Süße Sache

Dipl. Phys. Anne Lessard

Das Ultraschallmessgerät Fluxus CMS dient zur Konzentrationsmessung in flüssigen Medien. Seine Funktionsweise basiert auf der temperaturkompensierten Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall in einem flüssigen Medium. Es handelt sich hierbei um eine stoffspezifische Größe. Das bedeutet, dass in einer Mischung die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls von der Zusammensetzung und Konzentration der einzelnen Mischungskomponenten abhängt. Ändert sich die Zusammensetzung beispielsweise durch eine chemische Reaktion, temperaturabhängige Fällungsprozesse oder durch einfaches Hinzufügen einer neuen Mischungskomponente, verändert sich auch die Geschwindigkeit, mit der sich der Ultraschall in der Lösung ausbreiten kann. Das heißt: Die Schallgeschwindigkeit ist eine sehr gute Monitoringgröße zum Verfolgen von Konzentrationsänderungen in flüssigen Medien.

In der Getränkeindustrie kann Fluxus CMS beispielsweise zur Bestimmung des Zuckergehaltes (°Brix) verwendet werden. In Kombination mit einem Biegeschwinger ist auch eine Bestimmung der Würze und Stammwürze von Bier (Plato) sowie der Dichte von Weinmost (°Oechsle) möglich.

Die Fluxus-CMS-Geräte können mit zwei Sensorarten betrieben werden. Es gibt Sensoren, die bei der Konzentrationsmessung mit dem Medium in Berührung kommen. Im Unterschied dazu werden die Clamp-on-Sensoren von außen an Rohrleitungen oder Reaktoren befestigt; sie entsprechen in besonderer Weise den Anforderungen an eine hygienische Messung. Bis zu vier Messstellen können von einem Fluxus-CMS-Gerät erfasst werden. Eine gleichzeitige Bestimmung von Konzentration und Durchfluss ist problemlos möglich.

Die Clamp-on-Sensoren können in einem Temperaturbereich von -30 bis +250 °C eingesetzt werden, die benetzten Sensoren in einem Bereich von -30 bis +150 °C. Außerdem stehen die Clamp-on-Sensoren auch in einer explosionsgeschützten Ausführung zur Verfügung.

Für die quantitative und qualitative Bestimmung der Zusammensetzung eines flüssigen Mehrstoffgemischs muss der Zusammenhang zwischen der gemessenen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals und der Konzentration der jeweiligen Mischungskomponente bekannt sein oder im Vorfeld bestimmt werden. Für die quantitative Konzentrationsbestimmung ist darüber hinaus eine Kalibrierung der Messstelle vor Ort notwendig. Diese entfällt bei einer qualitativen Beurteilung von Konzentrationsveränderungen.

Die Konzentrationsbestimmung mit einem Fluxus-CMS-Gerät, das mit einem Clamp-on-Sensor ausgestattet ist, bietet zwei Vorteile: Sie ist hygienisch und liefert kontinuierlich Messdaten. Der Anwender kann so zeitnah auf Veränderungen im Prozess reagieren und gegebenenfalls Korrekturen auslösen. Genau diese Faktoren waren für das niederländische Unternehmen CSM ausschlaggebend, als es sich für Fluxus CMS von Flexim entschied. Das Messgerät wird zur Messung der Zuckerkonzentration bei der Herstellung von Zucker und Zuckersirup aus Zuckerrüben eingesetzt. Es ersetzt eine radiometrische Messeinrichtung.

Jede Sirupcharge muss eine vorgegebene Brix-Zahl erreichen. Der 75 °C heiße und hochviskose Zuckersirup fließt durch eine Edelstahlleitung zu einem Verdampfer, wo er durch Kochen weiter eingedickt wird. Am Auslauf des Zirkulationskreislaufs des Verdampfers befindet sich ein Fluxus-CMS-Sensor. Dieser Clamp-on-Sensor bestimmt neben der Zuckerkonzentration (Brix-Zahl) auch den Durchfluss. Der ermittelte Brix-Wert wird an das Prozessleitsystem übertragen und mit dem vorgegebenen Brix-Wert verglichen. Ist der Zielwert noch nicht erreicht, wird der Zuckersirup in den Dampfabscheider zurückgeleitet. Andernfalls wird er zum nächsten Produktionsschritt gefördert.

Vor der Verarbeitung der nächsten Charge muss die Produktleitung bei 120 °C mit Dampf sterilisiert werden. Diese hohen Temperaturen stellen für die Fluxus-CMS-Sensoren kein Problem dar.

Bevor das Fluxus-CMS-Gerät in Betrieb genommen werden konnte, musste man den proportionalen Zusammenhang zwischen der Konzentration der Zuckerlösung (70 bis 90 %ig) und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmen. Die ermittelte Abhängigkeit lässt sich mit einem Polynom zweiten Grades beschreiben. Nach der Kalibrierung der Messstelle und der Eingabe der Koeffizienten konnte das Messgerät in Betrieb genommen werden. Die Installation des Fluxus-CMS-Geräts erfolgte ohne Prozessunterbrechung.

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