Leitfähigkeitssensoren

Wie kann ein Leitfähigkeitssensor Prozesse optimieren, die Qualität der Produkt absichern und Kosten sparen?

Die Messung der Leitfähigkeit von Produkten und von CIP-Medien ist in vielen Applikationen der Lebensmittel- und Getränke-Industrie die am besten geeignete Analysetechnik, um Flüssigkeiten im Prozess hygienisch und inline zu erkennen und zu unterscheiden. Eine weitere wesentliche Anwendung liegt in der Kontrolle der Konzentration der CIP-Reinigungsmittel und deren automatischer Aufschärfung.

Grundlage für eine hohe Effizienz der Prozesse sind drei wesentliche Eigenschaften des induktiven ILM-4 Leitfähigkeitssensors:

• Die extrem kurze Ansprechzeit von 1,2 Sekunden für Unterscheidung und Phasenwechsel von Produkten oder CIP-Medien in Echtzeit.
• Die hohe Messgenauigkeit und Auflösung sowie die effiziente Temperaturkompensation für eine nachweisbare Reinigungsqualität.
• Die hohe Produktqualität. Die aktuelle Generation ILM-4 basiert auf der Erfahrung aus einer Serie von Vorgängermodellen und hat bereits in tausenden Applikationen seine Praxistauglichkeit und Langlebigkeit auch unter rauesten Bedingungen erwiesen. Zuletzt wurde in einem Upgrade die digitale Kommunikationsschnittstelle IO-Link in einer speziellen Flex-Hybrid Technologie integriert.

In welchen Anwendungen bieten hygienische Inline-Leitfähigkeitssensoren Vorteile?

Die Inline-Analyse von Medien anhand ihrer Leitfähigkeitswerte ermöglicht in vielen Produktionsprozessen und Applikationsbereichen eine automatisierte, hochpräzise Anwendung. Dies sind in erster Linie die Produktdifferenzierung, die Phasentrennung, die Prozesskontrolle und die CIP-Aufschärfung.

• Bei der Produktdifferenzierung und der Phasentrennung ist die extrem schnelle Ansprechzeit von 1,2 Sekunden wichtig, da dadurch quasi in Echtzeit Produkte korrekt ermittelt und die Prozesssteuerung damit ohne Zeit- und Produktverlust durchgeführt werden können.
• Bei der Prozesskontrolle und der CIP-Aufschärfung spielt dagegen die hohe Messgenauigkeit und Auflösung bei gleichzeitiger Temperaturkompensation die wichtigste Rolle, da für ein nachweisbares Reinigungsergebnis der spezifizierte Wert der Konzentration eines Reinigungsmittel wie Säure oder Lauge äußerst genau eingehalten werden muss.

Produktdifferenzierung: durch die sekundenschnelle Unterscheidung von Flüssigkeiten kann die korrekte Verarbeitung, Lagerung oder Abfüllung von Produkten sichergestellt werden, beispielsweise:

• Unterschiedliche Fruchtsäfte und Saft-Mischgetränke.
• Produkt und Wasser, z.B. beim Ausschieben von Bier, Wein, Milch oder

Phasentrennung: durch die kontinuierliche Medien-Analyse ist eine sekundengenaue Inline-CIP-Steuerung möglich.

• Die Phasentrennung in Echtzeit zwischen Wasser – Lauge – Säure – Produkt stellt eine nachweisbare, sichere, effiziente und ressourcenschonende Phasentrennung und damit Reinigungsqualität sicher.
• Diese Medien können durch eine punktgenaue und präzise Leitfähigkeitsmessung in größtmöglicher Sortenreinheit weitergeleitet oder in die Stapeltanks zurückgeführt werden. Die Mehrfachnutzung der Reinigungsmedien sorgt zudem für eine maximale Kosteneffizienz und Schonung der Umwelt.

Prozesskontrolle: durch kontinuierliche Messung des Leitwerts kann eine Abweichung des Ist-Werts vom vorgegebenen Soll-Wert mit sehr hoher Messgenauigkeit festgestellt und sofort signalisiert werden.

• Fällt die Leitfähigkeit und damit die Konzentration eines CIP-Reinigers unter einen bestimmten vorgegebenen Konzentrationswert, wird dadurch die Reinigungsqualität verschlechtert.
• Steigt der Wert darüber, entstehen zusätzliche Kosten.
• Beim letzten Spüldurchgang mit Wasser kann festgestellt werden, ob noch Reste von Reinigungschemikalien vorhanden.

CIP-Aufschärfung: für eine nachweisbare Reinigungsqualität durch ein optimales und reproduzierbares Reinigungs-Ergebnis muss jedes Reinigungsmittel durch Nachdosierung mit Konzentrat und Frischwasser auf den vorgegebenen Wert aufgeschärft werden. Dies wird durch die höchst präzise Leitwertmessung mit dem ILM-4 in einer separaten Prozesslinie sichergestellt.

Welche Vorteile bietet die Leitfähigkeitsmessung in den verschiedenen Branchen?

In einer Vielzahl von Produktionsprozessen und in CIP-Anlagen in Molkereien, Brauereien, der Getränkeindustrie, in der Weinherstellung, der Saftproduktion und in anderen Lebensmittelbetrieben können integrierte Leitfähigkeitssonden die Flüssigkeiten nach qualitativen Kriterien in Echtzeit und vollautomatisch inline messen. Damit lassen sich unter anderem:

• Produkte wie z.B. Säfte und andere Flüssigkeiten nach ihrer Leitfähigkeit schnell und sicher unterscheiden und im Prozess steuern (automatisierte sekundengenaue Phasentrennung). Ergebnis: Maximale Ressourcen-Ausnutzung
• CIP-Medien im CIP-Prozess in Echtzeit unterscheiden und in die jeweiligen Stapeltanks zurückführen oder ableiten (automatisierte sekundengenaue Phasentrennung). Ergebnis: Maximale Reinigungsmittel-Ausnutzung
• Die Konzentration von CIP-Reinigungsmitteln in der laufenden CIP-Reinigung überwachen und eventuelle Abweichungen zwischen Soll- und Istwert erkennen und signalisieren. Ergebnis: Ein nachweisbare und nach Hygiene-Anforderungen überwachte Reinigungsqualität
• Die Konzentration von Lauge und Säure im Stapeltank auf den spezifizierten Wert, z.B. 1,5%, aufschärfen. Falls der Ist-Wert durch Medienvermischung im CIP-Prozess vom Sollwert abweicht, stellt eine automatische Aufschärfung durch die Leitwertmessung mit ILM-4 jederzeit die korrekte Reinigung sicher. Ergebnis: Ein nachweisbare und nach Hygiene-Anforderungen überwachte Reinigungsqualität

Welche anderen Messtechniken kann ein Leitfähigkeitssensor ersetzen?

Eine Unterscheidung von Produkten oder Flüssigkeiten ist in der Praxis häufig nicht einfach, kann aber über die Qualität des Endprodukts und die Effizienz des Prozesses entscheiden. Immer noch häufig eingesetzte Möglichkeiten zur Kontrolle, z.B. beim Abfüllen von unterschiedlichen Säften, sind manuelle Probenentnahmen oder die Überwachung über ein Schauglas. Beides bedeutet jedoch erfahrungsgemäß hohe Personalkosten und Unsicherheiten bei der Qualität zwischen den Proben.

Eine weitere übliche Option bei bestimmten Applikationen wie der CIP-Reinigung ist der zeitgesteuerte Phasenwechsel. Um sicher zu sein, dass kein falsches Produkt oder Reinigungsmittel wie Säure oder Lauge in die Produkttanks gelangen, muss jedoch ein Sicherheitspuffer von mehreren Sekunden berücksichtigt werden. Dadurch entstehen bei jedem Phasenwechsel Kosten, da viele Liter wertvollen Produkts oder Reinigers ins Abwasser gelangen.

Wie kann ein Leitfähigkeitssensor Kosten sparen?

Der direkt in den Prozess integrierte Anderson-Negele Leitfähigkeitsmesser ILM-4 kann den Pasenwechsel in einer sehr hohen Messgenauigkeit automatisieren. Damit vermeiden sie einerseits Ressourcenverlust durch falsch oder zu spät abgeleitete Medien und andererseits Personalkosten durch visuelle oder manuelle Kontrolle, und sparen dadurch bares Geld. In vielen Praxisfällen hat sich der Einsatz eines Anderson-Negele Leitfähigkeitssensors innerhalb kürzester Zeit amortisiert.

Was ist Leitfähigkeit?

Als elektrolytische Leitfähigkeit bei Flüssigkeiten wird die Eigenschaft bezeichnet, elektrischen Strom zu leiten. Diese basiert darauf, dass in der Flüssigkeit gelöste Salze, Säure- und Laugenmoleküle sich beim Auflösen in positive und negative Ionen aufspalten. Gemessen wird diese Leitfähigkeit in Siemens pro Meter (S/m) oder bei feineren Abstufungen in MilliSiemens pro Zentimeter (mS/cm) oder MicroSiemens pro Zentimeter (μS/cm). Unterschiedliche Flüssigkeiten weisen unterschiedliche Leitfähigkeitswerte auf und können dadurch präzise voneinander unterschieden werden, auch wenn andere Eigenschaften wie Farbe, Trübung oder Zuckergehalt dies nicht ermöglichen.

Welche Messprinzipien gibt es für die Leitfähigkeitsmessung?

Grundsätzlich stehen zwei Messprinzipien für die Leitfähigkeitsmessung von Flüssigkeiten zur Verfügung: die Konduktive Leitfähigkeitsmessung und die Induktive Leitfähigkeitsmessung.

Was ist die Konduktive Leitfähigkeitsmessung?

Konduktive Leitfähigkeitssonden besitzen an der Sensorspitze zwei oder vier Elektroden, die direkt mit dem Medium in Kontakt sind.
Für Applikationen der Lebensmittelindustrie bietet Anderson-Negele diese Messtechnik nicht an, da aufgrund von Ablagerungen von Salzen, Fettpartikeln oder Kristallen der Produkte auf den offen liegenden Elektroden die Messgenauigkeit negativ beeinträchtigt wird.

Der speziell für hygienische Anwendungen konzipierte ILM-4 basiert dagegen auf der Induktiven Leitfähigkeitsmessung und stellt dadurch in allen Anwendungen und für alle Medien eine dauerhafte präzise Messung sicher.

Was ist die Induktive Leitfähigkeitsmessung?

In der Sensorspitze sind zwei elektrische Spulen integriert. Durch einen in der Primärspule (Sender) fließenden Wechselstrom wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches im Medium einen Strom induziert. Der Stromfluss im Medium erzeugt wiederum ein Magnetfeld welches in der Sekundärspule (Empfänger) des Sensors eine Spannung und damit einen Stromfluss induziert. Der gemessene Strom in der Sekundärspule ist dabei ein Maß für die Leitfähigkeit des Mediums.
Beide Spulen sind beim ILM-4 in der Sensorspitze aus massivem PEEK untergebracht. Durch eine Öffnung in der Sensorspitze fließt das Medium und wird dort analysiert, ohne direkten Kontakt zwischen Elektrode und Medium, also ohne negativen Einfluss von Ablagerungen. Zudem ist in der Sensorspitze ein Pt1000 Temperaturfühler integriert, der kontinuierlich die Temperatur des Mediums erfasst. Da die Leitfähigkeit von Flüssigkeiten maßgeblich von der Temperatur abhängig ist, wird diese direkt in der Elektronik kompensiert. Damit gibt der ILM-4 zwei Messwerte aus: einen sehr präzisen, temperaturkompensierten Leitfähigkeitswert aus, und zeitgleich einen sehr präzisen Temperaturwert. Damit wird ein zusätzlicher Prozessparameter nutzbar, ohne eine separate Temperaturmessstelle einsetzen zu müssen.
Hauptvorteile dieses Messprinzips sind die einfache Inline-Integration des Sensors in Rohre und Behälter und das günstige Preis-Leistungsverhältnis. Über eine große Auswahl an Prozessadaptionen ist der ILM-4 für Retrofitting auch nachträglich in bestehende Rohre ab DN40 einfach und unter Einhaltung international anerkannter Hygiene-Richtlinien wie 3-A und EHEDG integrierbar.

Was ist die Flex-Hybrid Technologie mit IO-Link und 4…20mA parallel?

Wenn man in der Prozesssteuerung die gesamte Anlagentechnik mit einer Vielzahl von Messstellen, Steuer- und Bedienelementen sicher kontrollieren möchte, bietet die digitale Schnittstelle IO-Link gegenüber der analogen Technik wesentliche Vorteile.
ILM-4 vereinigt mit seiner Flex-Hybrid Technologie das Beste aus zwei Welten: vom Sensor können die Daten digital, analog, oder auch parallel in beiden Technologien übertragen werden. Das schafft gerade in der Zeit des Technologie-Umbruchs von der heutigen, analogen hin zur digitalen Generation 4.0 einen wichtigen Vorteil: Wird beispielsweise eine Anlage derzeit noch analog gesteuert, aber eine Umrüstung auf IO-Link ist angedacht, muss sich der Kunde nicht mehr entscheiden. Statt „entweder … oder“ heißt es bei Anderson-Negele „und“. Allein durch den Anschluss eines neuen Kabels wird der Sensor zu jedem späteren Zeitpunkt einfach auf digital umgestellt, ohne die Hardware oder die Einstellungen überhaupt anfassen zu müssen. Montage und Inbetriebnahme sind äußerst zeit- und kostensparend. Für die Signalübertragung und Energieversorgung selbst reicht ein dreipoliges Standardkabel ohne Abschirmung.

Was bedeutet hygienisches Design bei Leitfähigkeitssensoren?

• Prozesssicherheit in jeder Einbausituation: Unsere Sensoren sind für einen reibungslosen Prozess in Ihrer Anlage entwickelt und eignen sich selbst bei schwierigsten Prozessumgebungen. So stellt z.B. totraumfreies Design zu jeder Zeit eine hygienische CIP- / SIP-Reinigung sicher.
• Dauerhafte Zuverlässigkeit durch robustes Design: Unsere Sensoren halten einer ausgeprägten mechanischen Belastung genauso stand wie schwierigsten Umgebungen, z.B. durch die CIP-/ SIP-Beständigkeit bis zu 150 °C oder die Schutzart IP 69K.
• „HYGIENIC BY DESIGN“ durch Edelstahl Alle Bauteile werden aus Edelstahl 1.4408/1.4405 und der Tauchkörper aus massivem PEEK gefertigt.
• Geprüft und zertifiziert: Die Richtlinien der nordamerikanischen 3-A (3-A Sanitary Standards Inc.), der EHEDG (European Hygienic Engineering & Design Group) und der FDA (Food and Drug Administration) sind der Maßstab, nach dem wir alle unsere Produkte entwickeln.

Welche Prozessadaptionen und Einbaumöglichkeiten gibt es für Leitfähigkeitssensoren?

Zwei Einbaulängen für unterschiedliche Rohrdurchmesser und eine Vielzahl unterschiedlicher Prozessadaptionen sorgen für eine große Flexibilität, was die Einbaumöglichkeit in neue Anlagen und auch das Retrofitting in bestehende Prozesse angeht. Der kompakte ILM-4 kann über hygienische Schraub- oder Clamp-Adaptionen einfach in Rohren oder in Behälter integriert werden. Für bestehende Prozessanschlüsse stehen auch Adapter zur Verfügung. Es steht auch eine Remote-Version zur Verfügung, die eine optimale Anpassung an die örtlichen und technischen Gegebenheiten sicherstellt.

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