Eine regelmäßige Leckagesuche an gasführenden Rohrleitungssystemen verhindert stoffliche (Gase) und energetische (Druckluft) Verluste. Typische Prüfstellen sind Rohrleitungen, Druckluftnetze, Vakuumanlagen, Armaturen, Schnellkupplungen, Anschlussschläuche an die Verbraucher. Folgende Methoden zum Identifizieren von Leckagen haben sich etabliert:

• Absprühen mit Seifenlösung: Zu untersuchende Stelle wird mit Seifenlösung oder Lecksuchspray behandelt. Im Falle einer Leckage bilden sich Blasen.
  Vorteil: simple Methode
  Nachteil: eignet sich nur zur Grobsuche
• Ultraschallverfahren (Leckraten > 10^-2 mbar l/s): Mit einem Ultraschallprüfgerät werden Rohrleitungen, Armaturen etc. von außen hinsichtlich Leckagen abgesucht.
  Vorteil: flexible Methode, keine Betriebsunterbrechung notwendig, kein Kontakt mit dem Medium, kostengünstig
  Nachteil: Ultraschallmessgerät notwendig, nur für Leckraten > 10^-2 mbar l/s anwendbar
• Druckprüfverfahren (Leckraten 10^-4 – 10^-2 mbar l/s): In dem zu prüfenden Objekt (Rohrleitungsübergang, Armatur etc.) wird ein Über- oder Unterdruck erzeugt. Aus dem in Abhängigkeit der Zeit gemessenen Druckverlauf werden Leckagestellen identifiziert.
  Vorteil: simple Methode, apparatetechnisch und zeitlich nicht aufwendig, kostengünstig
  Nachteil: Betriebsunterbrechung notwendig
• Prüfgasverfahren (Leckraten < 10^-4 mbar l/s): Prüfgas (i. d. R. Helium oder Wasserstoff) strömt durch das zu prüfende Objekt (Rohrleitungsübergang, Armatur etc.) und Analysegerät (i. d. R. Massenspektrometer) im Kreis. Die Prüfgaskonzentration wird kontinuierlich detektiert. Eine über die Zeit abnehmende Konzentration deutet auf eine Leckage hin. Bei Vakuumanlagen verläuft das Procedere genau andersherum: Das Prüfgas wird von außen aufgegeben und mittels eines Massenspektrometers wird überprüft, ob Messgasanteile über eine Leckage in die Vakuumanlage vordringen konnten.
  Vorteil: sehr genaue Methode
  Nachteil: Betriebsunterbrechung notwendig, zeitlich und apparatetechnisch aufwendig

Quelle(n):

• zur Horst-Meyer, S. (2009): Möglichkeiten der Lecksuche mit Ultraschall. Vortrag, DGZfP-Jahrestagung 2009. SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH, auch verfügbar als PDF unter: Link

Pumpen werden in großer Zahl in unterschiedlichsten Einsatzbereichen in der Prozessindustrie eingesetzt. Fehlfunktionen der Pumpe können beispielsweise einen nichtoptimalen Betrieb, einen kompletten Ausfall oder die Förderung einer nicht korrekten Volumenstrommenge bewirken. Daraus resultierende Fehlchargen, verringerte Umsätze oder erhöhte Energieverbräuche zeigen eine direkte Auswirkung auf den Ressourcenverbrauch eines Prozesses. Ein frühzeitiges Erkennen von Pumpenstörungen verhindert das Auftreten von Fehlfunktionen. Prinzipiell liegen zwei Diagnosestrategien vor:

• Auswertung vorhandener Prozessgrößen: Durch die Messung und Auswertung gängiger Prozessgrößen wie Saug- und Enddruck, Temperaturen und Motorstrom sowie die Bewertung der direkten Abhängigkeit von Pumpendrehzahl und Fördermenge kann auf den aktuellen Pumpenzustand geschlossen werden – vorausgesetzt, an der Pumpe sind die benötigten Sensoren installiert. Die Auswertung der gemessenen Daten erfolgt über ein im Betriebsdateninformations- oder Prozessleitsystem implementiertes Diagnosetool. Mit dieser Auswertungsmethode ist allerdings der mechanische Zustand der Pumpe nicht bestimmbar.
• Diagnose von Schwingungen: Durch eine schwingungsdiagnostische Überwachung wird das auftretende Frequenzspektrum der Maschinenschwingung ausgewertet. Folgende Zustände des mechanischen Pumpensystems können hierdurch ermittelt werden: Lagerzustand, Verschleiß an Laufrad und Kupplung, Trockenlauf, Gasmitförderung und Kavitation. Zusätzlich können durch diese Methode auch hydraulische Störungen aufgedeckt werden. Allerdings sind die mechanischen Störungen im Diagnosesystem verglichen mit den hydraulischen Störungen einfacher konfigurierbar.

Zudem sei vermerkt, dass bei der Auslegung von Pumpen (und Ventilen) häufig Fehler auftreten, die einen erhöhten Energieverbrauch im Laufe der Betriebszeit verursachen. Verfügt der Projektierungsingenieur über ein fundiertes Erfahrungs- und Fachwissen, können typische Auslegungsfehler umgangen werden.

Quelle(n):

• Schuhmann, R. und Müller, J. (2009): Standards für die Störungsfrüherkennung von Pumpen. atp edition, Heft 8 S. 37 f.

Mit einer Infrarot-Wärmebildkamera können auftretende Wärme- und Stoffverluste in Anlagen identifiziert oder bereits im Vorfeld erkannt und verhindert werden. Der Einsatz einer Infrarot-Wärmebildkamera bei der Anlagen-Instandhaltung und -Wartung kann die Ressourceneffizienz erhöhen. Die Funktion von Isolier- und Dichtungsmaterialien an wärme- oder stoffführenden Rohren, Behältern oder Flanschen ist mit einer Infrarot-Wärmebildkamera überprüfbar. Durch die Messung und Auswertung von Temperaturprofilen können schadhafte Isolierungen oder Dichtungen, beispielsweise verursacht durch eine Altersermüdung, identifiziert werden. Weist das oberflächenbezogene Temperaturprofil eines isolierten Behälters an einer Stelle einen signifikanten Temperaturanstieg auf, so könnte dies ein Indiz für eine schadhafte Isolierung sein. Oder unterscheidet sich beispielsweise das Temperaturprofil der Umgebungsluft eines wärmeführenden Flansches deutlich von dem der weiteren Umgebung, könnte hierfür ein austretender Stoffstrom aufgrund einer Undichtigkeit am Flansch verantwortlich sein.

Quelle(n):

• Jung, T. (2012): Ehe ein Fehler zum Problem wird. CITplus, 15. Jahrgang, 05. Jun. 2012, Ausgabe 6. S. 38 f.

Eine regelmäßige Überprüfung von Wärmeübertrager mit einer Infrarot-Wärmebildkamera kann zu deren energieeffizienten Betriebsweise beitragen. Verstopfungen und Ablagerungen (Fouling) sind durch die Analyse des Temperaturprofils der Wärmeübertrager-Oberfläche identifizierbar. Eine frühzeitige Erkennung von Verstopfungen und Ablagerungen verhindert eine Verschlechterung des Wärmeübergangs und damit eine Erhöhung des Energieverbrauchs. Alternativ kann bei Vorhandensein einer kontinuierlichen Instrumentierung von Temperatur (Ein- und Ausgang) und Durchflussmenge der Wärmeübergang online detektiert werden, vorausgesetzt, die Wärmeübergangskoeffizienten der verwendeten Medien sind bekannt. Diese Methode ist gut geeignet, um schnell einsetzende Ablagerungsprozesse zu erkennen.

Quelle(n):

• Jung, T. (2012): Ehe ein Fehler zum Problem wird. CITplus, 15. Jahrgang, 05. Jun. 2012, Ausgabe 6. S. 38 f.

• Entwicklung eines Verfahrens zur Schadenserkennung durch Anregung und anschließende Auswertung von Lamb-Wellenmoden
• Einsatz von Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik („Phased Array“) in den Sensoren
• Gute Ausbreitungsfähigkeit ermöglicht zerstörungsfreie Erkennung von Schäden auch über große Entfernungen (bspw. in Pipelines)

• Periodische/kontinuierliche Überwachung der technischen Struktur durch ein Sensorennetzwerk
• Ermöglicht effizientere Wartung und höhere Zuverlässigkeit
• Deutliche Verlängerung der Betriebszeiten durch frühzeitiges Erkennen von Schäden
• Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Einsparung von Energie

• Mit Schallemissionen korrosionsgefährdete Behälter und Rohrleitungen zerstörungsfrei überwachen
• Preisgünstiges, umweltfreundliches, integrales Verfahren
• Vermeidung von Behälterreinigung und umweltbelastenden Abfällen

Folgende Aspekte unterstützen dabei, Druckmessungen im Prozess korrekt und mit ausreichender Genauigkeit durchzuführen:

• Positionierung des Federmanometers oder Drucksensors: Auswahl der Messstelle, an der die Druck-Information gewünscht ist
• Auswahl des Sensortyps („Messprinzip“): Auswahl in Abhängigkeit der gewünschten Einsatzbedingungen
• Regelmäßige Kalibrierung: Genauigkeit und Messbereich werden bewahrt und Alterungszustände festgestellt

Die wichtigsten industriellen Druckmessgeräte:

Federmanometer

• Messung von Über- und Differenzdruck
• „Vor-Ort-Druckablesung“
• Funktioniert ohne zusätzlichen Energieeintrag

Rohrfedermanometer

• Übliche Messbereiche liegen zwischen 600 mbar bis 7000 bar
• Einsatztemperatur: -25 °C bis über 100 °C Medientemperatur
• Geeignet für Flüssigkeiten und Gase
• Einsatz in aggressiven Medien möglich
• Ein elektrischer Signalausgang ist möglich
• Für viskose und kristallisierende Medien weniger geeignet
• Empfindlich gegenüber Erschütterungen, Vibrationen und schnell wechselnden Drücken
• Bei Verwendung von Dämpfungsflüssigkeit (Glycerin oder Silikonöl) sind auch kleine Erschütterungen und schnellere Druckwechsel möglich

Plattenfedermanometer

• Messbereich: 10 mbar bis 40 bar
• Einsatztemperatur: -25 °C bis über 100 °C Medientemperatur
• Geeignet für Flüssigkeiten und Gase
• Kurze Einstellzeit
• Weniger empfindlich gegenüber Vibrationen, Erschütterungen und schnell wechselnden Drücken im Vergleich zu Rohrfedermanometer
• Auch für hochviskose und kristallisierende Medien geeignet
• Besonders geeignet bei kleinen positiven und negativen Überdrücken
• Auch für Differenzdruckmessungen einsetzbar

Kapselfedermanometer

• Messbereich: 2,5 mbar bis 1000 mbar
• Einsatztemperatur: bis 100 °C Medientemperatur
• Überwiegend für Gase geeignet
• Einsatz bei kleinen und kleinsten positiven und negativen Überdrücken
• Auch für Differenzdruckmessungen einsetzbar

Drucksensoren

• Erfassen des Drucks als elektrisches Signal und Weiterleitung an Anzeigegerät oder zu einer Steuer- und Regelungseinheit
• Messglied entspricht einem Widerstandsdruckaufnehmer
• Einsatz zur Druckmessung und -regelung in Anlagen mit Leitsystem

Widerstandsdruckaufnehmer

• Messbereich: 20 mbar bis 8000 bar (Dehnungsmessstreifen(DMS)-Aufnehmer); 5 mbar bis 600 bar (piezoresistive Aufnehmer)
• Einsatztemperatur: -150 °C bis 400 °C Medientemperatur
• Geeignet für Gase und Flüssigkeiten
• Geeignet für robuste Betriebsbedingungen (hochviskose, kristallisierende, aggressive Medien; Druckstöße; Vibrationen)
• Hohe Langzeitstabilität
• Wenige mechanische Verschleißteile
• Einsetzbar für steuerungs- und regelungstechnische Anlagen
• Energieversorgung notwendig

Quelle(n):

• Bierwerth, W. (2011): Tabellenbuch Chemietechnik. 8. erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 346 ff.
• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 244 f.

Die fehlerfreie Bestimmung der Füllstandshöhe von Flüssigkeiten und Feststoffen in Behältern oder Silos ist dem materialeffizienten Umgang im Prozess zuträglich. Um aus der Vielzahl an bestehenden Messtechniken mit unterschiedlichen Eigenschaften die geeignetste Wahl zu treffen, ist eine vorherige Definition der Einsatzbedingungen notwendig. Im Folgenden sind die gängigsten Messmethoden und ihre Eigenschaften aufgeführt:

Mechanische Füllstandsmessung

• Geeignet für Flüssigkeiten und Schüttgüter

Schwimmermethode

• Unabhängig von Änderungen in den Medieneigenschaften (Temperatur, Druck, Leitfähigkeit, Dielektrikum etc.)
• Geeignet für Dichten > 300 kg/m³; Temperaturen bis ca. 300 °C; Drücke bis ca. 500 bar
• Hoher Platzbedarf (Schwimmer ist mit außerhalb des Behälter befindlichem Skalensystem verbunden)
• Bei unruhigen Oberflächen ungeeignet
• Einfaches und teures System

Schaugläser und Standgläser (Bypass-Messung)

• Vor-Ort-Anzeige, Funktion ohne Hilfsenergie, Ablesung direkt am skalierten Bypass
• Einfache und preiswerte Methode
• Für Schüttgüter Bypass-Messung nicht möglich, Schauglas direkt an Behälter
• Bei viskosen Medien Beheizung des Bypasses notwendig

Hydrostatische Füllstandsmessung

• Geeignet für Flüssigkeiten

Bodendruckmethode

• Vielseitig einsetzbares Messsystem (unabhängig von Viskosität, Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante)
• Allerdings abhängig von der Dichte
• Messbereich bis ca. 100 m
• Einfach in der Handhabung, auch für nachträgliche Installation geeignet
• Sehr gute Langzeitstabilität
• Geeignet für Temperaturen bis ca. 300 °C; Drücke bis ca. 20 bar
• Differenzdruckmessung möglich, allerdings ist Messmethode dann teurer

Einperlmethode

• Alternative zu Bodendruckmethode
• Geeignet für sehr aggressive Medien und hohe Temperaturen
• Einfache Installation, auch nachträglich möglich
• Verwendung günstig bei offenen oder belüfteten Behältern
• Messbereich bis ca. 20 m
• Messgasverbrauch ca. 10 l/h

Ultraschall-Füllstandsmessung

• Geeignet für Flüssigkeiten und Schüttgüter
• Berührungslose Messmethode
• Nachträglicher Einbau gut möglich
• Messbereich von ca. 0,5 m bis ca. 60 m
• Geeignet für Drücke bis ca. 3,5 bar
• Wartungsarm
• Unempfindlich gegenüber Medieneigenschaften, wenn Messung von oben erfolgt
• Empfindlich gegen Dampf- und Kondensatbildung
• Einbauten können ggf. Störechos erzeugen

Kapazitive Füllstandsmessung

• Geeignet für leitfähige Flüssigkeiten
• Preiswerte, vielseitig einsetzbare Messmethode (Temperaturen bis ca. 300 °C; Drücke bis ca. 300 bar), vorausgesetzt, die Dielektrizitätskonstante bleibt während der Messung konstant
• Einsetzbar auch bei aggressiven Medien
• Messmethode ungeeignet, wenn Flüssigkeit und suspendierter Feststoff eine unterschiedliche Dielektrizitätskonstante aufweisen

Radar-Füllstandsmessung (Mikrowellenmethode)

• Geeignet für Flüssigkeiten und Schüttgüter
• Geeignet für stark aggressive, toxische und sterile Medien
• Berührungslose Messmethode
• Messbereich bis ca. 100 m
• Messung durch Glas- oder Kunststofffenster möglich
• Auch geeignet bei Dampf oder Staubpartikeln in der Behälteratmosphäre
• Unabhängig von Medieneigenschaften (Temperatur, Druck, Dichte etc.) und Verunreinigungen
• Auch für Vakuum geeignet; geeignet für Drücke bis ca. 60 bar
• Rührwerke oder feste Einbauten führen unter Umständen zu Störsignalen; diese können aus dem Messsignal herausgerechnet werden

Radiometrische-Füllstandsmessung

• Geeignet für Schüttgüter
• Berührungslose Messmethode
• Einsatz bei extremen Bedingungen (hohe Temperaturen und Drücke, grobe und klebrige Produkte), wenn andere Verfahren nicht anwendbar sind
• Anwendbar für alle Behälterformen
• Messung durch Behälterwand, kein extra Messstutzen notwendig
• Unabhängig von Stoffeigenschaften (Viskosität, Temperatur, Druck, chemische Eigenschaften etc.)
• Genehmigungspflichtiger und preisintensiver Messaufbau
• Beträchtlicher organisatorischer Aufwand (Strahlenschutzbeauftragter etc.)
• Nur sinnvoll, wenn Zielgröße nicht durch andere Messmethoden erfassbar ist

Quelle(n):

• Bierwerth, W. (2011): Tabellenbuch Chemietechnik. 8. erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 349 ff.
• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 249 ff.

Bei vielen chemischen Reaktionen beeinflusst der pH-Wert den Reaktionsverlauf (z. B. Reaktionsgeschwindigkeit, Gleichgewicht). Ein Monitoring des pH-Werts unterstützt daher eine optimierte Reaktionsführung, was i. d. R. zu einem effizienten Stoffeinsatz führt. Für den Einsatz im technischen Prozess werden Einstab-Elektroden, bestehend aus Bezugs- und Messelektrode, eingesetzt. Mit ihnen sind kontinuierliche Messungen möglich. Sie sind fest in einer Rohrleitung oder einem Apparat (z. B. Reaktor) installiert.

Quelle(n):

• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 283 f.

Softsensoren können aus gängigen Prozessgrößen wie Volumenstrom, Temperatur oder Druck unter Zuhilfenahme von Modellen nur schwer oder nicht messbare Größen berechnen. Die Kenntnis über nicht messbare Prozessgrößen wie Wärmeströme oder die Produktkonzentration im gesamten Prozessverlauf, obwohl diese eigentlich nur diskontinuierlich bestimmbar ist, vergrößert das Prozessverständnis deutlich. Dies führt zu einer verbesserten Prozesssteuerung und ‑regelung und somit zu einer effizienteren Nutzung von Energie und Einsatzstoffen. Beispielsweise können durch das frühzeitige Erkennen von Störgrößen Fehlchargen verhindert und somit Stoff- und Energieverluste vermieden werden.

Praxisbeispiele:

• Ein kalorischer Softsensor ermittelt aus gemessenen Temperatur- und Durchflusswerten eines Semi-Batchreaktorsystems unter Zuhilfenahme von Massen- und Energiebilanzen sowie Reaktorgeometriedaten nicht direkt messbare Größen wie diverse Enthalpieströme im Reaktorsystem, zeitabhängige Wärmeübergangskoeffizienten und Eduktmengen. Dadurch wird eine effizientere Prozessführung möglich.
• Ein weiteres Praxisbeispiel finden Sie unter www.namur.net/uploads/tx_press/atp_02_2008_Prozessfuehrung.pdf (S. 72 f.).

Quelle(n):

• Hagenmeyer, V. und Piechottka, U. (2009): Innovative Prozessführung – Erfahrung und Perspektiven. atp edition, Heft 1-2 S. 54 ff.

Folgende Aspekte unterstützen dabei, die Temperatur im Prozess korrekt und mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln:

• Positionierung des Temperatursensors: Auswahl der Messstelle, an der die Temperatur-Information gewünscht ist
• Auswahl des Sensortyps („Messprinzip“): Auswahl in Abhängigkeit der gewünschten Einsatzbedingungen
• Regelmäßige Kalibrierung: Genauigkeit und Messbereich werden bewahrt und Alterungszustände festgestellt

Widerstandsthermometer:

• Messbereich: typisch 600 °C (bis 1000 °C möglich)
• Genaustes Betriebsthermometer
• Einsetzbar für gasförmige und flüssige Medien
• Einsetzbar für steuerungs- und regelungstechnische Anlagen
• Größere Reaktionszeit verglichen mit Thermoelementen
• Geeignet für Temperaturdifferenzmessungen
• Hilfsstromquelle notwendig

Thermoelemente:

• Messbereich: -200 bis 1800 °C (bis 2500 °C möglich)
• Kurze Reaktionszeiten
• Punktförmige Messungen und Oberflächentemperaturmessungen
• Einsetzbar für gasförmige und flüssige Medien
• Einsetzbar für steuerungs- und regelungstechnische Anlagen
• Bei Temperaturen unter 400 °C weniger genau als Widerstandsthermometer
• Keine Hilfsstromquelle notwendig
• Ohne Schutzrohr Korrosions- und Verschleißgefahr, jedoch kurze Reaktionszeiten

Strahlungspyrometer:

• Messbereich: -100 °C bis 3500 °C
• Einsetzbar für feste Oberflächen
• Anwendbarkeit der Messmethode ist abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Messkörpers: Messkörper mit den Eigenschaften von schwarzen Strahlern sind optimal; spiegelnde Oberflächen sind nicht messbar
• Berührungsloses Messen
• Messung von Oberflächentemperaturen möglich
• Gut verwendbar für aggressive Medien und plastische Werkstoffe
• Hohe Anschaffungskosten

Mechanische Temperaturmessgeräte:

• Flüssigkeitsausdehnungsthermometer
  - Messbereich: -35 °C bis 600 °C (Quecksilber); -70 °C bis 70°C (Ethanol)
  - Ausdehnungsflüssigkeit i. d. R. Quecksilber oder Ethanol
  - Einfacher Aufbau und zuverlässig
  - Zeigerthermometer
  - Leicht zerbrechlich
• Ausdehnungs-Rohrfederthermometer
  - Messbereich: -268 °C bis 800 °C (Gasdruck-Federthermometer); -35 °C bis 500 °C (Flüssigkeitsfederthermometer)
  - Gasdruck-Federthermometer: für Temperaturregelungen gut geeignet; kurze Reaktionszeit; hohe Betriebssicherheit; ungiftige Füllung
  - Flüssigkeitsfederthermometer: einfacher, robuster Aufbau; hohe Betriebssicherheit; empfindlich gegen Knicken der Kapillarleitung; Einbaulänge mindestens 10 cm
• Bimetallthermometer
  - Messbereich: -30 °C bis 500 °C (bis 600 °C möglich)
  - Robust und preisgünstig im Vergleich zu Ausdehnungs- und Rohrfederthermometern
  - Zeigerthermometer
  - Erschütterungsempfindlich bei kleinen Messbereichen

Quelle(n):

• Bierwerth, W. (2011): Tabellenbuch Chemietechnik. 8. erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 341 ff.
• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 239

• Autonome Sensorpartikel für den Einsatz in Prozessbehältern zur Erfassung von Temperatur, hydrostatischem Druck und 3-D-Beschleunigung
• Sensorpartikel lassen sich um weitere Elemente wie pH-Wert, Redoxpotenzial usw. ergänzen
• Partikel werden zusammen mit Substraten in Prozessbehälter gegeben und anschließend ausgewertet
• Mittels der erfassten Daten lassen sich Prozessbedingungen charakterisieren und bspw. die Effizienz von Heiz- und Rührregimen verbessern

• Projektziel: neue Produkte aus dem Labor schneller marktreif machen
• Kleinstanlagen bzw. Versuchsaufbauten direkt auf Produktionsanlagen übertragen
• Schwerpunkt: Einsatz und Entwicklung nichtinvasiver Messtechniken, Automatisierung, Simulation von energie- und materialeffizienten Prozessen sowie Bewertungsmethoden des Energie- und Materialverbrauchs

• SMITH: Hard- und Softwarelösung für temperaturgeführte Waren (bspw. Chemikalientransport ohne aktives Kühlen/Erhitzen)
• Ermittelt die optimale Abfahrtstemperatur, damit Ware am Ziel entsprechende Verarbeitungstemperatur besitzt
• Funkzentrale und Sensoren ermitteln Umweltdaten sowie Temperatur der Ware; Software ermittelt daraus die optimale Abfahrtstemperatur
• Übermäßiges Erhitzen bzw. Kühlen entfällt
• Bis zu 10,9 % weniger CO₂-Emissionen

Die genaue Kenntnis der Durchflussmenge (Volumen oder Masse pro Zeit) z. B. gasförmiger oder flüssiger Medien an verschiedenen Prozesspunkten ist für die Prozessführung und ‑kontrolle essentiell und trägt zum effizienten Stoffverbrauch bei. Im Folgenden sind die gängigen Durchflussverfahren mit ihren wesentlichen Eigenschaften aufgeführt:

Schwebekörper-Durchflussmesser

• Geeignet für Gase (bei niedrigen Drücken) und niedrigviskosen Flüssigkeiten ohne Feststoffpartikel
• Detektion kleiner und mittlerer Volumenströme
• Bewährtes, häufig eingesetztes Verfahren
• Leicht zu installieren und preiswert
• Relativ geringer Druckverlust
• Gute Stabilität
• Überlastbar
• Bestimmte Messaufbauten ermöglichen den Einsatz in der Steuer- und Regelungstechnik
• Messprinzip abhängig von Dichte, Temperatur und Viskosität des Messmediums
• Für pulsierende Strömungen nicht geeignet
• Senkrechte Einbaulage erforderlich

Thermischer Massendurchflussmesser

• Geeignet für Gase; es gibt aber auch Bauformen für Flüssigkeiten
• Messgröße: Massestrom
• Inline-, Bypass- und Eintauchversionen
• Geeignet für Messung kleiner Geschwindigkeiten
• Praktisch kein Druckverlust
• Regelmäßige Kalibrierung notwendig
• Messung schnell wechselnder Strömungsgeschwindigkeiten möglich
• Hohe Messgenauigkeit (abhängig von Messbedingung)

Messblenden-Durchflussmesser

• Geeignet für leitfähige Flüssigkeiten, nichtleitfähige Flüssigkeiten, Gase, Dämpfe
• Großer Nennwertbereich
• Hoher Druckverlust
• Nicht geeignet bei Pulsationen und hochviskosen Medien
• Messgenauigkeit ist vom Abnutzungsgrad des Messgeräts abhängig
• Messprinzip abhängig von der Dichte des Mediums
• Aufwendige Installation

Wirbel-Durchflussmesser

• Geeignet für niedrigviskose Flüssigkeiten, Gase, Dämpfe
• Unabhängig von Temperatur, Druck, Dichte und Leitfähigkeit
• Hohe Langzeitstabilität und Überlastsicherheit; nur am Anfang eine Kalibrierung notwendig
• Einfacher Einbau und geringer Verschleiß
• Nicht geeignet für mehrphasige Medien, nicht vollständig gefüllte Rohrleitungen und starke Pulsationen
• Messgenauigkeit wird beeinflusst durch ein gestörtes Strömungsprofil und Ablagerungen am Staukörper (Messkomponenten)

Ultraschall-Durchflussmesser

• Geeignet für leitfähige Flüssigkeiten, nichtleitfähige Flüssigkeiten (durchschallbar und homogen)
• Leckagen, Verstopfungen sind mittels Ultraschall-Durchflussmesser detektierbar
• Nahezu kein Druckverlust
• Unabhängig von Dichte, Druck und Leitfähigkeit
• Einsatz bei großen Nennweiten und nachträgliche Installation möglich
• Transportable, netzunabhängige Geräte möglich
• Hohe Lebensdauer
• Preisgünstig

Magnetisch-induktive Durchflussmesser

• Geeignet für leitfähige Flüssigkeiten
• Nahezu kein Druckverlust
• Unabhängig von Dichte, Temperatur, Druck und Viskosität
• Großer Nennwertbereich
• Unempfindlich gegenüber Feststoffen im Messmedium
• Auch für hohe Strömungsgeschwindigkeiten und teilgefüllte Rohrleitungen geeignet
• Minimaler Einfluss des Strömungsprofils
• Energieversorgung wird benötigt
• Messergebnis wird beeinflusst durch Ablagerungen und Beschaffenheit der Rohrwand
• Nur bedingt geeignet bei hohen Genauigkeitsanforderungen
• Ungeeignet bei stark gestörtem Strömungsprofil des Messmediums

Corolis-Massendurchflussmesser

• Geeignet für leitfähige Flüssigkeiten, nichtleitfähige Flüssigkeiten, Gase
• Gleichzeitige Messung von Massendurchfluss, Gesamtmasse, Volumendurchfluss, Gesamtvolumen, Dichte, Temperatur und Fraktionsdurchfluss absolut und prozentual mit gleichem Sensor möglich
• Geeignet für alle pumpfähigen Medien
• Unabhängig von Dichte, Temperatur, Druck, Viskosität und Leitfähigkeit
• Hohe Genauigkeit
• Teilweise geringer Druckverlust
• Empfindlich gegen Vibrationen
• Inbetriebnahme und Betrieb (z. T.) ohne Vorkenntnisse und Kalibrierung möglich

Quelle(n):

• Bierwerth, W. (2011): Tabellenbuch Chemietechnik. 8. erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 360 ff.
• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. 258 ff.

Um die Masse der in verfahrenstechnischen Prozessen oder Fertigungsverfahren eingesetzten Stoffe und Materialien zu bestimmen, kommen im industriellen Umfeld folgende Waagen oder Wägesysteme zum Einsatz:

• Waagen mit Kraftmess-Sensoren
• Wägesysteme mit Wägezellen
• Wägeplattformen
• Behälterwaagen
• Förderbandwaagen

Die Bestimmung der Masse der eingesetzten oder erhaltenen Stoffportion stellt ein probates Hilfsmittel in der Prozess-/Verfahrensbeurteilung bezogen auf die Materialeffizienz dar.

Quelle(n):

• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 271 f.

Die genaue Kenntnis von in einem bestimmten Zeit- und Rohrabschnitt geflossene Masse oder Volumen (Mengenbestimmung) gasförmiger und flüssiger Medien ist bei verfahrenstechnischen Prozessen für chemisch-technische Berechnungen wichtig. Vor allem bildet die korrekte Mengenbestimmung bei diskontinuierlichen Prozessen (Batch-Prozessen) die Voraussetzung für das richtige Ansetzen von Chargen. Eine fehlerhafte Mengenbestimmung kann zu nicht optimalen Batchprozessen mit Umsatzeinbußen oder zu nicht effizient funktionierenden Reaktoren oder Trenneinheiten führen. Genaue und korrekt verwendete Mengenmesser tragen daher maßgeblich zu einer effizienten Stoffnutzung im chemischen Prozess bei. Im Folgenden sind die gängigen Mengenbestimmungsverfahren mit ihren wesentlichen Eigenschaften aufgeführt. Aufgrund der geringen Querschnitte im Messbereich wird ein Filtereinsatz vor der Messeinheit dringend empfohlen, um mögliche Feststoffpartikel zu entfernen.

Turbinenradzähler

• Geeignet für Gase und besonders niedrigviskose und schlecht schmierende Flüssigkeiten (auch für sehr kleine Volumenströme)
• Hohe Messgenauigkeit bei großen Volumenströmen und niedrig viskosen Medien
• Auch für extreme Temperaturen und Drücke geeignet
• Nicht geeignet für stark verunreinigte, klebende, erosive Messmedien mit hoher Viskosität
• Besonders für große Gasvolumenströme geeignet

Ovalradzähler

• Geeignet für alle pumpbaren Medien, auch für extrem hohe Viskositäten (bis > 100.000 mPa∙s)
• Hohe Messgenauigkeit und -beständigkeit
• Geringes Bauvolumen bei großen Nennweiten
• Dispergierte Gasanteile führen zu ungenauen Messungen, Gasabscheider verwenden
• Nicht geeignet für niedrigviskose, schlecht schmierende Messmedien
• Messkammer ist gut zu reinigen
• Vermeidung von Trockenlauf

Drehkolben-Gaszähler

• Überwiegend für Gase geeignet, aber auch Bauformen für Flüssigkeiten erhältlich
• Hohe Messgenauigkeit
• Relativ kleiner Druckverlust
• Hohe Messempfindlichkeit
• Nicht geeignet bei Feststoffverunreinigungen
• Relativ hohes Gewicht bei großen Nennweiten

Ringkolbenzähler

• Geeignet für überwiegend homogene, nicht verunreinigte Flüssigkeiten (auch hochviskos) ohne dispergierte Gase
• Hohe Lebensdauer und wartungsarm
• Relativ geringer Druckverlust
• Leiser und billiger als Ovalradzähler
• Messkammer ist gut zu reinigen
• Große Materialauswahl für Kolben

Quelle(n):

• Bierwerth, W. (2011): Tabellenbuch Chemietechnik. 8. erweiterte Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 362 ff.
• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 262 ff.

Energiedatenerfassung von Anlagen oder Anlagenkomponenten um

• Effizienzvergleich über verschiedene Betriebspunkte oder vergleichbare Anlagen zu ermöglichen,
• Einsparpotenziale abzuleiten,
• Energieeffizienzsteigerung zu bewerten,
• Verbrauch zu überwachen,
• Kennzahlen nachzuweisen,
• Transparenz zu schaffen,
• Mitarbeiter zu sensibilisieren.

Quelle(n):

• Neugebauer, R. (2013): Handbuch Ressourcenorientierte Produktion. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, München, ISBN 978-3-446-43008-2. , S. 197 f.
• Schächtele, K. und Krämer, S. (2011): Energieeffizienz – Energieeffizienz als Querschnittsthema der Namur [online]. Vogel Business Media GmbH & Co.KG, 11. Nov. 2011, verfügbar unter: , S. 41 Link

Um die Energieeffizienz einer Anlage zu bewerten, ist eine Verbrauchsmessung der eingesetzten Energieträger (z. B. Strom, Dampf, Erdgas, Erdöl, Druckluft) in Abhängigkeit der Zeit und der spezifischen Produktionsbedingungen (z. B. Produktionsmenge) notwendig. Die Verbrauchsmessungen erfolgen durch die Erfassung und Auswertung elektrischer und nichtelektrischer Kenngrößen.

• Elektrische Kenngrößen: Leistung, Stromstärke, Spannung, Widerstand
• Nichtelektrische Kenngrößen:
  - Durchflussmengen, Temperaturen, Drücke oder Füllstände der Energieträger Dampf, Erdgas, Erdöl und Druckluft
  - Verlustwärme

Allerdings gestaltet sich die Ermittlung des Gesamtverbrauchs eines Energieträgers aufgrund von Datenlücken oft als schwierig. Um eine umfassende Datenanalyse zu erlauben, sollten demnach Energieverbrauchsdaten kontinuierlich erfasst werden.

Quelle(n):

• NAMUR (2012): Vorgehensweise zur Steigerung der Energieeffizienz in chemischen Anlagen – Beitrag der Automatisierungstechnik. Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie (NAMUR), Arbeitskreis 4.17 "Energieeffizinez", Arbeitsblatt NA 140. S. 9 f.
• Neugebauer, R. (2013): Handbuch Ressourcenorientierte Produktion. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, München, ISBN 978-3-446-43008-2. S. 209 ff.

Nach Erfassung von Energieverbrauchsdaten können in einer Grob- und Feinanalyse (siehe „MSR – Allgemein“ → „Steigerung der Energieeffizienz verfahrenstechnischer Anlagen durch Prozessautomatisierung“) die Ursachen für Effizienzverluste identifiziert und daraus Optimierungspotenziale und Lösungsvorschläge entwickelt werden. Handelt es sich um eine große Zahl an Energieverbrauchern, ist es ratsam, vor der Grob- und Feinanalyse eine Priorisierung der vermuteten Effizienzpotenziale durchzuführen. Damit die während der Analyse erarbeiteten Strategien und Maßnahmen effizient und nachhaltig sind, sollten Experten aus den betreffenden Fachbereichen für die meist komplexen Fragestellungen zusammenarbeiten.

Quelle(n):

• Schächtele, K. und Krämer, S. (2011): Energieeffizienz – Energieeffizienz als Querschnittsthema der Namur [online]. Vogel Business Media GmbH & Co.KG, 11. Nov. 2011, verfügbar unter: [abgerufen am: 19. Jan. 2015] Link

• Zurückführen des gesamten Stromverbrauchs auf einzelne Geräte bei intelligenten Stromzählern
• Erkennen der jeweiligen Verbraucher anhand ihrer spezifischen Signatur im Stromnetz durch "Non-Intrusive Appliance Load Monitoring" Technologie
• Durch geeignete Visualisierung kann Verhaltensänderungen des Nutzers motiviert werden

Die Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten dient zur Prozesssteuerung und -überwachung sowie zur Qualitätssicherung.

• Diskontinuierliche Messung: Probenahme und Dichte-Messung im Labor erfolgen mit Pyknometer, Aräometer oder Westphal’scher Waage; eignet sich gut zur Qualitätssicherung
• Kontinuierliche Messung: Online-Dichtemessung erfolgt mit Biegeschwinger, Schwinggabel-Sensor; eignet sich gut zur kontinuierlichen Prozesssteuerung und ‑überwachung

Quelle(n):

• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 281

Die Ermittlung der Ionenkonzentration in wässrigen Lösungen erfolgt durch Messung der Leitfähigkeit. Die Kenntnis der Ionenkonzentration dient z. B. zur Qualitätsbestimmung von Abwässern, zur Gehaltsbestimmung von Säuren, Laugen und Galvanik-Bädern oder zur Überwachung von Ionentauscheranlagen. Leitfähigkeitsmessgeräte bestehen aus einem Messfühler und einer Auswerte- und Anzeigeeinheit. Für die Messung niedriger und hoher Ionenkonzentrationen besteht der Messfühler aus zwei konzentrisch angeordneten Elektroden. Der Messfühler wird direkt in die wässrige Lösung eingetaucht und dabei an einer Rohrleitung oder einem Behälter befestigt (angeflanscht). Das Messgerät ist empfindlich durch Partikel verursachte Verschmutzungen und muss in regelmäßigen Abständen kalibriert werden.

Quelle(n):

• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 283

Bei der Anwendung von Inline-Konzentrationsmessverfahren ist eine aufwendige Probenaufbereitung nicht mehr notwendig. Die Verwendung von Laborchemikalien und ‑geräten sowie die Inanspruchnahme zusätzlicher Räumlichkeiten entfallen dementsprechend. In der Regel beeinflussen Inline-Messverfahren das Messmedium in geringerem Maße, verglichen mit Offline-Verfahren. Dies führt zu genaueren Messungen sowie kürzeren Messtotzeiten und damit zu einer besseren Ausregelung, sprich effektiveren Nutzung der Anlage. Zudem erlauben die deutlich verkürzten Messzeiten ein schnelleres Erkennen und Vermeiden von unzulässigen Anlagenzuständen.

Gängige Inline-Messverfahren:

• ATR-Spektroskopie (MIR-Bereich): ATR-Spektroskopie ist vor allem für Gase geeignet, jedoch auch für Flüssigkeiten. Als Lichtwellenleiter kommen die Materialien Halegonid und Chalkogenid in Frage (Quarz nicht). Vorteil ist in dem Fall, dass die Verwendung optischer Multiplexer und damit eine simultane Messung an verschiedenen Stellen möglich ist. Die Materialien weisen jedoch schlechte mechanische Eigenschaften auf. Alternativ wird ein Hohlleiter-Spiegelsystem verwendet, das die Strahlung auf den ATR-Kristall lenkt. Die Sonden sind Kombinationen auf einem IR-durchlässigen Kristall, gepaart mit der eigentlichen ATR-Schicht aus – je nach Wellenlänge – Diamant, Silizium, Zirkonium. Solche Systeme sind bis 100 bar und 250 °C einsetzbar.
• Laser-Spektroskopie: Bei der Laser-Spektroskopie wird der Laserstrahl direkt durch die zwei Fenster in der Rohrleitung vom Sender zum Empfänger geschickt. Es können lediglich Gase, diese aber unabhängig von der Temperatur des Mediums, vermessen werden. Mit Diodenlaser-Spektrometern können nur kleinere Moleküle erfasst werden. Einer der wichtigsten Anwendungsfälle ist hier die Sauerstoffbestimmung mittels AlGaAs-Lasern. Mit InGaAs-Lasern lassen sich eine Reihe weiterer kleiner Moleküle bestimmen (CO, HCl, HCN, NO etc.). Der Trend bei dieser Technologie geht zu Quantenkaskadenlasern. Mit dieser Technik konnte die Messempfindlichkeit erheblich gesteigert und das Spektrum an messbaren Substanzen signifikant erhöht werden. Die „Fenster-Technologie“ wurde in den letzten Jahren deutlich verbessert, so dass sich die Messfehler deutlich verringert haben. Mittels spezieller Fensterflansche ist es heute möglich, Messstörungen zu vermeiden, Verschmutzungen vorzubeugen und eine Reinigung mit Dampf zu ermöglichen.
• NIR-Spektroskopie: Das Anwendungsspektrum der NIR-Spektroskopie konnte sich in den letzten Jahrzehnten insbesondere durch komplexe chemometrische Auswertealgorithmen von einem Online-Verfahren zu einer Inline-Methode entwickeln. Der Aufbau umfasst eine optische Sonde, Lichtwellenleiter und das Spektrometer selbst. Die rechnergestützte Auswertung macht es nach Ermittlung geeigneter Kalibrierungen möglich, komplexe flüssige Stoffgemische in ihrer Konzentration, aber auch in Bezug auf Temperatur, Dichte, Viskosität oder Säurezahl zu überwachen. Entsprechend breit gefächert ist der Anwendungsbereich: Produkteingangskontrolle, Verfahrensüberwachung, Qualitätssicherung, aber auch Reaktionsaufklärung sind möglich. Die simultane Überwachung mehrerer Messstellen mit einem Spektrometer ist ebenso umsetzbar.
• Raman-Spektroskopie: Die Raman-Spektroskopie kann dann eine Alternative darstellen, wenn Moleküle bzw. ihre Schwingungen im IR-Spektrum schlecht nachweisbar sind, wobei die Raman-Spektroskopie ein dichtes Medium (Flüssigkeit, Feststoff) voraussetzt. Gut nachweisen lassen sich symmetrische Moleküle und Ionen. Ein Vorteil liegt auch darin, dass Wasser die Messung nicht stört, was es für den Einsatz in der Emulsionspolymerisation interessant macht. Die Messung erfolgt durch ein Fenster in der Außenwand und nicht im Medium selbst. Die Signalübertragung kann mittels Lichtwellenleiter stattfinden, wobei Störungen durch Fluoreszenz möglich sind.
• Terahertzspektroskopie: PE, PP, Teflon, aber auch Karton und div. Textilien sind im Gegensatz zu Metallen für Terahertzstrahlung vollständig transparent und weisen eine hohe Eindringtiefe und gute räumliche Auflösung auf. Dies macht die Technik interessant für nichtinvasive Inline-Messverfahren sowie dreidimensionale Tomographie. Ihre Verwendung ist außerdem unabhängig vom Aggregatzustand des Mediums. THz-Strahlung regt vor allem schwache Bindungstypen (Wasserstoffbrücken, VdW-Bindungen) an und eignet sich für große und komplexe Moleküle, wie z. B. biologische Makromoleküle. Da Wasser die Strahlung absorbiert, ist auch eine Bestimmung der Restfeuchte möglich.
• Transmissions-Spektroskopie (UV/Vis-Bereich): Die UV/Vis-Spektroskopie eignet sich sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen zur Konzentrationsbestimmung (z. B. Aromaten, Nitroverbindungen, Chlor, Ozon, Nitrit etc.), zur Farbzahlbestimmung und zur Trübungsmessung. Es werden entweder Lichtwellenleiter verwendet oder Quarz-, Borosilikat- oder Saphirfenster direkt in die Rohrleitung eingesetzt. Unter 250 nm können Lichtwellenleiter auf Grund des Solarisationseffekts nur eingeschränkt verwendet werden. Aus Gründen der Robustheit und der Messgeschwindigkeit kommen hauptsächlich Diodenarray-Spektrometer zum Einsatz. Für Trübungsmessungen werden Photometer mit zwei Detektoren in unterschiedlichen Winkeln verwendet.
• Ultraschall-Messtechnik: Gemessen wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Medium. Diese ist abhängig von diversen Stoffparametern – Druck, Temperatur, Viskosität, Dichte, Zusammensetzung, Kompressibilität, Strömungsgeschwindigkeit – und kann somit für die Bestimmung eben dieser eingesetzt werden. Für Konzentrationsmessungen ist der Einsatz jedoch auf binäre bzw. quasibinäre Systeme beschränkt. Es gibt Messköpfe für invasive, wie nichtinvasive Messungen in flüssigen Medien. Für eine korrekte Auswertung ist ein Kennlinienfeld zu vermessen und mit den Messwerten zu verrechnen. Insbesondere der Temperatureinfluss muss hier korrigiert werden.

Quelle(n):

• Kasten, W. (2008): Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Inline-Prozessanalysetechnik. atp edition, Heft 9 S. 58 ff.

Die Kenntnis über die Partikel- oder Tropfengrößenverteilung und die damit einhergehende Größe der Phasengrenzfläche ist entscheidend bei der Steuerung und Regelung disperser Reaktions- oder Prozesssysteme. Eine schnelle Analyse der dispersen Phase ermöglicht die Minimierung von Materialeinsatz, Energieeintrag und/oder Abfallprodukten. Folgende Technologien werden zur Bestimmung von Partikel- oder Tropfengröße und -konzentration eingesetzt:

• Photo-optische Inline-Messtechnik (inklusive innovativer Bildbearbeitungssoftware)
• Diverse Lasermesstechniken wie z. B. Laserbeugung, Photonendichtewellen-Spektroskopie
• Photo-Sonden wie z. B. Endoskope, Mikroskope

Quelle(n):

• Kraume, M. und Maaß, S. (2012): Prozesse auf Basis der Partikelgröße steuern. CITplus, 15. Jahrgang, 05. Jun. 2012, Ausgabe 6 S. 31-33
• Reich, O.; Bressel, L.; Hass, R. und Münzberg, M. (2012): Prozessanalyse stark lichtstreuender Dispersionen mit Photonendichtewellen-Spektroskopie. Chemie Ingenieur Technik, 84, Nr. 8

Eine wirtschaftliche Prozessführung in der chemischen Industrie bedeutet im Kern eine optimale Ausnutzung von Rohstoffen, Energie und Anlagen. Ideale Prozess-Sensoriken stellen in diesem Sinne einen globalen Wettbewerbsvorteil dar.

Im Rahmen der Technologie-Roadmap Prozess-Sensoren wurde zusammengefasst feststellt, dass zukünftig völlig neue Messgrößen in komplexeren Stoffgemischen in kleineren Konzentrationen online in ihrer räumlichen Verteilung gemessen werden müssen, um den technologischen und wirtschaftlichen Vorsprung zu halten und auszubauen. Dabei müssen die Sensorsysteme gleichermaßen robust und flexibel sein.

Folgende Trends wurden identifiziert:

• Zunehmend werden bestehende Anlagen innerhalb ihrer Lebenszeit optimiert. Sensoren müssen folglich robust, langzeitstabil und kompatibel sein.
• Trendinformationen und räumliche Verteilung der Informationen zu Produkteigenschaften im Herstellungsprozess werden zunehmend bedeutsam für eine ressourceneffiziente Prozesssteuerung.
• Durch den zunehmenden Einsatz von Recyclingmaterial und nachwachsenden Rohstoffen nimmt die Reinheit der Stoffe ab und die Genauigkeitsanforderung an die Messtechnik zu.
• Komplexe und sensible Prozesse erfordern oftmals hochreine Bedingungen, z. B. in Bezug auf die Umgebungsluft. Die Gasanalytik im ppb-Bereich wird somit zunehmend bedeutsamer.
• Die steigende Automatisierung logistischer Prozesse erfordert ein sicheres Erkennen von Produkten, Edukten und ihrer Qualitätsmerkmale.
• Es wird zunehmend bedeutsam, Analysen nicht im Bypass oder im Labor, sondern direkt in den Stoffströmen des Prozesses vorzunehmen.

Messtechnik-Hersteller haben diese Trends in den letzten Jahren aufgegriffen und ihre Entwicklungen in diese Richtung vorangetrieben.

• Im Bereich der Spektroskopie ließ sich in den vergangenen Jahren ein zunehmender Einsatz in der Industrie verzeichnen. Eine bedeutsame technologische Entwicklung erfuhren Faser-Bragg-Systeme, welche auch an schwierigen Messstellen einfach, schnell, platzsparend und betriebssicher Temperaturprofile ermitteln lassen. Kombinierte spektrometrische Systeme zur quasi simultanen Stoff- und Temperaturmessung sind ebenfalls möglich. Genauere Kenntnisse über die Reaktionsverläufe in Reaktoren erlauben somit einen effizienteren Anlagenbetrieb.

• Bei der MIR-Spektroskopie stellt die Verschmutzung des Messkopfes in der Regel ein Problem dar. Dem kann heute mit vollautomatischen Wechsel- und Reinigungsarmaturen begegnet werden. Wartung- und Instandhaltungstätigkeiten für solche Systeme sind so weniger kostenintensiv. Eigenschaften, Qualität und Preis von künstlichen CVD-Diamanten machen außerdem ART-Sonden zunehmend rentabel. Die Betriebssicherheit solcher Messsysteme kann durch thermische und mechanische Entkopplungen sichergestellt werden. Die erforderliche Messgenauigkeit kann über Referenzstrecken erreicht werden, wodurch die Anlagensteuerung genauer wird.

• Je nach Anwendungsfall kann ein mikroreaktionstechnisches Verfahren die effizienteste Art der Produktion ergeben. Für die Prozessführung sind vor allem optische Durchflusszellen bedeutsam, die allerdings hohen Belastungen im Prozess ausgesetzt sind. Es existieren Zellen mit Saphierfenstern, die bis 120 bar und von -80 bis 200 °C belastbar und dabei in der Wellenlänge einstellbar sind. Ebenfalls vorhanden sind Zellen mit Anschlüssen für verschiedenste Lichtquellen.

• Die Energie- und Signalübertragung zwischen Sensor und Messumformer ist in vielen Systemen ein Schwachpunkt. Der Trend geht hier zu kabelloser Übertragung. Entsprechende elektrochemische Messsysteme liegen im Bereich der pH/Redox-, ISFET-, gelösten Sauerstoff- und Leitfähigkeitsmessung vor. Derartige Systeme sind autoklavierbar und somit auch im sterilen Bereich einsetzbar. Die Praxis berichtet ferner von einer längeren Lebens- und Standzeit einzelner Sensoren und insgesamt geringeren Stillstandszeiten im Prozess durch die höhere Flexibilität bei Wartung und Kalibrierung.

• Eine weitere bedeutsame Entwicklung gibt es im Bereich der Roh-Datenauswertung. Durch Prinzipien der Mustererkennung in Datensätzen wird es zunehmend möglich, über den reinen Messwert hinaus Informationen über den Zustand des Sensors zu gewinnen und daraus z. B. Wartungs- oder Kalibriernotwendigkeiten gezielt abzuleiten.

• In Bezug auf biotechnologische Prozesse geht es oftmals darum, über die Messung einen tieferen Einblick in den eigentlichen Ablauf im Reaktor zu bekommen und so eine effizientere Steuerung zu ermöglichen. Ein Aspekt hierbei ist eine automatisierte und sterile Probenahme, zum Beispiel zur Zellzahlbestimmung oder in Kombination mit HPLC zur Konzentrationsbestimmung in Fermentationsprozessen.

Verschiedene Versionen der Technologie-Roadmap für Prozess-Sensoren:

• Roadmap Sensorik 2006: www.namur.net/fileadmin/media_www/Roadmap_Dateien/Roadmap_Abschlussbericht_1_.pdf
• Roadmap Sensorik 2009: www.namur.net/fileadmin/media_www/Roadmap_Dateien/Prozess-Sensoren_2015_1_.pdf
• Roadmap Sensorik 2015: www.namur.net/fileadmin/media_www/Roadmap_Dateien/Roadmap_Prozesssensoren_4.0.pdf

Quelle(n):

• Babel, W.; Gerlach, M. und Steckenreiter, T. (2009): Fortschritte in der Sensortechnik entlang der Technologie-Roadmap. atp edition, Heft 1-2 S. 101 ff.

Anhand der Messgröße Viskosität kann die Fließfähigkeit einer Flüssigkeit beschrieben und beurteilt werden. Die Viskosität stellt für die Qualitätssicherung und Prozessführung eine wichtige Größe dar. Folgende Messgeräte stehen zur Verfügung:

Höppler-Kugelfall-Viskosimeter

• Nur für diskontinuierliche Messung geeignet; Probenahme notwendig
• Nur für transparente Flüssigkeiten einsetzbar
• Messvorgang dauert einige Minuten
• Messwertnahme und Viskositätsberechnung erfolgen manuell
• Ohne Hilfsenergie
• Einsatz im Labor und im Betrieb

Rotationsviskosimeter

• Zwei Geräteausführungen möglich:
  - Diskontinuierliche Rotationsviskosimeter mit Probenahme für Laboreinsatz
  - Kontinuierliche Rotationsviskosimeter für Inline-Messung direkt in Rohrleitung einer Anlage
• (Elektrische) Hilfsenergie notwendig
• Viskosität wird geräteintern berechnet und im Display angezeigt
• Einsatz in Prozesssteuerung und Qualitätssicherung

Kapillar-Viskosimeter

• Zwei Geräteausführungen möglich:
  - Diskontinuierliche Kapillar-Viskosimeter mit Probenahme für Laboreinsatz
  - Bei einem kontinuierlichen Kapillar-Viskosimeter wird in regelmäßigen Intervallen eine Probe des Messmediums (z. B. aus Rohrleitung) in das Viskosimeter geleitet
• (Elektrische) Hilfsenergie notwendig
• Viskosität wird geräteintern berechnet und im Display angezeigt
• Einsatz in Prozesssteuerung und Qualitätssicherung

Quelle(n):

• Ignatowitz, E. (2013): Chemietechnik. 11. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten. S. 282 f.

• Analysemonitore auf der Basis von Metalloxidgassensoren müssen kalibriert werden (hohe Kosten)
• Entwicklung eines mathematischen Verfahrens (ProCal) zur batch-weisen Kalibrierung
• Aufwand um Faktor 5 im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren reduziert

• Kürzere und ressourcenschonende Entwicklung von Katalysatoren für die Herstellung polymerer Werkstoffe
• Kombination verschiedener Methoden: „High-Troughput“-Evaluierung, Online-Polymeranalytik, Aufbau von Datenbanken und Datenanalysen
• Schnelle Polyolefinanalytik mittels Raman- sowie NIR-Spektroskopie ohne notwendige Probenvorbereitung

• Projektziel: neue Produkte aus dem Labor schneller marktreif machen
• Kleinstanlagen bzw. Versuchsaufbauten direkt auf Produktionsanlagen übertragen
• Schwerpunkt: Einsatz und Entwicklung nichtinvasiver Messtechniken, Automatisierung, Simulation von energie- und materialeffizienten Prozessen sowie Bewertungsmethoden des Energie- und Materialverbrauchs

• Messgerät zur Erfassung gasförmiger Schadstoffe in der Umgebungsluft
• Kleine Baugröße und geringes Gewicht ermöglichen mobilen Einsatz
• Einsatzmöglichkeiten: bspw. Brennwertbestimmung, Überwachung von Biogasanlagen

• Einsatz von Ultraschall bei Testmethoden für Hochdurchsatz-Charakterisierung von wasserbasierten Einbrenn- und Reaktivlacken
• Entwicklung einer mehrkanaligen, schnellen und robusten Ultraschallmesszelle (bis 180 °C)
• Ermöglicht bspw. bei der Rezepturentwicklung zeitaufgelöste Messungen der viskoelastischen Eigenschaften während des Verfilmungs- und Verfestigungsprozesses

• Verbund Sensorik: Öffentlichkeitsarbeit sowie Koordination von Projekten zwischen verschiedenen Partnern
• Einzelprojekte zur Entwicklung und für den Einsatz von Biosensorsystemen für umweltentlastende oder ressourcenschonende Technologien, Produkte und Produktionsprozesse

• Messungen der Substanzeigenschaften mit Sensoren und Analysegeräte schon während der Produktion (Real Time Release Testing) mittels Prozessanalysetechnik zusätzlich zur reinen Eingangs- und Endkontrolle 
• Daten werden mittels Software ausgewertet und mit Kennwerten verglichen, um evtl. Anpassungen rechtzeitig durchführen zu können
• Vermeidung von Fehlchargen

• Elektrolytbestandteile in Lithium-Ionen-Batterien sollen identifiziert und gemessen werden
• Erkentnisse werden genutzt um Prozess zu schaffen, welcher möglichst alle eloktrolyte entfernt
• Ohne Elektrolytrückstände ist das restiche Recycling effektiver möglich
  

• Messung der Oberflächenladung statt Trübungsmessung im Prozesswasser
• Ermöglicht Vermeidung von Überflockung
• 50 – 70 % weniger Flockungsmittelverbrauch möglich
• Deutliche Reduzierung des Wasserverbrauchs bei nicht abwasserfreien Unternehmen durch erhöhte Recyclingquote

• Effizientes und kostengünstiges Katalysator-Screening
• Entwickelte Hochdurchsatz-Verfahren (HTE – High Throughput-Experimentation): Verknüpfung verschiedener Methoden im Rahmen einer Technologieplattform (Mikroreaktor-Techniken, molekulare Computersimulation, statistische Versuchsplanung oder Massenscreening-Verfahren)

• Durch Ultraschallmesstechnik Optimierung des RTM-Prozesses
• Exakte Prozessführung und dadurch Reduzierung der Zykluszeit
• Reduzierung der Spülzeiten und des Harzabfalls sowie Energieeinsparung
• Entwicklung von neuen RTM-Werkzeugen und RTM-Bauteilen zeit- und kostensparender
• Erhöhung der Wirtschaftlichkeit

• Entwicklung eines Analysesystems zur Überwachung und Steuerung von Biogasanlagen 
• Messkombination aus der Erfassung des Fermentationszustandes über Raman-Spektroskopie und der automatisierten FOS/TAC-Messung für die Echtzeiterfassung von Änderungstendenzen im Anlagenbetrieb
• Steigerung der Prozesssicherheit, Effizienz und Flexibilität sowie Ermöglichung der Fernwartung