Sensorkappenfertigung

Sensorkappenfertigung: Für die komplexe Fertigung der Sensorkappen, die Bearbeitung der Mantelleitungen, die Montage und Verschweißung von Mantelleitung und Kappe sowie für die Prüfungen der fertigen Messeinsätze wurde bei Endress+Hauser eine eigene, komplett neue Fertigungstechnologie entwickelt und umgesetzt.

Thermometer in der Prozessautomatisierung sind nach der DIN 43772 aufgebaut. Auf den ersten Blick ist nicht zu erkennen, mit welchem Sensor die Temperatur erfasst wird. Ob es sich um einen Widerstandsensor Pt100 oder um ein Thermoelement handelt, erkennt man erst am Typenschild. Wie genau Pt100-Sensoren sind, wird in Genauigkeitsklassen definiert. Bereits die Einstiegsgenauigkeitsklasse B ist genauer als ein Thermoelement.

iTherm StrongSens

iTherm StrongSens: Das Geheimnis steckt im Detail – exakte Positionierung und Einbettung des Pt100-Sensors in einer speziellen Keramikvergussmasse bringen Vorteile wie extreme Vibrationsresistenz.

iTherm QuickSens

iTherm QuickSens: Durch die direkte Kontaktierung des Pt100-Sensors mit dem Sensorkappenboden wird jede Temperaturänderung in kürzester Zeit erfasst. Ansprechzeit t 90 von 0,75 Sekunden.

Aber auch Pt100-Sensoren weisen Einschränkungen auf, und deshalb finden auch die Thermoelemente weiterhin ihre Anwendungen. Die Einsatzgrenzen von Pt100-Messeinsätzen sind stark von ihrem Aufbau abhängig. Hier sind zunächst die bisher möglichen Maximaltemperaturen von 400 Grad für Dünnfilm-Pt100 und 600 Grad für drahtgewickelte Pt100-Sensoren sowie eine höhere Empfindlichkeit bei starken Vibrationen zu nennen. Dünnfilmsensoren vertragen mehr Vibrationen als die drahtgewickelten Pt100-Sensoren.

Diese Nachteile auf beiden Seiten waren Anstoß für Endress+Hauser, neue Messeinsätze zu entwickeln, die eine hohe Genauigkeit und Langzeitstabilität bei gleichzeitig großer Vibrationsresistenz bieten sollten. Auf der Basis von Dünnschichtsensoren ist es mit dem TS111 gelungen, die Eigenschaften zu verbessern und die Einsatzgrenzen für die Dünnfilmtechnik zu erweitern.

Messeinsätze sind das Herz des Thermometers. Sie haben direkten Einfluss auf die messtechnischen Eigenschaften der gesamten Temperaturmessstelle, wie Messgenauigkeit und thermische Ansprechzeit. Obwohl sie scheinbar einfach und identisch aufgebaut sind – ein Pt100-Messwiderstand mit typischerweise vier voneinander elektrisch isolierten Anschlussleitungen in einem Rohr –, unterscheiden sich die Pt100-Messeinsätze verschiedener Hersteller durchaus deutlich. Auch hier zählen letztlich die inneren Werte: Die konkrete Konstruktion der Sensorspitze, die aufgewendete Sorgfalt und viele Details bei seiner Fertigung, die dem Anwender verborgen bleiben, entscheiden über ihre tatsächliche Qualität.

Die Verwendung sogenannter mineralisolierter Mantelleitungen ist mittlerweile Standard für höhere Einsatztemperaturen. Sie enthalten die Anschlussleitungen aus Kupfer, Nickel oder Nickel/Chrom, an die der eigentliche Temperatursensor (Pt100) später mittels Hartlötung oder Verschweißung angeschlossen wird. Solche Mantelleitungen werden aufgerollt geliefert. Sie sind für die Herstellung eines Messeinsatzes zu richten und auf die gewünschte Länge zu kürzen.

An ihren Enden wird anschließend die Mineralisolierung (MgO- oder Al2O3-Pulver) teilweise entfernt, um die Drähte freizulegen und das Sensorelement angeschweißt oder gelötet. Danach ist die Leitung mit einer passenden Hülse wieder zu verlängern, alle verbleibenden Hohlräume mit Keramikpulver möglichst kompakt auszufüllen und das Ganze mit einem Boden zu versehen und zu verschließen. Dies ist seit vielen Jahren die Standard-Fertigungstechnologie für solche Messeinsätze, die zu einem Großteil immer noch manuell ausgeführt wird.

Natürlich bleiben dabei Qualitätsschwankungen nicht aus. Verunreinigungen, die das Pt100-Sensorelement bei höheren Temperaturen schneller altern lassen, eingedrungene Luftfeuchtigkeit, die den Isolationswiderstand der Leitung herabsetzt oder verbleibende Hohlräume im Bereich der Messeinsatzspitze, die bei Vibrationen zu Leitungsbrüchen führen, sind hier beispielhaft zu nennen.

Gerade das ausreichend kompakte und dichte Verfüllen mit möglichst reinem, trockenem Keramikpulver und das sichere Einbetten des Pt100-Elements gestalten sich dabei aufwendig und lassen sich trotz des Einsatzes von Rüttelapparaturen in der Praxis kaum wirklich zufriedenstellend mit gleich bleibender Qualität realisieren. Gerade die Art des verwendeten Pt100-Sensorelements, seine Einbettung und Kapselung sind aber wesentlich für die spätere Kennlinien-Langzeitstabilität und die mechanische Belastbarkeit des Messeinsatzes unter Prozessbedingungen.