Einer kommt durch

Ultraschallsensoren - Wird in der Pharmaindustrie der Füllstand einer lichtempfindlichen Flüssigkeit gemessen, ist ein Medienkontakt ausgeschlossen. Auch eine optoelektronische Lösung - wie alle üblichen Messverfahren - scheiden aus. Ein Ultraschallsensor kann alle Vorgaben erfüllen.

02. August 2007

Eine Besonderheit der Pharmaindustrie ist der häufige Einsatz von Rohstoffen, die flüchtige oder empfindliche Bestandteile enthalten, die sich mit Standardverfahren nicht verarbeiten lassen. Ein typisches Beispiel dafür sind Flüssigkeiten, bei denen es unter dem Einfluss von Licht zu ungewollten Reaktionen kommen kann. Vor dieser Aufgabe stand auch ein amerikanischer Pharmahersteller, der eine solche lichtempfindliche Flüssigkeit in einem Glaszylinder verarbeitet.

Wichtig für den reibungslosen Produktionsablauf ist dabei jedoch nicht nur ein Schutz der Flüssigkeit vor Lichteinstrahlung, sondern auch eine ständige Überwachung des Füllstands, da ein Trockenlauf die Anlage beschädigen würde. Die Herausforderung bestand also darin, eine Erfassungsmethode zu nutzen, die die Flüssigkeit nicht zerstört, dabei jedoch den Füllstand im Behälter möglichst genau erfasst.

Konventionelle Methoden versagen

Für Füllstandsmessungen lassen sich verschiedene Erfassungsmethoden nutzen. Die am häufigsten verwendeten Verfahren wie Messsonden, lineare Wegaufnehmer oder fotoelektrische Sensoren sind allerdings in dieser Applikation nicht einsetzbar, da sie entweder direkt mit dem Medium in Kontakt kommen oder für die Messung eine Lichtquelle benötigen.

Da alle gängigen Verfahren ausschieden, startete der Pharmaproduzent einen Versuch mit kapazitiven Sensoren. Diese Sensoren können durch Material mit niedrigen dielektrischen Eigenschaften hindurch Material mit hohen dielektrischen Eigenschaften erkennen und so beispielsweise Wasser in einem Tank detektieren. Kapazitive Sensoren werden in Produktionsprozessen daher häufig eingesetzt, um Füllstände von Flüssigkeiten zu erfassen.

In der hier beschriebenen Anwendung jedoch konnten derartige Sensoren nicht eingesetzt werden, weil die zu messende Flüssigkeit sehr viskos ist und deshalb teilweise an den Behälterwänden anhaftet. In solchen Fällen erkennt der Sensor eine Flüssigkeit, die de facto nicht mehr vorhanden ist.

Gelöst haben die Amerikaner die Aufgabe am Ende mit dem Ultraschallsensor Levelprox von Turck, der einfach an der Behälteraußenseite angebracht wird. Im Unterschied zu klassischen Ultraschallsensoren kann dieser Sensor die Füllstände auch durch eine Behälterwand hindurch erfassen und lässt sich dabei auch von an der Behälterwand anhaftenden Flüssigkeitsresten nicht beirren.

Echo- und Nachhallverfahren

Der Sensor arbeitet mit hochfrequenten Ultraschallimpulsen, die abhängig von der vorhandenen bzw. nicht vorhandenen Flüssigkeit reflektiert und mit zuvor eingeteachten Signalen verglichen werden.

Entsprechend der Viskosität der Flüssigkeit verwendet der Sensor dazu entweder das Nachhall- oder das Echoverfahren. Im Nachhallverfahren werden ausschließlich Reflexionen derjenigen Innenwand ausgewertet, an der der Sensor angebracht ist. Befindet sich hinter der Wand auf dem Level des Sensors keine Flüssigkeit, wird der Schall nahezu vollständig reflektiert und läuft zum Sensor zurück. Dieses Verfahren eignet sich deshalb gut für Flüssigkeiten, die Schwebstoffe oder Gasblasen enthalten, und auch Rührwerke im Behälter stören nicht. Allerdings sollte bei diesem Verfahren die Behälterinnenwand im Leerzustand möglichst frei von Medienresten sein. Ist dies nicht zu vermeiden, kann das Echoverfahren zum Einsatz kommen, bei dem das Echo der gegenüberliegenden Innenwand ausgewertet wird. Dieses Verfahren bietet deshalb Vorteile bei der Erfassung hoch viskoser Flüssigkeiten. Da der Schall die Flüssigkeit zweimal durchqueren muss, sollte sie jedoch möglichst homogen und klar sein. Einbauten sind nur dann zulässig, wenn sie als Reflexionsfläche dienen können.

Der Ultraschallsensor erfasst an seinem jeweiligen Einbauort, ob eine Flüssigkeit vorhanden ist oder nicht. In der beschriebenen Pharmaanwendung musste der Füllstand an drei Messstellen des Glasbehälters gemessen werden, um zwischen den Zuständen voll, halbvoll und leer unterscheiden zu können. Die Sensoren wurden dazu in Bodennähe, in der Mitte und am oberen Ende auf den Glasbehälter montiert. Abhängig von den Sensordaten kann der Bediener jetzt den Füllstand erhöhen oder die Flüssigkeitszufuhr stoppen.

Unerlässlich für eine fehlerfreie Funktion des Levelprox ist jedoch ein guter Kontakt zwischen Sensorkopf und Behälterwand. Daher wird ein Koppelgel aufgebracht, das die einwandfreie Schallübertragung gewährleistet. Am Glasbehälter fixiert werden die Sensoren über eine Feder und Montageklammern auf Edelstahlbändern.

16 Messfrequenzen

Nach dem Einbau müssen die Sensoren zunächst kalibriert werden, weil Nachhall oder Echo stark von der Behälterart, Einbauposition und der zu erfassenden Flüssigkeit abhängen. Um ein möglichst breites Spektrum an Applikationen abdecken zu können, bietet der Levelprox 16 verschiedene Messfrequenzen, mit denen sich für jeden Behälter der optimale Betriebspunkt ermitteln lässt. Dazu stellt man im Lernmodus nacheinander beide Befüllungszustände her und speichert das jeweils entstehende Klangmuster durch den Teach-Vorgang mittels Taster oder Signaleingang am Sensor. Der Sensor vergleicht dann das aktuelle Klangverhalten mit den Daten im Speicher und kann daraus auf den Befüllungszustand des Tanks schließen. Im Betriebsmodus wird dann entsprechend der erlernten Kriterien der Schaltausgang gesetzt oder nicht. In gleicher Weise erkennen die Sensoren auch eine fehlerhafte Ankopplung an der Behälterwand und melden dies über eine rote LED sowie das Durchschalten des Alarmausgangs.

Ideal für Pharmaanwendungen

Ultraschallsensoren wie der Levelprox von Turck wurden speziell für solche Anwendungen entwickelt, in denen eine nicht-invasive Füllstandserfassung erforderlich ist, aber kapazitive Sensoren nicht eingesetzt werden können. Er ist damit die ideale Lösung für Applikationen in der Pharmaindustrie, wo konventionelle Ultraschallsensoren wegen des erforderlichen Medienkontakts nicht eingesetzt werden können.

André Brauers, Turck/bt

Fakten:Eigenschaften von Körperschallsensoren

- Sie erfassen Flüssigkeiten durch Behälterwände hindurch.

- Sie arbeiten ohne Medienkontakt.

- Sie funktionieren bei aggressiven Medien genauso gut wie beim Einsatz an Druckbehältern.

- Sie erlauben unterschiedliche Behältermaterialien wie Stahl, Edelstahl oder Glas.

- Sie erzeugen einen hochfrequenten Ultraschallpuls und vergleichen den aktuellen Echoverlauf mit den eingelernten Kurven im Leer- und Vollzustand des Behälters.

- Sie messen wahlweise den Nachhall oder das Echo.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007