Fieberkurve des Prozesses

Neue Technologien und Geräte zur Temperaturmessung

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24.10.2017 Sie gehört zu den am häufigsten genutzten, aber nicht unbedingt innovativsten Messtechniken: Die Temperaturmessung. Doch gerade in jüngster Zeit machen einige Hersteller mit neuen Verfahren von sich reden, die nun auch für bislang unbefriedigend gelöste Anwendungen Abhilfe versprechen.

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Entscheider-Facts für Betreiber und Planer

  • Neue Messverfahren lösen Temperatur-Messprobleme wie das Messen von Temperaturverteilungen, die Messung von Prozesstemperaturen oder die Selbstkalibrierung.
  • Mit dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor können Temperaturprofile in Reaktoren gemessen werden.
  • Ein neuer Sensor kom­biniert Oberflächen-Temperaturmessung und Leitfähigkeitsdaten, um Prozesstemperaturen von außen zu messen.
  • Auch die Selbstkalibrierung und Dokumentation der Kalibrierung von Sensoren sind nun möglich.

Temperatursensoren stellen in verfahrenstechnischen Prozessen meist die wichtigsten „Augen und Ohren“ des Anlagenfahrers dar: Als Stellgröße entscheiden die Signale über die Zufuhr von Heiz- und Kühlenergie und geben indirekt Auskunft über den Ablauf von Reaktionen oder die erreichte Qualität. Die Konzentration an Nebenprodukten hängt in chemischen Reaktionen in der Regel wesentlich vom Temperaturverlauf und der Reaktionstemperatur ab.

Mehrpunkt-Messungen mit Faser-Bragg-Gitter-Sensor

Der Messpunkt ist deshalb bei der Temperaturmessung von entscheidender Bedeutung. Einzelpunkt-Messungen lassen in der Regel kaum Auskunft über die Temperaturverteilung in einem Reaktor zu. Diesem Problem hat sich Siemens mit dem faseroptischen Sensor Sitrans TO500 angenommen. Das Messverfahren beruht auf einem vierkanaligen Glasfaser-Sensor, der je Kanal bis zu 48 Temperaturmesspunkte erlaubt. Auf den Messlanzen sind an definierten Stellen Faser-Bragg-Gitter (FBG) eingeschrieben, die eine definierte Wellenlänge reflektieren. Die vom Gitter reflektierte Wellenlänge verändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur. Erzeugt wird das Licht im Transmitter mit Hilfe eines kontinuierlich stimmbaren Lasers, der Licht in einer Wellenlänge zwischen 1.500 und 1.600 nm erzeugt. Der reflektierte Lichtanteil wird vom Transmitter ausgewertet.

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Faser-Bragg-Gitter reflektieren eine definierte Wellenlänge. Die vom Gitter reflektierte Wellenlänge verändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur. Bild: Siemens

Faser-Bragg-Gitter – Zur Technik:

Wird ein Lichtstrahl mit einem breiten Spektrum durch ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) geschickt, wirken sich die Reflexionen jedes Abschnitts des sich ändernden Brechungsindexes nur auf eine spezielle Wellenlänge des Lichts aus. Diese wird Bragg-Wellenlänge genannt. Längenänderungen der Faser durch Kraft- oder Temperatureinwirkung verändern das Gitter und führen zu einer Verschiebung der reflektierten Wellenlänge, da sich der Brechungsindex des Quarzglases ändert.

Lokale Überhitzungen erkennen und vermeiden

Bei Evonik in Marl kommt das Messsystem in Rohr- bzw. Rohrbündelreaktoren zum Einsatz. Dort werden Gase und Flüssigkeiten katalytisch umgesetzt – das Temperaturprofil innerhalb der Katalysatorschüttung hat dabei großen Einfluss auf die Stoffumsetzung und den Alterungsprozess des Katalysators. Für den Katalysator besonders schädlich sind dabei Bereiche mit überhöhten Temperaturen – sogenannte Hotspots. Die Messung des Temperaturprofils im Reaktor ermöglicht es, das Entstehen von Hotspots zu erkennen und Maßnahmen zur Temperaturreduktion einzuleiten. Außerdem kann ein Katalysatorwechsel genau dann durchgeführt werden, wenn dies aufgrund der Alterung notwendig ist. Da die Glasfaser des Sensors einen Durchmesser von weniger als 2 mm hat, können die Messungen in sehr schmalen Schutzrohren durchgeführt werden. Die Messlanze kann gerollt werden – so lässt sich diese kostengünstig transportieren und vergleichsweise einfach installieren. Die Sensoren messen in einem Bereich von -40 bis 800 °C mit einer Auflösung von 0,5 K und einer Genauigkeit von weniger als 0,5 K. Das Ausgangssignal wird über Profibus DP bereitgestellt.

Prozesstemperatur ohne Schutzrohrinstallation von außen messen

Während beim FBG-Messverfahren der Sensor tief in Reaktoren und -rohre hineinreicht, macht die neue X-well-Sensorik des Anbieters Emerson genau das Gegenteil: Der Sensor wird von außen auf ein Prozessrohr aufgesetzt und errechnet die Prozesstemperatur im Innern auf Basis der Oberflächentemperatur der Rohrleitung, indem es diese mit Informationen über die Umgebungstemperatur, den Wärmeleiteigenschaften der Installation und denen der Prozessleitungen kombiniert. Prozesstemperaturen können so mit einer Genauigkeit von 1 % gemessen werden, ohne in den Prozess einzugreifen. Dadurch ist gegenüber der klassischen Schutzrohrinstallation von Temperatursensoren eine schnelle und einfache Installation möglich. Typische Messfehler durch Anhaftungen, defekte Schutzrohre etc. werden vermieden. Es müssen keine Schutzrohre ausgelegt, angepasst oder gewartet werden.

Im Gegensatz zu einfachen Oberflächensensoren entsteht bei langsam ansteigenden Prozesstemperaturen nur temporär ein Offset-Fehler von ca. 1 K. Sobald der Temperaturanstieg endet, korrigiert das Gerät den Offset-Fehler. Im Gegensatz zu Oberflächen-Temperaturmessungen liefert der X-well-Sensor genaue und wiederholbare Werte für die Prozesstemperatur.

Bei sprunghaften Temperaturänderungen oder instabilen Prozessen bzw. dann, wenn Prozess- und Umgebungstemperatur stark differieren, bleibt der Messwert eng am Verlauf der Prozesstemperatur. Am größten ist die Abweichung, wenn sich Prozess- und Umgebungstemperatur stark unterscheiden und nahe an den Sensorlimits liegen – der wahrscheinliche Gesamtfehler liegt bei einer Prozesstemperatur von 300 °C und einer Umgebungstemperatur ovn -40 °C bei 1,2 %. Die Sensoren eignen sich besonders für den Einsatz an Rohrleitungen mit geringen Querschnitten, hoher Strömungsgeschwindigkeit, bei Schlämmen oder Medien mit schweren Partikeln, Clean-in-Place-Prozessen, hochviskosen Fluiden und rauen Prozessbedingungen.

Die Technologie ermöglicht es Anwendern, Temperaturmesspunkte hinzuzufügen, ohne den Prozess herunterfahren zu müssen. Die Geräte werden mittels Rohrklemmen und den üblichen dafür eingesetzten Werkzeugen installiert und erfordern keine besonderen Montagekenntnisse. Die Datenübertragung erfolgt via 4…20-mA-Hart-Signal oder drahtlos per Wireless Hart-Funktechnik.

Inline-Selbstkalibrierung vermeidet Anlagenstillstände

Insbesondere in sensiblen hygienischen Prozessen der Pharma-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie muss das Einhalten von FDA- bzw. GMP-Regeln lückenlos nachgewiesen werden. Die dazu notwendige regelmäßige Kalibrierung von Temperatursensoren erzeugt nicht nur Arbeitsaufwand, sondern erfordert auch Prozessunterbrechungen. Um beides zu vermeiden, hat Endress+Hauser mit den I-Therm-Trustsens-Thermometern eine Lösung entwickelt, die eine automatisierte Inline-Selbstkalibrierung der Sensoren erlaubt und so Fehlmessungen durch das Driften von Pt100-Sensoren zwischen den sonst üblichen Prüfzyklen verhindert. Der Hersteller macht sich dazu den Curie-Effekt zu Nutze: Der Pt100-Sensor ist mit einer Referenz gekoppelt, die oberhalb von 118 °C paraelektrisch wird. Dieser Phasenübergang ist reversibel und erlaubt eine rückführbare 1-Punkt-Kalibrierung, die automatisch dokumentiert wird. Im Gerätespeicher sind 350 Kalibrierpunkte abgelegt, der Messbereich startet bei -40 und endet bei 160 °C. Dadurch können auch Sterilisationsvorgänge, bei denen die Minimum-Temperatur nie unterschritten werden darf, lückenlos überwacht werden.

CT-Produktfokus Temperaturmessung.

 

 

Heftausgabe: Oktober 2017
Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK

Über den Autor

Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK
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