Lückenschluss zwischen Standard-Programm und individueller Sonderanfertigung mit koaxialen Thermoelementen. Bislang kommen in der Prozesstechnik zur Messung von Temperaturverteilungen vor allem Stufen-Thermoelemente zum Einsatz. Die einzelnen Elemente sind mit einer Hilfskonstruktion zusammengefasst. Diese proprietären Systeme sind fern jedes Standards und somit vor allem eins: aufwändig. Abhilfe schaffen koaxiale Thermoelemente, die eine Anbindung an Standard-Komponenten ermöglichen.

Zur Messung von Temperaturverteilungen in der Prozesstechnik werden häufig Stufen-Thermoelemente eingesetzt, um vielfache Temperaturmessungen ausgehend von nur einer Prozessöffnung zu betreiben. Herkömmliche Aufbauten bestehen aus einzelnen Thermoelementleitungen, die in hoher Anzahl in einen Anschlusskopf einzubringen sind. Unterhalb werden die Einzelelemente mit einer Hilfskonstruktion zusammengefasst. Die beiden häufigsten Methoden sind der Rohrbündelaufbau oder die Bandstufe. Der Wärmeübergang innerhalb der Hilfskonstruktion ist zumeist nicht genau vorhersehbar und geht daher als zusätzliche Messunsicherheit ein. Solche Stufenelemente sind Sonderkonstruktionen: einmalig, unvergleichbar und aufwändig.

Koaxiale Thermoelemente schließen die Lücke zwischen einfachen elektrischen Thermometern und diesen Sonderkonstruktionen, denn sie ermöglichen es, im Bauraum eines normalen Messeinsatzes mehrere Messpunkte unterzubringen. Damit wird es möglich, eine komplette Messstelle aus Standard-Komponenten aufzubauen. Anschlussköpfe, Halsund Schutzrohre können aus dem normalen Lieferprogramm entnommen werden. Dies verkürzt die Lieferzeit und senkt die Kosten.

Aufbau

Beim koaxialen Thermoelement werden die Messstellen innerhalb einer massiven Konstruktion an genau definierten Stellen gebildet. Es basiert auf einer anderen Ursprungskompenente: Das Thermoelement wird jeweils aus einem Außenleiter und dem gemeinsamen Innenleiter gebildet. Dazu wird der Außenmantel der Leitung an der Messstelle geöffnet und das Isolationsmaterial entfernt. Ein Messpunkt wird gebildet, indem ein noch unbenutzter Außenleiter mit dem Innenleiter verschweißt wird. Danach wird der entstandene Hohlraum mit Isolationspulver gefüllt und die Leitung durch eine Hülse verschlossen.

Definierter Wärmeübergang

Das somit entstandene Thermoelement weist bereits den Vorteil auf, dass die Messstellen sich im Vergleich zu dem Bündelaufbau alle an der gleichen Position, nämlich in der Mitte befinden. Hieraus ergibt sich eine verbesserte Vergleichbarkeit der Messpunkte. Eine Optimierung ergibt sich, wenn das Thermoelement in ein Schutzrohr eingebaut werden soll. Die Verschlusshülsen liegen an der Schutzrohrwand an. Damit wird sichergestellt, dass die Messpunkte im Festkörper-Kontakt mit dem Messmedium stehen. Zwischen den Messpunkten entsteht ein isolierender Luftspalt, der die Querempfindlichkeit senkt.

Kosten und Flexibilität

Bei vorhandenem Rohmaterial lassen sich die Messpunkte schnell und spezifisch bilden. Der größte Kostenvorteil dieser koaxialen Lösung resultiert jedoch daraus, dass sich Mehrpunktmessungen innerhalb der gleichen Geometrien realisieren lassen, in denen sonst Einfach-Thermometer ausgeführt werden. In der gängigsten Größe, dem 6 mm Messeinsatz, sind nun fünf Messpunkte üblich. Es können also alle gängigen Komponenten für Anschlussköpfe und Halsrohre verwendet werden. Zwischen den Messpunkten bleibt die Leitung flexibel und kann für den einfacheren Transport auf eine Rolle gewickelt werden. An der Verstärkungshülse gilt: „Hier wird gemessen!“ und „Hier nicht knicken!“

Bei entsprechend angepasster Hülse an den Messpunkten wird es möglich, mehrteilige Schutzrohre zu verwenden, die aus Standard-Rohr aufgebaut werden. Beschaffung und Logistik von Sonderteilen, sowie deren dominierender Einfluss auf die Gesamtkosten verlieren so ihren Schrecken. Große Stufenelemente, z. B. mit 20 Messpunkten, können aus einzelnen koaxialen Komponenten aufgebaut werden, so dass auch hier Bauraum und Kosten reduziert werden.

Explosionsschutz

Der innere Aufbau der koaxialen Stufenelemente entspricht im Hinblick auf den Explosionsschutz den gleichen Kriterien wie der von Einzelthermoelementen. Damit können die gleichen Zulassungen angewendet werden; hier sind das EEx-i, EEx-n und EEx-d. Besonders bei druckgekapseltem Aufbau ergeben sich immense Kostensenkungspotentiale, wenn EEx-d Großgehäuse eingespart werden können.

Schaltungstechnik

Die Auswertung der Temperaturen erfolgt, indem die Thermospannungen getrennt erfasst werden. Dabei werden verfälschende Effekte durch die Verwendung des gemeinsamen Leiters vermieden, indem Temperatur-Transmitter mit galvanischer Trennung verwendet werden. Bei eigensicheren Anwendungen ist dies ohnehin vorzusehen.

Ein Signal, ein 4 – 20 mA Transmitter

Im klassischen Fall wird jedem Temperaturmesspunkt ein Transmitter zugeordnet. Bei Verwendung von galvanisch getrennten Geräten entstehen keine weiteren Anforderungen, d.h. die Auswahl von Plus- oder Minus- Pol ist beliebig. Allerdings wird mehr Bauraum im Anschlusskopf benötigt.

Zwei Signale, ein Transmitter

Die meisten modernen Transmitter erlauben es, zwei Thermoelemente auszuwerten und beide Signale entweder über einen Feldbus oder das HART-Protokoll weiterzuverarbeiten. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass die meisten Transmitter intern ebenfalls eine gemeinsame Leitung verwenden. Es muss also bei der Kombination von Koax-Thermolement und Transmitter darauf geachtet werden, dass das Temperatursignal nicht innerhalb des Transmitters kurzgeschlossen wird. Verwendet z. B. der Transmitter eine gemeinsame Masse (Minus-Pol) muss auch das Thermoelement so ausgewählt werden, dass ein gemeinsamer Minus-Pol zur Verfügung gestellt wird.

Feldbus-Transmitter

Bei Verwendung von Feldbus-Transmittern entsteht die Möglichkeit die Signale auf zwei Leitern zusammenzufassen. Besonders reizvoll ist hier der Aufbau einer 4-fach Stufe. Zwei Kopftransmitter passen bequem in die üblichen Anschlussköpfe und übertragen vier Temperaturen auf zwei Drähten.

HART

Bei Verwendung von zweikanaligen Transmittern, kann der zweite Temperaturwert nur auf der zweiten HART-Variablen übertragen werden, während der erste Wert auf dem 4 – 20 mA Signal bereitgestellt wird. Um die zyklischen HART-Variablen auszulesen, sind besondere Geräte erforderlich, z. B. HART-Scanner, die es auch erlauben, mehrere Transmitter im Multidrop-Betrieb zu betreiben. Allerdings muss hier auf die geringe Geschwindigkeit dieser Übertragung hingewiesen werden.

Remote I/O

Alternativ besteht die Möglichkeit HART-Transmitter an Remote I/O zu koppeln, damit diese die Analog- und HART-Werte auslesen und an den schnellen Profibus DP übergeben. Remote I/Os besitzen aber auch eigene Eingangskarten für Thermoelement- Signale, z. B. 4-Eingänge pro Modul. Hier ist aber wieder auf die interne Schaltung bzgl. eines gemeinsam genutzten Pols innerhalb der Karten zu achten. Ferner muss der elektrische Anschluss zwischen Anschlusskopf und Eingangskarte mit Thermoelement- Ausgleichsleitung ausgeführt werden.

Zusammenfassung

Koaxiale Mehrpunkt-Stufenelemente schließen die Lücke zwischen einfachen Standard-Thermometern und kundenspezifischen Sonderlösungen. Mittels Auswertung in Feldbustechnik lassen sich weitere Funktions- und Kostenvorteile auf kleinem Bauraum realisieren.

Kontakt:
Monika Adrian
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