Bewährte Smart-Flow-Meter-Technologie überzeugt durch außergewöhnliche Leistung bei hohen Durchflussraten

Das Messen und Steuern der Fließgeschwindigkeit von Schüttgütern mit hohen Durchsatzraten ist eine gängige Anforderung von industriellen Prozessen in den unterschiedlichsten Industrien - unter anderem Chemie, Energie, Nahrungsmittel, Tiernahrung, Getreide, Zement, Kohle, Glas, Aluminium und Kunststoffcompoundierung. Handelsübliche Dosier- und Messgeräte für hohe Durchflussmengen sind meist großvolumig, komplex, teuer und umständlich und liefern nur eine grenzwertig genaue Leistung mit fraglicher Langzeitstabilität. Mit der Entwicklung der driftfreien digitalen Massenstrom-Messtechnologie wurde die Erfassung und Dosierung von größeren Mengen genauer, zuverlässiger und wirtschaftlicher, und intelligente Durchflussmesser können seitdem sogar anstelle von Hochgeschwindigkeits-Dosierwaagen eingesetzt werden.

Eigenschaften
Der ideale Schüttgut-Durchflussmesser zeichnet sich nicht nur durch hervorragende Genauigkeit bei hoher Leistung aus, sondern auch durch einfache Konstruktion, lange Betriebsstabilität, geringe oder keine Wartung, Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungsbedingungen, Langlebigkeit und Tarierfähigkeit ohne Produktionsunterbruch. Der K-SFM Smart Flow Meter ist ein Durchflussmesser ohne permanent bewegte Teile, was für einen äußerst schonenden Umgang mit dem Schüttgut sorgt - ein deutlicher Vorteil gegenüber anderen Technologien. Die zwei patentierten digitalen SFT-Wägezellen (Smart Force Transducer) messen unabhängig voneinander Gewicht und Geschwindigkeit des Schüttgutstroms. Mit diesen zwei Messwerten ist die Durchflussrate leicht zu bestimmen.

Funktionsprinzip
Das Funktionsprinzip des K-SFM basiert auf dem zweiten Newtonschen Gesetz: F = ma (Kraft = Masse x Beschleunigung). Schüttgut fließt durch Schwerkraft in den oberen Messkanal, eine geneigte Rutsche, die auf einer SFT-Lastzelle aufgebaut ist. Die senkrecht auf die Rutsche wirkende Kraft erzeugt kontinuierlich ein Gewichtssignal, das der Masse des Materials entspricht. Das Schüttgut fließt dann in den unteren, vertikalen Kanal an der zweiten SFT-Lastzelle, wo die Aufprallkraft erfasst wird. Mittels einer mathematischen Berechnung auf der Grundlage des zweiten Newtonschen Gesetzes kann somit die Geschwindigkeit bestimmt werden. Auf der Basis der Signale beider Wägezellen wird dann die Durchflussrate pro Zeiteinheit ermittelt.

In der Praxis werden die zwei Kraftmessungen, die das Gewicht (Rutschenkanal) und die Geschwindigkeit (vertikaler Kanal) widerspiegeln, mit Parametern der Konstruktionsgeometrie (obere Messkanallänge und -neigung) kombiniert, um die Fließrate zu bestimmen, unabhängig von der Beschleunigung, die das Material beim Durchgang durch das Gerät erfährt.

Tarieroption
Der K-SFM ist mit einem Bypass-Kanal ausgestattet, um jederzeit tarieren zu können, ohne die Schüttgutzuführung zu unterbrechen. Tarieren kann erforderlich sein, wenn anhaftende Materialien sich im Gerät ansammeln oder wenn während des Betriebs größere Änderungen der Umgebungstemperatur oder der Temperatur des Schüttguts auftreten. Die im Einlauf eingebaute Bypassklappe ermöglicht es, den Materialfluss in einen separaten internen Kanal umzulenken. Während das Schüttgut umgeleitet wird, wird das neue Taragewicht ermittelt und der Nullwert zurückgesetzt. Nach dem Tariervorgang fährt die Klappe wieder in die Betriebsposition zurück und das Schüttgut nimmt seinen regulären Weg durch das Gerät. Eine Neutarierung kann manuell durchgeführt werden oder in regelmäßigen Intervallen über eine Steuerungsprogrammierung.

Hochgenaues digitales Wägen
Der Smart Flow Meter baut auf der robusten digitalen SFT-Wägetechnologie auf, welche die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz einer schwingenden Saite von ihrer Spannung nutzt, um darauf einwirkende Lasten zu messen. Die einwirkende Last wird mechanisch auf die Saite übertragen, wodurch sich die Resonanzfrequenz der Saite ändert. Anhand dieser Änderung berechnet ein eingebauter Mikroprozessor die einwirkende Last. Ein vollständig kalibriertes (linearisiertes, messbereichabgestimmtes und temperaturkompensiertes) Signal wird über eine serielle RS-485-Schnittstelle an die KCM-Dosierersteuerung übertragen.

Basierend auf dieser Technologie arbeitet die SFT-Lastzelle mit praktisch weglosem Messweg. Die SFT-Lastzelle reagiert dynamisch auf unmittelbare Belastungsänderungen, die typischerweise beim Betrieb eines Durchflussmessers auftreten. Jede SFT liefert eine exakte Gewichtsauflösung von 1:4.000.000 in 80 ms. Aufgrund ihrer vollständig digitalen Auslegung zeichnet sich die SFT-Wägezelle durch eine außergewöhnliche Langzeitstabilität aus, so dass keine regelmäßige Neukalibrierung erforderlich ist.

Design und Konstruktion
Der Smart Flow Meter ist in zwei Größen erhältlich: Modell K-SFM-275 für Schüttgutströme von 2.000 bis 36.000 kg/h (4.400 bis 79.200 lb/h) und Modell K-SFM-350 von 5.000 bis 120.000 kg/h (11.000 bis 264.000 lb/h). Eine Kurz- und Langzeitgenauigkeit von <± 1% kann ohne Kalibrierung erreicht werden. Ein einfaches Feldkalibrierungsverfahren ist verfügbar, das die Genauigkeit noch weiter erhöhen kann. Beide Modelle sind komplett aus Edelstahl 1.4404 / 1.4435 (AISI 316 L) und erfüllen IP65 (NEMA 4). Die große Zugangstür ermöglicht eine einfache Reinigung. ATEX 3D- und 2D-Versionen sind für Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen erhältlich.

Smart Flow Meter im Einsatz
Der K-SFM sticht durch überragende Leistungen als gravimetrisches Dosiergerät sowie als Chargendosiergerät oder als Durchflussmesser für hohe Durchflussmengen in verschiedensten Industrien hervor. Er kann viele Arten freifließender Schüttgüter mit Partikelgrößen von 0,02 mm bis 10 mm verarbeiten. Der Schüttwinkel des Schüttguts sollte kleiner oder gleich 40 Grad betragen, gemessen von der Horizontalen. Gut zu verarbeitende Schüttgutformen sind Pulver, Granulate, Schnitzel und Fasern.

Typische Einsatzbereiche sind unter anderem die Dosierung von großen Schüttgut-Massenströmen unter Einsatz einer Zellenradschleuse oder eines ähnlichen Nachfüllorgans am Einlauf, das Verwiegen von Chargen in Beschickungsvorrichtungen oder andere nachgeschaltete Geräte, oder die einfache Schüttguterfassung für Materialbewirtschaftung, Datenerfassung oder Protokollierung.

Anwendungsbeispiele
1) Bei der Waschmittelherstellung wird das flüssige Grundreinigungsmittel einem Sprühturm zugeführt, wo es in ein Pulver umgewandelt wird. Aufgrund der Art des Verfahrens ist die Leistungsregulierung des Sprühturms schwierig. Dennoch müssen Zusatzstoffe, wie pulverförmige Enzyme und flüssiger Duftstoff, genau auf den unregelmäßigen Fluss des pulverförmigen Waschmittels abgestimmt sein.

Ein K-SFM, am Auslass des Sprühturms positioniert, ermöglicht eine sehr genaue Regulierung und Dosierung des Reinigungsmittelflusses. Nachgeschaltete Zusatzstoffdosierer, die anhand des Massenstromsignals des Smart Flow Meters geregelt werden, ermöglichen eine sehr genaue Zugabe von Additiven zum weiteren Produktionsprozess, was eine konsistentere Qualität des Endprodukts sowie Einsparungen bei teuren Additiven ermöglicht.

Sowohl der Smart Flow Meter als auch die Additivdosierer sind jeweils mit einem KCM-Steuermodul ausgestattet, das sich nahtlos in die SmartConnex-Steuerungsumgebung integriert und bis zu 24 Dosier- und Messgeräte gleichzeitig steuern kann.

2) Bei der Massenproduktion von Kaffee sind die Anteile von Kaffeebohne und Schale in der Kaffeefrucht von Bedeutung für die Kaffeeproduzenten. Die nicht verwertbaren Schalen werden entweder durch Trocken- oder Nassverfahren entfernt und die freigelegten Kaffeebohnen für die weitere Verarbeitung vorbereitet. Ein geringes Verhältnis von Bohnen zu Schalen bedeutet, dass pro Einheit gekaufter Kaffeefrüchte weniger Kaffee hergestellt werden kann. Kaffeeproduzenten sind daher darauf angewiesen, ergiebige Quellen von dünnschaligen Kaffeefrüchten ausmachen zu können.

Um das Gewicht der Fruchtschalen in einem Produktionsprozess zu bestimmen, werden zwei K-SFM eingesetzt: eines unmittelbar vor der Stufe zur Schalenentfernung und ein zweites direkt am Auslass für die geschälten Kaffeebohnen. Der Gewichtsunterschied zwischen den beiden Massenflüssen entspricht dem Gewicht der Kaffeefruchtschalen.

3) Bei der Puderzuckerherstellung werden große Mengen an Kristallzucker aus einem Vorratsbehälter in eine Hammermühle gegeben, wobei ein geringer Anteil an Stärke oder Kalziumphosphat zugegeben wird. Aufgrund der hohen Durchsatzrate und der abrasiven Eigenschaft des kristallisierten Zuckers stellt ein gängiger Differentialdosierer eine unnötig teure Lösung für den Hauptbestandteil dar.

Ein Smart Flow Meter, der unter dem Vorratsbehälter installiert ist, ist die bessere Wahl. Eine Förderschnecke fördert den Kristallzucker aus dem Trichter in den K-SFM, der dann den Massenfluss des Zuckers misst und die Geschwindigkeit der Förderschnecke regelt, um die gewünschte Durchsatzrate zu halten. Ein kleiner Differentialdosierer, der an die Fließgeschwindigkeit des Zuckers gekoppelt ist, dosiert den Zusatzstoff genau nach dem Gewicht dem Zuckers zu.

Der K-SFM hat keine produktberührten beweglichen Teile, was in einer besseren Effizienz resultiert bei gleichzeitig reduziertem Reinigungs- und Wartungsaufwand.

4) In Polyethylen-Compoundiersystemen bieten Smart Flow Meter signifikante Vorteile gegenüber herkömmlichen Dosierbandwaagen für die Handhabung von Hauptkomponenten. Der K-SFM ist einfach zu bedienen, bewältigt große Schüttgutmassenströme, bietet eine hohe Langzeitgenauigkeit und benötigt nur minimale Wartung. Darüber hinaus ist eine Umstellung auf alternative Rohstoffquellen problemlos möglich. Die automatische Tarieroption ermöglicht die Kompensation von Materialablagerungen im Gerät ohne Unterbrechung des Produktionsprozesses.

Je nach Rezeptur können eine Reihe von Rohstoffen durch mehrere K-SFM dem Prozess zugeführt werden. Durchflussraten liegen oft zwischen 10.000 und 20.000 kg/h [22.000 bis 44.000 lb/h] aber können auch wesentlich höher sein. Die Materialzufuhr zu den Durchflussmessern kann beispielsweise durch Schneckendosierer oder Zellenradschleusen erfolgen. Zusätzlich können Additive durch Dosierbandwaagen und Differentialdosierer in den Extruder eingespeist werden.

Im Vergleich zur Dosierbandwaage ermöglicht der K-SFM erhebliche Einsparungen bei den Rohmaterialien. Mit nahezu keinen Wartungskosten trägt er auch zu einer erheblichen Senkung der Betriebskosten bei.

5) Bei der Rohmehl-Beschickung in der Zementherstellung wird die Durchsatzrate normalerweise durch Steuerung eines Dosierschiebers in einem geschlossenen Regelkreis geregelt. Hier eignen sich beide Smart Flow Meter-Modelle für die genaue Dosierung von Rohmehl in den Vorwärmer.

Dieser Produktionsprozess setzt voraus, dass der Betrieb über lange Zeiträume ununterbrochen aufrechterhalten werden kann, weshalb in der Regel Wägetrichter auf Lastzellen zum Einsatz kommen. Diese ermöglichen automatisierte periodische Kontrollen und Anpassungen basierend auf dem Differential-Wägeprinzip. Sollten Online-Kalibrierungskorrekturen erforderlich sein, werden diese von der Steuerung nach und nach angewandt, um eine Destabilisierung des Brennofens zu vermeiden.

6) Bei der Zuführung von Kohlestaub in einer Zementofen-Befeuerung wird der K-SFM in einem geschlossenen Regelkreis mit einer Zellenradschleuse oder einem Schnecken-Vordosierer betrieben. Das mit einer für 10 bar Druck ausgelegten Ummantelung versehene Modell K-SFM-275 steuert den Kohlestaub-Materialfluss und ist zudem voll kompatibel mit den Pumpen- oder Einspritzsystemen. Mehrere K-SFM können an ein einzelnes Kohlespeicher-Silo angeschlossen werden, um gleichzeitig den Hauptbrenner, den Vorkalzinierer und andere Vorheizpositionen zu versorgen. Ist das Kohlespeichersilo auf Wägezellen montiert, sind eine Regulierung des Silofüllstands und automatische Genauigkeitsprüfungen möglich.

Die Kombination einer geeigneten Dosiervorrichtung mit dem Smart Flow Meter ermöglicht die proportionale Zufuhr von Additiven zum fertigen Zement oder auch das genaue Wägen der Endproduktverladung.

Fazit
Im K-SFM sind stabile, hochauflösende digitale Wägetechnik und innovatives Design vereint, um einen Durchflussmesser mit zuverlässig genauer Messung und Regelung zu erhalten, der jedoch auf die Komplexität, Kosten und Leistungseinschränkungen herkömmlicher Technologien verzichtet. Der Einsatz der intelligenten digitalen Wägetechnologie für die Erfassung und Dosierung von Schüttgütern mit hohen Durchsatzraten ermöglicht qualitätsbewussten Herstellern in verschiedensten Industrien eine signifikante Verbesserung ihrer Prozesse und eine merkliche Vereinfachung ihrer Produktionsabläufe.