Analyse- und Messgeräte (Prozessmesstechnik)

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1 Analyse- und Messgeräte (Prozessmesstechnik) Werner Thomann 9. März 2016 / Seite 1

2 Agenda - Feuchtemessung (im Prozess) - Leitfähigkeitsmessgeräte - Trübungsmessgeräte - Dichte-/Konzentrationsmessgeräte (Inline) - Refraktion - Coriolis - Mikrowelle - Weitere Messtechnik - Durchfluss - Füllstand - Druck - Temperatur - Sicherheitsschalter (Druck/Temperatur) 9. März 2016 / Seite 2

3 Theorie Feuchtemessung (im Prozess) - Messtechniken für Produkt-Feuchte im Prozess. - Beispiele sind: (alles indirekte Messungen - InSitu / Online) - Kapazitive Messung (streufeld) - Mikrowelle Messung (streufeld) - NIR-Messung (NIR Spektrum) - Hygrometrische / Taupunkt Messung (Im Raum / Abluft / etc,) - Etc. - Vorteile von kontinuierlichen Messungen im Prozess sind: - Zeitnahe Prozess Überwachung, - Steuerung-, - Regelung - Komplette Produktion Aufzeichnung und Datensicherung. - Kosteneinsparung von Abläufen. - Einfachere und leichtere Prozessführung. - Produkt- und Rezeptunabhängig - Qualitätssteigerung und -Sicherung 9. März 2016 / Seite 3

4 Theorie Feuchtemessung (kapazitives Streufeld) Kapazitätsbestimmung im Hochfrequenzstreufeld: (Reinkapazitives oder Dielektrisches Messverfahren) Diese Methode nutzt die unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen (Permittivität) von Wasser und unterschiedlichsten Materialien (Feststoffe und Flüssigkeiten). Flüssiges Wasser hat wegen seines Dipolcharakters der Moleküle eine sehr hohe Permittivitätszahl r von ca. 80, die meisten anderen Materialien liegen bei einem r von ca Dies bedeutet eine große messbare Differenz zwischen Wasser und dem zu messenden Produkt. Die Kapazität ändert sich mit steigender oder sinkender Feuchtigkeit und wird von unserem System als Messwert in Form eines Einheitssignals (4-20 ma, 0-10V, ) als Wert für die Feuchte ausgegeben. Das System arbeitet Online also in Echtzeit und misst sowohl die Oberflächen- und Kernfeuchte der Materialien. 9. März 2016 / Seite 4

5 Messgeräte kap. Feuchtemessung (im Prozess) Auswerte- und Parametrier Software Auswerte Elektronik Bis zu 16 Sensoren mit einer Elektronik Merkmale des Liebherr Systemes: - modular aufgebaut - sehr harter Verschleißschutz - exakte Genauigkeiten (bis zu 0.05 %F) - Materialkurvenumschaltung - Messbereich 0-100% F - komplett reproduzierbar - viele Möglichkeiten der Signalverarbeitung (0-10 V, 4-20 ma, Profibus ) 9. März 2016 / Seite 5

6 Applikationen kap. Feuchtemessung Trocknerauslauf Hefe Wassergehalt Quarzsand Margarine Herstellung Granulat Säcke Zuckerrübenschnitzel 9. März 2016 / Seite 6

7 Theorie Leitfähigkeit Was ist Leitfähigkeit? Der Leitwert ist der Kehrwert des ohmschen Widerstandes Strom Leitwert = (Siemens) Spannung Leitfähigkeit Widerstand 9. März 2016 / Seite 7

8 Theorie Leitfähigkeit Wie funktioniert Induktive Leitfähigkeitsmessung Zwei Spulen werden von der Messlösung durchströmt. Aufgrund von Ionen in der Messlösung induziert die erste Spule einen elektrischen Strom in die zweite Spule. Der Messumformer wandelt diesen Strom in Leitfähigkeit (Siemens/cm) oder Konzentration (% bzw. g/l) um. Bei diesem Messprinzip haben die Spulen keinen direkten Kontakt zum Messmedium und es kann somit auch in konzentrierten Säuren oder Laugen gemessen werden. Diese Systeme sind ebenfalls sehr gut für den Einsatz in Lebensmitten geeignet! 9. März 2016 / Seite 8

9 Leitfähigkeitsgeräte Leitfähigkeitssensor Konduktiv [SLK] Leitfähigkeitsmessgerät Induktiv [SLI] Modulares Anschlusskonzept 9. März 2016 / Seite 9

10 Anwendung Leitfähigkeitsmessgeräte zb. CIP Systeme (Milch- und Bier Applikationen) Mit der CIP Cottage Cheese reinigen wir die gesamte Käserei. Durch den Wechsel von erhitzen Reinigungsmedien und Frischwasser kam es hier in der Vergangenheit zu einer starken Belastung der eingesetzten Messtechnik. Feuchtigkeit in den Geräten durch undichte Sensoren waren sehr häufig. Auch in den Gehäusen war Feuchtigkeit zu finden! Medien: Frisch- und Retourwasser Natronlauge 1% und 3% Salpetersäure 1% Temperaturbereiche Umgebung: ca C Prozess: ca C Lösung: Mit dem SELI SLI03 konnte diese Applikation erfolgreich gelöst werden. 9. März 2016 / Seite 10

11 Theorie Trübungsmessgeräte 90 Wie wird Trübung gemessen? 180 Fenster Lichtquelle Fenster Lichtquelle Detektor Detektor Medium Medium Die Durchlichtmethode Die Streulicht oder nephelometrische Methode Bei der Durchlichtmethode wird die Schwächung des Durchlichts bei 180 gemessen. Sie eignet sich vor allem bei starken Trübungen und Proben mit großen Partikeln. Die Messergebnisse können z.b. in FAU (Formazine Attenuation Units ISO 7027 konform über 40 FNU) ausgedrückt werden. Bei der nephelometrischen Methode wird die Intensität des Streulichts in einem Winkel von 90 gemessen. Sie eignet sich vor allem bei niedrigen Trübungen. Die Messergebnisse können in FNU (Formazine Nephelometric Units ISO 7027 konform) oder NTU (US Standard) ausgedrückt. 1 FNU = 1 NTU 9. März 2016 / Seite 11

12 Theorie Trübungsmessgeräte Wie wird Trübung gemessen? Fenster Reflektion Die Reflektionsmessung Lichtquelle Bei der Reflektion- oder Rückstreulichtmessung wird die vom Medium direkt reflektierte Intensität des Streulichts gemessen. Dabei liegt Sender und Empfänger in einer Ebene. Das Licht muss daher um 180 reflektiert werden. Diese Methode lässt sich nur bei hohen Trübungen ab ca NTU bzw. 500EBC und in einem eingeschränkten Messbereich anwenden. Die Messergebnisse können in NTU ausgedrückt werden, sind aber nicht vergleichbar mit anderen Messverfahren. Detektor Medium 9. März 2016 / Seite 12

13 Theorie Trübungsmessgeräte Kalibrierung (Trübung) Zur praktischen Interpretation des Trübungswerts werden die Trübungsmessgeräte mit einer Standardsuspension kalibriert. Die Anzeige erfolgt somit nicht in Form der gemessenen Lichtintensität, sondern als Konzentration der Kalibriersuspension. Bei der Messung einer beliebigen Suspension bedeutet also die Anzeige, dass die betreffende Flüssigkeit die gleiche Lichtstreuung verursacht wie die Standardsuspension der angezeigten Konzentration. Der international festgelegte Trübungsstandard ist Formazin. Die Trübung von Formazin wird in unterschiedlichen Einheiten angegeben. Trübungseinheiten basierend auf Formazin Die unverdünnte Lösung hat einen Trübungswert von: 1000 EBC (European Brewery Convention) 4000 TEF (Trübungseinheiten Formazin) 4000 FTU (Formazine Turbidity Units) 4000 FNU (Formazine Nephelometric Units, Einheit nur bei 90 Streulichtmessung) 4000 FAU (Formazine Attenuation Units, Einheit n. EN27027 Trübung im Durchlichtverfahren über 40 FNU) Helm Einheiten ASBC (American Society of Brewing Chemists) FTU/TEF Reihe 9. März 2016 / Seite 13

14 Theorie Trübungsmessgeräte Zusammenhang zwischen Absorption (AU) und Trübung (%) Absorption AU Trübung % Transmission %T 5 AU AU AU AU AU Trübung (OPL10mm) 0 AU Absorption [OD] ,0 Trübung [%] 100,0 9. März 2016 / Seite 14

15 Trübungsmessgeräte SELI STS NIR - Absortionsgeräte Modulares Anschlusskonzept Kalibrier Bausteine 9. März 2016 / Seite 15

16 Anwendungen Trübungsmessgeräte zb Separator Überwachungen Separatoren trennen Medien in unterschiedlichsten Prozessen. Um Flüssigkeiten und Feststoffe zu trennen wird zb das Prinzip der Zentrifugalkraft verwendet. Um eine hohe und gleichmässige Produktqualität zu garantieren, haben sich hier zb Trübungsmessgeräte bewährt. Diese sind an Zu- bzw. Abläufen installiert. Dadurch wird eine deutlich verbesserte Trennung erreicht und somit Verluste minimiert. 9. März 2016 / Seite 16

17 Theorie Trockensubstanzmesstechnik Refraktometer Coriolis Masse- Dichte - Messung Mikrowellen Messung 9. März 2016 / Seite 17

18 Theorie: Refraktometer 9. März 2016 / Seite 18

19 Refraktometer (Inline) Die Messung ist berührend im Prozess eingebaut Die Messung misst zu jeder Zeit kontinuierlich Messung erfasst die Konzentration oder TS vom Produkt. Die Kalibrierung erfolgt über Referenzmessung (oder bekannten Grössen / Tabellen) Kalibrierung erfolgt im Werk Eignet sich vor allem für Produkte ohne Schwebstoffanteil wie z.b. Zucker, Laugen, Zuckermassen, Sirup, Säfte, Hefe, etc. Allg. für Brix Messungen und Oechsle Gehalt Ist vielmals auch eine kostengünstige Variante. 9. März 2016 / Seite 19

20 Applikation: Refraktometer Brix Messung in Zuckerlöser Brix Anteil direkt im Lösungsprozess Überwachung und Steuerung des Prozesses 9. März 2016 / Seite 20

21 Theorie Coriolis Massemessung Sendet man einen Durchfluss durch den Sensor so erzeugt die Corioliskraft ein Phasenverschiebungssignal Dj proportional zum Massendurchfluss. m m m m m m m m m m Kein Durchfluss m m Durchfluss Die Messsignale werden von den Sensoren A und B erfasst und im Messumformer weiterverarbeitet Sensor A Sensor B Dj 9. März 2016 / Seite 21

22 Theorie Coriolis Dichtemessung Das Doppelrohr-Design wird in Resonanzfrequenz f R betrieben Die Resonanzfrequenz ist proportional zur oszillierenden Masse Hohe Dichte kleine Resonanzfrequenz Kleine Dichte Hohe Resonanzfrequenz Geräte-Kalibrierung erfolgt mit Wasser und Luft 3.5 kg 1.0 kg März 2016 / Seite 22

23 Coriolis Masse-/Dichtemessgeräte Misst eine abgeleitete Messgrösse / Coriolisprinzip Die Messung ist in einer Rohrleitung (Durchfluss) eingebaut Die Messung misst zu jeder Zeit kontinuierlich Die Kalibrierung erfolgt auf dem Werk Kalibrierstand Eventuelle abgeleitete Kurven können parametriert werden. Eignet sich vor allem für Durchfluss Applikationen zb wenn auch der Massedurchfluss erfasst werden soll. z.b. Rahm-, Milchstandardisierung, Püree, Mayonnaise, Oele, Sirup, etc. 9. März 2016 / Seite 23

24 Applikation: Milchstandardisierung Milchstandardisierung Messung direkt im Produktionsleitung für hohe Dichtegenauigkeit und MasseDurchfluss Messung Milch Eingang- und Ausgang Überwachung und Regelung des Milch-Fettgehaltes 9. März 2016 / Seite 24

25 Theorie: Mikrowellenmessung PHASE DÄMPFUNG 1. Mikrowellen verschieben Phasenlage 3. Mikrowellensignal Pegelveränderung 2. Mikrowellen erfahren eine Dämpfung Mikrowellensignal vor TRANSMISSION Mikrowellensignal nach TRANSMISSION 9. März 2016 / Seite 25

26 Mikrowellenmessung (Inline) Die Messung ist berührend im Prozess eingebaut. Nahezu unabhängig vom Produkt. Die Messung misst zu jeder Zeit kontinuierlich Messung erfasst die Konzentration oder TS vom Produkt. Die Kalibrierung erfolgt über Referenzmessung Kalibrierung direkt am Einbauort Eignet sich vor allem für Produkte mit Schwebstoffanteil oder mit anhaftenden Eigenschaften wie z.b. Quark, Käsemasse, Hefe, Schmelzkäse, Säfte mit Faseranteil, Instant Suppen, Kaffee, etc. 9. März 2016 / Seite 26

27 Applikation: Quark TS/Konzentration Konzentration Messung in Quark UF Anlage Messung direkt im Anlageausgang Überwachung Filterleistung 9. März 2016 / Seite 27

28 Weitere Messtechnik Durchflussmessgeräte Druckmessgeräte Füllstandmessgeräte Temperaturmessgeräte SIL Geräte (Sicherheit) Druck / Temperatur 9. März 2016 / Seite 28

29 Anwendungen zb. Energiemessungen/Erfassung Dampfmenge Überhitzter Dampf Sattdampf Kondensat Warmwasser Kühlmittel Gasmenge Luftverbrauch 9. März 2016 / Seite 29

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