Online-Feuchtemessung in Schüttgütern

MikroWelle trifft Feuchte

04.10.2007

Anzeige

Die Herstellung der meisten industriellen Pulver und Schüttgüter ist ein sensibler Prozess. Selbst wenn sich die stofflichen Parameter nur geringfügig ändern, kann das bereits zu erheblichen Qualitätseinbußen führen. Eine der wichtigen Stoffgrößen ist die Materialfeuchte. Wenn diese im Herstellungsprozess schwankt, ist die gewünschte Produktqualität gefährdet. Um die Qualität zu sichern, ist es deshalb wichtig, die Feuchte möglichst kontinuierlich zu überwachen. Modulare Mikrowellensysteme sind dafür eine gute Lösung: Mit ihnen können Änderungen der Feuchte während der Schüttgutherstellung und -verarbeitung online und kontinuierlich überwacht werden. Eigens für Prozessanwendungen wurden deshalb komplette Mikrowellen-Messsysteme entwickelt. Zum einen wollte man Feuchtesensoren mit unterschiedlichen Eindringtiefen für verschiedene Messanordnungen konzipieren. Zum anderen sollte die neue Messtechnik die bis dahin üblichen, aufwändigen Offline-Feuchtemessungen ersetzen. So entstand ein Baukastensystem verschiedener Feuchtesonden, das für jede Applikation den entsprechenden, passenden Sensortyp enthält.

Berührungslose Feuchtemessungmit Mikrowellen

Die Materialfeuchte wird mit elektronischen Wirkprinzipien indirekt gemessen. Dies bedeutet, dass das (elektrische) Messsignal für jedes Material und jede Messanordnung neu kalibriert werden muss. Von den elektronisch umsetzbaren Wirkprinzipien eignen sich Mikrowellen am besten für die Feuchtemessung in Schüttgütern und Pulvern. Die Methode ist schnell, liefert genaue Messergebnisse und kann auch an bewegten Messgütern eingesetzt werden, unabhängig davon, ob große oder kleine Volumina gemessen werden sollen. Mit den elektromagnetischen Mikrowellen kann die Feuchte gemessen werden, ohne das Messgut zu beschädigen. Da nur eine schwache Sendeenergie benutzt wird, erwärmt und verändert sich das Material nicht. In manchen Fällen muss das Messgut nicht einmal berührt werden. Während bei Leitfähigkeits- und Kapazitätsmessungen Ankopplungsprobleme, Materialverklebung oder Leitfähigkeitseigenschaften der Materialien unter Umständen störend wirken, können diese bei der Mikrowellen-Feuchtemessung vernachlässigt werden. Darüber hinaus lässt sich mit den Mikrowellen auch die Kernfeuchte bestimmen. Gerade mit diesem Alleinstellungsmerkmal grenzt sich die Mikrowellen-Messtechnik von optischen Feuchtemessverfahren ab, die gegenüber Verschmutzungen empfindlich sind.

Für jedes Messproblemgibt es den passenden Sensor

Die Sensoren lassen sich einfach installieren. Ein korrosionsfestes dielektrisches Fenster schützt den jeweils eingesetzten Messkopf vor Materialeinwirkungen, sodass er nahezu wartungsfrei ist. Die Messraten können nach Anwendung und Kundenwunsch variiert werden. Damit lassen sich schnelle dynamische Prozesse bis in den Millisekundenbereich hinein erfassen. Je nach Material und Anwendung liefert die Mikrowellen-Messmethode hochgenaue Ergebnisse bis zu 0,1% mit einer erreichbaren Reproduzierbarkeit von 0,1%.

Geräte zur Materialfeuchtemessung waren bislang auf eine oder wenige Anwendungen zugeschnitten, abhängig von der Materialkalibrierung. Das System MoistxP mit seiner Baukastenstruktur kann dagegen je nach Anwendung spezifisch zusammengesetzt werden. Grundlage des Mikrowellenmesssystems sind zwei Feuchtesensoren mit unterschiedlichen Eindringtiefen. Der erste Feuchtesensortyp ist der Moist PP, der zu den reflektiven Messmethoden gehört. Bei diesem wird über eine Antenne eine elektromagnetische Welle ins Material eingestrahlt. Gemessen wird sowohl die ins Material hineinlaufende als auch die vom Material reflektierte Welle. Der gemessene Reflexionsfaktor ist ein Maß für die dielektrischen Eigenschaften des Messgutes, die wiederum von der Materialfeuchte stark beeinflusst werden. Die Antennen des Gerätes sind so angeordnet, dass die Mikrowellen bis zu 30cm tief in das Material eindringen können. Deshalb ist dieser Sensortyp speziell dafür geeignet, die Feuchte im Volumen des Messgutes zu ermitteln.
Der zweite Feuchtesensortyp ist der Moist RP. Diese Sonde arbeitet ebenfalls reflektiv, doch ist sie mit einem offenen Resonator statt einer Antenne ausgestattet. Resonante Messverfahren nutzen die Änderung von Resonanzparametern eines schwingungsfähigen Gebildes, in diesem Falle von Mikrowellen-Resonatoren. Messverfahren, die nach diesem Prinzip arbeiten, lassen sich insbesondere dort gut einsetzen, wo es besonders auf die Auflösung und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse ankommt. Der Oberflächenmesskopf Moist RP dringt maximal 6cm tief in das Messgut ein und ermittelt deshalb nur die Feuchte in oberflächennahen Schichten. Beide Sensoren werden üblicherweise mit Hilfe eines Flanschs montiert, wobei die Messköpfe durch ein hochfrequenzoptimiertes Kunststofffenster (PEEK/PEI) stets gut geschützt bleiben.
Der dritte Prozesssensortyp MoistT steht für ein weiteres mikrowellentechnisches Wirkprinzip, das sogenannte Durchstrahlungs- oder Transmissionsprinzip. Abhängig von dem Feuchtegehalt wird die Strahlung im Verlauf einer Messstrecke unterschiedlich gedämpft. Bei der Transmissionsmessung wird diese Dämpfung ausgewertet und dann in die eigentliche Messung der dielektrischen Verluste mit einbezogen. Die dielektrischen Verluste kommen durch die feste Bindung der Wassermoleküle aneinander zu Stande und entsprechen einer „inneren Reibung“. Diese ist prinzipiell immer vorhanden und führt beim Eintrag hoher Leistungen zur Erwärmung – ein Effekt, den jeder Mensch von der Küchenmikrowelle kennt. Je höher die Dämpfung im Mikrowellenfeld ist, desto höher ist auch die reale Feuchte. Bei dieser Art der Feuchtemessung braucht das Material grundsätzlich nicht berührt werden.
Das Transmissions-Feuchtemesssystem besteht aus einem Mikrowellensender und -empfänger, die beispielsweise oberhalb und unterhalb von Förderstrecken installiert werden. Darüber hinaus enthält das System eine Steuerungseinheit. Bei Bedarf kann auch noch ein Sensor eingesetzt werden, der bei wechselnden Materialhöhen die Unterschiede im Abstand kompensiert. Je nach Anwendung lassen sich Materialschichten bis zu 500mm durchstrahlen. Eine Kunststoffabdeckung schützt das Innenleben des Sensors vor eventuellen Störungen, wie zum Beispiel Materialspritzern.

Genauer als die Feuchtewaage

Alle vorgestellten Feuchtesonden sind intelligente Messköpfe mit integriertem Mikrocontroller. Sie können für einfache Anwendungen im Stand-alone-Betrieb genutzt werden. Ist die Feuchtemessung aufwändiger, hilft das Steuergerät Moist Control 100. Die kompakten und robusten Sonden können für alle Arten von Feuchtemessungen in Feststoffen und Schüttgütern verwendet werden. Mit den verschiedenen Applikatoren lässt sich die Feuchte in Volumina zwischen 5cm³ und 50l bestimmen. Im einem standardmäßig zulässigen Temperaturbereich von 0 bis 70°C messen die Sonden materialabhängig die Feuchte in einem Bereich von 0 bis 80%. Die Korrelation zwischen Sensorsignal und Materialfeuchte ist in manchen Fällen so gut, dass selbst die Reproduzierbarkeit der Referenzmessungen per Feuchtewaage übertroffen werden.

Durch das Baukastensystem ist das Feuchtemesssystem für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete geeignet. Es misst die Feuchte beispielsweise in Pasten, Breien, Schlämmen, Pulvern, granulierten Schüttgütern, pharmazeutischen Grundstoffen, Keramik und Farbpigmenten. Typische Anwendungsbeispiele in der Lebensmittelindustrie sind Prozess-Feuchtemessungen beim Trocknen von Hopfen und Kräutern sowie in Zucker, Malz und Getreide.

Fazit: Die Feuchtebestimmung ist in vielen Produktionsprozessen unverzichtbar, um die gewünschte Produktqualität sicherzustellen, beispielsweise bei der Herstellung von hygroskopischen Produkten, wie etwa Farbpigmenten. Mit dem Prozessfeuchte-Messsystem Moist xP lässt sich im Vergleich zu aufwändigen Labormessungen Zeit und Personal einsparen. Obendrein hinken Laborfeuchtemessungen dem eigentlichen Prozess zeitlich hinterher, sodass bei Änderungen der Feuchte erst verzögert reagiert werden kann. Mit seinen genauen, reproduzierbaren Echtzeit-Feuchtewerten hilft das Messsystem, den Produktionsprozess zielgerecht zu steuern. So werden Produktionsprozesse sicherer, und die Gesamtwirtschaftlichkeit steigt.

Bei der reflektiven Messmethode wird gemessen, wie viel der abgegebenen Strahlung vom Material reflektiert wird
Mikrowellen-Messsysteme eignen sich für bewegte Messgüter und sind deshalb gut für die Feuchtemessung im Prozess geeignet

Heftausgabe: Oktober 2007

Über den Autor

Sebastian Vogelei, PR + Marketing,hf sensor
Loader-Icon