Endress+Hauser iTHERM TrustSens

Dit jaar heeft de iTHERM TrustSens de Hermes Award van de Hannover Messe en de AMA Innovatieprijs gewonnen tijdens Sensor+Test 2018. In de ontwikkeling ervan is de knowhow van Endress+Hauser Wetzer, de tot de Endress+Hauser-groep behorende Innovative Sensor Technology IST AG en de Technische Universiteit Ilmenau verwerkt. Daar heeft Dr. Marc Schalles, hoofd van de werkgroep Temperatuurmeting, het werkingsprincipe van de TrustSens ontwikkeld.

Meneer Schalles, het projectteam is erin geslaagd om een op de Curie-temperatuur gebaseerde vastepuntkalibratie in een thermometer te integreren. Hoe bent u op dit idee gekomen?

Marc Schalles: Thermometers worden altijd direct of met behulp van vergelijkings-thermometers in een traceerbare keten gekalibreerd op vaste punten. Dat zijn temperaturen waarbij zuivere stoffen een faseovergang vertonen; ze smelten, stollen of hebben hun tripelpunt. Voor de kalibratie worden onder andere vastepuntcellen gebruikt die de betreffende stof bevatten. Hier aan de TU Ilmenau zijn we al 25 jaar begonnen met het miniaturiseren van zulke cellen en het integreren ervan in thermometers, om ze vervolgens inline te kalibreren. Maar er waren nadelen: bij een vaste punt van metaal moet de smeltkroes worden vastgehouden. Bovendien wordt bij elke faseovergang warmte omgezet – daardoor meet de sensor de faseovergangstemperatuur en niet meer die van het proces. Daarom heb ik gezocht naar alternatieven en die gevonden. Dit zette de motor aan, zodat in deze projectcoöperatie een industriële thermometer kon worden ontwikkeld waarin de kalibratie op basis van de Curie-temperatuur was geïntegreerd.

Schalles: Bij de Curie-temperatuur vindt, analog aan de klassieke vastepuntmaterialen, ook een faseovergang plaats. Het is de stofspecifieke temperatuur boven welke ferromagnetische of ferro-elektrische materialen hun eigenschappen verliezen. Tijdens de faseovergang bij de Curie-temperatuur blijven dergelijke materialen zowel in de gepolariseerde als in de niet-gepolariseerde toestand in de vaste fase, waardoor ze zich zeer goed lenen voor integratie in een thermometer. Bovendien kan de overgang elektrisch zeer goed worden gedetecteerd en gereproduceerd. De collega’s van Endress+Hauser hebben vervolgens samen met installatiebeheerders geanalyseerd bij welke temperatuur zo’n faseovergang zou moeten plaatsvinden, zodat deze in de processen van de voedingsmiddelen- en life sciences-sector kan worden ingezet. Daarna hebben wij gekeken welk materiaal in dit bereik functioneert – in de keuze en handling ervan zit, net als bij klassieke vastepuntcellen, veel knowhow.

Waar lagen de uitdagingen bij de implementatie van de iTHERM TrustSens in een product?

Schalles: De grootste uitdaging was de beperkte ruimte die beschikbaar was. De kleinste TrustSens-meetinzetten hebben een buitendiameter van drie millimeter. Daarin moesten de eigenlijke temperatuursensor, de referentiesensor met het speciale materiaal en de elektrische meetmethoden voor de detectie van de faseovergang worden geïntegreerd. Endress+Hauser heeft vanwege zijn technologische expertise de sensor- en thermometerbouwvorm zodanig ontwikkeld dat een langdurig stabiele faseovergang wordt bereikt. Hieraan heeft ook de knowhow van de sensorspecialist IST, dat tot de Endress+Hauser-groep behoort, aanzienlijk bijgedragen.

Hoe zeker is deze nieuwe vorm van kalibratie in vergelijking met klassieke kalibraties zoals bijvoorbeeld met behulp van kalibratieraderen?

Schalles: Vergelijkingskalibraties met kalibratieraderen behoren tot de stationaire kalibratiemethoden. Hier stopt men het te testen thermometer en het vergelijkings-thermometer in een omgeving en wacht men tot er thermisch evenwicht is, dus dat de thermometers zich statisch op dezelfde temperatuur instellen. Bij de iTHERM TrustSens wordt daarentegen in een dynamisch proces gekalibreerd. Door de geschikte bouwvorm van de iTHERM TrustSens zorgen we ervoor dat de temperatuurverandering door het procesmedium zowel de referentiesensor als de processensor even goed registreert. We hebben hiervoor de thermometer thermisch gedimensioneerd en de warmteoverdrachtprocessen daarin geoptimaliseerd.

Was de ontwikkeling van de sensor voor u iets bijzonders?

Schalles: Zeker. Ik vond het opmerkelijk dat Endress+Hauser veel ruimte heeft gegeven voor de ontwikkeling van een zelfkalibrerende procesthermometer – vooral omdat het onderzoek open was qua resultaten. Het bedrijf heeft laten zien dat het de processen van de klanten begrijpt. Ik vind het bewonderenswaardig hoe zo’n innovatiecultuur wordt geleefd. Daardoor is het niet bij een louter idee gebleven – juist daarom is dit voor mij een mooi voorbeeld van een geslaagde ontwikkeling en ook een succesvolle samenwerking tussen onderzoek en industrie.