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Aktuelle Generation von Pt100-Messeinsätzen ist vibrationsbeständig und sehr genau : Ausgabe 19/2015, 19.11.2015

Heisslaufende Teile erkennen und ­Schäden verhindern

Obwohl ein Pt100-Messwiderstand mit typischerweise vier voneinander elektrisch isolierten Anschluss­leitungen in einem Rohr scheinbar einfach und von aussen betrachtet standardisiert aufgebaut ist, unterscheiden sich die Pt100-Messeinsätze verschiedener Hersteller deutlich im Detail. Letztlich zählen aber die inneren Werte.

Autor: Dirk Lahme, Produktmanager Temperatur Endress+Hauser, DE-Weil am Rhein

Bilder: Endress+Hauser

Störungen und Stillstände, die längere Ausfallzeiten verursachen, versucht jeder Anlagenbetreiber zu vermeiden. Denn diese Ausfälle sind immer mit hohen Kosten für den Betreiber verbunden. Nicht alleine die Reparaturkosten sind höher als bei einer geplanten Wartung, nicht selten geht auch das Produkt verloren. Ganz abgesehen davon, dass Liefertermine nicht eingehalten werden können. Die Beziehung zum Kunden wird belastet.

Immer mehr Anlagenbauer und Betreiber überwachen aus diesem Grund auch die Temperaturen, nicht nur an Motoren und Getrieben, sondern auch an Lagern, Rollen und anderen Stellen, wo Reibung entstehen kann. Denn wenn hier etwas nicht mehr gut läuft, steigt durch die erhöhte Reibung sehr schnell die Temperatur. Wird die Temperatur überwacht, kann die Steuerung der Anlage eingreifen, bevor ein Lager gefressen hat oder ein Gurt aufgerieben ist, sprich ein grösserer Schaden entstanden ist. Die Sicherheit erhöht sich, denn heisslaufende Maschinenteile werden frühzeitig erkannt.

Thermoelemente statt herkömmliche Pt100

Ein Temperatursensor ist für sich alleine ein empfindliches Bauteil. Sein Einsatz in derGrundstoffindustrie erfordert Heavy-Duty-Technik. Zugkräfte, Schläge, Vibrationen haben hier eine andere Grössenordnung. Ein einfacher Temperatursensor hält ungeschützt nicht lange durch.

Messtechnisch haben sich in der Prozessautomatisierung für Temperaturen bis 600 °C längst Pt100 durchgesetzt. Sie bieten enorme Vorteile bei der Genauigkeit und Langzeitstabilität. Nur hatten Pt100 bis vor ein paar Jahren einen Nachteil: extreme Schläge und Vibrationen, die in der Grundstoffindustrie auftreten, haben zu relativ kurzen Lebenszeiten geführt.

Aus dem Grund wurde oft auf Thermoelemente zurückgegriffen. Sie sind einfach aufgebaut. Und weil Thermoelemente eine geringe Eigenmasse haben, sind sie gegen Vibrationen sehr resistent. Sie haben allerdings auch Nachteile. Ihre Messabweichung ist relativ hoch und die Langzeitstabilität von Thermoelementen vergleichsweise gering. Schon beim Einbau liefern Thermoelemente einen relativ ungenauen Messwert, der über die Betriebszeit unbestimmt wegdriftet. Für eine genaue Messung ist das nicht ausreichend.

Endress+Hauser hat sich intensiv mit diesen Schwierigkeiten auseinandergesetzt und einen Messeinsatz mit Pt100 entwickelt, der die Vorteile von Thermoelementen mit den Vorteilen der Pt100 verbindet. Weil er extrem vibrationsresistent ist (>60 g), wurde er StrongSens genannt. Er passt in jedes Thermometer, das nach der DIN43772 aufgebaut ist. Damit ist die Anpassung für fast alle Anwendungen realisierbar. Eingeführt wurde der Messeinsatz TS111 StrongSens vor drei Jahren. In der Zwischenzeit hat er sich in vielen Anwendungen bewiesen, die durch extreme Bedingungen bisher höchstens den Einsatz von Thermoelementen erlaubten. Mit der neuen Technik des Strong­Sens können heute die Anlagen genauer gesteuert und der Wartungsaufwand reduziert werden, womit direkt Kosten reduziert werden können. Durch die genauere Messung wird schneller sichtbar ob sich eine Lagertemperatur wirklich erhöht, da ein Driften der Messung ausgeschlossen werden kann. Kalibrationszyklen können verlängert werden, wenn überhaupt noch Bedarf für eine Kalibration vorhanden ist.

Qualität von Sensorspitze und Isolation sind entscheidend

Die konkrete Konstruktion der Sensorspitze, die aufgewendete Sorgfalt und viele vermeintliche Kleinigkeiten bei seiner Fertigung, von denen der Anwender oft nichts weiss, entscheiden über die Qualität eines Pt100. Für höhere Einsatztemperaturen ist mittlerweile überall die Verwendung so genannter mineralisolierter Mantelleitungen der Standard. Sie enthalten Anschlussleitungen aus Kupfer, Nickel oder Nickel/Chrom, an welche 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 Standardfertigungstechnologie für solche Messeinsätze, die zu einem Grossteil immer noch manuell ausgeführt wird. Natürlich bleiben dabei Qualitätsschwankungen nicht aus. Verunreinigungen, die das Pt100-Sensorelemente bei höheren Temperaturen schneller altern lassen, eingedrungene Luftfeuchtigkeit, welche den Isolationswiderstand der Leitung herabsetzt oder verbleibende Hohlräume im Bereich der Messeinsatzspitze, die bei Vibrationen zu Leitungsbrüchen führen, sind hier nur beispielhaft zu nennen. 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 gleich bleibender Qualität realisieren.

Spezielle Keramikvergussmasse

Gerade die Art des verwendeten Pt100-Sensorelements, seine Einbettung und Kapselung sind aber wesentlich für die spätere Langzeit-Kennlinienstabilität und die mechanische Belastbarkeit des Messeinsatzes unter Prozessbedingungen.

Endress+Hauser verfolgt seit einiger Zeit ein völlig neues Konzept für die Fertigung seiner Pt100-Messeinsätze. Erstes Ergebnis dieser Produkt- und Fertigungsentwicklung war der iTHERM TS111 StrongSens. Der neue Messeinsatz von Endress+Hauser mit Pt100-Dünnschichtsensorelement hat 6 mm Aussendurchmesser und hat sich in den letzten zwei Jahren im Einsatz bewährt. Er ist für Dauereinsatztemperaturen im Bereich –50 bis +500 °C geeignet und kombiniert überdurchschnittliche messtechnische Eigenschaften mit exzellenter mechanischer Robustheit. Neben thermischen Ansprechzeiten t90 von kleiner 10  s, gemessen nach IEC 60751 in Wasser, minimalen Eigenerwärmungsfehlern von weniger als 25 mΩ/mW, hoher Langzeit-Kennlinienstabilität und Messgenauigkeit, selbst bei maximaler Einsatztemperatur, zeichnet er sich beispielsweise durch eine dauerhafte Vibrationsbeständigkeit selbst bei Beschleunigungen von ≥600 ­m/s2 (≥60 g) aus. Der iTHERM StrongSens ist in dieser Kombination von Eigenschaften derzeit wohl einzigartig auf dem Markt.

Das Geheimnis liegt in der Konstruktion dieses Messeinsatzes. Zwar wird auch hier eine mineralisolierte Mantelleitung als Basis verwendet, doch völlig neu sind der strikt modulare Aufbau und die innovative Gestaltung der Messeinsatzspitze mit dem Pt100-Sensorelement. Die Verfüllung verzichtet ganz auf Keramikpulver. Stattdessen ist das Pt100-Dünnschichtsensorelement in einer Kappe, gefüllt mit einer speziellen Keramikvergussmasse, fest und hohlraumfrei eingebettet. Ein relativ komplexes Keramikformteil dient als Verbindungselement zwischen den Anschlussdrähten des Sensorelements und den Innenleitern der Mantelleitung, welche bei der späteren Montage miteinander verschweisst werden.

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 hat Endress+Hauser eine eigene, komplett neue Fertigungstechnologie entwickelt und umgesetzt. Die Pt100-Messeinsätze werden in der neuen Anlage in grossen Stückzahlen nahezu vollautomatisch gefertigt und geprüft. Dies ist eine wesent-liche Voraussetzung für die gleichbleibend hohe Qualität und Rückverfolgbarkeit dieser neuen Generation von Messeinsätzen.

Einhaltung der Eigenschaften werden geprüft

Alle ausgelieferten Messeinsätze werden auf die Einhaltung ihrer Eigenschaften geprüft. Darüber hinaus 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 und anhand dessen wird eine Klassifizierung in die Toleranzklassen A oder besser gemäss IEC 60751 vorgenommen. Ebenfalls wird bei jedem Messeinsatz eine Bestimmung des Isolationswiderstandswertes sowie der Spannungsfestigkeit zwischen Anschlussleitungen und Metallmantel mit typischerweise ≥1000 VDC durchgeführt.

Alle diese Messwerte sind in einer firmen­eigenen Datenbank abgelegt und für den späteren Käufer des jeweiligen Messeinsatzes über die Seriennummer abrufbar. Natürlich sind alle jeweils verbauten Materialien und Komponenten mit Hinblick auf ihre Chargennummern dokumentiert und somit eindeutig rückverfolgbar.

Mit dieser neuen Generation von Pt100-Messeinsätzen übernahm Endress+Hauser die Technologieführerschaft in diesem Bereich und setzte neue Massstäbe, was die messtechnischen und mechanischen Eigenschaften von Thermometer-Messeinsätzen betrifft. Damit verbunden ist auch ein seit Langem fälliger Paradigmenwechsel bei der Endress+Hauser-Wetzer-Fertigung – weg von der teuren Manufaktur hin zu einer automatisierten Grossserienfertigung auf qualitativ und technologisch hohem Niveau. 

Infoservice


Endress+Hauser Metso AG
Kägenstrasse 2, 4153 Reinach
Tel. 061 715 75 75, Fax 061 715 27 75
info@ch.endress.com, www.ch.endress.com 
sps ipc drives: Halle 4A, Stand 135



Das Pt100-Element befindet sich in einer Kappe, die mit einer Keramikvergussmasse gefüllt ist


Endprüfung der Genauigkeit und Isolation der Pt100-Elemente

Endress+Hauser im swissT.net

Sektion 22: Industrielle Mess- & Regeltechnik