Neben „Basics“, wie die Verwendung zugelassener Materialien und einer hygienegerechten Kon­struktion, ist die Diagnose in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie von großer Bedeutung. Schließlich erwarten Verbraucher, dass die Nahrungsmittel genau die auf der Verpackung angegebenen Inhaltsstoffe in der genannten Menge enthalten – und nichts anderes. Gleichzeitig sind Hersteller bestrebt, Inhaltsstoffe und Endprodukt exakt zu portionieren, da die Margen im NuG-Markt knapp kalkuliert werden. Damit stehen die wesentlichen Anforderungen fest, die das Unternehmen ABB bei seinen Hygiene-Durchflussmessgeräten umgesetzt hat: Eine umfassende Fehlerdiagnose von Sensor und Prozess sowie hohe Messgenauigkeit.

Die nach dem magnetisch-induktiven Prinzip arbeitenden Durchflussmesser HygienicMaster informieren den Betreiber rechtzeitig, wenn eine Abweichung der Messung vorliegt – unabhängig davon, ob diese durch eine Funktionsstörung am Gerät oder durch eine Prozessstörung hervorgerufen wird. Zu den wichtigen Diagnosefunktionen gehören zum Beispiel:

■ die Überwachung auf Gasblasen im Medium,
■ Elektroden-Belagserkennung,
■ Leitfähigkeitsüberwachung des Mediums
■ oder eine Überprüfung auf korrekte Erdung des Gerätes.

Zudem lässt sich über den so genannten Fingerprint prüfen, ob sich der Zustand am Messgerät selbst oder die Einsatzbedingungen geändert haben. Die geforderte Genauigkeit von 0,3 % vom Messwert wird auf dem Prüfstand unter Referenzbedingungen mit Wasser kalibriert. Optional ist eine Kalibrierung auf 0,2 % möglich. Diese Genauigkeit erreichen die Sensoren auch im laufenden Prozess – vorausgesetzt, die Einbau- und Betriebsbedingungen werden eingehalten –, sowie bei ähnlichen Medien. Die Ursache größerer Messfehler liegt jedoch meist am eigentlichen Prozessverlauf, etwa bei der Bildung von Gasblasen im Medium.

Gasblasen erkennen

Gasblasen werden, wenn sie nicht zum totalen Signalausfall führen, von den meisten magnetisch-induktiven Durchflussmessern nicht erkannt und als Volumen mit gemessen. Das führt häufig zu Messfehlern von 5 % oder mehr. Bei hochviskosen Medien entstehen Gasblasen oder Lufteinschlüsse durch Rühren oder eine ungleichmäßige Behälterfüllung und halten sich unter Umständen sehr lange im Medium. In Brauereien und bei der Verarbeitung kohlensäurehaltiger Getränke entstehen Gasblasen schon bei der Förderung durch eine nur teilgeöffnete Armatur oder eine Verengung in der Rohrleitung. Beides führt zu einem Druckabfall im Medium und damit zur Ausgasung von Kohlendioxid (CO₂).

Das CO₂-Volumen wird dann fälschlicher Weise als Flüssigkeitsvolumen gemessen.Der Fehler fällt oft erst dann auf, wenn ein befüllter Tankwagen über einen anderen Durchflussmesser entleert, gewogen oder über den gleichen Durchflussmesser erneut entleert wird. Die Diagnosefunktion zur Gasblasen-Erkennung ermöglicht es hin­gegen, diesen Fehler frühzeitig zu re­gistrieren und rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen.

Weniger häufig, dafür aber manchmal umso kritischer, sind Dampfblasen in heißen Medien bei Unterschreitung des Dampfdrucks in Einschnürungen, Armaturen oder durch Einleitung von Medien vor dem Durchflussmesser. Die Dampfblasen verursachen nicht nur einen Messfehler; werden sie innerhalb des Durchflussmessers komprimiert, können sie aufgrund der punktuellen starken Hitze-Entwicklung die Auskleidung des Sensors aufrauen oder komplett durchschlagen. Dies beeinträchtigt die Reinigung und kann innerhalb weniger Wochen zur völligen Zerstörung der Auskleidung führen. Auch hier gilt: Die umgehende Alarmierung beugt Schäden vor. Darüber hinaus vermeidet die Erkennung von Gasblasen den kritischen Trockenlauf von Pumpen.

Der so genannte Fingerprint ermöglicht ohne Ausbau des Geräts eine Aussage über den Zustand von Messstelle oder Prozess.

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Zur Erkennung der Gasblasen speist der Messumformer an einer der Mess-Elektroden ein definiertes Signal ein, welches an der anderen Mess-Elektrode erfasst wird. Der Sensor analysiert und bewertet diesen Signalverlauf. Steigt der vom Messumformer berechnete Gasblasenwert über die eingestellte Schaltschwelle, wird ein Alarm gesendet. Die Gasblasen-Erkennung erhöht so die Verlässlichkeit des Messwerts. Der diagnoseabhängige Hilfetext wird im Display angezeigt, was die Fehlerbeseitigung erheblich vereinfacht.

Fett- oder Öl-enthaltende Medien, wie Rahm oder Mayonnaise, neigen dazu, einen isolierenden Belag auf den Elek-troden zu bilden. Dieser führt nicht immer zum sofortigen Signalabbruch, sondern zunächst zu einem schleichenden Messfehler. Die Folge ist eine falsche Dosierung. Durch eine geeignete Elek­trodenform versucht man, diese Belagsbildung zu minimieren. Der HygienicMaster FEH500 erkennt zudem die Bildung eines Belags und gibt eine Warnmeldung aus. Auch dieser Grenzwert lässt sich individuell einstellen. Außerdem lässt sich der zeitliche Verlauf des Elektrodenbelags als Trend im Gerät aufzeichnen und zur weiteren Analyse auslesen. Das vermeidet ungeplante Stillstandzeiten weitgehend und macht die Gerätewartung besser planbar.

Für die korrekte Funktion eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers ist eine bestimmte Mindestleitfähigkeit des Mediums obligatorisch. Oberhalb dieser Mindestleitfähigkeit darf sie durchaus schwanken, ohne dass das Mess-Ergebnis im Wesentlichen beeinträchtigt wird. Die Sensorbaureihe von ABB kann den Prozess auch hinsichtlich der notwendigen Mindestleitfähigkeit überwachen. Außerdem kann diese Funktion genutzt werden, um eine Fehlbefüllung von Behältern oder unzulässige Mischung von Komponenten zu vermeiden: Verändert sich die Leitfähigkeit eines Mediums durch Eindringen eines anderen Mediums, erkennt das der Sensor und schlägt Alarm. Diese Funktion lässt sich ebenso für die Prozessteuerung verwenden, beispielsweise in Molkereien zur Trennung der verschiedenen Milchbestandteile.

Erdung kontrollieren

Eine Umfrage der Namur zeigt, wo für Anwender die Vorteile einer Gerätediagnose liegen: in der schnellen Entstörung, Instandhaltungs-Planung und Verfügbarkeit.

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Eine der häufigsten Fehlerursachen bei magnetisch-induktiven Messumformern ist die unzureichende messtechnische Erdung des Geräts. Deswegen wurde eine kontinuierliche Erdungsüberprüfung in die Geräte integriert: Im Sensor eingebaute Mess-Elektroden scannen dazu einen bestimmten Frequenzbereich und detektieren die der jeweiligen Frequenz zugeordnete Amplitude der Störers. Für eine gute Erdung darf keine der Amplituden einen bestimmten Grenzwert übersteigen. Ein durch unzureichende Erdung „verrauschter“ Messwert wird somit schon bei der Inbetriebnahme erkannt. Um eine schnelle und sichere Konfiguration und Inbetriebnahme dieser vielen Funktionen und Parameter zu ermöglichen, wurde ein „Easy-Set-up“ implementiert. Dieses Tool zeigt die Grenzen der einzustellenden Parameter und weist unzulässige Einstellungen zurück.

Nach Einschalten der Hilfsenergie führt der Messumformer eine Selbstkonfiguration durch und lädt die Sen­sordaten und messstellenspezifischen Parameter automatisch. Darüber hinaus erkennt der Sensor Verdrahtungsfehler zwischen Messumformer und Messwert-Aufnehmer. Die einheitliche Be­dienphilosophie, die produktübergreifend auch für Druck- und Temperaturmessumformer gilt, senkt zudem den Schulungsaufwand für den Betreiber.
Nach der Inbetriebnahme unterliegen viele Messeinrichtungen einer regelmäßigen Prüfmittel-Überwachung – speziell in der Branche NuG.

Während Temperatur- und Drucksensoren relativ leicht zu überprüfen sind, werden Durchflussmessgeräte häufig ausgebaut und zeitaufwendig auf den Prüfständen der Hersteller kon­trolliert. Um bei diesen Sensoren auch zwischen zwei Prüfungen eine gewisse Sicherheit zu haben, lässt sich bei der Kalibrierung und Inbetriebnahme der anfangs erwähnte Fingerprint einrichten, der sich ohne einen Geräte-Ausbau per Software ScanMaster auslesen und kontrollieren lässt. Dazu stellt das Tool die vom Sensor aufgezeichneten Geräteparameter als Trend dar, die Hinweise auf einen erhöhten Verschleiß oder Ähnliches geben. Haben sich diese Daten verändert, sind der Ausbau und eine genauere Prüfung auf einem Prüfstand angeraten. Zeigt der Fingerprint dagegen keine signifikanten Änderungen, kann der Anwender von einer einwandfrei funktionierenden Messstelle ausgehen.

Autor: Wolfgang Stüber ist Branchenmanager Nahrungs- und Genussmittel bei ABB Automation Products.