Anwendung von Temperaturmessgeräten in Tabakverarbeitungsanlagen

[Zusammenfassung]: Dieser Artikel beschreibt die Auswahl und die Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung von PT100-Temperaturmessgeräten, Thermoelementen und Infrarotthermometern in der Tabakverarbeitung und erörtert die Bedeutung der Temperaturmessung für die Qualitätssicherung. 1 Einleitung Der Wettbewerb in der heimischen Tabakindustrie verschärft sich zunehmend, und eine stabile Zigarettenproduktqualität ist für Tabakunternehmen entscheidend, um das Vertrauen der Verbraucher zu gewinnen. Viele Unternehmen setzen auf fortschrittliche Produktionsanlagen und Automatisierungstechnik, um die Produktionsqualität zu sichern; intelligente und hochpräzise Messgeräte finden breite Anwendung in Tabakproduktionslinien. In Tabakverarbeitungslinien ist die Temperaturmessung und -regelung während der Befeuchtungs-, Zuführungs- und Trocknungsprozesse der Tabakblätter erforderlich, um die Stabilität der Produktqualität zu gewährleisten. Temperaturmessgeräte sind daher für die Produktionskontrolle von großer Bedeutung. Die Anwendung von Temperaturmessgeräten in Tabakverarbeitungslinien wird im Folgenden erläutert. 2 Klassifizierung der Temperaturmessung Die Temperaturmessung lässt sich nach dem Messverfahren in zwei Hauptkategorien unterteilen: Kontakt- und berührungslose Temperaturmessung. Kontaktthermometer sind relativ einfach, zuverlässig und weisen eine hohe Messgenauigkeit auf; Da der Temperatursensor und das Messgut jedoch ausreichend Wärme austauschen und eine gewisse Zeit benötigen, um das thermische Gleichgewicht zu erreichen, entsteht eine Verzögerung bei der Temperaturmessung. Aufgrund der begrenzten Eignung hochtemperaturbeständiger Materialien sind sie zudem nicht für Messungen sehr hoher Temperaturen geeignet. Berührungslose Temperaturmessgeräte messen die Temperatur nach dem Prinzip der Wärmestrahlung. Der Temperatursensor benötigt keinen direkten Kontakt zum Messgut, deckt einen weiten Temperaturbereich ab, ist nicht durch eine obere Messgrenze eingeschränkt und reagiert relativ schnell. Sie sind außerdem einfach zu konstruieren, zu installieren und zu warten. Zu den Kontakt-Temperaturmessgeräten zählen im Allgemeinen Pt100-Sensoren, Thermoelemente usw., während berührungslose Temperaturmessgeräte üblicherweise Infrarotthermometer sind. 3. Auswahl und Anwendung von Kontakt-Temperaturmessgeräten: PT100-Sensoren und Thermoelemente werden hauptsächlich in der Drahtproduktion zur Messung von Dampf-, Heißluft- oder Tanktemperaturen eingesetzt und durch Bohrungen in der Messeinrichtung befestigt. Die gemessenen Temperaturänderungen sind gering und langsam, und die Anforderungen an die Regelung sind nicht hoch. Die Eingangsmethoden für Spannung und Strom werden vom Analogeingangsmodul der SPS festgelegt. Moderne Pt100-Thermoelemente verfügen über Konvertermodule, die direkt einen Strom von 4–20 mA liefern und so die Störfestigkeit und Vielseitigkeit verbessern. Thermoelemente werden zur direkten Temperaturmessung von Flüssigkeiten, Dampf und Gasen sowie von Festkörperoberflächen im Bereich von 0–1800 °C in verschiedenen Produktionsprozessen eingesetzt. Sie bestehen aus zwei Leitern unterschiedlicher Zusammensetzung, die an ihren Enden zu einem Stromkreis verbunden sind. Bei unterschiedlichen Temperaturen an den beiden Verbindungsstellen entsteht ein thermoelektrischer Strom. Besteht eine Temperaturdifferenz zwischen dem Mess- und dem Referenzende des Thermoelements, steigt dessen thermoelektrisches Potenzial mit der Temperatur des Messendes. Dessen Größe hängt ausschließlich vom Material des Thermoelements und den Temperaturen an beiden Enden ab und ist unabhängig von Länge und Durchmesser der Thermoelektroden. Ein Konverter wandelt das vom Thermoelement erzeugte thermoelektrische Potenzial in ein Stromsignal von 4–20 mA um. Widerstandsthermometer (RTDs) messen als Temperatursensoren direkt die Temperatur von Flüssigkeiten, Dampf, Gasen und festen Oberflächen im Bereich von -200 °C bis +500 °C in verschiedenen Produktionsprozessen. Sie nutzen die Eigenschaft des Widerstands eines Materials, sich mit der Temperatur zu ändern. Die gemessene Temperatur ist die Durchschnittstemperatur über einen bestimmten Zeitraum innerhalb des Messbereichs des Sensorelements. Gibt das RTD oder Thermoelement ein Standard-Stromsignal von 4–20 mA aus, muss die Bereichskarte des SIEMENS-Analogeingangsmoduls auf Strom eingestellt werden. In der SPS-Programmierung kann die SIEMENS-Standardfunktion FC105SCALE aufgerufen werden, um das analoge Signal für die Steuerung in ein digitales Signal umzuwandeln. Wird das RTD-Signal nicht in ein Standard-Stromsignal von 4–20 mA umgewandelt, kann die RTD-Verdrahtung direkt an das Analogeingangsmodul angeschlossen werden. Während des Betriebs muss die Bereichskarte des SIEMENS-Analogeingangsmoduls auf die Option PT100 eingestellt sein, und der Temperaturwert in der SPS-Programmierung sollte 1/10 des ganzzahligen Eingangswerts des Analogkanals betragen. 4. Auswahl und Anwendung von Infrarotthermometern: Die Stärke und Wellenlängenverteilung der Infrarotstrahlung eines Objekts hängen eng mit seiner Oberflächentemperatur zusammen. Daher lässt sich die Oberflächentemperatur eines Objekts durch Messung der Infrarotstrahlung präzise bestimmen. Infrarotthermometer nutzen dieses Prinzip zur Temperaturmessung. Ein Infrarotthermometer besteht aus einem optischen System, einem Fotodetektor, einem Signalverstärker, einer Signalverarbeitungseinheit und einem Display. Das optische System fokussiert die Infrarotstrahlung des Messobjekts in seinem Sichtfeld; die Größe des Sichtfelds wird durch die optischen Komponenten und deren Positionen bestimmt. Die Infrarotstrahlung wird auf den Fotodetektor fokussiert und in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird anschließend von der Signalverarbeitungsschaltung verstärkt und verarbeitet und gemäß dem Algorithmus des Geräts und dem Emissionsgrad des Messobjekts korrigiert, bevor es in den Temperaturwert des Messobjekts umgerechnet wird. In Tabakverarbeitungsanlagen werden Infrarotthermometer hauptsächlich zur Temperaturmessung und -regelung der Materialien bei der Blattbefeuchtung, den Zuführwalzen und am Auslauf der Trocknungsanlage eingesetzt. Es sind zahlreiche Marken von Infrarotthermometern erhältlich. Die Tabakverarbeitungsanlage der Jinan Cigarette Factory verwendet vorwiegend Produkte von Raytek (USA). In den frühen Produktionslinien kamen hauptsächlich Infrarotthermometer der GP-Serie zum Einsatz; nach der technologischen Modernisierung im Rahmen des 15. Fünfjahresplans wurden die neue Produktionslinie für Blatttabak und die Tabakverarbeitungsanlage mit dem miniaturisierten Niedertemperatur-Infrarotthermometer der MID-Serie ausgestattet. Dieses verfügt über eine Miniatursonde, wird mit 24 V DC betrieben und bietet verschiedene Ausgabemodi, Temperaturanzeige und Parametereinstellung, wodurch es sich für vielfältige Anwendungen eignet. Das Ausgangssignal wird an den Analogeingang der SPS angeschlossen, in ein digitales Signal umgewandelt und zur PID-Regelung des Produktionsprozesses verwendet. Raytek bietet drei Hauptserien von Infrarotthermometern an: tragbare, Online- und Scanning-Thermometer. Jede Serie umfasst verschiedene Modelle und Spezifikationen. Unter den verschiedenen Modellen und Spezifikationen von Infrarot-Thermometern ist die Wahl des richtigen Modells für den Anwender von großer Bedeutung. Die Auswahl lässt sich in drei Aspekte unterteilen: (1) Leistungsmerkmale wie Temperaturbereich, Messfleckgröße, Wellenlänge, Messgenauigkeit und Ansprechzeit; (2) Umgebungs- und Arbeitsbedingungen wie Umgebungstemperatur, Sichtfenster, Anzeige und Ausgang, Schutzzubehör; (3) weitere Auswahlkriterien wie Benutzerfreundlichkeit, Wartungs- und Kalibrierfähigkeit sowie Preis. Dank der kontinuierlichen technologischen Weiterentwicklung bieten moderne Infrarot-Thermometer heute Geräte mit vielfältigen Funktionen und Einsatzmöglichkeiten und erweitern so die Auswahlmöglichkeiten. Im praktischen Einsatz sollten folgende Punkte beachtet werden: 4.1 Bestimmung des Temperaturbereichs: Der Temperaturbereich ist eines der wichtigsten Leistungsmerkmale eines Thermometers. Raytek-Produkte decken einen Temperaturbereich von -50 °C bis +3000 °C ab, jedoch wird dieser Bereich nicht von jedem einzelnen Infrarot-Thermometer-Modell erreicht. Jedes Thermometer-Modell hat seinen eigenen spezifischen Messbereich. Daher muss der Benutzer den Messbereich der Temperatur genau und umfassend berücksichtigen – weder zu eng noch zu weit. Bei der Temperaturmessung sollte nach Möglichkeit ein kürzerer Wellenlängenbereich mit höherer Messgenauigkeit gewählt werden. 4.2 Bestimmung der Zielgröße Infrarotthermometer lassen sich nach ihrem Funktionsprinzip in Einfarbenthermometer und Zweifarbenthermometer (strahlungskolorimetrische Thermometer) unterteilen. Bei Einfarbenthermometern sollte die Fläche des Messobjekts das gesamte Sichtfeld des Thermometers ausfüllen. Es wird empfohlen, dass die Größe des Messobjekts mehr als 50 % des Sichtfelds beträgt. Ist das Messobjekt kleiner als das Sichtfeld, dringt Hintergrundstrahlung in das Sichtfeld des Thermometers ein, stört die Temperaturmessung und führt zu Fehlern. Ist das Messobjekt hingegen größer als das Sichtfeld, wird das Thermometer nicht durch die Hintergrundstrahlung außerhalb des Messbereichs beeinflusst. Bei Raytek-Zweifarbenthermometern wird die Temperatur durch das Verhältnis der Strahlungsenergie in zwei unabhängigen Wellenlängenbereichen bestimmt. Wenn das Messobjekt sehr klein ist, das Sichtfeld nicht vollständig ausfüllt oder Rauch, Staub oder Hindernisse im Messpfad die Strahlungsenergie abschwächen, hat dies keinen Einfluss auf die Messergebnisse. Für kleine, sich bewegende oder vibrierende Messobjekte sowie für Objekte, die sich innerhalb oder teilweise außerhalb des Sichtfelds bewegen, ist ein Zweifarbenthermometer die beste Wahl. In Tabakproduktionslinien werden üblicherweise Einfarbenthermometer verwendet; Zweifarbenthermometer sind teurer und kommen in der Regel nur bei speziellen Bedingungen wie hohen Temperaturen zum Einsatz. 4.3 Bestimmung der optischen Auflösung Die optische Auflösung ergibt sich aus dem Verhältnis des Abstands D zwischen Thermometer und Messobjekt zum Durchmesser S des Messflecks. Muss das Thermometer aufgrund von Umgebungsbedingungen weit vom Messobjekt entfernt installiert werden, soll aber ein kleines Objekt gemessen werden, ist ein Thermometer mit hoher optischer Auflösung zu wählen. Je höher die optische Auflösung, d. h. je größer das Verhältnis D:S, desto höher sind die Kosten des Thermometers. 4.4 Bestimmung der Ansprechzeit Die Ansprechzeit beschreibt, wie schnell das Infrarotthermometer auf Änderungen der gemessenen Temperatur reagiert. Sie hängt von der Zeitkonstante des Fotodetektors, der Signalverarbeitungsschaltung und des Anzeigesystems ab. Das neue Infrarotthermometer von Raytek (USA) weist eine Ansprechzeit von bis zu 1 ms auf und ist damit deutlich schneller als kontaktbasierte Temperaturmessverfahren. Bei sich schnell bewegenden oder sich rasch erwärmenden Messobjekten ist ein Infrarotthermometer mit kurzer Ansprechzeit erforderlich, da eine unzureichende Signalantwort die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Allerdings ist ein solches Thermometer nicht für alle Anwendungen notwendig. Bei stationären oder thermisch trägen Messobjekten sind die Anforderungen an die Ansprechzeit geringer. Die Wahl der Ansprechzeit sollte daher an die Eigenschaften des Messobjekts angepasst werden. 4.5 Signalverarbeitungsfunktionen Die Messung diskreter und kontinuierlicher Prozesse unterscheidet sich. Daher benötigen Infrarotthermometer Signalverarbeitungsfunktionen wie einstellbaren Emissionsgrad, Spitzenwert- und Talwertspeicherung sowie Mittelwertmessung. Beispielsweise sollte bei der Temperaturmessung von Tabakblättern auf einem Förderband die Mittelwertmessfunktion (ca. 5 Sekunden) verwendet und das Temperatursignal an die Steuerung übertragen werden. 4.6 Umgebungsbedingungen Die Umgebungsbedingungen, unter denen das Thermometer arbeitet, haben einen erheblichen Einfluss auf die Messergebnisse und müssen berücksichtigt und entsprechend angepasst werden. Andernfalls kann die Messgenauigkeit beeinträchtigt oder das Thermometer sogar beschädigt werden. Bei zu hoher Umgebungstemperatur oder Vorhandensein von Staub, Rauch oder Dampf können vom Hersteller bereitgestellte Zubehörteile wie Schutzgehäuse, Wasserkühlung, Luftkühlungssysteme und Luftreiniger verwendet werden. Diese Zubehörteile können die Umwelteinflüsse effektiv minimieren, das Thermometer schützen und eine genaue Temperaturmessung gewährleisten. 4.7 Einfluss des Emissionsgrades auf die Strahlungsthermometrie Die wichtigsten Faktoren, die den Emissionsgrad beeinflussen, sind Materialart, Oberflächenrauheit, physikalisch-chemische Struktur und Materialdicke. Die Strahlung aller realen Objekte hängt nicht nur von der Strahlungswellenlänge und der Temperatur des Objekts ab, sondern auch von der Materialart, dem thermischen Prozess, der Oberflächenbeschaffenheit und den Umgebungsbedingungen. Daher muss ein Proportionalitätskoeffizient, der die Materialeigenschaften und die Oberflächenbeschaffenheit berücksichtigt, eingeführt werden: der Emissionsgrad. Dieser Koeffizient beschreibt das Verhältnis der Wärmestrahlung eines realen Objekts zur Schwarzkörperstrahlung und liegt zwischen 0 und unter 1. Für Tabakprodukte wird üblicherweise ein Emissionsgrad von 0,95 angenommen. 4.8 Kalibrierung des Infrarot-Thermometers: Das Infrarot-Thermometer muss kalibriert werden, um die Temperatur des Messobjekts korrekt anzuzeigen. Weist das Thermometer während der Messung einen Temperaturfehler auf, muss es zur Neukalibrierung an den Hersteller oder eine Reparaturwerkstatt zurückgesendet werden. Die Kalibrierung des Thermometers kann gemäß den Vorschriften regelmäßig erfolgen. Für eine genaue Messung des Infrarot-Thermometers sind folgende Punkte zu beachten: (1) Es wird nur die Oberflächentemperatur gemessen; die Innentemperatur des Objekts kann nicht erfasst werden. (2) Das Thermometer darf nicht zur Temperaturmessung auf glänzenden oder polierten Metalloberflächen verwendet werden und darf nicht durch Glas hindurch gemessen werden. (3) Richten Sie das Infrarot-Thermometer auf das zu messende Objekt und das Messmaterial. (4) Beachten Sie die Umgebungsbedingungen: Dampf, Staub, Rauch usw. können das optische System des Instruments blockieren und die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinträchtigen. (5) Umgebungstemperatur: Bei einer plötzlichen Temperaturdifferenz von 20 °C oder mehr ist der Messwert des Infrarot-Thermometers ungenau. Die Temperatur muss vor der Messung ausgeglichen sein. Daher ist der Messfehler am Anfang und Ende der Tabakproduktionslinie relativ groß. 5. Anwendung von Temperaturmessgeräten in Tabakverarbeitungslinien: Für die Herstellung hochwertiger Tabakprodukte und die Verbesserung der Produktqualität ist eine genaue Temperaturmessung ein Schlüsselfaktor im gesamten Prozess der Tabakverarbeitung. Pt100- und Thermoelement-Kontaktthermometer werden hauptsächlich zur Messung der Dampftemperatur, der Heißlufttemperatur oder der Temperatur in Materialbehältern eingesetzt. Infrarot-Thermometer kommen dort zum Einsatz, wo Kontaktthermometer nicht verwendet werden können, z. B. zur Temperaturmessung an den Auslasslamellen der Blattbefeuchtungstrommel und am Auslass der Tabakschredder der Trocknungsmaschine. Die Temperaturmessung steht in engem Zusammenhang mit der Produktqualität, und die Temperaturüberwachung ist entscheidend für deren Verbesserung. Infrarotthermometer überwinden die Nachteile der Kontakttemperaturmessung und bieten Vorteile wie schnelle Reaktionszeit, berührungslose Messung, einfache Installation und Bedienung sowie lange Lebensdauer. Daher finden Infrarotthermometer breite Anwendung in der Tabakverarbeitung. In der frühen Produktionssteuerung wurde der Temperaturmessung wenig Bedeutung beigemessen, die Anzahl der Temperatursensoren war gering und die Anforderungen an die Temperaturregelung waren niedrig. Die Prozessinspektion erfolgte hauptsächlich durch manuelle Kontrolle mit handgeführten Infrarotthermometern. Mit dem technologischen Fortschritt und den zunehmend strengeren Kontrollanforderungen hat die Anzahl der Temperatursensoren in der Tabakverarbeitung stetig zugenommen. Gemessen werden heute nicht nur die Austrittstemperatur von Tabakblättern und -schreddern sowie die Heißlufttemperatur, sondern auch die Dampftemperatur, die Entstaubungstemperatur usw., wodurch sich die Anzahl der Messpunkte deutlich erhöht. Die Temperaturregelung wurde kontinuierlich verbessert, wobei die meisten Temperaturmesssignale als Rückkopplungssignale in der PID-Regelung verwendet werden. Dies gewährleistet, dass der Produktionsprozess im erforderlichen Bereich abläuft und verbessert so die Stabilität der Produktqualitätskontrolle, steigert die Produktivität und senkt den Energieverbrauch. Kurz gesagt, die Temperaturmessung ist für die Produktionskontrolle von entscheidender Bedeutung. Ungenaue Temperaturmessung und -regelung beeinträchtigen die Qualität der Tabakspäne unmittelbar. Sorgfältige Beachtung der Details ist daher von der ersten Auswahlphase an unerlässlich. Während des Betriebs sind regelmäßige Wartung und Kalibrierung unerlässlich, um die optimale Funktion der Temperatursensoren und die Qualität der Tabakverarbeitung zu gewährleisten. Quelle: China Instrument and Control System