Prozessoptimierung mit Strömungs- und Temperatursensoren

Prozesse zu optimieren lohnt sich immer, sowohl für die Umwelt als auch für den Geldbeutel des Anlagenbetreibers. Das gilt für Reinigungsprozesse im hygienesensiblen Pharma- und Food-Bereich ebenso wie für Kühlkreisläufe in industriellen Fertigungsanlagen. Doch bevor sich Abläufe und die Nutzung der Medien verbessern lassen, gilt es zunächst, den Ist-Zustand zu erfassen. Bei Kühl- oder Reinigungskreisläufen sollten dafür Durchflussmenge und Temperatur am besten sowohl im Vorlauf als auch im Rücklauf bekannt sein. Sensoren, die nach dem kalorimetrischen Prinzip arbeiten, sind hierfür eine praktikable Lösung, denn die kompakten Strömungssensoren liefern auch gleich den Temperaturwert mit. Das reduziert die Anzahl der Mess-Stellen und verringert den Aufwand für Installation, Service und Lagerhaltung.

Das kalorimetrische Messverfahren basiert auf den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung und des Wärmetransports in Flüssigkeiten und Gasen: Ein Körper höherer Temperatur gibt an seine Umgebung Energie in Form von Wärme ab. Die Höhe der Energieabgabe ist abhängig von der Temperaturdifferenz und dem Massefluss. Das lässt sich messtechnisch nutzen: Ein beheizter Sensor wird durch die ihn umströmende Flüssigkeit abgekühlt; dabei ist der Grad der Abkühlung direkt abhängig von der vorbeiströmenden Masse. Neben der Fließgeschwindigkeit lässt sich so mit einem Sensor auch die Medientemperatur erfassen und überwachen. Prinzipiell eignet sich das Verfahren für alle Medien und ist unabhängig von der Viskosität und der elektrischen Leitfähigkeit. Damit lässt es sich also beispielsweise auch für Reinstwasser verwenden.

Mit den Strömungssensoren Flexflow PF20H und PF20S ergänzen jetzt zwei kalorimetrische Sensortypen das Produktportfolio des Unternehmens Baumer, das damit alle gängigen Prozessgrößen abdeckt. Mit ihnen lassen sich Fließgeschwindigkeiten und Temperaturen in ganz unterschiedliche Branchen und Prozessen erfassen. In der Version PF20S erfüllt der thermische Strömungssensor alle industriellen Anforderungen, während die Version PF20H speziell für den Einsatz in hygienisch sensiblen Bereichen ausgelegt ist. Beide Varianten eignen sich für Fließgeschwindigkeiten von zehn bis 400 Zentimeter pro Sekunde und Temperaturen zwischen -25 und 150 Grad Celsius, nehmen also auch dann keinen Schaden, wenn zum Beispiel CIP-Reinigungsprozesse in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie mit hohen Temperaturen gefahren werden.

Die Sensoren gibt es entweder in Analogausführung mit vier bis 20 Milliampere und null bis zehn Volt oder mit frei einstellbaren Ausgängen mittels IO-Link. Die Schnittstelle IO-Link erlaubt die gleichzeitige Parametrierung mehrerer Sensoren. Das vereinfacht die Schaltpunktanpassung für unterschiedliche Prozessschritte und spart Zeit. Alle Datensätze können zudem zentral in der SPS vorgehalten werden, was eine fehlerfreie Konfiguration der Anlage gewährleistet.

Die Einsatzbereiche der thermischen Strömungssensoren sind breit gefächert. So lassen sich mit ihrer Hilfe ganz unterschiedliche Prozesse in geschlossenen Rohrsystemen überwachen und gegebenenfalls optimieren. Ein typisches Beispiel sind CIP-Reinigungsverfahren im Food- und Pharmabereich. Hier ist neben der Temperatur auch die Strömungsgeschwindigkeit der Reinigungslösung ein wichtiges Kriterium. Ist sie zu gering, dauert die Reinigung zu lange und die Produktivität der Anlage sinkt. Im schlimmsten Fall kann sogar die Reinigungsqualität leiden.

Deshalb empfiehlt es sich, die Fließgeschwindigkeit nicht nur direkt nach der Pumpe, sondern auch im Rücklauf zu überwachen. Die Strömungswiderstände in den Rohrleitungen werden dadurch zuverlässig erfasst. Auch am entferntesten Punkt zur Pumpe kann gewährleistet werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit für die Reinigung ausreichend hoch ist. Das garantiert eine sichere Reinigung des gesamten Rohrleitungssystems.

Der Flexflow wurde für solche Anwendungen entwickelt. Aufgrund seines symmetrischen und zentrierten Designs kann der Sensor unabhängig von Einbaulage und Ausrichtung im Prozess installiert werden. Die für thermische Strömungssensoren typische Systemschwäche, also die Unterscheidung zwischen Temperatur- oder Strömungsänderung, bei großen Temperatursprüngen, wie sie in einem CIP-Prozess zum Beispiel beim Wechsel von kalter Milch auf heiße Reinigungsmedien vorkommen, gehört der Vergangenheit an. Ein in die Sensorvariante mit IO-Link integriertes Quality-Bit signalisiert, ob das Strömungssignal gültig oder ungültig ist. Aber auch bei anderen Reinigungsprozessen bringen diese Strömungssensoren Vorteile. Reinigungsprozesse zu überwachen empfiehlt sich aus ökologischen und ökonomischen Gründen zum Beispiel auch in der Flaschen-, Textil- oder Bauteilreinigung. Werden Temperaturen und Fließgeschwindigkeit überwacht, lassen sich hier die Medien ressourcenschonend einsetzen. Auch werden der  Energieeinsatz reduziert und Reinigungszyklen optimiert.

Bei vielen Anwendungen ist die Werkzeugtemperatur entscheidend für Materialeigenschaften oder das Einhalten bestimmter Fertigungstoleranzen und damit den Produktionserfolg. Beim Kunststoffspritzgießen beispielsweise hängt die Qualität des Bauteils von der richtigen Temperierung ab, da die Fertigungstoleranzen und Materialeigenschaften temperaturabhängig sind. Bei der konventionellen Temperierung ist eine stabile Temperatur qualitätsentscheidend, bei der variothermen Werkzeugtemperierung wird die Temperatur innerhalb eines Spritzyklus kontrolliert verändert. Je nach Methode überwachen in Kühlkreisläufen oder in Temperiergeräten installierte Strömungssensoren vordefinierte Prozessparameter. do

Diese Themen interessieren Sie? Mit unserem wöchentlichen fluid-Newsletter sind Sie immer auf dem Laufenden.