Messtechnik für jede Herausforderung

Die bessere Sichtbarkeit aller Prozessschritte geht in der Lebensmittelindustrie Hand in Hand mit den Sensoren, die zum Einsatz kommen. Doch den optimalen Sensor zu finden, kann eine Herausforderung für die Produzenten sein. So auch bei Froneri am Standort Goldach in der Schweiz. Hier stellt das Unternehmen verschiedene Glacesorten (Speiseeis) von namhaften Lizenzgebern her. Während in der Nebensaison bis zu 50 Tonnen Glace täglich entstehen, ist es in der Hauptsaison fast das Doppelte. Voraussetzung für die Herstellung solcher Mengen ist eine effiziente Produktion. Infolgedessen hat Froneri als Optimierungsmaßnahme die Schwimmer in den Mixtanks durch zwei Sensoren von Baumer zur Füllstandskontrolle ersetzt: Zum Einsatz kommen der Drucksensor PBMN Flush sowie der Füllstandssensor CleverLevel LBFS. Serkan Sezgin, Supervisor Automation bei Froneri und zuständig für die Ablaufoptimierung, hat sich bewusst für eine Doppellösung aus Druck- und Füllstandssensor entschieden, denn: „Der Einsatz des zusätzlichen Drucksensors war eine Idee von Baumer. Durch die präzisen Sensoren und die doppelte Absicherung konnten wir die Ausfallzeiten deutlich minimieren.“ Der CleverLevel LBFS überwacht dabei den Füllstand in Echtzeit und meldet, wenn der Tank leer wird. Gleichzeitig stellt der Sensor fest, welches Medium sich im Tank befindet und verifiziert, ob die richtige Mischung für die zu produzierende Eissorte verwendet wird. Der zusätzlich angebrachte Sensor PBMN Flush liefert dank präziser Druckmessung über den gesamten Temperaturbereich einen noch genaueren Füllstandswert, so dass eine Kontrolle stets sichergestellt ist. Die Füllstandsüberwachung mittels eines solchen Prozesstransmitter basiert auf der hydrostatischen Messmethode. Der Transmitter wird im oder nahe am Tankboden installiert und erfasst den dort herrschenden Druck. Eine nachgelagerte Logik errechnet auf der Grundlage dieses Werts und der Dichte dann das Niveau im Tank. Voraussetzung für eine solche Messung ist allerdings eine Belüftung des Behälters.

Das Beispiel zeigt: Bevor es an die Auswahl der konkreten Sensoren und Messgeräte geht, ist zunächst das am besten geeignete Messverfahren zu bestimmen. Ob Feuchtigkeit, hohe Prozess- und Reinigungstemperaturen, aggressive Medien und Reinigungsdrücke bis zu 100 bar – die Sensorik muss störungsfrei funktionieren, insbesondere dann, wenn es um Prozesse geht wie beispielsweise Ultra-High-Temperature-Verfahren (UHT). Sie dienen dazu, unerwünschte Mikroorganismen zu zerstören und gleichzeitig die physikalisch-chemischen Eigenschaften des jeweiligen Produkts zu erhalten, um die Haltbarkeit zu erhöhen.

Zur Kontrolle der Wärmeübertragung bedarf es einer Instrumentierung für Temperatur, Durchfluss und Druck. Angesichts von Temperaturen bis 135 Grad Celsius und anderen herausfordernden Bedingungen wie aggressiven Reinigungsmitteln kommen bei der Drucküberwachung in einer UHT-Anlage häufig frontbündige Drucktransmitter zum Einsatz. Deren Membranen widerstehen normalen Prozessbedingungen über einen langen Zeitraum ohne Einschränkung. Allerdings kann eine Dauerbelastung, hervorgerufen durch einen 24-Stunden-Betrieb mit entsprechenden Reinigungsverfahren, selbst eine solide Membran abnutzen und beschädigen, etwa in Folge heftiger Druckstöße (Wasserhammer-Effekt). Durch den Riss oder die Perforation kann Druck-Übertragungsflüssigkeit in den Prozess sickern. Umgekehrt gelangt Produkt hinter die Membran, verbleibt dort und bildet eine Keimquelle.

Ein Worst-Case-Szenario das sich mit dem WIKA-Drucktransmitter DMSU21SA dank integrierter Membranüberwachung vermeiden lässt. Das Messsystem arbeitet mit einer verschweißten Doppelmembran, deren Zwischenraum evakuiert ist. Wird die prozessseitige Membran beschädigt, hebt sich das Vakuum auf und das Überwachungsgerät (Druckschalter) setzt ein Alarmsignal ab. Der Hersteller wird zeitgleich über den Vorfall informiert und kann sofort Gegenmaßnahmen einleiten. Bis zur Schadensbehebung hält die zweite Membran den Prozess sicher geschlossen. Der DMSU21SA lässt sich problemlos nach dem Plug&Play-Prinzip in Betrieb nehmen. Das Messsystem kommuniziert per HART-Protokoll und ist daher auch in digitalisierte Strukturen integrierbar.

Konstante Produktqualität, Anlagensicherheit, Wirtschaftlichkeit – dies sind auch bei der Auswahl von Sensoren zur Bestimmung des Inhalts von Rohrleitungen wichtige Aspekte. Für Lebensmittelproduzenten ist eine umfassende Auswahl unterschiedlicher Messprinzipien verfügbar, um ihre Fluidströme genau zu kontrollieren. Dazu zählen Trübungssensoren, Leitfähigkeitssensoren und Masse-Durchflussmesser. Eine weitere Methode basiert auf der Messung der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit – das heißt ihrer Fähigkeit, elektrische Ladungen zu halten. Dazu wird ein Sensor verwendet, der die Flüssigkeit, die sich durch die Rohrleitung bewegt, identifiziert, indem ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld induziert wird. Verschiedene Flüssigkeiten haben eine unterschiedliche Dielektrizität, wodurch sie sich voneinander unterscheiden lassen. Für Matti Järveläinen bietet diese vierte Methode vor allem in milchverarbeitenden Prozessen handfeste Vorteile.

„Durchflussmesser haben eine sehr geringe Genauigkeit. Trübungssensoren wiederum können transparente Flüssigkeiten, wie konzentrierte Molke, nicht von Wasser unterscheiden und werden durch dicke Flüssigkeiten wie Rahm verstopft“, so der CEO von Collo, einem finnischen Hersteller von Systemen zur Flüssigkeitsanalyse. Er gibt ein weiteres Beispiel, bei dem klassische Leitfähigkeitssensoren an ihre Grenzen stoßen: „Die elektrische Leitfähigkeit von Produkten auf Milchbasis liegt nahe an der von Wasser, was zu einer geringen Empfindlichkeit bei der Erkennung von Produktschnittstellen führt“, so Järveläinen. Hunderte von Litern Produkt gehen so oft verloren, wenn das flüssige Produkt durch Wasser verdrängt wird, indem es von einem Verarbeitungsschritt zum nächsten gepresst wird.

Häufig wird bis zu einem Prozent der Milchproduktion zwischen den Produktchargen verschwendet. Die Verluste an den Auspresspunkten, von denen es Hunderte geben kann, summieren sich bis zum Ende des Prozesses auf. Mit der richtigen Messtechnik lässt sich jedoch der Beginn der nächsten Charge exakt ermitteln. Entsprechende Sensoren von Collo wurden deshalb vor kurzem an vier Stellen in der Milchannahme einer Molkerei installiert, die jährlich 243 Millionen Liter Rohmilch verarbeitet. Das Werk hatte zuvor Durchflussmesser für die Steuerung der Auspressvorgänge verwendet. Aufgrund ihrer geringen Genauigkeit führte das Timing zu Verlusten in Höhe von 600.000 Litern pro Jahr. Mit der höheren Genauigkeit der dielektrischen Sensoren von Collo konnten die Verluste auf 5.000 Liter reduziert werden – eine Verringerung um mehr als 99 Prozent! Aber das sei noch nicht alles. „Mit der vielseitigen Technologie von Collo können wir auch helfen, in den Anlagen den Wasserverbrauch zu senken, ein Bereich, der für unsere Kunden und die Gesetzgeber gleichermaßen von großem Interesse ist“, schließt Järveläinen.