Eine Temperaturmessstelle ist für den Betrieb einer Anlage kritisch. Fällt der Pt100 aus, fehlt plötzlich der Prozesswert. Deshalb wird häufig ein Doppel-Pt100 vorgesehen. Doch bedeutet ein zweites Pt100-Element automatisch, dass die Temperaturmessung redundant ist?
Nicht unbedingt. Bei einem typischen Doppel-Pt100 befinden sich zwei elektrisch getrennte Pt100-Messelemente innerhalb desselben Messeinsatzes. Beide Sensoren messen nahezu am gleichen Punkt und können getrennt ausgewertet werden. Mechanische Komponenten wie Schutzrohr, Messeinsatz, Anschlusskopf und Einbaustelle werden jedoch weiterhin gemeinsam genutzt.
Für die Planung einer redundanten Temperaturmessung muss deshalb zunächst geklärt werden, welches Ziel erreicht werden soll:
- Weiterbetrieb bei Ausfall eines Pt100-Elements,
- Erkennung einer zunehmenden Sensordrift,
- Redundanz des Messumformers,
- Redundanz der kompletten Messkette,
- Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit oder
- Aufbau einer sicherheitsgerichteten Temperaturmessung.
Ein zweiter Sensor verbessert die Verfügbarkeit nur für Fehler, die tatsächlich unabhängig vom ersten Sensor auftreten. Gemeinsame Komponenten der Messstelle bleiben gemeinsame Fehlerquellen.
Was ist ein Doppel-Pt100?
Ein Pt100 ist ein Platin-Widerstandssensor mit einem Nennwiderstand von:
100 Ω bei 0 °C
Bei einem Doppel-Pt100 befinden sich zwei voneinander elektrisch getrennte Pt100-Messelemente in einer gemeinsamen Sensorkonstruktion.
Typischerweise bedeutet dies:
Pt100 Sensor 1 + Pt100 Sensor 2 → gemeinsamer Messeinsatz
Beide Sensorelemente befinden sich räumlich sehr nahe beieinander und sollen deshalb im stationären Zustand praktisch dieselbe Prozesstemperatur erfassen.
Wichtig ist die begriffliche Unterscheidung:
Ein Doppel-Pt100 besteht normalerweise aus zwei Messelementen innerhalb eines Messeinsatzes. Er entspricht nicht automatisch zwei vollständig voneinander unabhängigen Temperaturfühlern.
Was bedeutet Redundanz bei einer Temperaturmessung?
Redundanz bedeutet, dass eine Funktion trotz des Ausfalls einer Komponente weiterhin verfügbar bleibt.
Bei einer Temperaturmessstelle kann sich die Redundanz jedoch auf unterschiedliche Ebenen beziehen.
Eine komplette Messkette besteht beispielsweise aus:
Prozess → Schutzrohr → Pt100 → Anschlussleitung → Messumformer → 4...20-mA-Signal → SPS/DCS → Auswertung
Werden lediglich zwei Pt100-Elemente eingebaut, ist nur ein kleiner Teil dieser Messkette doppelt vorhanden.
Werden dagegen zwei vollständig getrennte Temperaturfühler mit jeweils eigenem:
- Prozessanschluss,
- Messeinsatz,
- Messumformer,
- Versorgungskreis und
- SPS-Eingang
verwendet, ist die Messkette wesentlich unabhängiger aufgebaut.
Welche Variante sinnvoll ist, hängt von der geforderten Anlagenverfügbarkeit und der Bedeutung der Messstelle ab.
Welche Redundanzkonzepte gibt es?
In der Praxis sind mehrere Konzepte üblich.
Variante 1: Doppel-Pt100 mit einem Messumformer
Pt100 A ─┐
├→ Dual-Input-Messumformer → SPS
Pt100 B ─┘
Der Messumformer überwacht beide Sensoren und kann bei einem Sensorfehler auf den zweiten Eingang umschalten.
Variante 2: Doppel-Pt100 mit zwei Messumformern
Pt100 A → Messumformer A → SPS Eingang A
Pt100 B → Messumformer B → SPS Eingang B
Damit sind zusätzlich die Messumformer und Ausgangssignale getrennt.
Variante 3: Zwei separate Temperaturmessstellen
Fühler A → Messumformer A → SPS Eingang A
Fühler B → Messumformer B → SPS Eingang B
Diese Architektur besitzt weniger gemeinsame mechanische Komponenten.
Dafür entstehen zusätzliche Prozessanschlüsse, Montagekosten und mögliche Unterschiede zwischen den beiden Messorten.
Doppel-Pt100 in einem Messeinsatz
Die kompakte Lösung für höhere Verfügbarkeit ist ein Messeinsatz mit zwei Pt100-Elementen.
Vorteile sind:
- nur eine Prozessmessstelle erforderlich,
- beide Sensoren erfassen nahezu denselben Messpunkt,
- keine zusätzlichen Prozessanschlüsse notwendig,
- zweiter Sensor steht bei einem elektrischen Sensorausfall bereit,
- Vergleich beider Temperaturwerte ermöglicht eine Driftüberwachung.
Allerdings besitzen beide Sensoren gemeinsame Komponenten.
Ein mechanisch beschädigter Messeinsatz kann beispielsweise beide Pt100 gleichzeitig betreffen.
Dasselbe gilt bei:
- falscher Einbaulänge,
- schlechtem Wärmeübergang,
- beschädigtem Schutzrohr,
- Feuchtigkeit im Anschlussbereich,
- zu hoher Prozesstemperatur.
Ein Doppel-Pt100 ist deshalb vor allem eine sehr kompakte Form der Sensorredundanz, aber nicht zwangsläufig eine vollständig redundante Temperaturmessstelle.
Wann sind zwei separate Messeinsätze besser?
Soll auch gegen gemeinsame mechanische Fehler abgesichert werden, kann eine zweite unabhängige Temperaturmessstelle sinnvoll sein.
Dann besitzt jeder Messkanal beispielsweise einen eigenen:
- Messeinsatz,
- Schutzrohr- beziehungsweise Prozessanschluss,
- Anschlusskopf,
- Messumformer.
Damit kann ein Defekt einer Messstelle die zweite Messstelle weniger wahrscheinlich gleichzeitig beeinträchtigen.
Die zusätzliche Unabhängigkeit besitzt jedoch einen Nachteil:
Beide Sensoren befinden sich nicht mehr exakt am selben Ort.
Bei einem Prozess mit Temperaturgradienten können deshalb reale Temperaturunterschiede auftreten.
Ein Unterschied zwischen beiden Signalen bedeutet dann nicht automatisch, dass einer der Sensoren fehlerhaft ist.
Zwei Pt100 an einem Messumformer
Ein Dual-Input-Temperaturmessumformer kann beide Pt100-Eingänge gleichzeitig überwachen.
Damit lassen sich beispielsweise:
- Sensor 1 als Hauptsensor verwenden,
- Sensor 2 als Reservesensor verwenden,
- beide Sensorwerte miteinander vergleichen,
- eine zunehmende Differenz erkennen,
- bei einem Sensorfehler automatisch umschalten.
Dieses Konzept ist besonders kompakt.
Es besitzt jedoch einen gemeinsamen Punkt:
den Messumformer selbst
Fällt dessen Elektronik oder Versorgung aus, sind beide Sensorkanäle für den Prozesswert nicht mehr verfügbar.
Das Konzept verbessert deshalb hauptsächlich die Verfügbarkeit gegenüber einem Sensorausfall.
Wann sind zwei Messumformer sinnvoll?
Bei höheren Anforderungen können beide Pt100-Elemente jeweils einen eigenen Messumformer erhalten.
Dann entstehen zwei separate Signale:
Pt100 A → 4...20 mA A
Pt100 B → 4...20 mA B
Die SPS beziehungsweise das Leitsystem kann beide Werte unabhängig erfassen.
Dadurch lassen sich zusätzlich erkennen:
- Ausfall eines Messumformers,
- Fehler eines Analogausgangs,
- Unterbrechung eines Stromkreises,
- Abweichungen zwischen beiden Messketten.
Für eine möglichst unabhängige Redundanz sollten dann allerdings auch Versorgung, Verkabelung und Eingänge der Steuerung betrachtet werden.
Zwei Messumformer an derselben Spannungsversorgung und derselben Analogeingangskarte besitzen weiterhin gemeinsame Fehlerquellen.
Wie funktioniert eine automatische Sensorumschaltung?
Ein Dual-Input-Messumformer kann einen Sensor als primären und den zweiten als sekundären Sensor definieren.
Der normale Signalweg lautet:
Sensor 1 → Prozesswert
Erkennt der Messumformer beispielsweise:
- Drahtbruch,
- Kurzschluss oder
- einen als Sensorfehler bewerteten Eingang,
kann ein dafür ausgelegtes Gerät automatisch auf:
Sensor 2 → Prozesswert
umschalten.
Dieses Verfahren wird häufig als:
Hot Backup
bezeichnet.
Der zweite Sensor wird bereits permanent erfasst und muss beim Fehlerfall nicht erst elektrisch zugeschaltet oder hochgefahren werden.
Wichtig ist, dass die Umschaltung gleichzeitig diagnostiziert wird.
Der Prozess kann zwar weiterlaufen, die ursprüngliche Redundanz steht nach dem ersten Sensorfehler jedoch nicht mehr zur Verfügung.
Wie lässt sich Sensordrift erkennen?
Ein besonderer Vorteil von zwei gleichzeitig gemessenen Sensoren ist die Möglichkeit zur Vergleichsdiagnose.
Vereinfacht kann die Differenz berechnet werden als:
ΔT = T1 - T2
Im stationären Zustand sollten zwei dicht nebeneinander liegende Pt100 normalerweise sehr ähnliche Werte liefern.
Nimmt die Differenz über längere Zeit kontinuierlich zu, kann dies auf:
- Sensordrift,
- Kontaktprobleme,
- Leitungsfehler,
- Isolationsprobleme oder
- veränderten Wärmeübergang
hinweisen.
Der zulässige Differenzwert sollte jedoch nicht pauschal gewählt werden.
Berücksichtigt werden müssen unter anderem:
- Genauigkeitsklasse beider Sensoren,
- Genauigkeit der Eingangselektronik,
- Temperaturgradienten im Prozess,
- dynamisches Verhalten der Sensoren,
- gewünschte Diagnoseempfindlichkeit.
Warum muss der Wärmeübergang beider Sensoren vergleichbar sein?
Ein elektrisch hochgenauer Pt100 misst nur die Temperatur, die tatsächlich an seinem Sensorelement anliegt.
Zwischen Prozess und Sensorelement liegen häufig:
Prozessmedium → Schutzrohr → Luftspalt beziehungsweise Kontaktfläche → Messeinsatz → Pt100
Jeder dieser Übergänge beeinflusst das thermische Verhalten.
Bei zwei Elementen innerhalb desselben Messeinsatzes sind die Bedingungen meist sehr ähnlich.
Bei zwei separaten Messeinsätzen können dagegen Unterschiede entstehen durch:
- unterschiedliche Einbautiefe,
- unterschiedlichen Anpressdruck,
- abweichenden Schutzrohrdurchmesser,
- unterschiedliche Strömungsbedingungen,
- verschiedene Wandabstände.
Während schneller Temperaturänderungen können deshalb vorübergehend unterschiedliche Messwerte entstehen, obwohl beide Sensoren technisch einwandfrei arbeiten.
Welchen Einfluss haben Schutzrohr und Einbaulänge?
Ein Schutzrohr schützt den Messeinsatz gegen Prozessdruck, Strömung und aggressive Medien.
Es erhöht jedoch gleichzeitig die thermische Masse der Messstelle.
Ein massives Schutzrohr kann deshalb die Reaktionszeit verlängern.
Die richtige Einbaulänge ist ebenfalls wichtig.
Ist der Sensor zu kurz eingebaut, kann Wärme über:
- Prozessanschluss,
- Behälterwand oder
- Rohrleitung
abgeleitet werden.
Der Pt100 misst dann nicht ausschließlich die gewünschte Prozesstemperatur.
Bei zwei redundanten Sensoren sollte deshalb nicht nur ihre elektrische Genauigkeit, sondern auch ihre identische beziehungsweise definierte thermische Einbausituation betrachtet werden.
2-, 3- oder 4-Leiter bei einem Doppel-Pt100?
Auch ein Doppel-Pt100 kann in unterschiedlichen Schaltungsarten ausgeführt werden.
Typisch sind:
2 x Pt100 / 2-Leiter,2 x Pt100 / 3-Leiter,2 x Pt100 / 4-Leiter.
Ein Doppel-Pt100 in 3-Leitertechnik benötigt beispielsweise:
6 Anschlussleiter
Bei zwei 4-Leiter-Pt100 werden:
8 Anschlussleiter
benötigt.
Die 2-Leiter-Schaltung besitzt den Nachteil, dass der Widerstand der Anschlussleitungen direkt in das Messergebnis eingeht.
Die 3-Leiter-Schaltung kompensiert den Leitungswiderstand weitgehend, sofern die Leiter vergleichbare Widerstände besitzen.
Bei hohen Genauigkeitsanforderungen beziehungsweise längeren Leitungen ist die 4-Leiter-Messung besonders vorteilhaft.
Bei der Auswahl eines Doppel-Pt100 muss deshalb bereits vor der Bestellung geprüft werden, wie viele Adern Messumformer, Anschlusskopf und bestehende Feldverkabelung tatsächlich unterstützen.
Welche gemeinsamen Fehler bleiben trotz Doppel-Pt100?
Redundanz schützt nur gegen ausreichend unabhängige Fehler.
Bei einem Doppel-Pt100 können unter anderem folgende Komponenten gemeinsam genutzt werden:
- Schutzrohr,
- Messeinsatzmantel,
- Anschlusskopf,
- Kabelverschraubung,
- Prozessanschluss,
- Messort.
Wird beispielsweise das Schutzrohr mechanisch beschädigt oder dringt Feuchtigkeit in den gesamten Anschlusskopf ein, können beide Sensorstromkreise betroffen sein.
Bei einem Dual-Input-Messumformer kommen weitere gemeinsame Komponenten hinzu:
- Messumformerelektronik,
- Stromversorgung,
- 4…20-mA-Ausgang,
- Feldleitung.
Bei der Redundanzplanung sollte deshalb immer gefragt werden:
Welcher konkrete Fehler soll durch die zweite Messung beherrscht werden?
Wie weit sollte die Redundanz im Signalweg reichen?
Für eine normale Prozessüberwachung kann bereits ein Doppel-Pt100 mit automatischer Sensorumschaltung eine sehr gute Lösung sein.
Bei einer besonders kritischen Messstelle kann dagegen eine vollständiger getrennte Architektur sinnvoll sein:
Sensor A → Transmitter A → Feldleitung A → Eingang A
Sensor B → Transmitter B → Feldleitung B → Eingang B
Je nach Verfügbarkeitsanforderung können zusätzlich getrennt werden:
- Stromversorgung,
- Kabelwege,
- I/O-Baugruppen,
- Auswertefunktionen.
Die technisch maximale Redundanz ist jedoch nicht automatisch wirtschaftlich sinnvoll.
Das Konzept sollte zur tatsächlichen Bedeutung der Messstelle passen.
Sensorumschaltung im Messumformer oder in der SPS?
Eine Sensorumschaltung kann prinzipiell an unterschiedlichen Stellen erfolgen.
Umschaltung im Messumformer
Vorteile:
- nur ein Prozesssignal zur Steuerung erforderlich,
- Umschaltung erfolgt direkt an der Messstelle,
- geringer Verkabelungsaufwand,
- kompakte Lösung.
Nachteil:
Die Steuerung sieht ohne zusätzliche Diagnosedaten möglicherweise nur einen weiterhin plausiblen Prozesswert und muss über den Ausfall des Primärsensors gezielt informiert werden.
Umschaltung im Leitsystem
Bei zwei komplett getrennten Messketten stehen der Steuerung zwei unabhängige Prozesswerte zur Verfügung.
Damit können:
- Abweichungen verglichen,
- Alarme erzeugt,
- Prioritäten festgelegt,
- Umschaltregeln programmiert
werden.
Dafür ist der Aufwand für Hardware, Parametrierung und Prüfung höher.
Ist eine Mittelwertbildung sinnvoll?
Einige Dual-Input-Messumformer beziehungsweise Steuerungssysteme können aus zwei Sensoren einen Mittelwert bilden.
Vereinfacht:
Tmittel = (T1 + T2) / 2
Eine Mittelwertbildung kann zufällige kleine Abweichungen reduzieren.
Sie ersetzt jedoch keine Fehlerdiagnose.
Driften beide Sensoren aufgrund derselben Ursache in dieselbe Richtung, kann auch der Mittelwert falsch sein.
Bei einer echten Redundanzstrategie ist deshalb die Differenz:
|T1 - T2|
oft mindestens genauso interessant wie der Mittelwert selbst.
Wie werden zwei Pt100 richtig geprüft und kalibriert?
Bei einer Doppel-Pt100-Messstelle sollten beide Sensorkanäle separat geprüft werden.
Zu dokumentieren sind beispielsweise:
- Messwert Sensor 1,
- Messwert Sensor 2,
- Abweichung zur Referenz,
- Differenz zwischen Sensor 1 und Sensor 2,
- verwendeter Messumformerkanal.
Besonders interessant ist eine langfristige Betrachtung.
Wenn beide Sensoren zunächst beispielsweise sehr dicht beieinander liegen und sich ihre Differenz über mehrere Prüfintervalle kontinuierlich vergrößert, kann dies ein Hinweis auf beginnende Drift sein.
Bei austauschbaren Messeinsätzen lässt sich der Sensor für Kalibrierung oder Austausch entfernen, ohne zwangsläufig das gesamte Schutzrohr aus dem Prozess auszubauen.
Bedeutet Doppel-Pt100 automatisch SIL?
Nein.
Ein Doppel-Pt100 erhöht nicht automatisch den Safety Integrity Level einer Messstelle.
Für eine sicherheitsgerichtete Messfunktion müssen unter anderem betrachtet werden:
- Sensorarchitektur,
- Messumformer,
- Diagnoseabdeckung,
- gemeinsame Fehlerursachen,
- Auswerteeinheit,
- Prüfintervalle,
- Fehlerwahrscheinlichkeiten.
Auch wenn einzelne Geräte für sicherheitsgerichtete Anwendungen zugelassen sind, muss die komplette Sicherheitsfunktion entsprechend geplant und bewertet werden.
Redundanz für hohe Anlagenverfügbarkeit und Redundanz innerhalb einer sicherheitsgerichteten Messkette sind deshalb nicht automatisch dasselbe.
Praxisbeispiel: Doppel-Pt100 mit Hot Backup
In einem Prozessbehälter soll die Temperatur kontinuierlich überwacht werden.
Ein Ausfall des Temperatursensors würde zu einer ungeplanten Anlagenunterbrechung führen.
Vorgesehen wird deshalb ein Widerstandsthermometer mit:
2 x Pt100
Beide Elemente werden auf zwei Eingänge eines Dual-Input-Temperaturmessumformers geführt.
Sensor 1 ist als primärer Messwert konfiguriert.
Sensor 2 wird gleichzeitig erfasst und überwacht.
Im Normalbetrieb gilt:
T1 ≈ T2
Das Leitsystem erhält den Prozesswert des ersten Sensors.
Zusätzlich wird die Differenz zwischen den beiden Sensoren überwacht.
Kommt es bei Sensor 1 zu einem Drahtbruch, erkennt der Messumformer den Fehler und wechselt automatisch auf Sensor 2.
Die Temperaturmessung bleibt verfügbar.
Gleichzeitig wird eine Diagnosemeldung erzeugt, damit der defekte Sensor bei der nächsten Wartung ersetzt werden kann.
Dieses Konzept erhöht die Verfügbarkeit gegenüber einem einzelnen Sensorausfall, obwohl Messeinsatz und Schutzrohr weiterhin gemeinsame Komponenten der Messstelle sind.
Abweichende Temperaturwerte systematisch diagnostizieren
- Beide Sensorwerte separat anzeigen.
- Differenz T1 zu T2 bestimmen.
- Prüfen, ob die Abweichung nur während Temperaturänderungen auftritt.
- 2-, 3- oder 4-Leiteranschluss kontrollieren.
- Klemmenbelegung beider Sensoren prüfen.
- Leitungs- und Kontaktwiderstände kontrollieren.
- Drahtbruch- und Kurzschlussdiagnose auswerten.
- Messumformerparametrierung für beide Eingänge vergleichen.
- Pt100-Kennlinie und Messbereich kontrollieren.
- Einbautiefe und Wärmeübergang prüfen.
- Isolationswiderstand des Messeinsatzes kontrollieren.
- Beide Sensoren gegen eine gemeinsame Referenz prüfen.
- Langfristige Drift beider Kanäle vergleichen.
Redundante Temperaturmessstelle systematisch planen
- Festlegen, welche Ausfälle beherrscht werden sollen.
- Entscheiden, ob hohe Verfügbarkeit oder vollständige Messkettenredundanz erforderlich ist.
- Prozesstemperatur und Temperaturbereich bestimmen.
- Geeignete Pt100-Genauigkeitsklasse auswählen.
- Doppel-Pt100 oder zwei separate Messstellen auswählen.
- 2-, 3- oder 4-Leiterschaltung festlegen.
- Anzahl der erforderlichen Anschlussadern berücksichtigen.
- Schutzrohr und Einbaulänge passend zum Prozess auswählen.
- Wärmeübergang und Ansprechzeit bewerten.
- Dual-Input-Messumformer oder zwei getrennte Messumformer auswählen.
- Festlegen, wo die Sensorumschaltung erfolgt.
- Driftüberwachung und zulässige Sensorabweichung definieren.
- Diagnosemeldungen an SPS oder Leitsystem übertragen.
- Gemeinsame Fehlerquellen identifizieren.
- Prüf- und Kalibrierkonzept für beide Messkanäle festlegen.
Häufige Fehler
- Doppel-Pt100 mit vollständiger Redundanz gleichsetzen: Schutzrohr, Messeinsatz und Messort können weiterhin gemeinsame Fehlerquellen sein.
- Zwei Pt100 parallel an zwei Widerstandseingänge anschließen: Zwei unabhängige Messumformer speisen normalerweise jeweils einen Messstrom ein. Eine solche Parallelschaltung ist ohne ausdrückliche Herstellerfreigabe nicht zulässig.
- Nur den Sensor verdoppeln, obwohl der Messumformer der kritische Ausfallpunkt ist: Die gewünschte Redundanz muss entlang der gesamten Messkette betrachtet werden.
- Zwei separate Messstellen als völlig identisch betrachten: Temperaturgradienten im Prozess können reale Differenzen verursachen.
- Driftalarm zu eng einstellen: Dynamische Temperaturänderungen können vorübergehend unterschiedliche Sensorwerte verursachen.
- Driftalarm zu weit einstellen: Eine beginnende Sensordrift wird möglicherweise erst sehr spät erkannt.
- Nur einen Sensor kalibrieren: Bei einer redundanten Messstelle müssen beide Messpfade bewertet werden.
- Verdrahtung nicht berücksichtigen: Zwei 3-Leiter-Pt100 benötigen sechs und zwei 4-Leiter-Pt100 acht Anschlussadern.
- Schlechten Wärmeübergang als Sensorfehler interpretieren: Einbau und Schutzrohr können das Messergebnis stärker beeinflussen als das Pt100-Element selbst.
- Automatische Umschaltung ohne Alarm verwenden: Nach Umschaltung auf den Reservesensor ist keine Sensorredundanz mehr vorhanden.
- Mittelwertbildung mit Redundanz verwechseln: Ein Mittelwert schützt nicht gegen gemeinsame systematische Fehler.
- Doppel-Pt100 automatisch als SIL-Lösung betrachten: Funktionale Sicherheit muss für die gesamte Sicherheitsfunktion bewertet werden.
Passende Temperaturmesstechnik
WIKA TR10-B Widerstandsthermometer
Für industrielle Prozessmessstellen eignet sich beispielsweise das WIKA TR10-B Widerstandsthermometer.
Das Gerät ist für den Einbau in ein Schutzrohr vorgesehen und besitzt einen gefederten, auswechselbaren Messeinsatz.
Je nach Ausführung stehen unter anderem:
- Pt100 beziehungsweise Pt1000,
- Einfach- oder Doppel-Messelemente,
- 2-, 3- und 4-Leiter-Schaltungen,
- unterschiedliche Genauigkeitsklassen,
- verschiedene Anschlussköpfe und Schutzrohrausführungen
zur Verfügung.
Ein Doppel-Pt100 kann damit zwei separate Sensorsignale an der gleichen Temperaturmessstelle bereitstellen.
Der auswechselbare Messeinsatz erleichtert darüber hinaus Prüfung, Kalibrierung und späteren Austausch.
Weitere Informationen finden Sie beim WIKA TR10-B Widerstandsthermometer.
Siemens SITRANS TH420 für zwei Sensoreingänge
Für die Signalaufbereitung eines Doppel-Pt100 eignet sich beispielsweise der Siemens SITRANS TH420.
Der Temperaturmessumformer besitzt zwei unabhängige Eingänge und unterstützt Widerstandsthermometer in verschiedenen Anschlussarten.
Der Dual-Input-Betrieb ermöglicht Funktionen wie:
- redundanten Sensorbetrieb,
- automatisches Hot Backup,
- Drifterkennung zwischen zwei Sensoren,
- Drahtbruch- und Kurzschlussüberwachung,
- HART-Kommunikation.
Damit lässt sich ein Doppel-Pt100 nicht nur als passiver Reservesensor verwenden, sondern aktiv in die Diagnose der Temperaturmessstelle einbeziehen.
Weitere Informationen finden Sie beim Siemens SITRANS TH420.
Weitere Sensoren, Messumformer und Zubehör finden Sie unter Temperaturmesstechnik bei ICS Schneider.
Fazit
Ein Doppel-Pt100 ist eine einfache und platzsparende Möglichkeit, die Verfügbarkeit einer Temperaturmessstelle zu verbessern.
Entscheidend ist jedoch, genau zu definieren, welche Redundanz tatsächlich benötigt wird.
Zwei Pt100-Elemente in einem gemeinsamen Messeinsatz schützen beispielsweise sehr gut gegen den elektrischen Ausfall eines einzelnen Sensorelements. Mechanische Komponenten wie Schutzrohr, Messeinsatz und Prozessanschluss bleiben jedoch gemeinsam.
Wird zusätzlich ein Dual-Input-Messumformer eingesetzt, können beide Sensoren kontinuierlich verglichen werden. Funktionen wie Driftüberwachung und Hot Backup ermöglichen es, einen beginnenden Fehler frühzeitig zu erkennen beziehungsweise bei einem eindeutigen Sensorausfall automatisch auf den zweiten Pt100 umzuschalten.
Sollen auch Messumformer und Signalübertragung redundant sein, sind zwei getrennte Messumformer und gegebenenfalls zwei getrennte SPS-Eingänge erforderlich.
Für noch höhere Unabhängigkeit können zwei vollständig separate Temperaturmessstellen eingesetzt werden. Dabei müssen jedoch reale Temperaturgradienten zwischen den unterschiedlichen Messorten berücksichtigt werden.
Die richtige Lösung lautet deshalb nicht grundsätzlich „zwei Sensoren“, sondern: Sensor, Wärmeübergang, Messumformer, Verkabelung, Auswertung und gemeinsame Fehlerursachen als komplette Messkette betrachten und nur diejenigen Komponenten redundant ausführen, deren Ausfall tatsächlich beherrscht werden soll.
FAQ: Doppel-Pt100 und redundante Temperaturmessung
Was ist ein Doppel-Pt100?
Ein Doppel-Pt100 enthält zwei elektrisch getrennte Pt100-Messelemente. Typischerweise befinden sich beide Elemente innerhalb desselben Messeinsatzes und messen nahezu an derselben Stelle.
Ist ein Doppel-Pt100 vollständig redundant?
Nein. Die beiden Messelemente sind zwar elektrisch getrennt, nutzen jedoch häufig denselben Messeinsatz, dasselbe Schutzrohr, denselben Prozessanschluss und denselben Messort.
Welche Vorteile besitzt ein Doppel-Pt100?
Bei Ausfall eines Sensorelements kann der zweite Sensor weiterverwendet werden. Werden beide Sensoren gleichzeitig ausgewertet, lässt sich außerdem eine zunehmende Abweichung beziehungsweise Drift erkennen.
Braucht ein Doppel-Pt100 zwei Messumformer?
Nicht zwingend. Ein Dual-Input-Messumformer kann beide Pt100 erfassen und beispielsweise automatisch zwischen Haupt- und Reservesensor umschalten. Zwei Messumformer erhöhen jedoch zusätzlich die Redundanz der Signalaufbereitung.
Was bedeutet Hot Backup bei einem Temperaturmessumformer?
Der Messumformer erfasst beide Sensoren gleichzeitig. Wird am primären Sensor ein Fehler erkannt, kann automatisch der zweite Sensor für den Prozesswert verwendet werden.
Wie kann die Drift eines Pt100 erkannt werden?
Werden zwei dicht nebeneinander liegende Sensoren gleichzeitig gemessen, kann ihre Differenz überwacht werden. Eine zunehmende dauerhafte Abweichung kann auf Sensordrift oder einen anderen Fehler in einem der Messkanäle hinweisen.
Ist ein Doppel-Pt100 besser als zwei separate Temperaturfühler?
Das hängt vom Ziel ab. Ein Doppel-Pt100 ist kompakt und beide Sensoren messen nahezu am selben Punkt. Zwei separate Fühler besitzen dagegen weniger gemeinsame mechanische Fehlerquellen, können jedoch aufgrund unterschiedlicher Messorte reale Temperaturunterschiede anzeigen.
Kann man einen Pt100 gleichzeitig an zwei Messumformer anschließen?
Ein Pt100 sollte nicht einfach parallel an zwei unabhängige Widerstandseingänge angeschlossen werden. Die Messumformer arbeiten mit eigenen Messströmen und können sich gegenseitig beeinflussen. Für zwei Messumformer sind normalerweise zwei getrennte Pt100-Elemente vorzusehen.
Wie viele Adern benötigt ein Doppel-Pt100?
Zwei Pt100 in 2-Leitertechnik benötigen vier, zwei Pt100 in 3-Leitertechnik sechs und zwei Pt100 in 4-Leitertechnik acht Sensoradern.
Welche Schaltungsart ist für redundante Pt100 sinnvoll?
Für industrielle Anwendungen ist die 3-Leiterschaltung sehr verbreitet. Bei besonders hohen Genauigkeitsanforderungen oder ungünstigen Leitungsbedingungen bietet die 4-Leitertechnik Vorteile. Die Auswahl hängt von Messgenauigkeit, Leitungslänge und Eingangstechnik ab.
Warum können zwei technisch einwandfreie Pt100 unterschiedliche Werte anzeigen?
Ursachen können unterschiedliche Einbautiefen, Temperaturgradienten, Wärmeübergänge oder unterschiedliche Ansprechzeiten sein. Eine Temperaturdifferenz bedeutet deshalb nicht automatisch einen Sensorfehler.
Welcher Messumformer eignet sich für einen Doppel-Pt100?
Ein konkretes Beispiel ist der Siemens SITRANS TH420. Er besitzt zwei Sensoreingänge und ermöglicht unter anderem redundanten Betrieb, Hot Backup und die Überwachung einer Sensordrift.
Welches Widerstandsthermometer eignet sich für Doppel-Pt100-Ausführungen?
Ein Beispiel ist das WIKA TR10-B. Es ist mit austauschbarem Messeinsatz sowie verschiedenen Pt100-Ausführungen und Schaltungsarten verfügbar und kann für industrielle Prozessmessstellen mit Schutzrohr eingesetzt werden.
Erhöht ein Doppel-Pt100 automatisch die funktionale Sicherheit?
Nein. Für eine sicherheitsgerichtete Anwendung muss die komplette Sicherheitsfunktion einschließlich Sensoren, Messumformern, Auswertung, Diagnosen, gemeinsamen Fehlerursachen und Prüfkonzept betrachtet werden.