Automatisierungstechnik befindlichen Temperatursensors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines in einem Prozess der Automatisierungstechnik befindlichen Temperatursensors. Eine

Kalibrierung im Prozess wird auch als in situ Kalibrierung bezeichnet.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Temperaturmessvorrichtung, d zur Durchführung des Kalibrierverfahrens geeignet ist. Temperatursensoren werden in der Automatisierungstechnik in den unterschiedlichsten Anwendungen bzw. Applikationen eingesetzt. Eine Vielzahl von unterschiedlichen Temperatursensoren wird von der Anmelderin angeboten und vertrieben. Oftmals sind Temperatursensoren an einer Behälterwand (Rohrwand, Tankwand) derart befestigt, dass die

temperatursensitive Komponente des Temperatursensor in thermischem

Kontakt mit einem im Prozess befindlichen Medium ist, dessen Temperatur bestimmt oder überwacht werden soll.

Ein grundlegendes Problem für eine stabile und zuverlässige

Temperaturmessung stellt die Drift der Temperatursensoren dar. Diese Drift bedingt, dass die Temperatursensoren in gewissen zeitlichen Abständen kalibriert werden müssen. Hierbei sind die Zeitabstände zwischen den Kalibrierungen stark abhängig von der jeweiligen Ausgestaltung des

Temperatursensors und den Bedingungen, die am Einsatzort des

Temperatursensors im Prozess herrschen.

Zum Zwecke des Kalibrierens muss ein Temperatursensor üblicherweise ausgebaut und in Kontakt mit einem geeigneten Kalibriermedium definierter Temperatur, z.B. Eiswasser, gebracht werden. Weicht der im Kalibriermedium gemessene Temperaturwert des Temperatursensors von der bekannten Referenz-Temperatur des Kalibriermediums ab, so wird der gemessene Temperaturwert auf die Referenz-Temperatur korrigiert. Der Ausbau des Temperatursensors ist problematisch, da der Ausbau oftmals eine

Unterbrechung des Prozesses notwendig macht - und ein Stillstand einer Anlage ist für den Anlagenbetreiber üblicherweise mit Kosten verbunden. Zudem wird beim Ausbau eine dichte Verbindung zwischen Temperatursensor und Behälterwand aufgehoben, die nachfolgend wieder hergestellt werden muss.

Aus der Patentschrift EP 1247268 B2 ist eine in situ Kalibrierung mit mehreren integrierten Temperatursensoren bekannt geworden. In einen Messeinsatz sind zusätzlich zu einem primären Temperatursensor ein Referenz- Temperatursensor oder mehrere Referenz-Temperatursensoren eingebaut. Ein Referenz-Temperatursensor unterscheidet sich hinsichtlich des Aufbaus und der verwendeten Materialien von dem primären Temperatursensor.

Abgesehen davon, dass bei der bekannten Lösung mehrere

Temperatursensoren eingesetzt werden müssen, können bei einem Referenz- Temperatursensor vom primären Temperatursensor abweichende

Alterungseffekte und Kennliniendriften auftreten. So werden gemäß einer Ausgestaltung parallel zu einem primären Pt100-Widerstandssensor

Halbleiter-Temperatursensoren - sog. NTC/PTC-Widerstände - als Referenz- Temperatursensoren verwendet. Damit die Temperaturmessung bei der bekannten Lösung zuverlässig arbeitet, müssen die Kennlinien und die

Alterungseigenschaften der Referenz-Temperatursensoren sehr genau bekannt sein; zumindest aber müssen die Kennlinienänderungen der

Referenz-Temperatursensoren geringer sein als beim zu überwachenden primären Temperatursensor. Aus der DE 10 2010 040 039 A1 ist ein Temperatursensor mit einem

Referenzelement bekannt geworden. Das Referenzelement besteht teilweise aus einem ferroelektrischen Material. Ferroelektrische Materialien erfahren bei einem vorgegebenen, definierten Temperaturwert (Curie Temperatur) eine Phasenumwandlung. Als Folge der Phasenumwandlung ändert sich ihre elektrische Leitfähigkeit schlagartig. Arbeitet der bekannt gewordene

Temperatursensor in einem Temperaturbereich, in dem die

Phasenumwandlung auftritt, so lässt sich diese detektieren und der

gemessene Temperaturwert wird bei einer Abweichung auf die vorgegebene, definierte Temperatur kalibriert bzw. korrigiert. Aus der vorhergehenden Beschreibung lässt sich ersehen, dass die bekannt gewordenen in situ

Kalibrier-Lösungen nur mit speziell gefertigten Temperatursensoren

funktionieren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das es erlaubt, einen beliebigen herkömmlichen Temperatursensor in situ zu kalibrieren.

Die Aufgabe wird durch ein Kalibrierverfahren gelöst, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

Vorgeben oder Ermitteln eines Temperaturmessbereichs, der in dem Prozess der Automatisierungstechnik durchlaufen wird;

Vorgeben oder Ermitteln einer in dem Temperaturmessbereich auftretenden Referenz-Temperatur;

Bestimmen der Temperaturmesswerte mittels des Temperatursensors;

Erkennen, ob die Temperaturmesswerte in dem Temperaturmessbereich während einer vorgegebenen Zeitspanne zumindest näherungsweise konstant sind;

Korrigieren des zumindest näherungsweisen konstanten

Temperaturmesswerts in dem Temperaturmessbereich auf die vorgegebene Referenz-Temperatur.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es somit, über die Vorgabe von einigen wenigen Parametern eine zuverlässige in situ Kalibrierung

vorzunehmen. Diese Größen sind im einfachsten Fall:

- Die Vorgabe eines Temperaturbereichs, der in dem betreffenden

Prozess der Automatisierungstechnik auftritt;

- die Vorgabe einer Referenz-Temperatur innerhalb des obigen

Temperaturbereichs;

- die Vorgabe einer Zeitdauer, die ein klares Indiz dafür ist, dass der Temperatursensor innerhalb des Temperaturbereichs zumindest näherungsweise einen Gleichgewichtszustand erreicht hat. Je genauer die obigen Vorgaben sind, umso zuverlässiger ist die über die Zeit stabile Messgenauigkeit des Temperatursensors. Die Vorgaben ergeben sich durch die von der Anlage durchlaufenen Prozesse und werden über eine Eingabeeinheit der Regel-/Auswerteeinheit des Temperatursensors

übermittelt. Alternativ können die notwendigen Parameter zumindest teilweise von dem Temperatursensor auch selbst ermittelt werden. Hierzu werden die Temperaturmesswerte aufgezeichnet und nach zyklischen Änderungen durchsucht. Bevorzugt erfolgt diese Ermittlungsphase nach der Installation der kalibrierten Temperaturmessvorrichtung in dem Prozess.

Besonders vorteilhaft ist es natürlich, wenn der vorgegebene oder ermittelte Temperaturmessbereich in dem Prozess der Automatisierungstechnik wiederkehrend durchlaufen wird. Bei nahezu allen Prozessen, die in der Automatisierungstechnik durchgeführt werden, ist dies der Fall: Zeiten, in denen die Temperatur auf nahezu konstanten Werten gehalten wird, sind üblicherweise Teil eines jeden Prozesses. Nachfolgend werden nur einige wenige Beispiele genannt, die in der Prozessautomatisierungstechnik eine große Rolle spielen. Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Lösung nicht auf einen der nachfolgend genannten Prozesse zu beschränken ist.

Wiederkehrende Sterilisationsprozesse (auch bekannt als SIP Prozesse - Sterilisation In Place) einer Anlage sind insbesondere in der

Lebensmittelindustrie aus hygienischen Gründen unerlässlich.

Gesetzliche Vorgaben regeln sowohl die Temperatur, bei der die Sterilisation erfolgen muss, als auch die Zeitspanne, während der die Anlage sterilisiert werden muss.

Wiederkehrende Reinigungsprozesse (CIP Prozesse - Cleaning in Place), bei denen ein Reinigungsmittel einer definierten Temperatur durch die Anlage fließt. - Wiederkehrende Abschaltungen der Anlage, z.B. nach Arbeitsende, wobei die Referenztemperatur beispielsweise durch die Temperatur der klimatisierten Raumluft gegeben ist. - Wiederkehrende Heiz- und Kühlzyklen in der Anlage, usw.

Die erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens geeignet ist, besteht aus einem beliebigen Temperatursensor und einer Regel-/Auswerteeinheit. Bei dem Temperatursensor kann als temperatursensitives Element ein

Widerstandssensor (z.B. aus Platin) in Form eines Drahtes, eines

Dünnschichtsensors, eines Dickschichtsensors oder einer Drahtwicklung zum Einsatz kommen. Ebenso kann es sich bei dem temperatursensitiven Element des Temperatursensors um ein Thermoelement handeln. Üblicherweise sind die vorgenannten temperatursensitiven Elemente in eine Vergussmasse oder in ein Pulver gebettet und in einem Messrohr fixiert. Diese Kombination wird üblicherweise als Messeinsatz bezeichnet. Je nach Einsatzort der

Temperatursensoren sind diese Messeinsätze noch über eine

Isolationsschicht in einem Schutzrohr aus Metall angeordnet.

Die Regel-/Auswerteeinheit ist so ausgestaltet, dass sie den aktuell

gemessenen Temperaturmesswert überwacht, und zwar zumindest dann, wenn der Temperaturmesswert des Temperatursensors innerhalb des ausgewiesenen Temperaturmessbereichs liegt und für die vorgegebene Zeitspanne zumindest näherungsweise konstant ist. Liegt der aktuell gemessene Temperaturwert bzw. der Mittelwert der gemessenen

Temperaturwerte während der vorgegebenen Zeitspanne außerhalb des Toleranzbereiches der vorgegebenen Referenz-Temperatur, so erfolgt die Korrektur auf die Referenz-Temperatur, und der Temperatursensor ist in situ kalibriert.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen in situ kalibrierfähigen Temperaturmessgeräts in einem Prozess,

Fig. 2: eine schematische Darstellung des Temperaturverlaufs

Prozess der Automatisierungstechnik und

Fig. 3: ein Flussdiagramm, das eine vorteilhafte Ausgestaltung des

erfindungsgemäßen Verfahrens beschreibt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen in situ kalibrierfähigen Temperaturmessgeräts 1 in einem Prozess. Im gezeigten Fall bestimmt das Temperaturmessgerät 1 die Temperatur T eines Mediums 5, das eine Rohrleitung 4 in Richtung des Pfeils durchströmt. Das

Temperaturmessgerät 1 besteht aus einem Temperatursensor 2 mit einem temperatursensitiven Element und einer Regel-/Auswerteeinheit 3. Während der Temperatursensor 2 mit dem Medium 5 in thermischem Kontakt ist, ist die Regel-/Auswerteeinheit 3 außerhalb der Rohrleitung 4 - und somit außerhalb des eigentlichen Prozesses - angeordnet. Das Medium 5 ist ein beliebiges fluides Medium. Beispiele für temperatursensitive Elemente und

entsprechende Temperatursensoren 2 wurden bereits an vorhergehender Stelle nicht abschließend genannt. Eine Vielzahl von Temperaturmessgeräten 1 wird von der Anmelderin für den Einsatz in unterschiedlichsten Applikationen der Automatisierungstechnik angeboten und vertrieben . Generell werden bekannte Temperatursensoren 2 in Verbindung mit der Erfindung als herkömmliche Temperatursensoren bezeichnet. Für alle herkömmlichen Temperatursensoren 2 ist das erfindungsgemäße in situ Kalibrierverfahren geeignet. Fig. 2 zeigt schematisch den Temperaturverlauf des Mediums 5, das die in Fig. 1 gezeigte Rohrleitung 4 durchströmt. Eine Vielzahl weiterer

Anwendungen, in denen Temperatursensoren 2 in der

Automatisierungstechnik eingesetzt werden, ist aus dem Stand der Technik bestens bekannt. In allen Anwendungen, bei denen Information über die Temperatur T bereitgestellt werden muss, spielt natürlich auch die

Messgenauigkeit der Temperaturmessgeräte 1 eine wichtige Rolle. Um alterungs- oder prozessbedingtes Driften der Temperatursensoren 2 zu kompensieren und damit eine erhöhte Messgenauigkeit zu liefern, kommt das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt in wiederkehrenden Zyklen zur Anwendung.

In Fig. 3 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen in situ Kalibrierverfahrens visualisiert. Nach dem Programmstart bei Punkt 10 werden bei Programmpunkt 20 folgende

Parameter oder Größen vorgegeben:

- der für den jeweiligen Prozess relevante Temperaturmessbereich ΔΤ, der in dem Prozess der Automatisierungstechnik möglichst

wiederkehrend durchlaufen wird;

- die in dem Temperaturmessbereich ΔΤ auftretende Referenz-

Temperatur T _ref , auf die ggf. korrigiert werden soll;

- die Zeitspanne At während der die Temperatur T in dem

Temperaturmessbereich ΔΤ zumindest näherungsweise konstant sein soll.

Unter dem Programmpunkt 30 werden die Temperaturmesswerte T in dem Prozess bestimmt. Bei 40 wird geprüft und erkannt, ob die

Temperaturmesswerte T in dem Temperaturmessbereich ΔΤ während einer vorgegebenen Zeitspanne Δί zumindest näherungsweise konstant sind. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird bei Programmpunkt 50 der

Temperaturmesswert T auf die vorgegebene Referenz-Temperatur

T _ref korrigiert. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, so springt das Programm in einer Schleife auf den Programmpunkt 30 zurück. Die Schleife wird solange durchlaufen, bis die Bedingung erfüllt ist und die Kalibrierung bei

Programmpunkt 50 durchgeführt wird. Anschließend wird das Programm bei Programmpunkt 60 beendet.

Wie bereits an vorhergehender Stelle möglich, können die Parameter:

Temperaturmessbereich ΔΤ, Zeitspanne Δί und auch die Referenz- Temperatur T _ref aus dem jeweiligen Prozess heraus auch ermittelt werden. Hierzu wird nach Installation des (vorkalibrierten) Temperatursensors 2 bzw. des (vorkalibrierten) Temperaturmessgeräts 1 die Temperatur T über einen Zeitraum ermittelt, wobei in den Zeitraum mehrere sich zyklisch wiederholende mögliche Zeitspannen At fallen sollten. Z.B. über eine Mittelwertbildung der zyklisch sich wiederholenden Zeitspannen At, werden die Werte für die drei Parameter ermittelt.