Streulichtmessung

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 usw. Streulichtsensoren können in einem sehr breiten Konzentrationsbereich eingesetzt werden. Bei Partikelkonzentrationen unter ca. 3% (Vol) können die Phänome über Mie-Streuung berechnet werden. Aber auch bei hohen Konzentrationen lassen sich Zustandsänderungen messen, die durch Prozessveränderungen verursacht sind (z.B. bei der Nasszerkleinerung mit Feststoffkonzentrationen von 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 typische Messbeispiele beschrieben:

Planfilterüberwachung: Filtration, also die Trennung von Fest- und Flüssigphase, ist ein häufig eingesetzter verfahrenstechnischer Schritt. Dabei kann das zu detektierende 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. Blau wird in der Lösung absorbiert und man erreicht einen natürlichen Schutz vor Fremdlicht, welches das Signal verfälscht und Reflektionen der gegenüberliegenden Wand.
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 Rest-Trübe überwachen. Das Produkt wird bei Prozessbeginn im Kreis gefahren. Wenn Klarlauf erreicht ist, wird das Produkt durch Umstellung eines Dreiwegeventils zum nächsten Prozessschritt weitergeleitet.
Kristallisationsüberwachung: Hierbei wird der Prozess der Kristallbildung überwacht, um sicherzustellen, dass die Kristalle die gewünschte Größe und Reinheit erreichen. Sensoren können die Partikelgröße und -verteilung in Echtzeit messen, um den Kristallisationsprozess zu optimieren.
Fällungsüberwachung: Diese Überwachung ist wichtig, um die Bildung von Feststoffen aus einer Lösung zu kontrollieren. Sensoren helfen dabei, die Partikelgröße und -konzentration zu messen, um eine gleichmäßige und kontrollierte Fällung zu gewährleisten.
Emulgierfortschritt: Bei der Emulgierung werden zwei nicht mischbare Flüssigkeiten zu einer stabilen Emulsion durch Scherung konditioniert. Die Überwachung des Emulgierfortschritts stellt sicher, dass die Emulsion die gewünschte Tropfengröße, Stabilität und Homogenität erreicht.
Trübungsmessung: Die Trübungsmessung wird verwendet, um die Klarheit einer Flüssigkeit zu bestimmen. Trübungssensoren messen die Lichtstreuung durch Partikel in der Flüssigkeit und helfen dabei, die Reinheit und Qualität des Produkts zu überwachen.
Blasenfreiheit, Ausgasungen: Diese Überwachung stellt sicher, dass keine unerwünschten Gasblasen in der Flüssigkeit vorhanden sind, die die Produktqualität beeinträchtigen könnten. Sensoren erkennen und messen die Gasblasen, um eine gleichmäßige Produktqualität zu gewährleisten.
Aerosole und Verdunstung: Hierbei wird die Bildung von Aerosolen und die Verdunstung von Flüssigkeiten überwacht. Sensoren messen die Partikelgröße und -konzentration in der Luft, um die Emissionen zu kontrollieren und die Sicherheit zu gewährleisten.
Nasszerkleinerung: Bei der Nasszerkleinerung werden Feststoffe in einer Flüssigkeit zerkleinert. Die Überwachung dieses Prozesses stellt sicher, dass die Partikel die gewünschte Größe und Verteilung erreichen, um die Produktqualität zu optimieren.
Farbumschläge: Diese Überwachung ist wichtig, um Farbveränderungen in einer Lösung zu erkennen, die auf chemische Reaktionen oder Verunreinigungen hinweisen können. Sensoren messen die Farbintensität und -veränderung in Echtzeit.
WOW-Emulsionen: Wasser-in-Öl-in-Wasser (WOW) Emulsionen sind komplexe Systeme, die eine doppelte Emulsion darstellen. Die Überwachung stellt sicher, dass die Emulsion stabil bleibt und die gewünschten Eigenschaften beibehält.
Lösungsvorgänge: Hierbei wird der Prozess des Auflösens von Feststoffen in einer Flüssigkeit überwacht. Sensoren messen die Konzentration der gelösten Stoffe, um sicherzustellen, dass der Lösungsvorgang vollständig und effizient abläuft.
Homogenitätsmessungen: Diese Messungen stellen sicher, dass eine Mischung gleichmäßig und homogen ist. Sensoren überwachen die Verteilung der Bestandteile in der Mischung, um eine gleichmäßige Produktqualität zu gewährleisten.
Einrührvorgänge: Bei Einrührvorgängen werden Feststoffe oder Flüssigkeiten in eine Hauptlösung eingemischt. Die Überwachung stellt sicher, dass die Einmischung gleichmäßig und vollständig erfolgt.
Reaktionsfortschritt bei heterogenphasigen Reaktionen: Diese Überwachung ist wichtig, um den Fortschritt von Reaktionen zu kontrollieren, bei denen verschiedene Phasen beteiligt sind. Sensoren messen die Konzentration der Reaktanten und Produkte, um den Reaktionsverlauf zu optimieren.
Stabilitätsmessung von Dispersionen: Hierbei wird die Stabilität von Dispersionen überwacht, um sicherzustellen, dass die Partikel gleichmäßig verteilt bleiben und sich nicht absetzen. Sensoren messen die Partikelgröße und -verteilung in der Dispersion.
Phasentrennung: Diese Überwachung stellt sicher, dass die Trennung von verschiedenen Phasen, wie Öl und Wasser, effizient und vollständig erfolgt. Sensoren messen die Phasengrenzen und die Reinheit der getrennten Phasen.

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 und Temperatur, Überwachung eines Kontroll-Reflexes
Sensorbeschädigung: Panzerung durch Metall-Rohre
Schwingungsbruch bei langen Sensoren (z.B. 3m von oben in Rektoren eingeführt, kann zu mech. Schwingungen führen): Stützkonstruktionen
Zu kurze Lebensdauer von Lichtquellen: LED, dimmen, kühlen, getaktete Fahrweise
Kurzzeitstörungen durch Luftblasen, Schlieren etc.: Oversampling, Medianfilter, Boxplotfilterung
Quereinfluss der Produktfärbung: Ausweichen in Bereiche längerer Wellenlängen (z.B. 830 nm)

Weiterführende Informationen

John Wiley & Sons; Fundamentals of Optical Fiber Sensors, Lehmanns Media
Springer, Vieweg: Stefan Hesse/Gerhard Schnell, Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation, Funktion – Ausführung – Anwendung

Author

08.12.2023
Prof. Dr. Matthias Rädle, Hochschule Mannheim (Akademia)
Bezug zum AK PAT: Langjährige aktives Mitglied, Teil des Kommunikationssteams und Mitglied im erweiterten Vorstand