Streulichtsensoren

Messprinzip und Fähigkeiten

  • Streulichtsensoren nutzen die Phasengrenzen in dispers-phasigen Systemen aus, um Informationen über die 2-3 Produkte innerhalb dieser Stoffklasse zu erhalten. Dispers-Phasige Systeme sind in diesem Zusammenhang Emulsionen, Dispersionen, Suspension, Aerosole und auch blasenbehaftete Fluide. Licht (auch Ultraviolett, NIR, MIR) wird in das System eingestrahlt, an der Phasengrenze gestreut und detektiert
  • Häufig werden Streulichtsensoren als faseroptische Systeme ausgebildet. Damit lässt sich der Messort (hohe Drucke, Temperaturen, Abrasion, Korrosion, chemischer Angriff) vom Ort der Elektronik örtlich trennen. Ex-Schutz wird dadurch erleichtert und die empfindliche Elektronik vom Einsatzort ferngehalten.
  • Konkurrierende Systeme können sein: Transmissionsmessung, Ultraschallmessung,
  • Streulichtsensoren können in einem sehr breiten Konzentrationsbereich eingesetzt werden. Bei Partikelkonzentrationen unter ca. 3% können die Phänome über Mie-Streuung berechnet werden. Aber auch bei hohen Konzentrationen lassen sich Zustandsänderungen messen, die durch Prozessveränderungen verursacht sind (z.B. Nasszerkleinerung mit C-fest ca. 20%).
  • Messsysteme bestehen i.d.R aus Strahlquelle (LED, Kurzbogenlampen, Halogenlampen, Laser), Lichtübertragung (Glasfaser), Prozesskopplung (druckfeste Durchführungen, getaktete Reinigung), Produktkopplung (Sensorkopf), Detektion (PIN-Diode, Integratorschaltung, Transimpedanzverstärker, Einzelphotonenzähler), Signalverarbeitung (PC, µC) und Prozesssteuerung (PLS, SPS…).

Messaufgaben / Anwendungsfelder

Im folgenden werden einige Messbeispiele aufgelistet und – je nach Ausbaustufe des Artikels – zunehmend erläutert.

  • Planfilterüberwachung: Filtration, also die Trennung von Fest- und Flüssigphase ist ein häufig eingesetzter verfahrenstechnischer Schritt. Dabei kann das Wertprodukt sowohl die feste, als auch die flüssige Phase sein. Bei Produktdurchschlag oder nicht hinreichender Filterwirkung kommen in der Flüssigphase Partikel oder Tropfen (Flusen, Fasern…) vor, die unerwünscht sind. Beim Einsatz von Streulichtsensoren kann sowohl der Streuwinkel, die Nachweiswellenlänge, die Zeitauflösung und die digitale Signalreinigung variiert werden. z.B. kann es günstig sein bei hell-gelbem Produkt in roter Lösung nur blaues Licht und leicht einbaubare und reinigbare Rückstreusensoren zu verwenden, weil blau in der Lösung absorbiert wird (natürlicher Schutz vor Fremdlicht, welches das Signal verfälscht) und Reflektionen der gegenüberliegenden Wand nicht gesehen werden.
  • Filtration am Eigenprodukt: bei vielen Produkten, z.B. wenn Aktivkohle zu Reinigungszwecken eingesetzt wird, ist die Filtration zu Beginn ungenügend. Erst wenn sich eine filtrationsunterstützende Schicht aufgebaut ist, kommt es zum Klarlauf. Hier muss der Sensor die RestTrübe überwachen. Das Produkt wird im Kreis gefahren. Bei Klarlauf wird das Produkt zum nächsten Prozessschritt weitergeleitet.
  • Kristallisationsüberwachung
  • Fällungsüberwachung
  • Emulgierfortschritt
  • Trübungsmessung
  • Blasenfreiheit, Ausgasungen
  • Aerosole und Verdunstung
  • Nasszerkleinerung
  • Farbumschläge
  • WOW-Emulsionen
  • Lösungsvorgänge
  • Homogenitätsmessungen
  • Einrührvorgänge
  • Reaktionsfortschritt bei heterogenphasigen Reaktionen
  • Stabilitätsmessung von Dispersionen
  • Phasentrennung

Typische Probleme und Lösungen

  • Verunreinigung: getaktete Reinigung (Wasserstrahl), mechanische Reinigung (Bürstentopfreiniger mit Teflonbürste), Übertemperatur (geheizter Sensor), Beschichtung (hydrophob, hydrophil)
  • Wegdriften der Kennlinie: interne Redundanz, regelmäßige Kalibriermessung mit Sekundärstandard, Interne Kontrollen der Lichtleistung, Temperatur, Überwachung eines Kontroll-Reflexes
  • Sensorbeschädigung: Panzerung durch Metall-Rohre
  • Schwingungsbruch bei langen Sensoren (z.B. 3m von oben in Rektor): Stützkonstruktionen
  • Zu kurze Lebensdauer von Lichtquellen: LED, dimmen, getaktete Fahrweise von Glühlampen
  • Kurzzeitstörungen durch Luftblasen, Schlieren etc.: Oversampling, Medianfilter, boxplotfilterung
  • Quereinfluss der Produktfärbung: Ausweichen in Bereiche längerer Wellenlängen (z.B. 830 nm)

Weiterführende Informationen

  • Blaues Buch von Potsdam…. Muss gucken, wie das heißt, …
9. August 2022 PAT Wiki