Ob Sie sich einen Kaffee aus einem Automaten einschenken, ein Bier vom Zapfhahn holen oder eine Flasche an einem Wasserspender füllen – die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass irgendwo im Hintergrund gerade ein Durchflussmesser seine Arbeit verrichtet hat. Diese kleinen Sensoren erfassen exakt, wie viel Flüssigkeit durch ein System fließt. In der Lebensmittel- und Getränkeproduktion ist diese Aufgabe wichtiger, als viele vermuten. Ist die Messung ungenau, entstehen inkonsistente Getränke, Produktverluste oder – schlimmer noch – ein Hygieneproblem, das niemand einem Gesundheitsinspektor erklären möchte.
Dieser Artikel erklärt, wie Durchflussmesser tatsächlich funktionieren, wo sie in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt werden und welche anderen Messtechnologien um dieselbe Aufgabe konkurrieren. Am Ende werden Sie verstehen, warum Ultraschall-Durchflussmesser und insbesondere das in den Sensoren von Allengra eingesetzte Laufzeitprinzip zur bevorzugten Lösung für hygienische Anwendungen im Lebensmittelbereich geworden sind.
Wie funktionieren Durchflussmesser?
Nicht alle Durchflussmesser funktionieren nach demselben Prinzip. Für den Einsatz in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie besonders geeignet sind jedoch Modelle, die eine Methode namens Ultraschallmessung nach dem Laufzeitprinzip verwenden.
Stellen Sie sich zwei kleine Ultraschallwandler vor, die an gegenüberliegenden Enden eines Strömungswegs montiert sind – einer stromaufwärts und einer stromabwärts. Jeder Wandler kann Schallwellen senden und empfangen. Der Ablauf ist folgender:
Der stromaufwärts angeordnete Wandler sendet eine Schallwelle aus, die sich mit der Strömungsrichtung der Flüssigkeit zum stromabwärts angeordneten Sensor bewegt.
Der stromabwärts angeordnete Wandler sendet eine Schallwelle zurück, also gegen die Strömung, in Richtung des stromaufwärts angeordneten Sensors.
Die Laufzeiten beider Wellen werden gemessen. Die Welle, die sich mit der Strömung bewegt, trifft schneller ein (t1), während die Welle gegen die Strömung etwas länger benötigt (t2).
Dieser Unterschied – t1 ist kürzer als t2 – zeigt dem Sensor, wie schnell sich die Flüssigkeit bewegt und in welche Richtung.
All dies erfordert keinen Kontakt des Sensors mit der Flüssigkeit und keine Beeinflussung des Mediums. Da die Messung berührungslos erfolgt, sind weniger Komponenten Milch-, Sirup- oder Bierresten ausgesetzt, in denen sich Bakterien ansiedeln oder die im Laufe der Zeit Verstopfungen verursachen können. Das ist in jeder Umgebung der Lebensmittelverarbeitung von großer Bedeutung.
Ultraschall-Durchflussmesser haben außerdem keine beweglichen Teile wie Flügel oder Zahnräder, sodass im Inneren nichts verschleißt oder blockiert. Mikrovibrationen an der Sensoroberfläche erzeugen einen milden Selbstreinigungseffekt. Dadurch bleibt der Durchflussmesser auch bei Flüssigkeiten, die nicht vollkommen sauber sind, präzise. In Getränkeleitungen, in denen sich Sirup, Fruchtfleisch oder Mineralien auf anderen Komponenten ablagern, ist diese Beständigkeit gegen Verschmutzung besonders wertvoll.
Moderne Ultraschallsensoren messen mehr als nur den Durchfluss. Die Konstruktionen von Allengra verfügen über eine integrierte Temperaturmessung mit Reaktionszeiten von unter 0,25 Sekunden (T09 < 0.25 sec) – schnell genug, um den Temperaturanstieg eines Espresso während des Bezugs zu verfolgen. Einige Modelle erkennen außerdem Gasblasen in der Leitung; auf diese Funktion gehen wir weiter unten näher ein.
Wo Durchflussmesser in der Lebensmittel- und Getränkeproduktion zum Einsatz kommen
Viele Durchflussmesser sind tief im Inneren industrieller Anlagen verborgen. Zahlreiche andere sind jedoch direkt in Geräten integriert, die Menschen täglich verwenden – von der Bürokaffeemaschine bis zum Wasserspender im Geschäft. Die wichtigsten Anwendungen lassen sich wie folgt zusammenfassen.
Automatische Kaffeemaschinen zählen zu den größten Anwendungsbereichen. Für jeden Bezug ist ein präzises Wasservolumen erforderlich, und das Wasser ist häufig nahezu kochend. Der Sensor muss daher sowohl Genauigkeit als auch hohe Temperaturen beherrschen. Hier kommt es besonders auf eine schnelle Temperaturreaktion an: Ein herkömmlicher RTD-Sensor kann mit der Geschwindigkeit, mit der sich das Wasser während der Zubereitung erwärmt, nur schwer Schritt halten. Ein schneller Ultraschallsensor kann die Temperatur dagegen in Echtzeit verfolgen. Der Micro Flow Meter 2nd Gen von Allengra wurde genau für solche Anwendungen entwickelt. Er wiegt weniger als 50 Gramm und erreicht in einer kompakten Push-Fit-Ausführung eine Genauigkeit von ±2 %.
Wasser- und Erfrischungsgetränkespender
Auch diese Geräte benötigen eine vergleichbare Präzision – insbesondere im gewerblichen Einsatz, wo täglich Hunderte Portionen mit identischer Menge ausgeschenkt werden müssen.
Entsafter
Fruchtfleisch und Fasern setzen mechanischen Sensoren zu. Da Ultraschall-Durchflussmesser keine rotierenden Teile im Strömungsweg besitzen, bleiben sie langfristig zuverlässiger.
Automatische Bierspender
Bier ist mit Kohlensäure versetzt, was die Messung erschwert. Ein mechanischer Durchflussmesser mit einer rotierenden Turbine wird durch Blasen im Strömungsweg beeinflusst und liefert dadurch uneinheitliche Ausschankmengen. Ultraschallsensoren vermeiden dieses Problem. Die Konstruktionen von Allengra sind auf kohlensäurehaltige Getränke ausgelegt und messen unabhängig von Druck oder Temperatur bis unmittelbar zum Ausschank präzise. Der Micro Flow Meter 2nd Gen unterstützt außerdem die standardmäßige Reinigung mit einem Schwammkügelchen ∅9.5mm.
Dosierung von Sirup und CO2
Die Dosierung ist für den Verbraucher weniger sichtbar, für den Hersteller jedoch entscheidend. Das richtige Verhältnis von Sirup und Wasser in einer Getränkeleitung – teilweise bis zu einer Verdünnung von 1:200 – bestimmt, ob jede Flasche gleich schmeckt. Für die CO2-Dosierung in Karbonisierungsanlagen gilt dasselbe: Zu wenig CO2 macht das Getränk schal, zu viel führt zu einer übermäßigen Kohlensäure. Ein Durchflussmesser steuert diesen Dosierschritt und hält das Verhältnis von Charge zu Charge konstant.
Erkennung von Blasen und leeren Behältern
In einer Kaffeemaschine wird ein leerer Milchbehälter nicht immer sofort erkannt. Die Pumpe kann dann mehrere Zyklen lang Luft statt Milch ansaugen, bevor jemand das Problem bemerkt. Ein Sensor, der Luftblasen im Durchfluss erkennt, meldet das Problem frühzeitig. So werden unnötige Zyklen vermieden und eine gleichbleibende Getränkequalität sichergestellt.
Für diese Anwendungen verfügen die Mikrosensoren von Allengra über einen gemeinsamen Spezifikationsbereich:
Durchflussbereich: je nach Variante etwa 0,02 bis 5 Liter pro Minute
Betriebsdruck: bis zu 10 oder 16 bar
Temperatur: bis zu 105 °C – vom Ausgeben kalten Wassers bis zur Zubereitung von nahezu kochendem Kaffee
Auf der Branchenseite für Lebensmittel und Getränke von Allengra finden Sie eine vollständige Übersicht der Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten.
Weitere in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzte Durchflussmesser
Ultraschall ist nicht die einzige Option. Die Alternativen erklären jedoch, warum Hersteller sich letztlich so häufig dafür entscheiden.
Turbinen- und mechanische Durchflussmesser verwenden einen kleinen rotierenden Rotor oder ein Flügelrad im Strömungsweg. Sie sind einfach aufgebaut und kostengünstig. Das rotierende Bauteil ist jedoch zugleich ihre Schwachstelle: Es verschleißt mit der Zeit, wird durch Partikel oder Blasen in der Flüssigkeit beeinflusst und erfordert bei nicht vollkommen sauberen Flüssigkeiten häufigere Wartung.
Elektromagnetische (magnetische) Durchflussmesser arbeiten nach dem Faradayschen Gesetz. Sie erfassen im Wesentlichen die Spannung, die entsteht, wenn eine leitfähige Flüssigkeit ein Magnetfeld durchquert. Sie sind präzise und werden häufig für Wasser und Milch eingesetzt. Allerdings gibt es eine Einschränkung: Sie funktionieren nur mit leitfähigen Flüssigkeiten. Öle, Sirupe und einige andere Getränkeingredienzen werden von einem magnetischen Durchflussmesser schlicht nicht erfasst. Das schränkt die Einsatzmöglichkeiten in einer Produktionslinie mit unterschiedlichen Medien ein.
Coriolis-Durchflussmesser messen den Massendurchfluss direkt, indem sie erkennen, wie sich ein vibrierendes Rohr durch die hindurchströmende Flüssigkeit verdreht. Sie gelten als eine Art Goldstandard für Genauigkeit und können gleichzeitig Dichte und Temperatur messen. Der Nachteil liegt in Größe, Kosten und Druckverlust. Coriolis-Durchflussmesser sind in der Regel größer und teurer als Ultraschallalternativen. Dadurch lassen sie sich schwerer in kompakte OEM-Anwendungen wie Kaffeemaschinen oder Tischspender integrieren, bei denen jedes Gramm und jeder Kubikzentimeter zählt.
Jede dieser Technologien hat ihren Platz. Größere industrielle Rohrleitungen setzen aus gutem Grund teilweise auf Coriolis- oder magnetische Durchflussmesser. Für kompakte, hygienische und in OEM-Geräte integrierte Anlagen für Lebensmittel und Getränke erfüllen Ultraschallsensoren jedoch meist mehrere Anforderungen gleichzeitig: keine beweglichen Teile, geeignet für nahezu jede Flüssigkeit – unabhängig davon, ob sie leitfähig ist oder nicht –, kompakt genug für beengte Einbauräume und konstruktionsbedingt selbstreinigend, ohne zusätzlichen Wartungsaufwand.
Warum Ultraschall bei Lebensmitteln und Getränken die Nase vorn hat
Ultraschall ist nicht für jede Anwendung die beste Lösung. Bei der Messung von Tausenden Litern pro Stunde in einer großen industriellen Rohrleitung kann eine andere Technologie wirtschaftlich sinnvoller sein. Für die Anwendungen, die den Großteil der Lebensmittel- und Getränkeindustrie ausmachen – Spender, Kaffeemaschinen, Dosiersysteme und Milchleitungen – ist die Kombination aus hygienischem Design, fehlenden beweglichen Teilen und Flexibilität bei unterschiedlichen Flüssigkeiten jedoch nur schwer zu übertreffen.
Ultraschallsensoren arbeiten außerdem geräuschlos, beginnen bereits bei null Durchfluss zu messen – einige mechanische Durchflussmesser benötigen einen Mindestdurchfluss, bevor sie überhaupt etwas registrieren – und erfassen den Durchfluss in beide Richtungen. Mit für Lebensmittel zugelassenen Materialien und, sofern relevant, Trinkwasserzertifizierungen lässt sich der Sensor direkt in Geräte integrieren, die mit Lebensmitteln und Getränken in Kontakt kommen.
Wenn Sie Anlagen zur präzisen Messung von Kaffee, Milch, Saft, Erfrischungsgetränken oder Bier entwickeln möchten, ohne zusätzlichen Wartungsaufwand zu verursachen, lohnt es sich, einen kompakten Ultraschallsensor anhand Ihres spezifischen Durchflussbereichs und Anschlusstyps zu prüfen. Die Branchenseite für Lebensmittel und Getränke von Allengra erläutert die Anwendungen ausführlicher. Auf den Produktseiten des Micro Flow Meter 2nd Gen und des Inline Micro Flow Meter finden Sie die vollständigen technischen Spezifikationen zum Vergleich der Kennzahlen.
