Herausforderungen in der Füllstandsmessung

Seit Jahrzehnten ist die Füllstandsmessung nach dem optischen Prinzip die bewährte Methode in der Kälte- und Klimatechnik. Eine Infrarot-Sendediode (LED) sendet Licht durch einen Glaskegel. Der Glaskegel wird dabei in den Verdichter oder Sammler eingeschraubt, so dass seine Spitze in den Innenraum der Kälteanlage ragt. Wenn sich auf dieser Seite Gas und keine Flüssigkeit befindet, haben die beiden Medien Glas und Gas sehr unterschiedliche optische Brechungsindizes. Das führt dazu, dass das Infrarotlicht vollständig reflektiert und zur Infrarot Empfangsdiode zurückgeführt wird (siehe Bild 1).

Wenn der Glaskegel dagegen in Flüssigkeit hineinragt, wird ein Teil des Lichts nicht reflektiert, sondern breitet sich in die Flüssigkeit hinein aus (siehe Bild 2). Das Signal an der Empfangsdiode wird dadurch schwächer und der Unterschied zwischen Gas und Flüssigkeit ist somit elektronisch erkennbar. Ein Alarm kann im Sensor, je nach Typ, ausgelöst werden, wenn der Flüssigkeitspegel über- oder unterschritten wird. Durch den zweiteiligen Aufbau aus Glaskegel und angeschraubter Elektronik ist es möglich, die Elektronik zu tauschen, ohne den Kältekreis öffnen zu müssen.

Neue Anforderungen durch neue Kältemittel

Die F-Gase Verordnung führt seit einigen Jahren dazu, dass die natürlichen Kältemittel wie z. B. CO₂, Propan oder Ammoniak immer weitere Verbreitung finden. Bei diesen Kältemittel treten häufig erhöhte Verdichtungsendtemperaturen auf. Ebenso sind Anwendungen wie Hochtemperatur-Wärmepumpen eine Herausforderung für die Elektronik. Die Levelsensoren haben LEDs als Lichtquelle und einen Lichtsensor eingebaut. LEDs – die auch in der Beleuchtungstechnik inzwischen zum Standard wurden – sind Halbleiter. Sie haben zwar im Vergleich zu traditionellen Lichtquellen einen sehr hohen Wirkungsgrad und erzeugen nur relativ wenig Wärme. Sie müssen aber vor zu hohen Temperaturen geschützt werden, weil sie sonst vorzeitig altern. Im Bereich der Beleuchtungstechnik ist meistens die Eigenerwärmung der LEDs durch die hohen Lichtstärken die Herausforderung. Bei den Levelsensoren in Kälte-/Klimaanwendungen und Wärmepumpen sind die Medientemperaturen der Kältemittel der kritische Punkt.

Ebenso ist ein wichtiger Punkt, dass viele der neuen Kältemittel brennbar sind. A2L und A3 Kältemittel stellen neue Anforderungen an die Sicherheit der eingesetzten Komponenten. Levelsensoren für neue Kältemittel müssen also konstruktiv an die neuen Herausforderungen angepasst werden. Darauf hat bspw. der Hersteller Kriwan mit einer Erweiterung der Levelsensor-Familie reagiert: Beim Einsatz von CO2 kommt es insbesondere beim Sammler auf der Hochdruckseite zu sehr niedrigen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes. Insbesondere in südlichen Regionen kann im Sommer warme und feuchte Luft in den Sensor eindringen und an dem eingeschraubten Glaskegel kann sich Eis bilden. Dieses Eis lagert sich dann im Inneren des Sensors ab und kann die Optik der LEDs stören und zu einer Fehlfunktion des Sensors führen. Um das zu vermeiden, hat Kriwan eine vergossene Version des Levelsensors entwickelt, bei der der kritische Teil des Innenraums vollständig mit Vergussmaterial gefüllt ist. Somit kann sich kein Eis bei der Optik bilden.

Da sich bei den neuen Kältemitteln aber oft auch die Verdichtungsendtemperaturen erhöhen, wurde bei einer speziellen Version der obere Temperaturbereich beim gemessenen Medium bis zu 120 °C bzw. sogar bis zu 160 °C erweitert. Für den Einsatz mit brennbaren Kältemitteln gibt es eine eigene Version des Levelsensors. Dank der EX-Zertifizierung (II 3G Ex ec nC IIC T4 Gc) und integrierter Eigenüberwachung erfüllt der Sensor höchste Sicherheitsstandards für explosionsgefährdete Zonen. Zusätzlich lässt sich die neue Generation der Sensoren auch über einen M12-Stecker anschließen. Das erleichtert die Montage und die Kabellängen können jeweils individuell angepasst werden.