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Prozessmesstechnik Prozessmesstechnik zur Konzentrations- und Viskositätsbestimmung

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Gerald Schwarz / Manja Wühr

Prozess-Messsensoren sind ein wichtiges Werkzeug für die Prozessoptimierung, -überwachung und Qualitätssicherung und müssen vielen Anforderungen gerecht werden. Neben hoher Messgenauigkeit, geringem Wartungs- und Kalibieraufwand sowie hoher Robustheit ist die einfache Integration eines Sensors ein wesentliches Argument für die Wahl neuer Prozessmesstechnik.

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Die Software Davis unterstützt den Benutzer bei der Auswertung mit intuitiven Menüs und leichter Bedienung.
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(Bild: Anton Paar)

Soll die Anlagenproduktivität gesteigert werden, führt kein Weg an Prozess-Messsensoren vorbei. Mithilfe der kontinuierlichen Messung der Qualitätsparameter können Produktionsanlagen am optimalen Betriebspunkt gefahren werden. Rohstoffeinsatz und Energieaufwand werden dabei minimiert und der Ausstoß des Produktes maximiert.

Auch für die Qualitätskontrolle ist die Prozess-Sensorik inzwischen unverzichtbar. Schließlich haben Labormessungen, also regelmäßige Probenentnahmen aus dem Prozess sowie anschließende Aufbereitung und Messung im Labor, einen Nachteil: Sie liefern lediglich Momentaufnahmen und sind immer vergangenheitsbezogen. Das heißt, wird bei einer Laboranalyse festgestellt, dass ein Parameter außerhalb der zulässigen Toleranzgrenze lag, so kann erst im Nachhinein darauf reagiert werden und der bereits entstandene Schaden erheblich sein. Der Zeitaufwand für Probentransport und Messung ist oft groß, zudem ist die Qualität der Analyse im Labor von vielen Randbedingungen abhängig, beispielsweise Probenentnahme, Abgleich der Prozesstemperatur oder Personal. Eine gute Labormessung ist aber immer die Basis zur Überprüfung der Prozessdaten und sollte zumindest die gleiche Genauigkeit aufweisen.

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Die Investitions-, Wartungs- und Kalibrierkosten sind mitentscheidend, wenn Überlegungen in Richtung Prozessmesstechnik angestellt werden. Die Kosten für den Umbau einer Anlage übersteigen oft den reinen Anschaffungspreis des Sensors. Die Amortisationszeit der Gesamtinvestition muss innerhalb wirtschaftlich sinnvoller Grenzen bleiben. Dementsprechend lautet die Anforderung, dass sich die Sensoren leicht in die Anlagen integrieren lassen und die laufenden Kosten minimal sind.

Konzentration messen

Anton Paar bietet anhand der physikalischen Größen Schallgeschwindigkeit und Dichte leicht integrierbare Lösungen für die Konzentrationsmessung. Je nachdem, welche Größe als Messwert zur Ermittlung des Ausgabewertes herangezogen wird, war der entsprechende Entwicklungsprozess unterschiedlich aufwändig.

Bei den Schallgeschwindigkeitssensoren ist aufgrund des zugrundeliegenden Messprinzips eine einfache Prozessintegration mittels Inline-Messung schon vor über 25 Jahren realisiert worden. Das Messprinzip beruht auf der Laufzeitmessung einer Schallwelle zwischen Sende- und Empfangseinheit, zwischen denen sich das Messmedium befindet. Bei bekanntem Abstand kann mit der Laufzeit die Schallgeschwindigkeit im Messmedium errechnet werden. In vielen flüssigen Lösungen bzw. Mischungen ist die Schallgeschwindigkeit direkt proportional zur Konzentration. Wenn der Sensorkopf als Gabel ausgeführt wird, kann dieser sehr leicht über einen Flansch direkt in die Leitung oder in den Tank installiert werden. Die Schallgeschwindigkeitssensoren von Anton Paar zeichnen sich neben ihrer leichten Prozessintegration auch durch ihre Blasenunempfindlichkeit und Wartungsfreiheit aus. Abgesehen von der Konzentration beeinflusst die Temperatur des Mediums die Schallgeschwindigkeit am stärksten. Um diesen Einfluss mit höchster Genauigkeit zu ermitteln und zu kompensieren, sind die Schallgeschwindigkeitssensoren mit zwei Temperaturfühlern ausgestattet.

Sehr oft geht aber die Konzentrationsbestimmung mit einer sehr hohen Genauigkeit einher oder die Messung mithilfe der Schallgeschwindigkeit ist aufgrund der Konzentrationskurven überhaupt nicht möglich. Hier kommen dann Dichtesensoren zum Einsatz.

Die neue Generation der Dichtesensoren von Anton Paar vereint hohe Messgenauigkeit mit einfacher Prozessintegration. Die Sensoren sind leicht und kompakt, somit ist die zusätzliche Abstützung des Sensors nicht erforderlich. Das modulare Konzept umfasst eine Vielfalt an Prozessadaptern und Sensoren aus unterschiedlichen Materialien. Neben den typischen Bypassadaptern sind auch Inlineadapter verfügbar, die die einfache Installation ermöglichen. Unterschiedliche elektrische Schnittstellen nach Industriestandards runden die Produktpalette ab und ermöglichen auch elektronisch eine einfache Integration.

Eine weitere Herausforderung war die Entwicklung eines Prozessviskosimeters, das nach dem Rotationsprinzip arbeitet und gleichzeitig direkt in der Hauptrohrleitung oder im Tank installiert werden kann. Ergebnis ist das Inline-Viskosimeter L-Vis 510 von Anton Paar. Es kann lageunabhängig direkt in die Hauptleitung, in eine Bypassleitung oder direkt in einen Tank eingebaut werden. So bestimmt nun der Anwender den Einbauort und nicht das Messgerät. Außerdem wird der Installationsaufwand auf ein Minimum reduziert. Gasbläschen, Druckschwankungen und Durchflussschwankungen beeinflussen die Messung nicht. Durch das Rotationsprinzip lässt sich selbst die Viskosität von Suspensionen zuverlässig messen.

Unkomplizierte Auswertung

Jede Prozessmessung ist erst durch die geeignete Auswertung, Visualisierung und Speicherung der Messdaten oder Übertragung zum Prozessleitsystem sinnvoll. Eine Auswerteeinheit mit einem 8,4"-Farb-Touchscreen und einer intuitiven Benutzeroberfläche ist die optimale Ergänzung zu den Sensoren. Zusätzlich zu numerischen Anzeigefeldern liefern grafische Anzeigen einen sofortigen Überblick über den aktuellen Prozess. Standardisierte Schnittstellen, wie Profibus, Profinet, Modbus TCP und EtherNet/IP, ermöglichen darüber hinaus eine leichte Integration in die jeweilige Prozessumgebung.

Für die Qualitätssicherung und -optimierung ist die kontinuierliche Prozessdatenerfassung, Speicherung und schnelle, unkomplizierte statistische Auswertung unerlässlich. Diese Auswertungen liefern die Basis für die Anlagenoptimierung. Moderne Softwarelösungen bieten einen Zugriff auf diese Daten und Auswertungen im Netz von jedem PC aus. Außerdem können die aktuellen Prozessdaten visualisiert werden. Die Software Davis erfüllt all diese Anforderungen, mit intuitiven Menüs und leichter Bedienung.

* Der Autor ist Leiter Produktmanagement Prozessmesstechnik bei Anton Paar, Graz/Österreich.

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