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Inline-Prozessanalytik mit integralen Analysenmessverfahren
– Möglichkeiten und Grenzen
Die Schallgeschwindigkeitsmessung als indirekte, integrale Messmethode ist im Vergleich zu direkten, spezifischen Messmethoden wie der optischen Spektroskopie oder der Chromatographie |
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Dr. Frank Dinger, Geschäftsführer, MAT MESS- &
ANALYSE TECHNIK, Hofgeismar
VDI-Fachkonferenz 16. - 17. Februar 2011 in Frankfurt am Main |
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Rang - und Reihenfolge der
physikalischen Messgrößen in der
Prozessüberwachung
1. Temperatur
2. Druck
3. Durchfluss
4. Niveau
5. Konzentration / Zusammensetzung  ANALYTIK
Frage: Warum steht die Messung der Zusammensetzung / Konzentration
(Prozessanalytik) mit Abstand an letzter Stelle ?
1981 : Anteil < 4 %
2010 : Anteil ca. 4 – 5 %
Antwort: Weil sie bestimmte Spezifika aufweist, die in der nächsten Folie
dargestellt werden ! |
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SPEZIFIKA PROZESSANALYTISCHER
METHODEN
- Die Zielgröße ist in der Regel mit der Messgröße nicht identisch.
- Der Hersteller der Messtechnik hat kein Interesse, sich intensiv mit Stoff und Verfahrenstechnik zu
beschäftigen.
- Der Anwender der Messtechnik hat kein Interesse, sich intensiv mit dem Messverfahren zu beschäftigen.
- „Welches der ca. 80 derzeit verfügbaren und im Prozess einsetzbaren Analysen -
Messverfahren liefert die Information, die man zur Lösung der Aufgabenstellung braucht,
und wie findet man dies heraus?“
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Für den erfolgreichen Einsatz von
Inline - Prozessanalysentechnik
gelten im wesentlichen 3 Kriterien :
1. Die physikalische Messgröße muß reproduzierbar und
möglichst genau mit der Zielgröße korrelieren !
2. Der Messeffekt muß möglichst hoch sein, damit die Zielgröße
mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmt werden kann !
3. Das Messverfahren muß unter den gegebenen Bedingungen
des realen Prozesses möglichst robust und langzeitstabil sein
und der Wartungsbedarf muß gering sein ! |
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Unterschiede zwischen spezifischen und integralen Verfahren
Spezifische (direkte) Verfahren
Eine oder mehrere Informationen (nebeneinander Spektren) liegen spezifisch vor
Vorteil: mehrere Zielgrößen, z.B. Konzentrationen, können nebeneinander gemessen werden
Nachteil: diese Verfahren können ohne ein Mindestmass an Kalibrierung und
mathematischer Verarbeitung nicht eingesetzt werden
Integrale (indirekte) Verfahren
Alle Informationen sind in einem einzigen Messwert enthalten
Nachteil: es kann nur eine einzige Zielgröße ermittelt werden. Welche, das ist egal.
Vorteil: bei Einsatz dieser Messverfahren stehen sofort Messwerte zur Verfügung, und das
in Echtzeit und mit einer hohen Messpunktdichte (Abstand in der Regel 1 Sekunde).
D.h. beim Einsatz des Verfahrens im Labor, Technikum oder Prozess steht sofort
eine Trendkurve bereit. Das führt in der Regel dazu, dass die Prozesse
transparent werden, sofort besser verstanden und damit optimiert werden können.
2 bis 3 Messwerte pro Tag bis zu 85 000 Messwerte pro Tag
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Ein universelles integrales Messverfahren – das Schallverfahren !
• Schall - insbesondere Ultraschall - Anwendungen, finden sich in nahezu allen Bereichen
von Wissenschaft, Produktion, Technik und Medizin.
• Dabei wird ausgenutzt, dass man die Schallparameter in sehr weiten Grenzen variieren
kann.
• In Produktion und Technik haben sich Ultraschallverfahren zur Durchfluss-, Füllstands-,
Abstands- und auch zur Analysenmessung durchgesetzt.
• Die Schallgeschwindigkeit kann sehr genau gemessen werden – mit einer Auflösung bis
zu 0,02 m/s. Das bedeutet, dass für den Bereich der Flüssigkeiten ca. 90 000 Schritte zur
Unterscheidung und analytischen Charakterisierung zur Verfügung stehen !
Aber: die Schallgeschwindigkeit steht in noch keinem Sicherheitsdatenblatt !!!
• Das Schallverfahren ist in idealer Weise zur Verfolgung von chemischen, physikalischen
und biologischen Reaktionen geeignet !
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Welches sind die Vorteile von Ultraschall - Analysenverfahren ?
• Es können mit einem Gerät zwei analytische Größen gemessen werden:
Die Schallgeschwindigkeit und die Schalldämpfung !
• Die Analytik kann in Feststoffen, in Flüssigkeiten und in Gasen betrieben werden !
• In Flüssigkeiten gibt es keine Einschränkungen bezüglich Zusammensetzung:
Es können Lösungen, Emulsionen, Dispersionen und Suspensionen bis zu sehr hohen
Feststoffgehalten gemessen werden !
• Es gibt kaum Einschränkungen bezüglich Einsatzort:
Es kann in Behältern und in Rohrleitungen gemessen werden – bei letzteren auch mittels
clamp - on - Messung !
• Die Ultraschallsensoren sind sehr robust, langzeitstabil und wartungsarm !
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Überwachung von Sedimentationsreaktionen Prozess
Ziel: Überwachung der Produktreinigung mittels Sedimentation / Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Fahrweise
Verbesserung der Produktqualität / Zeitliche Optimierung des Prozesses
Messverfahren: Schallgeschwindigkeit / Einsatz eines zweistufigen Kunststoffsensors |
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