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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Füllstandsmessung in besonderer Umgebung!


Autor: Tobias W. (tobias_w)
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Hallo,

ich weiß das Thema Füllstandsmessung wurde bereits viel diskutiert.

Trotzdem würde mich eure Meinung zu folgendem Problem interessieren:

Es soll der Füllstand in einem senkrecht stehenden Rohr gemessen werden. 
Das Rohr ist oben ganz offen, unten ist eine Düse angebracht. Seitlich 
fließt flüssiges Glas in das Rohr. Da über die Düse nicht allzuviel 
entweichen kann stellt sich im oberen Teil des Rohres ein, sich träge 
verändernder Glasstand ein. Die Entfernung des Glasstandes bis zur 
oberen Öffnung ist ca. 20cm. Das Glas hat eine Temperatur von ca. 1100 
Grad Celsius. Die Messung muss berührungslos sein, damit auf gar keinen 
Fall Fremdkörper ins Glas geraten könnten.

Es muss nachfolgend auch keine Regelung angebunden werden. Es ginge 
lediglich darum den Glasstand zu erfassen.

Das Rohr selber wird durch Beaufschlagung mit Wechselstrom beheizt. und 
ist isoliert. Ein Zugang zum Rohr ist nur über die oeben liegende 
Öffnung möglich.
 Aufgrund des heißen Glasses weiß ich nicht welche der einschlägigen 
Messmethoden zum Ziel führen könnte(Laser, Ultraschall, kapazitive 
Messung, ???)

Hat jemand Erfahrungen oder kann mir dazu Tipps geben?

Grüße!

Autor: oszi40 (Gast)
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Tobias W. schrieb:
> Das Rohr selber wird durch Beaufschlagung mit Wechselstrom beheizt.

Bei >1000 Grad wird das nicht ganz easy. Wahrscheinlich ist 
Infrarotmessung der Temperaturdifferenz aus sicherer Entfernung die 
einfachste Lösung?

Autor: nachdenklicher (Gast)
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Temperatur in einem definierten Abstand zur oberen Öffnung?
Ev. auch Temp-Differenz gegenüber 1 oder 2 weiteren Sensoren, die etwas 
weiter ausserhalb der Öffnung angebracht sind, um äussere Variablen 
auszuschliessen.

Muss denn analog gemessen werden und auf welche Genauigkeit?
Oder nur das Erreichen eines bestimmten Pegels?

Joe

Autor: oszi40 (Gast)
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Bei >1000 Grad wäre Auswertung über Infraotkamera zu überlegen.

Autor: Volker Zabe (vza)
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Tobias W. schrieb:
> Laser, Ultraschall, kapazitive
> Messung,

Laser: Könte gehen, da flüssiges Glass sicherlich noch Licht 
reflektiert.

Ultraschall: sehr ungenau durch die verschiedenen Lufttemperaturen.

kapazitive Messung: dir fehlt die Gegenelektrode


verückte Idea:
Rohr von der Seite anblasen und die Frequenz des enstehenden Tones 
messen.
(ist aber auch stark Temp. abhängig)

Radar-Messung sollte auch funktionieren.
z.B. 
http://www.de.endress.com/eh/sc/europe/dach/de/hom...

Autor: Tobias W. (tobias_w)
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Hallo,

eine Temperaturabhängigkeit ist leider ein KO-Faktor für ein Messsystem 
weil sich die Temperatur um 40 bis zu 200 Grad Celsius ändern kann. 
Somit fallen leider einige der genannten Vorschläge weg. :(

Somit bleiben eigentlich nur 2 Messmethoden:

Laser und Radarmessung?

Denn über Infrarot kann man zwar die Temperatur bestimmen.Allerdings 
hilft dies nichts, da der Glasstand bei deutlich unterschiedlichen 
Temperaturen der gleiche sein kann.

Autor: Daniel Steffen (derdaniel)
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Ich habe folgende Idee, jedoch weiß ich nicht in wie weit die Öberfläche 
des Glases das hergibt:

Von einem Laser als Lichtquelle der in einem bestimmten Winkel zur 
Oberfläche (ist die immer glatt / "gleich" genut?) steht wird das Licht 
(reflektiert flüssiges Glas licht?) reflektiert und trifft auf ein 
lineares Photodiodenarray. Je nach dem wie hoch das Glas steht wird eine 
andere Diode angestrahlt.

Ich denke das Prinzip ist klar. Und der Vorteil wäre eine einfachere 
realisierung als Laserentfernungsmessung.

Autor: Tobias W. (tobias_w)
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die Oberfläche des Glasses wäre hier problematisch. Ich denk auch dass 
sie Auflösung zu gering wird, da das Rohr einen Durchmesser von ca 10cm 
hat.

Autor: Stefan (Gast)
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Wie wäre es mit einer oder mehreren Videokameras, die schräg auf das 
Rohr gerichtet sind und per Software das auswerten?
Das umgebende vermutlich dunkle Rohr verdeckt ja einen Teil des gelben 
flüssigen Glases. Auf Grund der aufgenommenen Bilder kann die SW dann 
dan Flüssigkeitsstand berechnen. Eventuell braucht man mehrere Kameras 
in verschiedenen Winkel um den geforderten Bereich abzudecken. Wir 
machen es ja nicht anders wenn wir in einen Wasserglas den Füllstand mit 
den Augen erkennen wollen. Dabei fällt mir ein, dass es mit 2 senkrecht 
von oben gerichteten Kameras und 3D Auswertung auch funktionieren 
könnte.

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Wenn das Rohr nicht fest verbaut ist evtl. über Gewichtsmessung ...?


Gruß

Jobst

Autor: Salz unter den Hosenträgern (Gast)
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@ Stefan

Würde das nicht auch mit nur einer Kamera funktionieren die genau 
senkrecht von oben in das Rohr hineinschaut? Angenommen das Glas glüht 
noch, müsst man ja nur den Durchmesser des glühenden Kreises bestimmen 
und könnte somit auf den Füllstand schließen. Denn je weniger im Rohr 
ist desto weiter weg ist der 10cm-Glüh-Kreis und damit kleiner in dem 
aufgenommenen Bild der Kamera.
Würde ja eigentlich schon ne CCD-Zeile mit Optik reichen.

Autor: nachdenklicher (Gast)
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Noch ein Roh-Ansatz:

Optische Lösung mit Drehspiegel.
Ein sehr schmaler Spiegelstreifen befindet sich oberhalb der Öffnung.
Der Spiegel ist per Servo hochauflösend drehbar, wobei der momentane 
Drehwinkel messbar bzw. bekannt sein muss.

Eine feststehende Fotozelle oder Ähnliches mit geeigneter Optik fängt 
das vom Spiegel reflektierte Licht präzise ein.

Je nach Pegelstand des hell leuchtenden Flüssigglases trifft der 
reflektierte (schmale) Lichtstreifen die Fotozelle nur bei genau einem 
spezischen Winkel des Drehspiegels.

Aus dem erforderlichen Drehwinkel kann dann auf den Pegelstand 
geschlossen werden.

Joe

Autor: Stefan (Gast)
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@ Salz unter den Hosenträgern

Ich vermute, dass die Auflösung einer Kamera hier vermutlich nicht 
reicht um eine genügend hohe Genauigkeit zu erreichen.
Austesten sollt mans natürlich schon!

Autor: Tobias W. (tobias_w)
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danke für die Antworten. Im Rohr ist leider kein klarer Übergang von 
Glas zum Rohr, da auch dieses glühend leuchtet. Allerdings könnte es 
gehen. Problem:Oben am Rohr herrcshen ebenfalls sehr hohe 
Temperaturen...ich weiß nicht ob mir da eine Kamera mit macht.

Momentan tendiere ich zu einer Lasermessung.

Autor: Harald M. (mare_crisium)
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Tobias,

ich habe mehrere Jahre mit Kunden gearbeitet, die mit Glasschmelzen 
arbeiten (z.B. LWL-Herstellung) und kenne das Problem, vor dem Du 
stehst, ganz gut. Die bisher vorgeschlagenen Methoden sind alle 
untauglich, weil:

1. Die Temperatur zu hoch ist (max. Betriebstemperatur Radar z.B. E&H 
bei 400°C, Ultraschall bei 140°C)
2. Die Grenze zwischen Glasschmelze und Rohr unsichtbar ist (beide 
befinden sich im thermischen Gleichgewicht und glühen deshalb gleich 
hell)
3. Der Benetzungswinkel zwischen Schmelze und Rohr so gross ist, dass 
die Oberfläche der Schmelze gekrümmt ist. Bei steigendem Stand ist sie 
konvex und bei fallendem konkav. Gebündeltes Licht wird deshalb bei 
Reflektion stark und in unvorhersehbarer Weise zerstreut.
4. Die Luftsäule über der Schmelze ist wegen der Konvektion hochgradig 
turbulent; deshalb funktioniert die Messung mit Laser per 
Michelson-Interferometer nicht, selbst wenn es gelingt, die thermische 
Verformung des Umlenkspiegels über dem Rohr zu kompensieren.
5. Die Schmelze glüht so hell, dass man auch moduliertes Laserlicht 
nicht vom Hintergrund unterscheiden kann.

Messtechnisch bleibt eigentlich nur die radiometrische Methode übrig. 
Anbieter radiometrischer Standmessungen ist z.B.
http://www.vega.fr/downloads/PR/DE/36050-DE.PDF
Die sicherheits- und genehmigungstechnischen Auflagen 
(Strahlenschutzbeauftragter usw.) sind sehr hoch.

Als einzige nicht messtechnische Möglichkeit bleibt der Überlauf, wie 
z.B. beim Corning-Verfahren für die LCD-Glasplatten-Produktion.

mare_crisium

Autor: Richard B. (richard7)
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klingt nach Industrieanwendung ;)

http://www.vega.com
oder http://www2.emersonprocess.com/

Bei beiden solltest du eine Produktanfrage starten - die 
Vertriebsmitarbeiter sind da sehr nett... Preis im 3-4 stelligen

In jedem Fall funktioniert eine Druckmessung - indem du Stickstoff oder 
ein anderes Gas das das Glas nicht verändert in den Boden einleitest und 
eine Temperaturmessung kannst du aus Viskosität und Druck in der Leitung 
auf den Füllstand kommen


mfg

Autor: Tobias W. (tobias_w)
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Hmm...bevor ich auf die radiologischen Sensoren gehe möchte ich 
zumindest mal eine Lasermessung versucht haben.

Kennt jemand ein geeignetes Modul dass mir 4-20mA oder 0-5V ausgibt?

Autor: Harald Wilhelms (Gast)
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Tobias W. schrieb:

> Es soll der Füllstand in einem senkrecht stehenden Rohr gemessen werden.

> Die Messung muss berührungslos sein, damit auf gar keinen
> Fall Fremdkörper ins Glas geraten könnten.

Vielleicht ist die alte Standardmethode mit Hilfe eines Schwimmers
doch die einfachste. Der Schwimmer könnte z.B. aus Edelstahl bzw.
aus dem gleichen Material wie das Rohr sein. Dann würde man wohl
auch keine Verschmutzung bekommen. Der Schwimmer müsste eine Art
Balg sein, wie man das z.B. für Vaccuumschläuche nimmt, um das
unterschiedliche Gasvolumen auszugleichen.
Gruss
Harald

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Hmmm. Verändert das Rohr mit dem Füllstand seine Resonanzfrequenz? ...


Gruß

Jobst

Autor: Tobias W. (tobias_w)
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Ein Schwimmer ist nur schwierig zu realisieren...er müsste aus Platin
sein..alles andre wird wohl schmelzen oder das Glas beeinflussen. Zudem
haben wir gerade einmal 3cm Luft, da in der Mitte des Rohres ein
Rührstab sitzt.

Hmm..ich denke schon dass sich die Resonanzfrequenz ändert...Das Rohr
ist allerdings mit weiteren Verrohrungen elektrisch verbunden. Macht das
was? Außerdem liegt das Rohr nicht frei sondern ist in speziellen
Hitzebeständigen Steinen eingebettet :(

was schwebt dir vor jobst?

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Naja, irgendwie einen Schallwandleranbringen, der einen Impuls absetzt 
und ein Echo aufnimmt. Dies kann man dann auswerten.
Von dem, wie man dort was für ein Teil genau anbringt, habe ich ich noch 
keine Vorstellung. War lediglich eine Idee.


Gruß

Jobst

Autor: Andreas K. (derandi)
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Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Andreas K. schrieb:
> http://www.ifm.com/ifmde/web/dsfs!LR3000.html

Bis 80°C


> http://www.vega.com/de/Fuellstand-Messung_TDR_GWR.htm

Mit diesen Hochtemperaturausführungen sind Prozesstemperaturen von -200 
... +400 °C [...] möglich.




Gruß

Jobst

Autor: Andreas K. (derandi)
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Eine fertige Methode out-of-the-Box wird man dir hier aber kaum liefern 
können.
Möglicherweise den Sensor kühlen?

Am besten Anrufen und fragen.

Autor: Harald M. (mare_crisium)
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@Jobst,

auch die radiometrisch arbeitenden Messgeräte können nicht bei 
Betriebstemperaturen von ca. 1000°C eingesetzt werden. In Tobias' 
Anwendung setzt man deshalb einen Strahler mit schlitzförmiger 
Austrittsblende ein und montiert ihn mit Abstand von dem heissen Rohr; 
ggf. mit Kühlmantel. Der Kühlmantel wird dann ebenfalls durchstrahlt; 
das stört die Messung aber nicht, solange er vollständig mit 
Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Der entscheidende Vorteil der 
radiometrischen Methode ist, dass das Gerät nicht in thermischem Kontakt 
mit dem Rohr oder der Schmelze stehen muss.

Es ist keine einfache Messaufgabe. Mit selber basteln geht's sicher nich 
;-).

mare_crisium

Autor: Harald Wilhelms (Gast)
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Tobias W. schrieb:
> Ein Schwimmer ist nur schwierig zu realisieren...er müsste aus Platin
> sein..alles andre wird wohl schmelzen oder das Glas beeinflussen.

Aus welchem Material ist denn das Rohr? Das schmilzt doch auch nicht.
Zwischen Blei und Wolfram gibts noch ne Menge Material mit hohem
Schmelzpunkt. :-)
Gruss
Harald

Autor: Peter II (Gast)
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noob schrieb im Beitrag #2104587:
> da in der Mitte des Rohres ein Rührstab sitzt.
aus was ist denn der Rühstab? Könnte man ihn nicht als Elektrode für 
eine Kapazitive messung verwenden?

Autor: Andreas K. (derandi)
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Andere Eingebung: Heisses Glas ist doch elektrisch Leitfähig.
Ein paar unterschiedlich lange Metallsonden, die ins Glas ragen und dann 
Widerstand messen?

Autor: oszi40 (Gast)
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Wenn heißes Glas leitfähig ist, könntE man auch den Widerstand zwischen 
Rührstab und Rohr messen solange die Temperatur konstant bleibt. Ob die 
Auswertung dann verwertbare Ergebnisse bringt, will ich jetzt noch nicht 
behaupten.

Autor: Tobias W. (tobias_w)
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Rohr und Rührstab sind aus Platin. :)


Die Temperatur ist leider nie konstant.

Heißes Glas ist leitfähig.
Allerdings würde ich nur eine grobe Rasterung bekommen: 5 Sonden = 4 
Bereiche...

Kapazitive Messung wäre denkbar...wobei ich das Prinzip nicht wirklich 
kenne..?? Gibt es da etwas fertiges? Und: Das Rohr ist elektrisch 
verbunden mit dem 4 Meter langem Zuleitungsrohr(ebenfalls Platin).

Autor: Peter II (Gast)
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wenn der Rührstab isoliert vom Rohr ist, dann könnte es kapazitiv gehen. 
Halte doch einfach mal ein Multimeter mit Kapazitätsmessung dran.

Autor: oszi40 (Gast)
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@PII: So wird man kaum eine gescheite Kapazität zwischen Rohr und Rührer 
messen können. Wenn heißes Glas leitend ist, wirst Du einen C mit sehr 
großen Verlusten haben!

Eine Brückenschaltung wäre aber ein Versuch? 
http://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke

Autor: tobi (Gast)
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Brückenschaltung??

Autor: usuru (Gast)
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Frag mal bei einem Zahntechniker nach, ob er Dir nicht einen Hohlkörper 
aus Keramik machen kann. Der schwimmt auf dem Glas und ist über eine 
Keramik-Stange o.ä. mit einem Poti verbunden.

Autor: Andreas K. (derandi)
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Tobias W. schrieb:
> Heißes Glas ist leitfähig.
> Allerdings würde ich nur eine grobe Rasterung bekommen: 5 Sonden = 4
> Bereiche...

5 Bereiche, das Rohr kann man wohl mitzählen.
Wie genau willst du`s denn nun haben?

Autor: tobi (Gast)
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naja...es sollte schon auf 0,2-0,4cm genau sein in einem Bereich von ca. 
10...besser 20cm :)

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Jobst M. (jobstens-de)

>> Mikrowelle
>> http://www.ifm.com/ifmde/web/dsfs!LR3000.html

>Bis 80°C

Der Hohlleiter ist erfunden, man damit den Sensor vom heissen Messrohr 
isolieren.

MFG
Falk

Autor: Tobias W. (tobias_w)
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Falk Brunner schrieb:
> Der Hohlleiter ist erfunden, man damit den Sensor vom heissen Messrohr
> isolieren.

Hallo Falk,

könntest du mir das erklären? verstehe ich nicht...


Könnte man den Sensor einer geführten Mikrowelle durch andere "Stäbe" 
ersetzen? Zb durch einen Platinstab?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Tobias W. (tobias_w)

>Könnte man den Sensor einer geführten Mikrowelle durch andere "Stäbe"
>ersetzen? Zb durch einen Platinstab?

Den Sensor nicht, der bleibt wie er ist. Aber man kann den 
Mikrowellenstrahl über ein passsend dimensioniertes Rohr, aka 
Hohlleiter, definiert führen. Damit muss der Sensor NICHT direkt über 
deiner heißen Schmelze sitzen, sondern weiter weg, praktischerweise um 
90 Grad abgewinkelt, damit fällt schon mal die direkte Strahlungswärme 
weg. Der Sensor misst als "um die Ecke". Wenn gleich das mal nicht 
einfach Hoppla Hop gemacht ist, könnte es ein Ansatz sein.

MfG
Falk

Autor: Thilo M. (Gast)
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Jobst M. schrieb:
> Wenn das Rohr nicht fest verbaut ist evtl. über Gewichtsmessung ...?
>
>
> Gruß
>
> Jobst

Jep, so wird das üblicherweise gemacht.
Den Behälter auf mehrere Wägezellen verteilt montieren und die Summe der 
Gewichte auswerten (macht normalerweise ein einziger Messumformer). Der 
Nullpunkt muss bei leerem Behälter kalibriert werden, der Rest geht über 
Durchmesser des Rohres und das spezifische Gewicht des Glases.

Autor: Daniel Steffen (derdaniel)
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Und wie sieht es mit einer kapazitiven Messung mit dem Rohr als eine 
Elektrode und einem nicht ins Glas ragenden, möglichst mittig gefürtem, 
Metallstab (der die Hitze mitmacht) als andere aus?

Je nach Glasstand wird sich die kapazität des 'Kondensators' ändern da 
das leitende Glas als sich bewegende Elektrode (wir erinnern uns an den 
Plattenkondensator in der Schule) fungiert.

Wenn du den Metallstab schirmst sollte der Effekt der Wände und des 
Rührstabes kompensierbar sein.

Autor: Thilo M. (Gast)
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Daniel Steffen schrieb:
> Je nach Glasstand wird sich die kapazität des 'Kondensators' ändern da
> das leitende Glas als sich bewegende Elektrode (wir erinnern uns an den
> Plattenkondensator in der Schule) fungiert.

Glas leitet?
Ich denke nicht, dass sich das Verfahren hier anwenden lässt.

Autor: bingo (Gast)
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Was ist denn mit dem Vorschlag von usuru von gestern?, ein Hohlkörper 
aus Keramik könnte doch ganz gut funktionieren?

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