Komfort wie im Labor

Immer engere Parametertoleranzen sorgen in der Prozesstechnik nicht nur für verbesserten Umweltschutz. Mit exakterer Prozessführung werden die Verfahren rationeller und die eingesetzten Stoffe effizienter ¿ und damit wirtschaftlicher ¿ genutzt. Das gilt für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie ebenso wie bei der Ölverarbeitung, aber auch in so exotischen Anwendungen wie der Lötflüssigkeitskontrolle.

Um das zu realisieren muss die eingesetzte Messtechnik gleiche Sicherheit und den Komfort bieten wie in Laboranwendungen. Gleichzeitig aber muss sie den Größenordnungen und rauen Bedingungen der Produktion entsprechen.

Kontinuierlich ablaufende Prozesse vertragen keine Batch-orientierte oder nur eine zeitverzögerte Messtechnik. Diese Grundsatzüberlegung stand im Mittelpunkt, als es darum ging, bewährte Messtechnologien aus der Laborwelt in die industrielle Prozesstechnik zu übertragen. Das betrifft nicht nur die Messverfahren, sondern erstreckte sich über die gesamte Messkette, von geeigneten Messzellen und speziellen Sensoren über die Messumformer bis zur Validierung. Erst die vollständige Integration messtechnischer Einrichtungen in den Produktionsfluss, besonders bei der Flüssigkeitsmessung, bietet den Anwendern ganzheitliche Rationalisierungseffekte und interessante Möglichkeiten zur Prozessüberwachung sowie zur gezielten Steuerung und effizienten Regelung der Produktion.

So unterschiedlich wie die Messaufgaben und -anforderungen sind, so ausgeprägt ist der Wunsch nach einer möglichst einfachen und übergreifenden Technik für die verschiedenen Aufgaben der Flüssigkeitsmessung. Das betrifft in erster Linie die Messwertaufbereitung ¿ und damit den Messumformer. Wie man so etwas realisieren kann, lässt sich am Beispiel des Messumformers Control 4000 von Optek darstellen. Er basiert auf optischen Messprinzipien. In Verbindung mit verschiedenen Inline Messzellen und Sensoren deckt er das nahezu komplette Messspektrum an Flüssigkeiten ab. Messungen von Trübung, Konzentration, Farbe und UV-Absorption mit umfangreicher Sensordiagnose gehören ebenso dazu wie die Verrechnung und Linearisierung der Messwerte einschließlich der Kompensation von externen Daten wie Druck und Temperatur. Mühsames Umrechnen bleibt dem Betreiber erspart, da der Converter nicht nur die Absorption oder Farbe, sondern gleich den Konzentrationswert mitliefert. Hinterlegte Stofftabellen und die Möglichkeit, individuelle Daten einzulesen, sorgen auch bei häufig wechselnden Flüssigkeiten und Temperaturen für genügend Spielraum.

Der Wunsch: Einer für alles
Wenn das Prozessmedium wechselt oder ein Batch-Prozess umgestellt wird, erweist sich die Produktumschaltung des Converters als wichtiges Feature, denn dann steht nicht nur ein anderer Messbereich sondern auch die jeweils erforderliche Messmethode zur Verfügung. Neue Grenzwerte und Messbereiche werden genauso bei der Umschaltung berücksichtigt wie physikalische Einheiten, Verrechnung der Messwerte sowie Temperaturkompensation und Kalibrierfaktoren. In acht Dateien pro Ausgang können unterschiedliche Produktparameter hinterlegt werden. Die Produktumschaltungen sind am Messumformer oder per Fernumschaltung möglich.

Auf dem Display des Messumformers kann der Benutzer den Prozessablauf verfolgen und Änderungen der Messwerte vergleichen, da der Messwertrekorder (Datalogger) vier wählbare Messgrößen aufzeichet und sie grafisch aufbereitet. So werden eventuell vorhandene Korrelationen erkennbar und es lassen sich neue Parameter zur Prozesssteuerung und -überwachung ableiten. Für die Sicherheit in verschiedene Richtungen sorgen hohe Störfestigkeit, Zugriffsschutz auf codiergeschützten Bedienerebenen. Das integrierte Selbstdiagnose-System überwacht sämtliche Vorgänge des Messumformers und Sensors gleichermaßen. Zwei Sensoreingänge ermöglichen eine redundante Messung und damit eine höhere Messsicherheit.

Messen ohne Probenahme
Was im Labor gut funktioniert, sollte auch im industriellen Maßstab möglich sein: die direkte Prozessmessung ohne Probenahme der Flüssigkeit. Das realisiert das Sensorkonzept, das die bewährten Analysemethoden aus dem Labor in die Prozeßleitungen, quasi ¿Inline¿, einbringt. Gemessen werden Trübung, Konzentration, Farbe und UV-Absorption. Das technologische Prinzip der Inline-Messung besteht darin, die Flüssigkeiten von einem fokussierten Lichtstrahl innerhalb einer entsprechenden Messzelle durchdringen zu lassen.

Beispielsweise wird im Falle der Trübungsmessung das von den im Medium befindlichen Partikeln gestreute Licht von der Empfängeroptik des entsprechenden Sensors unter einem Winkel von elf Grad erfasst. Im Sensor tun acht gekapselte Silizium-Photodioden Dienst. Gleichzeitig wird das ungestreute Licht als Durchlicht von einer weiteren Photodiode aufgenommen. Die Konstruktion der Empfängeroptik gewährleistet, dass in der Messzelle selbst erzeugte Störlichter nicht in die Messung einbezogen werden. Aufgrund des kleinen Streuwinkels legen Durchlicht und Streulicht praktisch den gleichen Weg im Medium zurück, wodurch sich produktspezifische Störgrößen wie Farbe oder Farbveränderungen des Trägermediums sowie Fensteverschmutzung kompensieren lassen. Der Messwertaufnehmer verwendet Licht im Sichtbaren (VIS) und im Nahen Infrarot (NIR) von 400 bis 1100 Nanometer. Die Grundkalibrierung des Systems geschieht standardmäßig in ppm DE (Milligramm Kieselgur pro Liter Wasser).

Entsprechend der jeweiligen Messaufgabe kommen unterschiedliche, spezielle Messverfahren zum Einsatz. So dient die NIR-Absorption zur Konzentrations-Messung, die VIS-Absorption wird zur Messung von Farben und die UV-Transmission zur UV-Absorption herangezogen.

Messzellen müssen Ansprüchen genügen
Ein weiterer praxisrelevanter, technologischer Aspekt betrifft die Auswahl und Beschaffenheit der einzusetzenden Messzellen. Neben der Verfügbarkeit aller gängigen Prozessanschlüsse, spielen verschiedene Druckbereiche und Temperaturen (¿20 Grad Celsius bis 240 Grad Celsius) eine wichtige Rolle. In der Regel besteht die Messzelle aus Edelstahl 1.4571, doch finden auch diverse Sonderwerkstoffe wie Titan, TFMC, PEEK in Abhängigkeit des jeweiligen Prozessmediums Verwendung.

Die für die Fenster eingesetzten Materialien sind entweder Borosilikatglas oder Saphir (Aluminiumoxid-Einkristall). Saphir kommt immer dann zur Anwendung, wenn aggressive Medien (Lauge, Säure, usw.), abrasive Medien (Titan-Dioxid, Sand, usw.) oder Produkte, die zur Anhaftung neigen (beispielsweise Eiweißablagerungen) die Messzelle durchfließen oder wenn VE-Wasser, Kondensat oder Hochdruck mit über 40 bar auftritt.

Auf Spurensuche im Kondensat
Wie ein solches Messsystem in der Praxis aufgebaut wird kann ein Projekt aus dem Kraftwerksbereich zeigen: Neben dem generellen Ziel der Kostensenkung, bestand die Aufgabenstellung in der Produktionseffizienz, der Risikominderung sowie in einer schnellen Reaktionsfähigkeit auf kritische Messwerte. Ist ¿ wie in diesem Projekt ¿ die Energiequelle ein hoch viskoses Schweröl, wird dieses vor der Verbrennung über Wärmetauscher mit Kondensat erhitzt. Leckagen der Wärmetauscher können zu kostenintensiven und gefährlichen Ölverunreinigungen des Kondensats führen. Der installierte Messumformer in Verbindung mit dem entsprechenden Sensor detektiert inline geringste Ölspuren (ppb bis ppm) im Kondensat, auch bei hoher Temperatur und hohem Druck. Somit unterstützt die Messeinrichtung eine risikolose Kondensatrückführung und durch nicht anfallende Wärme- und Reinstwasserverluste ergibt sich ein enormes Einsparpotential.

Flugs die Flux-Konzentration messen
Ein anderes Projekt, das Anwendung in der Automobilindustrie findet, zielt darauf ab, die Qualität der Produktion zu steigern und einen Beitrag zur lückenlosen Dokumentation im Rahmen der Qualitätssicherung beizusteuern. Flux wird als Lötflussmittel für das Zusammenfügen von Wärmetauschern (Kühlern, Kondensatoren, Verdampfern und Heizkörpern) eingesetzt. Die Vorausset- zung für einen optimalen Lötprozess ist eine gleichbleibende Fluxkonzentration (5 Prozent bis 25 Prozent) im Vorratsbehälter.

Chlor-Konzentration zuverlässig messen
Chlor ist bei der Herstellung von organischen und anorganischen Chemikalien und Kunststoffen ein unersetzlicher Reaktionspartner. Große Bedeutung hat Chlor aber auch bei der Produktion von Medikamenten, Desinfektionsmitteln, Bleichmitteln und Insektiziden. Die Prozessoptimierung fordert zuverlässige Chlorwerte. Chlorkonzentrationen (ppm 0,1 Prozent bis 5 Prozent) werden inline (ohne Probenaufbereitung) auch bei hohem Druck und hoher Temperatur reproduzierbar gemessen. Die installierte Messeinrichtung erschließt Einsparpotenziale, das frühzeitige Erkennen von Gefahren sowie eine Anlagenabsicherung und trägt zur Produktionseffizienz bei.

Den Keimen keine Chance
Weitere typische Anwendungen der Messsysteme bieten UV-Entkeimungs- und Desinfektions-Kontrollmessungen. Unter exakter Einhaltung bestimmter Bedingungen ist eine zuverlässige Desinfektion von Wasser durch UV-Bestrahlung möglich. Dies betrifft besonders die Parameter Trübung sowie den SAK (Spektraler Absorptionskoeffizient) und SSK (Spektraler Schwächungskoeffizient) bei 254 Nanometer. SAK, SSK und Trübung werden inline (ohne Zeitverzögerung) toleranzarm und zuverlässig gemessen. Die Desinfektionsprozesse werden auf Ideallinie gefahren und somit führt ¿Inline Control¿ zu hoher Rentabilität. Eine exakte UV-Anlagenregelung garantiert die hochwertige und sichere Entkeimungs- oder Desinfektion.

Das Spektrum der Projekte, in denen das gleiche Basis-Messsystem zum Einsatz kommt, ist branchenübergreifend und umfasst Bereiche wie Suspension, Kristallisationsvorgänge, Filtrate, Abwasser, Farbkonzentrationen, Eisengehalt, Flüssiggas, Gasblasen, Öleinbruch, Phasentrennung Öl-Wasser und andere.

Optische Messverfahren, die auf der Wechselwirkung des Lichtes mit dem zu messenden Medium basieren, ermöglichen die kontinuierliche Überwachung direkt im Prozess, ohne das Medium zu beeinflussen¿, resümiert Jürgen Danulat, einer der Geschäftsführenden Gesellschafter der Optek Danulat, und führt weiter aus: ¿Die Inline-Photometrie bewährt sich überall dort, wo es darauf ankommt, die Prozessdaten ohne Zeitverzögerung und aufwendige Laboranalyse zu nutzen, zur Überwachung, Steuerung und Regelung.¿

Meinolf Droege / August 2000