Temperaturfühler für Hygieneanwendungen werden in vielen Industriezweigen, wie beispielsweise der Lebensmittel-, Getränke- und Milchindustrie, der pharmazeutischen sowie der Life-Science-Industrie eingesetzt. In diesem Blogbeitrag werden Temperaturfühler für Hygieneanwendungen näher beschrieben und es wird erklärt, wie sie sich von herkömmlichen Temperaturfühlern unterscheiden.
Die Kalibrierung dieser Temperaturfühler ist weitaus schwieriger und weicht von einer Kalibrierung üblicher Temperatursensoren ab. Da hierbei schnell Fehler unterlaufen können, die wiederum zu großen Abweichungen in den Kalibrierergebnissen führen, werden im Folgenden einige zu berücksichtigenden Aspekte genannt.
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Lassen Sie uns zunächst kurz erläutern, was diese speziellen Temperatursensoren auszeichnet.
In vielen Industriebranchen stellt die Temperatur einen kritischen Prozessparameter dar. Dadurch spielt die präzise Temperaturmessung in den industriellen Verfahren eine entscheidende Rolle.
Die Lebensmittel-, Getränke-, Milch-, Pharma- sowie die Life-Science-Industrie stellt aufgrund ihrer Prozesse zusätzliche Anforderungen an die Sensoren zur Temperaturmessung. Es sind „hygienische“ Temperaturfühler erforderlich, das heißt, dass diese Sensoren für die Installation in hygienischen und sterilen Prozessumgebungen geeignet sein müssen. Diese Sensoren müssen hygienisch und leicht zu reinigen und oft für den Clean-in-Place-Prozess (CIP; Reinigung ohne wesentliche Demontage) geeignet sein. Der mechanische Aufbau sollte frei von Hohlräumen, unzugänglichen Löchern, Lücken und allem sein, was die hygienische Reinigung erschweren würde.
Die Oberflächenbeschaffenheit dieser Sensoren ist nach Hygiene-Kriterien eingestuft und muss den strengen Standards dieser Industriezweige entsprechen, wie z.B. 3-A (https://www.3-a.org/) oder EHEDG (European Hygienic Engineering & Design Group) https://www.ehedg.org/.
Das Material der medienberührten Bauteile dieser Sensoren besteht häufig aus hochwertigem und für diese Anwendungen geeignetem Edelstahl.
Zur einfachen Installation werden diese Sensoren oft mit einer Klemmenmontage geliefert.
Ein sehr häufiges Merkmal dieser Hygienesensoren ist die normalerweise sehr kurze Sensorlänge. Dies erschwert die Kalibrierung gegenüber normalen Temperatursensoren.
Der für die Klemmemontage benötigte große Metallflansch erschwert die Kalibrierung zusätzlich. Die Temperaturbereiche reichen normalerweise bis zu etwa 150 °C oder in einigen Fällen bis zu 200 °C, sodass dies keine große Herausforderung darstellt.
Mehr zu den Herausforderungen bei der Kalibrierung in den folgenden Kapiteln.
In jeder Industriebranche ist es entscheidend, dass Prozessmessungen so korrekt und präzise wie möglich durchgeführt werden. Dies wird mithilfe entsprechender Prozessgeräte und einem geeigneten Kalibrierprogramm erzielt.
In der Lebensmittel-, Getränke-, Pharma- sowie der Life-Science-Industrie spielt die Kalibrierung eine noch wichtigere Rolle als in den meisten anderen Branchen. Wenn wir uns die Gesundheit und Sicherheit der Patienten und Verbraucher vor Augen führen, haben in diesen Industriezweigen die Folgen einer schlechten oder misslungenen Kalibrierung verheerende Auswirkungen. Eine nicht bestandene Kalibrierung ist in diesen Fällen mit sehr hohen Kosten verbunden und muss unter allen Umständen vermieden werden.
Zudem wurden für diese Industriebranchen strenge Kalibriervorschriften erlassen, wie beispielsweise die verschiedenen FDA Bestimmungen (Lebensmittel- und Arzneimittelüberwachungsbehörde).
Weitere allgemeine Informationen zur Kalibrierung finden Sie in ergänzenden Artikeln in diesem Blog und auf der Seite "Was ist Kalibrierung?".
Betrachten wir als nächstes, warum Hygienesensoren so schwer zu kalibrieren sind.
Wie bereits erwähnt, sind Hygienesensoren sehr kurz. Meistens sind sie kürzer als 100 mm. Typischerweise weisen Hygienesensoren eine Länge von etwa 50 mm auf, sie können aber auch 25 mm kurz sein.
Der Durchmesser des Sensors beträgt in der Regel 3 mm oder 6 mm.
Die bei der Temperaturkalibrierung übliche Praxis (und Empfehlung der Euramet-Richtlinie) ist das tiefe Eintauchen eines Temperatursensors, um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten. Es wird empfohlen, in eine Tiefe einzutauchen, die dem 15-fachen des Sensordurchmessers (plus der Länge des Sensorelements) entspricht. Mit diesen kurzen Hygienesensoren ist es jedoch unmöglich, den Sensor ausreichend tief einzuführen, da dieser im Vergleich zum Durchmesser sehr kurz ist.
Zum Beispiel soll ein typischer Hygienesensor mit einem Durchmesser von 6 mm während der Kalibrierung für exakte Ergebnisse in mindestens 90 mm Tiefe eingetaucht werden (15x6 mm). Ist dieser 6-mm-Sensor jedoch nur 50 mm lang, wird ein ausreichend tiefes Eintauchen einfach nicht möglich sein.
Wenn nicht tief genug eingetaucht wird, treten bei der Kalibrierung zusätzliche Fehler und Unsicherheiten auf.
In einem früheren Blogbeitrag, in dem es um die Kalibrierung von Temperatursensoren ging, gaben unsere Mitarbeiter des Temperatur-Kalibrierlabors diese Faustregeln für die Eintauchtiefe (bei der Kalibrierung im Flüssigkeitsbad) an:
Die „Genauigkeit“ wird berechnet aus der Temperaturdifferenz zwischen der Blocktemperatur und der Umgebungstemperatur.
Beispiel: Beträgt die Umgebungstemperatur 20 °C und die Blocktemperatur 120 °C, ergibt sich eine Differenz von 100 °C. Tauchen Sie den Sensor dann nur das 5-fache des Sensordurchmessers tief ein (zuzüglich der Länge des Sensorelements) - sagen wir, Sie haben einen 6-mm-Sensor mit einem 10-mm-Sensorelement - und Sie tauchen ihn 40 mm (5 x Durchmesser + Sensorelement) ein - können Sie aufgrund der geringen Eintauchtiefe (1% von 100 °C) mit einem Fehler von etwa 1 °C rechnen.
In der obigen Abbildung wird das Verhältnis zwischen der Eintauchtiefe des Thermometers (Vielfaches des Durchmessers) und dem relativen Fehler der Temperaturdifferenz (des Temperaturblocks und der Umgebungstemperaturen) veranschaulicht.
Sollten Sie also gar nicht eintauchen, erhalten Sie selbstverständlich einen Fehler von 100 %, und wenn Sie tief genug eintauchen, dürfte der durch das Eintauchen verursachte Fehler keinen Einfluss haben. Dort, wo das Fünffache der Abmessung eingetaucht wird, beträgt der Fehler etwa 1 % der Temperaturdifferenz.
Bei höheren Temperaturen und/oder bei extrem kurzen Sensorlängen kann dieses Kriterium von großer Bedeutung sein. Behalten Sie dies also bei Sensoren unter 40 mm immer im Hinterkopf. Eine Rücksprache mit einem Planungsingenieur kann sich lohnen, um in Erfahrung zu bringen, wie die Sensorlänge vergrößert werden kann.
Diese Genauigkeitsbeschränkung gilt selbstverständlich auch, wenn der Sensor installiert ist und die Prozesstemperatur misst – aufgrund eines zu kurzen Sensors ist eine exakte Messung der Prozesstemperatur nicht möglich!
Es ist nicht immer einfach, die Länge des eigentlichen Sensorelements innerhalb der Sonde zu ermitteln. Sollte dies nicht im Datenblatt erwähnt werden, wenden Sie sich bitte an den Hersteller.
Wie kalibriert man nun diese kurzen Sensoren, die nicht tief genug eingetaucht werden können?
Dies wird zu einem späteren Zeitpunkt wieder aufgegriffen.
Wie bereits im vorigen Kapitel erwähnt, sind diese Hygienesensoren im Verhältnis zu ihrem Durchmesser zu kurz, um ein richtiges Eintauchen zu ermöglichen, was bei der Kalibrierung zu Temperaturleckagen, Fehlern und Unsicherheiten führt.
Als wäre das nicht schon genug, werden diese Sensoren häufig mit einer sogenannte Klemmverbindung (Tri-Clamp, ISO 2852, DIN 11851, DIN 32676, BS 4825, Varivent, etc.) ausgeführt. Es gibt also einen relativ großen Metallflansch, der die Temperatur vom Sensor zum Flansch ableitet und dadurch einen Temperaturverlust verursacht. Dieses Temperaturleck bedeutet in der Praxis, dass die Temperatur vom Sensor zum großen Metallflansch geleitet wird, wobei der Flansch bewirkt, dass der Sensor eine etwas niedrigere Temperatur misst (bei der Kalibrierung von Temperaturen über der Umgebungstemperatur).
Diese Art von Flansch erschwert die Kalibrierung in mehrfacher Hinsicht; der Flansch verursacht Temperaturleckagen vom Sensor zum Flansch. Je größer der Flansch ist, desto größer fällt die Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur aus. Während der Sensor gleichzeitig sehr kurz ist, verursacht dieses Temperaturleck fehlerhafte Temperaturmessungen.
Generell können Sie Temperaturfühler in einem Flüssigkeitsbad oder in einem Trockenblock kalibrieren. Dies ist auch bei den Temperaturfühlern für Hygieneanwendungen möglich.
Im Folgenden werden die wesentlichen Vor- und Nachteile der beiden beschriebenen Methoden besprochen.
Wie der Name vermuten lässt, befindet sich Flüssigkeit im Inneren eines Temperatur-Flüssigkeitsbades. Die Flüssigkeit wird auf die erforderliche Temperatur erwärmt/abgekühlt und die zu kalibrierenden Temperaturfühler werden in die Flüssigkeit eingeführt. Häufig wird die Flüssigkeit für eine gleichmäßige Temperatur gerührt.
Ein Flüssigkeitsbad erleichtert das Einführen von Sensoren jeglicher Form und gleichzeitig kann eine Referenz verwendet werden. Je nach Größe des Flüssigkeitsbades können mehrere Prüflinge gleichzeitig eingesetzt werden. Weist der zu kalibrierende Sensor eine ungewöhnliche Form auf, kann er dennoch im Flüssigkeitsbad eingesetzt werden.
Die bessere Wärmeübertragung der Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbad ermöglicht oft eine optimalere Gleichmäßigkeit und Genauigkeit als mit einem Trockenblock.
Auch wenn dies nach einer vorteilhaften Alternative aussieht, bringt ein Flüssigkeitsbad einige Nachteile mit sich und ist daher nicht immer die beste Wahl:
Es handelt sich hierbei um eine Vorrichtung, die auf unterschiedliche Temperaturwerte erhitzt und/oder abgekühlt werden kann und wie der Name schon sagt, wird er trocken und ohne Flüssigkeiten verwendet.
Zuvor wurden die Vor- und Nachteile eines Flüssigkeitsbades in dieser Anwendung genannt. Dies erfolgt nun im Folgenden für den Trockenblock. Die wesentlichen Vorteile der Kalibrierung eines Hygienesensors in einem Trockenblock sind:
Andererseits ist ein Trockenblock weniger genau als ein Flüssigkeitsbad; er kalibriert typischerweise jeweils nur einen Hygienesensor und es werden verschiedene Einsätze für Sensoren mit unterschiedlichem Durchmesser benötigt.
Trotz dieser Nachteile bevorzugen Kunden häufig die Kalibrierung ihrer kurzen Hygienesensoren in einem Trockenblock.
Betrachten wir nun als nächstes die unterschiedlichen Aspekte bei einer Kalibrierung im Trockenblock.
Für das Kalibrieren kurzer Hygienesensoren in einem Temperatur-Trockenblock sind einige Aspekte zu berücksichtigen.
Sollten Sie die Kalibrierung in einem Temperatur-Trockenblock durchführen, wird es aufgrund des geflanschten Hygienesensors unmöglich sein, einen normalen externen Referenzsensor im selben Einsatz zu verwenden. Der Flansch bedeckt sowohl die Oberseite als auch alle Bohrungen des Einsatzes, wodurch ein normaler Referenzsensor nicht mit eingesetzt werden kann.
Vergleich: Die Kalibrierung eines normalen (langen, flanschlosen) Temperatursensors mit Referenzsonde auf der ersten Abbildung, die Kalibrierung eines kurzen geflanschten Hygienesensor auf der zweiten Abbildung. Der Flansch des kurzen Sensors bedeckt alle Bohrungen im Einsatz, weshalb ein normaler Referenz-Temperatursensor nicht eingeführt werden kann:
Zu einem Trockenblock gehört immer ein interner Referenzsensor.
Möchte man den internen Referenzsensor im Trockenblock zur Kalibrierung von kurzen Hygienesensoren verwenden, wird dies nicht möglich sein, da sich der interne Referenzsensor im unteren Bereich des Temperaturblocks befindet und der zu kalibrierende kurze Sensor am oberen Teil des Einsatzes sitzt. Normalerweise verfügen Trockenblöcke über Temperaturregelungen, um das Temperaturgefälle in einem begrenzten Bereich am Boden des Einsatzes zu minimieren. Am oberen Teil des Einsatzes kommt es zu einem größeren Temperaturgefälle, sodass der obere Bereich nicht die gleiche Temperatur aufweist wie der untere Bereich des Einsatzes. Dieser Temperaturgradient ergibt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Einsatz und der Umgebung und hängt von der Eintauchtiefe ab.
Der interne Referenzsensor ist im unteren Bereich des Temperaturblocks eingebaut, während sich der kurze Hygienesensor im obersten Teil des Einsatzes befindet. Im Einsatz entsteht ein Temperaturgefälle, wodurch die Oberseite des Einsatzes eine andere Temperatur aufweist als die Unterseite. Dies führt zu Fehlern bei der Kalibrierung:
Da der im unteren Bereich des Trockenblocks eingebaute interne Referenzsensor nicht geeignet ist, müssen wir einen speziellen externen Referenz-Temperatursensor verwenden.
Wie bereits erwähnt, kann es sich bei diesem Referenzsensor ohnehin um keinen herkömmlichen langen Referenzsensor handeln.
Die Lösung ist der Gebrauch eines speziellen Referenzsensors, der kurz genug ist, um in derselben Tiefe wie der zu kalibrierende Hygienesensor eingesetzt zu werden. Idealerweise sollten die Mittelbereiche der Sensorelemente auf gleicher Höhe ausgerichtet sein.
Zudem sollte der Referenzsensor über eine dünne, flexible Anschlussleitung verfügen, damit diese unter den Flansch des Hygienesensors passt. Zur Erleichterung kann auf der Oberseite des Einsatzes eine für die Anschlussleitung passende Nut gefräst werden, sodass der Flansch des Hygienesensors noch die Oberseite des Einsatzes berührt.
Der Temperatur-Trockenblock muss natürlich so beschaffen sein, dass der Flansch des Hygienesensors passt und die Oberfläche des Einsatzes berührt (der Aufbau einiger Trockenblöcke verhindert, dass der Flansch tief genug eingesetzt werden kann, um die Oberseite des Einsatzes zu berühren.)
Ein spezieller kurzer Referenzsensor befindet sich auf gleicher Tiefe wie der zu kalibrierende kurze Hygienesensor, sodass sie genau die gleiche Temperatur messen. Außerdem liegt die Leitung des Referenzsensors in der Nut und stellt demnach kein Hindernis für den Flansch dar, damit dieser die Oberseite des Einsatzes berührt:
Hier einige Beispiel-Abbildungen, wie der spezielle Einsatz für die Kalibrierung von Hygienesensoren aussehen könnte. Die Bohrung für den Hygienesensor sowie für den Referenzsensor ist gleich tief und es ist eine zusätzliche Nut vorhanden, in die die Leitung des Referenzsensor hineingelegt werden kann:
Es gibt auch kurze nicht geflanschte Temperaturfühler ohne Klemmverbindung. Bei diesen Sensoren sollten Sie einen externen Referenzsensor verwenden, der in die gleiche Tiefe wie der zu kalibrierende Sensor eingetaucht wird. In diesem Fall sollte der Referenzsensor dem zu kalibrierenden Sensor möglichst ähnlich sein (ähnliche Durchmesser, Reaktionszeiten, etc.).
Auch hier ist der interne Sensor des Trockenblocks nicht nutzbar, weil er sich im unteren Bereich des Temperaturblocks befindet und nicht die gleiche Temperatur misst wie der kurze Sensor.
Kalibrierung eines kurzen Sensors (ohne Flansch) mit einem kurzen Referenzsensor:
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Es gibt viele zusätzliche Dinge, die bei jeder Kalibrierung wichtig sind. Einige haben wir in separaten Artikeln in diesem Blog behandelt. Diese hier einmal kurz erwähnt:
Da die Definition von Kalibrierung die Dokumentation beinhaltet, ist sie ein wesentlicher Bestandteil jeder Kalibrierung. Dies gilt natürlich auch für die Kalibrierung von Hygienesensoren. Die Dokumentation erfolgt in aller Regel in Form eines Kalibrierzertifikats.
Die verwendeten Kalibratoren sollten eine gültige messtechnische Rückführbarkeit auf die entsprechenden Standards aufweisen, sonst wird keine Rückführbarkeit bei der Kalibrierung eines Sensors gewährleistet.
Weitere Informationen zur messtechnischen Rückverfolgbarkeit finden Sie hier:
Die Kalibrierunsicherheit ist ein wesentlicher Bestandteil jeder Kalibrierung. Sind die Kalibratoren (und die verwendete Kalibriermethode bzw. Kalibrierverfahren) für die Sensor-Kalibrierung nicht exakt genug, lohnt sich die Kalibrierung nicht. Welchen Sinn ergäbe es, einen Kalibrator mit 2 % Genauigkeit für die Kalibrierung eines Geräts mit 1 % Genauigkeit einzusetzen?
Erfahren Sie hier mehr über Kalibrierunsicherheit:
Bei dem Beamex MC6-T handelt es sich um ein äußerst vielseitiges, portables, automatisiertes System zur Temperaturkalibrierung. Hierbei wird ein Temperatur-Trockenblock mit der Technologie des multifunktionalen Beamex MC6- Prozesskalibrators kombiniert.
Das Temperaturkalibrator-Modell Beamex MC6-T150 eignet sich ideal für die Kalibrierung dieser kurzen Hygiene-Temperaturfühler.
Der MC6-T150 ist mit kundenspezifischen Einsätzen passend zu Ihren spezifischen Sensoren lieferbar.
Der Beamex SIRT-155 ist ein sehr kurzer und genauer Temperaturfühler mit einer dünnen flexiblen Anschlussleitung, der als perfekte Ergänzung zum MC6-T150 für diese Anwendung entwickelt wurde.
Durch die Verbindung des MC6-T mit der Beamex-Kalibriersoftware CMX oder LOGiCAL können Sie Ihren gesamten Kalibrierprozess digitalisieren und optimieren.
Auf der ersten Abbildung unten ist der Beamex MC6-T mit einem speziellen Einsatz für die Kalibrierung von Hygienesensoren abgebildet. Auf der zweiten Abbildung wird gezeigt, wie der kurze Referenzsensor (SIRT-155) installiert wird. Die dritte Abbildung veranschaulicht die Installierung des zu kalibrierenden Hygienesensors.
Auf der vierten Abbildung werden abschließend alle vorgenommenen Installationen abgebildet; die automatische Kalibrierung kann nun gestartet werden:
Falls Sie mehr erfahren möchten oder eine Vorführung sehen möchten, wie man sanitäre Temperatursensoren mit der Beamex Lösung kalibriert, kontaktieren Sie uns bitte.
Möchten Sie mehr über die Temperaturkalibrierung erfahren? Auf der Beamex-Webseite finden Sie folgende Themen:
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Originaler Post: Sanitary temperature sensor calibration