Temperaturmessung Temperatur-Transmitter für verschiedene Einsatzbedingungen

Redakteur: Sonja Beyer

Temperatur ist mit einem Anteil von mehr als 30 Prozent die meistgemessene Größe in großindustriellen Anlagen. Das Herzstück eines elektrischen Thermometers ist sein Temperatur-Transmitter, dessen Auswahl und Spezifikation sich oft als schwierig erweist. Denn Temperatur-Transmitter bilden die Schnittstelle zwischen Prozess (Sensor) und Prozessleit- bzw. Auswertesystem. Der folgende Artikel gibt dazu herstellerneutrale Empfehlungen und bietet sich als Leitfaden für den Praktiker an.

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Ein Temperaturmessgerät inklusive Schutzrohr (Bild: Wika Alexander Wiegand)
Ein Temperaturmessgerät inklusive Schutzrohr (Bild: Wika Alexander Wiegand)

Neben den Anforderungen ans Thermometer wie Vibrations- und Druckfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Anschluss-Geometrie usw. richten sich einige Anforderungen ausschließlich an den Temperatur-Transmitter, die oft unterschätzt werden: Explosionsschutz (Atex), funktionale Sicherheit (SIL), standardisierte Ausgangssignale, z.B. 4 … 20 mA und Protokolle (Hart bzw. Feldbusse) samt deren Einbindung in Prozessleitsysteme / Asset Management-Systeme, sowie einfaches Handling und Bedienung.

Explosionsschutz

Temperatur-Transmitter für explosionsgefährdete Bereichen müssen zum Schutz von Personen und Einrichtungen die Atex-Produktrichtlinie 94/9/EG und damit die jeweiligen Bedingungen der entsprechenden Zündschutzart einhalten. Ziel ist es, Bereiche mit gefährlicher, brennbarer Atmosphäre vor Zündquellen zu schützen, um Explosionen zu verhindern. Meist werden in den Prozessanlagen eigensichere Geräte verbaut, d. h. die elektrische Leistung zur Speisung der Temperatur-Transmitter ist mittels Speisegerät/Zenerbarriere begrenzt. Der Anwender muss die Sicherheitskennwerte untersuchen und überprüfen ob eine Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten möglich ist.

Durch die Modularität der Temperatur-Transmitter kann die Betrachtung Ex-technischer Abhängigkeiten sogar in zwei Richtungen notwendig werden. Erstens vom Transmitter aus betrachtet in Richtung Sensor, und zweitens vom Transmitter aus betrachtet in Richtung Prozessleitsystem.

Zu beachten ist, dass die Eigenerwärmung an der Fühler- bzw. Schutzrohrspitze vom Sensortyp (TC/RTD), dem Fühlerdurchmesser, der Bauart des Schutzrohres und der im Fehlerfall zugeführten Leistung des Temperatur-Transmitters abhängt. Die Praxis zeigt, dass Thermoelemente im Fehlerfall eine deutlich geringere Eigenerwärmung erzeugen als Widerstandsthermometer.

Funktionale Sicherheit (SIL)

Eine weitere Herausforderung bei der Auswahl des richtigen Transmitters stellen sicherheitskritische Applikationen gemäß der internationalen Norm IEC 61508/61511 dar. Sicherheitskritisch bedeutet, dass im Falle eines technischen Versagens des Gerätes bzw. des gesamten Sicherheitskreises ein Störfall eintreten kann, der wiederum zu einem Schaden an Einrichtungen und/oder Personen führen kann. SIL ist also eine klassische Risikobetrachtung. Durch die Sicherheitsberechnung wird das Gesamtrisiko der Anlage bzw. des Sicherheitskreises deutlich bzw. quantifizierbar und führt anschließend bei Verwendung der richtigen Komponenten zu einer hinreichenden Risikoreduzierung.

SIL-Anforderungen schränken die Auswahl an potentiellen Temperatur-Transmittern stark ein. Für die Prozesstechnik gilt: Derzeit werden ausschließlich 4 … 20 mA/Hart-Transmitter nach SIL zertifiziert. Dabei berücksichtigt die SIL-Betrachtung ausschließlich das 4 … 20 mA Signal, nicht jedoch die Messwertausgabe via Hart-Protokoll. Rein digitale Transmitter sind mit SIL-Klassifizierung derzeit nicht erhältlich.

Nachdem der Planer einer Anlage eine Risikobetrachtung durchgeführt und eine SIL-Klassifizierung vorgenommen hat, benötigt er nun genau für diesen SIL die entsprechenden Temperatur-Transmitter. In den meisten Fällen wird ein SIL2-Level erreicht werden. Es sind folgende Fragen zu beantworten:

  • Ist der Temperatur-Transmitter für SIL-Applikationen geeignet?
  • Für welchen SIL-Level maximal?
  • Sind redundante Systeme mit dem Temperatur-Transmitter möglich?
  • Welche PFD-Werte / SFF-Werte bietet der Transmitter mit welchem Sensor/Sensoranschluss? (SFF: Safe Failure Fraction, beschreibt den Anteil an ungefährlichen Fehlern, dieser Wert sollte sehr hoch sein, PFD: Probability of Failures on Demand, beschreibt die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers beim Eintreten einer Sicherheitsfunktion, dieser Wert sollte sehr gering sein.)
  • Welche TProof-Intervall-Werte werden angegeben? (TProof-Intervall: beschreibt die wiederkehrende Funktionsüberprüfung)

Der komplette Sicherheitskreis, also Sensor/Transmitter, Logikeinheit und Aktor ist als ein sicherheitsgerichtetes System zu betrachten, d.h. der SIL-Level also in der Summe aller Einzelkomponenten erreicht werden muss. Für die SIL-Berechnung wird gewöhnlich eine Gewichtung angesetzt von 35 Prozent für Sensor/Transmitter, 15 Prozent für die Logikeinheit und 50 Prozent für den Aktor.

Bei der SIL-Berechnung werden die PFD-Werte als auch die SFF-Werte aller im Sicherheitskreis verwendeten Komponenten addiert. Dazu benötigt der Planer die entsprechende FMEDA sowie die SIL-Konformitätsbescheinigung des Temperatur-Transmitter-Herstellers. Das Rechenergebnis ist mit dem zuvor gewählten SIL-Level und den Normwerten aus der IEC61511 zu vergleichen.

Werden die für den SIL-Level notwendigen Zahlen nicht erreicht, muss der Planer entweder zusätzliche bauliche Maßnahmen umsetzen, seine Systeme redundant auslegen oder andere geeignete Maßnahmen ergreifen, um sein Anlagenrisiko weiter zu reduzieren.

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