MID-Geräte mit Keramikmesszelle trotzen extremen Prozessbedingungen

Magnetisch-induktive Durchflussmesser (MID) werden in der Prozessindustrie seit mehr als drei Jahrzehnten als betriebssichere und zuverlässige Messgeräte geschätzt. Doch auch MID können an ihre Grenzen stoßen. Korrosive, aggressive aber auch hoch abrasive Medien und hohe Betriebsdrücke und Temperaturen machen selbst hochwertigen Werkstoffen das Leben schwer und führen zu Verschleiß oder Formveränderungen. Hinzu kommt, dass neue Prozesse höhere Anforderungen an die Messtechnik stellen. So wurden beispielsweise in den vergangenen Jahren die Abfüllprozesse in der Lebensmittel-, der pharmazeutischen und Kosmetikindustrie von chemischen Reinigungsverfahren häufig auf Dampfsterilisationen umgestellt.

Einige der bisher verwendeten Werkstoffe in den Durchfluss-Sensoren besitzen nicht die dafür notwendige Formstabilität was zu erhöhten Ungenauigkeiten und letzlich Wartungskosten führte. In solchen Anwendungen sind Werkstoffe gefragt, die sich selbst von anspruchsvollen Prozessbedingungen unbeeindruckt zeigen und so zu einer zuverlässigen und präzisen Messung beitragen.

Werkstoffe bestimmen Robustheit und Genauigkeit

Dabei ist die richtige Werkstoffauswahl nicht nur für die generelle Robustheit des Messgerätes bedeutend, sondern sie bestimmt auch die Messgenauigkeit des MID. Entscheidend für die hinreichende Reproduzierbarkeit des elektrischen Signals eines MID ist neben den Eigenschaften der elektrischen und mechanischen Komponenten vor allem die Formstabilität der rohrförmigen Messzelle unter Temperatur- und Druckbelastung. Da die Geschwindigkeit des Mediums gemessen und mit dem Rohrquerschnitt multipliziert den Durchfluss ergibt, bedeutet eine Querschnittsveränderung sofort eine proportionale Erhöhung des Messfehlers. Die Auswahl der Werkstoffe für das Messrohr und die Elektroden sowie die geeignete Technik zur Verbindung der Elektroden mit dem Messrohr sind außerdem für die dauerhafte Zuverlässigkeit der MID von zentraler Bedeutung.

Die für ein Präzisions-MID geeigneten Werkstoffe müssen unter anderem über folgende Eigenschaften verfügen: Der Werkstoff darf nicht magnetisierbar sein. Die Formrate muss unter 0,1% liegen bei maximaler Belastung durch Temperatur und Druck. Auch die Leckrate für Helium sollte weniger als 10–7 mbar·l/s bei Druckbelastung mit 60 bar auf der Innenseite der Messzelle betragen. Als weitere Eigenschaften sind die Dampfsterilisierbarkeit, die Korrosionsbeständigkeit in Säuren und Laugen, die Zulassung für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie sowie der marktgerechte Preis zu nennen.

Oxidkeramik und Platin sorgen für hohe Beständigkeit

Keramische Werkstoffe bieten das weitest reichende Potenzial zur Erfüllung dieses komplexen Profils, wobei sich hier die Oxidkeramik besonders hervor getan hat. Da ein MID möglichst universell einsetzbar sein sollte, muss für die Elektroden ein Edelmetall verwendet werden. Hier hat sich Platin als geeigneter Werkstoff herauskristallisiert, da dieses Metall einem breiten Spektrum von Chemikalien standhält und sich wegen seiner thermischen und mechanischen Eigenschaften für die Herstellung hochvakuumdichter Verbindungen mit Oxidkeramik eignet.

Um eine optimale Werkstoffzusammensetzung zu erhalten, arbeitet Krohne Messtechnik seit über 20 Jahren mit dem Keramikspezialisten Friatec zusammen. In dieser Zeit wurden sowohl die Werkstoffe als auch die Konstruktion der Messzelle für die MID fortlaufend optimiert. Ein entscheidender Schritt war der Wechsel von Aluminiumoxid (Al2O3) zu Zirkoniumoxid (ZrO2), da diese Werkstoffe im Wesentlichen wegen ihrer hohen Festigkeit in Verbindung mit einem vergleichsweise niedrigen Elastizitäts-Modul eine wesentlich erhöhte Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Ein besonderes Augenmerk ist bei der Messzelle auf die Verbindung zwischen Keramik und Elektrode zu richten. Die Werkstoffe besitzen unterschiedliche Eigenschaften, die so miteinander verknüpft werden müssen, dass das Gerät selbst unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen auf Dauer leckagesicher ist. Daher wurde eine Elektrode entwickelt, die mit der Keramikmesszelle einen festen Verbund eingeht. Die Cermet-Elektrode wird aus einer Mischung aus pulverförmiger Keramik und Platinpulver hergestellt und nach dem Vorsintern – ein Vorgang der dazu dient, einen definierten Schwund einzustellen – in die Keramik eingesintert. Die Cermet-Elektrode wird mit einem Platinpulver erzeugt, das im Verarbeitungszustand eine gezielt eingestellte Morphologie besitzt.
Eine entscheidende Größe für die Praxistauglichkeit der MID ist ihre thermomechanische Belastbarkeit, wie sie beispielsweise bei Reinigungs- und Sterilisierprozessen vor einem Produktwechsel gefordert ist. Da spezielle Einsatzbedingungen der MID eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) fordern können, wurde ein neues Verfahren entwickelt, bei dem die Cermet-Elektrode bereits bei der Formgebung in der Keramik integriert wird, wodurch eine homogene Fügezone zwischen Keramik und Elektrode entsteht.
Makroskopisch äußert sich diese Verbundqualität sowohl in einer deutlichen Steigerung der TWB und in ungewöhnlich hohen Kräften, die zum Bersten der Messzellen erforderlich sind, als auch in extrem niedrigen Leckraten bei Belastung der Messzellen mit 60 bar Innendruck durch Helium. Mit der Umstellung des keramischen Werkstoffs wurden auch die Berstwerte bei Belastung mit Innendruck erheblich gesteigert. So gelang es selbst mit 1000 bar nicht, eine Messzelle in den Nennweiten DN 2,5 bis DN 15 zu zerstören.

Einsatz unter härtesten Bedingungen

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Keramikmesszelle der Reihe Optiflux 5000 werden vor allem dort eingesetzt, wo es um hochgenaue Messungen von chemisch aggressiven oder auch abrasiven Medien geht. Diese Geräteserie wurde nun mit Flanschanschlüssen erweitert, so dass eine größere Bandbreite an Applikationen möglich ist. Typische Beispiele sind das Handling von aggressiven Säuren und Laugen der chemischen Industrie. Die Messzelle wird in den Nennweiten von DN 2,5 bis DN 100 hergestellt; in der Flanschgeräteversion ist sie in den Nennweiten DN 15 bis DN 100 lieferbar. Die Flansche schützen die Keramikauskleidung vor allem bei der Installation des MID vor Beschädigungen. Die Flanschversion erhöht außerdem die Sicherheit vor einem eventuellen Austritt von Medium im Brandfall.

Gleichzeitig wurde die Zahl medienberührter Teile verringert. Außer der Keramik kommen nur noch die Dichtungen und die Elektroden mit dem Medium in Berührung. Der Durchflussmesser lässt sich mit dem Messumformer IFC 300 und dem neu entwickelten IFC 100 kombinieren. Dadurch verfügt er neben seiner Beständigkeit auch über innovative Diagnosefähigkeiten.

Fazit: Mittlerweile haben sich MID mit keramischer Messzelle besonders in den Branchen Chemie, Pharmazie, Lebensmittel und in der Baggerschiffahrt sowie in Minen als zuverlässige Lösung bewährt. Und auch für die Zukunft haben die Entwickler den Werkstoff Keramik weiter im Blick und wollen die Einsatzmöglichkeiten weiter ausdehnen bzw. optimieren. Doch schon heute liefern die äußerst robusten magnetisch-induktiven Durchflussmesser selbst unter härtesten Einsatzbedingungen zuverlässige präzise und stabile Messwerte.