Vorteil Selbstüberwachung

Kalibrierfreier Temperatursensor für mehr Sicherheit und weniger Kosten

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15.03.2010 In der Lebensmittelindustrie verlangen viele Prozesse eine genaue Temperaturmessung. Herkömmliche Temperatursensoren müssen deshalb regelmäßig kalibriert werden. Mit dem Temperatursensor TAD ist dies überflüssig: Er erkennt selbstständig eine auftretende Drift und meldet dies. Die Firma Wild, Produzent von natürlichen Inhaltsstoffen für die Getränkeindustrie, war eine der Ersten, die den TAD eingesetzt haben.

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Entscheider-Facts Für Anwender


  • Langzeittests sowie Erfahrungen des Lieferanten der verwendeten Sensorelemente haben den Hersteller bewogen, für den Temperatursensor TAD eine erweiterte Funktionsgarantie zu definieren. Diese Garantie umfasst die Drifterkennung innerhalb der eingestellten Driftgrenzen für fünf Jahre.
  • In diesem Zeitraum muss ein herkömmlicher Sensor neun mal kalibriert werden und verursacht also Folgekosten von 2520,- Euro (9 x 280,00 Euro). Zu den Kosten für Kalibrierung addieren sich darüber hinaus noch die Kosten für Ein- und Ausbau der Sensoren, Zeitaufwendungen für die Kalibrierung selbst, gegebenenfalls Produktionsausfall, Logistikkosten etc.
  • Dies kann sich schnell zu einer weiteren Kostenbelastung entwickeln. Im Vergleich dazu verhilft der TAD mit Anschaffungskosten von ca. 285,- Euro, der automatischen Drifterkennung und dem einmaligen und planbaren Austausch zu einer Kostenersparnis von bis zu 95%.

Aus Fruchtsaftkonzentraten hochwertige Getränkegrundstoffe herstellen, darauf hat sich das Unternehmen Wild seit fast 80 Jahren spezialisiert. „Unsere Rohstoffe sind Naturprodukte, deren Eigenschaften je nach Standort und Klima schwanken. Wir sorgen dafür, dass unsere Produkte dennoch immer demselben Standard entsprechen, beispielsweise im Geschmack oder in der Farbe“, so Dirk Schweikert, Vice President Quality Management. Dafür sind neben langjähriger Erfahrung im Anlagenbau auch Sensoren notwendig, die hochgenaue und reproduzierbare Messergebnisse liefern.

Genauigkeit durch Kalibrieren

Wie in vielen anderen Bereichen der Lebensmittelindustrie ist auch bei der Herstellung von Fruchtsaftkonzentraten und Grundstoffen die genaue Temperaturmessung Voraussetzung für eine spezifizierte Produktqualität.

Ein wichtiger Anlagenteil ist der Pasteur am Ende des Herstellungsprozesses. Er erhitzt die fertigen Grundstoffe, um vorhandene Keime und Bakterien abzutöten. Dabei müssen ein definierter Zeitraum und ein Temperaturverlauf exakt eingehalten werden, andernfalls wäre das Produkt nicht mehr zu gebrauchen. Im Zu- und Ablauf des Pasteurs ist deshalb eine zuverlässige und genaue Temperaturüberwachung erforderlich. Um dies zu erreichen, müssen herkömmliche Temperatursensoren regelmäßig kalibriert werden.
Bei der Kalibrierung eines Temperatursensors wird das Messsignal des entsprechenden Sensors mit einem Referenzsensor, der um ein Vielfaches genauer ist, verglichen. Die Kosten für eine Dreipunkt-Kalibrierung liegen schätzungsweise bei rund 280 Euro. Hinzu kommen der Ein- und Ausbau des Sensors und – je nach Anlagenkonzeption– Produktionsstillstand.
Wild besitzt für diese Zwecke eigenes Kalibrierungs-Equipment. „Wir kalibrieren unsere herkömmlichen Temperatursensoren zweimal im Jahr, meist amWochenende, um Produktionsausfälle zu vermeiden. Pro Sensor dauert der Vorgang inklusive Ein- und Ausbau etwa eine dreiviertel Stunde“, so Kathrin Preuß, Engineering Director.

Auf Herz und Nieren geprüft

Wild prüft die Lieferanten von technischem Equipment besonders fachmännisch. Denn das Unternehmen hat sich nicht nur auf die Herstellung von natürlichen Zutaten für Lebensmittel und Getränke spezialisiert, sondern zudem selbst einen technischen Geschäftsbereich aufgebaut. Indag, das Engineering Center von Wild, plant und konstruiert Ausmischanlagen für die Getränkeindustrie und Milchwirtschaft. Auch die Beutelmaschinen und Abfüllanlagen für das Fruchtsaftgetränk Capri-Sonne werden von Indag hergestellt.

Im Jahr 2005 kam ein Automatisierungs-Spezialist mit einem neuartigen Temperatursensor auf Wild zu. „Kalibrierfrei und selbstüberwachend“ lautete die magische Formel des neuen Temperatursensors TAD. Schnell erkannte Wild das Einsparpotenzial. Zwei Jahre lang wurde der Sensor im Rahmen von Feldtests „auf Herz und Nieren“ geprüft.
Wild schätzt die Zusammenarbeit mit den Partnern aus der Automatisierungsindustrie: „Im Rahmen von Feldtests können wir im gewissen Rahmen Einfluss auf das endgültige Produkt nehmen. Außerdem können wir das Gerät intensiv prüfen“, so Kathrin Preuß. Auch beim TAD wurden gemeinsam mit den Entwicklern des Herstellers beispielsweise die Software und der Prozessanschluss auf die Anforderungen der Lebensmittelindustrie hin optimiert. In enger Zusammenarbeit zwischen Wild und den Entwicklern entstand Ende 2006 dann das serienfertige Endprodukt.
Bei kritischen Prozessschritten, den sogenannten CCPs (Critical Control Points), setzt Wild seitdem die kalibrierfreien und selbstüberwachenden Temperatursensoren TAD ein. Kathrin Preuß erklärt: „Bei diesen Sensoren prüfen und kalibrieren wir derzeit nur einmal im Jahr. In Zukunft werden wir aufgrund der gesammelten Erfahrung in Abstimmung mit dem Qualitätsmanagement dieses Intervall deutlich verlängern können“. Der Grund: Der Sensor selbst liefert ein Signal, wenn er durch Drift an Genauigkeit verliert.

Ungenau durch Stress

Hat sich die Genauigkeit des Sensors verschlechtert, so spricht man von einer Drift. Drifterscheinungen sind auf thermischen oder mechanischen Stress zurückzuführen, dem der Temperatursensor ausgesetzt ist. Mechanischer Stress entsteht beispielsweise durch häufige Druckschwankungen, Vibrationen oder Schockbelastungen. Thermischer Stress entsteht durch große Temperaturänderungen in kurzer Zeit. Da Temperatursensoren aber wechselnde Temperaturen erfassen sollen, sind Drifterscheinungen bei Temperatursensoren untrennbar mit dem Prozess verbunden. Gerade in der Lebensmittelindustrie erzeugen die regelmäßigen Reinigungsprozesse (CIP, SIP) extreme Temperaturschocks, die den Sensor extrem stressen und so eine Drift zwangsläufig heraufbeschwören.

Das Geheimnis des TAD

Um auftretende Temperaturdrift zu erkennen, muss der Abgleich mit der Referenz automatisiert werden. Genau hier setzt der kalibrierfreie Temperatursensor TAD an. Standard-Temperatursensoren verfügen über ein Widerstandsmesselement, das in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie sehr häufig der Genauigkeitsklasse A gemäß DIN EN 60751 entspricht. Im Temperatursensor TAD ist ein Widerstandsmesselement (Pt1000) integriert. Dieses Widerstandselement wird vom Hersteller speziell vermessen und vorselektiert und ist daher etwa um den Faktor 4 genauer als die üblicherweise verwendete Klasse A.

Um ein Vergleichssignal zu haben, verfügt die Messspitze des TAD zusätzlich über ein langzeitstabiles NTC-Messelement, welches im Produktionsprozess des Sensors mit der Kennlinie des Pt-Elements „gematcht“ wird. Unter „Matching“ versteht man das Angleichen zweier Komponenten oder Kennlinien aneinander. Der konstruktive Aufbau wird als diversitär-redundant bezeichnet – diversitär, weil die verwendeten Messelemente über unterschiedliche Kennlinien verfügen, und redundant, weil in die Messspitze zwei Messelemente integriert sind.
Im normalen Betrieb arbeitet der Temperatursensor TAD also mit zwei unterschiedlichen Messelementen. Dies führt dazu, dass bei Ausfall eines Messelements der Prozess mit dem zweiten Messelement noch sicher beendet werden kann (Backup-Funktion). Die Elektronik des Temperatursensors TAD bildet den Mittelwert der gemessenen Temperaturen und stellt einen temperaturproportionalen Analogausgang 4…20 mA zur Verfügung. Während des Betriebs wird die Differenz der beiden Temperaturen mit zwei einstellbaren Schwellwerten verglichen. Den ersten Schwellwert bezeichnet man als Drift-Warngrenze, den zweiten als Drift-Alarmgrenze.
Um eine Drahtbruchüberwachung zu gewährleisten, liegt auf dem Diagnoseausgang im normalen Betrieb ein 24-V-Signal. Wird die Drift-Warngrenze überschritten, so taktet der Diagnoseausgang mit einer Frequenz von 2Hz. Über Timer kann das Signal in jeder Steuerung ausgewertet werden. Wird auch die Drift-Alarmgrenze überschritten, so schaltet der Diagnoseausgang, und es liegt dauerhaft ein 0-V-Signal an.

Der Vorteil: die Selbstüberwachung

In der Selbstüberwachung liegt letztendlich die Neuerung des Temperatursensors TAD. Verglichen mit üblichen Temperatursensoren, die zyklisch kalibriert werden, steigt beim Einsatz des Temperatursensors TAD die Prozesssicherheit. Beim zyklischen Kalibrieren wird eine auftretende Drift zwar ebenfalls erkannt, nur wurde bereits eine ungewisse Zeit mit einem driftbehafteten Sensor produziert. Da der TAD unmittelbar beim Überschreiten der eingestellten Driftschwellen ein Signal generiert und nicht erst bis zum Ende des Kalibrierintervalls gewartet werden muss, wird hier die Prozesssicherheit und damit die Produktqualität maßgeblich verbessert.

Durch die Auswertung der Driftwarnschwelle kann bereits im Vorfeld reagiert und für den nächsten Wartungszyklus ein Austausch des Sensors vorbereitet werden. Auch während dieses Zeitraums liefert der Temperatursensor TAD ein zuverlässiges temperaturproportionales Analogsignal. Zudem wird eine möglicherweise stärker werdende Drift weiter überwacht und bei Überschreiten der Drift-Alarmgrenze zuverlässig signalisiert. Das schafft Sicherheit im Prozess.

Kosten gesenkt

Der Einsatz des TAD spart bares Geld. Zwar ist er in den Anschaffungskosten etwas teurer als ein üblicher Temperaturtransmitter, doch bereits bei der Einsparung nur einer Kalibrierung hat sich Anschaffungspreis des TAD oft schon gerechnet.

Bei Wild setzt man die kalibrierfreien Sensoren seit 2007 ein und zieht ein positives Resümee: „Die Sensoren laufen störungsfrei, was auch durch Revisionen zusätzlich überprüft wurde. Bei einem Qualitätsmanagement-Audit wer-den die kalibrierfreien Sensoren positiv zur Kenntnis genommen, was die Qualitätsprüfung erleichtert“, so Dirk Schweikert. Auch in diesem Punkt erweist sich der TAD als wahrer Prozess-Optimierer.

 

Heftausgabe: März 2010
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Über den Autor

Andreas Biniasch , technischer Redakteur, ifm Electronic
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