Sensorik & Messtechnik Neue Einsichten in den Prozess

Dichte ist definiert als Masse pro Volumen, also zum Beispiel Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³). Wird die Dichte eines Produkts gemessen, lassen sich unter anderem Aussagen über Qualität, Zusammensetzung und Konzentration machen. Bei einem bekannten, flüssigen Produkt ist die Dichte im Wesentlichen von der Temperatur, bei gasförmigen Produkten von Druck und Temperatur abhängig.

Wasser hat bei einem Druck von 1013,25 mbar und einer Temperatur von 10 °C eine Dichte von 999,702 kg/m³, die sich durch Temperaturschwankungen verändert und bei 50 °C nur noch 988,04 2kg/m³ beträgt. Luft hat bei 25 °C unter Normaldruck (1013,25 mbar) eine Dichte von 1,1835 kg/m³, die sich bei einer Verdopplung des Drucks (2026,5 mbar) auf 2,3716 kg/m³ ändert. In beiden Fällen würde die Masse der jeweiligen Flüssigkeits- bzw. Gasmenge gleich bleiben, das Volumen der Flüssigkeit würde bei einem Temperaturanstieg größer, das Volumen des Gases bei Druckerhöhung kleiner werden. Neben Temperatur und Druck können weitere Faktoren Einfluss auf die Dichte haben, so zum Beispiel die Zumischung anderer Produkte, Verdunstung von Produktanteilen oder auch chemische Reaktionen.

Der französische Apotheker Joseph Louis Proust (1754 – 1826) hat bei seinen Versuchen festgestellt, dass die Einsatzstoffe in bestimmten Masseverhältnissen vorliegen müssen, damit eine Reaktion vollständig ablaufen kann und keine Rückstände übrig bleiben. Aus diesen Versuchen wurde das Gesetz der konstanten Masseverhältnisse abgeleitet, das auch auf komplexe Reaktionen zutrifft, in denen verschiedene parallele oder sequentielle Prozesse ablaufen.

Einsatz volumenbasierter Durchflussmessungen

In bestehenden Anlagen sind immer noch überwiegend volumenbasierte Durchflussmessungen eingesetzt. Der Grund dafür liegt in der ursprünglichen Anlagenplanung, die wegen der Verfügbarkeit oder aus Kostengründen auf eine direkte Massemessung nach dem Coriolis-Prinzip verzichtet hat. Die Rezepturen sind dementsprechend auf Basis der volumetrischen Messungen entwickelt worden, was dazu führt, dass bei Schwankung der eingesetzten Masse – infolge der beschriebenen Druck- und Temperatureffekte – eine Reaktion nicht vollständig abläuft bzw. unnötige Rückstände entstehen. Diese müssen entweder entsorgt oder aufgearbeitet werden.

Auch für die Erstellung von Stoffbilanzen, beispielsweise unter Umweltaspekten, ist eine Massemessung notwendig. In diesem Fall hilft die Dichtemessung aber nicht nur bei der quantitativen Bestimmung, sondern kann auch zur qualitativen Bewertung von Einsatzstoffen herangezogen werden. So können Einsatzstoffe auf die gewünschte Konzentration hin überprüft und Falschlieferungen entdeckt werden.

Mit einer neuen Transmittergeneration für die Flüssigkeits- und Gasdichtesensoren von Emerson Process Management lässt sich jetzt die bestehende Anlageninstrumentierung aufrüsten. Die neuen Transmitter der Flüssigkeitsdichtesensoren CDM und FDM sowie der Gasdichtesensoren GDM und SGM stellen Ausgangssignale in vier Formaten bereit: Sensorfrequenz (Zeitperiode), 4-20mA, Hart und RS485 Modbus. Daneben ist es möglich, externe Signale per Hart-Kommunikation in den Transmitter einzuspeisen und weiterzuverarbeiten. Mit dieser Funktionalität können die Standardmessgrößen der Dichtesensoren verbessert und zusätzliche Messgrößen berechnet werden.

Ausgabe von Massedurchfluss-Signal

Wird etwa das volumetrische Signal einer Durchflussmessung in den Transmitter gespeist, kann dies mit der Dichte­information kombiniert und ein Massedurchfluss-Signal ausgegeben werden. Eine externe Temperaturmessung wiederum kann zur Genauigkeitssteigerung einer Konzentrationsmessung herangezogen werden. Für die Gasmessungen ist eine Einspeisung von Druck- und Temperatursignalen direkt in den Transmitter des Gasdichtesystems realisierbar, um so neben der Basisdichte auch die spezifische Dichte, das Molekulargewicht oder den Wobbe-Index von Brenngasen auszugeben.

Die neue Technologie bietet zudem Diagnosedaten in kritischen Dichtemessanwendungen, was in Online-Dichtemessgeräten bisher nicht verfügbar war. Dies ermöglicht so deutliche Einsparungen bei den Wartungskosten und -zyklen. Die sogenannte „Known Density Verification” (KDV) überprüft das Messgerät auf Alarmkriterien, Unversehrtheit des Sensors, Belag, Erosion und Korrosion. So kann der Betreiber den Zustand des Messgeräts beurteilen und eine Wartung auf Knopfdruck planen. Insgesamt lassen sich schließlich die Messgerätekosten minimieren und die Prozessmesszeiten maximieren.

Die neue Transmittergeneration von Emerson Process Management kann also dazu beitragen, bestehende Anlagen effektiver zu betreiben bzw. zusätzlich Einsichten in den Prozess zu erlangen. Durch die Einbindung bestehender Sensorik über Hart-Kommunikation und intelligente Verarbeitung im Transmitter werden die Sicherheit erhöht und genauere Messergebnisse erzielt. Die „Known Density Verification“ unterstützt den Anwender außerdem bei Wartungsaufgaben.