Grenzstände statt kontinuierlicher Messwerte
In Abfüllprozessen kann bereits die Information genügen, ob ein Behälter ausreichend befüllt, überfüllt oder leer ist. Für diese Aufgabe werden zwei Grenzstände definiert: eine untere Grenze für den Mindestfüllstand und eine obere Grenze für den Maximalfüllstand. Der Bereich dazwischen entspricht dem vorgesehenen Füllfenster. So lässt sich nach dem Abfüllen kontrollieren, ob die Befüllung in Ordnung ist, ohne den Inhalt kontinuierlich in Millilitern oder Millimetern auswerten zu müssen.
Die berührungslose Prüfung eignet sich insbesondere dann, wenn kein Sensor mit dem Medium in Kontakt kommen soll oder wechselnde Farben und Transparenzen eine optische Erfassung erschweren. Je nach Prozess kann dieselbe Logik auch zur Grenzstandüberwachung in Vorratsbehältern eingesetzt werden.
Drei Zustände mit zwei Schaltpunkten unterscheiden
Im Versuchsaufbau wird der Ultraschall-Distanzsensor U1KT001 oberhalb eines offenen Glasbehälters montiert. Der Sensor misst den Abstand zur jeweils nächstgelegenen reflektierenden Oberfläche. Steigt der Füllstand, verkürzt sich der gemessene Abstand zwischen Sensor und Flüssigkeitsoberfläche. Die beiden unabhängig voneinander einstellbaren Schaltausgänge bilden die untere und obere Füllstandsgrenze ab. Aus ihrer Kombination lassen sich drei relevante Zustände ableiten: leer beziehungsweise unterhalb des Mindestfüllstands, innerhalb des zulässigen Bereichs und am oder oberhalb des Maximalfüllstands.
| Zustand | Abstand im Versuch | Bewertung |
|---|---|---|
| Leerer Behälter | 232 mm | Unterhalb des Mindestfüllstands |
| Mindestfüllstand | 190 mm | Untere Grenze erreicht |
| Maximalfüllstand | 150 mm | Obere Grenze erreicht |
Die Versuchswerte beziehen sich auf den gezeigten Aufbau. Der Abstand zwischen Sensor und Tischplatte beträgt 236 mm.
Warum Ultraschall bei wechselnden Medien Vorteile bietet
Ultraschallsensoren senden Schallimpulse aus und bestimmen den Abstand anhand der Laufzeit des reflektierten Signals. Damit hängt die Erkennung nicht von der Farbe oder Transparenz einer Flüssigkeit ab. Auch wechselnde Medien lassen sich mit derselben Messmethode überwachen, sofern ihre Oberfläche den Schall ausreichend zum Sensor zurückreflektiert. Dampf, Staub und Fremdlicht beeinflussen das Messprinzip zudem deutlich weniger als viele optische Verfahren. Für eine stabile Messung müssen dennoch die Behältergeometrie, die Ausrichtung des Sensors sowie mögliche Schaumbildung oder starke Bewegungen der Flüssigkeitsoberfläche berücksichtigt werden. Die konkrete Einbausituation sollte deshalb mit den später verwendeten Behältern und Medien geprüft werden.
Kompakter Miniatursensor für unterschiedliche Behältergrößen
Der U1KT001 arbeitet im Tastbetrieb in einem Bereich von 30 bis 400 mm und besitzt zwei unabhängig parametrierbare Schaltausgänge. Dadurch können beide Grenzwerte mit nur einem Sensor überwacht werden. Die Miniaturbauform von 32 × 16 × 12 mm erleichtert die Integration bei begrenztem Bauraum. Über IO-Link lassen sich die Schaltpunkte und weitere Sensorparameter an die jeweilige Behältergröße und den gewünschten Füllbereich anpassen.
Der Versuchsaufbau nutzt den verfügbaren Messbereich für deutlich voneinander getrennte Zustände: Zwischen leerem Behälter und Mindestfüllstand liegen 42 mm, zwischen Mindest- und Maximalfüllstand weitere 40 mm. Für die Praxis sind jedoch nicht diese absoluten Werte entscheidend, sondern die passend zur Anwendung festgelegten Grenzstände.
Grenzstandkontrolle oder kontinuierliche Füllstandsmessung
Ob zwei Schaltpunkte ausreichen, hängt davon ab, welche Information der Prozess benötigt. Für eine Gut-Schlecht-Entscheidung nach dem Abfüllen oder eine Min-Max-Überwachung ist der U1KT001 mit seinen zwei Schaltausgängen geeignet. Soll dagegen der tatsächliche Füllstand fortlaufend an eine Steuerung übertragen werden, ist ein Sensor mit analoger Messwertausgabe die passendere Lösung. Innerhalb derselben Bauform bietet der U1KT006 einen Analogausgang von 0 bis 10 V sowie IO-Link. Damit kann der gemessene Abstand als kontinuierlicher Wert verarbeitet und bei bekannter Behältergeometrie in einen Füllstand umgerechnet werden. Bei kleinen Behälteröffnungen kann zusätzlich eine Soundpipe eingesetzt werden, um die Schallkeule gezielt zu führen.
Zwei Grenzwerte mit einem Sensor überwachen
Die berührungslose Min-Max-Kontrolle reduziert die Aufgabe auf die Zustände, die für den Prozess tatsächlich relevant sind. Zwei Schaltpunkte reichen aus, um einen leeren beziehungsweise zu gering befüllten Behälter, den zulässigen Füllbereich und das Erreichen des Maximalfüllstands zu unterscheiden. Gleichzeitig bleibt die Lösung flexibel, weil die Grenzwerte ohne mechanischen Eingriff an andere Behälter oder Füllhöhen angepasst werden können.
