Neuartige und hochpräzise Online-Dichtemessung von Restwasser
Jährlich fallen viele Tonnen von Betonrestmassen an. Die Betonindustrie bemüht sich daher schon seit vielen Jahren um einen Übergang von einer reinen Entsorgungstechnik zu einer Materialwirtschaft in geschlossenen Stoffkreisläufen. Doch dies erfordert neue Messsysteme und neue Technologien. Die Firma Werne & Thiel sensortechnic hat sich dieser Herausforderung angenommen und mit dem „Olas-Messsystem“ ein revolutionäres Online-Messverfahren zur Bestimmung der Dichte von Betonrecyclingwasser entwickelt.
Die frühere Firma Arnold Automation wurde im Jahr 2002 von der Werne & Thiel sensortechnic übernommen. Neben der kontinuierlichen Weiterentwicklung der bewährten Feuchtemesssonden haben sich die neuen Inhaber auf die Entwicklung innovativer, industrieller Sensortechnik spezialisiert. Die Entwicklung des Olas-Messsystems, eines Online-Messsystems zur Bestimmung des Feststoffgehalts von Betonrecyclingwasser, begann vor knapp zehn Jahren. Heute steht ein zuverlässig funktionierendes und wirtschaftliches Messsystem zur Verfügung, das die Serienreife erlangt hat.
Benannt ist Olas nach seiner Funktion: „Optical Light Absorption Sensor“. Es bedient sich eines ausgeklügelten Infrarot-Absorptions-Messverfahrens, bei dem das Messlicht über Lichtwellenleiter in das Medium eingekoppelt wird. Mit dieser weltweit patentierten Entwicklung ist es nun möglich, die Betonqualität durch automatische und kontinuierliche Messung der Dichte des Betonrecyclingwassers erheblich zu verbessern. Für einen geschlossenen Materialkreislauf in der Betonproduktion wird nach EN 1008 gefordert, dass die Dichte im Restwasserbecken den Grenzwert von 1,07 kg/l nicht überschreitet. Der Standardmessbereich des Olas liegt zwischen 1,000 kg/l und 1,150 kg/l und übersteigt somit den geforderten Bereich bei Weitem. Damit ist es auch bei einer kurzzeitigen Überschreitung des Grenzwerts möglich, den maximalen Dichtewert zuverlässig zu erfassen und diesen durch Frischwasserzugabe wieder zu senken.
Mittlerweile stehen die Resultate von ausgiebigen Langzeittests mit den ersten Seriengeräten des Olas-Messsystems zur Verfügung. Bereits im November 2007 wurde ein solches System zur Überwachung der Restwasserdichte bei der Firma Holcim Kies und Beton AG in Diessenhofen (Schweiz) in Betrieb genommen. Nach über einjährigem Einsatz im täglichen Betrieb gibt Betriebsleiter Florian Mascherin ein erstes Resümee: „Durch das Messgerät und die digitale Anzeige der Restwasserdichte sind wir jederzeit über die aktuelle Dichte im Restwasserbecken informiert. Wir können den Wert direkt in die Produktionssteuerung einfließen lassen. Dadurch haben sich die Qualität und insbesondere die Konstanz der Werte aus dem Chargenprotokoll und der Frischbetonkontrolle wesentlich verbessert. Das Messsystem ist fast wartungsfrei und die Anzeige liefert uns Messwerte von hoher Genauigkeit.“
Im Sommer 2008 wurde das Olas-Messsystem ebenso im Raum Freiburg in mehreren Betonanlagen in die Steuerungen der Firma Dorner Electronic integriert. Auch andere Anwender bescheinigen, dass es sich bei diesem Messsystem um ein durchdachtes, innovatives und flexibles Messsystem handelt, das entscheidend dazu beitragen kann, bei Verwendung von Betonrecyclingwasser in der Betonproduktion eine hohe Betonqualität sicherzustellen.
Das Messsystem
Ein Auszug der technischen Details dieses Messsystems zeigt die innovativen Ansätze dieser Entwicklung. Das Gerät besitzt eine Einschwingzeit von unter 40 msec und kann noch Messlichtintensitäten von 1/10.000.000 der Maximalintensität zuverlässig erfassen und anzeigen. Gerade bei hochdichten Medien wie Betonrecyclingwasser ist die Durchdringung des Messlichts enorm und das Messsystem kann seine Stärken ausspielen. Das Syste m besteht aus einer Messeinheit, dem eigentlichen Olas, und einer Anzeige- und Steuereinheit. Beide sind über eine Schnittstelle miteinander verbunden. Damit kann die Messeinheit von der Anzeige- und Steuereinheit weit entfernt angeordnet sein. Von der Messeinheit werden zwei bis zu 20 m lange, mit einer Schutzleitung umhüllte Glasfaserleitungen zur Messstelle geführt. Eine Glasfaserleitung ist dabei mit dem optischen Sender, die andere mit dem Empfänger verbunden. Beide Leitungen münden schließlich im Sensorkopf, welcher an geeigneter Stelle in das Recyclingwasser getaucht wird.
Durch Verwendung eines Lichtleitersystems enthält der Messkopf keinerlei Elektronik und ist damit vollkommen unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen. Da keinerlei Rücksicht auf sperrige Elektronik genommen werden muss, kann der Messkopf außerdem äußerst kompakt und platzsparend aufgebaut werden und ist leicht zu installieren. Dank dieser Anordnung befindet sich die sensible Messelektronik außerhalb des Messmediums und weit entfernt von Störungen verursachenden Starkstromgeräten (Pumpen, Rührmotoren), was das Messsystem dauerhaft robust und extrem störsicher macht. Durch die Positionierung des Messkopfes im Ansaugbereich der Pumpe wird immer die tatsächliche Dichte des der Produktion zugeführten Restwassers gemessen.
Der Olas weist zudem eine einzigartige Fremdlichtunterdrückung auf. Es werden nicht nur „Gleichlicht“ (Sonnenlicht etc.), sondern auch Wechsellichtkomponenten, beispielsweise von Leuchtstoffröhren, unterdrückt. Durch die hohe Fremdlichtunterdrückung kann auf optische Blenden verzichtet werden.
Die Auswerte- und Anzeigeeinheit ist ebenfalls eine Neuentwicklung. Die Bedienung erfolgt über einen Touchscreen und erlaubt eine einfache und übersichtliche Bedienung. Die Eichkurven können grafisch oder als Tabelle dargestellt und editiert werden. An die Auswerte- und Anzeigeeinheit kann auf Wunsch ein externer PT100-Temperatursensor angeschlossen werden, um die Temperatur des Messmediums auf dem gemeinsamen Display anzuzeigen. Die Auswerte- und Anzeigeeinheit verfügt über alle bekannten Standard-Signalausgänge.
Eichung des Systems
Die Eichung des Messsystems gestaltet sich sehr einfach. Es werden zunächst mehrere verschiedene Proben im Dichtebereich von beispielsweise 1,000 bis 1,150 kg/l vorbereitet, wobei die Probe zum Nullabgleich aus klarem Wasser bestehen sollte. Für die halbautomatische Eichung wird der Messkopf in die erste Probe getaucht, der Messwert automatisch abgespeichert und unmittelbar danach der – mit einem Aräometer ermittelte – Referenz-Dichtewerte eingegeben. Dieser Vorgang wird mit den anderen Proben wiederholt. Das System errechnet dabei aus den Eichpunkten vollautomatisch die Eichkurve durch lineare Interpolation. Auf diese Weise kann die vollständige Eichkurve mit allen Eichpunkten innerhalb von Minuten eingegeben werden.
Nach dieser Eichung ist das Messsystem betriebsbereit und zeigt die korrekte Dichte in kg/l an. Das auf diese Weise linearisierte Messsignal kann nun direkt an eine Prozesssteuerung weitergeleitet werden.
Im Messbetrieb kann die Richtigkeit der Messung auf Wunsch jederzeit durch einen manuellen oder automatischen, zyklischen Nulltest überprüft werden. Dazu wird einfach klares Wasser unter hohem Druck zwischen Sender- und Empfangseinheit gespritzt und das Messsignal mit dem Nullabgleich verglichen. Ein im Messstrahl der Optik eingeklemmter Fremdkörper würde auf diese Weise sofort erkannt. Umgekehrt kann der Wasserstrahl natürlich auch verwendet werden, um die Optik von Fremdkörpern und Ablagerungen zu säubern. Der Olas-TPC übernimmt beim Nulltest die vollständige Steuerung des Wasserstrahls, inklusive der Ausblendung der Nulltest-Messwerte aus einer eventuell gerade stattfindenden Signal-Mittelung.
Im Gegensatz zu klassischen Trübungsmessgeräten, die auch optisch arbeiten, beeinflussen beim Olas-Verunreinigungen oder Verkratzungen (durch ein abrasives Messmedium) auf der Optik interessanterweise praktisch nicht die Messgenauigkeit. Der Grund hierfür ist, dass Trübungsmessgeräte gewöhnlich in so durchsichtigen Messmedien arbeiten, dass die Kratzer auf der Optik deutlich mehr Messlicht absorbieren als das Messmedium selbst. Bei den Anwendungen, für die der Olas konzipiert wurde, ist es jedoch umgekehrt: Hier absorbiert das Messmedium erheblich mehr Licht als Verunreinigungen oder Kratzer auf der Optik. Um auch bei Anwendungen in deutlich durchsichtigeren Messmedien Beeinflussungen der Messgenauigkeit durch Verkratzungen ausschließen zu können, sind für den Olas auf Wunsch auch „vorgealterte“ Optiken erhältlich.
