Kapazitive Füllstandsensoren

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Füllstandmessung mit kapazitiver Messtechnik

Um die kapazitive Füllstandsmesstechnik zu erklären, ist es wichtig das Grundprinzip eines Kondensators zu verstehen. Ein Kondensator besteht aus zwei voneinander isolierten, leitfähigen Elektroden. Er hat die Fähigkeit, innerhalb eines elektrischen Feldes, Energie zwischen seinen Elektroden zu speichern. Gelangt nicht leitfähiges Material (= das Dielektrikum Ɛr) zwischen die Elektroden, erhöht sich die Menge an speicherbarer Energie und damit die Kapazität des Kondensators. Diese wird zusätzlich von den Dimensionen der Elektroden (Flächeninhalt A) und deren Abstand (d) zueinander bestimmt. Die Kapazität eines Plattenkondensators wird allgemein mit der Formel C = Ɛr * A/d beschrieben.

Mit diesem Verständnis lässt sich nun die Funktionsweise eines kapazitiven Füllstandsensors erklären. Dieser besteht aus einer medienberührenden, metallischen Sonde (Stab oder Seil), die zusammen mit einer leitfähigen Behälterwand als die beiden Elektroden eines Kondensators zu verstehen sind. Ein nicht-leitfähiges Medium, wie beispielsweise Öl (nicht leitfähige Medien < 1 µS/ cm), bildet das Dielektrikum zwischen diesen beiden Elektroden. Steigt nun der Füllstand an, vergrößert sich die Elektrodenfläche, was wiederum zu einer Erhöhung der Kapazität führt. Diese Kapazitätsänderung wird vom Sensor erkannt und zu einem, dem Füllstand proportionalen Signal umgewandelt.  

Funktionsbedingt müssen kapazitive Füllstandsensoren oftmals auf das Medium abgeglichen und kalibriert werden (Leer- sowie Vollkapazität). Der Medienabgleich entfällt, wenn das zu messende Medium leitfähig ist, wie beispielsweise Wasser (leitfähige Medien > 100 µS), da in diesem Fall das Medium selber die zweite Elektrode darstellt. Als Dielektrikum dient die isolierende PFA-Stabummantelung, wodurch das Grundprinzip eines Kondensator wieder gegeben ist.