Füllstände im Pumpen­schacht richtig messen.

Was genau ist ein Pumpenschacht und welche Rolle spielt er bei der Gebäudeentwässerung? 

Ein Pumpenschacht ist ein in den meisten Fällen aus Beton (oder Kunststoff) gefertigter Schacht mit einer Abdeckung, der außerhalb des Hauses auf dem Grundstück, zum Beispiel im Vorgarten, installiert wird. Der Schacht dient als Vorsichtsmaßnahme, um möglicherweise eindringendes Grund- oder Regenwasser – in selteneren Fällen auch Abwasser – zunächst zentral zu sammeln, um es dann abzupumpen. Wenn beispielsweise eine Toilette im Keller genutzt werden soll, muss ein spezielle Fäkalienhebeanlage montiert werden, die das Wasser zunächst über die Rückstauebene hebt, bevor es abfließen kann. Häufig werden Pumpenschächte zur Wasserentsorgung in Drainagesysteme eingebaut, sodass das eindringende Wasser in die Kanalisation abgeführt werden kann.

Was reinkommt, muss auch wieder raus

Der Schacht füllt sich also nur zeitweilig mit Wasser. Und da das anfallende Wasser im Beton oder Kunststoff nicht versickern kann, muss eine Pumpe das gesammelte Wasser aus dem Schacht bis zur zentralen Abwasserleitung pumpen, damit es dort abfließen kann. Dazu wird am Boden des Schachts eine voll überflutbare Tauchmotorpumpe installiert – diese saugt unten das Wasser an und drückt es nach oben in die Abwasserleitung. Die einfache Konstruktion hat den Vorteil, dass zur Wartung oder zum Austausch der Pumpe nur die Abdeckung oben angehoben werden muss.

Füllt sich der Schacht nun über einen gewissen Zeitraum mit Wasser und erreicht einen definierten Füllstand, startet die Pumpe automatisch und pumpt das Wasser ab. Der Wasserstand sinkt und die Pumpe arbeitet so lange, bis ein bestimmtes unteres Niveau erreicht ist. Wichtig hierbei: Tauchmotorpumpen sollten nicht "trockenlaufen“, heißt: Sie sollten sich rechtzeitig abschalten, bevor der Schacht komplett leergepumpt ist und die Pumpe Luft ansaugt. Denn wenn eine Tauchmotorpumpe Luft ansaugt, besteht die Gefahr, dass der Motor zu schnell dreht und Reibungshitze entsteht, welche die Gleitringdichtungen angreift. Die Dichtungen werden nicht ausreichend geschmiert und schließlich beschädigt. Folge: Die Pumpe bekommt eine Leckage.

Wichtig ist also, dass sowohl der maximal Füllstand des Schachts gemessen wird, damit er nicht überläuft, als auch der minimale Füllstand, damit die Pumpe nicht trockenläuft. Aber wie lässt sich das präzise messen?

Verschiedene Prinzipien der Füllstandsmessung

Generell existieren verschiedene Methoden, wie sich der Füllstand von Flüssigkeiten in Behältern oder Tanks messen lässt. Sie alle haben ihre eigenen Vor- und Nachteile – und einige sind für bestimmte Anwendungen besser geeignet als andere. Grundsätzlich wird unterschieden zwischen einer kontinuierlichen und einer punktuellen Messung sowie zwischen berührungslosen Messungen und Messungen, bei denen ein Sensor das Medium berührt. Nachfolgend stellen wir Ihnen einige der wichtigsten Messarten vor.

Messung mithilfe von Schwimmern

Diese recht einfache Messmethode dürfte in der Gebäudetechnik am weitesten verbreitet sein: Ein Schwimmer mit integrierten Kontakten schwimmt auf der Flüssigkeit im Schacht. Bei Erreichen eines definierten Niveaus aktiviert sich der Kontakt und gibt ein Signal an die Pumpensteuerung. Sinkt das Niveau wieder ab, reagiert der Kontakt in die andere Richtung. 

Schwimmerschalter können als digitale Niveaugeber eingesetzt werden oder es kann die Hysterese ausgenutzt werden zwischen den Schaltpunkten des Schwimmers. Bei Einzelpumpen kann ein mechanischer Schwimmer zum Einsatz kommen der die Pumpe ein und ausschaltet. Bei Anlagen mit Reservepumpen wird immer ein Schaltgerät benötigt, das die Pumpen mithilfe der Schwimmerschalter steuert. Eine Einzelpumpe kann ebenfalls über ein Schaltgerät mit Schwimmer gesteuert werden, dies hat den Vorteil, dass auch ein Schwimmerschalter zur Hochwasserwarnung (Überlauf) angeschlossen werden kann. Schwimmerschalter können auch im E-Bereich eingesetzt werden, wenn das Schaltgerät über die nötige Sicherung verfügt.

Vorteil von Schwimmern: Die Messung erfolgt unabhängig von Einflussfaktoren wie beispielsweise Druck, Temperatur, Leitfähigkeit oder Blasenbildung des Mediums. Deshalb eignet sich dieses Prinzip für unterschiedliche Anwendungen, wie zum Beispiel bei Medien mit Schaumbildung oder dynamischen Oberflächen sowie innerhalb eines weiten Temperaturbereichs. Außerdem erfordert dieses simple mechanische Prinzip keine Stromversorgung und ist verhältnismäßig kostengünstig. 

Messung mithilfe von elektronischen Niveauschaltern

Grundsätzlich bestehen diese Schalter aus zwei Elektroden, die durch einen Spalt getrennt sind. Sie bilden einen offenen Stromkreis, da zwischen den beiden Elektroden kein Strom fließen kann. Wenn das Flüssigkeitsniveau im Schacht steigt und die Elektroden eingetaucht sind, schließt die Flüssigkeit den Stromkreis und der Stromfluss wird in ein Schaltsignal umgewandelt. Aufgrund ihres Prinzips können solche konduktiven Niveauschalter nur bei leitenden Flüssigkeiten eingesetzt werden, (also z. B. bei Wasser), da der Stromkreis sich sonst nicht schließt. Vorteil dieser Messmethode: Sie ist einfach, robust und wirtschaftlich. Sie bietet vielfältige Montage- und Installationsmöglichkeiten und verursacht kaum Wartungskosten.

Messung mithilfe von Schwimmerschaltern ohne Hysterese

Schwimmerschalter heben und senken sich mit dem Flüssigkeitsstand und arbeiten über eine Hysterese mit zwei Schaltpunkten, um einen oberen und einen unteren Pegel zu definieren. Steigt das Wasserniveau bis zum oberen Schaltpunkt, schaltet sich die Pumpe ein. Daraufhin sinkt das Wasser, bis der Schwimmer den unteren Schaltpunkt aktiviert und die Pumpe dadurch wieder stoppt.

Schwimmerschalter ohne Hysterese verfügen nur über einen Schaltpunkt. Daher müssen mindestens zwei Schwimmer verbaut werden – einer unten, der das Ausschalten der Pumpe auslöst und einer oben, der die Pumpe einschaltet. Dieses Prinzip wird angewendet, wenn die Umgebung den Einbau nur eines Schwimmerschalters mit Wechselschaltung nicht zulässt.

Die hydrostatische (pneumatische) Füllstandsmessung via Staudruck- oder Lufteinperlverfahren

Die Funktionsweise basiert auf einem einfachen physikalischen Prinzip: Jede Flüssigkeit besitzt aufgrund ihrer Schwerkraft und Dichte eine individuelle Gewichtskraft, die mit steigendem Füllstand einen zunehmenden Druck auf den Boden eines Behälters ausübt. Dieser hydrostatische Druck verhält sich direkt proportional zur Höhe der Flüssigkeit. Der Druck wird über eine in die Flüssigkeit eingelassene Tauchglocke erfasst und über ein Staurohr oder Druckschlauch an die Sensorik weitergegeben und dort ausgewertet. Vorteil dieser Messart: Sie wird weder von Verunreinigungen im Medium noch von Schaum auf der Oberfläche, Turbulenzen oder Einbauten beeinflusst.

Staudruckverfahren

Der Einsatz geschlossener Systeme setzt eine absolute Dichtigkeit des Messsystems voraus. Ein Leck im Messsystem, durch das die Luft diffundiert, führt zu einem Druckabfall und damit zu einer Fehlfunktion des Geräts. Die im Medium eingesetzte geschlossene Glocke dichtet das Messsystem am Messpunkt ab.

Lufteinperlverfahren

Bei der Lufteinperlung wird mit Hilfe eines Kleinkompressors Luft in das System eingespeist. Der Druck im Messsystem (Druckschlauch) bleibt somit konstant. Erst eine Änderung des Niveaus führt zu einer Druckänderung im Messsystem. Dieses Verfahren ist zum Beispiel für chemisch aggressive und auch für fäkalienhaltige Flüssigkeiten geeignet, da hier der Sensor durch die Lufteinperlung „freigehalten“ wird und sich keine Feststoffe am Sensor festsetzen können.

Analoge Füllstandsmessung mithilfe einer Pegelsonde

Bei Pegelsonden (auch Tauchsonden oder Niveausonden) handelt es sich im Grunde um eine spezielle Bauform eines Drucksensors. Solche Sonden werden für die hydrostatische Füllstands- und Pegelmessung in Tanks, Brunnen, Schächten und Bohrlöchern eingesetzt. Sie wird dafür direkt in die zu erfassende Flüssigkeit eingetaucht und möglichst nahe an den Boden geführt. Dort erfasst die Pegelsonde den hydrostatischen Druck, der einen direkten Rückschluss auf den aktuellen Füllstand, d. h. die Höhe der darüberstehenden Flüssigkeitssäule ermöglicht. Der Schweredruck der Flüssigkeitssäule verursacht eine Dehnung an einem druckempfindlichen Sensorelement, das den erfassten Druck in ein elektrisches Signal umwandelt.

Fazit

Bei der Planung von Anlagen zur Gebäudeentwässerung spielen Schächte eine ganz entscheidende Rolle. Und um zu gewährleisten, dass das Niveau des Wassers darin weder zu hoch ansteigt noch zu weit absinkt, muss der Füllstand gemessen werden. Denn nur so können die installierten Pumpen ihre Arbeit zuverlässig und sicher leisten.