Temperaturmessung Neues Thermometer detektiert jeden Sensor-Drift

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WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG

TURCK GmbH

Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG

Im Zuge der Digitalisierung erhöhen sich die Anforderungen an die Prozessinstrumentierung, Stichwort Condition Monitoring. Die kontinuierliche Selbstkontrolle elektrischer Thermometer ist in der Regel allerdings eingeschränkt, weil ein Sensor-Drift bis zum nächsten Kalibrierintervall unbemerkt bleibt. Jetzt gibt es eine Lösung für dieses Problem.

In der Prozessindustrie ist die Temperatur die am häufigsten erfasste Messgröße. Die Zahl der dafür eingerichteten Messstellen geht in die Tausende. Bereits jede fünfte davon wird als sicherheitsrelevant eingestuft, Tendenz steigend. Der Begriff „Sicherheit“ reicht dabei mittlerweile über den Ausschluss potenzieller Gefahren für Mensch, Umwelt, Anlage und Produkt hinaus. Er ist in zunehmendem Maß auch mit dem Bestreben verknüpft, die Verfahren wirtschaftlicher zu gestalten.

Condition Monitoring erstreckt sich deswegen auf alle sicherheitsrelevanten Komponenten der Prozesse, also auch auf die Messinstrumentierung. Die eingesetzte Sensorik überwacht sich dabei kontinuierlich selbst, diagnostiziert ihre Funktion und kommuniziert mit dem Steuerungssystem der Anlage. Manuelle Überprüfungen gemäß eines definierten Wartungsplans können auf diesem Weg durch individuelle und bedarfsgerechte Eingriffe ersetzt werden. Anlagenverfügbarkeit und Produktqualität lassen sich somit auch mit geringerer Personalstärke steigern.

Sich selbstkontrollierende Messtechnik hilft, den Lebenszyklus der Geräte soweit wie möglich auszuschöpfen. Messstellen werden demzufolge nicht mehr aufgrund eines festgelegten Intervalls und unabhängig vom Gerätezustand neu instrumentiert, sondern ausschließlich bei tatsächlicher Notwendigkeit. Ein solches Vorgehen trägt zur Kosteneinsparung sowie zur Nachhaltigkeit der Anlage bei.

Das Problem mit dem Drift

Zur Überwachung der Prozesstemperatur setzen Unternehmen mehrheitlich Widerstandsthermometer ein. Ein solches Gerät kann unter bestimmten Umständen driften und auf längere Frist seine Genauigkeit einbüßen. Eine anhaltende Abweichung kann mehrere Ursachen haben: Bei hohen Temperaturen können Fremdatome auf die Platinschicht des Sensors einwirken und diesen vergiften. Anhaltend heftige Temperaturbelastungen und -schwankungen verfälschen im „worst case“ die Messung ebenso dauerhaft wie Feuchtigkeit, die in ein Thermometer eindringt und den Isolationswiderstand verringert.

Ein permanenter Drift tritt in der Regel erst beim nächsten Kalibrierungsintervall zu Tage. In der Vergangenheit konnten Anlagenbetreiber ihm nur dann schneller auf die Spur kommen, wenn sie die Abstände zwischen den Kalibrierungen verringerten. Um ein kontinuierliches Condition Monitoring auch für Widerstandsthermometer in vollem Umfang zu ermöglichen, hat Wika ein neues Widerstandsthermometer mit reeller Drift-Erkennung entwickelt.

Die Kombi macht’s

Die True Drift Detection (TDD) basiert auf der Kombination von einem Widerstandssensor mit integriertem Referenzelement und dem neuen Digital-Temperaturtransmitter Typ T38 mit Auswertefunktion. Bei der Verarbeitung des Sensorsignals erkennt der Transmitter jede Abweichung zwischen Mess- und Referenzelement sofort und übermittelt sie unmittelbar per Hart-Protokoll. Zusätzlich kann die Signalisierung auch direkt auf der Stromschleife erfolgen. Die Überwachung erstreckt sich über den gesamten Messbereich der TDD, die zwischen -50 °C bis + 500 °C eingesetzt werden kann. Das Thermometer ist damit für alle Sparten der Prozessindustrie ausgelegt und höchst flexibel einsetzbar.

Der Aufbau des Fühlers basiert auf der bewährten Temperaturmessung mit einem Platin-Widerstand gemäß IEC EN 60751. Das Referenzelement ist parallel zum Pt-Widerstand in der Fühlerspitze verbaut, womit ein optimales Mess- bzw. Überwachungsergebnis erreicht werden kann. Die Widerstandskennlinie des Sensors entspricht der Norm, das Gerät weist stets den aktuellen Messwert aus. Das Konzept der TDD-Technologie schließt eine Mittelwertbildung oder eine Verfälschung des Messwerts durch das Referenzelement und seines Signals aus.

Darüber hinaus wird unter Verwendung einer eigens für die True Drift Detection entwickelten mineralisolierten Mantelleitung eine hohe Belastbarkeit des Thermometers gewährleistet. Die Leitung besteht aus einem Metallmantel und keramikisolierten Innenleitern. Bei der Keramik handelt es sich um ein nahezu reines Metalloxidpulver, das die Innenleiter sowohl untereinander als auch gegenüber der Ummantelung isoliert.

Vor dem Zusammenbau mit dem Transmitter T38 in Kopf- oder Schienenversion wird der Fühler über fünf Messpunkte kalibriert, Sensor und Referenz werden dabei parallel gemessen. Aus der Prüfung ergibt sich ein Polynom mit fünf Koeffizienten, die in den Transmitter programmiert werden. Bei der Driftüberwachung prüft der T38 durch einen intelligenten Algorithmus, ob der Betrag der mittels Ausgleichspolynom korrigierten Differenz der Messwerte von Sensor und Referenz den anwendungsspezifischen Grenzwert überschreitet. Dieser Grenzwert beträgt werksseitig standardmäßig 1 K und kann im Bereich 0,1 K bis 10 K parametriert werden.

Sofort betriebsbereit

Somit erhält der Anwender ein auf seine Applikation zugeschnittenes Temperaturmesssystem, das sofort betriebsbereit ist und nach dem Plug&Play-Prinzip in den Prozess integriert werden kann. Da die Geometrie des Fühlers im Vergleich zu üblichen Lösungen identisch ist, lässt sich ein Upgrade bestehender Messstellen ohne großen Aufwand bewerkstelligen. Lediglich Fühler oder Messeinsatz sowie der Transmitter müssen ausgetauscht werden, das vorhandene Schutzrohr kann im Prozess verbleiben. Dass es sich bei der neuen Lösung um einen Zusammenbau zweier Komponenten zu einer Einheit handelt, hat einen zusätzlichen, kostensparenden Vorteil: Im Fall eines Sensordefekts bleibt der Transmitter erhalten. Der Anwender braucht lediglich einen neuen Fühler zu installieren und dessen Koeffizienten via Hart in die Auswerteinheit des T38 zu speichern.

Der Transmitter selbst, als Universalgerät mit einem Maximum an Sensoranschlusskombinationen konzipiert, kommt den steigenden Sicherheitsanforderungen der Prozessindustrie ebenfalls entgegen. So ist zum Beispiel eine Anschlusskonfiguration mit Redundanz möglich. Beide Bauformen des Geräts verfügen über eine SIL-Zertifizierung und sind für explosionsgefährdete Anwendungen zugelassen, was die Einsatzflexibilität der True Drift Detection zusätzlich vergrößert. Bei der Kopfversion des T38 ermöglichen speziell designte Trapezklemmen mit sehr großem Klemmbereich und der Zugang von außen einen fehlerfreien Anschluss von Fühler und Stromschleife.

Fazit: Das neuentwickelte Thermometer mit True Drift Detection von Wika schließt eine Lücke bei der Sicherheitsoptimierung von Temperaturüberwachungen mit Widerstandsthermometern. Es erfasst jede ungewollte Abweichung von der Prozesstemperatur (Referenz) sofort und kann über einen großen Messbereich zwischen -50 °C und +500 °C eingesetzt werden. Damit lassen sich Temperaturmessstellen mit einem umfassenden Condition Monitoring in nahezu allen Verfahren der Prozessindustrie realisieren.

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