Hochleistungskeramik
Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Messrohr aus Zirkonoxid-Sinterkeramik

Universell einsetzbar

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Messrohr aus Zirkonoxid-Sinterkeramik zeichnen sich durch eine herausragende Kombination von Werkstoffeigenschaften wie Oberflächenhärte und -Güte, mechanischer Festigkeit, Korrosions- und Temperaturwechsel-Beständigkeit aus. Der Betreiber profitiert von hoher Genauigkeit und Langzeitstabilität sowie von Vakuumfestigkeit und Diffusionsdichtheit. Aufgrund dieses vielseitig nutzbaren Eigenschaftsprofils verbunden mit hoher Genauigkeit werden die Durchflussmessgeräte in allen Industriesektoren eingesetzt: in der Papierindustrie, Pharmazie, Lebensmittel und Getränkesektor, in der Bergbau und Baustoff-Industrie und in der Chemie.

Die Vielseitigkeit eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes kann kaum höher sein, denn die OPTIFLUX Geräte mit keramischem Messrohr sind sowohl mit Flansch als auch in Sandwichausführung verfügbar. So kann auf Wunsch kostengünstig auf Flansche verzichtet werden, alternativ kann zur Erhöhung der Prozesssicherheit eine Montage mit Flanschverbindungen erfolgen.

Die kapazitiven Elektroden nach LTCC-Technologie (Low Temperature Co-fired Ceramic) sind komplett in das Keramikrohr integriert.
Kapazitiver Signalabgriff

Kapazitiver Signalabgriff

Statt mit herkömmlichen Elektroden, die direkten Kontakt mit der Prozessflüssigkeit haben, ist das keramische Messrohr beim OPTIFLUX 7300 mit einem nicht-medienberührten kapazitiven Signalabgriff ausgestattet. Die als großflächige Kondensatorplatten ausgeführten Elektroden sind hinter der Keramikauskleidung montiert.
Bildet sich eine nicht leitfähige Schicht auf den metallischen Elektroden durch den Messstoff, kann trotzdem ein ungehinderter Signalabgriff stattfinden, z. B. Latex-Emulsion oder Bitumen-Emulsion.
Da die Elektroden keinen Kontakt mit dem Messstoff haben, werden auch unerwünschte katalytische Wirkungen mit metallischen Bauteilen ausgeschlossen. Ebenso wird mögliches Rauschen minimiert.

Beim OPTIFLUX 7300 wird das Rauschen nicht nur durch die Großflächigkeit der kapazitiven Elektroden reduziert, sondern auch durch die Steifigkeit. Alle elektronischen Bauteile werden mithilfe der LTCC-Technologie (Low Temperature Co-fired Ceramic) komplett in das Keramikrohr integriert. Die kapazitiven Elektroden, die Abschirmung und die Vorverstärker sind in drei Schichten von LTCC-Band an das Keramikrohr gesintert.
Dadurch ergibt sich eine sehr steife und feste Konstruktion, die verhindert, dass sich diese Bauteile bewegen.

Die Verwendung von nicht-piezoelektrischen Werkstoffen verhindert piezoelektrisches Rauschen, welches andernfalls beim Einsatz von Isolierungswerkstoffen aus Kunststoff induziert werden kann. Die Vorzüge dieser hochsteifen Bauweise sind eine hohe Rausch- und Vibrationsfestigkeit. Die im Vergleich zu metallisch leitenden Elektroden wesentlich größere Detektionsfläche trägt ebenfalls zur hohen Signalqualität bei.

Elektronenmikroskopische Aufnahme der eingesinterten Cermet-Elektrode: links, nur durch die hellen Punkte (Platin) wird erkennbar,dass es sich um zwei unterschiedliche Stoffe handelt.
Spaltfrei eingesinterte Platin-Elektroden

Spaltfrei eingesinterte Platin-Elektroden

Die Elektrode des OPTIFLUX 5300 wird spaltfrei eingesintert. Eine Leckage an dieser Stelle könnte je nach Messstoff ein Sicherheitsrisiko und unerwünschte Kosten bedeuten, daher wurde mit hohem Entwicklungsaufwand folgende Lösung erarbeitet:

In der Keramik-Rohform werden Elektroden entweder als massiver Stift oder in Form der Cermet-Elektrode eingebracht. Eine Cermet-Elektrode ist ein Verbundteil aus Keramik (Ceramic) und Metall (Metal), in diesem Fall Platin. Beim nachfolgenden Sinterprozess verbindet sich der keramische Anteil der Cermet-Elektrode mit der umgebenden Keramik, während das Platin im Hinblick auf thermische und elektrische Eigenschaften optimal eingebettet wird. Das Ergebnis ist eine homogene keramische Fügezone völlig ohne Spalt zwischen Messrohr und Elektrode. Mittels zerstörender Werkstoffprüfung (Berstversuche) wurde die Homogenität der Fügezone belegt. Zudem werden die zwei unterschiedlichen Werkstoffe so verbunden, dass Temperaturschocks keine Schäden verursachen können.

Helium-Dichtheitsprüfung
Verschleißfest und diffusionsdicht

Verschleißfest und diffusionsdicht

Die Tatsache, dass Keramik keine offene Porosität aufweist und aus einem relativ feinkristallinen Gefüge besteht, führt bei der Bearbeitung zu sehr glatten Oberflächen und beim OPTIFLUX zu Rauhigkeitswerten = Ra 0,8 µm. Außerdem resultiert daraus eine sehr kleine Leckrate von typischerweise weniger als 10 -7 hPa * l/s bei 60 bar Innendruck (Helium).

Neben der Anwendung für Säuren und Laugen in der Chemie werden z.B.
Für den Einsatz auf Abfüllmaschinen in der Getränkeindustrie sind diese Durchfluss-Messgeräte fast ausschließlich mit keramischen Messrohren bestückt. Hier kommt die oben erwähnte besonders niedrige Oberflächenrauigkeit und daher gute Hygienetauglichkeit zum Tragen.

Die außergewöhnlich hohe Härte (nahezu diamanthart) ist eine der Eigenschaften, die für die extreme Verschleißbeständigkeit dieser Keramik verantwortlich ist. Kunststoffbeschichtungen hingegen sind plastisch verformbar, vakuumempfindlich und weit weniger beständig gegen Verschleiß.

Die Ursache für Ausfälle von Kunststoff ausgekleideten magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten liegt nicht selten in mechanischem Verschleiß oder Eindringen von Chemikalien oder ätzenden Bestandteilen.
Bei der anschließenden Ursachenforschung zeigt sich der große Vorteil der Keramikmessrohre: eine hervorragende Dauerstabilität und Betriebssicherheit, wodurch die Produktion ohne Stopps und ohne eventuelle Umfeld-Kontamination weiterlaufen kann. Vielfach werden mehrere Eigenschaften dieser Hochleistungskeramik gleichzeitig gefordert, z.B. bei der Messung von Salpetersäure oder Salzsäure. Die für MIDs typischen PFA-oder PTFE-Beschichtungen reichen hier nicht aus, da sie nicht hinreichend diffusionsdicht sind. Daher sind für derartige Anwendungen seit Jahrzehnten MIDs mit Messrohren oder Messrohrauskleidungen aus keramischen Werkstoffen verfügbar. KROHNE Messtechnik war und ist nach wie vor Pionier auf diesem Gebiet und stellte bereits 1982 das erste Keramik-Gerät vor. In enger Zusammenarbeit mit der Mannheimer FRIATEC AG werden die keramischen Messrohre für die verschiedenen Anwendungsfelder kontinuierlich weiter perfektioniert.

Langzeitdrift MID DN 15
Höchste Messgenauigkeit auf Dauer

Höchste Messgenauigkeit auf Dauer

Entscheidend für die hinreichende Reproduzierbarkeit des elektrischen Signals eines MID ist neben den Eigenschaften der elektrischen und mechanischen Komponenten vor allem die Formstabilität des Messrohrs unter Temperatur- und Druckbelastung, da diese den gegenseitigen Abstand der Elektroden und damit die Präzision der Messung wesentlich beeinflusst. Die Auswahl der Werkstoffe für das Messrohr und die Elektroden sowie die geeignete Technik zu deren Verbindung sind daher für die dauerhafte Zuverlässigkeit der MID von zentraler Bedeutung.

Die hohe Langzeitstabilität der Keramik-Geräte wurde gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB wissenschaftlich untersucht. Im Härtetest zeigte sich, dass die Keramik-Geräte nach den Testreihen im Durchschnitt nur 0,05 % Abweichung gegenüber dem Neuzustand aufwiesen. Die Abweichung von PFA war um den Faktor acht höher. Der Testaufbau beinhaltete unter anderem den Wechsel der Medientemperatur von 81°C auf 18°C alle 5 Minuten Diese Simulation wurde über 600 Zyklen in Folge durchgeführt. Mit denselben Prüflingen wurden nachfolgend 60 Zyklen zur Simulation einer Heißdampfsterilisation (SIP) durchgeführt und zwar jeweils im Wechsel zwischen Wasser mit Raumtemperatur und Heißdampf von 134°C für 30 Minuten.

Auch hier wird die Langzeitstabilität (d.h. die Genauigkeit über viele Messzyklen) des Messrohres durch die außerordentliche Formstabilität der Keramik erreicht. Die hohe geometrische Stabilität ist auch ein wesentlicher Grund für die weite Verbreitung des OPTIFLUX 5300 als Referenzgerät / MasterMeter in Durchflussmessanlagen bei Staatsinstituten, Eichämtern, staatlichen anerkannten Prüfstellen und Benannten Stellen. Eine weitere Applikation ist die hochgenaue Dosierung konzentrierter Medien wie Fällungsmittel, Säuren oder Katalysatoren.

Die erwähnte Sterilisation mit Heißdampf (SIP) in der Lebensmittelindustrie übertrifft mit Temperaturdifferenzen von über 100 K die in Prozessen der chemischen Industrie üblichen Temperaturänderungen. Durch das geschickte Anpassen der thermischen Ausdehnungseigenschaften von Messrohr und Cermet-Elektrode hält der Verbund der Werkstoffe dieser Belastung problemlos  und dauerhaft stand.

Prozess-Sicherheit, Brandsicherheit

Prozess-Sicherheit, Brandsicherheit

Die Performance von Produktionsanlagen in der chemischen Industrie hängt nicht nur von der Anlagengröße ab, sondern auch von Faktoren wie Qualität, Verfügbarkeit, Sicherheit und Ausbeute. Die Sicherheit eines Verfahrens und der zugehörigen technischen Anlagen wird unter anderem durch die Verfahrensführung und die Wahl der Werkstoffe beeinflusst.
Ein Grundprinzip ist die Gestaltung inhärenter Sicherheit durch die Wahl der am besten geeigneten Konstruktion, z.B. durch Druckfestigkeit oder Korrosionsfestigkeit auch im Fehlerfall. Die Anwendung der Prinzipien inhärenter Sicherheit sollte schon zu Beginn einer Produkt- und Verfahrensentwicklung noch vor Mitteln der Verfahrenstechnik und vor PLT-Schutzeinrichtungen erfolgen. Geräte mit Reserven in der Anwendung ersparen Produktionsstopps oder Produktaustritt noch ehe sie an die technischen Grenzen stoßen. So sind die OPTIFLUX Geräte mit keramischem Messrohr neben der Sandwich-Montage auch als Flanschgeräte lieferbar. Durch die kürzeren Schrauben der Flanschversion ist so auch im Brandfall von außen eine hohe Sicherheit gegen Produktaustritt gegeben.

Nicht selten werden heute Anlagen zu Beginn ihres Lebenszyklus mit Teillast betrieben, um zum gegebenen Zeitpunkt unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten auf Volllast umgestellt zu werden. Die Temperaturniveaus und auch die Zusammensetzung der Medien (z.B. die Konzentration von Säuren und Laugen) können sich dabei stark verändern. Daraus ergeben sich breite Anforderungsfelder – auch im Hinblick auf die installierte Messtechnik. Im diesem Falle sind OPTIFLUX Geräte mit keramischem Messrohr eine intelligente Lösung, da sie große Performance-Reserven bieten. Ähnlich verhält es sich bei manchen Vielstoff-Anlagen, deren Werkstoff-Anforderungsprofil auf die höchsten Ansprüche ausgelegt werden muss.
Gelegentliche Betriebszustände mit Vakuum oder Unterdruck sind im Gegensatz zu Geräten mit Kunststoffauskleidung völlig unproblematisch. Die Messgenauigkeit wird nicht beeinträchtigt und ein Ablösen der Auskleidung durch Blasenbildung ist unmöglich. Die Chemieindustrie ist neben der Papierindustrie und der Bergbau- und Baustoffindustrie auf modernste Technologien angewiesen, die extrem robust und langlebig sein müssen. In speziellen Prüflaboratorien (beispielsweise bei NAMUR-Mitgliedsfirmen) und im praktischen Feldeinsatz werden die Geräte von den Anwendern zusätzlich auf ihre Applikationseignung getestet.