ISBN: 3-540-63225-5
TITLE: Moderne Prozemetechnik
AUTHOR: Gundelach, Volkmar; Litz, Lothar
TOC:

1 Einfhrung (V. Gundelach, L. Litz) 1 
1.1 Prozemetechnik als Baustein der Prozeautomatisierung 1 
1.2 Anwenderanforderungen an die moderne Prozemetechnik 5 
1.3 Begriffsdefinitionen im metechnischen Umfeld 8 
2 Messen von Zustands- und Quantittsgren 11 
2.1 Temperaturmessung (H. Rathert) 11 
2.1.1 berblick 11 
2.1.2 Physikalische Meprinzipien 12 
2.1.2.1 Widerstandsthermometer 13 
2.1.2.2 Thermoelemente 15 
2.1.2.3 Strahlungsthermometer 16 
2.1.3 Aufgaben, Mebedingungen, Merkmale der Megren 17 
2.1.4 Einbau von Thermometern 20 
2.1.4.1 Thermometermeeinstze 20 
2.1.4.2 Thermometerschutzrohre 21 
2.1.4.3 Temperaturmessung im Rhrkesselreaktor 23 
2.1.5 Gertetechnik der Mewertverarbeitung 24 
2.1.5.1 Zweileiter-Kopftransmitter fr Widerstandsthermometer 26 
2.1.5.2 Zweileiter-Kopftransmitter fr Thermoelemente 28 
2.1.6 Beispiel Destillationskolonne 29 
Literatur 31 
2.2 Druck- und Differenzdruckmessung (H. Gehlert) 31 
2.2.1 Grundlagen 31 
2.2.1.1 Einsatzbereiche 31 
2.2.1.2 Grundbegriffe 32 
2.2.2 Megerte 34 
2.2.2.1 Sensortechnologien 34 
2.2.2.2 Megertevarianten fr Systemdruck 36 
2.2.2.3 Megerte fr Differenzdruck 41 
Literatur 46 
2.3 Durchflumessung (D. Fehler) 46 
2.3.1 Einfhrung 46 
2.3.1.1 Bezeichnungen, Einheiten 47 
2.3.1.2 Allgemeine strmungsmechanische Grundlagen, 
Definitionen 47 
2.3.1.3 Gliederung der Meverfahren anhand physikalischer 
Meeffekte 52 
2.3.2 Meverfahren mit Ausnutzung strmungsmechanischer Effekte 52 
2.3.2.1 Wirkdruckverfahren 1: Blenden und Dsen 53 
2.3.2.2 Wirkdruckverfahren 2: Staudrucksonden 55 
2.3.2.3 Wirkdruckverfahren 3: Schwebekrper 58 
2.3.2.4 Turbinenzhler 60 
2.3.2.5 Wirbelzhler 62 
2.3.2.6 Dralldurchflumesser 65 
2.3.3 Volumenzhler 66 
2.3.3.1 Auslaufzhler 66 
2.3.3.2 Verdrngerzhler 67 
2.3.4 Magnetisch induktive Durchflumesser (MID) 69 
2.3.5 Akustische Meverfahren (Ultraschall-Durchflumessung) 72 
2.3.5.1 Laufzeitverfahren 72 
2.3.5.2 Doppler-Verfahren 75 
2.3.6 Thermische Meverfahren 77 
2.3.6.1 Vernderung der Temperaturverteilung 77 
2.3.6.2 Tracer-Verfahren: Laufzeitmessung 78 
2.3.6.3 Hitzdraht-Anemometer: Heifilmdurchflumesysteme 79 
2.3.7 Coriolis-Durchflumesser 80 
2.3.7.1 Coriolis-Durchflumessung fr Schttgter 
(rotierende Bezugssysteme) 82 
2.3.7.2 Coriolis-Durchflumessung fr Flssigkeiten und Gase 
(schwingende Bezugssysteme) 83 
2.3.8 Laser-Doppler-Anemometer/Laser-Interferenz-Anemometer 85 
2.3.9 Korrelationsdurchflumessung 87 
2.3.10 Schlubemerkung 90 
Literatur 90 
2.4 Fllstandmessung (G. Ktzle,V. Gundelach) 91 
2.4.1 Einleitung 91 
2.4.2 Gerteausfhrungen 91 
2.4.2.1 Elektromechanisches Lotsystem 93 
2.4.2.2 Beeinflussung von Rotation oder Vibration, 
Resonanzdmpfung 94 
2.4.2.3 Schwimmer und Auftriebskrper 96 
2.4.2.4 Hydrostatische Memethoden 97 
2.4.2.5 Kapazitive Fllstandmessung 99 
2.4.2.6 Konduktive Fllstandmessung 100 
2.4.2.7 Messung mit Ultraschall 100 
2.4.2.8 Radiometrische Fllstandmessung 102 
2.4.2.9 Messung mit Mikrowellen (Radar, gefhrte HF-Impulse) 103 
Literatur 106 
2.5 Wgetechnik (K. Horn) 107 
2.5.1 Grundlagen und Begriffe 107 
2.5.1.1 Menge und Masse 107 
2.5.1.2 Trge Masse und Trgheitswaagen 107 
2.5.1.3 Schwere Massen und Schwerkraftwaagen 108 
2.5.1.4 Massestrom und Durchsatz 110 
2.5.2 Waagengattungen 111 
2.5.2.1 Mechanische Hebelwaagen 111 
2.5.2.2 Elektromechanische Waagen 111 
2.5.3 Wichtige Wgezellen-Prinzipien 114 
2.5.3.1 Elektrodynamische Wgezellen 114 
2.5.3.2 Dehnungsmestreifenwgezellen 115 
2.5.4 Elektrische Auswerteeinrichtungen in Ausschlagverfahren 121 
2.5.4.1 Analoge Mesignalbildung 123 
2.5.4.2 Analog-Digital-Umsetzung 124 
2.5.4.3 Sicherheitsbetrachtungen zu den Ausschlagverfahren 124 
2.5.5 Auswerteeinrichtungen im Kompensationsverfahren 125 
2.5.6 Intelligente Wgezellen 126 
2.5.7 Durchsatzmessung fester Wgegter 126 
2.5.7.1 Prallplatten-Durchsatzmeeinrichtungen 127 
2.5.7.2 Meschurren-Durchsatzmeeinrichtungen 127 
2.5.7.3 Frderbandwaagen 129 
2.5.7.4 Dosierbandwaagen 132 
2.5.7.5 Impulsfrderbandwaagen 133 
2.5.8 Strukturen von Wgeanlagen 134 
2.5.8.1 Nettowaagen 135 
2.5.8.2 Abfllwaagen 135 
2.5.8.3 Mehrkomponenten-Gattier-Wgeanlagen 135 
2.5.8.4 Mehrkomponenten-Dosieranlgen 137 
2.5.9 Prozesteuerung von Wgeanlagen 138 
2.5.10 Verwendete Symbole und Abkrzungen 138 
Literatur 139 
3 Prozeanalysenmetechnik 141 
3.1 Probetechnik (G. Oesterle) 141 
3.1.1 Einleitung 141 
3.1.2 Wahl des Entnahme- bzw. Einbauortes 144 
3.1.3 Entnahmeeinrichtungen 145 
3.1.4 Probenaufbereitung 147 
3.1.4.1 Allgemeines 147 
3.1.4.2 Entfernen von Festkrpern 149 
3.1.4.3 Entfernen kondensierbarer Bestandteile, Trocknen 153 
3.1.4.4 Entfernen von Querempfindlichkeits- 
und Strkomponenten 154 
3.1.4.5 Druckminderung und Druckerhhung 157 
3.1.4.6 Probentransport und Probenleitung 158 
3.1.4.7 Abstrombehandlung 160 
3.1.5 Rckblick 161 
Literatur 162 
3.2 Messung der Dichte in Flssigkeiten und Gasen (A. Rother) 163 
3.2.1 Allgemeine Grundlagen, Begriffe, Einheiten und Bedeutung 163 
3.2.2 Meprinzipien der Dichtemegerte und ihre technischen 
Spezifikationen 164 
3.2.2.1 Allgemeine Gerteeigenschaften 164 
3.2.2.2 Schwingungsmethode fr Flssigkeiten und Gase 166 
3.2.2.3 Radiometrische Dichtemessung 172 
3.2.2.4 Auftriebsmethode fr Gase 174 
3.2.2.5 Dichtemessung mit Coriolis-Durchflumessern 175 
3.2.2.6 Gasdichtebestimmung mit Prozegaschromatographen 176 
3.2.3 Fragen aus der Anwendungspraxis 177 
3.2.3.1 Aufgabengebiete 177 
3.2.3.2 Aufgabenstellungen 179 
3.2.3.3 Planungsaspekte 179 
3.2.3.4 Ausgefhrte Dichtemesysteme 181 
3.2.4 Tabellen: Dichtemegerte fr Gase und Flssigkeiten 184 
3.3 Wrmeleitfhigkeit von Gasen (U. Deptolla) 189 
3.3.1 Einleitung 189 
3.3.2 Grundlagen 189 
3.3.3 Aufbau der Meeinrichtung 190 
3.3.4 Anwendungen 192 
3.3.4.1 H2-Spurenmessung bei der Chloralkalielektrolyse 193 
Literatur 194 
3.4 Flammenionisationsdetektor (FID) (U. Deptolla) 194 
3.4.1 Einleitung 194 
3.4.2 Grundlagen 195 
3.4.3 Aufbau eines FID 196 
3.4.4 Anwendungsbeispiele 199 
3.5 Sauerstoffmessung in Gasen (K. Schorpp) 201 
3.5.1 Paramagnetische Sauerstoffmessung 201 
3.5.1.1 Grundlagen 201 
3.5.1.2 Sauerstoffanalysatoren nach der thermomagnetischen 
Methode 202 
3.5.1.3 Sauerstoffanalysatoren nach der magnetopneumatischen 
und magnetomechanischen Methode 205 
3.5.1.4 Gerteeigenschaften und Anwendungen der verschiedenen 
paramagnetischen Sauerstoffanalysatoren 210 
3.5.2 Zirkondioxid-Sonde 213 
3.5.2.1 Grundlagen 213 
3.5.2.2 Memethoden 214 
3.5.3 Gasanalysatoren mit elektrochemischen Sauerstoffsensoren 216 
3.5.3.1 Grundlagen 216 
3.5.3.2 Eigenschaften und Anwendungen 218 
Literatur 219 
3.6 Messung der Feuchte (L. Kessner, G. Oesterle) 219 
3.6.1 Einleitung 219 
3.6.1.1 Warum Feuchtemessung ? 219 
3.6.1.2 Gebruchliche Maeinheiten 220 
3.6.2 Grundstzliche Mglichkeiten zur Bestimmung 
des Wassergehaltes 221 
3.6.2.1 Absolutverfahren 221 
3.6.2.2 Indirekte Meverfahren 221 
3.6.3 Verfahren und Gerte zur Messung der Feuchte von Gasen 
(Hygrometer) 222 
3.6.3.1 Messung der Taupunkttemperatur 222 
3.6.3.2 Hygrometer mit Schwingquarz (piezoelektrische Hygrometer) 224 
3.6.3.3 Kapazitive Hygrometer/Metalloxidsensoren 225 
3.6.3.4 Elektrolysehygrometer (coulometrische Hygrometer) 226 
3.6.3.5 Optische Feuchtemegerte 227 
3.6.3.6 Kapazitive Polymerhygrometer 227 
3.6.3.7 Lithiumchloridtaupunkthygrometer 228 
3.6.3.8 Verdunstungsmeverfahren (Psychrometer) 229 
3.6.3.9 Leitfhigkeitshygrometer 230 
3.6.3.10 Probleme bei der Gasfeuchtemessung 230 
3.6.4 Feuchtemessung in nicht-wrigen Flssigkeiten 231 
3.6.4.1 Karl-Fischer-Titration 231 
3.6.4.2 Metalloxidsensoren 232 
3.6.4.3 Infrarotabsorption 232 
3.6.5 Feuchtemessung in festen Stoffen (Schttgter, Folien, Papier 
und andere Bahnen) 233 
3.6.5.1 Besondere Probleme bei der Feuchtemessung in festen Stoffen 233 
3.6.5.2 Feuchtemessung nach dem kapazitiven Verfahren 234 
3.6.5.3 Feuchtemessung mit Mikrowellen 235 
3.6.5.4 Feuchtemessung durch Infrarotspektroskopie 236 
3.6.5.5 Radiometrische Feuchtemessung 236 
3.6.6 Mestellen zur Wasserbestimmung im Proze 238 
3.6.6.1 Aufbau von Mestellen zur kontinuierlichen Feuchtemessung 
in Prozessen 238 
3.6.6.2 Wartung und berprfung von Feuchtemestellen 238 
Literatur 239 
3.7 Prozegaschromatographie (T. Maurer, H. Mahler) 240 
3.7.1 Prozegaschromatographie  ein berblick 240 
3.7.1.1 Die Rolle der Gaschromatographie in der 
Prozeanalysentechnik 240 
3.7.1.2 Grundlagen der Gaschromatographie 241 
3.7.1.3 Begriffe und Kenngren 243 
3.7.1.4 Erarbeitung von chromatographischen Methoden 244 
3.7.2 Funktionselemente einer chromatographischen 
Prozeanalysenanlage 245 
3.7.2.1 Grundstzlicher Aufbau 245 
3.7.2.2 Analytische Bausteine eines Prozegaschromatographen 246 
3.7.3 Spezielle Anforderungen des prozemigen Einsatzes 
an das chromatographische System 255 
3.7.3.1 Probenspezifische Erfordernisse 255 
3.7.3.2 Analytische Kriterien 260 
3.7.3.3 Gertekommunikation 262 
3.7.4 Industrielle Applikationsbeispiele 266 
3.7.4.1 Bestimmung der H2S- und SO2-Konzentration im Prozegas 
einer Schwefelrckgewinnungsanlage (Claus-Verfahren) 266 
3.7.4.2 Analyse von p-Kresol und Kresolderivaten zur Steuerung 
einer Destillationsanlage 268 
3.7.4.3 PINA-Analytik eines Leichtbenzins 269 
3.7.4.4 Analyse von H2S- und CS2-Spuren zur Optimierung 
der Abgasreinigung 270 
3.7.4.5 BTEX-Messung im Abgas von Anlagen (Emissionen) 
oder in der Umgebungsluft (Immisionen) 271 
3.7.4.6 Vinylchlorid-Monitoring in der Raumluft von 
Industrieanlagen 272 
3.7.5 Entwicklungen und Trends 273 
Literatur 274 
3.8 Nichtdispersive Infrarot (NDIR-) Photometer 
(H.J. Seiberth,V. Wander) 275 
3.8.1 Grundlagen 275 
3.8.1.1 Einleitung 275 
3.8.1.2 Moleklspektren 275 
3.8.1.3 Strahlungsabsorption 278 
3.8.1.4 Referenzstrahlengang, Stoff- bzw. Wellenlngenvergleich 279 
3.8.2 Meverfahren der NDIR-Technik 280 
3.8.2.1 Meanordnungen 281 
3.8.2.2 Gertebeispiele 289 
3.8.3 Anwendungen 297 
3.8.3.1 Einfachere Meaufgaben 297 
3.8.3.2 Gerteeinsatz in der Prozetechnik 297 
Literatur 300 
3.9 Ultraviolett/Visible (UV/VIS)-Photometer (U. Deptolla) 300 
3.9.1 Einleitung 300 
3.9.2 Aufbau von Photometern 301 
3.9.2.1 Entladungslampen als Strahlungsquellen 301 
3.9.2.2 Selektivierungsmethoden 302 
3.9.2.3 Detektoren 303 
3.9.2.4 Signalverarbeitung zur Auswertung 303 
3.9.3 Ausfhrungsbeispiele 304 
3.9.3.1 Radas 2 (Hartmann & Braun) 304 
3.9.3.2 Optas Modell 3700 (Bernath Atomic) 305 
3.9.3.3 In-situ-Mesystem GM 31 (Sick) 306 
3.10 Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR-)Spektrometrie (V. Karfik) 307 
3.10.1 Grundlagen 307 
3.10.1.1 Einleitung 307 
3.10.1.2 Strahlungsabsorption 307 
3.10.1.3 Spektralbereiche 308 
3.10.2 Aufbau eines FTIR-Spektrometers 309 
3.10.1.2 Strahler 309 
3.10.2.2 Interferometer 310 
3.10.2.3 Mekvette 314 
3.10.2.4 Detektor 315 
3.10.3 Verarbeitung des Mesignals 316 
3.10.3.1 Fourier-Transformation: Rekonstruktion des Spektrums 316 
3.10.3.2 Berechnen der Analysenergebnisse 317 
3.10.4 Vorteile der FTIR- Spektrometer gegenber dispersiv 
arbeitenden Spektrometern 317 
3.10.5 FTIR-Spektrometer-Ausfhrungen 318 
3.10.5.1 Doppelpendelinterferometer Michelson Bomem TM 319 
3.10.5.2 Refraktives Interferometer Transept TM 320 
3.10.6 Anwendungen der FTIR-Spektrometer 320 
3.10.6.1 Mittleres Infrarot 321 
3.10.6.2 Nahes Infrarot (NIR) 321 
Literatur 322 
3.11 Analyse wriger Flssigkeiten (K.-P. Seefeld) 323 
3.11.1 Elektrochemische On-line-Meverfahren in der Betriebsanalyse 323 
3.11.2 pH-Wert 323 
3.11.2.1 Grundlagen 323 
3.11.2.2 pH-Metechnik 326 
3.11.2.3 Nernst-Gleichung des pH-Werts 329 
3.11.2.4 Struktur und Aufbau des pH-Glases 329 
3.11.2.5 pH-Meumformer mit modernen Selbstberwachungsfunktionen 331 
3.11.2.6 pH-Ionensensitiver Feldeffekttransistor ( ISFET) 333 
3.11.3 Redoxmessung 335 
3.11.3.1 Grundlagen 335 
3.11.3.2 Redoxmetechnik 337 
3.11.3.3 Anwendungen 339 
3.11.4 Elektrolytische Leitfhigkeit 342 
3.11.4.1 Grundlagen 343 
3.11.4.2 Leitfhigkeitsmetechnik 347 
3.11.5 Messung von gelstem Sauerstoff 354 
3.11.5.1 Anwendungsgebiete fr die Messung von gelstem Sauerstoff 354 
3.11.5.2 Grundlagen 356 
3.11.5.3 Metechnische Bestimmungsmethoden 358 
3.11.6 Messung von gelstem Chlor 365 
3.11.6.1 Grundlagen 365 
3.11.6.2 Chlorbestimmung mit der DPD-Methode 366 
3.11.6.3 Amperometrische Chlorbestimmungen 367 
3.11.7 Trbungsmessung 371 
3.11.7.1 Einsatzgebiete fr Trbungsmessungen 372 
3.11.7.2 Memethoden zur Streulichterfassung 373 
3.12 Analysenautomaten fr Flssigkeiten und Gase 
(K. Oder-Wieczorek, G. Kassebeer) 378 
3.12.1 Einsatzbereiche fr Analysenautomaten 378 
3.12.1.1 Alte und neue Mrkte 378 
3.12.1.2 Anwendungsfelder 378 
3.12.1.3 Applikationen 380 
3.12.2 Definition, Grundprinzipien, konstruktive Merkmale 382 
3.12.2.1 Analysenautomat statt Megert 382 
3.12.2.2 Aufbau und Organisation eines Analysenautomaten 
und seiner Peripherie 382 
3.12.2.3 Qualittskriterien 384 
3.12.2.4 Entwicklungstendenzen 387 
3.12.3 Analysenautomaten fr Einzelparameter 388 
3.12.3.1 Titrierautomaten 388 
3.12.3.2 Analysenautomaten mit ionensensitiven Elektroden 391 
3.12.3.3 Automatische Kolorimeter 394 
3.12.4 Analysenautomaten fr Summenparameter 395 
3.12.4.1 CSB (chemischer Sauerstoffbedarf)-Analysenautomaten 
fr den On-line-Betrieb 395 
3.12.4.2 Analysenautomaten fr den BSB (biologischer Sauerstoffbedarf)- 
Wert 398 
3.12.4.3 Analysenautomaten fr die TOC (total organic carbon)/ 
TN (total nitrogen)-Messung 399 
Literatur 402 
4 Moderne Sensorsysteme: Eigenschaften, Handhabung, 
Kommunikation 403 
4.1 Mglichkeiten und Eigenschaften moderner Sensorsysteme 
(L. Litz) 403 
4.1.1 Meumformer und Sensorsysteme 403 
4.1.2 Grundfunktion und geschichtliche Entwicklung 
der Meeinrichtung 403 
4.1.3 Klassische Meeinrichtung und Meumformer 405 
4.1.4 Intelligente Meeinrichtungen und Sensorsysteme 407 
4.1.5 Ausblick 411 
Literatur 413 
4.2 Digitale Feldkommunikation (M. Becker) 413 
4.2.1 Einfhrung 413 
4.2.2 Netzwerktopologien 415 
4.2.3 ISO-OSI-Referenzmodell 416 
4.2.4 Grundlagen digitaler Feldkommunikation 419 
4.2.4.1 berblick 419 
4.2.4.2 bertragungsmedien 419 
4.2.4.3 Standardisierte Schnittstellen 420 
4.2.4.4 Datensicherung 421 
4.2.4.5 Telegrammformat und -aufbau 422 
4.2.4.6 Zugriffsverfahren 423 
4.2.5 Smart-Technik und HART-Protokoll 424 
4.2.5.1 bersicht 424 
4.2.5.2 HART-Protokoll 425 
4.2.6 Feldbus-Technik 428 
4.2.6.1 berblick 428 
4.2.6.2 Profibus 429 
4.2.6.3 Controller Area Network (CAN) 431 
4.2.7 Kommunikationssysteme fr den eigensicheren Bereich 432 
Literatur 432 
4.3 Anzeige-Bedien-Oberflchen (ABO) (G. Pinkowski) 433 
4.3.1 Einleitung 433 
4.3.2 Optimales Bedienkonzept 434 
4.3.3 Bedienmglichkeiten von Sensorsystemen 436 
4.3.3.1 ABO am Sensorsystem 436 
4.3.3.2 Handbediengert/Hand-Held-Terminal (HHT) 436 
4.3.3.3 Systembedienstation 438 
4.3.4 ABO nach VDI 2187 438 
4.3.4.1 Hardware 439 
4.3.4.2 Software 439 
4.3.5 Handhabung der ABO 439 
4.3.5.1 Verbindungsaufbau 440 
4.3.5.2 Anzeige 440 
4.3.5.3 Diagnose 440 
4.3.5.4 Gertedaten 441 
4.3.5.5 Vergleichen 442 
4.3.5.6 Optionen 442 
4.3.5.7 Ende 442 
4.3.5.8 Hilfe 442 
4.3.6 Konzeptvariationen 442 
Literatur 443 
4.4 Instandhaltung moderner Meeinrichtungen (J. Rathje) 444 
4.4.1 Einleitung 444 
4.4.2 Definition des Begriffs Instandhaltung nach DIN 31051 444 
4.4.3 Erweiterung des Begriffs Instandhaltung in der Praxis 444 
4.4.4 Konventionelle Meeinrichtungen 445 
4.4.5 Moderne Meeinrichtungen 445 
4.4.5.1 Wartung 446 
4.4.5.2 Inspektion 446 
4.4.5.3 Instandsetzung 446 
4.4.5.4 Inbetriebnahme 447 
4.4.5.5 Fehlersuche 447 
4.4.5.6 Verwalten der Feldgerte 447 
4.4.6 Zentrale Instandhaltungskonsole 448 
4.4.6.1 Bedienoberflche "Cornerstone" 448 
4.4.6.2 Bedienung einer Radarfllstandmessung 449 
4.4.6.3 Monitoringfunktionen 454 
Literatur 454 
bergreifendes Literaturverzeichnis 455 
Sachverzeichnis 456 
END
