Radar-Füllstandsensoren

Hanspeter Oswald

Bei allen Unterschieden in der Herstellung und Verarbeitung von Lebensmitteln und der Gewinnung von pharmazeutischen Produkten herrscht hinsichtlich der Hygiene und Aseptik grundsätzliche Einigkeit. Die Produktionsprozesse müssen sicherstellen, dass die Produkte nicht verunreinigt werden, biologisch einwandfrei und vor allem haltbar sind.

Füllstand-Radar-Sensoren sind in der Pozessmesstechnik gebräuchliche und weit verbreite Messumformer, nicht aber in der Pharma- und Lebensmittelproduktion. Hier findet man die Radar-Sensorik nur in nicht hygienerelevanten Produktionsbereichen. Der Grund ist die Technik, mit der das Radar-Signal bisher in den Behälter eingekoppelt wird, um den Füllstand zu ertasten. In diesem Einkoppelungsbereich, der Antenne also, verlassen die drahtgebundenen Radar-Hochfrequenzsignale von 26 GHz den Sensor und pflanzen sich im Vakuum sowie in Luft oder Gasatmosphäre mit Lichtgeschwindigkeit fort. Die von der Sensorumgebung und dem Füllgut reflektierten Radarpulse empfängt die Antenne dann wieder als Radarechos. Die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen vom Aussenden bis zum Empfangen ist der Distanz und damit der Füllhöhe proportional.

Bisher sind die Antennen von Radar-Sensoren als Horn- oder Stabantennen ausgeführt. Unter Hygienegesichtspunkten sind diese Antennenformen jedoch unbefriedigend. Durch enge Winkel und Spalte bieten sie Schmutznestern leichte Ansatzmöglichkeit, und eine CIP-Reinigung oder gar eine SIP-Sterilisation ist nur ungenügend möglich, bzw. sehr aufwendig und damit teuer.

Als Alternative bietet sich der Hygiene-Radar-Sensor Vegapuls S 43 an. Dieser Radar-Sensor ist mit einer Antenne ausgestattet, die sich reinigungstechnisch wie die glatte Behälterwand verhält. Die bisherigen Hornantennen und Stabantennen sind bei ihm verschwunden. In den Prozessbehälter ragt nur eine kleine kegelförmige Erhebung. Der kleine Kegel arbeitet für die Radarsignale wie eine fokussierende Linse, mit der die Radarsignale zu einem Hochfrequenz-Strahl gebündelt werden. Die relative Dielektrizitätszahl des kleinen 140°-ETFE-Kegels gibt dabei den Brechungsindex der Linse wieder.

Der sichtbare Antennenbereich in Gestalt des kleinen Kegels lässt jedoch nicht vermuten, wie präzise die geometrische Form der Antenne an die physikalischen Eigenschaften der elektromagnetischen Wellen angepasst sein muss. Eine Form, die über die Fokussierung der Wellen und damit über die Empfindlichkeit, ähnlich der Empfindlichkeit eines Richtmikrofons, entscheidet. Die Herstellung einer solchen elektromagnetischen Linse erfordert viel empirisches Hochfrequenz- und Werkstoff-Know-how.

Neben der erwähnten reinigungstechnisch notwendigen Geometrie der Lebensmittel- und Pharma-Antenne ist für eine Reinigung und Sterilisation auch der verwendete Werkstoff am neuentwickelten Sensor Vegapuls 43 entscheidend. Denn die automatische Reinigung (CIP) und Sterilisation (SIP) der gesamten Produktionsanlage (und zwar, ohne dass Veränderungen gegenüber dem Produktionszustand vorgenommen werden oder gar Anlagenteile demontiert oder zerlegt werden müssen) ist in der Praxis nicht einfach. Verschmutzungen haften mechanisch in Poren, Spalten, Kratzern und Vertiefungen, sowie durch elektrostatische Bindungskräfte an den Wandungen. Der konstruktive Aufbau von Anlage und Sensorik muss deshalb so sein, dass weder die verwendeten Materialien noch die Oberflächen mechanische Schmutzbindung und Schmutznester durch Spalte und Vertiefungen ermöglichen. Mit der CIP-Reinigung kann dann die elektrostatische und mechanische Bindungsenergie der Verschmutzungen (Hefezellen, Schimmelpilze, Bakterien) überwunden werden. Die Energie zu Schmutzabtrag und Schmutzabtrennung wird in Form von chemischer (Reiniger), mechanischer (Druck/Strömungsgeschwindigkeit) und thermischer Energie aufgebracht. Die Größe einer relevanten Bakterie im Verhältnis zur Oberflächengüte der Anlagenteile entscheidet dabei maßgeblich über die mechanische Bindungsenergie. Konstruktiv bedingte Spalte sind dann oft das Aus für eine zuverlässige Reinigung. Der Reinigungserfolg RE ergibt sich vereinfacht aus der Beziehung von M (Mechanik), Z (Zeit), T (Temperatur) und C (Chemie):

RE = M • Z • T • C

Innerhalb gewisser Grenzen sind diese Faktoren gegeneinander austauschbar. Eine geringere Temperatur kann zum Beispiel durch eine höhere Reinigerkonzentration oder eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit kompensiert werden. Das Kosten-Nutzen-Optimum ist aber schnell empfindlich gestört. Eine gut gemeinte Erhöhung der Reinigerkonzentration durch die Anlagenbediener von z.B. optimal 2% auf 2,3% kann die Kosten rapide erhöhen, ohne einen besseren Reinigungserfolg zu erzielen. Im Gegenteil! Denn dadurch wird die Reynoldszahl des Reinigers verändert, wodurch sich wiederum die Reinigungsturbulenz und damit die Geschwindigkeit des Reinigers vermindert. Das Mehr an chemischem Reinigungsgewinn wird durch den mechanischen Reinigungsverlust wieder aufgehoben, und der Reinigungserfolg nimmt möglicherweise sogar ab.

In Hygienebereichen ist PTFE ein häufig anzutreffender Werkstoff. Der kleine Kunststoffkegel des Steril- und Pharmatechnik-Radar-Sensors Vegapuls 43, der gleichzeitig als Antenne und als Prozessdichtung arbeitet, besteht aus einem TFM-PTFE-Werkstoff (kurz ETFE). Dabei handelt es sich um ein Fluorthermoplast, das gegenüber PTFE weitere deutliche Vorzüge zeigt, wie zum Beispiel eine geringere Lastdeformation, ein erheblich dichteres Polymergefüge, sowie eine glattere Oberfläche (Ra 0,8 µm). Die bekannten anderen Vorzüge des PTFE, wie z.B. eine hohe Temperaturbeständigkeit ( >250 °C), hohe chemische Beständigkeit, sowie Versprödungs- und Alterungsfreiheit, bleiben nicht nur erhalten, sondern sind sogar ebenfalls verbessert. Perfluorelastomere und Fluorthermoplaste sind in nahezu allen chemischen Medien, wie z. B. Aminen, Ketonen, Estern, Ethern, Säuren (Natronlauge, Schwefelsäure, Phosphorsäure Salzsäure, und Salpetersäure), Laugen, Treibstoffen, Oxidantien und Ölen, beständig. Neben der chemischen Industrie ist es deshalb vor allem die Steril- und Pharmatechnik, die diese Werkstoffe vermehrt einsetzt. Die einzige Einsatzgrenze stellen Fluor unter hohem Druck und flüssige Alkalimetalle wie Natrium oder Kalium dar, mit denen Perfluorelastomere und Fluorthermoplaste explosionsartig reagieren können.

Die besonderen Eigenschaften der am Hygiene-Radar-Sensor verwendeten TFM-PTFE-Antennen-/Dichtungsmaterials (ETFE) werden durch chemische Modifikation der Moleküle und eine besondere Molekülstruktur erreicht. In einer helixkonformen linearen ETFE-Molekülstruktur, die einer DNA-Struktur ähnelt, schirmen die Fluoratome die Kohlenstoffatome sterisch (räumlich homogen) ab. Es ergibt sich eine sehr dichte Teilchenanordnung der Moleküle. Die Energie der C-F-Bindung ist mit 485 kJ/mol im Vergleich zur C-H-Bindung mit 413 kJ/mol außergewöhnlich hoch. Hinzu kommt, dass der kovalente Radius des Fluoratoms mit 0,72 Å (72 nm) viel größer ist als der des Wasserstoffs mit 0,37 Å, der in sonstigen Kohlenwasserstoff-Verbindungen (C-H) vorherrscht. Dies erklärt die außergewöhnlich hohe thermische und chemische Beständigkeit von ETFE.

Der Füllstand-Sensor Vegapuls 43 erfüllt mit seinen technischen Daten das Anforderungsprofil der Pharmazie und Lebensmitteltechnik. Seine Anwendungsgrenzen liegen in Produkten mit Schaumbildung und in Produkten mit stark bewegter Füllgutoberfläche.

E cav 274

• druckbeständig auch bei hohen dynamischen Druckstößen

• hitze- und kältebeständig, Prozesstemperatur bis 150 °C

• Prozessdruck bis 16 bar

• chemisch hochbeständige und universell einsetzbare prozessberührende Werkstoffe

• hohe Linearität, Genauigkeit 0,1%

• hohe Lebensdauer, robust und langzeitstabil

• 4…20 mA-loop-powered

• Bus-Technologie/digital vernetzbar

• Ex-zugelassen (EEx d und EEx ia)

• Verfügbarkeit üblicher Prozessanschlüsse

• geringer Installationsaufwand

• schnelle Inbetriebnahme

• abrasionsfest

• sicher CIP (Cleaning in Place), SIP (Sterilisation in Place) und FIP (Flushing in Place) reinigbar

• unempfindliche Gehäusetechnik, für die auch permanentes Dampfstrahlen kein Problem ist

• spaltfrei und frontbündig

Prozesstemperatur -40…150 °C

Prozessdruck -1…16 bar

Umgebungstemperatur 40…80 °C

Schutzart IP 66 und IP 67

Ex-Zulassung Zone 0 und 1

Lebensmittelzulassung 3A, EHEDG

loop powered (4…20 mA, Profibus, FF)

Oberflächengüte Ra 0,8 µm