pH-Sensoren mit integriertem Transmitter

Bei den neuen Analysensensoren ist der Transmitter in den Sensorkopf integriert. Bilder: Krohne

uch wenn viele Anwender den Transmitter nicht sofort entsorgen wollten, ist das Interesse groß, die neue Technologie zu testen. Die chemische Industrie stellt einen der Kernmärkte für die neue Sensorgeneration dar, die von Anfang an als Ex-Sensoren entwickelt wurden. Sie stellt hohe Anforderungen an die Prozessanalytik, wobei Sicherheitsaspekte im Vordergrund stehen. Wie schlagen sich die neuen Sensoren in der Praxis?
Exemplarisch wird hier eine Teststellung bei einem großen Chemieunternehmen vorgestellt, die neben dem reinen Leistungstest noch eine weitere Facette der steigenden Anforderungen an die Analysenmesstechnik offenbart: je mehr sie in die Steuerung eines oder mehrerer Prozesse einbezogen wird, umso geringer sind die tolerierbaren Abweichungen einer solchen Messung. Hier gilt es, alle Fehlerquellen zu beseitigen, die für diese Abweichungen verantwortlich sein können.
Doch beginnen wir von vorne: Ziel der vorgenannten Teststellung ist es, die Langzeitstabilität eines Smartsens-pH-Sensors (pH 8150) gegen den standardmäßig eingesetzten analogen pH-Sensor mit Transmitter eines anderen Herstellers zu testen. Als Teststelle wurde ein Messpunkt ausgewählt, bei dem das Medium typischerweise einen niedrigen pH-Wert von ca. 1,5 mit seltenen Peaks bis pH 12 aufweist. Der dauerhaft extreme pH-Wert beansprucht die Sensoren und insbesondere das Membranglas sehr stark, und sie altern schneller. Die Temperatur des Messmediums liegt überwiegend um 25°C, seltener kann sie bis über 40°C ansteigen. Die typische Standzeit des (analogen) pH-Sensors an dieser Messstelle kann ein halbes bis ein Jahr betragen. Ein zeitliches Ende für den Test wurde nicht gesetzt, er endet mit dem Ausfall einer der Sensoren.
Zu Beginn des Tests wurden beide Sensoren gleichzeitig neu eingesetzt. Während der analoge Sensor zwangsläufig zusammen mit dem Transmitter vor Ort kalibriert werden musste, wurde der Smartsens-Sensor nur kurz mit Hilfe der Pufferlösungen vor Ort überprüft. Er musste jedoch nicht kalibriert werden, da die pH-Werte dank der standardmäßigen Werkskalibrierung beim Hersteller noch genau angezeigt wurden (jeder dieser neuen Sensoren hat seine Kalibrierdaten gespeichert). Die Überprüfung der Werte fand mit Hilfe eines Hart-Handhelds statt. Um die Ergebnisse der beiden Messungen nicht nur punktuell, sondern dauerhaft vergleichen zu können, wurden zwei Datenlogger aufgestellt, die die Messwerte permanent mitloggen.
Nach Maßgabe des Chemieunternehmens muss die pH-Messung an dieser Messstelle einmal im Monat kalibriert werden. Bei der ersten Kalibrierung, die zwei Wochen nach der Installation stattfand, zeigten beide Sensoren nach der Reinigung mit Wasser eine Abweichung <0,1 pH bei der Überprüfung in den Pufferlösungen pH 4 und pH 7. Anschließend wurden beide kalibriert. Bei der zweiten Überprüfung einen Monat später war die Abweichung mit <0,05 pH bei beiden Sensoren sogar noch geringer. Steigende Anforderungen an die Genauigkeit
erfordern neue Technik
Der Verantwortliche für die Messstelle zeigte sich sehr zufrieden mit der Testmessung mit den neuen Geräten, die Mitte September 2013 acht Wochen in Betrieb war. Im Vergleich zu der analogen Referenz waren keine nennenswerten Abweichungen oder Ausfälle festzustellen. Daher ist auch ein zweiter Test an einer Ex-Messstelle geplant. Der wesentliche Vorteil der neuen Technologie ist für den Betreiber, dass die unternehmenseigenen Vorgaben für die Analysenmessstellen hiermit besser umgesetzt werden können. Während für viele eine Indikation ausreicht, gibt es für eine steigende Anzahl von Messstellen immer genauere Vorgaben, welche Abweichung maximal zulässig ist, da diese sich auch auf die Prozesssicherheit auswirken können. Einflüsse wie z.B. von Medium, Temperatur, Feuchtigkeit sowie Umgebungsbedingungen und Verschmutzungen lassen elektrochemische Sensoren schnell altern, teilweise – zum Beispiel in der Rauchgaswäsche – müssen sie täglich kalibriert oder sogar ausgetauscht werden.
Mit der Vor-Ort-Kalibrierung mit Pufferlösungen, die mit der Zeit selbst altern und verschmutzen und damit eine unsichere Referenz bieten, sind diese Vorgaben nicht einzuhalten. Abhilfe schafft nur die Kalibrierung der Sensoren im Labor, was wiederum bei den rein analogen Typen aufgrund fehlender Möglichkeit zur Speicherung der Kalibrierdaten nicht funktioniert.
Smartsens bietet mit dem integrierten Transmitter eine deutliche Arbeitserleichterung für Messstellen, deren Sensoren im Labor „offline“ kalibriert werden sollen: die Idee ist, pro Messstelle ein Sensorpärchen einzusetzen. Während der eine Sensor im Labor kalibriert wird und die Kalibrierdaten speichert, misst der andere an der Messstelle. Beide werden in beliebigen Intervallen getauscht. Ein weiterer Vorteil ist, dass an den Messstellen keine Reinigungs- und Pufferlösungen bzw. keine Kalibrierausrüstung mehr vorgehalten werden muss, da bis auf den Wechsel der Sensoren nur im Labor gearbeitet wird.

Der Transmitter ist die Achillesferse
der klassischen Analysenmessstelle
Diese Arbeitsweise ist im Wesentlichen nicht neu, da am Markt seit einigen Jahren Sensortypen mit einem integrierten Speicher verfügbar sind. Diese ermöglichen die Speicherung der Laborkalibrierung, benötigen aber nach wie vor einen externen Transmitter. Damit sinkt das Risiko einer fehlerhaften Kalibrierung, aber am grundsätzlichen Aufbau der Messstelle mit Sensor, (proprietärem) Verbindungskabel und Transmitter ändert sich nichts. Doch dieser Aufbau führt zu einer Reihe von Fehlerquellen. Warum das? Die pH-Messung ist eine sehr empfindliche hochohmige Messung und erzeugt je nach pH-Wert eine Spannung im Bereich von -400 bis 400 mV. Diese hochohmigen analogen Signale müssen zum Teil über doppelt geschirmte Kabel (speziell im analogen Fall) an den Transmitter geleitet werden, wo der Spannungswert gewandelt und anschließend in den pH-Wert umgerechnet wird. Dabei wird in vielen Fällen die Temperaturkompensation mittels Temperaturfühlern durchgeführt, die als Pt100, Pt1.000 oder NTC integriert sind. Vom Sensor kommen demnach bei den meisten Herstellern rein analoge Signale, während die gesamte intelligente Signalverarbeitung im Transmitter stattfindet.
Über Jahre hinweg versuchte man das pH-spezifische Problem der Hochohmigkeit durch Stecker- und Kabelentwicklungen sowie Schaltungstechnik im Transmitter zu verbessern. Jedoch blieb das grundsätzliche Problem, dass das Signal auf dem Weg zur Verarbeitung im Transmitter anfällig ist. Bei digitalen Sensoren müssen die Signale mehrfach gewandelt werden  (A/D-D/A-­Wandlung).
Betrachtet man die Messkette vom Sensor zum Prozessleitsystem in einer Fehlerberechnung nach IEC 61508/IEC 61511, so gehen prozentual die meisten der möglichen Fehler zu Lasten des Transmitters. Die genannten Probleme entlang des Signalweges machen jedoch nur einen kleinen Teil aus. Die häufigsten Fehlerquellen sind falsche Installation, Verdrahtung oder Konfiguration des Transmitters, da sich hier selbst bei gleichem Hersteller die Anschlussbelegungen unterscheiden. Diesen Fehlern ist nur mit hohem Wartungs- und Überprüfungsaufwand nachzukommen: Eine interne Untersuchung bei einem Pharmakonzern ergab, dass pro Transmitter im Jahr 100 bis 300 Minuten für Wartung aufgewendet werden! Dieser Zeitaufwand entsteht durch die oft komplexe, nicht standardisierte Bedienung, die Notwendigkeit, Funktionalität bis in die Leitwarte zu überprüfen, und die Übertragung über mehrere elektronische Interfaces. Die Sichtweise der Anwender, „Analyse bedeutet generell Aufwand“, ist nicht zuletzt diesem Umstand geschuldet.
Mit Smartsens werden diese Fehlerquellen eliminiert, da die Signalwandlung vom Elektrodenspannungswert auf den 4…20-mA-Wert ohne die genannten Störeinflüsse komplett im vergossenen und geschirmten Steckkopf stattfindet. Der Anschluss an das Leitsystem erfolgt sensorseitig über einen 2-poligen Standard-Variopin-Stecker. Damit ist es erstmalig möglich, Analysesensoren über ein 4..20-mA/Hart-Signal direkt per standardisierten Feldbus mit dem Prozessleitsystem  zu verbinden (Multidrop oder Punkt-zu-Punkt). Neben Pactware sind die Sensoren mit gängigen Assetmanagement-Systemen wie z.B. ASM (Emerson), PDM8 (Siemens) oder denen von ABB, Smar, Invensys, Honeywell, Schneider und anderen lauffähig. Bei vorhandener Sensorbasis können die neuen Sensoren überall problemlos verwendet werden, wo VP- oder der Sixplug-Stecker verwendet werden.

Komplette Analysenmessstelle in Zone 0
Der integrierte Transmitter wirkt sich darüber hinaus auf weitere Sicherheitsaspekte aus, die die Analysenmesstechnik bisher eingeschränkt haben: Die Technik ermöglicht erstmals eine komplette Analysenmessstelle in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 0. Musste bislang berücksichtigt werden, dass ein externer Transmitter nur bis Zone 1 eingesetzt werden konnte, so kann nun der gesamte Aufbau erheblich vereinfacht werden.
 Für die Bedienung in den Ex-Bereichen sind Zubehör wie Klemmenkasten (Junction Box) oder ein lokales Display zur Messwertanzeige auch mit Zulassung bis Zone 1 verfügbar. Die Bedienung im Feld erfolgt mit den heute üblichen Hart-Handheld-Geräten, auf welche die Hart-Device-Descriptions (DD) heruntergeladen werden können. Das Feedback aus dem Feld ist hier eindeutig: Die Anwender loben die geringe Einarbeitungszeit, da die Handhabung der Analysesensoren praktisch identisch mit einem „normalen“ ZweileiterProzessmessgerät ist.