Wechselarmaturen für die pH-Messung Zeitreise durch die Geschichte der Wechselarmatur

Ohne pH-Messung geht im Chemieprozess gar nichts. Und ohne die Wechselarmatur wäre moderne pH-In-Prozess-Messung heute gar nicht möglich. Doch bis es zur Entwicklung heutiger intelligenter Armaturensysteme kam, war es ein weiter Weg.

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Exner Process Equipment GmbH

HEINKEL Drying and Separation Group

TOPAS GmbH

DWK Life Sciences GmbH

KSB Aktiengesellschaft

Die Grundlagen für die pH-Messung, wie wir sie heute kennen, wurden zu Beginn des letzten Jahrhunderts gelegt. Im Jahre 1906 wurde Glas erstmals für elektrochemische Messungen benutzt und die Verbindung zur Nernst‘schen Gleichung hergestellt. Mit Aufnahme der ersten Titrationskurven durch Haber und Klemesiewicz waren die Grundlagen für die heutige pH-Messung mit Glassensoren geschaffen.

Erste kommerzielle pH-Sensoren im Jahr 1930

Es dauerte noch bis ins Jahr 1930, bis die ersten kommerziell hergestellten elektrochemischen pH-Sonden entwickelt waren. Damals noch in getrennter Ausführung, das heißt es waren jeweils zwei Sensoren für die Messung notwendig, die Messelektrode (oft auch Glaselektrode genannt) und die Bezugs- oder Referenzelektrode.

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Die Messelektrode war mit dem pH-sensitiven Membranglas ausgestattet, die Bezugselektrode getrennt vom eigentlichen Messmedium in 3-molarer KCl-Lösung eingebaut und nur über ein Diaphragma mit dem Medium elektrisch verbunden. Der Aufbau war kompliziert und der Wartungsaufwand immens. Ein Einsatz dieser Messverfahren war zunächst nur unter Laborbedingungen möglich.

Höhere Zuverlässigkeit und mehr Einsatzmöglichkeiten

Durch weiterführende Entwicklungen wurden sowohl die Messelektrode als auch die Referenzelektrode immer robuster und es kam zu ersten Anwendungen direkt im Prozess. Das hatte den Vorteil, dass man den pH-Wert jetzt direkt, also in-line, aufnehmen konnte und Probenahmen nur noch zu Kontrollzwecken durchführen musste.

Prozesszeiten konnten dadurch erheblich reduziert werden. Schnell wurden aber auch die Probleme dieser Art der pH-Messung offenbar. Belagbildung auf dem Membranglas oder ein verstopftes Diaphragma führten genauso zu Fehlmessungen wie die „Vergiftung“ der Referenzelektrode. Probleme, die nur durch einen hohen manuellen Wartungsaufwand in den Griff zu bekommen waren.

Die weiteren Entwicklungen der pH-Glassensoren gingen fast ausschließlich in Richtung der einfacheren Handhabbarkeit und der Zuverlässigkeit von Glasmembran, Diaphragma und Referenzsensor. Der Schweizer Chemiker Dr. Werner Ingold stellte im Jahr 1952 dann die erste pH-Einstabmesskette vor, in der die Glaselektrode und die Referenzelektrode in einem Glassensor zusammengefasst waren.

Auf dieser Erfindung basieren nahezu alle heute industriell verwendeten pH-Sensoren. Mit dieser Erfindung hat Dr. Ingold die Handhabung der pH-Messung revolutioniert und gleichzeitig einen bis heute gültigen Standard gesetzt, den pH-Sensor mit 12mm Schaftdurchmesser und einem PG 13,5 Anschlussgewinde. Die grundsätzlichen Probleme der pH-Messung, die durch die Verschmutzung oder Vergiftung entstehen, wurden mit dieser Erfindung jedoch nicht gelöst.

Robuste Wechselarmatur für den Prozess

Durch die einfachere Handhabung der pH-Sensoren wurden die Einsatzmöglichkeiten stark erhöht. Zunächst wurden die Messsonden oftmals noch im Bypass eingesetzt, um ohne Betriebsunterbrechung eine Wartung an den Sensoren durchführen zu können, aber schon bald wollte man direkt im Prozess messen und damit wurde die Notwendigkeit einer automatisierten Wartung unumgänglich.

In den 70er Jahren entwickelte die Firma Exner Anlagenbau aus Neuss gemeinsam mit Kunden aus der Papierindustrie die ersten Wechselarmaturen für den industriellen Einsatz von pH-Einstabmessketten. Diese Armaturen waren mächtig dimensioniert, zunächst mit einem Keilschieber, später mit Kugelhahn als Absperrorgan ausgerüstet, pneumatisch betätigt und als sogenannte Druckarmaturen ausgeführt.

Das bedeutet, dass der eingesetzte pH-Sensor mit KCl-Flüssigelektrolyt druckbeaufschlagt wurde damit ein kontinuierlicher KCl-Fluss das Diaphragma reinigte. Durch den pneumatischen Zylinder konnte der pH-Sensor in eine Spülkammer zurückgezogen und mit Spülflüssigkeiten gereinigt werden. Mit dem KCl-Überdruck wurde das Diaphragma freigehalten und einer Vergiftung der Referenzelektrode vorgebeugt, die automatische Reinigung bewirkte, dass das Membranglas des Sensors sauber gehalten wurde.

Ein typischer Vertreter dieser Armaturengeneration war die DA842 der Firma Exner, eine robuste Prozessarmatur die in schwierigsten Prozessen in der Papierherstellung und in der Chemieindustrie eingesetzt wurde. Diese Wechselarmaturen wurden meist auf die jeweils speziellen Prozessbedingungen abgestimmt, eine Serienfertigung war daher nicht möglich. Dies machte die Armaturen sehr teuer, wodurch sich deren Einsatz auf ausgesuchte Messstellen begrenzte.

Erst die Entwicklung der pH-Sensoren mit druckbeaufschlagten Gelelektrolyt Ende der 80er Jahre, machte die Durckbeaufschlagung in den Wechselarmaturen überflüssig und brachte somit eine neue Armaturengeneration hervor. Die Intrac777 von Mettler Toledo, die Cleanstar933 von Exner oder die CPA471 von Endress+Hauser sind Beispiele dieser Armaturengeneration.

Klein, kompakt, für Standard - Gel-Sensoren ausgelegt und kostengünstig machten sie den Einsatz von Wechselarmaturen in vielen unterschiedlichen Applikationen möglich. Bald wurde jedoch klar, dass diese einfach aufgebauten Armaturen speziell in schwierigen Prozessen an ihre Grenzen stoßen. Der Wartungsaufwand, den man bei der pH-Messung einsparte wurde oftmals in die Wartung der mechanischen Armatur gesteckt. Ein sehr unbefriedigendes Ergebnis für die Anwender.

Baukastensystem für die neuste Armaturengeneration

Die Erfahrung zeigt, dass die Armatur als Schnittstelle zwischen Prozess, Sensor und Umwelt immer auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sein muss, damit die Messaufgabe erfolgreich gelöst wird.

Man denke nur an die unterschiedlichen Anforderungen wie EHEDG oder EX-Schutz in der Lebensmittel- oder der Chemieindustrie. Die neueste Armaturengeneration ist daher als Baukastensystem aufgebaut. Robust für die Chemieindustrie, hygienisch für den Lebensmittel- und Pharmabereich, trotzdem einfach zu warten, sicher in der Bedienung und auf möglichst geringen Verschleiß optimiert. Um diese Anforderungen alle unter einen Hut zu bringen ist viel Erfahrung notwendig.

Plattform für Wechselarmaturen

Die Firma Exner Process Equipment hat in den letzten 15 Jahren eine Plattform für Wechselarmaturen entwickelt, auf der viele der heutigen Armaturen basieren. Diese modernen Armaturenfamilien ermöglichen eine exakte Anpassung an die jeweilige Applikation und stellen gleichzeitig eine bezahlbare Lösung für die meisten Anwendungen dar. Die Chemtrac von Xylem Analytics, die Retractex von Hamilton oder Intrac781 von Mettler Toledo sind genau wie die Extract-Familie von Exner moderne Armaturensysteme, die sich an alle Anforderungen anpassen lassen und mit geringen Wartungsaufwand über lange Zeit betrieben werden können. Garant für einen zuverlässigen Betrieb ist eine möglichst geringe mechanische Belastung der Armaturen. Dies erreicht man u.a. durch geringe Hubbewegungen, da lange Verfahrwege die eingesetzten Dichtungen extrem belasten und nur kurze Einsatzzeiten ermöglichen. Moderne Wechselarmaturen, wie die oben genannten, machen daher nur kurze Hubbewegungen auch bei großen Prozess-Eintauchtiefen und unterscheiden sich daher signifikant von der Vorgängergeneration.

Mehr Intelligenz für die Wechselarmatur

In Zukunft werden die Wechselarmaturen wohl „intelligenter“ werden. Einfache Positionsrückmeldungen und optische Leckageüberwachungen, wie sie heute oftmals schon Standard sind, werden wohl alleine nicht mehr ausreichen. Im Zeitalter der Industrie 4.0 müssen wichtige Systeme, wie z.B. eine Wechselarmatur, sich selbständig melden bevor sie ausfallen. Predictive Maintenance ist hier das Schlagwort, dass es gilt zukünftig umzusetzen.

Eine spannende Aufgabe sowohl für Entwickler und Hersteller als auch für die Anwender. Ziel ist und bleibt es jedoch, mit optimal angepassten Wechselarmaturen die pH-Werterfassung über lange Zeit sicher und zuverlässig zu machen, um eine optimale Prozesssteuerung oder Überwachung gewährleisten zu können.

* * Der Autor ist Geschäftsführer bei Exner Process Equipment, Ettlingen. Kontakt: Tel. +49-7243-945429-0

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