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Bei vielen technischen Prozessen sind in definierten zeitlichen Abständen Mengen von verarbeiteten Materialien zu messen und auszuwerten. Auch im Alltag spielen Füllstandssensoren und Durchflusssensoren eine wichtige Rolle. Wie diese elektromechanischen Helfer funktionieren, welche Arten und Einsatzgebiete es gibt, verrät Ihnen unser Ratgeber.

Wissenswertes zu Durchflussmessgeräten und Füllstandssensoren

Was sind Durchflussmessgeräte und Füllstandssensoren?

Kompaktes Messgerät zur berührungslosen Verbrauchsmessung

Bei einem Durchflusssensor handelt es sich um ein technisches Gerät, mit dem die Durchflussmenge eines Gases oder einer Flüssigkeit durch ein Rohr summarisch oder pro Zeiteinheit ermittelt wird.
Der englischsprachige Begriff dafür lautet Flowmeter.

Durchflussmengen werden ermittelt, um Flüssigkeits- oder Gasmengen für deren Einsatz oder Verkauf richtig zu berechnen und zu besteuern.

Für chemische Prozesse oder bei der Zusammenstellung von unterschiedlichen Stoffen müssen die einzelnen Bestandteile in zuvor definierten Mischungsverhältnissen zusammengeführt werden.

Je nach Aufgabe der Überwachung und abhängig vom zu messenden Medium wird zwischen Volumendurchfluss als Volumen pro Zeiteinheit, beispielsweise an der Tankstelle, oder Massendurchfluss als Gewicht pro Zeiteinheit, zum Beispiel bei einem Gaszähler, unterschieden.

Füllstandssensor zur Messung und Überwachung von Pegelständen

Neben dem Durchflusssensor gibt es Füllstandssensoren. Sie ermitteln, wann Flüssigkeiten oder Schüttgut ein definiertes Füllniveau (Füllhöhe) in Behältnissen erreicht haben.

Das umfasst auch die Ermittlung von Unter- oder Überschreitungen eines Füllstandes. Mit einem solchen Sensor werden folgende Messmethoden unterschieden:

Kontinuierliche Messung

Die ermittelten Messwerte werden in Prozent oder in Längen-, Volumen- oder Masse-Einheiten entsprechend der Durchflussmenge oder der Standhöhe analog oder digital ausgegeben.

Füllstandsgrenzmessung

Sie dient der Überwachung von Grenzständen, zum Beispiel zur Vermeidung von Trockenlauf oder Überfüllung eines Behältnisses. Die Messwertausgabe erfolgt über Schaltkontakte, auch magnetisch.

Kombinierte Füllstandsmessung

Beide Methoden können kombiniert angewendet werden. Die Auswahl des Messverfahrens hängt vor allem davon ab, welche Medien gemessen werden sollen (Flüssigkeiten oder Schüttgüter).

Funktionweise der Sensoren

Das physikalische Grundprinzip beruht darauf, dass die Bewegungsgeschwindigkeit (und -richtung) einer Flüssigkeit oder eines Gases in ihrer Umgebung in ein elektrisch verwertbares Signal umgewandelt wird. Dazu bedient man sich verschiedener Sensoren, die abhängig von den Umgebungsbedingungen und der erforderlichen Präzision eingesetzt werden.

Durchflussmesser mit Turbinen-Messprinzip für flüssige Medien

Magnetisch-induktive Sensoren

Mittels einer Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, in oder an der sich ein Objekt bewegt, das das Magnetfeld verändert. Diese Methode ist berührungslos und verschleißfrei. Damit können Winkelpositionen, Wege, Abstände und Geschwindigkeiten gemessen werden. Das kann beispielsweise ein Schwimmer auf einer Flüssigkeit sein. Dessen Position beeinflusst berührungslos das Magnetfeld des induktiven Sensors – die veränderte Induktivität wird als Messergebnis ausgewertet. In einer anderen Variante kann ein am Schwimmer befestigter Magnet einen oder mehrere Magnetschalter (Reedkontakte) betätigen.

Durchfluss-Sensor

Bei einem Durchflusssensor werden Flügel- oder Zahnräder genutzt, die beim Hindurchströmen des zu messenden Mediums in Rotation versetzt werden. Die Rotationsgeschwindigkeit repräsentiert die Durchflussgeschwindigkeit, die anhand des Rohrquerschnitts in durchflossenes Volumen umgerechnet werden kann. Diese Art Sensor kann auch als Strömungssensor bezeichnet werden.

Kapazitive Sensoren

Ein kapazitiver Sensor nutzt die Änderung der elektrischen Kapazität, wenn eine Flüssigkeit wie eine Kondensatorplatte oder als Dielektrikum eines Kondensators wirkt, wodurch sich bei Änderung eines Füllstandes die Kapazität des so gebildeten Kondensators verändert.

Weitere Sensoren

Vor allem für industrielle Anwendungen mit hohen Anforderungen an eine präzise Messung sind weitere Sensortechniken entwickelt worden. Dazu gehören unter anderem:

  • Ultraschall-Durchflussmesser ermitteln die Geschwindigkeit des Mediums unter Zuhilfenahme akustischer Wellen
  • Durchflussmessung mit Drosseleinrichtungen wie Messblenden oder -rohren
  • Anemometer zu Geschwindigkeitsbestimmung eines Mediums
  • Laser-Doppler als hochpräzise Messmethode vor allem in Forschung und Entwicklung

Einsatzgebiete von Durchflussmessgeräten und Füllstandssensoren

Es gibt kaum einen Bereich, in dem Geräte ohne die Überwachung von Flüssigkeitsmengen oder -niveaus beziehungsweise Gasmengen auskommen. Stellvertretend seien hier genannt:

Haustechnik

Der Verbrauch von Wasser, Gas und Strom muss für die Abrechnung präzise ermittelt werden, wofür mehr als ein Sensor zum Einsatz kommt. Dazu werden Wasser- und Gaszähler als Volumenzähler eingesetzt. Um Unregelmäßigkeiten und Manipulationen auszuschließen, sind die Geräte geschützt und müssen in gesetzlich vorgeschriebenen Intervallen ausgetauscht werden. Wasserfilter als Bestandteil der Haustechnik messen mit einem Sensor das Durchflussvolumen der Wassermenge, um den Zeitpunkt für einen Filterwechsel oder das Nachfüllen des Entkalkungsmittels anzuzeigen.

Kaffeeautomaten, Waschmaschinen und Geschirrspüler besitzen Füllstandssensoren, um die für den jeweiligen Vorgang benötigte Wassermenge präzise zu steuern. Ebenso werden durch einen Sensor Warnungen ausgegeben, wenn zum Beispiel der Tresterbehälter einer Kaffeemaschine voll ist oder wenn zum Start des eigentlichen Waschvorganges kein Wasser in die Waschmaschine eingelaufen ist.

Elektronisches Inhaltsmessgerät mit mechanischer und digitaler Anzeige

Automobiltechnik

Jedes Automobil benötigt diverse Flüssigkeiten, zum Beispiel Kraftstoff, Öl und Kühlflüssigkeit. Falsche beziehungsweise zu niedrige Flüssigkeitspegel können großen Schaden an Fahrzeugen anrichten.
Autos sind daher mit verschiedenen Füllstands- und Durchflusssensoren ausgestattet, die den Kraftstoff- und Kühlwasserstand, die Füllung mit Motor- und Getriebeöl, den Füllgrad mit Bremsflüssigkeit und Windschutzscheiben-Reiniger oder die Luftmenge für den Verbrennungsvorgang im Motor mit Genauigkeit überwachen beziehungsweise steuern.

Industrie

Bei der industriellen Anwendung von Durchfluss- und Füllstandsmessungen werden besondere Anforderungen an jeden eingesetzten Sensor zur Überwachung gestellt. Hier treten vielfach besonders dünnflüssige oder extrem zähe sowie chemisch aggressive Medien auf. Zudem müssen oft hohe thermische und mechanische Anforderungen an die Druck-, Schock- und Vibrationsfestigkeit erfüllt werden.

Meteorologie

Im meteorologischen Bereich wird die Füllstandsmessung beispielsweise zur automatisierten Ermittlung und Übertragung von Niederschlagsmengen genutzt.

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