Automatisierte Wechselarmaturen

Dr. Hermann Straub

In der Prozessmesstechnik ist es in vielen Fällen unumgänglich, Sensoren zur Überprüfung, Neueinstellung, Kalibrierung oder Reinigung aus dem Prozess ohne Prozessunterbrechung heraus- und hereinzufahren. Dies können pH-, Temperatur-, Opto- und viele andere Sensoren für die unterschiedlichsten Prozessparameter sein. Auch in molchbaren Anlagen kommen Wechselarmaturen zum Einsatz, um die installierten Prozesssensoren bei Bedarf aus dem Prozess herausnehmen zu können. Hierfür wurden unterschiedliche Prozessarmaturen entwickelt. Als Prozessabschluss zum Medium hin werden dabei prinzipiell zwei verschiedene Mechanismen eingesetzt:

• ein Kugel- oder Kükenhahn, der über eine rotierende Walze die Prozessöffnung schließt oder

• ein Verschlusszapfen, der integraler Bestandteil der Wechselarmatur ist.

Kugelhahnarmaturen werden bevorzugt in Medien mit Feststoffanteil eingesetzt. Feststoffe in diesem Sinn sind auch Fasern oder festhaftende Anbackungen und Inkrustierungen von Kalk oder prozessbedingte Ablagerungen. Der Sensor wird in diesen Armaturen zunächst im ersten Schritt herausgefahren, im zweiten Schritt wird der Kugelhahn geschlossen. Dies erfolgt in den meisten Fällen automatisiert und zwangsgesteuert. Eine solche Armatur erlaubt auch den Einsatz von sogenanntem Sperrwasser zur Reinigung des Sensor- oder Elektrodenhalters während des Zurückfahrens. Mit dieser gezielten Spülung wird einerseits eine Verschleppung des Mediums in die Spülkammer vermieden, andererseits bei eventuellen Anhaftungen am Elektrodenhalter das Zurückfahren erst ermöglicht. Da Kugelhahnarmaturen systembedingt höher aufbauen, sind hierfür natürlich auch entsprechend längere und damit teurere Sensoren nötig.

Der besondere technische Vorteil von Armaturen mit Verschlusszapfen wie beispielsweise die Wechselarmaturen Cleanfit S CPA 471 und CPA 472 von Endress + Hauser (Abb. 1) ist, dass der Elektrodenhalter selbst zum Dichtelement wird und zum Prozess hin über O-Ringe oder Formdichtungen eine sichere Abdichtung erfolgt. Dies bedeutet zunächst kleiner bauende Wechselarmaturen sowie kürzere und damit kostengünstigere 120-mm-Sensoren. Um die Vorteile einer solchen Wechselarmatur voll auszuschöpfen, bedarf es eines speziellen Dichtkonzeptes.

Der vordere Teil des Sensorträgers ist hierfür als Zapfen ausgebildet, der bereits während des Zurückfahrens zum Prozessanschluss hin radial abdichtet. Der spezielle Aufbau des Dichtungssystems dieser Wechselarmaturen gewährleistet dabei eine perfekte Trennung zwischen Spülkammer und damit der Umgebung vom Prozess. Diese Trennung kann aber nur dann wirksam sein, wenn die Dichtelemente nicht beschädigt sind. Eine Kontrolle von Armaturen mit nur innenliegenden O-Ringdichtungen bedeutet aber, dass eine komplette Demontage und das Auseinanderbauen der ganzen Einheit erfolgen muss. Entwicklungsziel der Wechselarmaturen CPA 471 und CPA 472 war es deshalb, den Service- und Kontrollaufwand zu minimieren. Dies wurde dadurch möglich, dass die beiden wichtigsten O-Ringe nicht mehr innenliegend, sondern außenliegend ausgeführt werden. Damit sind diese beiden Schlüsselelemente für die Dichtheit einfach zu kontrollieren und gegebenenfalls auch schnell zu ersetzen.

Dazu muss die Armatur während einer Produktionspause in drucklosem Zustand aus der Prozessadaption genommen werden. Als außenliegende O-Ringe sind sie dann direkt und ohne Montagearbeiten an der Armatur selbst zugänglich (Abb. 1). Neben diesen außenliegenden O-Ringen besitzt die Armatur zusätzliche innenliegende O-Ringe. Diese sind vor äußeren Einflüssen wie abrasiven Medien gut geschützt.

Diese Form des Dichtungssystems bietet noch weitere Vorteile. O-Ringe können je nach Werkstoff nach einiger Zeit so stark auf Oberflächen haften, dass sie sich nur unter erhöhtem Kraftaufwand wieder lösen lassen. Dieser sogenannte Stickslip-Effekt des erhöhten Losbrechmoments kann dazu führen, dass der O-Ring beschädigt wird und so die Dichtfunktion nicht mehr gewährleistet ist. Um dies zu verhindern, sind die zum Medium hin dichtenden O-Ringe in diesen Wechselarmaturen im eingefahrenen Zustand entlastet. Dies gilt auch für den innenliegenden O-Ring. Dieser ist jeweils im ausgefahrenen Zustand, also in der Service-Position der Armatur auf Höhe der Elektrodenspitze in entlastetem Zustand. Außerdem wird dieser O-Ring automatisch der Reinigungsprozedur mit unterzogen. Ganz im Gegensatz zu Wechselarmaturen mit ausschließlich innenliegenden O-Ringen tritt bei diesen Wechselarmaturen der Stickslip-Effekt nahezu nicht mehr auf. Mit dieser Konstruktionsweise wird auch berücksichtigt, dass dauergepresste Elastomerteile und damit auch O-Ringe ihre Elastizität verlieren und sich verformen können. Um dies wirkungsvoll zu verhindern, werden bei den Wechselarmaturen CPA 471 und CPA 472 sowohl die außen- als auch die innenliegenden O-Ringe je nach Position des Elektrodenhalters (Mess- oder Service-Position) gepresst bzw. entspannt.

Ein im Prinzip gleiches Dichtungssystem besitzt die Armatur CPA 475. In dieser für den Einsatz in der Pharma-, Food- und Getränkeindustrie konzipierten Wechselarmatur (Abb. 2) sind alle mediumberührten Teile aus Edelstahl, allerdings sind die prozessdichtenden O-Ringe hier durch eine Formdichtung ersetzt. Für den Einsatz in Prozessen mit sterilen Bedingungen wurde der Elektrodenhalter der CPA 475 so ausgeformt, dass der Verschlusszapfen in der Serviceposition und der Schaft des Elektrodenhalters in der Messposition jeweils zusammen mit der Formdichtung die Dichtigkeit gewährleisten. Damit ist der ganze Elektrodenhalter in der Spülkammer frei reinig- und sterilisierbar.

Die Formdichtung ist dabei ein wesentliches Element für die Hygieneeigenschaften der Armatur. Sie ist derart ausgeformt, dass keine Hinterschnitte wie bei O-Ringen entstehen können, die nicht zu reinigen wären.

Der Aufbau der Spülkammer ist nahezu identisch mit derjenigen der bewährten und EHEDG-zertifizierten CPA 465. Zusätzlich wurde die Zertifizierung nach 3A bereits mit Erfolg bestanden.

Mit dem ionenselektiven Feldeffekttransistor – kurz Isfet genannt – steht seit einiger Zeit ein pH-Sensorsystem zur Verfügung, dessen pH-Sensorprinzip ohne Glas auskommt. Damit erhält der Sensor eine ausgezeichnete mechanische Stabilität, die ihn einerseits für raue Prozessbedingungen und andererseits für Prozesse ideal einsetzbar macht, in denen in der Vergangenheit wegen der Glasbruchgefahr der traditionellen pH-Glaselektroden völlig auf die direkte pH-Messung verzichtet wurde.

Durch den großen Einsatzbereich des Isfet-pH-Sensors, sowohl in bezug auf den Temperatur- wie auch pH-Bereich, ist die Sterilisierbarkeit im Prozess kein Problem. Lediglich im schmalen Bereich extrem hoher pH-Werte in Verbindung mit sehr hohen Temperaturen – also zwischen pH 9 bei 120 °C und pH 14 bei 20 °C – ist der Isfet-pH-Sensor nicht langzeitstabil. Da dies der pH- und Temperaturbereich von CIP-Reinigungsmedien ist, wird der Isfet-pH-Sensor hier erstmals in Kombination mit einer automatisierten Wechselarmatur eingesetzt (Abb. 3).

E cav 238

• Cleanfit Wechselarmaturen mit ihren innen- und außenliegenden O-Ringdichtungen sind modular aufgebaut.

• Erhöhte Sicherheit dadurch, dass dieses Konstruktionsprinzip die Besonderheiten der O-Ringe berücksichtigt.

• Der Stickslip-Effekt ist ausgeschlossen und damit wird auch eine Beschädigung des ein- bzw. ausfahrenden Sensors wirkungsvoll verhindert.

• Die Überprüfung der Dichtelemente ist schnell und einfach, also ohne speziell geschultes Personal möglich.

• Standardmäßig sind diese automatisierten Wechselarmaturen für alle Sensoren einsetzbar, die einen Durchmesser von 12 mm haben.

• Durch die besonders kurze Bauweise dieser Wechselarmatur lassen sich kostengünstige Standardsensoren mit 120 mm Länge einsetzen.

• Für die pH-Messung von besonderer Bedeutung ist bei dieser Wechselarmatur der austauschbare Anschlusskopf. Dies ermöglicht den einfachen Einsatz unterschiedlicher, gängiger Elektrodentypen und den schnellen und kostengünstigen Wechsel von Gel- auf KCl-Elektroden.