Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung in der Lebensmittel- & Getränkeindustrie

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1 Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung in der Lebensmittel- & Getränkeindustrie White Paper 2015

2 Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung John van Loon, Application Manager Hygienic Marc Klingler, Application Manager Hygienic Zweck der Fluid-Durchflussmessung ist die Produktivitätssteigerung und die Bereitstellung wichtiger Informationen für den Fertigungsprozess. In der Lebensmittel- & Getränkeindustrie sind darüber hinaus anspruchsvolle Standards und gesetzliche Vorgaben in den Bereichen Hygiene, Reinheit und Präzision zu erfüllen. In diesem Umfeld müssen viele Prozesse in eng gefassten Abmessungen funktionieren, sodass für die Maximierung der Produktionsfläche auch die Minimierung der Länge vor Rohrleitungen ein Thema ist. Ein wichtiger Schritt für die Maximierung von Effizienz und Produktivität des Produktionsprozesses ist die Auswahl des zweckmäßigsten Durchflussmessers. Jeder Prozess ist mit spezifischen Herausforderungen verbunden, und der Markt bietet eine Vielzahl von Instrumenten für unterschiedlichste Fluidbedingungen an. Alle Durchflussmesser weißen ihre ganz eigenen Beschränkungen auf, was bei der Konstruktion vielfach zu Kompromissen führt. Der Ruf nach einer Verbesserung dieser Situation führte zu Entwicklungsarbeiten mit einer existierenden Technologie mit akustischen Oberflächenwellen (engl. "surface a- coustic wave", kurz "SAW"; dtsch. manchmal auch "AOW"). Die gesuchte Lösung musste natürlich auch die hohen Anforderungen der Lebensmittel- & Getränkeindustrie erfüllen. Anmerkung: In diesem Artikel geht es um die Durchflussmessung bei Flüssigkeiten; Dampf und andere Gase werden nicht thematisiert. Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung 2

3 Der Stand der Technik Alle Instrumente für die Durchflussmessung, vom einfachen Flügelradsensor bis zum modernen Coriolis-Durchflussmesser, sind mit mindestens einer Beschränkung behaftet, die ihre Verwendungsmöglichkeiten einschränken kann. Etliche Typen verfügen über bewegliche Teile, die mit dem Fluid in Kontakt stehen, was sowohl ein Durchflusshemmnis als auch Probleme für Hygiene und Reinigung darstellen kann. Der Ruf nach modernen, kontaktlosen Messmethoden führte zu Fortschritten mit Ultraschall und dem Coriolis- Durchflussprinzip. Jede dieser Technologien hat ihre Berechtigung. Doch selbst diese Instrumente weisen Beschränkungen auf, z.b. bei der Messung von nichtleitenden Flüssigkeiten oder bei Blasen oder Partikeln im Fluid. In der konkreten Anwendung sind es letztlich dann häufig Fragen des Einbauortes, des Platzbedarfs und der Orientierung, die den Ausschlag für das eine oder das andere Instrument geben. Ultraschall-Messgeräte verwenden entweder den Dopplereffekt oder Laufzeitmessungen, um den Gas- oder Flüssigkeitsdurchfluss zu messen. Die Anschaffungskosten dieser Instrumente sind hoch, und diejenigen, die mit Dopplereffekt arbeiten, sind für reine Flüssigkeiten ungeeignet, weil sie Partikel o- der Blasen für die Signalreflexion benötigen, während diejenigen mit Laufzeittechnologie gerade auf reine Fluide angewiesen sind. Natürlich sind Kombinationen möglich, bei denen zunächst der Fluidzustand ermittelt und dann die geeignete Messmethode bestimmt wird; allerdings führt das natürlich auch wieder zu höheren Kosten. Last not least kann die Präzision der Ultraschallmessung bei einem sehr langsamen Fluid leiden. Das Funktionsprinzip des magnetisch-induktiven Durchflussmessers (MID) beruht auf dem Faraday schen Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Dabei ist die gemessene Spannung proportional zur Durchflussgeschwindigkeit. Allerdings können auch hier wieder Präzisionsprobleme bei geringer Fließgeschwindigkeit auftreten. Das Prinzip des MID beruht, je nach Typ und Design, mehr oder weniger auf der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids, und Anwendungen mit Kohlenwasserstoffen oder deionisiertem Wasser sind gar nicht realisierbar. Die Tatsache, dass die Rohrleitungen bei Verwendung eines MID auf ganz spezielle Weise geerdet sein müssen, erhöht die Komplexität der Anlage insgesamt. Und Fehler bei der Umsetzung führen zu fluktuierenden Signalen. Schließlich muss das Fluid bei dieser Technologie auch noch blasenfrei sein, damit die Daten zuverlässig und gleichbleibend stimmig sind. Coriolis-Massendurchflussmesser (CMD) gelten aufgrund ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten für Fluide und Gase als die beste Lösung für die meisten Spezifikationen. Allerdings können die Anschaffungskosten sehr hoch ausfallen, und auch CMDs haben ihre Beschränkungen. Ein CMD verursacht aufgrund seiner Konstruktion einen Druckverlust quer zum Instrument, was die Obergrenze des Messbereichs herabsetzen kann. Der Druckverlust erhöht sich mit der Durchflussmenge und der entsprechenden Geschwindigkeit im Instrument. Außerdem machen es Größe und Gewicht des CMD erforderlich, das Instrument im Rohr sorgfältig zu verankern. Ein CMD benötigt mehr Platz, als andere Durchflussmesser, die Rohre müssen besser befestigt werden und Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung 3

4 das Ganze erfordert mehr Installationsaufwand. Für die Durchflussmessung von Flüssigkeiten existiert eindeutig ein Bedarf an kompakten, kontaktfreien Messgeräten mit hoher Präzision und unabhängig von den Eigenschaften des Mediums, seiner Fließrichtung und -charakteristika. Die neue Technologie kurz erklärt Akustische Oberflächenwellen (engl. "SAW"; dtsch. "AOW") wurden erstmals 1885 beschrieben. Seitdem werden ihre Eigenschaften erforscht und für viele moderne Anwendungen nutzbar gemacht. Hierzu gehört auch die Entwicklung eines Massendurchflusssensors durch die Bürkert Fluid Control Systems, der alle Anforderungen bezüglich Hygiene, Präzision und Zuverlässigkeit erfüllen soll, und zwar ohne die Beschränkungen althergebrachter Durchflussmesser, einschließlich Kosten. Das Funktionsprinzip dieses Durchflussmesssystems beruht auf Wellenausbreitungsformen ähnlich denen von Erdbebenwellen, die von einem definierten Ausgangspunkt ausgehen und sich entlang der Oberfläche eines Feststoffes ausbreiten. Auf der Außenseite der Messröhre befinden sich Interdigitaltransducer, die sowohl Sender als auch Empfänger für die Wellen sind. Aufgrund der Konstruktion dieser revolutionären Messtechnologie befinden sich die Sensoren nicht in direktem Kontakt mit dem Fluid, was den ersten von vielen Vorteilen darstellt. In Abb. 1 ist der Transducer (1) dargestellt, der die Welle aussendet. Ein Teil davon wandert direkt zum ersten Empfänger (2). Außerdem wandert das Signal durch die Flüssigkeit und breitet sich bis zur gegenüberliegenden Seite der Messröhre aus, wo es wieder in dessen Material eintritt und sich an der Oberfläche bis zum nächsten Empfänger (3) fortpflanzt. Und wie schon zuvor, koppelt das Signal wieder aus und wandert durch die Flüssigkeit zur gegenüberliegenden Seite, wo sich der Prozess wiederholt. Das heißt, ein einziges erzeugtes Signal führt zu einer ganzen Abfolge von Signalen, die von zwei weiteren Transducern empfangen werden. Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung 4

5 Die absolute Zeit, die die Welle vom Sender bis zum Empfänger benötigt, hängt hauptsächlich vom Durchmesser der Messröhre und der Art der Flüssigkeit ab. Die Differenz der Ausbreitungszeiten der Wellen nach vorne und hinten ist proportional zur Fließgeschwindigkeit. Die Analyse aller Signale und ihr Vergleich aufgrund diverser Kriterien, wie z.b. Amplitude, Frequenz und Laufzeit, ermöglichen nicht nur die Qualitätskontrolle der Messung, sondern auch Rückschlüsse auf die Art und Eigenschaften der Flüssigkeit. Der Winkel, unter dem die Wellen aus der Flüssigkeit auskoppeln, hängt von ihrer Geschwindigkeit auf der Röhrenoberfläche bzw. in der Flüssigkeit ab. Ein akustischer Fingerabdruck des Mediums entsteht durch die Kombination dessen mit den Eigenschaften der Empfangssignale, welche wiederum davon abhängen, ob die Signale ein- oder mehrmals durch das Medium gegangen sind. Hieraus lassen sich die Volumenflussrate, Dichte und Temperatur und damit auch die Massenflussrate ableiten, sowie weitere Informationen über das Medium selbst. Da diese Technologie keinerlei Elemente innerhalb des Rohrs benötigt, bleiben dessen Durchmesser und damit der Strömungswiderstand unbeeinflusst. Entwicklung dieser Technologie Für die Erforschung der akustischen Oberflächenwellen für die Inline- Durchflussmessung kooperierte Bürkert mit einem Partner, der bereits eine SAW-Technologie für Konzentrationsmessungen, hauptsächlich für Laboranwendungen, entwickelt hatte. Die Ergebnisse wurden anschließend von Bürkert in ein gewerblich verwendbares Produkt für den industriellen Einsatz überführt. Die Weiterentwicklung dieser Technologie zu einem einsatzfähigen Durchflussmesssystem für Fluide erfolgte also durch Bürkert, und das Ergebnis ist ein neuartiger Durchflussmesser auf der Basis neuester Technologie mit dem Namen FLOWave. FLOWave löst auch zahlreiche Probleme diverser High-End- Durchflussmesser, z.b. Systemvibrationen in der Anlage, magnetische und elektrische Effekte sowie das Problem nichtleitender Flüssigkeiten. Keiner dieser Faktoren wirkt sich auf die Präzision oder Zuverlässigkeit eines FLO- Wave-Durchflussmessers aus. Nicht zuletzt kann die SAW-Technologie auch ohne weitere Sensoren zwischen laminarer und turbulenter Strömung unterscheiden. Das heißt, sie ist auch äußerst energieeffizient - ein Aspekt, der heutzutage bei allen Produkten immer wichtiger wird. Vorteile der SAW-Durchflussmessung SAW-basierte Durchflussmesser haben keinen direkten Kontakt mit dem Fluid, das heißt, es gibt keinen Druckabfall und keine Strömungshindernisse - Vorteile, mit denen auch andere Inline-Durchflussmesser aufwarten können. Doch auch deren Nachteile kann die SAW-Technologie lösen. Dank seines Konstruktionsprinzips funktioniert ein solcher Durchflussmesser auch noch in einer stehenden Flüssigkeit, und so sind auch noch bei kleinstem Fließvolumen zuverlässige Zahlen möglich. Darüber hinaus sind auch schnelle Strömungswechsel zuverlässig erkennbar, sodass sich diese Technologie auch für schnelle Abfüllverfahren eignet. Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung 5

6 Die Technologie ist nicht auf die Leitfähigkeit des Fluids angewiesen, sodass sie bei mehr Fluiden präzise Messungen liefert, als magnetisch-induktive Durchflussmesser. Sie wird auch nicht durch Partikel oder Blasen im Medium gestört, d.h. sie liefert konstante, wiederholbare Messdaten auch dort, wo dies bei althergebrachten Messmethoden evtl. nicht mehr der Fall sein mag. Mit FLOWave soll dem Kunden ein modulares Instrument an die Hand gegeben werden, dass unter Wahrung exzellenter Flexibilität und Erweiterungspotentiale die exakten Spezifikationsanforderungen für einen spezifischen Prozess erfüllen kann. Aufgrund der außerordentlichen Bandbreite der Anwendungen, für die die FLOWave-Technologie in Frage kommt, und dank ihres einfachen Konstruktionsprinzips, ist die Spezifizierung eines geeigneten Instruments für eine bestimmte Anwendung wesentlich weniger aufwendig. Die eigentliche Installation ist mit einem FLOWave-Produkt wesentlich unkomplizierter, weil der Einbau in jeder Lage möglich ist und weit weniger Platz beansprucht, als althergebrachte Messinstrumente. Die Spezifizierung kann mit oder ohne Display-Modul erfolgen; dieses kann in der Prozessleitung je nach den Erfordernissen frei orientiert werden. Und auch nach der Installation kann die FLOWave-Produktpalette noch mit weiteren nützlichen Elementen aufwarten, z.b. einer Statusanzeige mit Diagnosedaten für den Bediener; siehe NAMUR NE107. Last not least benötigt diese Technologie wesentlich weniger Energie im Betrieb - ca. ein Drittel dessen, was ein Standard-Coriolis- Durchflussmesser verbrauchen würde. In Situationen, wo ein Kompromiss zwischen minimaler Kontamination und maximaler Präzision kein Thema sein kann, mag diese neueste Innovation in der Durchflussmessung für Flüssigkeiten die beste Lösung für beide Seiten der Gleichung darstellen. Nutzen für die Lebensmittel & Getränkeindustrie Für eine Branche, die stark auf Serienfertigung setzt, sind zur Vermeidung von Kreuzkontamination höchste Hygienestandards essentiell. Außerdem kommt hier eine wirklich breite Palette von Fluiden mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz. Trotzdem ist es natürlich aus Gründen der Produktivität von Vorteil, wenn für unterschiedliche Produkte dieselbe Produktionslinie zum Einsatz kommen kann. Der größte Vorteil der FLOWave-Technologie ist natürlich die Tatsache, dass die Rohrinnenseite frei von Sensoren etc. ist und es keinen direkten Kontakt mit dem Fluid gibt. Außerdem kann die Innenseite des Messrohrs dieselbe Oberflächenbehandlung erhalten, wie der Rest des Rohrsystems, was bedeutet, dass es sich hinsichtlich Hygiene, Reinigung und Strömungseigenschaften nicht von jedem anderen geraden Rohrstück in der Leitung unterscheidet. Das kontaktfreie Konstruktionsprinzip bringt in der Spezifikation dieselben Hygienevorteile, wie andere High-End-Durchflussmesser, allerdings ohne den Kostenaufschlag. Produktion in der Lebensmittel- & Getränkebranche bedeutet stets auch Flüssigkeiten uneinheitlicher Reinheitsgrade, häufig mit Blasen und Partikeln, die unter Umständen schon festlegen, welche Arten von Durchflussmessern ge- Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung 6

7 eignet sind und welche nicht. Und damit ist dann unter Umständen auch schon entschieden, welche Produkte auf einer Linie gefahren werden können und welche nicht. Die FLOWave-Technologie wurde entwickelt, um derartige Einschränkungen zu überwinden, die Vielseitigkeit der Produktionslinien zu steigern und dabei doch hohe Standards für Präzision und Hygiene beizubehalten. Darüber hinaus vereinfacht die kompakte Konstruktion der FLOWave-Familie die Installation mit wesentlich kürzeren Einbaulängen für die Ein- und Auslassbereiche, als bei Coriolis-Durchflussmessern. Dank solcher Eigenschaften kann bei Konstruktion und Installation viel Platz gespart werden, wenn für die Anwendung nur begrenzt Stellfläche zur Verfügung steht. Die revolutionäre Konstruktion bringt außerdem erhebliche Gewichtseinsparungen mit sich, was die Installation weiter vereinfacht und zusätzliche Befestigung für die Rohrleitungen überflüssig macht. Dies wiederum macht sich durch den reduzierten Transport- und Handling-Aufwand bemerkbar. Technische Merkmale Als einer der führenden Hersteller von Prozessregelungs- und Messausrüstungen setzt Bürkert bei seinen Produkten auf höchste Präzision und Zuverlässigkeit in Kombination mit der gewohnten Ausführungsqualität und Konnektivitätsoptionen. Auf der Grundlage der 24VDC-Stromversorgung gem. Industriestandard liefert der FLOWave-Durchflussmesser sowohl analoge als auch digitale Ausgangsdaten mit exzellenter Präzision bei der Temperatur- und Durchflussmessung. Der SAW-Sensor ist an den Transmitter angeschlossen, der das Benutzer- Interface beinhaltet und die benötigten Ausgangssignale generiert. Der Transmitter baut auf Bürkerts neuer Elektronikplattform "EDIP" auf. Diese ist vollmodular und verwendet Digitalkommunikation zwischen den Baugruppen. Das verwendete Kommunikationsprotokoll ist CANopen mit Erweiterungen, was komplette Netztopologien erlaubt und Bürkert die Möglichkeit eröffnet, fertige Lösungen mit hoher Flexibilität für die spezifischen Anforderungen des Kunden maßzuschneidern. Die Basiskonstruktion (Typ 8098) besteht aus einem Volledelstahlgehäuse in vier Größen: DN15 (1/2 ), DN25 (1 ), DN40 (11/2 ) bzw. DN50 (2 ) mit einer Klemmverbindung für ASME, DIN bzw. ISO und einer 0.4µm Beschichtung auf Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung 7

8 der Innenseite gem. Hygiene-Standards. Optional angeboten wird ein HMI- Modul (Display mit Bedientasten), das auf der Ober- oder der Frontseite des Durchflussmessers montiert und in 90 -Inkrementen gedreht und an die Installation angepasst werden kann. Zusammenfassung Durchflussmessung unter einer Vielzahl von Fluidbedingungen kann sich positiv auf die Qualität und Einheitlichkeit des Produkts und die Prozesseffizienz auswirken und außerdem die Verschwendung teurer Inhaltsstoffe reduzieren. Doch selbst die modernsten, kontaktlosen Messmethoden (d.h. Ultraschall, MID und CMD) haben ihre Grenzen in der Anwendung. Deshalb können die Eigenschaften und Reinheit des Mediums bzw. der erhöhte Platzbedarf vieler Durchflussmesser entscheidende Faktoren bei der Findung geeigneter Typen für eine spezifische Anwendung darstellen. Das Bemühen der Firma Bürkert, diese Probleme in den Griff zu bekommen, hat zur Entwicklung einer völlig neuen Durchflussmesser-Technologie geführt, die den Markt für die Durchflussmessung von Flüssigkeiten verändern könnte. Durch die Weiterentwicklung existierender Technologien und die Verwendung modernster Elektronik konnte Bürkert eine revolutionäre Methode für die Flüssigkeits-Durchflussmessung vorlegen, die sich für eine große Bandbreite von Anwendungen anbietet. Die FLOWave-Produktfamilie zeichnet sich durch ihre bisher unerreichte Anwendungsvielfalt unter Einhaltung der höchsten Standards und Zulassungsanforderungen in Werkstoffen und Hygiene aus. Die weitere Entwicklung des Produkts wird Verbesserungen seiner Funktionsmerkmale mit sich bringen sowie die Möglichkeit der Dichtemessung, was letztlich die Gewinnung von Massendurchflussdaten bedeutet. Für die Entwicklung von Produktionsprozessen wird somit die Auswahl bei der Spezifizierung der Durchflussmessertechnologie vereinfacht, vor allem bei Anwendungen, bei denen hohe Hygienestandards eingehalten, die Installation effizient gestaltet und der Energieverbrauch reduziert werden sollen. Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung 8

9 Kontakt Können wir Ihnen helfen, Ihre Prozesse mit intelligenten Armaturen zu optimieren oder haben Sie weitere Fragen? Dann kontaktieren Sie uns: Bürkert Fluid Control Systems John van Loon Application Manager Hygienic Tel.: +31 (0) Marc Klingler Application Manager Hygienic Tel.: +33 (0) Revolutionäres neues Konzept für die Durchflussmessung 9