Eingriffsfreie Durchfluss-Messung mit Ultraschall-Sensoren – wichtig für den EX-Bereich

EX-Bereiche sind Bereiche, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann. Dieses Risiko ist insbesondere dort gegeben, wo explosionsgefährliche Stoffe wie Stäube oder Flüssigkeiten hergestellt, verarbeitet, transportiert oder gelagert werden. Gerade in der chemischen Industrie mit ihren oft aggressiven und toxischen Medien setzen Anwender daher auf eingriffsfreie Messtechnik.

Neue Geräte bieten denn auch eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Medien, Aggregatzustände, Rohrmaterialen und -dimensionen wie auch Druck und Temperatur. Dazu genutzte „Clamp-on“-Ultraschall­Sensoren werden einfach auf der Außenseite eines Rohrs montiert, üblicherweise sogar bei laufendem Betrieb. Durchflussmessung von der Rohraußenseite bedeutet Messen von der sicheren Seite – ohne jeden Verschleiß durch das Medium, ohne Leckage-Risiko, und ohne einen Druckverlust und damit Beeinträchtigung der Anlagenverfügbarkeit.

Besonderheiten des EX-Bereich

Solche Vorteile auch in explosionsgefährdete Bereiche zu transportieren und zwar ohne Kompromisse hinsichtlich der Messgröße und Messgenauigkeit machen zu müssen, ist sicher eine Herausforderung. Aktuelle Ultraschall-Systeme messen dazu den Durchfluss nach dem Laufzeitdifferenzverfahren. Aus der Differenz der Laufzeit von Ultraschallsignalen, die mit und gegen die Strömungsrichtung in das Rohr eingestrahlt werden, errechnet der Umformer die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und letztlich den Volumenstrom.

Im Inneren des druckfest gekapselten Gehäuses sorgt ein leistungsfähiger Prozessor für die nötige Mess-Performance. Die schnelle Messwertausgabe (auch etwa per WLAN direkt in die EDV) erlaubt die Erfassung hochdynamischer Prozesse in Echtzeit. Mess-Umformer und Sensoren werden in einem patentierten Verfahren unabhängig voneinander und ohne den Einfluss anwendungsbedingter Störgrößen kalibriert. Dadurch ist jederzeit eine hohe Messgenauigkeit sichergestellt – egal, in welcher Kombination das Messsystem eingesetzt wird.

Hohe Flexibilität für zusätzliche Anwendungsbereiche

Ein solches „Clamp-on“-Gerät misst praktisch alles was fließt. Konkret heißt dies: Die Flüssigkeitsgeräte eignen sich zur eingriffsfreien Durchflussmessung von praktisch allen flüssigen Medien, von der dünnsten Leitung bis zum größten Rohr – unabhängig vom innen herrschenden Druck und das über einen großen Temperaturbereich. In Verbindung mit einer entsprechenden Sensor-Anbringung für Extrem-Temperaturen kann der Durchfluss von Flüssigkeiten in einem Temperaturbereich von -190°C (zum Beispiel im Fall von LNG) bis über 600°C eingriffsfrei gemessen werden. Die Technologie der Flüssigkeitsgeräte ermöglicht eine zuverlässige Durchflussmessung auch von Flüssigkeiten mit erhöhtem Feststoff- beziehungsweise Gasanteil.

Foto: 279photo

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Nachhaltigkeit im Vordergrund: Wasser als Kältemittel einsetzen

Um eine funktionierende Kreislaufwirtschaft in ihrer Gesamtheit ökologisch sinnvoll umzusetzen, müssen, neben der Steigerung des Kunststoffrecyclings und eines umfangreichen Rezyklat-Einsatzes, auch die CO2- Emissionen der Verarbeitungsprozesse gesenkt werden.

Das Grundproblem der kunststoffverarbeitenden Industrie ist eine stets notwendige Kälteversorgung, meist basierend auf energieintensiven Prozessen in Kombination mit Kältemitteln, die ein hohes Treibhausgas-Potenzial haben. Einige Kunststoff-Verarbeiter setzen mittlerweile auf Wasser als natürliches und vor allem CO2-neutrales Kältemittel in ihren Kühl- und Kältemaschinen. Für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft reicht es eben nicht aus, die Materialbeschaffenheit des Produktes hinsichtlich Nachhaltigkeit zu optimieren. Extruder, Spritzgießmaschinen oder auch Walzen – Kühlung spielt beim Verarbeiten von Kunststoffen eine große Rolle – es ist sogar qualitätsentscheidend, dass es zu keinen großen Temperaturschwankungen kommt.

Laut dem International Institute of Refrigeration werden acht Prozent der globalen Emissionen allein durch die Kälteindustrie verursacht, schreibt Angelika Thum von Efficient Energy in der Fachzeitschrift ‚Plastverarbeiter’. Mit dem Umstieg auf natürliche Kältemittel wie Wasser, Luft, Ammoniak, Propan oder CO2 könnten die direkten Emissionen fast komplett vermieden werden. Die entsprechenden Kältetechnologien sind verfügbar, in der Industrie bereits erprobt und können mittlerweile auch den gesamten Kältebedarf abdecken.

Wasser – ein natürliches und unproblematisches Kältemittel

Mit Themen wie Treibhauspotenzial, Toxizität oder Explosivität des Kältemittels müssen sich Betreiber einer Kältemaschine mit dem Medium Wasser nicht mehr beschäftigen. Auch aus Sicht der Energieeffizienz hat Wasser aufgrund seiner hohen Verdampfungswärme einen Vorteil gegenüber F-Gasen (fluorierte Treibhausgase).

Gesetzesvorgaben zur Senkung der CO2-Aquivalente von F-Gasen führten und führen dazu, dass manche Kältemittel zur Ganze verboten und andere in weniger als zehn Jahren vermutlich mehrfach wechseln werden. Dies hat Engpässe, Preissteigerungen, einen erhöhten Wartungsaufwand von Bestandsanlagen und im Zweifelsfall eine eingeschränkte Betriebssicherheit zur Folge. Zudem müssen F-Gase transportiert, gelagert, bereitgestellt und entsorgt werden. All diese Punkte entfallen beim Verwenden von Wasser und helfen Unternehmen, ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren.

Unter diesen Gesichtspunkten ist auch das Konzept ‚Free Cooling’ sehr interessant. In dieser freien Kühlung wird bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen der typischerweise zum Einsatz kommende Verdichter seine Drehzahl reduzieren beziehungsweise komplett ausgeschaltet. Dadurch wird die dort benötigte Energie eingespart und die Betriebskosten der Kälteanlage noch einmal reduziert.

Foto: visoot

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Egal, ob Flüssigkeiten oder Schüttgüter: In Zukunft geht das Messen mit einem Gerät

Die neue Generation von Messgeräten folgt der Maxime eine Füllstandmessung mit Radargeräten radikal zu vereinfachen. Die Entwicklung zu diesem Stand der Messtechnik wurde bereits vor 20 Jahren in Gang gesetzt und jetzt sind die Anbieter dabei, endgültig eine Entscheidung zwischen Schüttgütern und Flüssigkeiten aufzuheben.

Seit 2016 setzt der Hersteller Vega aus Schitach bei seinen Entwicklungen konsequent auf die 80-GHz-Technologie, die sich durch eine besonders genau Signalfokussierung, große Dynamik und einer hohen Sicherheit vor Störungen auszeichnet. Dazu kommt ein besonders schmales Signalecho, so dass es möglich wird, sehr kleine Abstände zwischen dem Sensor und der zu messenden Oberfläche einzuhalten. Eine Eigenschaft, die entscheidend bei Schüttgut-Anwendungen ist.

Mit der neuen Generation der Mess-Aparaturen (hier das „Vegapuls 6x“) konnte diese Eigenschaft so weit verfeinert werden, dass eine Unterscheidung zwischen Flüssigkeiten und Schüttgütern nicht mehr relevant ist. So ist es bei Schüttgütern möglich in den Silos die Entfernung zwischen Sensor und Oberfläche von 80cm auf 30cm zu verkleinern und damit (wirtschaftlicher Vorteil!) das Silo-Volumen besser auszunutzen.

Den SIL-Level neu definieren

Von Anlagen und Maschinen können Risiken ausgehen, die so bedrohlich sind, dass ihnen Menschen und Umwelt unter keinen Umständen ausgesetzt werden dürfen. Ist eine solche Gefährdung gegeben, müssen die vorhandenen Risiken reduziert werden, um dem Sicherheitsbedürfnis Rechnung zu tragen. Eine Messgröße hierfür ist der „Safety Integrity Level“ (SIL), der die Risikoreduzierung quantifizierbar macht. Letztlich ist SIL aber auch ganz klar eine Geräteeigenschaft.

Auch für diesen Aspekt hat die Applikation von Vega Sorge getragen. Solche 80-GHZ-Anwendungen müssen von Grund auf anders entwickelt werden, wenn die Anforderungen auf funktionale Sicherheit nach gehobenen SIL Wirkung zeigen soll. Der neue Radar-Chip erreicht denn auch Ausfallraten die die bisherigen Standards um das Zehnfache übersteigen. Erreicht wird dies vor allem durch neuartige Selbsttests, bei denen das Testsignal ganz vorne an der Antenne eingespeist und damit die komplette Messkette von besagter Antenne bis zum Sensor berücksichtigt wird. Das drückt die Ausfallrate nahezu gegen Null, wie der Hersteller heraushebt.

Vorteile für die Chemie-Industrie

Und noch etwas ließ sich realisieren: Für die Chemie-Industrie konnte der Druck- und Temperatur-Bereich der Geräte erkennbar erweitert werden. Erreicht wird dies dadurch, dass die bisher mit Kunststoffen gefüllten Antennen nun auch keramisch befüllt werden können, wodurch Anwendungen mit Temperaturen von -196°C bis +450°C und Drücken zwischen -1bar und +160bar möglich werden.

Die Tendenz ist eindeutig: Die Anwender entscheiden einfach anhand ihrer Anwendung wie das Gerät konfiguriert wird. Und das möglichst unkompliziert.

Foto: arborpulchra

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Mängel, Kosten, unterbrochene Produktionsprozesse: Einfach vermeidbar durch Oberflächen-Reinigung

Die Produktion hochwertiger Teile ist ja durchaus Tagesgeschäft der kunststoffverarbeitenden Industrie. In der Produktion wird nicht selten auf die Formen der Auftraggeber zurückgegriffen. Dabei ist es unabdingbar, die zur Verfügung gestellten Werkzeuge pfleglich zu behandeln, denn sofern Schäden auftreten, leidet natürlich die Reputation des verarbeitenden Unternehmens. Aber nicht nur das: Der Wettbewerbsdruck zwingt Thermoplastverarbeiter zudem zu maximaler Effizienz und stetig steigende Qualitätsansprüche.

Bei der Thermoplastverarbeitung bleiben meist kleine Mengen des Polymers, der Additive und der Pigmente auf der Oberfläche zurück. Mit der Zeit entstehen so Ablagerungen, die sich auch auf die Oberflächenqualität der Teile auswirken. Damit droht eine Zunahme an Ausschuss – und es entsteht ein klares ökonomisches Risiko. Tatsächlich können sich schon wenige mangelhafte Teile sich auf eine ganze Charge auswirken.

Wird eine solche Charge dennoch ausgeliefert, drohen Konsequenzen wie Reklamationen oder eine schlechtere Lieferantenbewertung. Und im schlimmsten Fall ist die Kundenbeziehung in Gefahr. Die Bildung solcher Rückstände ist ein langsamer und stetiger Vorgang, der keineswegs immer synchron verläuft. So neigen bestimmte Polymere, Zusatzstoffe und Pigmente bei langen Produktionszyklen stärker zu Ablagerungen, andere weniger. Polyamide, PVC, Acetale und zahlreiche andere Stoffe sammeln sich beispielsweise vermehrt an, Polyolefine hinterlassen Wachs und eingeschlossene Pigmente auf Hohlraumoberflächen.

Wie geht man bei der Wartung vor?

Die Frage, wie die Wartung abläuft, ist keineswegs banal. Die Qualitätsunterschiede werden hier erst in letzter Konsequenz deutlich. Um die unvermeidlichen und häufig erheblichen Wartungskosten sowie Stillstandzeiten zu reduzieren, ist das regelmäßige Verwenden von Formenreinigern zu empfehlen. Von Vorteil ist dabei, dass Kunststoffverarbeiter bereits mit geringer Produktmenge und Zeitaufwand von nur wenigen Minuten für eine regelmäßige Reinigung, viel Geld, Zeit und Ausschuss sparen können.

Worauf gilt es besonders zu achten? Noch vergleichsweise einfach ist das Überprüfen auf Bindenähte, Blasen und Oberflächenfehler. Dieses kann direkt an der Maschine erfolgen und das zeitnah. Teilweise verstopfte Entlüftungen (wie etwa Entlüftungsstifte) sind unter Umständen bereits deutlich schwieriger ausfindig zu machen. Sie sind aber sehr wichtig im Prozess, denn verunreinigte Formteile und Werkzeuge können das Füllen eben deutlich beinträchtigen. Ein gutes Hinweis ist auch, wenn auf strukturiertem Oberflächen ein zunehmender Oberflächenglanz auftritt – was aber oft nur schwer zu erkennen ist.

Quelle: Laurent Saleur (Chem-Trend) in der Fachzeitschrift Plastverarbeiter 9/2021

 Foto: Всеволод Чуванов

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