Hydrostatische Füllstandmessung: Dichtefehler und Druckmittler

Ein hydrostatischer Füllstandmessumformer misst den Füllstand nicht direkt. Er erfasst den Druck am Tankboden und berechnet daraus mit einer festen Flüssigkeitsdichte den Füllstand. Ändert sich die Dichte mit Temperatur oder Produktwechsel, driften berechneter Füllstand und abgeleitetes Tankvolumen gemeinsam. Dieser Artikel berechnet die Drift, zeigt die Beseitigung des Gasdruckanteils durch eine Differenzdruckanordnung am geschlossenen Behälter und erläutert, wann ein direkt entfernungsmessendes Radar die sicherere Wahl ist.

Was ein hydrostatischer Füllstandmessumformer tatsächlich misst

Ein am Tankboden montierter hydrostatischer oder Differenzdruckmessumformer erfasst das Gewicht der darüberstehenden Flüssigkeitssäule und liefert zwischen Null- und Enddruck ein lineares Ausgangssignal, meist 4–20 mA. Auch über mehrere hundert Meter Kabel bleibt der Strom erhalten; die Schleifenspannung muss dennoch anhand der Mindestklemmenspannung geprüft werden. Deshalb ist dieses Verfahren bei großen Lagertanks verbreitet. Das Instrument meldet Druck. Den Füllstand berechnet der Anwender aus angenommener Dichte und bekannter Tankhöhe. Bei einem belüfteten Tank trennen sowohl ein Relativdruckmessumformer mit belüftetem Kabel als auch ein Differenzdruckmessumformer mit atmosphärisch offener Referenzleitung den Flüssigkeitsdruck vom Atmosphärendruck. Bei großen Temperaturunterschieden zwischen Flüssigkeit und Umgebung ist der Belüftungsweg gegen Feuchtigkeit zu schützen, üblicherweise mit einem Trockenmittelfilter. Die Auswahlgründe sind niedrige Einbaukosten und ein einfacher, felderprobter Drucksensor mit geringem Wartungsbedarf.

Wie die Dichte in die Füllstandsberechnung eingeht

Der berechnete Füllstand folgt h = p / (ρ · g). Dabei ist p der gemessene Relativdruck, ρ die angenommene Flüssigkeitsdichte und g die örtliche Erdbeschleunigung nahe 9.81 m/s². Jeder angezeigte Füllstand enthält damit die Dichteannahme als verborgenen Faktor. Die Messspanne wird in Druckeinheiten skaliert; LRV und URV enthalten diese Annahme bereits. Die Umrechnung gilt nur, solange ρ dem Skalierungswert entspricht. Wasser in einem belüfteten Tank hat nahe 20 °C etwa 998 kg/m³. Bei Mischprodukten, Zuckerlösungen oder nächtlicher Abkühlung kann die Dichte jedoch um mehrere Prozent schwanken, ohne dass sich der wirkliche Füllstand ändert. Der Messumformer erkennt das nicht und meldet lediglich den vorhandenen Druck. Der Anwender muss festlegen, wie genau die Dichte bekannt sein muss, damit der Füllstand innerhalb der Toleranz bleibt. Eine Neukalibrierung des Drucksensors verändert die in der Skalierung hinterlegte Annahme nicht.

Rechenbeispiel zur Dichteänderung: Füllstands- und Volumenfehler

Die folgende Tabelle enthält angenommene Anlagenwerte für einen stehenden Tank und rechnet eine tatsächliche Dichteänderung in Füllstands- und Volumenfehler um. Es handelt sich um eine veranschaulichende Berechnung mit angenommenen Werten, nicht um ein METRAVON-Feldprotokoll. Bestätigen Sie die Zahlen vor technischen Entscheidungen anhand des aktuellen Datenblatts und Typenschilds.

Eingang und Umrechnung: Der tatsächliche Bodendruck beträgt p = ρ1 · g · h = 1030 · 9.81 · 6.0 = 60,626 Pa beziehungsweise etwa 60.6 kPa. Der auf ρ0 skalierte Messumformer meldet h_rep = p / (ρ0 · g) = 60626 / (1000 · 9.81) = 6.18 m. Füllstandsfehler = 6.18 − 6.00 = +0.18 m, also +3.0 % des tatsächlichen Füllstands. Die Querschnittsfläche beträgt A = π · (2.0)² = 12.57 m². Das tatsächliche Volumen ist 75.4 m³, das gemeldete 77.7 m³; der Volumenfehler beträgt +2.3 m³ (+3.0 %). Randbedingung: Der Fehler wächst mit dem Füllstand und erreicht bei 12.0 m voller Höhe +0.36 m. Ist die tatsächliche Dichte kleiner als die Skalierungsdichte, kehrt sich sein Vorzeichen um.

Wann das hydrostatische Verfahren nicht mehr zuverlässig ist

Hydrostatische Messung ist zurückzustellen, wenn die Flüssigkeitsdichte am Messort instabil oder unbekannt ist. Bei wechselnden Produkten oder täglichem Aufheizen und Abkühlen variiert der Dichteanteil trotz gleichbleibendem Füllstand. Neukalibrierung beseitigt den Fehler nicht, weil das Instrument den Druck richtig meldet. Schaum, Schichtung und Schwebstoffe verletzen ebenfalls die Annahme einer einzigen Dichte. Bei Transferabrechnung, abrechnungsbezogener Bestandsaufnahme oder Aufgaben mit weniger als ungefähr 1 % der Tankhöhe zulässigem Füllstandsfehler besteht die unkompensierte Methode die Abnahme nicht. Bei 6 m Füllhöhe sind 1 % der Höhe 60 mm; dafür ist nur ±1 % Dichteunsicherheit zulässig, weniger als bei den meisten Produktspezifikationen. Hier beseitigt Radar durch direkte Entfernungsmessung zur Oberfläche den Dichteanteil vollständig. Alternativ ist eine dichtekorrigierte Massenmessung erforderlich, damit die Berechnung nicht mehr auf einer geschätzten Dichte beruht.

Geschlossene Behälter und Kompensation des Gasdrucks

Im geschlossenen Tank hat das Gas über der Flüssigkeit einen eigenen Druck. Ein einzelner Bodenanschluss kann Gasdruck und Flüssigkeitssäule nicht trennen. Ein Differenzdruckmessumformer löst dies mit der Hochdruckseite am Boden und der Niederdruckseite an einem oberen Anschluss. Die Differenz beträgt unabhängig vom Gasdruck ρ · g · h; steigender Gasdruck erzeugt keinen falschen zusätzlichen Füllstand. Sinkt h, sinkt die Differenz, unabhängig vom Gasdruckverlauf. Ein Überlagerungsregler kann den Gasdruck konstant halten; dieser geht jedoch nicht in die Differenz ein. Ein Druckmittler mit Kapillare füllt den Druckübertragungsweg, sodass das Prozessmedium den Messumformer nicht berührt. Das ist bei toxischen, heißen oder Vakuumanwendungen wichtig, in denen eine offene Leitung ungeeignet ist. Dafür besitzt das Kapillaröl eine eigene temperaturabhängige Dichte. Sie wird zum dominierenden Fehleranteil und verlangt dieselbe konsequente Dichtebewertung wie die Flüssigkeit.

Kapillardrift und Abnahmeprüfliste

Eine mit Silikonöl oder ähnlichem Öl gefüllte Druckmittlerkapillare fügt eine Höhenkorrektur aus Öldichte und Höhendifferenz der beiden Druckmittler hinzu. Erwärmt sich das Öl um 30 °C, kann seine Dichte um 2–3 % sinken. Das leichtere Öl in der Leitung drückt dann weniger auf die Membran. Bei 6 m Druckmittler-Höhenunterschied ergibt dies 120–180 mm Nullpunktverschiebung, ausreichend, um ein ±1 %-Band an einem 12 m-Tank zu überschreiten; bei Erwärmung steigt der Nullpunkt. Die Abnahmeprüfliste verlangt deshalb, Öltyp und Temperaturkoeffizient anhand des Datenblatts zu bestätigen, den eingebauten Höhenunterschied vor Ort zu messen, den Nullpunkt vor Inbetriebnahme bei geschlossener und druckausgeglichener Leitung zu prüfen und die erwartete Drift über den typischen Standortbereich von −10 °C bis +50 °C zu dokumentieren. Bei großen Temperaturschwankungen vermeiden Radar oder ein Tankmessservo ohne Kapillarfehler dieses Problem und halten den Nullpunkt stabil.

Häufige Fragen

F1. Misst ein hydrostatischer Messumformer den Füllstand direkt?

Nein. Er erfasst Bodendruck und leitet den Füllstand aus angenommener Dichte und Tankhöhe ab. Weicht die Skalierungsdichte von der tatsächlichen Dichte ab, ist der Füllstand trotz korrekter Druckmessung verfälscht. Bestätigen Sie den Dichtewert anhand des Produktdatenblatts und dokumentieren Sie ihn für spätere Prüfungen in der Tankakte.

F2. Welchen Füllstandsfehler verursacht eine Dichteänderung?

Eine Dichteänderung um +3 % verursacht etwa +3 % Fehler bezogen auf den tatsächlichen Füllstand, da der berechnete Füllstand umgekehrt proportional zur eingesetzten Dichte ist. Im Beispiel führte die Änderung von 1000 auf 1030 kg/m³ bei halber Füllung eines 12.0 m-Tanks zu +0.18 m. Der Fehler wächst mit Füllhöhe und Dichteänderung.

F3. Beseitigt Neukalibrierung die Dichtedrift?

Nein, denn das Instrument meldet den Druck korrekt. Neuskalierung ändert nur die angenommene Dichte und gilt nur, solange diese zutrifft. Geben Sie bei wechselndem Produkt oder wechselnder Temperatur die tatsächliche Dichte in die Berechnung ein oder verwenden Sie einen Sensor, dessen Füllstandswert nicht von der Dichte abhängt.

F4. Warum Differenzdruck am geschlossenen Tank?

Der Gasdruck oberhalb der Flüssigkeit lässt sich mit einem einzelnen Bodenanschluss nicht vom Flüssigkeitsdruck trennen. Differenzdruck vergleicht Boden- und Kopfdruck; als Messwert bleibt ρ · g · h. Damit bleibt die Anzeige bei Gasdruckänderungen während Befüllen und Entleeren ohne zusätzlichen Kompensationsschritt korrekt.

F5. Welche Probleme verursacht eine Druckmittlerkapillare?

Die Öldichte sinkt bei Erwärmung und verschiebt den Nullpunkt um einen Anteil der Höhensäule. 30 °C Erwärmung können bei 6.0 m Höhenunterschied 120–180 mm Verschiebung erzeugen. Prüfen Sie vor Inbetriebnahme Öl-Temperaturkoeffizient, Einbauhöhe und Nullpunkt bei geschlossener Leitung. Dokumentieren Sie die erwartete Drift über den Temperaturbereich des Standorts.

F6. Wann ist Radar statt Hydrostatischer Messung sinnvoll?

Bei instabiler oder unbekannter Dichte, gefordertem Füllstandsfehler unter etwa 1 % der Höhe oder unzulässiger Kapillardrift durch große Temperaturschwankungen. Radar misst die Entfernung zur Oberfläche direkt und entfernt den Dichteanteil vollständig aus der Füllstandsberechnung. Deshalb wird es für Abrechnungsaufgaben bevorzugt.

ZUSAMMENFASSUNG

Hydrostatische Füllstandmessung leitet den Füllstand aus Bodendruck und angenommener Dichte ab. Im Beispiel erzeugt +3 % Dichteänderung bei halber Füllung +0.18 m Füllstands- und +2.3 m³ Volumenfehler. Senden Sie Tankhöhe, Durchmesser, Dichtebereich und die Angabe, ob der Behälter belüftet oder geschlossen ist. Unsere Ingenieure prüfen, ob hydrostatische Messung, Differenzdruck oder Radar Ihre Toleranz erfüllt.