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MessprozesseSchnell und sicher messen

Messprozesse optimieren

Die kundenindividuelle Massenproduktion ist längst Industriealltag – was auch die Messtechniker spüren, denn sie werden angesichts immer kleinerer Losgrößen fast permanent mit neuen Messaufgaben konfrontiert.

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Radarmesstechnik, SterilanwendungenHalb voll oder halb leer?

Radartechnik als Detektionsmöglichkeit für Füllstände von Flüssigkeiten ist vom Messprinzip her eine bekannte Technik. Neue Antennensysteme erweitern und verbessern jedoch deren Einsatzmöglichkeiten. Problematisch war bislang beispielsweise die Nutzung der Radartechnik in allen Anwendungen, die besonders hohe Anforderungen an die Reinheit der in den Anlagen gehandelten Produkte stellen. Das gilt beispielsweise für die Lebensmittel-, Getränke und Pharmaindustrie. Sterilisierbarkeit ist hier das Schlagwort. Aber auch viele Sparten der Chemieindustrie stellen hohe Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich der Resistenz gegen bestimmte Stoffe und erhöhte Einsatztemperaturen.

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Messen/Prüfen (MP): Halb voll oder halb leer?

Frontbündige Prozessanschlüsse erleichtern das Sterilisieren der Radarsensoren und machen sie damit geeignet für Sterilanwendungen. Neue, mit Kunststoff gekapselte Antennensysteme ermöglichen seit kurzer Zeit auch den Einsatz im Pharma- und Lebensmittelbereich.

Die Sensoren müssen bei den unterschiedlichsten Produkten exakte Messergebnisse liefern, da es sich häufig um kostenintensive Herstellungsverfahren und somit teure Produkte handelt. Bisher wurden in der Pharma- und Lebensmittelproduktion hauptsächlich Sensoren eingesetzt, die den Füllstand über den hydrostatischen Druck erfassen. Durch häufige Produktwechsel in modernen Anlagen ist bei diesem Messprinzip jedoch ein ebenso häufiger Abgleich der Dichte des Produkts notwendig.

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Besonders interessant ist daher der Einsatz von Sensoren zur Füllstandmessung, die unabhängig von den Prozessbedingungen exakte Messergebnisse liefert. Vor allem bei wechselnden Produkten bietet das Radarmessprinzip erhebliche Vorteile gegenüber bisher verwendeten Messverfahren.

Bewährte Technik weiter ausbauen

In den Sterilbereichen der Pharma- und Lebensmittelindustrie überwiegend eingesetzte Drucksensoren zur Messung der hydrostatischen Flüssigkeitssäule in den Behältern werfen im Tagesbetrieb einige Probleme auf. Da viele Prozesse in Steril­anwendungen mit Stickstoff oder Sterilluft überlagert sind, ist zu einer genauen Füllstanderfassung auch die Messung des Überdrucks im Behälter notwendig. Das erfordert einigen Aufwand. Prinzipiell werden dafür zwei unterschiedliche Sensorausführungen verwendet.

Hydrostatischer Druck und überlagerter Behälterdruck werden von einem am Behälterboden angebrachten Druckaufnehmer erfasst. Ein zweiter Druckaufnehmer erfasst den Behälterüberdruck im oberen Teil des Behälters. Die beiden Messwerte werden subtrahiert und somit der tatsächliche hydrostatische Druck berechnet.

Vor allem bei geringen Drucküberlagerungen ist dieses Verfahren gut geeignet, da gleichzeitig der Messwert des Behälterüberdrucks zur Verfügung steht. Bei hohen Behälterdrücken führt dieses Verfahren jedoch zu wachsenden Messtoleranzen (oder erhöhtem Messaufwand), da der Anteil des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeit mit wachsendem Überdruck im Behälter sinkt. Selbst bei Sensoren mit hohen Genauigkeitsklassen von 0,1 ist der Einsatz ab einem Druckverhältnis von 1/10 nicht mehr empfehlenswert. Bei Prozessbehältern mit einer in der Praxis üblichen Höhe von drei Meter ist dieser Wert schon bei einem Behälterdruck von drei bar erreicht. Hier kommen Sensoren nach dem klassischen Differenzdruckverfahren zum Einsatz. Eine Differenzdruckmesszelle ist über Kapillarleitungen mit einer Messmembrane verbunden. Der Druck wird über eine Ölfüllung an die Messzelle übertragen, welche die Druckdifferenz direkt auswertet und somit den Behälterüberdruck kompensiert.

Die Druckmesstechnik wurde in den letzten Jahren optimiert und an die Belange der Steriltechnik angepasst. So stehen heute frontbündige Messstellen aus Keramik oder Metall mit exzellenter Langzeitstabilität und geringem Temperaturkoeffizient zur Verfügung. Trotzdem bleibt der Einfluss der Dichte des Mediums ein wesentlicher physikalischer Effekt. Bei unterschiedlichen Produktchargen muss die Dichte des Mediums korrigiert werden um eine exakte Füllstandmessung zu erzielen.

Oder doch lieber per Radar?

In den letzten fünf Jahren hat sich die Füllstandmessung mit Radargeräten zu einem Standardmessprinzip in vielen Industriebereichen entwickelt. Der breite Einsatz dieses noch relativ jungen Messprinzips gelang mit der Einführung der Zweileitertechnik. Das in der Vergangenheit sehr teure Messverfahren wurde deutlich kostengünstiger und hielt so Einzug in nahezu alle Bereiche der industriellen Messtechnik. Verbesserte Signalverarbeitung und eine deutlich einfachere Bedienung machen moderne Radarsensoren heute deutlich leistungsfähiger als ihre Vorgänger.

Der große Vorteil des Radarverfahren, ist der geringe Einfluss durch Änderungen der Prozesseinflüsse wie Temperatur, Druck oder wechselnde Produkteigenschaften. So ist die Signallaufzeit der Radarwellen praktisch unabhängig von Temperaturveränderungen des Mediums und der überlagerten Gasphase.

Diese Vorteile macht das Radarverfahren zum idealen Messprinzip für moderne Multifunktionsanlagen in der Chemieindustrie. Einziger Nachteil der berührungslosen Füllstandmessung ist, dass ein Antennensystem im Behälter notwendig ist um die Radarsignale in Richtung der Füllgutoberfläche zu fokussieren. Als Antennensysteme werden meist metallische Hornantennen oder dielektrische Stabantennen verwendet. Da sich die Antennen im Behälterinnenraum befinden müssen, war bisher eine optimale Reinigungsmöglichkeit als Voraussetzung zum Einsatz im Sterilbereich nicht gegeben. Das interessante neue Messprinzip war auf Grund des mechanischen Aufbaus nur begrenzt im Pharma- und Lebensmittelbereich und in weiteren anspruchsvollen Anwendungen tauglich.

Hygenic Design für Radarantennen

Höhere Sendefrequenzen ermöglichen deutlich kleinere Antennensysteme. Dies war eine Voraussetzung für den Einsatz der Radartechnik in besonders kleinen Behältern. Durch ein mit Kunststoff gekapseltes Antennensystem wurden die weiteren Voraussetzungen für die Montage auf Sterilanschlüssen geschaffen. Das mit einer speziellen Kunststoffmischung gefüllte Antennensystem erlaubt den Einsatz bei Druckbereichen bis 16 bar und Prozesstemperaturen von bis 150 Grad Celsius.

Für die optimale Signalanpassung der Mikrowellen und hohe chemische Beständigkeit sorgt eine Antennenabdeckung aus einem speziellen PTFE. Das Material zeichnet sich durch besonders geringe Porengröße, geringeren Kaltfluss und verbessertes Diffusionsverhalten aus. Natürlich entspricht das Material den FDA-Anforderungen und ist somit für den Einsatz im Sterilbereich geeignet. Die Bearbeitung des Rohmaterials mit Diamantwerkzeugen ermöglicht die Einhaltung der geforderten minimalen Rautiefe von Ra = 0,8.

Mit dem konstruktiven Aufbau des Antennensystems konnten zunächst Flanschanschlüsse realisiert werden. Dadurch war es möglich, Radarsensoren erstmals in Sterilbereichen einzusetzen. Die Adaption an weitere Anschlussarten wie die Rohrverschraubungen nach DIN 11851 oder Clampverbindungen ermöglicht einen breiteren Einsatz der Sensoren. Noch höhere Anforderungen an die Prozessabtrennung stellen Sterilanschlüsse nach DIN 11864 oder gar Tuchenhagen Varivent und Neumo Biocontrol.

Durch mechanische Verformung eines O-Rings in einer exakt festgelegten Ausformung in der PTFE-Abdeckung der Antenne entsteht eine absolut spaltfreie Verbindung mit dem Prozessanschluss des Behälters. Mit diesen Anschlusskonzepten ist es möglich Radarsensoren in hochsensiblen Sterilprozessen zu integrieren. Einige Anwendungsbeispiele zeigen die Einsatzmöglichkeiten von Radarsensoren in typischen Anwendungen auf.

Reaktionsbehälter in Mehrproduktanlage

Moderne Produktionsanlagen sind häufig für die Herstellung mehrerer Produkte ausgelegt. Um eine möglichst große Bandbreite von Medien verarbeiten zu können, werden oft emaillierte Reaktionsbehälter eingesetzt. Durch die glatte Oberfläche der Emailbeschichtung und deren hohe chemische Beständigkeit sind sie für unterschiedliche Prozesse einsetzbar. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Behältergrößen von wenigen Litern bis zu mehreren Kubikmetern verwendet. Zum Anschluss von Rohrleitungen oder Sensoren werden bei Emailbehältern üblicherweise Flansche verwendet, da sich spaltfreie Sterilanschlüsse nur schwer mit Email beschichten lassen.

Aus hygienischer Sicht sind Flanschverbindungen nur bedingt für den Einsatz im Sterilbereich geeignet, da sich die Flanschdichtungen nicht einfach reinigen lassen. Da viele Reaktionsprozesse bei höheren Temperaturen ablaufen, ist jedoch nur in Einzelfällen ein klassischer Sterilanschluss notwendig.

Das Radarmessverfahren bietet gerade bei Anwendungen mit unterschiedlichen Produkten gravierende Vorteile. Die berührungslose Messung ist keinerlei Verschleiß unterworfen. Grundprodukte mit unterschiedlichen Dichten oder Dichteänderungen im Prozess sowie Überdruck, Vakuum oder Temperaturveränderungen verursachen keine Messfehler. Einzige Einschränkung für den Einsatz von Radarsensoren ist eine starke Schaumbildung an der Füllgutoberfläche, die zu einer Absorption der Mikrowellen führt.

Reinstwassererzeugung für Injektionslösungen

Für die Herstellung von Produkten, die in die Blutbahn injiziert werden, beispielsweise Glukose- oder Kochsalzlösungen sowie wasserhaltige Lösungen für Medikamente, wird hochreines Wasser benötigt. Dieses Wasser (WFI: Water for Injection) wird über Filtration und Destillation gewonnen und anschließend in Tanks zwischengelagert. Um einer erneuten Verkeimung vorzubeugen wird das Wasser bei einem Überdruck von etwa drei bar kontinuierlich durch das Leitungsnetz gepumpt. Absolute Aseptik und Reinigungsfähigkeit ist eine Grundforderung an alle im Medienkontakt stehenden Komponenten. Üblicherweise werden für die Füllstandmessung Druckmessumformer eingesetzt. Durch den vorhandenen Überdruck im Lagerbehälter ist jedoch eine Differenzmessung mit zwei Drucksensoren oder einem Differenzdruckmess­umformer notwendig. Alternativ zu dieser klassischen Druckmessung ist auch der Einsatz moderner Radarsensoren mit einem gekapseltem Antennensystem und Sterilanschluss möglich. Da Wasser ein nahezu idealer Reflektor für Mikrowellen ist, können auch Sensoren mit kleinen Prozessanschlüssen eingesetzt werden.

Radarsensoren in Zellkulturen

Beim Einsatz von Radarsensoren in lebenden Zellkulturen stellt sich natürlich die Frage nach der schädigenden Wirkung auf die lebenden Organismen. Die Sendeleistung eines Radarsensors beträgt üblicherweise weniger als 1 Milliwatt. Bei Sensoren, die nach dem Puls-Laufzeitverfahren arbeiten, ergibt sich durch das Puls-Pausenverhältnis des Sendesignals eine mittlere Leistung am Ausgang des Mikrowellengenerators von nur rund fünf Mikorwatt. Da die Energie durch das Antennensystem auf eine Fläche verteilt wird, bleibt im Abstand von einem Meter von der Antenne nur eine Leistungsdichte von einigen Nanowatt pro Quadratzentimeter(10-9 W/cm2) übrig. Wenn man diese Leistungsdichten mit den heute üblichen Sendeleistungen von Mobiltelefonen vergleicht, sind die Sendeenergien von Radarsensoren um ein vielfaches geringer. Selbst die Leckstrahlung eines Mikrowellenofens ist um ein vielfaches höher als die Sendeenergie eines modernen Radargerätes zur Füllstandmessung. Die Sendeenergien liegen weit unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte, so dass eine Schädigung von Menschen oder lebenden Zellkulturen ausgeschlossen ist.

Das Know-how des Sensorherstellers liegt darin, trotz dieser kleinen Sendeleistungen eine sichere Messung zu gewährleisten.

Neue Potenziale der Radartechnik nutzen

Trotz erweiterter Einsatzmöglichkeiten steht die Radartechnik nicht nur in der Pharma und Lebensmitteltechnik erst am Anfang der Entwicklung. Neue Materialien eröffnen in der Zukunft weitere Potenziale, um die Radarsensoren für diesen Bereich weiter zu optimieren und so zusätzliche Anwendungen zu erschließen. Das Messprinzip Radar ist, bei Nutzung angepasster Hardware, für den Einsatz im Pharmabereich besonders gut geeignet und hat erhebliche Vorteile gegenüber den bisher eingesetzten Verfahren. In den nächsten Jahren wird sie sich sicher, wie schon in anderen Bereichen der industriellen Messtechnik auch in Branchen mit speziellen Anforderungen als ein Standardmessverfahren durchsetzen.

Ob der Behälter nun halb voll oder halb leer ist, wird auch die neueste Messtechnologie nicht entscheiden können. Aber immerhin liefert sie die exakten Entscheidungsgrundlagen – und das in immer mehr Anwendungen.Meinolf Droege

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