iTHERM TrustSens

Czy termometr naprawdę mierzy właściwą wartość? Aby odpowiedzieć na to pytanie, operatorzy urządzeń w przemyśle spożywczym i naukach o życiu muszą regularnie wyjmować swoje urządzenia pomiarowe do kalibracji – w skrajnym przypadku po każdym pojedynczym partii. Teraz firma Endress+Hauser opracowała termometr iTHERM TrustSens, który w trakcie procesu ciągle sam się kalibruje. Innowacyjna technologia Industry 4.0 opiera się na kalibracji punktu stałego, którą zwykle przeprowadza się tylko w laboratoriach, i korzysta z fizycznego zjawiska Curie-Temperatury.

„Dzięki iTHERM TrustSens zrobiliśmy prawdziwy krok ewolucyjny w technice pomiaru temperatury”, mówi Marc Stahl, Global Product Manager Thermometer w firmie Endress+Hauser Wetzer GmbH+Co. KG, centrum kompetencji grupy firm w zakresie techniki pomiaru temperatury i komponentów systemowych. W przemyśle spożywczym i naukach o życiu temperatura jest parametrem, który ma największy wpływ na jakość produktu. Tylko przy odpowiedniej temperaturze na przykład olej spożywczy nie stanie się zepsuty podczas podgrzewania, mleko będzie wolne od drobnoustrojów, a komórki w bioreaktorach podczas produkcji leków będą się optymalnie rozmnażać. Aby spełnić wytyczne GMP (Dobra Praktyka Produkcyjna), termometry muszą być regularnie rekalibrowane w określonych odstępach czasu. W dużych zakładach odbywa się to na setkach punktów pomiarowych kilka razy w roku lub nawet co tydzień.

Podczas kalibracji odczytana wartość urządzenia pomiarowego jest zawsze porównywana z „prawdziwą” wartością, czyli zewnętrznym odniesieniem, które można odnieść do norm krajowych lub międzynarodowych. Termometry kalibruje się na polu w blokach kalibracyjnych lub kołach kalibracyjnych, porównując je z referencyjnymi termometrami, które można odnieść do termometrów kalibrowanych bezpośrednio w laboratorium na punktach stałych międzynarodowej skali temperatury. Są to określone temperatury, przy których substancje zmieniają swój stan skupienia lub fazę, na przykład punkt topnienia lodu lub punkt potrójny wody. „Udało nam się po raz pierwszy zintegrować punkt przemiany fazy w stanie stałym w termometrze”, mówi dr Marc Schalles, który badał podstawy TrustSens na TU Ilmenau.

Do opracowania zasady działania inżynier wykorzystał zjawisko fizyczne Curie-Temperatury: jest to temperatura, dla każdego czystego materiału indywidualna, przy której jego właściwości magnetyczne lub elektryczne nagle i wyraźnie się zmieniają, co można wykryć elektrycznie. Curie-Temperatura jest zawsze stała. Na przykład żelazo nie jest już przyciągane przez magnes powyżej 768°C. Gdy temperatura spadnie poniżej tej wartości, właściwości powracają do poprzednich. „Znaleźliśmy materiał, którego właściwości zmieniają się w temperaturach istotnych dla przemysłu spożywczego i nauk o życiu, i które są wykorzystywane podczas czyszczenia lub sterylizacji”, mówi Marc Stahl.

W tym specjalnym materiale znajduje się sensor odniesienia w TrustSens. Jest on ściśle połączony z właściwym czujnikiem temperatury Pt100, który mierzy temperaturę procesu za pomocą oporu elektrycznego platyny. „Dzięki temu połączeniu termicznemu oba czujniki są idealnie wystawione na tę samą temperaturę, na przykład w kalibracyjnym kąpielisku”, mówi Schalles. Po każdym chłodzeniu z wyższych temperatur Pt100 jest automatycznie kalibrowany podczas procesu: gdy osiągnięta zostanie Curie-Temperatura i tym samym punkt fizyczny, sensor odniesienia wysyła sygnał elektryczny. Jeśli w tym samym czasie Pt100 odczytuje wartość mieszczącą się w określonych tolerancjach, oznacza to, że został pomyślnie skalibrowany – zgodnie z wytycznymi GMP i zasadami amerykańskiej agencji FDA.

„iTHERM TrustSens pomaga głównie operatorom zakładów minimalizować ryzyko nieznanej odchyłki pomiarowej czujnika Pt100”, mówi Marc Stahl. Wszystkie standardowe czujniki Pt100 podlegają efektom starzenia, które mogą prowadzić do błędnych pomiarów, tzw. dryfu. Jeśli na przykład interwał rekalibracji ustawiony jest na rok, a podczas ręcznej rekalibracji wykryje się odchyłkę, należy założyć, że termometr od momentu instalacji już nie mierzy poprawnie. „W takim przypadku cała produkcja ostatnich dwunastu miesięcy musi być poddana w wątpliwość – a w najgorszym przypadku mogą nastąpić wycofania produktów”, ostrzega Marc Stahl.

Dzięki iTHERM TrustSens interwały rekalibracji zostają znacznie skrócone, a kontrole stają się bardziej regularne. Zazwyczaj procesy wywołujące rekalibrację iTHERM TrustSens, takie jak sterylizacja parowa, są przeprowadzane codziennie. „W ten sposób ryzyko nieznanych błędów podczas pracy jest znacznie zminimalizowane, a procesy stają się bardziej przejrzyste”, mówi Marc Stahl. Jeśli odchyłka wykracza poza ustawione tolerancje, urządzenie alarmuje lub wyświetla komunikat o błędzie, który jest wyraźnie widoczny na miejscu za pomocą diody LED. iTHERM TrustSens zapisuje również wszystkie dane z ostatnich 350 kalibracji elektronicznie. Za pomocą oprogramowania do zarządzania zasobami, takiego jak FieldCare od Endress+Hauser, można odczytać te informacje i automatycznie generować certyfikaty kalibracji do audytów – w przypadku tradycyjnych rekalibracji jest to możliwe tylko ręcznie.

W sumie w iTHERM TrustSens zaangażowano dziesięć lat badań i rozwoju. Oprócz firmy Endress+Hauser Wetzer GmbH, specjalisty od czujników z grupy Endress+Hauser, oraz TU Ilmenau, od początku blisko współpracowali także operatorzy zakładów. „Inicjatywa do nowej technologii wyszła od sieci Endress+Hauser Life-Sciences. Dzięki naszej orientacji branżowej dokładnie znamy wymagania klientów”, mówi Stahl. W ciągłym dialogu wyjaśniono kwestie dotyczące zakresu pomiarowego, konstrukcji czy certyfikatów kalibracyjnych. W wyniku współpracy powstała nie tylko innowacyjna technologia, ale także prawdziwy produkt Industry 4.0. „Dzięki pełnej automatycznej i audytowi zgodnej inline-owej samokalibracji TrustSens umożliwia produkcyjną kontrolę jakości i ciągłe weryfikacje procesów, zgodnie z założeniami Industry 4.0”, podsumowuje Marc Stahl.