Endress+Hauser iTHERM TrustSens

W tym roku iTHERM TrustSens zdobył Nagrodę Hermesa na targach Hannover Messe oraz Nagrodę Innowacji AMA w ramach Sensor+Test 2018. W jego rozwój zaangażowano wiedzę specjalistów z Endress+Hauser Wetzer, Innovative Sensor Technology IST AG należącej do grupy Endress+Hauser oraz z Technische Universität Ilmenau. To tam dr Marc Schalles, kierownik grupy ds. pomiaru temperatury, opracował zasadę działania TrustSens. 

Panie Schalles, udało się projektowemu zespołowi zintegrować w termometrze kalibrację opartą na punkcie stałym temperatury Curie. Skąd wziął się ten pomysł?

Marc Schalles: Termometry są zawsze kalibrowane bezpośrednio lub przy użyciu porównawczych termometrów w łańcuchu kalibracyjnym, który można odtworzyć. To temperatury, przy których czyste substancje przechodzą przemiany fazowe; topią się, zamarzają lub mają punkt trzech faz. Do kalibracji wykorzystuje się między innymi komórki punktu stałego, zawierające odpowiednią substancję. W Technische Universität Ilmenau zaczęliśmy już 25 lat temu miniaturyzować takie komórki i integrować je w termometrach, aby móc je kalibrować inline. Jednak miało to swoje wady: w przypadku metalowego punktu stałego konieczne było utrzymanie topniejącej masy. Ponadto podczas każdej przemiany fazowej zachodziło wydzielanie się ciepła – co powodowało, że sensor mierzył temperaturę przemiany fazowej, a nie temperaturę procesu. Szukałem więc alternatyw i je znalazłem. To właśnie uruchomiło cały proces, który pozwolił na opracowanie w ramach tej współpracy przemysłowego termometru, w którym zintegrowano kalibrację opartą na temperaturze Curie.

A potem natknęliście się na temperaturę Curie. Co czyni ją tak praktyczną do kalibracji?

Schalles: W temperaturze Curie, podobnie jak w przypadku klasycznych materiałów punktów stałych, zachodzi przemiana fazowa. Jest to temperatura specyficzna dla danej substancji, powyżej której ferromagnetyczne lub ferroelektryczne materiały tracą swoje właściwości. Podczas przemiany fazowej w temperaturze Curie takie materiały pozostają w stanie zarówno spolaryzowanym, jak i niepolaryzowanym, w stanie stałym, co czyni je bardzo dobrymi do integracji w zastosowaniach termometrów. Dodatkowo, przejście fazowe można bardzo dobrze wykryć i powtórzyć elektrycznie. Koledzy z Endress+Hauser, wspólnie z operatorami urządzeń, analizowali, w jakiej temperaturze powinna zachodzić taka przemiana fazowa, aby można ją było stosować w procesach branży spożywczej i nauk o życiu. Następnie sprawdziliśmy, które materiały działają w tym zakresie – w ich doborze i obsłudze kryje się, podobnie jak w przypadku klasycznych komórek punktu stałego, dużo wiedzy specjalistycznej.

Gdzie pojawiły się wyzwania przy realizacji iTHERM TrustSens jako produktu?

Schalles: Największym wyzwaniem był ograniczony dostępny przestrzeń. Najmniejsze elementy pomiarowe TrustSens mają średnicę zaledwie trzech milimetrów. W tym niewielkim rozmiarze musiały się znaleźć właściwy czujnik temperatury, czujnik referencyjny z odpowiednim materiałem oraz metody pomiarowe do wykrywania przemiany fazowej. Endress+Hauser, dzięki swojej wiedzy technologicznej, opracował tak konstrukcję czujnika i termometru, aby zapewnić długoterminową stabilność przemiany fazowej. W tym pomogło również know-how specjalisty od sensorów należącego do grupy Endress+Hauser IST. 

Na ile ta nowa metoda kalibracji jest bezpieczna w porównaniu do tradycyjnych metod, takich jak kalibracja za pomocą kół kalibracyjnych?

Schalles: Kalibracje porównawcze z użyciem kół kalibracyjnych należą do metod kalibracji stacjonarnej. Polega to na umieszczeniu w urządzeniu do kalibracji termometru, który ma być sprawdzony, oraz termometru porównawczego i oczekiwaniu na osiągnięcie równowagi termicznej, czyli ustawienia obu termometrów na tę samą temperaturę. Natomiast w przypadku iTHERM TrustSens kalibracja odbywa się w sposób dynamiczny. Dzięki odpowiedniej konstrukcji iTHERM TrustSens zapewniamy, że zmiana temperatury wywołana przez medium procesu jest równie dobrze rejestrowana przez czujnik referencyjny i procesowy. Termometr jest odpowiednio wymiarowany termicznie, a procesy transferu ciepła wewnątrz niego zoptymalizowane.

Czy rozwój tego czujnika był dla Pana czymś wyjątkowym?

Schalles: Zdecydowanie tak. Uważam za godne podziwu, że Endress+Hauser dał dużą swobodę w rozwoju samokalibrującego się termometru procesowego – szczególnie, że badania były prowadzone w sposób otwarty na wyniki. Firma pokazała, że rozumie procesy swoich klientów. Uważam, że to świetny przykład kultury innowacyjnej. Dzięki temu nie ograniczyło się to tylko do samego pomysłu – jest to dla mnie piękny przykład udanej współpracy między nauką a przemysłem.