Von der Laboranalyse zum kompakten Feldgerät

Die Prozessanalytik gibt Aufschluss über die stoffliche Zusammensetzung von Medien in verfahrenstechnischen Prozessen und nutzt dafür eine Vielzahl physikalischer und chemischer Prinzipien. Sie bildet die entscheidende Basis für Optimierungen. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Labormesstechnik sukzessive in Richtung Prozessanalysenmesstechnik weiterentwickelt. Das erklärte Ziel für den Transfer: Kompakte Feldgeräte analog zu klassischen Feldgeräten; pH- und Leitfähigkeitsmessungen sind längst etabliert und aus dem Anlagenalltag nicht mehr wegzudenken. Vor technisch anspruchsvolleren spektroskopischen Verfahren liegt noch ein langer Weg bis zum breiten Einsatz direkt im Prozess.

In den vielbeachteten Namur-Roadmaps «Prozesssensoren» kommt der Prozessanalytik eine wichtige Rolle zu. Die aktuelle „Prozess-Sensoren 2027+“ ist eine Weiterentwicklung vorheriger Technologie-Roadmaps. Besonders optischen Verfahren wird darin eine glänzende Zukunft prognostiziert. Der Sinn und Zweck von Prozessanalytik ist die Optimierung von verfahrenstechnischen Prozessen, zum Beispiel eine quantitative Beurteilung des Reaktionsfortschrittes. Anwender wünschen sich zwar einen vermehrten Einsatz, aber dieser muss wirtschaftlich sein und die Kosten für Beschaffung, Inbetriebnahme und Instandhaltung rechtfertigen. Hier finden Sie die Inhalte der neuen Roadmap Prozess-Sensoren kompakt zusammengefasst.

Im Vergleich zu herkömmlichen Feldgeräten für Parameter wie Füllstand, Durchfluss, Druck oder Temperatur, aber auch pH und Leitfähigkeit, schlagen die Kosten für aufwendige Prozessanalytik deutlich höher zu Buche. Die Investitionskosten für optische Spektrometer können sich schnell auf mehrere hunderttausend Euro summieren. Fast die Hälfte davon verschlingen Inbetriebnahme und Instandhaltung. Gelingt es, diese Kosten zu reduzieren, sinkt die Wirtschaftlichkeitsschwelle und den Anforderungen der Namur-Roadmap ist Genüge getan.

Insbesondere optische Verfahren wie Infrarot-, UV/VIS- oder Raman-Spektroskopie sind aufgrund ihres hohen Informationsgehaltes für die Prozessanalytik attraktiv. In den letzten Jahren hat die noch relativ junge Raman-Spektroskopie einen immer größeren Marktanteil erobert. Das hat seinen Grund: Die Spektren liefern gegenüber der Nahinfrarotspektroskopie (NIR) einen deutlich größeren und spezifischeren Informationsgehalt. Eine besondere Herausforderung bei der Auswertung der Spektren stellt die Kalibrierung dar.

Einfache Prozesssensoren werden mit rückführbaren Standards kalibriert. Schwieriger wird es, wenn Messungen anwendungsspezifisch sind und die Konzentration einer bestimmten Substanz in einem Medium von einer Vielzahl von Messgrößen abhängig ist, z.B. von einem Spektrum. Dann ist eine sogenannte multivariate Kalibrierung erforderlich, in der ein Regressions- bzw. Chemometrie-Modell auf der Basis vieler Messungen aufgebaut und regelmäßig verifiziert werden muss. Solche Modelle lassen sich im Idealfall für ähnliche Applikationen vorfertigen und durch wenige Messungen an reale Applikationen anpassen.

Die große Auswahl an Messverfahren macht es im Labor möglich, vielfältige Analyseaufgaben zu bewältigen. Flexibilität und ein hoher Automatisierungsgrad sind Trumpf, um vergleichbare Messaufgaben und Proben in großer Zahl effizient abarbeiten zu können. Labor-Informations- und -Management-Systeme (LIMS) sorgen für eine sichere Verarbeitung und Dokumentation. Im Allgemeinen sind solche Geräte separat aufgestellt, für den Laborbetrieb optimiert und nicht in ein Prozessleitsystem integriert. Ihr großer Nachteil: Proben aus dem Prozess können sich durch die Probenahme, den Transport und die damit verbundenen Wartezeiten verändern. Durch den Zeitversatz von mehreren Stunden oder sogar Tagen ist die Laboranalyse oft nicht mehr aktuell. Zeitnahe korrigierende Eingriffe oder Regelungen im laufenden Prozess bleiben den Betreibern verwehrt.

Kompakte Feldgeräte sind hingegen speziell für den direkten Einsatz im Prozess ausgelegt. In puncto Anforderungen an den IP- und Explosionsschutz sowie die Hygiene lassen sie keine Wünsche offen. Sie sind ins Leitsystem integriert und meistern selbst komplexe Berechnungen. Der angefragte Messwert liegt in Echtzeit vor und lässt sich mit einer für die Dynamik des Prozesses notwendigen Wiederholungsrate neu generieren und für Regelungen nutzen. Ganz nebenbei liefert das Feldgerät auch noch den Status von Messwert und System frei Haus.

Die Messeinheit erlaubt also einen Eingriff in die Prozessführung. Da alle Komponenten im Sensor bzw. im Messumformer integriert sind, sinken Installations- und Instandhaltungsbedarf. Dieser lässt sich durch eine automatische Reinigungs- oder Kalibriereinrichtung weiter verringern. Selbstdiagnoseeinrichtungen vereinfachen die Betriebsführung und geben im Idealfall vorausschauend Auskunft über notwendige Instandhaltungsmaßnahmen. Die Einbindung internetfähiger Geräte in cyberphysische Systeme eröffnet weitere Optimierungspotenziale.

Der erste Schritt in Richtung Feldgerät ist häufig ein sogenanntes «angepasstes Laborgerät». Eine vielleicht etwas kompaktere Ausführung eines Labor-Spektrometers wird über optische Messsonden und längere Lichtleiterstrecken mit dem Prozess verbunden. Die Datenauswertung und Systemintegration übernimmt ein separater Industrie-PC. Die notwendige Klimatisierung inklusive Explosionsschutz lässt sich entweder in einem Klimaschrank oder in einem separaten Analysehaus realisieren. Allerdings belaufen sich die Kosten für Inbetriebnahme und Gesamtinvestition schnell auf einen sechsstelligen Betrag.

Einen Schritt näher am Prozess sind bereits Spektrometer in einer deutlich robusteren mechanischen Ausführung, die mit einer eigenen Explosionsschutzfunktion ausgestattet sind. Hierbei handelt es sich nicht mehr um modifizierte Laborausrüstung, sondern um speziell konzipierte Geräte, die sich durch eine einfachere Inbetriebnahme auszeichnen. Doch auch sie sind noch weit von einer kompakten Feldgeräte-Lösung entfernt, da sie nach wie vor einer Klimatisierung bedürfen.

Ein weiterer wichtiger Meilenstein auf dem Weg in den Prozess ist die Integration eines Industrie-PCs (Embedded Computer) mit direkter Verbindung ins Leitsystem. Durch einen erweiterten Betriebstemperaturbereich ist eine weitergehende Prozesstauglichkeit gegeben. Diese Lösung können Anwender bereits nah am Prozess installieren. Für die Verbindung zum Prozessmedium sind jedoch immer noch optische Messsonden und Lichtleiterstrecken erforderlich. Solche bereits hoch integrierten Systeme bestechen durch eine deutlich beschleunigte Inbetriebnahme und einen einfacheren Betrieb.

Um den entscheidenden Schritt in Richtung kompakter Feldgeräte zu gehen, bedarf es neuer oder anderer Technologien für die Spektrometer-Komponenten. Der Wegfall von Lichtleitern und die Integration der Messsonde in ein Inline-Spektrometer versprechen weitere Vereinfachungen. Viel Sparpotenzial bietet die Nutzung kostengünstiger Standardkomponenten klassischer Feldgeräte wie Feldgehäuse, Embedded Computer, Displays oder kompakte Transmitter. Schöpft man alle Möglichkeiten aus, können Hersteller Prozessspektrometer als kompakte Feldgeräte realisieren, welche deutlich einfacher und vor allem mit niedrigeren Kosten zu betreiben sind.

Bestes Beispiel dafür ist der kompakte Raman-Analysator Rxn5 Process Analyzer für die Gasmessung. Das mechanisch robuste Gerät erfüllt alle Anforderungen des Explosionsschutzes, verfügt über eine Festkörperkühlung sowie einen integrierten Computer. Der autonome Rxn5 ist auf keine externe Infrastruktur mehr angewiesen. Für viele Anwendungen sind Chemometrie-Modelle entweder bereits vorgefertigt oder lassen sich bei Bedarf anwendungsspezifisch erstellen. Mit dieser kompakten und integrierten Lösung können Anwender zum Beispiel die eichpflichtige Messung der Energieströme von Flüssigerdgas (LNG) einfach und wirtschaftlich umsetzen. Der Analysator ist auf dem Weg zum Feldgerät. Seine Spektrometer-Komponente entspricht allerdings noch weitgehend jener eines klassischen Laborspektrometers mit Prozess-Anbindung über Glasfaserkabel, worin seine große und schwere Ausführung begründet liegt.

Endress+Hauser hat Prozess-Spektrometer entwickelt, die die Chancen und Möglichkeiten neuartiger Technologien vollumfänglich nutzen. Sie bestehen lediglich aus einem Gehäuse, einem Prozessanschluss sowie einer integrierten Messsonde. Externe Glasfasern sind überflüssig. Ein Mikroprozessor führt Sensorsteuerung und Datenanalyse vollständig autark aus und gibt die Prozessparameter inklusive Status aus. Die große Rechenleistung rückt eine intelligente Datenauswertung in greifbare Nähe. Das Prozess-Spektrometer selbst ist mit einem Standard-Transmitter verbunden, der eine einfache Anbindung an ein Prozessleit- oder Cloudsystem ermöglicht und umgekehrt den Fernzugriff auf Sensor und Servicedaten erlaubt. Das Prozess-Spektrometer wird zum IIoT-Feldgerät.

Das UV-VIS-Spektrometer Memosens Wave CAS80E bietet zuverlässige Echtzeitmessungen relevanter Analyseparameter wie chemischer und biologischer Sauerstoffbedarf (CSB, BSB), Trübung, Nitrat und spektraler Absorptionskoeffizient (SAK) in einem einzigen Gerät. Es ist für Trink- und Oberflächenwasser sowie Abwasser, industrielles Abwasser und Utilities optimiert und kann durch vorinstallierte Analysemodelle schnell an spezifische Anwendungen angepasst werden.

Das Memosens Wave CKI50 Prozess-Spektrometer detektiert Farbe durch den Einsatz von Spektroskopie im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Es gibt die Farbe in einem dreidimensionalen Farbraummodell in Form von CIE L*a*b*-Werten aus. Somit können Farbe, Farbvariationen oder die Genauigkeit der zu erwartenden Farbe bestimmt werden. Die zur Auswertung der spektroskopischen Ergebnisse benötigten mathematischen Analysemodelle sind im Gerät direkt hinterlegt.

Beide Spektrometer sind wie ein Sensor kompakt und einfach zu installieren. Dank Memosens-Technologie können sie mittels Plug & Play an die Liquiline CM44 Messumformer der neuen Generation angeschlossen und mit allen anderen Memosens-Sensoren kombiniert werden.

Fazit: Ohne Prozessanalytik keine Prozessoptimierung. Anwender wünschen sich schon lange einen breiteren Einsatz in der Praxis, wie die richtungsweisenden NAMUR-Roadmaps «Prozesssensoren» bestätigen. Dies setzt jedoch eine komfortable Inbetriebnahme, einen einfachen Betrieb sowie eine mit wenig Aufwand verbundene Instandhaltung voraus. Damit Prozess-Spektrometer zu echten Feldgeräten werden, ist Know-how aus verschiedensten Bereichen gefragt: Labortechnik, Automatisierung und Prozessmesstechnik. Die große Kunst besteht darin, die Kompetenzen aus allen Disziplinen zu vereinen. Wenn dies gelingt, dann kann ein Spektrometer ein Feldgerät wie jedes andere sein. Erste vielversprechende Entwicklungen sind bereits auf dem Markt.