Messen im 24/7-Betrieb. Spektralsensoren für die Prozessanalytik - prozesstechnik online

Spektralsensoren für die Prozessanalytik

Messen im 24/7-Betrieb

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Sensoren, die relevante Eigenschaften direkt im Prozess messen, erlauben eine enge Produktionsüberwachung, hohe Produktqualität oder hohe Ausbeuten. Neben der Erfüllung der Messaufgabe im 24/7-Betrieb werden von den Messsystemen Widerstandsfähigkeit, Langlebigkeit, Wartungsfreundlichkeit sowie die nahtlose Integration in die Prozesskommunikation gefordert. Im Folgenden werden einige Aspekte vorgestellt.

Die Steigerung von Effizienz, Produktivität und Flexibilität in der Produktion erfordert geeignete Messtechnik, die bei hoher Verfügbarkeit stabile Messdaten liefert. Bei der klassischen Methode zur Erfassung von Kenndaten für die Prozessüberwachung werden Proben genommen und diese durch Konditionierung in produktionsnahen Laboren analysiert. Dabei werden die zu erreichenden Zeitkonstanten durch die Transport- und Analysezeiten vorgegeben. Qualitätsrelevante Entscheidungen können erst mit einer gewissen Verzögerung getroffen werden.

Sensoren, die die relevanten Eigenschaften direkt im Prozess messen können, erlauben eine engere Produktionsüberwachung. Tec5 bietet eine Reihe von Prozessspektrometern, mit denen sich Daten in Echtzeit gewinnen lassen. Der Einsatz der Embedded-Technologie tecSaaS- ermöglicht es zudem, die Datenerfassung, -verarbeitung und Prozesskommunikation im Messsystem autonom durchzuführen und vollständig auf den Einsatz eines Industrie-PCs zur Analyse zu verzichten.

Nahtlose Integration

Ein deutscher Spezialchemiekonzern stellt in einem Batchprozess Rohstoffe für die Farben- und Lackindustrie her. Das Produktportfolio umfasst dabei eine größere Anzahl von Rohstoffen, die abhängig vom Bedarf auf mehreren Reaktoren parallel hergestellt werden. Durch die Nutzung eines mehrkanaligen NIR-Spektrometersystems in den Reaktoren lassen sich bereits in der Produktion kritische Produktparameter überwachen und somit die Produktqualität sicherstellen. Die hohe Flexibilität der Anlage erfordert dabei eine nahtlose Integration des Messsystems in die bestehende Prozessinfrastruktur: Der Produktcode der zu fertigenden Charge wird vor jeder Messung an das Spektrometersystem übertragen, sodass die geeigneten Chemometriemodelle aktiviert werden können.

Die Messdaten für jeden Reaktor werden nach der Messung an das Prozessleitsystem übertragen. Das gezielte Einstellen der Produktqualität ermöglicht eine schnellere Freigabe der Produkte und erhöht die Produktivität des Prozesses. Ein intelligenter Speicherschritt reduziert die Menge der aufgenommenen Spektraldaten signifikant: Werden im Betrieb Proben genommen, wird für die Dauer der Entnahme die Speicherung der Spektren aktiviert. Nach Analyse im Labor können diese Daten später zur Optimierung oder Validierung des chemometrischen Modells verwendet werden. Basis des eingesetzten Prozessanalysesytems ist ein Multispec-UV-VIS-NIR-Spektrometer mit moderner Diodenarray-Technologie. Es zeichnet komplette Spektren innerhalb weniger Millisekunden auf. Die integrierten monolithischen Spektrometer sind hochwertige optische Baugruppen ohne bewegte Teile. Moderne Multiplexer-Technologien ermöglichen die simultane Messung an bis zu acht Messkanälen.

Raman-Spektroskopie im Prozess

Das Multispec Raman gehört ebenfalls zur modular aufgebauten Multispec-Gerätefamilie von tec5. Es enthält eine Laser-Lichtquelle und ein hochempfindliches peltiergekühltes back-thinned CCD-Spektrometer zur Detektion. Die inelastische Streuung von Licht, die sich die Raman-Spektroskopie zunutze macht, ermöglicht durch den großen Informationsgehalt eine selektive Messung einzelner Moleküle. Im Gegensatz zu ähnlich selektiven Methoden, z. B. die MIR-Spektroskopie, können für Raman-Installationen erprobte Lichtwellenleiter für die Verbindung von Messstelle und Messgerät eingesetzt werden. Beim Einsatz der Raman-Spektroskopie in industriellen Prozessen spielen einige Komponenten für die erfolgreiche Implementierung eine wesentliche Rolle. Da der Messeffekt direkt abhängig von der eingestrahlten Laserleistung ist, muss der eingesetzte Laser über lange Zeit hochstabil sein.

Beim Multispec-Gerät generiert ein temperatur-stabilisierter Halbleiter-Laser eine Leistung von 50 bis 500 mW bei einer Anregungswellenlänge von 785 nm (Laserschutzklasse 3B). Der Laser ist integriert in eine Einschubkassette. Ein FC/APC-Faserstecker, der sich auf der Frontplatte der Laserkassette befindet, ermöglicht den einfachen Anschluss an eine lichtleiter-gekoppelte Raman-Sonde. Eine Interlockkette mit 4 seriellen Interlocks verhindert eine versehentliche Aktivierung des Laser. Mithilfe der Interlockkette sind auch Installationen nach Laserschutzklasse 1 möglich, d. h. ein Laserschutz entfällt, d.h. der Laserbetrieb ist ohne weitere Sicherheitsbelehrung möglich. Damit ist die Integration des Raman-Spektrometersystems in bestehende Anlagen sehr einfach möglich.

Soll das System in explosionsgefährdeten Anlagen eingesetzt werden, muss die Zündgefahr durch geeignete Maßnahmen ausgeschlossen werden. Dies kann sowohl durch die Begrenzung der Laserleistung unter ein kritisches Level, d.h. „optische Eigensicherheit“ oder die Realisierung eines Explosionsschutzkonzepts, basierend auf der Gefährdungsanalyse, erfolgen.

Für die Anwendung in industriellen Prozessen stehen optimierte faseroptische Sonden zur Verfügung. Eine Auswahl an verschiedenen Materialien und Flanschen ermöglicht eine optimale Anpassung an die Prozessbedingungen. Das Anregungslicht sowie das Detektionslicht, das die spektroskopischen Informationen trägt, werden über Lichtleiter von und zum System geführt. Dies ermöglicht eine flexible Installation auch besonders bei verteilten Installationen.

Im Trend: Kompakte NIR-Sensoren

Neben klassischen Spektrometersystemen und photometrischer Detektion erlaubt der Einsatz von kompakten, auf MEMS, d. h. „Micro-electro-mechanical Systems“ basierenden Sensoren, neue Möglichkeiten: Die Nirone-NIR-Bausteine der Firma Spectral Engines lassen sich direkt mit der Embedded-Technologie tecSaaS von tec5 betreiben. Die partnerschaftliche Entwicklung beider Firmen stellt den autarken Betrieb der Systeme in industriellen Anwendungen in den Vordergrund und weist den Weg für miniaturisierte und kostengünstige NIR-Sensoren zur Automatisierung in Maschinen, Anlagen und Prozessen. In kurzer Zeit konnten erste Anwendungen bei Kunden in der Nahrungsmittelindustrie realisiert werden.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav1218tec5


Autor: Dr. Hanns S. Eckhardt

Head of Product Management,

tec5


Digitalisierung:   autonome Spektrometersysteme

Mit der Entwicklung der Embedded-Plattform tecSaaS (tec5 Spectrometer as a Sensor) sollten intelligente, autonome Spektrometersysteme realisiert werden, die sich über entsprechende Prozessschnittstellen direkt in Produktionsanlagen integrieren lassen. Durch die Einbettung der Verarbeitungs- und Auswertefunktionen in die Geräteeinheit tecSaaS können Messergebnisse ohne Umwege an die Prozesssteuerung übergeben werden. Ein separater PC wird somit nicht mehr benötigt. Die Plattform besteht aus einer vordefinierten Elektronik-Architektur sowie umfangreicher Firmware und Embedded-Software. Die Parametrierung und ggf. das Monitoring erfolgen temporär über das Netzwerk mittels Softwaretool MPT. Die Embedded-Plattform ist kompatibel zu einer Reihe von Detektoren und Spektralsensoren. In Kombination mit Lichtquellen und optischem Zubehör lassen sich smarte optische Prozesssensoren erstellen.

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