Praxis & Technik

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Feuchtemessung in industriellen Prozessen

Beispiele für Feuchtemessaufgaben und die Abstimmung auf die Messtechnik

Teil 1: Materialfeuchtemessverfahren

Messaufgabe

von Dr. Ing. Roland Wernecke

Wareneingangskontrolle Freigabe, Reklamation von Produkten Steuerung Optimale Prozessführung

Eingegrenzter Mess- und Genauigkeitsbereich; einfache Handhabung, kurze Messzeit

Prozessüberwachung Sicherheitsrelevanz, EX-Zone, hohe Drücke

Zertifitiert zum Beispiel ATEX zugelassen, redundante Ausführung, Fehlererkennung

Stichprobenmessung Offline-Messung, Produktionsüberwachung Messdatendokumentation

Handlich, portabel, Justagefunktionen, Vergleichbarkeit von Geräten untereinander, Datenspeicherfunktion

Warenendkontrolle Einhaltung von Standards, Normen, Dokumentation

Datenspeicherung, Rückführbarkeit der Messwerte, Ausgabe von Messprotokollen

Besonderheiten der Materialfeuchtemessung Die Messverfahren, mit denen die Feuchte in einem Produkt gemessen werden kann, sind sehr vielfältig. Es gibt zirka zehn Messverfahren zur Feuchtebestimmung an festen Stoffen (so genannte Materialfeuchtemessverfahren) und zirka 15 Messverfahren zur Gasfeuchtemessung (so genannte Gasfeuchtemessverfahren). Alle Gasfeuchtemessverfahren sind prinzipiell auch geeignet für die Materialfeuchtemessung. Es wird unterschieden zwischen den direkten und indirekten Messverfahren (Abb. 1, Seite 8). Die direkten Materialfeuchtemessverfahren geben eine unmittelbare Aussage zum Wasseranteil im Messgut; sie sind aber kaum online einsetzbar (Referenzmethoden). Die indirekten Materialfeuchtemessverfahren geben eine Aussage zu Feuchteeigenschaften des Messgutes; sie sind online einsetzbar, benötigen jedoch eine Kalibration. Entsprechend der Differenziertheit der Messaufgaben sind unterschiedliche Anforderungen an die Messtechnik zu stellen. In diesem Zusammenhang wird unterschieden zwischen ▼ den Parametern der Anlagen, in die die Messtechnik installiert werden soll

▼ der Materialspezifik (Eigenschaften des Messgutes) ▼ der Spezifik der ausgewählten Messmethode und der Messtechnik. Alle drei Bestandteile müssen aufeinander abgestimmt sein. Unter dem Begriff der Anlagenspezifik werden in diesem Zusammenhang die Bedingungen an der Messstelle verstanden: ▼ Ein- oder Austrag von Feuchte ▼ Temperaturführung und Temperaturschwankungen ▼ Undichtheiten in der Anlage ▼ Einfluss bei Änderung des Umgebungsklimas ▼ Stillstandszeiten und Produktionsstopps ▼ nicht optimale Prozessführung. Die Materialspezifik umfasst Kriterien wie ▼ hygroskopische Produkt eigenschaften ▼ Temperaturverhalten des Produktes ▼ Konsistenz und mechanische Eigenschaften (lose, homogene Struktur; inhomogene Materialien wie biologische Materialien; dünne, flexible Stoffe; teigförmige Stoffe, die ihre Form ändern und stark anhaften) ▼ Art der Wasserbindung im Material ▼ Konstanz der Materialeigen schaft während der Produktion. 

Die Spezifik der Messtechnik bezieht die Eigenschaften der Messmethode und der technischen Parameter der Messsonde ein: ▼ Messbereich der Sonde ▼ Eindringtiefe des Messsignals in das Produkt ▼ Einfluss von Querempfindlich keiten (zum Beispiel Druck, Temperatur, Schüttdichte) auf das Messergebnis ▼ Art und Aufwand der Kalibration der Sonde auf der Basis von Normen ▼ Aufwand für Wartung und Service ▼ möglicher Einfluss der Sonde auf den Prozessablauf (berührungs los messend; Veränderung des Temperaturprofils innerhalb der Anlage etc.). Bevor diese spezifischen Betrachtungen zur Anlage, zum Produkt und zur Messtechnik angestellt werden, muss jedoch Klarheit über die Messaufgabe bestehen: Warum soll gemessen werden? Die Beantwortung der Frage zieht eine Reihe von technischen Konsequenzen nach sich (Tabelle 1, Seite 7). Eine wesentliche materialspezifische Einflussgröße auf die Auswahl des Messverfahrens ist die vorherrschende Bindungsart des Wassers im Messgut. Unter dem Oberbegriff Feuchte kann Wasser auf unterschiedliche Weise mit

Aufgabe/Ziel im Produktionsprozess

Wesentliche technische Parameter der Messtechnik

Dynamik der Sensoren, Messbereich, Anlagenkompatibilität

Tabelle 1: Roland Wernecke; Fachbuch Industrielle Feuchtemessung; Wiley VCH Verlag Weinheim, 2003; ISBN 3-527-30285-9.

M-Sens 2

Online-Feuchtemessung für Feststoffe Bypasfilterstaub

• Alle Feststoffe messbar

Cellulose

• Messbereich von 0,1… 80% Feuchte

Getreide

• Temperaturkompensiert

Holzmehl

• Einfache Nachrüstung

Kohle

• Verkleinerte Bauform

Klärschlamm

• Multisensorik für schwierige Anwendungen

Mehle

• Sensorfenster aus verschleißfester Keramik

Milchpulver

• Äußerst einfache Kalibrierung

Quarzsand

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Praxis & Technik Charakterisierung der wesentlichen Online-Messverfahren für die Materialfeuchtebestimmung Materialfeuchtemessverfahren

direkte Messverfahren

Technische Ausführungen

Indirekte Messverfahren

Thermogravimetr. Verfahren

Analytische Verfahren

Elektrische Verfahren

Radiometr. Verfahren

Optische Verfahren

Thermische Verfahren

Hygrometr. Verfahren

Akustische Verfahren

Trockenschrankverfahren

Karl-FischerTitration

Leitfähigkeitsverfahren

Netronenstrahl. Verfahren

Infrarotreflex. Verfahren

Wärmeleitfähigk. Verfahren

LuftfeuchteAusgleichsverf.

Ultraschallverfahren

InfrarotTrocknung

Calcium-Carbid Verfahren

kapazit. Verfahren

-Strahl. Verfahren

Infrarotabsorpt. Verfahren

Aufheiz-/ Abkühlmethode

MaterialfeuchteAusgleichsverf.

Mikrowellentrocknung

DestillationsVerfahren

MikrowellenVerfahren

Röntgenstrahl. Verfahren

Refraktometr. Verfahren

Kalorimetr. Methode

Gaschromatogr. Verfahren

Kernresonanz-Verfahren

LichtleiterFeuchtesensor

Massenspektrometr. Verfahren

dem Material in Verbindung stehen (zum Beispiel Adsorptionswasser, Adhäsionswasser, freies Wasser, Sorptionswasser, Kristallwasser, chemisch gebundenes Wasser). Die Arten der Bindung ließen sich fortsetzen, wobei für gleiche Bindungsarten oft unterschiedli-

che Begriffe verwendet werden. Hinzu kommt, dass in einem Schüttgut, das in einer Anlage gefördert wird, eine inhomogene Feuchteverteilung (Oberflächenwasser, Kernfeuchte) auftreten kann. Aus diesen Gründen ist eine geschlossene Theorie, wie sie die

Abb. 1: Einteilung der Materialfeuchtemessverfahren nach dem Wirkprinzip. Abbildung: K. Kupfer: Materialfeuchtemessung; expert-Verlag; Renningen-Malmsheim 1997. Thermodynamik für die Gasfeuchte darstellt, für die Feststofffeuchte nicht möglich. Zur Beschreibung der Eigenschaften von Gemischen in Bezug auf ihre Feuchte sind Versuche am Material, Erfahrungen mit dem Material und empirische Ableitungen erforderlich.

Online- Messverfahren

Physikalisches Prinzip

Eigenschaften

Hochfrequenzsonden Elektrischer Widerstand Mikrowellenmesstechnik (Real-, Imaginärteil) Time-Domain-Reflektrometrie Frequenz-Domain-Reflektrometrie

berührende Messung extrem kurze Messzeit Schüttdichteeinfluss Temperatur (typ. 120°C)

kapazitive Gassensoren Ausgleichsfeuchte/ Psychrometer Wasseraktivität Zirkonoxidsonden Faserhygrometer Metalloxid Gassensoren Coulometrische Gassensoren Taupunktmessgeräte

berührend, berührungslos im Material-/Gasstrom Temperatureinfluss Temperatur (typ. 120°C) Spurenfeuchtemessung Temperatur (typ. 80°C)

NIR- Messtechnik Optische Verfahren IR- Messgerät UV – Messtechnik Lichtwellenleiter – Hygrometer

berührungslose Messung Hochtemperatureinsatz teilweise nur geringe Eindringtiefe ins Material

Temperaturmessung Thermische Verfahren (z.B. Kühlgrenztemperatur), Wärmebilanz Druck-, Volumenstrommessung

berührend, berührungslos Hochtemperatureinsatz Errechnen der Feuchte

Mechanische Schwinger Akustische Verfahren

Hochtemperatureinsatz Einsatz in verschmutzter Umgebung

Neutronensonden Radiometrische Verfahren

geringe Bedeutung, hohe Sicherheitsanforderungen

Tabelle 2: Dr. Ing. Roland Wernecke. Für eine Online-Messung der Feuchte im Prozess werden im Wesentlichen die indirekten Messverfahren eingesetzt. Spezielle Lösungen ermöglichen es, über automatisierte Probennahme und Probenkonditionierung auch direkte Messverfahren in den Prozess als quasi-kontinuierliche Verfahren zu integrieren (NPL-Tagung 1998: Papers and Abstracts from the Third International Symposium on Humidity and Moisture, Volume 1). Dieses ist jedoch meist mit einem hohen Aufwand an Zusatz- und Hilfsvorrichtungen verbunden. An eine Online-Feuchtemessung bestehen folgende Anforderungen: 

▼ schnelle, möglichst kontinuier liche Messwerterfassung ▼ Kopplung der Messsonde mit der Steuerungsanlage ▼ Kompatibilität der Sonden eigenschaften mit der Produktionsanlage ▼ Reproduzierbarkeit der Messwerte ▼ Möglichkeit zur Wartung und Überprüfung. In der Charakterisierung der Online-Messverfahren (Tabelle 2) ist das physikalische Prinzip, nach dem die Messung durchgeführt wird, ein entscheidender Parameter. Damit wird entschieden, wel-

Abb. 2: Messprinzip der Kernspinresonanz-Technik. Abbildung: K. Kupfer: Materialfeuchtemessung; expert-Verlag; Renningen-Malmsheim 1997. 

AZ-Muetec-Siloworld

26.02.2008

12:03

Konzipierung einer Feuchtemesseinrichtung

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che Bindungsart/Form der Wasseranlagerung im Produkt gemessen wird. In Ergänzung zu Tabelle 2 ließen sich weitere Messverfahren nennen, die für spezielle Messaufgaben entwickelt und angepasst wurden. Nicht unerwähnt bleiben soll in diesem Zusammenhang die Kernspinresonanz-Messtechnik (NMR: Nuclear Magnetic Resonance, Abb. 2, Seite 9). Auf diesem Gebiet sind gegenwärtig vielversprechende Entwicklungsarbeiten zu beobachten. War diese Technik in den vergangenen Jahren aufgrund der aufwändigen Gerätetechnik dem Laboreinsatz vorbehalten, gibt es bereits kompakte Messgeräte, die für Messungen im Produktionseinsatz getestet werden (9. Feuchtetag BAM 1997: Moderne Verfahren und Geräte zur Materialfeuchtemessung). Der Vorteil der Kernspinresonanz-Messtechnik besteht darin, dass eine ortsaufgelöste Bestimmung des Feuchtegehaltes im Material erfolgt. Inhomogene Feuchteverteilungen ließen sich somit von der Oberfläche bis ins Materialinnere detektieren.

Projektierungsschritt

Aufgaben

Vorbereitende Arbeiten Auswahl des Messverfahrens

Definition der Messaufgabe, Voruntersuchungen am Messgut und an der Anlage, Planungsarbeiten; mechanische, elektrische Anbringung Praktische Arbeiten im Labor, Recherchearbeiten, Herstellerrecherche, Ermittlung der optimalen Variante

Projektierung 10

Auswahl der Gerätetechnik, Projektierung und Konstruktion von zusätzlichen Vorrichtungen und Hilfsvorrichtungen, Einbindung in die Steuer- und Regeltechnik

Montage

Einbau der Messeinrichtung in die Anlage, Anschluss der mechanischen und elektrischen Komponenten

Inbetriebnahme und Ein- fahren der Messeinrichtung

Gesamterprobung der Anlage, rechentechnische Anbindung, Ermittlung von material- und anlagenspezifischen Kennwerten, Parametern und Kennlinien

Die Arbeiten zur Einrichtung einer Messstelle lassen sich in unterschiedliche Phasen (Tabelle 3, Seite 10) einteilen.

Einbindung der Messsonde in das QM-System

Erarbeitung von Prüfabläufen, Referenzverfahren und Kontrollalgorithmen

Probelauf

Umfasst die erste Phase der Langzeittestung unter realen Produktionsbedingungen, begleitende Ingenieurtätigkeit endet mit der vollständigen Abnahme und Überführung in die Produktion

Service/Wartung

Entsprechend den aufgestellten Wartungsplänen werden turnusmäßig Überprüfungen, Kalibrationen und Justagen vorgenommen

Die Referenz- Feuchtemessverfahren ermitteln den Wassergehalt eines Produktes als absoluten Wert. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Messwerte, die mit unterschiedlichen Referenzverfahren bestimmt wurden, unmittelbar vergleichbar sind. Es ist zu beachten, dass sich der Messwert auf den volumetrischen prozentualen Wassergehalt [%vol.] oder den gravimetrischen prozentualen Wassergehalt [%gew. oder %w/w] beziehen kann (Bestimmung des Wassergehaltes durch Titration nach Karl Fischer; DIN 53745; 1991-05). Als Umrechnung der Größen ineinander wird die Dichte des Produktes (zum Beispiel Schüttdichte) verwendet. Die unterschiedlichen Referenzverfahren bestimmen im gleichen Produkt unterschiedliche Wasseranteile (Kristallwasser, freies Wasser etc.). Das bedeutet, es muss bei der Auswahl des jeweiligen

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Tabelle 3: Dr. Ing. Roland Wernecke 10

Referenz- Messverfahren

11

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SILO W D L R O ORLD Charakterisierung der wichtigsten Referenzverfahren zur Materialfeuchtebestimmung SILO W

POWTECH

Funktionsprinzip

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Entfernen des Wassers aus dem Produkt durch Wasser

Karl-Fischer- Titration chemische Reaktion

Ausfällen des Wassers aus dem Produkt durch gebundenes Wasser

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Calciumcarbid-, Calciumhydrid Verfahren

Ausfällen des Wassers aus dem Produkt durch chemische Reaktion;

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Gasdruck/[%v/v]

Analytischen Laborverfahren

Chemische Reaktion Spektroskopie etc.

Spezielle Wasser- bindungen

Verfahrensabhängig [%w/w], [%v/v]

Das Magazin für Schüttgut und Silo-Technik

Tabelle 4: Dr. Ing. Roland Wernecke.

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Referenzverfahrens beachtet werden, ob der Messwert die für die Einstellung der Produkteigenschaften wesentliche Wasserbindung widerspiegelt. In die Übersicht (Tabelle 4, Seite 12) wurde das Verfahren zur Messung der Wasseraktivität (das heißt Messung der Gasfeuchte in einem Gemisch aus Feststoffpulver und Luft) aufgenommen, obwohl dieses Messverfahren nicht zu den direkt messenden Materialfeuchtemethoden gezählt wird. Die Messgröße (Wasseraktivität beziehungsweise Ausgleichfeuchte) lässt sich durch die Gesetze der Thermodynamik auf SI-Basisgrößen zurückführen. Eine Rückführbarkeit der Messwerte auf den nationalen Standard ist damit möglich. Die Schwerpunkte bei der Messung im Labor mit Referenzmethoden können gegenüber den Online-Messungen wie folgt beschrieben werden: ▼ ▼ ▼ ▼

Es muss eine Rückführbarkeit der Messmethode beziehungsweise der Messwerte auf den gesetzlichen Standard möglich sein. Erzielen einer hohen Präzision und Reproduzierbarkeit. Die Vergleichbarkeit der Messwerte mit anderen Labors, Messverfahren und früheren Messungen muss gewährleistet sein. Es muss bekannt sein, welche Bindungsart bei der jeweiligen Messung vorherrscht.

Referenzverfahren sind notwendige Voraussetzung, um Online-Messsonden mit entsprechender Zuverlässigkeit und Genauigkeit einzusetzen. Die Kalibration und Referenzmessungen gewährleisten die Qualitätssicherung während der Produktion.

Zusammenfassung

schuettgutportal.com Das deutschsprachige Internetportal für die Schüttgutindustrie

Die Auswahl von Messgeräten für die Messung der Produktfeuchte kann sich aufgrund der Vielzahl verfügbarer Messmethoden als schwierig erweisen. Es ist daher unbedingt erforderlich, die Messaufgabe möglichst genau zu beschreiben. In den meisten Fällen sind Vorabmessungen notwendig. Je nach Umfang der Messaufgabe sind neben den Kosten für die Messtechnik auch Kosten für Engineering zu planen. Die Fortsetzung des Fachbeitrags lesen Sie in unserer nächsten Ausgabe (2/2008).


  
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Ökonomisch und zuverlässig Verfahren zur Regulierung der Schüttgutfeuchte von Claus Friedrich und Johannes Friedrich

Für viele Schüttgüter ist es wünschenswert, dass sie eine bestimmte, gleichmäßige Feuchte aufweisen. Abhängig von der gewünschten Endfeuchte kann dieses Ziel entweder durch Trocknen oder durch Befeuchten erreicht werden. Voraussetzung für beide Verfahren ist die kontinuierliche Messung der Schüttgutfeuchte vor oder nach dem Trocknungs- beziehungsweise Befeuchtungsprozess. Für die kontinuierliche Feuchtemessung stehen uns in der Praxis verschiedene Messverfahren zur Verfügung. Diese sind für die verschiedenen Schüttgüter und Feuchtebereiche mehr oder weniger gut geeignet.

Messung der Leitfähigkeit Die Leitfähigkeit steigt mit zunehmendem Wassergehalt im Schüttgut. Vorteilhaft ist bei diesem Verfahren die einfache Messtechnik. Nachteilig ist die starke Abhängigkeit der Messung von der Leitfähigkeit der Kontaktflächen zwischen den einzelnen Schüttgut-Teilchen. Damit hat die Verdichtung Einfluss auf die Messung.

Messung der Dielektrizitätskonstante Hierbei wird das Schüttgut durch ein Hochfrequenzfeld geführt. Die Dämpfung, die im gemessenen Fre-

quenzbereich wesentlich von der Anzahl der Wassermoleküle abhängt, wird ausgewertet. Von Vorteil ist die Zuverlässigkeit des Messverfahrens in robusten Umgebungen, insbesondere bei der kontinuierlichen Messung am Schüttgut.

Messung im Mikrowellenfeld Dieses Verfahren ist ähnlich dem der Messung der Dielektrizität, nur wird hier in einem höheren Frequenzbereich gearbeitet. Dieses Verfahren ist messtechnisch aufwendiger und störanfälliger, allerdings kann die Kernfeuchte in dem Schüttgut-Teilchen besser erfasst werden.

Einheit zur automatischen Feuchteregulierung. Abbildungen: FRIEDRICH electronic GmbH & Co. KG 14

Messung mit der NIR-Methode Hierbei wird die Reflektion oder Transmission von Infrarotstrahlung am Schüttgut gemessen. In bestimmten Frequenzbereichen findet man ebenfalls eine starke Abhängigkeit von den vorhandenen Wassermolekülen im Schüttgut. Die Wassermoleküle zeigen bei festen Energieniveaus Resonanzen und absorbieren die Infrarotstrahlung. Alle genannten Messverfahren sind von der Temperatur und der Dichte abhängig. Die Temperaturmessung ist einfach zu realisieren und zu kompensieren. Dagegen ist die kontinuierliche Messung der Dichte schwieriger

Probleme bei der Feuchteregulierung Für den Prozessablauf wäre es am einfachsten die Produktfeuchte direkt nach dem Trocknungs- oder

Befeuchtungsprozess zu messen. Aufgrund dieser Feuchte könnte man den Trockner oder die Befeuchtungseinrichtung regulieren. Eine genaue Messung der Produktfeuchte ist dort aber mit Schwierigkeiten verbunden. Die Kernfeuchte im Schüttgut-Teilchen ist nach der Trocknung immer höher als die Oberflächenfeuchte. Bei der Befeuchtung ist es dagegen genau umgekehrt – hier ist die Kernfeuchte niedriger als die Oberflächenfeuchte. Da alle Messverfahren von der Oberflächenfeuchte beeinflusst werden, ist eine Nachregelung stets fehlerbehaftet. Auch bei Mess­ verfahren, die mehr in den Kern eindringen, sind die Fehler in der Endfeuchte größer als bei vorangestellter Messung mit nachträglicher Trocknung beziehungsweise Wasserzugabe. Eine genaue Feuchtemessung ist erst dann möglich, wenn der Wassergehalt nach einer Verweilzeit im Schüttgut-Teilchen ausgegli-

Einheit zur leistungsabhängigen Wasserzugabe. 15

chen ist. Diese Verweilzeit ist für eine Nachregelung leider viel zu lange. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, die Feuchte vor dem Trocknungsprozess zu messen und daraufhin den Trockner zu steuern. Das Gleiche gilt für den Befeuchtungsprozess.

Lösungsansätze Die Firma FRIEDRICH electronic GmbH & Co. KG hat sich auf die Entwicklung von Steuerungen zur automatischen Feuchteregulierung von Schüttgütern, insbesondere Getreide spezialisiert. Im Folgenden werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten vorstellt.

Feuchtemessung MC In einem Getreideförderrohr wird aus dem Getreidestrom eine Teilmenge abgezweigt und durch eine Messstrecke geleitet. Hier wird kontinuierlich die Dielektrizitäts­ konstante des Getreides in einem

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Industrie-Report

Einfach und genau Feststoff-Feuchtemessung im In-Line-Verfahren Hochfrequenzfeld gemessen. Gleichzeitig werden kontinuierlich Dichte und Temperatur erfasst. Aus diesen drei Messwerten wird die momentane Feuchte des Getreides errechnet. Im Falle einer konstanten Schüttgutdichte kann auf die Dichtekompensation verzichtet werden. Hierdurch erreicht man eine ökonomischere Lösung.

Feuchtemessung mit automatischer Wasserzugabe NC6 Die Einlagerung von Getreide in einem Silo sollte nicht über 14% Feuchte erfolgen, da es ansons­ ten zu Schimmelbildung und Käferbefall kommen kann. Für eine optimale Verarbeitung muss es aber auf höhere Feuchten gebracht werden. In der automatischen Netzungssteuerung NC6 wird zunächst die Feuchte gemessen. Um die für den Befeuchtungsprozess erforderliche Wassermenge zu berechnen, wird die momentane Durchsatzleistung benötigt. Hierfür wird das Getreide über eine Schüttstromwaage SC geführt. Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung und gleichzeitigen Dosierung der Durchsatzleistung besteht in die Verwendung des Mess- und Durchsatzreglers FC3 zur Montage direkt unter einem Silo-Auslauf. In der Auswerteelektronik wird die gemessene Feuchte als Ist-Feuchte angezeigt. Mithilfe eines Tastenfelds kann eine gewünschte SollFeuchte eingegeben werden. Aus der Feuchtedifferenz multipliziert mit der Durchsatzleistung wird die zuzugebende Wassermenge errechnet. Aufgrund dieser steuert die Elektronik ein Regelventil an. Dem

Regelventil ist ein Wasserdurchflussmesser vorgeschaltet. Das Regelventil wird so weit aufgeregelt, bis die Soll-Wassermenge der IstWassermenge entspricht. Dadurch werden Druckschwankungen in der Wasserzuleitung ausgeglichen. Durch den Einsatz dieser automatischen Befeuchtungssteuerung ist es möglich, eine gleichbleibende Getreidefeuchte unabhängig von der Trockenfeuchte zu erhalten.

Prozentuale Wasserzugabe NC7 In manchen Fällen kann auf eine aufwändige Feuchtemessung verzichtet werden. Wenn die Feuchte des behandelten Schüttguts nie­ drigen Schwankungen unterliegt, kann eine der Leistung prozentuale Wasserzugabe erfolgen. Die hierfür benötigte Einheit besteht aus Schüttstromwaage, Auswerteelektronik und Wasserdosierung. Aktuelle und gewünschte Feuchte werden eingegeben. Die Elektronik berechnet aus Feuchtedifferenz und Waagenleistung die zu dosierende Wassermenge und steuert die Wasserdosierung an. Hierbei handelt es sich um eine ökonomische und sehr zuverlässige Lösung. Der Feuchtegehalt des Schüttguts wird um einen festen Prozentsatz erhöht.

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Die FRIEDRICH electronic GmbH & Co. KG hat außerdem die folgenden Anwendungen im Programm: 1. Messgerät zur Erfassung von Granulatfeuchte mit und ohne Dichte kompensation. 2. Dichtemessgerät zur kontinuierlichen Erfassung und Überwachung des Hektolitergewichtes bezie hungsweise der Dichte. 3. Schüttstromwaagen in verschiedenen Ausführun gen zur kontinuierlichen Verwiegung von Schüttgutströmen. 4. Dosierregler zur gravime trischen Dosierung und Ver wiegung von Schüttgütern aus Behältern und Silos. 5. Wasserdosiereinheiten zur automatischen oder manu ellen Dosierung von Wasser. Alle Geräte sind für den Einsatz nach Atex-Richtlinien in der Staub-EX-Zone 22 geeignet.

Neben dem HUMY 3000 bietet der Hersteller ein breites Spektrum an Sensoren zur Durchflussmessung und Überwachung von Schüttgütern an. Abbildung: Mütec Instruments GmbH Feststoff-Feuchtemessung im In-Line-Verfahren.

Die Feuchte in Feststoffen ist ein wichtiger Parameter, der die Qualität des Produktes stark beeinflusst und die Wirtschaftlichkeit einer Produktion wesentlich erhöhen kann. Das HUMY 3000 von der Mütec Instruments GmbH ist bereits in vielen Prozessen erfolgreich im Einsatz, unter anderem bei Zucker, Tabak, Getreide, Malz, Mehl, Kohle, Sand, Holzspänen, Trockenfutter, Düngemittel, Pulver, Farbstoffen

und Plastikgranulaten. Als Einbauorte eignen sich besonders Förderbänder, Förderschnecken, Silos sowie Trichter. Auch in BatchProzessen oder für berührungslose Messungen ist eine In-Line-Feuchtemessung möglich. Auf Basis des seit vielen Jahren bewährten HUMY-Feuchtemesssystems hat Mütec Instruments das neue HUMY 3000 entwickelt. Dieses System zeichnet sich insbe17

sondere dadurch aus, dass eine Vielzahl an Sensoren mit einer Kommunikationseinheit bedienbar ist. Daneben wird jetzt auch ein Temperatureingang zur Verfügung gestellt, der die Temperaturkompensation optimiert. Bei der Messung wird im hochfrequenten Wellenbereich die Dielektrizitätskon­ stante und die Dämpfung des Feststoffes gemessen. Das Messverfahren ermög­ licht eine kurze und einfache Kalibrierung sowie eine hohe Genauigkeit von bis zu 0,05%. Die Messsonde überträgt die Daten digital. Dies macht die Messwertübertragung störungsunempfindlich und lässt eine Distanz vom Sensor zur Auswerteeinheit von bis zu 1 Kilometer zu. Das sich selbst überwachende Gerät hat unter anderem neben einer automatischen Kompensation von Temperatur und Alterungsdrift einen integrierten Datenlogger wsowie Digital- und Alarmausgänge. Auf dem LCDisplay werden die Messwerte analog und digital dargestellt. Über Softkeys erfolgt die einfache Steuerung und Parametrierung aller Funktionen. Für Produktbeziehungsweise Prozesswechsel können verschiedene Produktparameter gespeichert werden. Der kompakte Sensor ermöglicht eine einfache und kostengünstige Installation und ist auch für den Ex-Bereich zugelassen beziehungsweise nach ATEX zertifiziert.

Industrie-Report

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Qualitätssteigerungen und Kosteneinsparungen Prozessautomatisierung und -optimierung durch Online-Feuchtemessung von Johannes Mergl Jedes Material hat eine Feuchte beziehungsweise Restfeuchte, sei es beispielsweise die Grubenfeuchte von Tonen/Lehmen oder Feuchte, die durch die Luftfeuchtigkeit oder gezielten Wasserzusatz herrührt. Der Feuchtegehalt eines Materials ist wichtig für viele Verfahrensschritte einer Produktion. Bei rieselfähigen Gütern beispielsweise wirkt sich die Feuchte auf die Lagerfähigkeit, das Fließverhalten beim Abfüllen bis hin zum Verarbeiten aus. Auch die Konsistenz, Rezepturreproduzierbarkeit, Weiterverarbeitung und die gleich bleibend hohe Qualität des Produkts resultieren aus dem Wasseranteil. Eine gleichmäßige Materialfeuchte ist deshalb für die meisten Produktionsprozesse von größter Bedeutung. Es gibt zwar noch keine perfekten Feuchtemesssysteme am Markt, und häufig wird ein Kompromiss in Bezug auf Qualität, Preis, Langlebigkeit und Bedienerfreundlichkeit geschlossen, aber es hat sich doch einiges in der jüngsten Zeit auf diesem Gebiet bewegt. Bei dem Online-Feuchtemesssystem der Firma ACO wird das Material über eine Sonde geführt – oder umgekehrt – und in Echtzeit gemessen. Da das Messsignal sofort verfügbar ist, können damit Prozesse überwacht, gesteuert und optimiert werden. Dieser Beitrag versucht, die Zu-

sammenhänge und die Ergebnisse des Einsatzes dieses einfachen, aber sehr praxistauglichen Feuchtemesssystems aufzuzeigen. Es überwacht den Zustand des zu messenden Rohstoffes beziehungsweise Produktes und ist Voraussetzung für die Regulierung und Steuerung des Wasseranteils.

Anwendungsgebiete Feuchtemessverfahren zur Bestimmung und Steuerung des Feuchtegehaltes in Schüttgütern aller Art werden bereits in der Beton-, Glas-, Keramik-, Gips-, Nahrungsmittel-, Ziegelei- und der Chemieindus­ trie eingesetzt. Einige Beispiele für die gemessenen Materialien sind Sand, Quarzsand, Kalk, Kies, Erz, Klärschlamm, Getreide, Zuschlagsmittel für Beton, Zucker, Reis, Milchprodukte, Chemikalien, Gips, Waschmittel und Silikate. Kurz gesagt: So ziemlich alles, wo die Feuchte einen Einfluss auf die Qualität, Weiterverarbeitung und Folgekosten hat (Trockner, Wasser, Energie, Gewicht etc.). Auch bei tonhaltigen Rohstoffen kann die Online-Feuchtemessung inzwischen erfolgreich eingesetzt werden.

Online-Feuchtemesssystem Im Laufe der Jahre wurde das von ACO entwickelte Online-Feuch18

temesssystem ständig weiteroptimiert. Mit dem hochfrequenzkapazitiven Feuchtemessverfahren (HFK-Prinzip) kann die Produktfeuchte in verschiedensten Materialien bestimmt und gesteuert werden. In vielen Betrieben sind bereits Kosteneinsparungen durch Einsatz von Feuchtemess­ systemen zwischen 20% und 40% erreicht worden. Und eine Amortisationszeit von einer Woche ist in einigen Industriezweigen keine Seltenheit. Die Vorteile beim Einsatz dieses Feuchtemesssystems sind: ▼ Durch permanente (online-) Feuchtemessung kann eine deutliche Qualitätssteigerung erreicht werden. ▼ Poduktionsabläufe werden kontinuierlich überwacht, so dass Laborzeiten für ständige Stichproben gespart und das „Durchrutschen“ von schlechten Chargen verhindert werden können. ▼ Prozesse können über die Feuchte geregelt und gesteuert werden – wie zum Beispiel bei der Granulation für reprodu zierbare Abschaltpunkte und Endpunkte. Außerdem können über so genannte Programm regler bestimmte Verläufe für die Feuchte vorgeben werden.

▼ Rezepturen für alle möglichen Bereiche und Mischungen können reproduzierbar herge stellt und je nach Feuchtege halt der einzelnen Komponen ten korrigiert werden. ▼ Durch die Kontrolle der Produkt feuchte werden Einsparungen bei Trocknungsvorgängen und beim Wasserverbrauch erreicht. ▼ Die Feuchte kann protokolliert und die Daten können für eine Prozessvalidierung erfasst werden. ▼ Durch gezielte Befeuchtung können Verluste durch Aus trocknung während der Verar beitung (zum Beispiel Saat gutaufbereitung) im Prozess ausgeglichen werden.

hungsweise Feuchte im Material enthalten ist, desto mehr geht der Wert der Dielektrizitätskonstanten r gegen 80. Bei der Online-Messung handelt es sich um eine Echtzeitmessung. Das Material wird über die Sonde geführt – oder umgekehrt –, und das Messsignal ist sofort – auch bei schnell fließenden Produkten – verfügbar. Auch Messungen von Festkörpern sind möglich. Das analoge Ausgangsmesssignal der Feuchtemesssonde von 0/2...10 VDC beziehungsweise 0/4...20 mA

kann direkt in einem Prozessablauf (Steuerung, PC oder SPS) verarbeitet und angeschlossen werden. Je nach Material und Beschaffenheit erreicht die Sonde eine Mess­ tiefe von zirka 100 mm bis 150 mm in das Material hinein. Dabei wird die Gesamtproduktfeuchte, das heißt sowohl die Kernfeuchte als auch die Oberflächenfeuchte des Materials erfasst. Verschmutzungen und kleine Ablagerungen auf der Messfläche sind daher durch die hohe Eindringtiefe unerheblich.

Funktionsweise und Messprinzip Jedes Material besitzt eine Dielektrizitätskonstante, die für das von der Firma ACO angewendete Messprinzip (hochfrequenz, dielektrisch) von Bedeutung ist. Zum besseren Verständnis für die Funktionsweise folgt hier eine sehr vereinfachte Darstellung: Wasser hat eine Dielektrizitätskonstante r von zirka 80, die meisten anderen Materialien eine r von zirka 1 bis 10. Bei Sand zum Beispiel liegt r zwischen 3 und 4. Dies bedeutet eine große messbare Differenz zwischen den Dielektrizitätskonstanten r von Wasser (80) und dem Messmaterial (1 bis 10). Diese Differenz kann gemessen und einem direkten Feuchtewert zugeordnet werden. Die Feuchte wird dann in Form eines Einheitssignals (0–10VDC oder 0–20 mA) als Wert für die Feuchte in Masseprozent ausgegeben. Mit anderen Worten: Je mehr Wasser bezie-

Mit dem hochfrequenz-kapazitiven Feuchtemessverfahren kann die Produktfeuchte bestimmt und gesteuert werden. Abbildung: ACO Automation Components 19

Industrie-Report

Industrie-Report

Feuchte ist ihr Element

Feuchtemessung wird prozessund kommunikationsfähig

Innovative Messsystem-Entwicklungen Die Franz Ludwig GmbH beschäftigt sich seit nunmehr über 35 Jahren mit der Entwicklung und Herstellung von Feuchtemess­systemen sowie den dazugehörigen Messsensoren. Der Hauptsitz des in zweiter Generation geführten Familienunternehmens befindet sich in Mainz-Gonsenheim. Seit der im Jahre 2002 umfangreich durchgeführten Modernisierung des Geschäftsgebäudes stehen über 600 Quadratmeter Betriebsfläche für Werkstätten, Labors und Büros zur Verfügung. Mehr als 20 Mitarbeiter sind in den Bereichen Produktentwicklung, Produktfertigung, Qualitätssicherung sowie Software-Entwicklung, Verwaltung und Verkauf beschäftigt. Die Messsysteme werden in unterschiedlichen Industriezweigen eingesetzt, wie zum Beispiel in der Beton- und Fertigteilindustrie, Gießereien, Glas- und Keramik- sowie Lebensmittelindustrie. Dort sind genaue Messungen der eingesetzten Materialien zwingend notwendig, um im Produktionsablauf eine gleichbleibend hohe Qualität des Endproduktes zu erreichen. Darüber hinaus können zum Beispiel Trocknungsprozesse optimiert werden, um einen unnötigen Ener­ gieeinsatz zu vermeiden. Somit kommt den Feuchtemesssystemen in Zeiten steigender Energiepreise und schwindender Ressourcen eine wichtige Bedeutung zu. Auch bei Großprojekten wie dem Bau des derzeit längsten Eisenbahntunnels der Welt am Gotthard-Bergmassiv in der Schweiz ist diese Messtechnik im Einsatz. Der durch die Bohrungen entstandene Abraum wird als Kies und Sand aufbereitet und anschließend zur

In vielen Industriebereichen ist die Ermittlung und Regelung der Materialfeuchte während verschiedener Produktions-, Weiterverarbeitungs-, Veredelungs- und Überwachungsprozesse Voraussetzung für ein optimales Ergebnis. Dies ist vor allem hinsichtlich der Qualitätssicherung und Qualitätssteigerung besonders im Rahmen der DIN ISO 9000 ff. von Bedeutung. Das Einsatzgebiet des Feuchtemesssystems Litronic-FMS II aus dem Hause Liebherr erstreckt sich auf unterschiedlichste Schüttgüter aller Art (zum Beispiel Pulver, Granulate, Düngemittel, Saatgut, Kohle und Sande). Ebenso kann der Wassergehalt in Emulsionen ermittelt werden

Ausbetonierung der Tunnelröhre wiederverwendet. Hierbei achten die Feuchtemesssysteme auf die exakte Einhaltung der Betonrezepturen. Vom Standort Mainz wurde im Laufe der Zeit ein weltweites Vertriebsnetz aufgebaut. Unter anderem befindet sich eine Zweigstelle der Franz Ludwig GmbH in Orlando, Florida, welche den amerikanischen Markt betreut. Vertreter und Repräsentanten befinden sich in vielen weiteren Ländern, womit das Unternehmen international sehr gut positioniert ist und den Kunden eine optimale Betreuung und einen schnellen Produktservice vor Ort bietet. Die Leistungsfähigkeit des Unternehmens spiegelt sich aber auch in der ständigen Entwicklung innovativer Produkte und Verfahren der Feuchtemesstechnologie wi-

(beispielsweise in Ölen, Schmiermitteln, Farben, Lacken, Lösungsmitteln und Schlämmen). Die Sensoren können auf Bändern und Rutschen, an Übergabestellen, in Silo-Ausläufen, Trocknern, Leitungen und Behältern installiert werden. Ebenso ist der Einsatz im Laborbereich möglich. Mit einer einmaligen Kalibrierung an die örtlichen Gegebenheiten garantiert die Liebherr-Mischtechnik GmbH exakte, langzeitstabile und reproduzierbare Ergebnisse im Prozesseinsatz. Die neue Generation des Feuchtemesssystems Litronic FMS II erlaubt die Anbindung an viele Prozessleitsysteme. Diese ist neuerdings auch über Bluetooth und Ethernet-In-

Die neue Generation der Liebherr Litronic-FMS II erlaubt die exakte und zuverlässige Bestimmung des Wassergehalts in verschiedenen Emulsionen. Abbildung: LiebherrMischtechnik GmbH

frastruktur möglich. Die Parametrierung kann nun auch über einen zusätzlich lieferbaren Pocket-PC erfolgen. Weitere Besonderheit: Für spezielle Anwendungen in explosionsgeschützten Bereichen sind Sensoren in Staub- und Gas-Ex-SchutzAusführung nach ATEX-Richtlinien lieferbar.

Feuchte ist ihr Element, deshalb kommen aus der Feuchtemessgeräte-Schmiede Ludwig ständig innovative Neuentwicklungen. Abbildung: Franz Ludwig GmbH

der. So wurde im November 2005 ein Laborfeuchtemessgerät ent­­wi­­ck­elt, welches für die erfolgreiche Markteinführung mit einem Innovationspreis des Landes Rheinland-Pfalz ausgezeichnet wurde. Weitere Neuentwicklungen von Feuchtemesssystemen befinden sich zurzeit in der Entwicklungsphase. Dadurch schafft die Franz Ludwig GmbH eine sichere Basis, um sich auch künftig im internationalen Wettbewerb behaupten zu können.

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