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Prozess-Dichtesensor Konzentration mithilfe von Prozess-Dichtesensor Inline bestimmen

| Autor/ Redakteur: Kornelia Fröch, Gerald Schwarz* / M.A. Manja Wühr

Bei der Produktion von Blei/Säure-Batterien kommt es vor allem auf die richtige Schwefelsäurekonzentration an. Eine zuverlässige Inline-Messung gewährleistet die Qualität des Formationsprozesses und der Endkonzentration in der Batterie. Außerdem lassen sich so Stehzeiten während eines Produktionswechsels an der Füllstation reduzieren.

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Optimierte Formation durch Prozess-Konzentrationsmessung
Optimierte Formation durch Prozess-Konzentrationsmessung
(Bild: Anton Paar)

Die Blei/Säure-Batterie ist die älteste und am meisten bewährte wiederaufladbare Batterie. Aufgrund ihres niedrigen Preises und ihres relativ großen Leistungs-/Gewichtsverhältnisses wird sie hauptsächlich als Fahrzeugbatterie eingesetzt, trotz des niedrigen Energie-Gewicht-Verhältnisses. Die Hauptkomponenten einer Blei/Säure-Batterie sind Anoden aus Blei, Kathoden aus Blei­(IV)-oxid und verdünnte Schwefelsäure (H2SO4) als Elek­trolyt. Bei der Herstellung einer Blei/Säure-Batterie wird Schwefelsäure in unterschiedlichen Konzentrationen benötigt. Die Säurekonzentration ist nicht nur vom Produktionsschritt, sondern auch von der Art und Größe der Batterie abhängig.

Schwefelsäure in der Batterieherstellung

Der erste Produktionsschritt, in dem Schwefelsäure benötigt wird, ist die Formation der Platten. Während der Formation wird auf den positiven Platten alpha- und beta-PbO2 gebildet. Das Verhältnis von alpha- und beta-PbO2 hat einen direkten Einfluss auf die Stromausbeute der Batterie. Die H2SO4-Konzentration während der Formation ist ein wesentlicher Parameter, um hier das richtige Verhältnis zu erzielen. Nach der Tank-Formation werden die Batterien zusammengebaut, mit der richtigen Säurekonzentration gefüllt und aufgeladen. Nach der Container-Formation wird der Elektrolyt entweder ausgetauscht (two-shot process) oder die Säure eingestellt (one-shot process). Nach dem Befüllen und Aufladen müssen die Säurekonzentration und der Füllstand des Elektrolyten der spezifizierten Konzentration entsprechen.

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Messung der Schwefelsäurekonzentration

In wässrigen Schwefelsäurelösungen ist die Dichtemessung ideal, um die H2SO4-Konzentration bis 90 Prozent zu bestimmen. Im Konzentrationsbereich bis 55 Prozent, der für die Herstellung von Blei/Säure-Batterien wichtig ist, zeigt Dichte eine sehr hohe und nahezu lineare Korrelation zur Säurekonzentration.

Hochkonzentrierte Schwefelsäure (98 Prozent) wird größtenteils per Lkw an die Produktionsstätten geliefert und vor Ort auf die verschiedenen benötigten Konzentrationen verdünnt. Die Verdünnung der Schwefelsäure ist ein stark exothermer Prozess, der ausreichende Kühlung erfordert. Daher kann sich die Temperatur der Schwefelsäure während des Verdünnungsprozesses rasch ändern. Der hochpräzise Prozess-Dichtesensor von Anton Paar, L-Dens 3300 Version GLS, kann diesen Änderungen problemlos folgen, da die medienberührenden Teile aus Glas bestehen. Sensoren mit Kunststoff-Beschichtung, etwa die meisten Leitfähigkeitssensoren, sind thermisch träge und können daher schnellen Temperatur­änderungen nicht folgen.

Fachbuch „Industriesensorik“

Das Fachbuch „Industriesensorik“ von Edmund Schiessle bietet einen praxisorientierten Einblick in die Schlüsselstechnologie der digitalisierten Industrie. Der Professional findet hier alle relevanten Informationen, um das entsprechende Sensorsystem fehlerfrei in seine Produktion zu integrieren. Das Buch „Industriesensorik“ kann hier versandkostenfrei oder als eBook bestellt werden.

Kleine bis mittelgroße Anlagen lagern alle Arten von erforderlichen H2SO4-Konzentrationen in Tanks. Große Anlagen arbeiten häufig mit einem zweistufigen Verdünnungsprozess. Im ersten Schritt wird die angelieferte H2SO4 zur Zwischenkonzentration verdünnt. Der zweite Schritt ist die finale Verdünnung an der Füllstation. Eine Produktänderung, wie die Umstellung auf eine neue Batterieart oder -größe, kann dazu führen, dass die Konzentration an der Füllstation angepasst werden muss.

Konzentration anpassen und Qualität sichern

Die Konzentrationsanpassung im Füllbehälter kann bis zu 40 Minuten dauern, wenn der Vorgang nur durch Labor-Konzentrationsmessungen unterstützt wird. Der Prozess-Dichtesensor von Anton Paar, L-Dens 3300, ermöglicht eine automatische Kontrolle der Konzentrationsänderung, wodurch die Ausfallzeit auf einen Bruchteil der bei manueller Kontrolle benötigten Zeit reduziert wird.

Während der Formation erhöht sich die Konzentration des Elek­trolyten. Die Messung und Einstellung der Säurekonzentration sind wichtige Maßnahmen, um einen konstanten Formationsprozess mit hoher Qualität zu erreichen. In der Rezirkulationsmethode wird die Säurekonzentration während der Formation gemessen und eingestellt.

Fazit: L-Dens 3300 Version GLS ist ein sehr kompakter Prozess- Dichtesensor, mit medienberührenden Teilen aus Glas. Er besteht aus einem integrierten Controller, einem hochwertigen Display mit Benutzeroberfläche und kapazitiven Tasten. Mithilfe des Dichtesensors lassen sich bei der Produktion von Blei/Säure-Batterien der Formationsprozess optimieren, die Stehzeiten während Produktionsänderungen an der Füllstation reduzieren und die Qualität des Füllprozesses sicherstellen.

* K. Fröch arbeitet im Product Management und G. Schwarz im Product Competence bei Anton Paar, Graz/Österreich.

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