Messtechnik in der Getränkeindustrie heute

Automatisierung basiert auf den Signalen von Sensoren. Das war auch schon gestern so. Nachfolgend möchten wir betrachten, wie sich Technologie und Einsatz von Messtechnik in den letzten Jahren verändert haben und welche Möglichkeiten sich heute daraus für die Getränkeindustrie ergeben.

Temperaturmesstechnik:

Die Temperaturmesstechnik ist weitgehend normiert. Die Genauigkeitsklassen sind definiert. Die Funktion des sensitiven Elementes, des Pt100 oder Pt1000 ist bekannt und nur wenig beinflussbar. Der Unterschied ergibt sich daher im Aufbau des Sensors selbst. Hierüber lässt sich eine deutliche Verkürzung der Reaktionszeit, der t90-Zeit, erreichen. Die Sensor-on-Tip-Technologie, die in den Quicksens Sensoren verbaut ist, sorgt z. B. dafür, dass das Messelement nahestmöglich am zu messenden Prozess verbleibt. Bei Sensoren, die ohne Schutzrohr montiert werden, beträgt die t90-Zeit damit 0,75 Sekunden für den 3 mm Messeinsatz. In der Anwendung kann z. B. die Steuerung von Wärmetauschern durch diese kurzen Ansprechzeiten deutlich optimiert werden. Vorderhand lässt sich so Energie einsparen. Zusätzlich kann durch die besondere Konstruktion die Eindringtiefe auf 35 mm verringert werden, ohne dass externe Einflüsse die Messung oder die Kalibrierung negativ beeinflussen. Im Zusammenspiel mit dem enger gefassten Kontrollfenster der Temperatursteuerung ergibt sich damit eine Qualitätsverbesserung im behandelten Getränk.

Sensoren für raue Umgebungen

Es gibt allerdings auch Prozessbedingungen, die mechanisch hohe Anforderungen an die Sensoren stellen. Dabei muss die Reaktionsgeschwindigkeit hinter der Robustheit zurückstehen. Bei Anwendungen, z. B. in direkter Nähe vom Pumpen, Homogenisatoren oder Separatoren sorgt ein Sensoraufbau wie der des Strong- Sens dafür, dass das Gerät eine hohe Lebensdauer erreicht. Das Sensorelement und die Verkabelung werden dazu in besonderer Weise geschützt. Kräfte bis zu 60 g können auf diesen Sensor einwirken, ohne ihn zu beschädigen. Der Betreiber kann dem Signal deutlich länger trauen und die Kalibrierzyklen den Standardmessstellen anpassen. In Anwendungen, in denen Temperatur als kritischer Kontrollpunkt, CCP, definiert ist, kann es Sinn machen, ein besonderes Augenmerk auf die einfache Möglichkeit zur Kalibrierung zu legen. Quickneck Technologie ermöglicht es, den Sensor bei laufendem Betrieb aus dem Prozessanschluss zu entfernen. Er bleibt dabei verkabelt, so dass die komplette Messstelle bis in die Steuerung überprüft und kalibriert werden kann. Der enge Kontakt zwischen Sensorelement und Schutzhülse wird dabei mit einem federbelasteten System sichergestellt, so dass auch hier die t90-Zeit in einem guten marktüblichen Bereich von 9,5 Sekunden liegt. Die Kalibrierung kann sehr schnell, ohne Betriebsunterbrechung und ohne nachfolgende Reinigung der Anlage durchgeführt werden. Das stellt insbesondere in CCP mit hoher Kalibrierhäufigkeit einen klaren Vorteil dar.

Füllstandmesstechnik

Die physikalischen Messprinzipien haben sich auch hier nicht geändert. Ultraschall, Radar, kapazitive, konduktive und mechanische Systeme füllen den Korb der eingesetzten Technologien. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandmessung stellt die Auswahl der passenden Technik für die jeweilige Anwendung weiterhin die größte Aufgabe dar. Know-how der Zulieferindustrie und online verfügbare Auswahltools helfen, das richtige Gerät zu finden. Bei Füllstandschaltern ist seit Jahrzehnten die vibronische Grenzstandmessung des Liquiphant eine erprobte und sichere Lösung. In einigen Randbereichen, insbesondere bei der Verarbeitung ganzer Früchte, aber auch bei hochviskosen Medien gibt es besondere Anforderungen, die mit anderer Technik besser gelöst werden können. Kapazitive Schalter sind ebenfalls schon lange im Einsatz. Da sie auf die jeweiligen Produkteigenschaften eingestellt werden müssen, weisen sie aber nicht die Flexibilität des Liquiphant auf.

Um diese zu erhalten, hat Endress + Hauser den Liquipoint FTW 33 entwickelt. Er ist ebenso unempfindlich gegen Beläge und bietet die Möglichkeit, Schaum zu erkennen oder aber auch gezielt auszublenden. Die Messung beruht auf einer Kombination von kapazitiver und konduktiver Messung. Damit bleiben die guten Eigenschaften des Liquiphant erhalten, zusätzlich kommt der Sensor aufgrund seiner Bauform mit einer minimalen Eindringtiefe aus. Produktschonung und konsequente Umsetzung des hygienischen Designs helfen bei der Produktion und bei der Reinigung, ohne die Schaltsicherheit und Flexibilität zu verlieren. Der Liquiphant wurde dafür in den Letzten Jahren für umfangreichere Aufgaben weiterentwickelt. Zusammen mit einem Temperatursignal und einem Dichterechner FML621 kann mit einer speziell kalibrierten Version sowohl in Rohrleitungen als auch im Tank die Produktdichte gemessen werden. Damit steht ein sehr robustes Gerät mit hoher Wiederholgenauigkeit zur Prozessoptimierung zur Verfügung.

Durchflussmesstechnik

In der Getränkeindustrie geht der Trend zu kompakteren Sensoren. Geringerer Aufwand bei der Halterung der Geräte bei kleinen Durchmessern kommt den Anlagenherstellern zu Gute. Geringerer Materialeinsatz bei kleineren Sensoren ermöglicht den Sensorherstellern, in Zeiten steigender Rohstoffkosten mit geringerem Aufwand zu fertigen. Die Überarbeitung des Promag H Sensors hat zu einer Gewichts/Volumensreduktion von bis zu 35 % geführt. Gleichzeitig wurden hygienische Prozessanschlüsse für die Durchmesser DN 125 und 150 entwickelt. Wachsende Betriebsgrößen verlangen nach größeren Rohrleitungen, um Produkte weiterhin mit vertretbarem Energieeinsatz und ohne den Einfluss von Scherkräften pumpen zu können. Die Sensoren bis DN 100 können in der neuen Ausführung mit bis zu 40 bar Prozessdruck betrieben werden. Die letzten beiden Anforderungen kamen hauptsächlich aus der Molkereiindustrie, werden aber in Zeiten größerer Betriebseinheiten wohl auch in der Getränkeherstellung zukünftig öfter zum Einsatz kommen.

Flexible Sensor- und Transmitterkombinationen

Die neue Ausrichtung der Durchflusssensorenfamilie von Endress+Hauser, Sensor und Transmitter so zu trennen, dass jeder Sensor mit jedem Transmittter genutzt werden kann, findet seinen Anfang mit der Proline 100. Das Gerät basiert auf einem sehr kompakten Transmitterkonzept, das direkt am Sensor auf ein Display verzichtet. Dafür ist das Gehäuse sehr leicht und mit IP 69K sehr gut gegen Wasser geschützt. Der Sensor ist für die Integration in Maschinen und Anlagen gedacht, die über eine Visualisierung verfügen. Der Transmitter verfügt über einen integrierten Web Server, ist aber auch über Protokolle wie Ethernet, Profibus, HART und 4−20 mA anzubinden. Die Konfiguration erfolgt bei digitaler Integration über die Fieldcare Software vom Kontrollsystem aus. Ethernet bietet die Möglichkeit, insbesondere bei einer Kombination von Rockwell Automation und Endress + Hauser Technologie, durch die Nutzung der voreingestellten Faceplates einfache Plug and Play Installationen durchzuführen. Die magnetisch Induktiven Sensoren werden eher breiter eingesetzt, z. B. in der CIP-Anlage. Neben dem Durchflusssignal können damit auch die Temperatur und die Leitfähigkeit gemessen und angezeigt werden. Um alle Signale parallel zu nutzen, muss digital mit der Steuerung kommuniziert werden. In diesem Fall kann auch die neue Heart-Beat-Technologie genutzt werden. Der Sensor unterstützt damit aktiv die vorbeugende Wartung. Damit können auch wiederkehrende Kalibrierintervalle durch Verifizierung verlängert werden. Die Vielfalt der Signale, die ein Sensor zur Verfügung stellen kann, wird zukünftig einfacher zugänglich sein, der Installationsaufwand verringert sich.

Analyse

Leitfähigkeit kann auch zukünftig mit einem speziell dafür entwickelten Sensor gemessen werden. Der Smartec S CLD134 mit seiner integrierten Konzentrationsberechnung bekommt aber zusätzlich einen einfacheren Sensor, den CLD18, zur Seite gestellt. Sein Einsatzfeld ist z. B. Phasenwechsel bei Produktion oder Reinigung. Daneben wurde der Einsatzbereich von Isfet pH und amperometrischen Sauerstoffsensoren erweitert und für Getränkeanwendungen optimiert. Digitale Technologie, die Memosens Übertragung von Signal und Versorgungsstrom, konnte dabei auf alle gängigen Parameter ausgeweitet werden. Für diese Sensoren stehen zwei Klassen Transmitter bereit. Der CM4X kann bis zu fünf Geräte über einen Transmitter versorgen und am Display anzeigen. Auch er verfügt über Ethernet- Kommunikation und einen integrierten Webserver. Auf der anderen Seite kann ein ganz einfacher Transmitter, der CM14, einen einzelnen Sensor versorgen und seine Ergebnisse lokal anzeigen. Die Umstellung der Trübungsmessung OUASF11 von kostenintensiven Speziallampen auf Standard Industrieleuchtmittel hat einen nachhaltigen Einfluss auf die Lebensdauer und die Wartungskosten dieser Systeme. Sie werden sowohl im Prozess zur Detektion von Phasenwechseln als auch im Abwasser zur Erkennung von ungewollten Produkteinleitungen eingesetzt. Alle Veränderungen sollen dem Anwender ermöglichen, einfache und verlässliche Technik an den relevanten Messpunkten zu installieren. Prozessoptimierung und durchgehende Qualitätsüberwachung sind damit möglich.

Druckmessung

Die grundsätzlich eingesetzte Technologie hat sich bei Druckmessung nicht geändert. Die Sensoren wurden ebenfalls für bestimmte Aufgabenbereiche weiter optimiert. So hat der Füllstandsensor Deltapilot FMB70 einen kleinen „Bruder“ zur Seite gestellt bekommen: Der FMB50 hat die gleiche kondensatdichte Messzelle, die in Anwendungen an gekühlten Lager Misch- oder Gärtanken sehr wichtig ist. Aber er muss auf die Möglichkeit der Linearisierung von Behältern und damit der Umrechnung von Drucksignal in Füllhöhe oder Volumen verzichten.

Zusammenfassung

Die Sensorentwicklung ist mit der der Getränkeindustrie zu vergleichen. Statt Eigenmarken gegen Markenprodukte heißt es hier allerdings einfache Sensoren mit sehr fokussiertem Einsatzbereich abzuwägen gegen Sensoren, die vielfältige Signale bieten. Tatsächlich geht es darum, die jeweils optimale Auswahl für eine Anwendung zu finden. Die Integration und Nutzung der Geräte nähert sich dem, was der Verbraucher von seinem Heim-PC gewohnt ist. Webserver machen auch Sensoren zugänglich, die nicht in einem Steuerungsnetzwerk eingebunden sind. Die Technik wird dabei immer weiter für den Einsatz in der besonderen Umgebung der Getränkeherstellung optimiert. Unempfindlichkeit gegen Kondensat, Wasser, Vibrationen, sowie die Kalibrieranforderungen der Getränkebranche werden mit jeder Gerätegeneration mehr berücksichtigt.