Die Hygienic-Design Anforderungen an Anlagen oder Maschinen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie setzen sich immer mehr durch. So werden auch für Komponenten wie bspw. Sensoren und Kabelverschraubungen die Einhaltung der Richtlinien der European Hygienic Engineering and Design Group (EHEDG) unabdingbar. Ein hygienegerechtes Komponenten-Team bildet da der neue Ultraschallsensor pms von Microsonic mit der Kabelverschraubung Skintop Hygienic von Lapp für die stabile Montage.

In der Getränke- und Lebensmittelindustrie müssen Gebinde oder Behältnisse gezählt und positioniert, auf Förderbändern der Volumenstrom kontrolliert, ebenso auch in Schalen abgefüllte Lebensmittel auf korrekten Füllstand bzw. das Füllgut auf Vollständigkeit geprüft werden. Für diese Arbeitsvorgänge sind Ultraschallsensoren bestens geeignet, da sie alle Objekte unabhängig von deren Farbe und Transparenz erkennen können. Die Sensoren arbeiten nach dem Fledermaus-Prinzip: Sie senden zyklisch einen kurzen Schallimpuls aus und messen die Zeit bis zum Eintreffen eines Echosignals. Mit der bekannten Schallgeschwindigkeit in Luft können die Sensoren aus der gemessenen Zeit zwischen Aussenden des Schallimpulses und Empfang des Echosignals die Entfernung zum Objekt oder aber die Füllhöhe berechnen. Bei Schallimpulsen jenseits von 20 kHz spricht man von Ultraschall. Ultraschall ist für uns Menschen unhörbar.

Unempfindlich und vielseitig
Die Sensoren von Microsonic kommen in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. Ein Beispiel ist die Getränke- und Lebensmittelindustrie, wo die Sensoren entlang der Produktionskette von der Ernte bis zur Abfüllung und Verpackung von Getränken in zahlreichen Arbeitsvorgängen eingesetzt werden, wie z. B. zur Füllstandskontrolle von Früchten in der Saftpresse, Füllstandsmessung von Saft in Behältern oder auch bei der Stauüberwachung von Flaschen im Abfüllprozess. Mit den hohen hygienischen Anforderungen der Getränke- und Lebensmittelindustrie an die eingesetzten Maschinen und ihre technischen Komponenten, sind die weit verbreiteten Standardsensoren nur bedingt für diesen Einsatz im produktberührenden Bereich geeignet. Diese Lücke schließen nun die neuen pms Ultraschallsensoren von Microsonic, die nach den EHEDG-Richtlinien und aus FDA-geprüften Materialen konstruiert sind.

Ungewöhnliches Sensordesign
Die ungewöhnliche Form des Edelstahlgehäuses aus 1.4404 sticht sofort ins Auge. Die Microsonic-Ingenieure haben eine Geometrie gewählt, bei welcher der pms in jeder erdenklichen Einbaulage keine seiner Fläche horizontal ausgerichtet hat. So ist sichergestellt, dass die Reinigungs- und Desinfektionsflüssigkeiten immer abfließen können. Selbst bei einer Füllstandsmessung in ein Gefäß, bei dem der Sensor senkrecht nach unten misst, weist die Gehäuserückseite eine Schräge von ≥ 3° auf, so dass auch in dieser Einbaulage etwaige Reinigungsflüssigkeiten sicher abfließen können.
Das glatte Sensorgehäuse weißt keine Fugen oder Kanten auf, in denen sich Rückstände oder Bakterien festsetzen könnten; der Edelstahl hat eine Rautiefe von Ra < 0,8 µm. Neben dem Sensordesign ist das richtige Material ausschlaggebend. Der Ultraschallwandler selber ist durch eine PTFE-Folie geschützt und weist so chemisch-aggressive Reinigungs- und Desinfektionsmittel ab. Der pms hat eine hohe Beständigkeit und ist Ecolab zertifiziert. Mit vier verschiedenen Tastweiten decken die neuen pms Ultraschallsensoren einen breiten Messbereich von 20 mm bis 1,3 m ab. Die Sensoren sind mit einem Push-Pull Schaltausgang und IO-Link in der Version 1.1 oder mit Analogausgang 0-10 V bzw. 4-20 mA verfügbar.

Volumenstromregulierung von Verschlusskappen
In der Zuführung von Verschlusskappen oder Eindrückverschlüssen in einer Dosierstation für flüssige oder pulverartige Produkte misst der analoge Edelstahlsensor kontinuierlich den Volumenstrom der Kappen bzw. Verschlüsse und übergibt diese Werte an die Steuerung. Misst der Hygienie-Sensor eine zu niedrige Füllmenge an Kappen auf dem Rütteltisch, wird die Zuführung und damit die Anzahl an Kappen erhöht. Misst der pms im umgekehrten Fall eine zu hohe Anzahl an Verschlüssen, reduziert die Steuerung den Volumenstrom für einen gleichmäßigen Verpackungsprozess.
Anhand der gewünschten Messentfernung wird der pms Ultraschallsensor ausgewählt. Dazu stehen vier Tastweiten zur Auswahl. Die pms Sensoren sind wahlweise mit einem Push-Pull-Schaltausgang und IO-Link in der Version 1.1 oder mit Analogausgang 0-10 V bzw. 4-20 mA verfügbar. Für die kontinuierliche Volumenstromregulierung wird der pms-25/CU/A1 mit Spannungsausgang eingesetzt.

Hygiene-gerechtes Komponenten-Team
Anders als bei Standardsensoren ist bei einem hygienegerechten Sensor­design die Montage des Sensors an Verpackungs- oder Verarbeitungsmaschinen ebenso elementarer Bestandteil der EHEDG-Richtlinien. Auf der Suche nach einer hygienegerechten und einfachen Sensormontage ist man bei der Firma Lapp fündig geworden. Man habe zur Sensormontage einige Kabelverschraubungen ausprobiert, erinnert sich Melanie Harke, Leiterin Marketing bei Microsonic, „aber erst die Skintop Hygienic von Lapp hat unsere Anforderungen erfüllt“. Der neuralgische Punkt der Kombination aus Sensor und Verschraubung ist die Verdrehfestigkeit. Denn der Sensor muss nach seiner einfachen Montage fest fixiert sein und darf sich bei Wartungsarbeiten oder automatischen Reinigungsvorgängen in seiner Befestigung sprich der Kabelverschraubung nicht verdrehen.
Dass die Skintop-Kabelverschraubung das Verdrehen so gut verhindert, liegt an der speziellen Konstruktion, der Geometrie der Einzelteile und deren Materialwahl. Herkömmliche Kabelverschraubungen enthalten zwar ebenfalls eine Elastomer-Dichtung, bei Lapp wird aber bereits in der Entwicklungsphase darauf geachtet alle zu installierenden Materialien für Kabel, Leitungen, Rohre bestmöglich zu fixieren und abzudichten. Bei der Wahl des Elastomers ist allerdings Know-how in Bezug auf geeignete Designs, Shore-Härten, Materialverdrängung und die resultierend erreichbare Haltekraft gefragt. Dies alles sind Punkte, die sich positiv auf den Verdrehschutz auswirken können. Wenn sich das Elastomer um das Kabel beziehungsweise im Fall von Microsonic um den Sensorschaft von 12 mm legt, verhindert es das Herausziehen und Verdrehen.

Trickreicher Schutz gegen Verdrehen
Bei Skintop Hygienic ist die Elastomer-Dichtung zum Kabel länger, beim Zudrehen der Mutter wird zusätzlich Volumen entlang der Innenseite der Hutmutter verdrängt. Die Haltkraft ist höher, verhindert das Verdrehen und schließt mögliche Toträume zwischen Edelstahlrohr oder Kabel zuverlässig. Damit dies funktioniert, haben sich die Lapp-Ingenieure eine trickreiche Konstruktion einfallen lassen. Unter der Hutmutter verbirgt sich Skintop-typisch ein Kunststoffkorb mit biegsamen Lamellen. Die Hutmutter ist innen bis zum optimalen Wirkungsgrad abgeschrägt und drückt beim Zuschrauben diese Lamellen nach unten und innen, wo sie auf den Dichtring drücken. Das sorgt für eine gelenkte Materialverdrängung, hohe Haltekräfte und verhindert das Herausziehen des Kabels bzw. Sensors. Damit sich der glatte Kunststoff des Lamellenkorbs nicht im Edelstahlgehäuse verdreht, gibt es im Edelstahlsockel kleine Vertiefungen, in die entsprechende Zapfen des Lamellenkorbs greifen. So verdrehen sich weder Korb noch Kabel oder Sensor – alles hält sicher.

Wasserdicht auch unter 10 bar Druck
Die Dichtungen der Kabelverschraubung sollen nicht nur das Verdrehen verhindern, sondern das geschützte Abführen der elektrischen Anschlussleitung aus der Applikation sowie auch das Eindringen von Flüssigkeiten. Skintop Hygienic ist nach IP69 dicht gegen Wasser und Partikel. Das wird im Labor durch Besprühen unter Hochdruck getestet. Skintop ­Hygienic besteht auch die Anforderungen nach IP68, wobei Kabel und Verschraubung in Wasser untergetaucht und unter 10 bar Druck gesetzt werden, was einer Wassertiefe von 100 m entspricht. Neben der Dichtung im Inneren besitzt die Skintop Hygienic hierfür zwei weitere Dichtungen. Dort wo die Kabelverschraubung am Gehäuse aufliegt und unter der Hutmutter. Die Dichtung zum Gehäuse ist nach den Prinzipien des Hygienic Design als Flachdichtung ausgeführt, nicht wie üblich als O-Ring, der auf oder in einer Phase des Gehäuses sitzt. Denn in dieser Vertiefung könnten sich Lebensmittelreste festsetzen, die sich auch mit dem Hochdruckreiniger nicht wieder entfernen lassen.

Auch sonst bietet die Kabelverschraubung keine Angriffspunkte für Schmutz und Keime. Die Gleitdichtung unter der Hutmutter verschließt zuverlässig potenzielle Toträume. Seitens des Designs sind statt eines Sechskants am Stutzen und Hutmutter nur jeweils zwei abgeflachte Seiten, an denen der Schlüssel angesetzt wird. Der Sensor kann so sehr einfach fixiert werden.

Bisher hätten die Anwender in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie herkömmliche Kabelverschraubungen verwendet und Ausfallzeiten zur Instandsetzung oder erhöhten Reinigungsaufwand mangels des Designs in Kauf genommen – „das Bewusstsein für Hygienic Design sowie der Normative Rahmen dafür musste erst wachsen“, sagt Erik Büchner. Der Lapp-Produktmanager beobachtet aber neuerdings bei potenziellen Kunden ein steigendes Interesse an der Skintop Hygienic und weiteren Lapp-Produkten für die Lebensmittelproduktion, etwa den Leitungen Ölflex Robust.
Und die Entwicklung geht weiter. So hat Lapp auf der Hannover Messe 2017 eine EMV-Variante vorgestellt, die Skintop Hygienic SC. Sie enthält eine Feder aus Kupfer-Beryllium als Barriere gegen elektromagnetische Felder. Sie ist die erste EMV-sichere Kabelverschraubung nach den Vorgaben des Hygienic Design.