Inline-Messtechnik Mikrowellen-Messtechnik vereint Präzision mit Robustheit

Autor / Redakteur: Karl-Heinz Theisen / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Zum genauen und permanenten Messen der Konzentration in Flüssigkeitsgemischen direkt im Produktionsablauf hat ein Hersteller eine Mikrowellen-Messtechnik entwickelt, deren mittlere Standardabweichung im Vergleich zu Laborergebnissen maximal ± 0,2 % beträgt.

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Bild 1: Die Mikrowellen-Messtechnik eignet sich auch für den Einsatz in rauer Industrieumgebung.
Bild 1: Die Mikrowellen-Messtechnik eignet sich auch für den Einsatz in rauer Industrieumgebung.
(Bild: Promtec Theisen)

Präzises und permanentes Messen der Konzentration in Flüssigkeitsgemischen ist für die direkte Regelung vieler Prozesse im Produktionsablauf essenziell. Das gilt nicht nur für die Lebensmittelindustrie, sondern etwa auch für die Abwasseraufbereitung oder Baustoffbranche (Bild 1). Ungenaue Messwerte führen dort zu Problemen im Prozessablauf oder können gar die Qualität des jeweiligen Produkts enorm beeinträchtigen. Auf der diesjährigen Sensor & Test in Nürnberg wurde nun eine neuartige Mikrowellen-Messtechnik vorgestellt, die den bisher etablierten Verfahren überlegen ist: Die mittlere Standardabweichung beträgt nur ± 0,1 bis 0,2 % zu den entsprechenden Laborergebnissen. Dadurch kann ein Inline-Monitoring per Mikrowellen-Messtechnik helfen, Ausfälle zu verhindern. Zudem ermöglicht es, die Produktionsprozesse besser zu regeln. Ohne vorhandene Inline-Messtechnik sind üblicherweise permanente Überprüfungen per Probeentnahme notwendig, um ein gleichbleibendes Produktionsergebnis zu gewährleisten. Diese werden meist mittels Probenauswertung im jeweiligen Betriebslabor vorgenommen.

Permanante Messung vor Ort ist besser als Stichproben

Doch schon auf dem Weg von der Entnahmestelle bis zum Labor kann das Messergebnis durch Umgebungseinflüsse verfälscht werden. Auch handelt es sich nur um eine Stichprobe. Besser wären dagegen permanente Messungen, die direkt vor Ort unter den immer gleichen Bedingungen vorgenommen werden. Dort setzt die Mikrowellen-Messtechnik von Promtec an. Unter optimalen Bedingungen können sogar kleinste Messabweichungen von ± 0,05 % des Feststoffanteils festgestellt werden (Bild 2). Das entspricht praktisch der Laborqualität, allerdings inline, also während des Herstellungsprozesses.

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Mikrowellen-Transmissionsmessung als optimale Lösung

Um diese Genauigkeit zu erreichen, wird ein Mikrowellenoszillator verwendet, der elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz erzeugt. Dieses Signal kann über einen Sensor durch ein beliebiges wasserhaltiges Medium geführt werden, das sich in einer festen Messgeometrie wie zum Beispiel einer Rohrleitung oder einem Tank befindet. Da die Mikrowelle von den freien Wassermolekülen absorbiert wird, verringert sich zum einen ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit und zum anderen wird sie proportional zum Wassergehalt gedämpft. Sobald die Mikrowelle den Empfangssensor auf der gegenüberliegenden Seite der Messgeometrie erreicht, werden Phasenverschiebung und Dämpfung gemessen, bewertet und daraus die Feststoffkonzentration berechnet. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es nicht auf die optische Durchlässigkeit eines Mediums angewiesen ist. Die elektromagnetischen Wellen durchdringen alle metallfreien, nicht leitenden Materialien und sprechen sehr gut auf Wasser an, da dieses mit seiner hohen Dielektrizitätszahl von 80 die elektromagnetischen Wellen stark absorbiert, wodurch ein gutes Messergebnis erreicht werden kann. Weil sich Mikrowellen zudem in Form von Feldern ausbreiten, erreichen die Messgeräte im Vergleich zu anderen Techniken wie Ultraschall, optischen, elektrischen und mechanischen Messverfahren eine wesentlich höhere Repräsentativität des Messergebnisses. Gleichzeitig wird das zu messende Medium nicht beeinflusst.

Diese Messgenauigkeit hat sich vor allem die Zuckerindustrie bereits zunutze gemacht (Bild 3). Aber auch Brauereien und Molkereien, die Baustoff- und die Papierindustrie sowie die Abwasser- und Biogasbranche setzen vermehrt zur Kontrolle in ihren Herstellungsprozessen auf die neue Mikrowellen-Messtechnik. Je nach Anwender und Einsatzbereich stehen zwei verschiedene Varianten zur Auswahl: µ-ICC 2.45 Standard oder µ-ICC 2.45 Compact.

Das Standardgerät ist ein Vierkanal-Messsystem

Das Standardgerät ist ein Vierkanal-Messsystem und damit bei mehreren Messstellen die preisgünstigere Variante. Das Compactgerät ist dagegen als Einkanal-Messsystem für Einzelanwendungen konzipiert. Das Gerät wird direkt an den Leitungen angebracht und misst dort inline das jeweilige Medium. Zur Auslegung eines Messsystems muss der Anwender nur Angaben zur Rohrleitungsdimension, zum Produkt, zur Temperatur, dem gewünschten Messbereich und der erwarteten Messgenauigkeit machen.

Nach der Installation wird das Messsystem zunächst individuell an die vorhandene Messbedingung und den gewünschten Messbereich angepasst. Dafür benötigt das Unternehmen etwa einen Tag. Der wichtigste Schritt ist dabei die Kalibrierung, das heißt die Skalierung des Messsignals entsprechend den im Betrieb üblichen Referenzwerten und Arbeitspunkten. Dazu werden Materialproben unter Betriebsbedingungen an der Messstelle entnommen und zeitgleich deren Laboranalysewerte mit den laufenden Messwerten korreliert. Weil die Geräte berührungslos funktionieren, also nicht verschleißen, fallen im Weiteren praktisch keine Wartungsarbeiten an. So wird selbst unter harten Einsatzbedingungen eine lange Lebensdauer gewährleistet. MM

* Karl-Heinz Theisen ist Geschäftsführer der proMtec Theisen GmbH in 76275 Ettlingen

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