflexionsverhalten sich beim Kontakt mit Flüssigkeit verändert.
WIKA beschreibt bei diesem Gerät das Umschalten nach einer ausreichenden Benetzung, beispielsweise ungefähr zwei Drittel der Glasspitze.
Damit wird deutlich, dass die funktionale Benetzung nicht zwangsläufig bereits beim ersten Flüssigkeitskontakt erreicht ist.
Der OLS-C20 besitzt einen kurzschlussfesten PNP-Open-Collector-Ausgang, der entsprechend der elektrischen Auslegung mit einem geeigneten Steuerungseingang verbunden werden kann.
Die optische Anzeige ermöglicht eine lokale Kontrolle des Schaltzustands.
Für die Geräteauswahl müssen Prozessdruck, Temperatur, Medium und das verwendete Dichtprinzip gemeinsam geprüft werden.
22.4 WIKA OLS-S und OLS-H: Optische Grenzstanderfassung in der Prozessindustrie
Die WIKA OLS-S- und OLS-H-Serie ist für optoelektronische Grenzstanderfassung in industriellen Prozessanlagen vorgesehen.
Je nach Ausführung stehen Lösungen für einen großen Temperatur- und Druckbereich zur Verfügung.
Die von ICS dokumentierte Produktfamilie umfasst Varianten für Temperaturen von −269 bis +400 °C sowie Druckbereiche von Vakuum bis 500 bar.
Diese Grenzwerte beziehen sich auf unterschiedliche Ausführungen und gelten nicht automatisch gleichzeitig für jede bestellbare Konfiguration.
Für besondere Anwendungen sind auch Hochdruck- und entsprechende Trennschichtmessausführungen vorgesehen.
Die optoelektronischen Schalter nutzen eine Infrarot-Lichtquelle und einen optischen Empfänger.
Die Signalverarbeitung erfolgt über den separaten Schaltverstärker OSA-S.
Besonders für Prozessanwendungen mit hohen Anforderungen an Druck, Temperatur oder elektrische Auswertung können diese Geräte interessant sein.
Für transparente Medien muss neben der optischen Eignung auch geprüft werden, ob die vorgesehenen Werkstoffe und die mechanische Ausführung zur jeweiligen Flüssigkeit passen.
Die erforderliche Kombination aus Sensor, Schaltverstärker und gegebenenfalls Zulassung ist für den konkreten Einsatz festzulegen.
22.5 WIKA OLS-C51: Optoelektronischer Grenzstandschalter in Ex-i-Ausführung
Der WIKA OLS-C51 ist ein optoelektronischer Füllstandschalter für industrielle Anwendungen mit eigensicherer Ex-Ausführung.
Für die Baureihe wird eine Eignung für Messstofftemperaturen bis +135 °C angegeben.
Der Sensor besitzt keine beweglichen Bauteile und verwendet ebenfalls eine optische Prismenspitze zur Grenzstanderfassung.
Die Schaltpunktgenauigkeit wird mit ±2 mm beschrieben.
Diese Ausführung kann für geeignete Flüssigkeitsanwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen interessant sein.
Voraussetzung ist, dass die konkrete Gerätekennzeichnung und das eigensichere Messsystem zu den vorhandenen Ex-Anforderungen passen.
Die Auswahl muss deshalb gemeinsam mit der vorgesehenen Auswerteeinheit, elektrischen Verdrahtung und den zulässigen Betriebsbedingungen erfolgen.
22.6 WIKA TLS-C: Vibrationsgrenzstandschalter als alternative Messtechnologie
Bei Anwendungen mit starken Ablagerungen, erheblicher Schaumbildung oder häufig wechselnden Medien kann eine andere Grenzstandtechnologie geeigneter sein.
Ein Beispiel ist der WIKA TLS-C Vibrationsfüllstandschalter.
Das Gerät arbeitet mit einer mechanisch angeregten Schwinggabel.
Wenn die Schwinggabel in Flüssigkeit eintaucht, verändert sich ihre Resonanzfrequenz. Diese Veränderung wird elektronisch erkannt und in ein Schaltsignal umgewandelt.
Das Messprinzip ist nicht von der optischen Transparenz oder vom Brechungsindex des Mediums abhängig.
Die TLS-C-Baureihe wird vom Hersteller insbesondere für Anwendungen beschrieben, bei denen optische Sensoren durch Blasenbildung, Verschmutzung oder andere Prozessbedingungen beeinträchtigt werden können.
Bei einer Umstellung von optischer auf vibrierende Grenzstanderfassung müssen jedoch die eigenen Einsatzgrenzen der Schwinggabel berücksichtigt werden.
Dazu gehören insbesondere die zulässige Mediendichte, Viskosität, Prozessdruck, Temperatur und der notwendige Einbauraum.
Ein alternatives Messprinzip ist deshalb nicht grundsätzlich für jede Anwendung überlegen, kann aber bei ungünstigem Benetzungs- und Ablagerungsverhalten zuverlässiger sein.
Weitere geeignete Lösungen bietet ICS Schneider in den Kategorien Grenzstanderfassung und Füllstandmesstechnik.
23. Fazit: Optische Grenzstanderfassung auf Medium und Benetzung abstimmen
Optische Grenzstandschalter sind kompakte und wartungsarme Messgeräte zur punktuellen Überwachung von Flüssigkeitsständen.
Sie besitzen keine beweglichen Sensorteile und können auch bei transparenten und elektrisch nichtleitenden Flüssigkeiten zuverlässig arbeiten.
Das Messprinzip basiert auf der Veränderung der Lichtreflexion an einer optischen Prismenspitze.
Der Unterschied zwischen dem trockenen und dem benetzten Zustand wird durch die optischen Eigenschaften der Grenzfläche bestimmt.
Für eine zuverlässige Messung ist deshalb nicht allein entscheidend, ob das Medium klar oder durchsichtig erscheint.
Der Brechungsindex des Mediums, seine Temperatur, die tatsächliche Benetzung sowie das Verhalten beim Freilegen der Spitze müssen berücksichtigt werden.
Besonders kritisch sind teilweise benetzte Oberflächen, Luftblasen, Flüssigkeitsfilme und dauerhafte Ablagerungen.
Auch die mechanische Einbausituation spielt eine wichtige Rolle. Ein ungünstiger Anschlussstutzen oder eine ungeeignete Position im Behälter kann die optische Grenzstanderfassung beeinträchtigen.
Für die Auswahl müssen außerdem Werkstoffverträglichkeit, Betriebsdruck, Temperatur und die notwendige Schaltfunktion betrachtet werden.
Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen sind darüber hinaus die Eignung des gesamten Schutzsystems und die zugehörigen Zulassungen entscheidend.
Eine zuverlässige Inbetriebnahme beinhaltet deshalb nicht nur eine elektrische Funktionskontrolle, sondern auch den tatsächlichen Benetzungs- und Entleerungstest mit dem vorgesehenen Medium.
Messaufgabe festlegen → Medium und Brechungsindex bewerten → Benetzungsverhalten prüfen → Optoelektronischen Grenzstandschalter auswählen → Prismengeometrie und Einbaulage berücksichtigen → Schaltlogik und elektrische Anbindung festlegen → Benetzung und Freigabe der Spitze prüfen → Wiederholbarkeit und Störbedingungen untersuchen → Alarmfunktion verifizieren → Ergebnisse dokumentieren
Der wichtigste praktische Grundsatz lautet damit: Ein optischer Grenzstandschalter erkennt nicht die Transparenz einer Flüssigkeit, sondern die Veränderung der optischen Bedingungen an seiner Prismenspitze. Erst eine ausreichend eindeutige Benetzung und eine geeignete Messstellengeometrie ermöglichen eine zuverlässige Grenzstanderfassung.
24. Häufige Fragen zu optischen Grenzstandschaltern bei transparenten Medien
24.1 Wie funktioniert ein optischer Grenzstandschalter?
Ein optischer Grenzstandschalter verwendet eine Lichtquelle, einen Empfänger und eine transparente Prismenspitze. In Luft wird das Licht bei geeigneter Geometrie innerhalb des Prismas reflektiert. Bei Benetzung mit Flüssigkeit verändern sich die optischen Grenzbedingungen, wodurch sich das Empfangssignal ändert und der Schalter seinen Zustand wechselt.
24.2 Können optische Grenzstandschalter transparente Flüssigkeiten erkennen?
Ja. Transparenz verhindert die Funktion nicht. Entscheidend ist der Unterschied der optischen Eigenschaften zwischen dem trockenen und benetzten Zustand der Prismenspitze. Geeignete Geräte können beispielsweise Wasser, destilliertes Wasser und transparente Öle erfassen.
24.3 Welche Bedeutung hat der Brechungsindex für die Grenzstanderfassung?
Der Brechungsindex beeinflusst die Lichtbrechung und die Bedingungen für Totalreflexion an der Prismenspitze. Dadurch kann er die optische Signaländerung zwischen Luft und Flüssigkeit beeinflussen. Viele industrielle Sensoren sind jedoch so ausgelegt, dass sie in einem breiten Medienbereich zuverlässig arbeiten.
24.4 Warum schaltet ein optischer Sensor bei Wasser, aber bei einem transparenten Öl möglicherweise anders?
Wasser und Öl besitzen unterschiedliche Brechungsindizes, Viskositäten und Benetzungseigenschaften. Ein Ölfilm kann außerdem nach dem Entleeren länger an der Prismenspitze verbleiben. Die Eignung sollte deshalb unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen geprüft werden.
24.5 Muss eine optische Grenzstandschalterspitze vollständig benetzt werden?
Die für das jeweilige Gerät optisch wirksamen Bereiche müssen ausreichend benetzt sein. Bei bestimmten WIKA-OLS-Ausführungen beschreibt der Hersteller eine Schaltung bei ungefähr zwei Dritteln benetzter Glasspitze. Der erforderliche Benetzungsgrad ist jedoch gerätespezifisch.
24.6 Kann eine Luftblase an der Prismenspitze eine Fehlmeldung verursachen?
Ja. Eine Gasblase kann verhindern, dass die Flüssigkeit die optisch wirksame Oberfläche vollständig benetzt. Dadurch kann ein Sensor unter bestimmten Bedingungen einen trockenen Zustand anzeigen, obwohl sich in der Umgebung Flüssigkeit befindet.
24.7 Warum meldet der Sensor nach dem Entleeren manchmal weiterhin einen hohen Flüssigkeitsstand?
Mögliche Ursachen sind ein verbleibender Flüssigkeitsfilm, eine anhaftende Flüssigkeitsmenge oder ein Belag auf der Prismenspitze. Auch ein ungeeigneter Anschlussstutzen kann dazu führen, dass die Spitze nicht vollständig freigegeben wird.
24.8 Beeinflussen Oberflächenspannung und Meniskus den Schaltpunkt?
Ja. Oberflächenspannung und Benetzbarkeit beeinflussen das Verhalten der Flüssigkeit direkt an der Sensorspitze. Dadurch können Schaltpunkt und Rückschaltpunkt beim Befüllen und Entleeren voneinander abweichen.
24.9 Können optische Grenzstandschalter destilliertes Wasser erkennen?
Ja. Das optische Messprinzip benötigt keine elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit. Geeignete optoelektronische Schalter wie der WIKA OLS-C01 können deshalb auch für destilliertes Wasser verwendet werden.
24.10 Beeinflussen Temperatur und Konzentration einer Flüssigkeit die Messung?
Temperatur und Konzentration können den Brechungsindex, die Viskosität und das Benetzungsverhalten verändern. Bei großen Änderungen der Betriebsbedingungen sollte deshalb überprüft werden, ob der Grenzstandschalter weiterhin zuverlässig zwischen trocken und benetzt unterscheidet.
24.11 Können optische Grenzstandschalter auch bei Schaum eingesetzt werden?
Das hängt vom konkreten Schaum und vom Sensor ab. Schaum besteht aus Flüssigkeitslamellen und Gasanteilen, sodass die Prismenspitze unter Umständen nicht denselben optischen Zustand erreicht wie bei vollständiger Benetzung mit homogener Flüssigkeit. Bei dauerhaft starkem Schaum kann ein anderes Messprinzip geeigneter sein.
24.12 Welche Einbaulage ist für optische Grenzstandschalter am besten?
Viele optoelektronische WIKA-Schalter erlauben unterschiedliche Einbaulagen. Die tatsächlich geeignete Position hängt jedoch von Behältergeometrie, Medium, Benetzung und Ablaufverhalten ab. Besonders wichtig ist, dass die optisch wirksame Spitze zuverlässig mit dem zu überwachenden Flüssigkeitsstand in Kontakt kommt.
24.13 Wie genau schaltet ein optischer Grenzstandschalter?
Für verschiedene WIKA-OLS-Kompaktmodelle wird eine Genauigkeit von ±2 mm angegeben. Die tatsächliche Schaltpunktbewertung muss jedoch die jeweiligen Herstellerbedingungen, das Medium und die Einbausituation berücksichtigen. Bei starken Turbulenzen oder anhaftenden Flüssigkeiten können zusätzliche Einflüsse auftreten.
24.14 Ist ein optischer Grenzstandschalter als Überfüllsicherung geeignet?
Ein geeigneter optischer Grenzstandschalter kann für die Maximalstandüberwachung eingesetzt werden. Wenn eine normativ geforderte sicherheitsgerichtete Überfüllsicherung benötigt wird, müssen jedoch die vollständige Sicherheitsfunktion und die entsprechenden Zulassungen der verwendeten Komponenten geprüft werden.
24.15 Welche elektrischen Ausgänge besitzen optische Grenzstandschalter?
Die Ausgänge hängen von der Geräteausführung ab. Kompakte Sensoren können beispielsweise elektronische PNP-Schaltausgänge besitzen. Andere Ausführungen arbeiten mit separaten Schaltverstärkern und entsprechenden Ausgangsfunktionen. Die elektrische Schnittstelle muss zur Steuerung passen.
24.16 Was ist der Unterschied zwischen einem optischen und einem vibrierenden Grenzstandschalter?
Ein optischer Schalter nutzt die Veränderung der Lichtreflexion an einer Prismenspitze. Ein vibrierender Grenzstandschalter erkennt dagegen eine Änderung des Schwingungsverhaltens einer mechanisch angeregten Schwinggabel. Bei starker Belagbildung, Schaum oder ungünstiger Benetzung kann ein Vibrationsschalter unter geeigneten Bedingungen Vorteile bieten.
24.17 Welche optischen Grenzstandschalter bietet ICS Schneider an?
Zum ICS-Sortiment gehören unter anderem WIKA OLS-C01, OLS-C02, OLS-C20, OLS-C51 sowie die Prozessausführungen OLS-S und OLS-H. Für besondere Anwendungen stehen weitere Ausführungen, beispielsweise für hygienische Prozesse oder höhere Temperaturen, zur Verfügung. Die Auswahl richtet sich nach Medium, Druck, Temperatur, Einbauposition und elektrischen Anforderungen.
24.18 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Geräteauswahl?
Benötigt werden Medium, Zusammensetzung, Transparenz beziehungsweise bekannte optische Eigenschaften, Temperaturbereich und Prozessdruck. Besonders wichtig sind Informationen über Benetzungsverhalten, mögliche Rückstände, Viskosität, Schaum, Gasblasen und Ablagerungen. Für die mechanische Auslegung werden Behältergeometrie, Einbauposition, Prozessanschluss, erforderliche Sensorlänge und gewünschter Schaltpunkt benötigt. Zusätzlich sind die vorgesehene Min- oder Max-Funktion, Versorgungsspannung, Ausgangssignal, Schaltverzögerung und gegebenenfalls Anforderungen an Ex-Schutz, funktionale Sicherheit, Hygiene und regelmäßige Funktionsprüfung anzugeben.