iTHERM TrustSens

Meet een thermometer echt de juiste waarde? Om deze vraag te beantwoorden, moeten operators in de voedingsmiddelen- en life sciences-industrie hun meetinstrumenten regelmatig uitbouwen voor kalibratie – in het uiterste geval na elke batch. Nu heeft Endress+Hauser met de iTHERM TrustSens een thermometer ontwikkeld die zich tijdens het lopende proces voortdurend zelf kalibreert. De innovatieve Industrie 4.0-technologie is gebaseerd op de anders alleen in laboratoria uitgevoerde vastepuntskalibratie en maakt gebruik van het fysische fenomeen van de Curie-temperatuur.

„Met de iTHERM TrustSens hebben we een echte evolutie in temperatuurmeting bereikt“, zegt Marc Stahl, Global Product Manager Thermometers bij Endress+Hauser Wetzer GmbH+Co. KG, het competentiecentrum van de bedrijfsgroep voor temperatuurmeting en systeemcomponenten. In de voedingsmiddelen- en life sciences-industrie is de temperatuur de parameter die de grootste invloed heeft op de productkwaliteit. Alleen met de juiste temperatuur wordt bijvoorbeeld plantaardig olie niet ranzig tijdens het verwarmen, blijft melk kiemvrij en kunnen cellen in bioreactoren bij de productie van geneesmiddelen zich optimaal vermenigvuldigen. Om te voldoen aan de GMP-kwaliteitsrichtlijnen (Good Manufacturing Practice), moeten de thermometers daarom op bepaalde intervallen worden herkalibreerd. In grote installaties gebeurt dat op honderden meetpunten meerdere keren per jaar of zelfs wekelijks.

Bij een kalibratie wordt de door een meetinstrument weergegeven waarde altijd vergeleken met een ‘ware’ waarde, een externe referentie die traceerbaar is op nationale of internationale normen. Thermometers worden hiervoor op het veld gekalibreerd in blokkalibratoren of kalibratieringen in vergelijking met referentiethermometers, die zich kunnen terugvoeren op thermometers die in het laboratorium direct en daarmee hoogwaardig zijn gekalibreerd op vaste punten van de internationale temperatuurschaal. Dit zijn gedefinieerde temperaturen waarbij stoffen hun aggregaat- of fasetoestand veranderen, bijvoorbeeld het vriespunt of het tripelpunt van water. „Het is ons gelukt om voor het eerst een fasetransformatiepunt in de vaste aggregaattoestand in een thermometer te integreren“, zegt Dr. Marc Schalles, die de fundamenten voor de TrustSens heeft onderzocht aan de TU Ilmenau.

Voor de ontwikkeling van het werkingsprincipe maakte de ingenieur gebruik van het fysische fenomeen van de Curie-temperatuur: Dit is een voor elk zuiver materiaal individuele temperatuur, waarbij bij het bereiken daarvan de magnetische of elektrische eigenschappen abrupt en elektrisch detecteerbaar veranderen. De Curie-temperatuur is altijd constant. Bijvoorbeeld, ijzer wordt vanaf 768°C niet meer door een magneet aangetrokken. Als de temperatuur onder deze waarde daalt, verandert dat weer. „We hebben een materiaal gevonden waarvan de eigenschappen bij temperaturen veranderen die voor de voedingsmiddelen- en life sciences-industrie doorslaggevend zijn en die daar bij reiniging of sterilisatie worden gebruikt“, zegt Marc Stahl.

Uit dit bijzondere materiaal bestaat de referentiesensor in de TrustSens. Deze is nauw verbonden met de eigenlijke temperatuursensor Pt100, die de procestemperatuur meet met behulp van de elektrische weerstand van platina. „Door deze thermische koppeling wordt bereikt dat beide sensoren, bijvoorbeeld in een kalibratiebad, idealiter altijd aan dezelfde temperatuur worden blootgesteld“, zegt Schalles. Na elke afkoelcyclus uit hogere temperaturen wordt de Pt100 tijdens het proces automatisch gekalibreerd: Bij het bereiken van de Curie-temperatuur en daarmee het fysische vast punt geeft de referentiesensor een elektrisch signaal af. Meet de Pt100 op datzelfde moment een waarde binnen de vastgestelde toleranties, dan is hij succesvol gekalibreerd – en dat conform de GMP-richtlijnen en de regels van de Amerikaanse voedsel- en geneesmiddelenautoriteit FDA.

„De iTHERM TrustSens helpt vooral bij het minimaliseren van het risico op een onopgemerkte meetafwijking van de Pt100-sensor“, zegt Marc Stahl. Want alle gangbare Pt100-sensoren ondergaan verouderingseffecten die kunnen leiden tot verkeerde metingen, zogenaamde drift. Als bijvoorbeeld het vastgestelde herkalibratie-interval van de sensor één jaar is en bij de handmatige herkalibratie wordt een afwijking vastgesteld, moet worden aangenomen dat de thermometer al na de installatie niet meer de juiste waarde heeft gemeten. „Dan moet de gehele productie van de afgelopen twaalf maanden in twijfel worden getrokken – en in het ergste geval kunnen zelfs product recalls volgen“, zegt Marc Stahl.

Met de iTHERM TrustSens worden de herkalibratie-intervallen ineens aanzienlijk korter en worden de controles daardoor frequenter. Want meestal worden processen die herkalibraties van de iTHERM TrustSens triggeren, zoals stoomsterilisatie, dagelijks uitgevoerd. „Hierdoor wordt het risico op onopgemerkte fouten tijdens de bedrijfsvoering sterk verminderd en worden de processen transparanter“, zegt Marc Stahl. Als er een afwijking buiten de ingestelde toleranties optreedt, geeft het apparaat alarm of een foutmelding die ook ter plaatse via een LED duidelijk zichtbaar wordt weergegeven. De iTHERM TrustSens slaat bovendien alle gegevens van de laatste 350 kalibraties elektronisch op. Via een asset-managementsoftware zoals FieldCare van Endress+Hauser kunnen deze informatie worden uitgelezen en tegelijk kalibratiecertificaten voor audits automatisch worden gegenereerd – bij conventionele herkalibraties is dat slechts handmatig mogelijk.

In totaal tien jaar onderzoek en ontwikkeling zitten in de iTHERM TrustSens. Naast Endress+Hauser Wetzer GmbH, de sensortechnologiespecialist Innovative Sensor Technology IST AG die deel uitmaakt van de Endress+Hauser-groep en de TU Ilmenau waren ook operators vanaf het begin nauw betrokken. „De aanleiding voor de nieuwe technologie kwam uit het Endress+Hauser Life-Sciences-netwerk. Dankzij onze branchegerichte aanpak kenden wij de eisen van de klanten zeer goed“, zegt Stahl. In voortdurende uitwisseling werden vragen over de inrichting van het meetbereik, de bouwvorm of kalibratiecertificaten verduidelijkt. Door de samenwerking van alle betrokkenen is niet alleen een innovatieve technologie ontstaan, maar ook een echt Industrie 4.0-product. „Door zijn volledig automatische en auditsafe inline zelfkalibratie maakt de TrustSens het mogelijk om de productiebegeleide kwaliteitscontrole en voortdurende procesverificatie, zoals beoogd door Industrie 4.0, uit te voeren“, zegt Marc Stahl.