Thermometer in der Prozessautomatisierung sind nach der DIN43772 aufgebaut. Auf den ersten Blick ist meist nicht zu erkennen, mit welchem Sensor die Temperatur erfasst wird. Ob es sich um einen Widerstandsensor Pt100 oder um ein Thermoelement handelt, erkennt man erst am Typenschild. Eine neue Generation von Pt100-Messeinsätzen von Endress+Hauser hilft, die Produktions-Anlagen präzise zu steuern und die maximale Prozesssicherheit zu gewährleisten.
Dirk Lahme ist Produktmanager Temperatur-Messtechnik bei Endress+Hauser in Weil am Rhein
Thermoelemente können sehr hohe Temperaturen messen, haben gute Ansprechzeiten und sind unempfindlich gegen Vibrationen. Nachteil ist allerdings ihre mangelnde Genauigkeit. Thermoelemente zeichnen sich durch eine hohe Grundabweichung und eine deutliche Langzeitdrift aus. Deshalb haben sich in der Prozessautomatisierung Pt100-Sensoren durchgesetzt, die deutlich genauer sind. Doch auch Pt100-Sensoren weisen Einschränkungen auf, sodass auch Thermoelemente weiterhin ihre Anwendungen finden. Die Einsatzgrenzen von Pt100-Messeinsätzen sind von ihrem Aufbau abhängig. Hier sind zunächst die bisher möglichen Maximaltemperaturen von 400°C für Dünnfilm-Pt100- und 600°C für drahtgewickelte Pt100-Sensoren sowie eine höhere Empfindlichkeit bei starken Vibrationen zu nennen. Dünnfilmsensoren vertragen mehr Vibrationen als die drahtgewickelten.
Vibrationsfeste Pt100-Messeinsätze
Deshalb hat man sich bei Endress+Hauser entschlossen, Messeinsätze zu entwickeln, die hohe Genauigkeit und Langzeitstabilität bei gleichzeitig großer Vibrationsresistenz bieten. Auf der Basis von Dünnschichtsensoren ist es mit dem TS111 gelungen, die Eigenschaften zu verbessern und die Einsatzgrenzen für die Dünnfilmtechnik zu erweitern. Messeinsätze sind das Herz des Thermometers. Sie haben direkten Einfluss auf messtechnische Eigenschaften wie Messgenauigkeit und thermische Ansprechzeit der gesamten Temperaturmessstelle. Obwohl sie scheinbar einfach und identisch aufgebaut sind – ein Pt100-Messwiderstand mit typischerweise vier voneinander elektrisch isolierten Anschlussleitungen in einem Rohr – unterscheiden sich die Messeinsätze verschiedener Hersteller durchaus. Die konkrete Konstruktion der Sensorspitze, die Sorgfalt und viele Details bei der Fertigung, die dem Anwender meist verborgen bleiben, entscheiden über ihre tatsächliche Qualität.
Die Verwendung sogenannter mineralisolierter Mantelleitungen ist mittlerweile Standard für höhere Einsatztemperaturen. Sie enthalten die Anschlussleitungen aus Kupfer, Nickel oder Nickel/Chrom, an die der eigentliche Temperatursensor (Pt100) später mittels Hartlötung oder Verschweißung angeschlossen wird. Solche Mantelleitungen werden aufgerollt geliefert. Sie sind für die Herstellung eines Messeinsatzes zu richten und auf die gewünschte Länge zu kürzen. An ihren Enden wird anschließend die Mineralisolierung (MgO- oder Al2O3-Pulver) teilweise entfernt, um die Drähte freizulegen, und das Sensorelement angeschweißt bzw. gelötet. Danach ist die Leitung mit einer passenden Hülse wieder zu verlängern, alle verbleibenden Hohlräume mit Keramikpulver kompakt auszufüllen und das Ganze mit einem Boden zu versehen und zu verschließen. Dies ist seit vielen Jahren die Standard-Fertigungstechnologie für solche Messeinsätze, die zu einem Großteil immer noch manuell ausgeführt wird. Verunreinigungen, die das Pt100-Sensorelement bei höheren Temperaturen schneller altern lassen, eingedrungene Luftfeuchtigkeit, die den Isolationswiderstand der Leitung herabsetzt oder verbleibende Hohlräume im Bereich der Messeinsatzspitze, die bei Vibrationen Leitungsbrüche verursachen, führen zu Qualitätseinbußen. Gerade das ausreichend kompakte und dichte Verfüllen mit möglichst reinem, trockenem Keramikpulver und das sichere Einbetten des Pt100-Elements gestalten sich dabei aufwändig und lassen sich trotz des Einsatzes von Rüttelapparaturen o. ä. in der Praxis kaum mit gleich bleibender Qualität realisieren. Gerade die Art des verwendeten Pt100-Sensorelements sowie seine Einbettung und Kapselung sind jedoch wesentlich für die spätere Kennlinien-Langzeitstabilität und die mechanische Belastbarkeit des Messeinsatzes unter Prozessbedingungen.
Kein Stillstand in der Entwicklung
Endress+Hauser verfolgt seit einiger Zeit ein neues Konzept für die Fertigung seiner Pt100-Messeinsätze. Erstes Ergebnis dieser Produkt- und Fertigungsentwicklung war der iTherm TS111 StrongSens. Dieser Messeinsatz mit Pt100-Dünnschichtsensorelement hat 6 mm Außendurchmesser und hat sich bereits im Einsatz bewährt. Er ist für Dauereinsatztemperaturen im Bereich von -50 bis +500 °C geeignet und kombiniert sehr gute messtechnische Eigenschaften mit hoher mechanischer Robustheit. Neben thermischen Ansprechzeiten t90 von < 10 s, gemessen nach IEC 60751 in Wasser, minimalen Eigenerwärmungsfehlern von mindestens 25 m/mW, hoher Langzeit-Kennlinienstabilität und Messgenauigkeit, selbst bei maximaler Einsatztemperatur, zeichnet er sich z.B. durch eine dauerhafte Vibrationsbeständigkeit selbst bei Beschleunigungen von mindestens 600 m/s2 (mindestens 60 g) aus.
Das Know-how liegt in der Konstruktion dieses Messeinsatzes. Zwar wird auch hier eine mineralisolierte Mantelleitung als Basis verwendet, doch neu sind der strikt modulare Aufbau und die Gestaltung der Messeinsatzspitze mit dem Pt100-Sensorelement. Auf die Verwendung von Keramikpulvern zur Verfüllung wird völlig verzichtet. Stattdessen ist das Pt100-Dünnschichtsensorelement in einer Kappe, gefüllt mit einer speziellen Keramikvergussmasse, fest und hohlraumfrei eingebettet. Ein relativ komplexes Keramikformteil dient als Verbindungselement zwischen den Anschlussdrähten des Sensorelements und den Innenleitern der Mantelleitung, die bei der nachfolgenden Montage miteinander verschweißt werden.
Die Sensorkappe wird dabei unabhängig vom eigentlichen Messeinsatz gefertigt und kann einfach an spezielle Kundenwünsche angepasst werden.
Kurze Ansprechzeiten
Auf gleicher technischer Basis wurde auch der iTherm QuickSens entwickelt. Um Ansprechzeiten von t90 = 0,75 s zu erreichen, wird das Pt100-Sensorelement direkt mit dem Boden der Sensorkappe kontaktiert. Auf diese Art wird die Wärme direkt in den Sensor übertragen. Zusätzlich erlaubt diese Konstruktion sehr kurze, minimale Eintauchtiefen. Sowohl in der 3-mm- als auch der 6-mm-Außendurchmesservariante der QuickSens-Messeinsätze beträgt die minimale Eintauchtiefe bei 100°C gemäß IEC 60751 nur 25 mm. Auch hier kommt wieder eine Keramikvergussmasse zum Einsatz. Der Messeinsatz kann im Temperaturbereich von -50 bis +200°C eingesetzt werden. Durch die Ansprechzeit von t90 = 0,75 s kann die Temperatur sehr viel näher an der optimalen Prozesstemperatur gefahren werden. Eine Hochtemperaturvariante für Einsätze über 600 °C wird derzeit entwickelt.
Für die komplexe Fertigung der Sensorkappen, die Bearbeitung der Mantelleitungen, die Montage und Verschweißung von Mantelleitung und Kappe sowie die Prüfungen wurde eine eigene Fertigungstechnologie entwickelt. Die Pt100-Messeinsätze werden in der neuen Anlage nahezu vollautomatisch gefertigt und geprüft. ge
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Temperatur ist der meist gemessene Parameter in der Prozessautomatisierung – ein Video:
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