Tendenziell besteht in der Fabrikautomation (FA) ein weitaus geringerer Bedarf an Lösungen für extreme Temperatur- und hohe Druckbereiche, sehr hohe Gerätevariabilität hinsichtlich spezieller Materialien, Elektronik-Varianten und Prozessanschlüsse und Zulassungen. Stattdessen stehen Themen wie geringe Baugröße und universelle Einsatzmöglichkeiten bei geringen Kosten im Vordergrund. Dieses Spannungsverhältnis hat dazu geführt, dass die in der Fabrikautomation eingesetzte Fluidsensorik häufig ein Kompromiss zwischen der gewünschten Performance und dem vorhandenen Budget ist. Aufgrund dieses Interessenkonflikts kommen im FA-Bereich nicht die moderneren und genaueren Technologien der Prozessautomation (PA) zum Einsatz.

Vielmehr dominieren nach wie vor vermeintlich günstigere elektromechanische Messverfahren wie Schwimmerschalter, Flügelradzähler oder nur mit zusätzlichem Aufwand nutzbare Technologien wie elektromagnetische oder auf Leitfähigkeit basierende Messverfahren. Wesentlich langsamer als die im FABereich immer kürzeren Taktzeiten und Regelungszyklen, stellen diese veralteten Sensorprinzipien den begrenzenden Faktor für die weitere Steigerung der Maschinenperformance und die Reduktion der Prozesskosten dar. Zudem fallen bei elektromechanischen Gerätekonzepten höhere Parametrier- und Wartungskosten an, als bei universell einsetzbaren Sensorsystemen ohne bewegliche Komponenten.

PA-Messverfahren für konkrete Anwendungen

Die Fluidmesstechnik in der Fabrikautomation braucht die innovativen Messverfahren der Prozessautomation, jedoch auf die Anforderungen dieser Branche zugeschnitten.

Die Füllstand-Messtechnik auf Basis geführter Mikrowellen eignet sich auch für öl- und wasserbasierte Flüssigkeiten.

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Diese Sensortechnologien müssen erprobt, robust und universell anwendbar sein, das heißt bei gleichem Aufbau grundsätzlich in allen Medien funktionieren - idealerweise ohne Kalibrierung oder Medienabgleich. Ebenso muss sich die Technologie preislich skalieren lassen. Für die berührende Füllstandmessung geeignete Technologien sind beispielsweise die geführte Mikrowelle (TDR) sowie das für Grenzstandmessungen einsetzbare Schwinggabelprinzip.

TDR (Time Domain Reflectometry) ist ein Laufzeitverfahren, bei dem ein Mikrowellenimpuls in eine Sonde eingekoppelt wird. An der Oberfläche des Mediums trifft der Impuls auf eine andere Dielektrizitätskonstante und wird teilweise reflektiert. Anhand der Laufzeit dieses Signals lässt sich die Entfernung der Reflexionsstelle vom Sender ermitteln und damit der Füllstand in einem Behälter berechnen. Dieses Verfahren funktioniert unabhängig von den Eigenschaften des Mediums und damit ohne Abgleich. Einzig die Qualität der Messung - nicht die Anwendbarkeit des Messprinzips - wird von der Dielektrizitätskonstanten er εr des Mediums beeinflusst. Sie beeinflusst die Stärke des Reflexionssignals an der Grenzfläche.

Messsignal unabhängig von Einbauort und Umgebungsbedingungen

Mit dem TDR-Füllstandsensor LFT bietet das Unternehmen Sick eine universelle Lösung, die in Flüssigkeiten ab einer Dielektrizitätskonstanten von 1,8 funktioniert - und damit in öl- und wasserbasierten Flüssigkeiten wie sie in Hydraulikölprozessen, Reinigungs- und Entfettungsverfahren oder Kühl/Schmiermittelkreisläufen zum Einsatz kommen.

Das Messprinzip portiert: Grenzstandschalter auf Basis von Schwinggabeln ersetzen die klassischen Schwimmerschalter in der Fabrikautomation.

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Durch die koaxiale Edelstahlsonde haben Einbauort (mittig oder an der Behälterwand) und Umgebungsbedingungen (Einlassstutzen, Rührwerke) keinen Einfluss auf das Messsignal. Auch nachträgliche Änderungen wie zusätzliche Einbauten oder Verformungen stellen kein Problem dar. Im Vergleich zu Monosonden ist das koaxiale System bei Schaum-, Schichten- oder Kondensat-Bildung erheblich zuverlässiger und erreicht über die gesamte Messstrecke eine Genauigkeit von 3 mm. Die Füllstände gibt der Sensor über bis zu vier Schaltkontakte oder als Analogwert und zwei zusätzliche Schaltausgänge aus.

Für Füllstandsapplikationen bei schwierigen Einbausituationen, starker Verschmutzung oder aggressiven Medien eignen sich berührungslos messende Systeme (Ultraschall und optisch). Bezogen auf die Fabrikautomation benötigen die Sensoren geringere Reichweiten. Schließlich sind die Behältergrößen wesentlich kleiner als in der Prozessautomation. Speziell für Füllstandsanwendungen in kleinen druckbeaufschlagten Behältern hat Sick mit dem UP30 eine Variante der UM30-Ultraschallsensoren für Behältergrößen bis 700 mm Höhe und 6 bar Druck entwickelt. Der Grenzstandschalter LFV200 nutzt eine Schwinggabel zur Füllstand-Detektion: Die Sensorelektronik erkennt die Frequenz- oder Amplitudenänderung der piezoelektrisch angeregten Schwinggabel, wenn diese von einer Flüssigkeit oder einem Schüttgut berührt wird.

Im Vergleich zu mechanischen Schwimmschaltern oder kapazitiven Sensoren ist diese Technologie einfach zu installieren sowie von den Eigenschaften des Mediums und Verschmutzungen weitgehend unabhängig. Die mediumberührenden Teile bestehen aus Edelstahl und der Prozessanschluss ist für Drücke bis 64 bar sowie Temperaturen bis 150 °C verfügbar. Damit sind die Sensoren CIP- und SIP-fähig (clean in process / sterialization in process).

Wachablösung bei der Durchflussmessung

In der Durchflussmessung wird es Zeit, die elektromechanischen Systeme durch eine effizientere Technologie abzulösen. Dies betrifft insbesondere die Flügelradzähler und Staudruckmessungen über Blenden. Letztere greifen ebenso stark in die Flüssigkeitsströmung ein wie die Messung von Verwirbelungen (Vortex-Sensoren) und beeinträchtigen die Anwendungsperformance. Die magnetisch-induktive Messung als populärste Technologie für die Durchflussmessung, die ohne Störung des Rohrquerschnitts arbeitet, funktioniert nur bei leitfähigen Medien. Das Problem: In der Fabrikautomation kommen sehr häufig ölbasierte, nicht-leitende Flüssigkeiten vor. Und die in der Prozessautomation ebenso beliebten Coriolis- Systeme scheiden aufgrund der hohen Kosten aus.

Bleibt nur noch die Durchflussmessung per Ultraschall. Daher wurde ein vor Jahren für die Erdgas- Industrie entwickelter Ultraschall- Gaszähler an die Bedürfnisse im FABereich angepasst: Das Ende 2009 lieferbare Ultraschall-Durchflussmessgerät FFU misst ohne Einschränkungen alle Arten homogener, nicht stark mit Feststoffen versetzter Flüssigkeiten, beispielsweise Kühl-/Schmiermittel oder Hydrauliköle.

Das komplett aus Polysulphon aufgebaute Gerät hat gegenüber vergleichbaren Geräten ein geringeres Gewicht. Zudem ist der Werkstoff FDA-zertifiziert und damit für Anwendungen im Pharma-, Getränke-, sowie NuG-Umfeld (Nahrungs- und Genussmittel) geeignet. Das Gerät verfügt über je einen Schalt-, Impuls- und Analogausgang und ist beginnend mit dem in der Fabrikautomation vorherrschenden Leitungsquerschnitt DN15 mit verschiedenen Prozessanschlüssen verfügbar.

Der Fokus liegt auf Robustheit und einfacher Bedienung

Bei der Druckmesstechnik unterscheiden sich die Gerätekonzepte zwischen Prozess- und Fabrikautomation insbesondere in ihrer Komplexität und Baugröße. In der Fabrikautomation haben sich zylinderförmige Druckmessumformer mit Analogausgang und über Display bedienbare Druckschalter mit binärem und analogem Ausgangssignal etabliert. Der Fokus liegt daher in den Bereichen Robustheit, Anlagenintegration und einfache Bedienung.

Verrenkungen sind passee: Bei der Druckschalterreihe PBS können Gehäuse, Display sowie Prozessanschluss fast beliebig gegeneinander verdreht werden.

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Ein Beleg für diese Entwicklungen ist die neue Druckschalter-Baureihe PBS, bei der sowohl das Display gegen das Gehäuse als auch das Gehäuse gegen den Prozessanschluss fast vollständig drehbar sind. Zudem können die auf dem Display dargestellten Texte um 180° gedreht ausgegeben werden. Dies erleichtert die Parametrierung bei schwierigen Platzverhältnissen. Die Bedienung selbst erfolgt standardisiert nach dem VDMA-Einheitsblatt 24574-1.

Der für Messbereiche bis 600 bar erhältliche Druckschalter hat zwei Schaltausgänge, alternativ kann ein Analogausgang mit ein oder zwei Schaltern gewählt werden. Für den Prozessanschluss stehen verschiedene Varianten zur Verfügung, die zur Reduktion von potenziellen Leckagestellen nicht als Adapter, sondern als echte Gehäusevarianten ausgeführt sind. Diese Sensor-Baureihe ergänzt die zwei bestehenden analogen Druckmessumformer- Linien.

In der Fabrikautomation besteht ein großer Bedarf an modernen Gerätekonzepten für Fluid-Sensorik. Der aktuelle Innovations-Stau liegt vor allem an den unterschiedlichen Anforderungsprofilen von Prozess- und Fabrikautomation. Abhilfe schafft die Umsetzung der robusteren PA-Technologien auf die einfacheren, typischerweise kleineren und vor allem nutzerfreundlicheren Geräte- und Bedienkonzepte der Fabrikautomation. Sick erwartet, dass solche Flüssigkeits-Sensoren in Verbindung mit den günstigen Kommunikationsmöglichkeiten - wie das im Vergleich zu HART viel preiswertere IO-Link - Marktanteile gegen elektromechanische Verfahren gewinnen.

Autor: Christoph Müller ist Business Unit Manager Industrial Instrumentation bei der Firma Sick in Waldkirch.