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Selbstkalibrierende Sensoren ausgezeichnet

| Redakteur: Bernhard Richter

Ein neuartiges Thermometer nutzt das physikalische Phänomen der Curie-Temperatur. Messgerätespezialist Endress+Hauser erhielt dafür den Hermes Award 2018.

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Das hygienische Thermometer I-Therm Trust Sens ist für Benutzer in der Pharma-, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, die eine lückenlose Übereinstimmung mit den FDA- bzw. GMP-Regeln benötigen.
Das hygienische Thermometer I-Therm Trust Sens ist für Benutzer in der Pharma-, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, die eine lückenlose Übereinstimmung mit den FDA- bzw. GMP-Regeln benötigen.
( Bild: Endress+Hauser )

Der I-Therm Trust Sens Sensor von Endress+Hauser arbeitet mit einem sogenannten integrierten Referenzsensor. Dazu nutzen die Ingenieure das physikalische Phänomen der Curie-Temperatur: An einem bestimmten Temperaturpunkt verändern sich die magnetischen Eigenschaften eines Materials abrupt. Sobald dieser Wert – etwa nach einer Dampfsterilisation – unterschritten wird, findet ein Abgleich beider Sensoren statt. Da die Curie-Temperatur immer konstant bleibt, liefert die Referenzsonde als Master einen stabilen Vergleichswert. So kann sich die Sonde bei jeder Reinigung oder Sterilisierung der Anlage – wie sie in der Lebensmittelindustrie und den Life Sciences üblich sind – selbst kalibrieren.

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Sensortechnologie für die Industrie 4.0

Der Mehrwert für die Anwender soll nach Aussage des Unternehmens enorm sein: In großen Anlagen sind oft hunderte Thermometer verbaut, die mehrmals pro Jahr kalibriert werden müssen. Bislang musste dafür der gesamte Prozess gestoppt und die Sensoren ausgebaut werden. All dies soll durch den neuartigen Sensor überflüssig werden. „Das Thermometer leistet einen wesentlichen Beitrag zur Implementierung von Industrie 4.0 in der Prozessindustrie“, sagte Jochen Köckler, CEO der Deutschen Messe AG, bei der Verleihung des Hermes Awards an Endress+Hauser auf der Hannover Messe 2018.

Das Thermometer I-Therm Trust Sens ist für Benutzer in der Pharma-, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie gedacht, die eine lückenlose Übereinstimmung mit den FDA bzw. GMP-Regeln benötigen. Es soll das Risiko von Nichtkonformitäten während der Produktion weitgehend eliminieren.

Automatisierte Dokumentation

Ein weiterer Vorteil ist die automatisierte Dokumentation mit einem Speicher für 350 Kalibrierpunkte sowie eine automatisierte Zertifikatserstellung und Dokumentation. Die Messgenauigkeit im Messbereich zwischen –40 °C und 160 °C wird durch Kennlinienanpassung (Sensor-Transmitter Matching) erreicht. Mit EHEDG, ASME BPE, FDA, 3-A, 1935/2004, 2023/2006, 10/2011, CE CRN, CSA General Purpose ist es außerdem weltweit zertifiziert und zugelassen. Aus der Selbstkalibrierung resultieren eine hohe Produktsicherheit und eine Steigerung der Anlagenauslastung. Eine fortlaufende Prozessverifizierung wird in den „Good Manufacturing Practice Regeln“ bereits empfohlen.

Durch Wechsel zur Temperatursensorfamilie I-Therm verbesserte das Unternehmen Chr. Jansen in Dänemark die Temperaturüberwachung, die kritisch ist für die Ultrahocherhitzung von Bakterienkulturen, die für Sauermilchprodukte wie z.B. Joghurt sowie andere Lebensmittel verwendet werden. Sowohl eine sehr genaue Temperaturkontrolle als auch eine sehr schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen sind wesentlich für die effiziente und sichere Produktion von Bakterienkulturen. Während der Behandlung muss die Temperatur über 139 °C gehalten werden, im schlimmsten Fall muss die Produktionscharge verworfen werden.

Ausführliche Tests mit dem Temperatursensor brachten überzeugende Ergebnisse. Dessen kurze Ansprechzeit ermöglicht die kontinuierliche Prozessüberwachung und die Einhaltung der Temperatur in einem sehr engen Bereich. Die Tests zeigten außerdem, dass der prognostizierte negative Einfluss des Schutzrohrs auf die Gesamtgenauigkeit kaum erfassbar war. So kann die für dieses kritische Gerät erforderliche Rekalibrierung ohne Unterbrechung des Prozesses durchgeführt werden.

Trotz Schutzrohr genau

Im UHT-Prozess wird ein Medium über eine definierte Zeitspanne Temperaturen größer 139 °C ausgesetzt. Eine sichere Sterilisation ist nur gewährleistet, wenn die Minimum-Temperatur nie unterschritten wird. Daher ist eine schnelle Reaktion des Steuerungssystems erforderlich, wenn die Temperatur sinkt und sich der Minimum-Temperatur nähert. Die Voraussetzung für diese Reaktion ist ein Temperatursensor mit einer sehr schnellen Ansprechzeit.

Ein Schutzrohr ist der Teil des Thermometers, das den eigentlichen Sensor (oder Einsatz) trägt und diesen vor rauen Prozessbedingungen schützt. Diese zusätzliche Barriere zwischen dem Sensor und dem Prozessmedium hat im Allgemeinen eine negative Auswirkung auf die Performance des Messgeräts. Zur Quantifizierung dieser erwarteten negativen Auswirkung auf die Messperformance wurden Testkalibrierungen sowohl mit als auch ohne Schutzrohr durchgeführt: Messabweichungen liegen unter 0,1 °C. Tests zur Ansprechzeit zeigten, dass die I-Therm-Quick-Sens-Technologie im Vergleich zu älteren Sensoren die Ansprechzeiten um mehr als 50 % reduzieren konnte.

Die Verwendung von Schutzrohren bietet einen erheblichen Vorteil: Während der Rekalibrierung kann der Prozess geschlossen bleiben, da das Schutzrohr in der Anlage verbleibt, während der Sensor selbst für die Kalibrierung ausgebaut wird. Die Entnahme des Sensors für die Nachkalibrierung ist laut Aussage von Endres+Hauser sehr einfach: Der so genannte Quick Neck ermöglicht die werkzeugfreie Entnahme des gesamten oberen Teils des Sensors aus dem Schutzrohr mit nur einer Drehung. Es müssen kein Gehäuse geöffnet oder Kabel abgezogen werden.

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