Kleiner, schneller, sicherer

„Innovation, Qualität und Produktivität sind die Grundlagen, um als Unternehmen profitabel zu wachsen“, stellte Peter Smits, Vorstandsvorsitzender der ABB AG und Leiter der Region Zentraleuropa, bei der Eröffnung der Veranstaltung fest. „Neue Produkte und Dienstleistungen sichern die Technologieführerschaft, die ABB in vielen Bereichen innehat.“ Aus dem Bereich der Prozessinstrumentierung stellte das ABB-Forscherteam beispielsweise einen Temperaturmessumformer vor, der durch intelligente Software Fehlfunktionen selbst diagnostizieren kann. Außerdem präsentierten die Wissenschaftler ein Sensormodul für die Sauerstoffmessung, das durch die Kombination von neuen Materialien und den Einsatz von Mikrosystemtechnologie eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei geringeren Herstellungskosten bietet.

Die Messung von Sauerstoffkonzentrationen ist die am häufigsten angewandte Gasmessung im industriellen Bereich. Heute konkurrieren am Markt im Wesentlichen zwei Messverfahren – sogenannte elektrochemische Zellen und paramagnetische Sensoren. Hinsichtlich der Schnelligkeit der Messung und der Lebensdauer waren die paramagnetischen Sensoren den elektrochemischen Zellen schon immer überlegen. Sie liefern auch in Gasmischungen, deren weitere Bestandteile nicht bekannt sind, verlässliche Messergebnisse der Sauerstoffkonzentration. Dies ist bei elektrochemischen Zellen nicht der Fall. Hinsichtlich der Herstellungskosten konnten klassische paramagnetische Sensoren bisher nicht mit elektrochemischen Zellen konkurrieren, was ihre Verbreitung bis heute einschränkt. Aufgrund des relativ großen Bauvolumens liegen die Antwortzeiten dieser Sensoren heute im Bereich einiger Sekunden und sind damit für Anwendungen, die eine sehr schnelle Antwortzeit erfordern, nur bedingt geeignet. Um eine weitere Leistungsverbesserung zu erreichen, war es nötig, einen grundlegenden technologischen Wandel zu vollziehen. Der weiterentwickelte Sensor übernimmt zwar die bewährte physikalische Messmethode, alle einzelnen Komponenten wurden jedoch unter dem Blickwinkel moderner, automatisierbarer Fertigungsmethoden infrage gestellt. Insbesondere durch den Einsatz von Mikrofertigungstechnologie ist es gelungen, als Herzstück des Sensors einen Siliziumchip zu entwickeln, der in großen Stückzahlen mit hoher Reproduzierbarkeit gefertigt werden kann.

Die Übertragung eines komplexen dreidimensionalen Messaufbaus in einen planaren Siliziumchip war die Schlüsselentwicklung. Durch die Einführung von Silizium-Mikrofertigungsmethoden erhält der ABB-Sensor Vorteile, die mit klassischer manueller Fertigungstechnik nicht erreichbar gewesen wären. Durch die Miniaturisierung wird beispielsweise das Sensorvolumen auf ein Sechzigstel reduziert. Da dadurch das Gasvolumen viel schneller ausgetauscht werden kann, lassen sich damit die Antwortzeiten des Sensors bis in den Bereich um eine Sekunde reduzieren. Die planare Bauform des Sensors vereinfacht zusätzlich den Aufbau der Sensorzelle, die den Chip umgibt. Hier kommt ein sogenanntes Stack-Konzept zum Einsatz, bei dem keramische Materialien zusammengefügt werden, in die bereits elektronische Funktionen integriert sind.

Der Temperaturmessumformer TTH300 bietet einen Funktionsumfang, der bisher in der kompakten Bauform eines Fühlerkopfmessumformers mit 44 mm Durchmesser nicht realisiert werden konnte: Signalübertragung mit Hart-Kommunikation, zwei unabhängige Pt100-Eingänge in Dreileiterschaltung sowie eine serielle Schnittstelle zum Anschluss einer lokalen Bedien- und Anzeigeeinheit. In der TTF300-Feldgehäuseversion (IP 66/67) überzeugt der Anzeiger, der über Messwert- und Diagnosemeldungen informiert und eine vollständige Messumformerkonfiguration ermöglicht. Dank automatischer Redundanzumschaltung und der integrierten Drifterkennung werden die Produktivität gesteigert und die Lifecycle-Kosten gesenkt.

Beim TTH300 erfolgt die Signalübertragung in 4…20-mA-Technik mit Hart-Kommunikation. Über das Hart-Protokoll wird der Messumformer an seine Messaufgabe angepasst. Mit der Korrektur von Nullpunkt und Spanne, Freistielkennlinien sowie der Pt100-spezifischen Callendar-Van-Dusen-Funktion bietet der Messumformer umfangreiche Möglichkeiten der Fehlerkorrektur. Unerwünschte Toleranzen der Sensoren werden auf einfache Weise kompensiert, so dass Genauigkeiten von bis zu 0,1 °C erreicht werden.

Bei der Anwendung von Sensoren mit zwei temperaturempfindlichen Elementen war es bisher erforderlich, bei Ausfall eines Elementes die Messstelle durch manuelles Umklemmen wieder in Betrieb zu nehmen. Der TTH300 erlaubt dagegen den direkten Anschluss zweier unabhängiger Messstellen. Bei Bedarf kann mithilfe des zweiten Eingangs eine Redundanzfunktion aufgebaut werden. Bei Ausfall eines Sensorelementes wird dieser sicher erkannt und gemeldet sowie automatisch und stoßfrei auf das zweite Element umgeschaltet. Die Verfügbarkeit der Messstelle wird dadurch natürlich erhöht, der Prozess kann ohne Unterbrechung fortgesetzt werden. Die Reparatur erfolgt kostenoptimiert beim nächsten Routineservice.

Innovationen aus der ABB-Forschung stecken auch hinter der Drifterkennung des Temperaturmessumformers. Der TTH300 überprüft die Zuverlässigkeit einer Temperaturmessung im laufenden Prozess. Messfehler treten auf, wenn mechanische und thermische Überlasten die Genauigkeit eines Sensors reduzieren. Ein schleichender Anstieg des Messfehlers bleibt innerhalb der variablen Temperaturverläufe in Anlagenprozessen meist unentdeckt, kann aber fatale Folgen haben. Der TTH300 leistet hier Abhilfe: Durch den Vergleich zweier langzeitstabiler Sensorelemente in einem Messeinsatz erkennt er eine Zunahme des Messfehlers. Parallel zur eigentlichen Temperaturmessung wird die Differenz der Einzelsensoren gebildet. Arbeiten beide Sensorelemente innerhalb ihrer garantierten Genauigkeit, ist die Differenz nahezu Null. Tritt eine Drift im Sensorsystem auf, steigt die Differenz an. Bei Überschreitung einer einstellbaren Warngrenze wird der Anlagenbetreiber informiert, er kann einen Zeitpunkt für die Neukalibrierung oder den Sensoraustausch geeignet planen. Routinemäßige Überprüfungen der Sensoren werden somit deutlich reduziert und die Betriebskosten gesenkt.

cav 450

Überblick über die ABB-Innovationen

Thema: Prozessanalyse

Thema: Temperaturmesstechnik