Ein Füllstandssensor – auch Level Sensor, Füllstandsmesser, Niveausensor oder Füllstandstransmitter genannt – erfasst die Standhöhe einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs in einem Behälter. Dabei kann es sich um einen Silo, einen Tank oder auch ein Rohr handeln. Man unterscheidet Füllstandssensoren von den Füllstandsschaltern: Mit einem Füllstandsschalter kann lediglich ein definierter Grenzstand detektiert werden. Dagegen misst ein Sensor kontinuierlich die Füllhöhe flüssiger oder fester Stoffe. Grenzstandmesstechnik wird typischerweise zur Bestimmung von hohen oder niedrigen Füllniveaus verwendet. OndoSense Radar-Füllstandsensoren können sowohl fortlaufend Füllhöhen messen als auch Grenzstände erfassen.

Bei der kontinuierlichen Füllstandsmessung kommuniziert der Sensor die Standhöhe meist digital als Distanz-, Volumen- oder Prozentwert an die Anlagensteuerung oder das Display. Manche Füllstandsmesser geben den Wert auch analog über eine Stromschnittstelle aus. OndoSense Radar-Füllstandstransmitter verfügen über digitale und analoge Schnittstellen.

Sensoren messen Füllstände entweder berührungslos oder medienberührend – z. B. über mechanische Messmethoden. Die meisten kontaktlosen Füllstandsmesser ermitteln hierfür den Abstand zur Oberfläche der Flüssigkeit oder des Feststoffs. Dazu sendet der Sensor Schallwellen oder elektromagnetische Wellen aus, die zurückgeworfen werden. Über die Laufzeit sowie die Schallgeschwindigkeit kann beispielsweise ein Ultraschall-Sensor die Distanz zur Oberfläche und somit die Füllhöhe berechnen. Ähnlich ist es beim Radar-Füllstandssensor: Dieser ermittelt die Distanz über die Frequenzverschiebung zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Radarsignal. In der radiometrischen Füllstandsmessung wird der Füllstandswert hingegen über die Absorption des Mediums durch Gammastrahlung ermittelt. Die kapazitive Füllstandskontrolle basiert wiederum auf der Variation der elektrischen Kapazität der Flüssigkeit oder des Schüttguts.

In der mechanischen Füllstandmessung gibt es eine Vielzahl von Messmethoden: So kann man den Füllstand von Flüssigkeiten beispielsweise hydrostatisch über den Druckunterschied zwischen der Oberfläche und dem Behälterboden erfassen. Der Schwimmer misst die Standhöhe des Mediums dagegen über die Position eines Körpers an einem Hebel oder Seil. Darüber hinaus gibt es viele weitere Füllstandsmesser, z. B. Sensoren für Wärme- oder Supraleitung, Pegelsonden, Vibrationssensoren, Drehflügelschalter und Lotsysteme.

Füllstandsensoren kommen in unterschiedlichsten Anwendungen, Branchen und Objekten (bzw. Behältern) zum Einsatz. So messen Füllstandstransmitter in der Lebensmittel-, Chemie- oder Pharmabranche die Füllhöhe von Flüssigkeiten und Rohstoffen in Produktionsbehältern, um eine gleichbleibende Produktqualität und präzise Dosierung zu gewährleisten. Im Energiesektor erfassen Sensoren kontinuierlich den Stand der Öl- oder Kohlevorräte, um den Warenbestand zu optimieren und Engpässen vorzubeugen. Und in der Landwirtschaft müssen Futtermittelsilos für eine effiziente Lagerhaltung fortlaufend auf Füllstand kontrolliert werden.

Auch im Bergbau setzt man Füllstandsmesser für die Fullhöhen-, Grenzstand- oder Durchsatz-Messung von Schüttgut auf Fließbändern und in Schüttgutlagern ein, um Förderprozesse zu steuern und den Lagerbestand zu kontrollieren. Sogar in der Metallindustrie findet Füllstandsmessung statt: So erfassen die robusten und mikrometerpräzisen Radar-Füllstandssensoren von OndoSense in der Metallerzeugung den Füllstand von flüssigem Stahl oder Aluminium mit Sub-Millimeterpräzision – z. B. in Rinnensystemen, Schmelzöfen, Torpedowagen oder beim Brammenguss. Folglich lassen sich mit Füllstandsensoren Prozesse kontrollieren und automatisieren, Überfüllungen und Verstopfungen vermeiden, Qualitäts- oder Sicherheitsstandards gewährleisten, Kosten einsparen und nicht zuletzt Produktivitätsgewinne erzielen.

Wie genau ein Füllstandssensor misst, hängt nicht zuletzt vom verwendeten Messprinzip ab. Radarsensoren ermöglichen eine hochpräzise Füllstandsmessung: So erreichen OndoSense Radar-Füllstandsmesser beispielsweise eine Messgenauigkeit im Mikrometerbereich. Zudem messen Radarsensoren auch bei Dampf, Staub sowie starken Temperatur- und Druckvariationen zuverlässig. Damit eignet sich Radar ideal zur Füllstandskontrolle in harschen Umgebungen sowie im Außenbereich.

Kapazitive und Ultraschall-Füllstandstransmitter messen dagegen deutlich weniger genau. Tatsächlich ist die Präzision und Verlässlichkeit hier in hohem Maß von Faktoren wie Temperatur, Druck oder Permittivität abhängig. Zudem hat die Verschmutzung von Ultraschall- und kapazitiven Sensoren eine großen Einfluss auf die Messpräzision. Dagegen beeinflussen Staub, Schmutz oder Wassertropfen auf der Linse die Messgenauigkeit von Radarmessungen nicht.

Kapazitive Füllstandssensoren messen die Füllhöhe von Flüssigkeiten oder Schüttgütern, indem sie die Veränderung der elektrischen Kapazität bestimmen. Dazu verfügen kapazitive Sensoren über zwei Elektroden, die sich im Medium befinden und zusammen einen Kondensator bilden. Wenn sich der Behälter füllt oder leert, misst der Sensor die veränderte Kapazität und berechnet auf diese Weise die Standhöhe. Kapazitive Sensoren messen Füllstände in der Regel medienberührend.

Die Präzision kapazitiver Messungen nimmt bei sehr leitfähigen Medien stark ab. Zudem können Ablagerungen am Sensor zu Fehlmessungen führen. Auch Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen können das Messergebnis beeinflussen.

Ein Ultraschall-Sensor erfasst Füllhöhen, indem er die Entfernung zur Oberfläche des Mediums misst. Hierzu sendet der Füllstandssensor Schallimpulse mit sehr hoher Frequenz aus und wertet deren Laufzeit aus. Die Schallwellen werden vom Medium reflektiert und vom Sensor empfangen. Da die Schallgeschwindigkeit (etwa 340 m/s in Luft) bekannt ist, kann der Sensor über die Zeitdauer zwischen Aussand und Empfang der Schallwellen den Abstand bzw. die Standhöhe berechnen.

Ultraschall-Füllstandtransmitter haben einen begrenzten Messbereich und verfügen über eine geringe Messrate. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen von Temperatur, Druck und Feuchtigkeit abhängig ist, können entsprechende Schwankungen das Ergebnis der Füllstandskontrolle verfälschen.

Mit Ausnahme des geführten Time-of-Flight-Radars basieren quasi alle zeitgemäßen Radar-Füllstandsmessern auf dem frequenzmodulierten Dauerstrichradar (FMCW-Radar): Dabei sendet der Sensor eine Radarfrequenz aus, die kontinuierlich über einen bestimmten Frequenzbandbereich zu- oder abnimmt. Das Radarsignal wird vom Zielobjekt reflektiert und vom Sensor empfangen. Daraufhin kann der Radar-Füllstandssensor aus der Frequenzverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal die genaue Distanz zur Mediumoberfläche berechnen, die der Füllhöhe entspricht. Mehr Informationen finden Sie auf unserer FMCW-Radarseite.

Radarsensoren zur Füllstandsmessung haben im Vergleich zu anderen Sensortechnologien Vorteile, wenn es um verlässliche, präzise und schnelle Messungen von Füllhöhen oder Grenzständen geht. Zum einen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Radarwellen konstant und nicht wie bei Ultraschallwellen oder kapazitiven Sensoren von Temperatur oder Feuchtigkeit abhängig. Dies ermöglicht selbst in widrigen Umgebungen und im Außenbereich eine präzise Füllstandskontrollen. Des Weiteren beeinflusst Dreck auf der Linse den Füllstandsradar nicht.

Im Unterschied zu Ultraschall-Sensoren stören Staubpartikel oder Dampf das Radarsignal nicht. Daher messen Radar-Füllstandsensoren selbst in schwierigen Bedingungen mit Dreck, Regen, Schnee oder Rauch stets zuverlässig. Deshalb ist Radartechnik sehr wartungsarm und robust. Und im Gegensatz zur radiometrischen Füllstandmessung besteht bei Radar kein Sicherheitsrisiko durch die Handhabung ionisierender Strahlung.  OndoSense Radar-Füllstandsensoren bieten darüber hinaus eine echtzeitfähige Messrate sowie eine Messgenauigkeit im Mikrometerbereich.

Die folgende Grafik zeigt einen Vergleich verschiedener Füllstandssensoren (Radar, Ultraschall, kapazitive sowie radiometrische Messung):