Werden Verantwortliche und Anlagenbetreiber befragt, worin sie derzeit das größte Verbesserungspotenzial bei ihren Temperaturmessstellen sehen, stehen Vereinfachungen bei der Ein- und Anbindung von Transmitter-Elektroniken an die Leittechnik an erster Stelle. Auch praxisgerechtere Diagnose- und Überwachungsfunktionalitäten sowie optimierte Schutzrohre sind gefragt, die nicht nur mechanisch robust genug sind, sondern auch eine ausreichend schnelle und fehlerarme Temperaturmessung ermöglichen. Nur wenige Praktiker werden antworten, sie wünschten sich bessere Thermometer-Messeinsätze.

Dies mag daran liegen, dass die heute eingesetzten Messeinsätze meist scheinbar problemlos funktionieren und nur bei einem Sensor- oder Leitungsbruch wirklich auffällig werden. Nur ganz vorsichtige Anwender überprüfen ihre Thermometer-Messeinsätze tatsächlich regelmäßig, kalibrieren sie oder ersetzen sie vorbeugend zyklisch durch Neugeräte. Aufgetretene Alterungen des Pt100-Sensorelements und damit verbundene Kennliniendriften, die direkt zu Messfehlern führen, werden so aber nur selten erkannt und oft unterschätzt.

Dabei sind die Messeinsätze quasi das Herz des Thermometers. Sie haben di­rekten Einfluss auf die messtechnischen Eigenschaften der gesamten Temperaturmessstelle wie etwa Messgenauigkeit und thermische Ansprechzeit. Obwohl sie scheinbar einfach und von außen betrachtet gleich aufgebaut sind, unterscheiden sich die Pt100-Messeinsätze verschiedener Hersteller im Detail durchaus deutlich. Letztlich ausschlaggebend sind die „inneren Werte“: Die konkrete Konstruktion der Sensorspitze, die Sorgfalt und vermeintliche Kleinigkeiten bei ihrer Fertigung, von denen der Anwender per se nichts weiß, entscheiden über ihre tatsächliche Qualität.

Standard ist heute die Verwendung so genannter mineralisolierter Mantelleitungen. 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 und sind für die Herstellung eines Messeinsatzes 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 beziehungsweise 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 die Standard-Fertigungstechnologie für solche Messeinsätze, die zu einem Großteil manuell ausgeführt wird. Somit sind Qualitätsschwankungen quasi an der Tagesordnung.

Beispiele sind 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. Das ausreichend kompakte und dichte Verfüllen mit möglichst reinem, trockenem Keramikpulver sowie das sichere Einbetten des Pt100-Elements gestalten sich aufwendig und lassen sich trotz des Einsatzes von Rüttelapparaturen oder ähnlichem in der Praxis kaum zufriedenstellend mit gleichbleibender Qualität realisieren. 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.

„iTherm TA30R“ ist ein Anschlusskopf in IP69K. Die niedrige Gehäusekante des Unterteils reduziert Installations- und Wartungskosten.

© Endress+Hauser

Ein anderes Konzept für die Fertigung der Pt100-Messeinsätze verfolgt Endress+ Hauser, wobei das „Geheimnis“ in der patentierten Konstruktion des Mess-einsatzes liegt. Zwar dient auch hier eine mineralisolierte Mantelleitung als Basis, neu sind jedoch der modulare Aufbau sowie die Gestaltung der Messeinsatzspitze mit dem Pt100-Sensorelement. Keramikpulver zur Verfüllung kommt nicht zum Einsatz; stattdessen ist das Pt100-Dünnschicht-Sensorelement in einer mit einer speziellen Keramikvergussmasse gefüllten Kappe fest und hohlraumfrei eingebettet. Ein relativ komplexes Keramikformteil dient als Verbindungselement zwischen den Anschlussdrähten des Sensorelements und den Innenleitern der Mantelleitung, die bei der späteren Montage miteinander verschweißt werden.
Das Modul „Sensorkappe“ wird unabhängig vom eigentlichen Messeinsatz gefertigt. So wird beispielsweise beim „iTherm QuickSens“ der Primärsensor Pt100 direkt mit dem Boden der Sensorkappe verbunden. Sobald eine Änderung der Temperatur im Prozess stattfindet, wird diese direkt in den Primärsensor übertragen, was für hohe Prozessqualität sowie eine sichere Regelung näher am Prozesslimit sorgt. Demgegenüber wird der Primärsensor Pt100 für den „iTherm StrongSens“ in der Sensorkappe vollständig in eine Keramikvergussmasse eingebettet, was für eine lange Lebenszeit auch unter extremen Bedingungen wie zum Beispiel bei starken Vibrationen sorgt.

In der neuen Thermometerfamilie TM4xx-Linie wurden neben dem Mess-einsatz weitere Elemente eingeführt. Doch was sind die Features der Thermometerfamilie „TM4xx“ für den Food- und Pharma-Bereich im Einzelnen?

Das modulare Portfolio mit hygienischem/aseptischem Design bietet zum einen eine Vielfalt an Varianten – zum Beispiel über 50 unterschiedliche Prozessanschlüsse. Vier Standardprodukte genügen, um die Anforderungen der Zielindustrien zu erfüllen. Um länderspezifischen Standards Rechnung zu tragen, gibt es sowohl metrische als auch zöllige Varianten, die die gängigen internationalen Standards sowie Zulassungen/Zertifikate (3-A, EHEDG, ASME BPE, FDA) erfüllen.

Zusätzliche Unterstützung bieten kostenlose Softwaretools wie der „Applicator“ mit integriertem Schutzrohr-Berechnungsprogramm sowie der grafische Produktkonfigurator „Temperatur“ mit integrierter Wissensdatenbank und Rechenmodul für die Loop-Genauigkeit.

Zur Herstellung der Messeinsätze für die neuen iTherm-Varianten „QuickSens“ und „StrongSens“ wurde die Fertigung automatisiert, um die Repro­du­zierbarkeit sowie die lückenlose Rückverfolgbarkeit der verbauten Bestand­teile konform zur Richtlinie IEC 60751 zu gewährleisten. Für die Fertigung der Sensorkappen, die Bearbeitung der Mantelleitungen, die Montage und Verschweißung von Mantelleitung und Kappe sowie für die Prüfungen der fertigen Messeinsätze wurde eine komplett neue Fertigungstechnologie entwickelt und umgesetzt. Die Pt100-Messeinsätze werden in der Anlage in großen Stückzahlen nahezu vollautomatisch gefertigt und geprüft.

Im Ergebnis bietet der neue QuickSens-Messeinsatz Ansprechzeiten von 0,75 s in der Variante „t90“. Zudem konnte die Mindest-Eintauchlängen reduziert werden, um ein reproduzierbares Mess-Ergebnis im Prozess zu erhalten. Betrug die empfohlene Eintauchlänge für einen 3-mm-Messeinsatz bislang 80 mm und für einen 6-mm-Messeinsatz 120 mm (entspricht der Mindest-Eintauchlänge für die Kalibrierung bei 0 bis 150 °C), so reduziert die neue Technologie die nötige Eintauchtiefe um mehr als 70 %: Eine Eintauchlänge von 20 bis 30 mm genügt für den iTherm Quicksens. Abgedeckt werden Applikationen in einem Messbereich von –50 bis +200 °C.

Für Anlagen, die Vibrationen ausgesetzt sind, gibt es die Variante „iTherm StrongSens“, der auch Stoß- und Schwingungen von >60 g (getestet 63 g) nichts anhaben können. Das Thermometer ist im Bereich von –50 bis +500 °C einsetzbar.

Autor: Giovanni Colucci ist Produktmanager Temperaturmesstechnik bei Endress+Hauser in Weil am Rhein.