Behälterinhalte bestimmen

Jörg Zaschel

Moderne Wägesysteme werden individuell auf die Anforderungen der Anwender zugeschnitten. Die Anwendungsbreite der Gewichtsmessung lässt sich nach der Schwierigkeit der Messaufgabe wie folgt gruppieren:

• Gewichtsmessgerät mit einfachem Messumformer, etwa als Alternative zur manchmal komplizierteren Füllstandmessung

• gewöhnliche Waage mit einfachem Wägeprozessor

• Dosier- und Abfüllwaage zur Rezept- und Batchverarbeitung

• Eichwaage, gegebenenfalls als Mehrbereichs- oder Mehrteilungswaage

Darüber hinaus gibt es natürlich weitergehende Systemlösungen, bei denen Waagen in Fabriksysteme mit übergeordneter Prozesssteuerung eingebunden sind. Die generellen Anforderungen an Gewichtsmesssysteme können bei der Planung und Spezifizierung von Wägesystemen nach vier Kategorien systematisch abgefragt werden:

• Prozessbedingungen für die Wiegemechanik (Rohrführung, mechanische Entkopplung)

• Einsatzbedingungen (Ex-Zone, Umgebung)

• Verarbeitungs- und Bedienfunktionen (Dosieren, direkte Bedienung im Ex-Bereich)

• gesetzliche Vorgaben (Eichfähigkeit, GMP).

Die wichtigste Anforderung in der chemischen Industrie ist, dass der Einsatz der Wägesysteme auch in der Ex-Zone 1 möglich ist. Dazu sind die Wägezellen eigensicher auszuführen. Zusätzlich wird häufig gefordert, die Waage auch in der Ex-Zone bedienen zu können. Eine weitere wesentlichen Anforderung ist die Werkstoffverträglichkeit: Edelstahl ist abseits der direkt werkstoffbenässten Teile Standard für die Wägezellen. Für die rein mechanischen Teile der Einbausätze können als preisgünstige Variante auch galvanisch verzinkte Oberflächen in Frage kommen. Alle Verschlüsse und Fügungen sind vorzugsweise dicht verschweißt (IP 68), es kann aber auch dicht vergossener Kunststoff eingesetzt werden (IP 67).

Die drei wichtigsten Schritte bei der Ausführung der Wiegemechanik von Behälterwaagen sind die Aufstellung des Behälters, die Bestimmung der geeigneten Wägesätze entsprechend dem Gewichtsbereich der Waage und die Ankopplung der Zu- und Ableitungen am Behälter. Dazu müssen bei der Projektierung im einzelnen die folgenden Eigenschaften einbezogen werden:

• Lastträger

• Art der Lagerung

• Mechanik der Wägesätze

• Leitungsanschlüsse und Lastaufbringung

• Wägebereich brutto und Auflösung sowie Genauigkeitsklasse OIML (Eichpflicht) und zulässige Anzahl der Teilungswerte (Eichpflicht)

• Umgebungsbedingungen

• Messwert-, Datenübertragung

• Mechanik der Messwertverarbeitung

Helios + Zaschel übernimmt die Projektierung und Konstruktion von Wägesystemen. Dazu liefert das Unternehmen auch den kompletten Wägesatz (Abb. 1), bestehend aus Wägezelle und Einbausatz (Lagerung, Anlenkung). Das verschafft dem Anwender den sichersten Aufbau, die geringste Störanfälligkeit und den geringsten Einbauaufwand.

Größere Reaktoren werden meist auf drei Pratzen eingehängt, unter denen sich die Wägesätze befinden. Die Rührwerkskräfte werden ohne zusätzliche Abfangelemente direkt durch die Lager aufgenommen. Stehende und liegende gewöhnliche Rührwerksbehälter werden auf vier Füßen gelagert, unter denen die Wägesätze eingebaut sind. Wenn der Platz zum Unterbauen zu klein ist, kann eine Lösung mit einer Aufhängevorrichtung gefunden werden. Bei kleinen Versuchsbehältern reichen meist drei Lagerpunkte. Bei vier Lagerpunkten sind die Wägezellen so ausgelegt, dass das maximale Bruttogewicht des Behälters 85% ihrer Summe nicht übersteigt. Dadurch wird eine mögliche Ungleichverteilung des Gewichts wegen der statisch unbestimmten Lagerung abgefangen. Manchmal ist es zweckmäßig, einen Behälter mittig aufzuhängen (Platzbedarf, stabile Lage). Dazu dient die Aufhängevorrichtung. Für Behälter, die zum Beispiel zur Reinigung auf dem Boden bewegt werden müssen, kommen höhenverstellbare Lastfüße zum Einsatz. Gegen weitere bauseitige Einwirkungen von normaler Größenordnung wie Überlastung oder Schwingungen, sind die Wägezellen mit einer Überlastbarkeit von 200% und einer Bruchlast von 300% abgesichert.

Die Wägezellen werden entsprechend dem Gewichtsbereich der Waage ausgewählt. Die typische Zuordnung ist in Tabelle 1 aufgeführt. Die modulare Konzeption gestattet es im Falle der Flüssigkeitsverwiegung, wenn eine Genauigkeit von 0,2 bis 0,5% ausreichend ist, lediglich ein oder zwei aktive Wägesätze zu verwenden. Die anderen Auflager werden dann mit baugleichen Dummyzellen bestückt, so dass die mechanischen Bedingungen insgesamt erhalten bleiben. Für die Messwertverarbeitung kommen verschiedene Komponenten wie Messumformer mit analoger oder digitaler Signalverarbeitung oder Wägeprozessoren zum Einsatz (Abb. 2).

Bei der Ankopplung der Zu- und Ableitungen ist zu beachten, dass sich durch den unüberlegten Einsatz von Kompensatoren höchst instabile und nichtlineare Schwingungssysteme mit zahlreichen unkontrollierbaren Resonanzen ergeben können. Außerdem ist die Steifigkeit von Kompensatoren druckabhängig. Richtig ist es, Kompensatoren weitestgehend zu vermeiden. Statt dessen sollten die Anschlussleitungen in ihrer Länge so gewählt werden, dass sie genügend Nachgiebigkeit erhalten, um störende Nebenkräfte zu vermeiden. Das ist bei Durchmessern bis DN 100 in der Regel gut möglich. Bei beengten Platzverhältnissen, sind flexible Schläuche zu verwenden. Ein Kompensator ist dann meist nur noch für die Hauptstoffzuleitung erforderlich, sollte dann aber im horizontalen Teil der Leitung liegen, um den Einfluss aus dem Betriebsdruck zu vermeiden.

Die Prozesswaagen lassen sich in charakteristische Anwendungsarten nach Tabelle 2 gliedern. In der Systematik der Kommunikationsstrukturen von Herstellprozessen sind die Wägesysteme der Feldebene zuzurechnen. Es besteht nun die weitere Aufgabe, die Führungs- und Messwerte dieser Systeme den überlagerten Leit- und Führungsebenen zugänglich zu machen. Dabei kommt es darauf an, einfache Strukturen und IT-Mittel zu verwenden, damit eine Prozesskommunikation auch für kleinere Produktionsanlagen mit angemessenem Aufwand und überzeugendem Nutzen realisiert werden kann. Abbildung 3 zeigt das dafür passende Konzept.

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