Durchflussmessung im industriellen Umfeld

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Die KROHNE Gruppe setzt seit 1981 auf magnetisch induktive Durchflussmesser mit keramischem Messrohr und eingesinterter Platin-Elektrode von KYOCERA Fineceramics Solutions GmbH.
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Funktionsweise von magnetisch-induktiven Durchflussmessern

Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser (kurz: MID) besteht üblicherweise aus einem medienberührendem Messrohr mit zwei elektrisch leitfähigen Elektroden, sowie Magneten außerhalb des Messrohrs, der Messelektronik und den elektrischen Anbindungen an die Elektroden. Die Komponenten werden von einem Sensorgehäuse umschlossen. Fließt nun eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit durch das Messrohr, werden die freien Ladungsträger in der Flüssigkeit durch das äußere Magnetfeld senkrecht zu den Magnetfeldlinien abgelenkt (Hall-Effekt) und erzeugen an den beiden Elektroden eine messbare Spannung. Die Ablenkung der Ladungsträger und die dadurch erzeugte Spannung sind proportional zur Fließgeschwindigkeit des Mediums, welche sich nun anhand der Spannung berechnen lässt. Aus Geschwindigkeit und Volumen lässt sich schließlich die Durchflussmenge bestimmen.

Magnetisch-induktive Durchflussmesser eignen sich nur zur Messung leitfähiger Flüssigkeiten oder Suspensionen; Gase und Feststoffe, sowie nicht ausreichend leitfähige Flüssigkeiten können mit dieser Technologie nicht gemessen werden.

Die Vorteile keramischer Messrohre

Obwohl in vielen Fällen Kunststoff als Werkstoff für das Messrohr verwendet wird, bietet ein Messrohr aus Keramik entscheidende Vorteile. Das Anwendungsspektrum magnetisch-induktiver Durchflussmesser kann durch Einsatz keramischer Messrohre enorm erweitert werden auf z.B. die Messung stark korrosiver oder abrasiver Flüssigkeiten. Doch auch beim Einsatz in Anwendungen, wo Kunststoff aus werkstofftechnischer Sicht ausreichend wäre, kann der Einsatz von Keramik empfehlenswert sein.

Bei keramischen Werkstoffen handelt es sich um nicht-metallische, anorganische Werkstoffe. Chemisch bestehen sie aus den Oxiden, Karbiden, Nitriden oder Boriden von Metallen und deren Mischungen. Ihre Mikrostruktur ist polykristallin und kann auch amorphe (glasartige) Anteile enthalten. Es gibt eine große Bandbreite von keramischen Werkstoffen mit den unterschiedlichsten Eigenschaften und die Werkstoffauswahl sollte je nach Anwendungsfall erfolgen. Den meisten dieser Werkstoffe sind jedoch gewisse Eigenschaften gemeinsam, wie z.B. die hohe Härte und Verschleißfestigkeit, hervorragende Korrosionsbeständigkeit und enorme Temperaturbeständigkeit. Jedoch zählt auch eine geringe Duktilität („spröde“) dazu. Hinzu kommen gewisse Einschränkungen in der Konstruktion (Stichwort: „keramikgerecht“), sowie die aufwendige Herstellung und der damit oft einhergehende hohe Preis im Vergleich zu Metallen und Kunststoffen. 

Da bei dieser Art von Durchflussmessung der einzige medienberührende Teil das Messrohr ist, sind gerade dessen Eigenschaften im Hinblick auf die Anwendung entscheidend. Messrohre aus Keramik von Kyocera werden durch eine spezielle, patentierte Einsinter-Technik mit den erforderlichen Platin-Elektroden versehen und enthalten darüber hinaus keine metallischen oder organischen Komponenten wie Lote oder Additive. Als Werkstoffe verwenden wir unsere Keramiken F99,7 (ein hochreines Aluminiumoxid) und FZM (ein mit Magnesiumoxid teilstabilisiertes Zirkonoxid, sog. Mg-PSZ). Beide sind für die Verwendung im Lebensmittelbereich zertifiziert. Durch unsere langjährige Erfahrung im Einsintern der Elektroden sind die Messrohre spaltfrei und damit leicht zu reinigen. Die Verbindung zwischen Keramikkörper und Elektrode ist absolut frei von Leckage und bleibt dies auch bei schnellen Temperaturänderungen wie sie z.B. in industriellen CIP- oder SIP-Prozessen vorkommen.

Durch die exzellente Verschleiß-, Korrosions, und Druckbeständigkeit der verwendeten Keramikwerkstoffe sind Durchflussmesser mit keramischem Messrohr zudem auch unter extrem anspruchsvollen Bedingungen verwendbar, wie z.B. bei stark abrasiven oder korrosiven Flüssigkeiten und hohen Drücken. Sie sind damit einem Messrohr aus Kunststoff klar überlegen und eröffnen so Anwendungsfelder, in denen diese Art der Durchflussmessung bislang nicht zum Einsatz kam.

Ein grundlegender und allgemeiner Vorteil keramischer Messrohre gegenüber Messrohren aus Kunststoff ist die absolute Formbeständigkeit. Selbst die modernsten Hochleistungskunststoffe zeigen nach einiger Zeit im Einsatz eine leichte Deformation. Überschreitet diese Deformation eine bestimmte Grenze, ist die Neu-Kalibrierung des Durchflussmessers erforderlich. Beim Einsatz keramischer Messrohre ist dieser Schritt nicht mehr notwendig.                  

Keramisches Messrohr mit eingesinterten Platin-Elektroden für magnetisch-induktive Durchflussmesser

Einsinter- und Cermet-Technologie bei Kyocera

Als Elektrodenwerkstoffe im keramischen Messrohr können entweder reine Platin-Pins verwendet werden oder sogenannte Cermets. Die KYOCERA Fineceramics Solutions GmbH verfügt über eine spezielle und einzigartige Technologie zum Einsintern der Elektroden, sowie zur Herstellung geeigneter Cermet-Elektroden. Es handelt sich dabei um ein etabliertes Verfahren in unserer Fertigung und wir besitzen eine langjährige Erfahrung in der Anwendung dieser Technologien.

Der Vorteil dieser Fügemethode liegt darin, dass keine weiteren Hilfsmittel benötigt werden und somit im Endprodukt keine metallischen (bis auf das Platin der Elektroden) oder organischen Stoffe enthalten sind. Platin ist als Edelmetall ähnlich korrosionsbeständig wie Keramik und wird als reine Platin-Elektrode von der umgebenden Keramik vor mechanischen Einflüssen weitgehend geschützt. Cermets sind selbst bereits eine Mischung aus Keramik und Platin (Cermet = Ceramic & Metal) und bieten als Elektrodenwerkstoff nochmals bessere Eigenschaften als reines Platin. Sie weisen eine höhere Korrosions- und Verschleißbeständigkeit auf als Platin. Zudem ist die Verbindung zwischen Cermet-Elektrode und Keramik deutlich robuster und widersteht hohem Druck und schnellen Temperaturänderungen ohne Probleme.

Beim Einsintern von Cermet-Elektroden bildet sich durch Diffusionsprozesse zwischen Elektrode und Keramik eine feste, keramische Verbindung, sodass die Fügezone keine mechanische Schwachstelle mehr darstellt. Dies beweist eindrucksvoll der mechanische Belastungstest, bei dem das Messrohr in der Regel nicht an der Elektrode, sondern mitten im keramischen Gefüge bricht.

Selbstverständlich unterliegt auch diese Technologie gewissen Einschränkungen. So müssen die Elektroden eine möglichst einfache, runde Form haben. Das Einsintern ist zudem – abhängig vom Werkstoff – auf relativ kleine Elektrodenabmessungen von einigen Millimetern beschränkt. Außerdem ist für eine zuverlässige und stabile Verbindung zwischen Keramik und Elektrode eine Mindestlänge der Elektrode von einigen Millimetern erforderlich.

Auch wenn der Preis keramischer Messrohre den von Lösungen aus Kunststoff merklich übersteigt, so macht sich diese Investition jedoch durch die überlegenen Eigenschaften, die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer auf lange Sicht mehr als bezahlt.

Unser langjähriger Partner KROHNE

Die KROHNE Gruppe ist ein führender Spezialist auf dem Gebiet der industriellen Prozessmesstechnik und vertraut seit vielen Jahren auf die keramischen Produkte der KYOCERA Fineceramics Solutions GmbH. KROHNE brachte 1981 den ersten MID mit keramischem Messrohr und eingesinterten Platin-Elektroden auf den Markt. Dies stellt den Beginn einer außergewöhnlichen und bis heute andauernden Partnerschaft zwischen KROHNE und der KYOCERA Fineceramics Solutions GmbH (ehemals Friedrichsfeld GmbH, später FRIATEC GmbH) dar. In dieser Zeit erfolgten verschiedenste gemeinsame Entwicklungen und insbesondere die keramischen Messrohre für die MID wurden von KYOCERA stetig weiterentwickelt und verbessert.      

Einbaufertiger magnetisch-induktiver Durchflussmesser der Firma KROHNE mit keramischem Messrohr (Modell Optiflux 5300) [1]

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Keramikrohre aus Zirkonoxid DEGUSSIT FZY auf dem Weg zu den Sternen

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