Aufbruch in neue Einsatzbereiche

Neue Temperaturmesseinsätze mit Pt100 Eine neue Generation von Pt100 Messeinsätzen hilft, Produktionsanlagen präziser zu steuern und so das Optimum mit maximaler Prozesssicherheit herauszuholen.

Sensorkappenfertigung

Sensorkappenfertigung

Thermometer in der Prozessautomatisierung sind nach der DIN 43772 aufgebaut. Auf den ersten Blick ist 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.

Thermoelemente können sehr hohe Temperaturen messen, haben gute Ansprechzeiten und sind unempfindlich bei Vibrationen. Ihr Nachteil ist die Genauigkeit. Nicht nur sind die Grundabweichungen recht hoch, Thermoelemente haben zudem eine deutliche Langzeitdrift. Deshalb haben sich in der Prozessautomatisierung die wesentlich genaueren Pt100-Sensoren durchgesetzt. Ihre Genauigkeit wird in Genauigkeitsklassen definiert. Bereits die Einstiegsklasse B ist einem Thermoelement weit überlegen. Da auch Pt100 Sensoren Einschränkungen aufweisen, finden auch die Thermoelemente weiterhin Anwendungen. Die Einsatzgrenzen von Pt100-Messeinsätzen sind stark von ihrem Aufbau abhängig. Einschränkungen stellen die bisher möglichen Maximaltemperaturen von 400° C für Dünnfilm-Pt100 und 600° C für drahtgewickelte Pt100-Sensoren sowie eine höhere Empfindlichkeit bei starken Vibrationen dar. Dünnfilmsensoren vertragen mehr Vibrationen als die drahtgewickelten Pt100-Sensoren.

Jeder Pt100-Sensor wird exakt in der Sensorkappe positioniert.

Jeder Pt100-Sensor wird exakt in der Sensorkappe positioniert.

Pt100-Messeinsätze jetzt auch vibrationsfest

Diese Einschränkungen veranlassten Endress+Hauser, neue Messeinsätzen mit hoher Genauigkeit und Langzeitstabilität bei großer Vibrationsresistenz zu entwickeln. Auf der Basis von Dünnschichtsensoren gelang es mit dem TS111, die Eigenschaften deutlich zu verbessern und die Einsatzgrenzen für die Dünnfilmtechnik enorm zu erweitern.

Als Herz des Thermometers haben Messeinsätze direkten Einfluss auf die messtechnischen Eigenschaften der gesamten Temperaturmessstelle, wie Messgenauigkeit und thermische Ansprechzeit. Obwohl sie scheinbar einfach und identisch aufgebaut sind – ein Pt100-Messwiderstand mit typischerweise vier voneinander elektrisch isolierten Anschlussleitungen in einem Rohr –, unterscheiden sich die Pt100-Messeinsätze verschiedener Hersteller deutlich. Auch hier zählen letztlich die „inneren Werte“: Die konkrete Konstruktion der Sensorspitze, die aufgewendete Sorgfalt und viele Details bei seiner Fertigung, die den Anwender verborgen bleiben, entscheiden über ihre tatsächliche Qualität.

Pt100 Messeinsätze der neuen Generation von Endress+Hauser

Pt100 Messeinsätze der neuen Generation von Endress+Hauser

Problem teilmanueller Aufbau

Für höhere Einsatztemperaturen ist die Verwendung mineralisolierter Mantelleitungen mittlerweile Standard. 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 möglichst 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.

Natürlich bleiben dabei Qualitätsschwankungen nicht aus, etwa 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 zu Leitungsbrüchen führen. 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 wirklich zufriedenstellend mit gleichbleibender Qualität realisieren. Gerade die Art des verwendeten Pt100-Sensorelements, seine Einbettung und Kapselung sind aber wesentlich für die spätere Kennlinien-Langzeitstabilität und die mechanische Belastbarkeit des Messeinsatzes unter Prozessbedingungen.

Automatisierte Fertigung für höchste Qualität

Endress+Hauser verfolgt seit einiger Zeit ein neues Konzept für die Fertigung seiner Pt100-Messeinsätze. Erstes Ergebnis dieser Entwicklung war der iTHERM® TS111 StrongSens. Dieser neue Messeinsatz mit Pt100-Dünnschichtsensorelement hat 6 mm Außendurchmesser und bewährt sich seit zwei Jahren im Einsatz. Er ist für Dauereinsatztemperaturen von -50 bis +500° C geeignet und kombiniert überdurchschnittliche messtechnische Eigenschaften mit exzellenter mechanischer Robustheit. Neben thermischen Ansprechzeiten t90 von unter 10 s, minimalen Eigenerwärmungsfehlern von ≤ 25 m/mW, hoher Langzeit-Kennlinienstabilität und Messgenauigkeit, selbst bei maximaler Einsatztemperatur, zeichnet er sich durch eine dauerhafte Vibrationsbeständigkeit selbst bei Beschleunigungen über 600 m/s2 (≥ 60 g) aus. In dieser Kombination von Eigenschaften ist der iTHERM StrongSens derzeit wohl einzigartig.

Das „Geheimnis“ liegt in der Konstruktion dieses Messeinsatzes. Zwar wird auch hier eine mineralisolierte Mantelleitung verwendet, völlig neu sind jedoch der strikt modulare Aufbau und die innovative Gestaltung der Messeinsatzspitze mit dem Pt100-Sensorelement. Auf die Verwendung von Keramikpulver zur Verfüllung wird verzichtet. Stattdessen ist das Pt100-Dünnschichtsensorelement fest und hohlraumfrei in einer mit Keramikvergussmasse gefüllten Kappe eingebettet. Ein Keramikformteil dient als Verbindungselement zwischen den Anschlussdrähten des Sensorelements und den Innenleitern der Mantelleitung. Diese werden bei der späteren Montage miteinander verschweißt. Dieses Modul „Sensorkappe“ wird unabhängig vom eigentlichen Messeinsatz gefertigt und kann, beispielsweise durch die Verwendung eines anderen Sensorelements oder eines anderen Kappenmaterials, einfach modifiziert und an spezielle Kundenwünsche angepasst werden.

Schnelle Ansprechzeiten mit iTHERM QuickSens

Auf derselben technischen 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. So wird die Wärme direkt in den Sensor übertragen. Zusätzlich erlaubt diese Konstruktion sehr kurze Eintauchtiefen. In beiden Varianten der QuickSens-Messeinsätze mit 3 und 6 mm Außendurchmesser ist die minimale Eintauchtiefe bei 100°C gemäß IEC 60751 von nur 25 mm gegeben. Auch hier kommt eine Keramikvergussmasse zum Einsatz. Der so aufgebaute Messeinsatz kann in einem Temperaturbereich von – 50 bis +200° C eingesetzt werden. Durch die schnelle Ansprechzeit kann die Temperatur sehr viel näher an der optimalen Prozesstemperatur gefahren werden, wodurch auch Energie eingespart werden kann.

Kein Stillstand in der Entwicklung

Eine besondere Hochtemperaturvariante für Einsätze über 600° C befindet sich derzeit in einer vielversprechenden Erprobungsphase. Die Kombination von Messgenauigkeit, Langzeitstabilität eines Pt100 und extremer Robustheit sind bisher unerreicht. Sie ermöglicht in einigen Anwendungen eine Optimierung des Wirkungsgrads der Anlage. Auch Messeinsätze mit unterschiedlichen Außendurchmessern sind realisierbar. Durch die Verwendung des Keramik-Steckadapters ist ein Baukastensystem entstanden, aus dem unterschiedliche Sensorkappenvarianten mit diversen Mantelleitungen sehr einfach kombinierbar werden.

100 % Rückverfolgbarkeit

Für die komplexe Fertigung der Sensorkappen, die Bearbeitung der Mantelleitungen, die Montage und Verschweißung von Mantelleitung und Kappe sowie für die Prüfungen der fertigen Messeinsätze entwickelte und implementierte Endress+Hauser eine eigene, komplett neue Fertigungstechnologie. Die Pt100-Messeinsätze werden in der neuen Anlage nahezu vollautomatisch gefertigt und geprüft. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die gleich bleibend hohe Qualität und hundertprozentige Rückverfolgbarkeit dieser neuen Generation von Messeinsätzen.

Alle ausgelieferten Messeinsätze werden auf die Einhaltung ihrer spezifizierten, überdurchschnittlichen Eigenschaften geprüft. Ebenso wird die Qualität der Schweißverbindungen überwacht sowie die Einhaltung der eng tolerierten äußeren Maße. Der Widerstandswert jedes einzelnen Pt100-Messeinsatzes wird mindestens bei 0° C gemessen. Anhand dessen erfolgt die Klassifizierung in die Toleranzklassen A oder besser gemäß IEC 60751. Ebenso wird bei jedem Messeinsatz eine Bestimmung des Isolationswiderstandes sowie der Spannungsfestigkeit zwischen Anschlussleitungen und Metallmantel mit typischerweise ≥ 1000 V DC durchgeführt. Alle diese Messwerte sind in Endress+Hauser Datenbanken abgelegt und für den späteren Käufer über die Seriennummer abrufbar. Natürlich sind die Chargennummern aller verbauten Materialien und Komponenten dokumentiert und rückverfolgbar.

Mit dieser neuen Generation von Pt100-Messeinsätzen übernahm Endress+Hauser nicht nur die Technologieführerschaft in diesem Bereich und setzte neue Maßstäbe, was die messtechnischen und mechanischen Eigenschaften von Thermometer-Messeinsätzen betrifft. Damit verbunden ist auch ein Paradigmenwechsel bei der Endress+Hauser Wetzer GmbH weg von der Manufaktur hin zu einer automatisierten Großserienfertigung.

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