Zelfkalibrerende en -controlerende temperatuursensoren

Efficiënt, kostenbesparend en veilig

De temperatuur is veruit de meest gemeten procesparameter in de verschillende stappen en sectoren van de voedingsindustrie, omdat die de kwaliteit van veel levensmiddelen bepaalt. Die meting moet dan weliswaar correct verlopen en hiertoe moeten de sensoren regelmatig worden gekalibreerd. De huidige zelfcontrolerende en -kalibrerende sondes bieden voordelen naar productiviteit, kosten en veiligheid toe. 

Plaats in het proces

Temperatuursensoren worden in vrijwel alle stadia van de voedselverwerking ingezet, waar ze erover waken dat de vastgelegde onder- en/of bovengrens niet worden overschreden. Indien nodig, kunnen ze een bijregeling aansturen.

Opslag

Die temperatuurbeheersing start dus al bij de ontvangst en opslag van de verse grondstoffen die in koel- of vriesruimten worden bewaard, zoals groenten of zuivelproducten.

Een te lage temperatuur doet hier afbreuk aan de kwaliteit van de producten, terwijl een te hoge temperatuur dan weer de houdbaarheid in het gedrang brengt. Idem natuurlijk voor de afgewerkte levensmiddelen die vóór hun transport in koel- of vriesmagazijnen worden gestockeerd. 

Productie

Ook tijdens het verwerkingsproces zelf worden natuurlijk temperatuursensoren gebruikt. Zo is dit een essentiële procesmaatstaf voor de ontwikkeling van gist in een brouwproces (zie kaderstuk), bij de pasteurisatie van melk of het vormen van chocoladefiguren. Daar brengt de temperatuur dus een chemische reactie op gang of wijzigt die de fysische toestand van een bestanddeel.  

Bij de melkpasteurisatie moet de temperatuur hoog genoeg zijn om een afdoende sterilisatie te garanderen, maar niet té hoog zodat de smaak en de kwaliteit van het product niet worden aangetast. 

Utilities

Bij uitbreiding kunnen temperatuursensoren ook worden gebruikt in de utilities, zoals bij stoomnetwerken of koelwatercircuits, of om de verontreinigingstoestand van een warmtewisselaar na te gaan.

Zo kan een te lage temperatuur bij het CIP-proces een gevaar inhouden voor de voedselveiligheid. Een te hoge temperatuur betekent dan weer energieverspilling en een grotere CO₂-uitstoot.

Voorbeeld: brouwproces
Temperatuursondes worden bijvoorbeeld ingezet in het brouwproces, om de temperatuur tijdens de verschillende processtappen te regelen.

- Mouten: kiemen van de granen, zodat enzymen en eiwitten vrijkomen onder temperatuurgecontroleerde omstandigheden;
- Eesten: dit kiemproces wordt gestopt op hogere temperaturen. De temperatuur heeft hierbij een invloed op de finale kleur en smaak van het bier;
- Lauteren: wort wordt uit de granen gehaald. Er is een correcte temperatuur (+/- 77 °C) nodig om de extractie van tannines te vermijden;
- Wortketel: koken om te steriliseren, op te concentreren en enzymes te inactiveren;
- Fermenteren: de temperatuur moet ideale omstandigheden creëren voor de gist. Indien te koud zal de gist traag reageren; indien te warm worden er ongewenste smaken aangemaakt. Als de fermentatie klaar is, moet er gekoeld worden tot < 4 °C om autolyse van de gist tegen te gaan.

Belang van een juiste meting

Een correcte temperatuurmeting is dan ook vooreerst nodig voor een efficiënt en energiezuinig proces. Bovendien hangt de kwaliteit van de meeste levensmiddelen rechtstreeks af van de temperaturen tijdens de verschillende processtappen. In extreme gevallen kan dus zelfs de voedselveiligheid in gevaar komen, met derving en eventuele recalls tot gevolg.

De kwaliteit van de meeste levensmiddelen hangt rechtstreeks af van de temperaturen tijdens de verschillende processtappen

Het is dan ook van het grootste belang dat aan de installatievoorwaarden van de sondes wordt voldaan (bv. invloed van omgevingstemperatuur), dat de metingen te allen tijde correct gebeuren (bv. voldoende insteeklengte) en dat de sondes hiertoe regelmatig - en juist - gekalibreerd worden. Die zijn namelijk na verloop van tijd onderhevig aan drift.  

Kalibreren

Kalibreren is evenwel tijdrovend, arbeidsintensief en duur, wanneer het proces hiervoor moet worden stilgelegd. Bovendien houden de kalibraties ook risico's in. Wanneer de meettoestellen uit het proces gehaald worden en elektrisch en mechanisch worden losgekoppeld, is er namelijk beschadiging mogelijk. Tot slot loopt de medewerker hierbij risico op verbranding, in het geval van hete vloeistoffen.

Bij zelfkalibrerende temperatuursensoren met een ingebouwd referentie-element worden deze risico's gereduceerd. Deze sondes bieden dus voordelen op het vlak van productiviteit, kosten en veiligheid. Bovendien verloopt de kalibratie automatisch, waardoor er meer op kortere tijd worden uitgevoerd en het risico op afwijkende metingen sterk afneemt. Let wel: het gaat hier om een kalibratie; geen verificatie. 

Net zoals bij manuele kalibraties gebruikelijk is, hoort bij zo'n automatische kalibratie ook een kalibratierapport. Na elke kalibratie wordt er een elektronisch rapport gegenereerd en veilig bewaard in de sensor en/of op een server, zodat ze bij een audit steeds voorhanden zijn.

Werkingsprincipes

Weerstandsthermometer

De weerstandsthermometer (RTD, Resistance Temperature Detector) maakt gebruik van het verschijnsel dat de elektrische weerstand van veel materialen afhankelijk is van de temperatuur. Die wordt meestal gebruikt tot 400 °C en is het meest nauwkeurige meetprincipe (<1 °C). Voorts laat die zich kenmerken door de korte reactietijd en de relatief lage fabricagekosten. PTC (Positive Temperature Coefficient, bv. Pt100/Pt1000) heeft een lineaire curve; NTC (Negative Temperature Coefficient, bv. Ntc20) een logaritmische. 

Die beide meetelementen kunnen overigens in één sonde worden gecombineerd, om zo de gemeten temperatuur voortdurend te controleren op eventuele afwijkingen van de werkelijke temperatuur. Doordat het om verschillende elementen gaat, reageren zij niet gelijk op een externe storing. Zo wordt thermische, mechanische of andere spanning rechtstreeks gedetecteerd door deze zelfcontrolerende sonde.

Thermokoppels

Thermokoppels maken gebruik van het seebeck-effect. Zij worden gebruikt bij temperaturen boven 400 °C en hebben weinig toepassingen binnen de voedingsindustrie.

Infrarood

Een infrarode meting verloopt contactloos, van op afstand. Dit is natuurlijk een groot voordeel in processen waar het te meten medium om veiligheids-, logistieke of hygiënische redenen niet toegankelijk is. Daartegenover staat dat een niet-invasieve meting minder nauwkeurig is.

De sensor meet hierbij de uitgezonden straling van het medium, binnen een bepaald golfbereik. In principe kunnen IR-sensoren temperaturen tot 2.500 °C meten, die weliswaar weinig voorkomen in de voedingsindustrie. Een nadeel is dat de meting afhankelijk is van de emissiviteit van het gemeten voorwerp. Daarom moet de emissiviteitswaarde van dit voorwerp via een interne parameter in de sensor worden ingesteld.

UITLEZING EN Regeling

De temperatuur is overigens gerelateerd aan andere procesparameters. Daarom wordt bv. bij pH-, geleidbaarheids-, densiteit- of debietmetingen dikwijls ook een temperatuursensor geïntegreerd, waarbij dan dus ook de temperatuur wordt uitgelezen. 

Voor de eventuele bijsturing van het proces wordt de PLC in parallel geïnformeerd via een digitale uitgang, een bit uit de IO-Link telegram of een analoog signaal (waardes buiten gewoon bereik). Gedetailleerde diagnose-informatie is digitaal verkrijgbaar via IO-Link, Profibus PA, Foundation Fieldbus, HART of binnenkort ook via APL.

Met medewerking van Endress+Hauser en ifm