Temperaturregler – eine Übersicht

Temperaturregler – eine Übersicht

Von Schmelzprozessen in der Bronzezeit bis hin zur modernen Tieftemperaturtechnik – Temperaturregelung hat schon immer eine enorm wichtige Rolle in der Herstellung und der Prozessregelung gespielt und wird auch in Zukunft nicht wegzudenken sein. Heutzutage ist es schwierig, sich auch nur ein einziges Handels- oder Verbraucherprodukt vorzustellen, das im Laufe seiner Herstellung nicht auf präzise Temperaturregelung zurückgreifen musste: Die allermeisten Produkte erfordern in ihrer Herstellung eine Temperaturregelung mit Toleranzen von weniger als einem Grad.

Die Nutzung von Temperaturreglern ist weit verbreitet. Bei Anwendungen zu Hause sind sie in Form einfacher An-Aus-Schalter für Raum- und Heizungsthermostate sowie in Kühlschränken zu finden. Im industriellen Bereich ist ihre Anwendung über zahlreiche vertikale Sektoren verteilt. So kommen sie beispielsweise in der Werkstoffindustrie zum Gießen von Kunststoff, Schmelzen von Metall, Befeuern von Keramik und Aushärten von Verbundstoffen zum Einsatz. In der Verpackungsindustrie werden sie zum Abdichten, Formen und Umwickeln eingesetzt, während die Lebensmittelindustrie sie zum Kochen, Kühlen und Verarbeiten benötigt. Anwendungen am etwas präziseren Ende des Portfolios sind in der Life-Sciences-Industrie zum Testen, Fermentieren, Kühlen, Inkubieren und Analysieren zu Hause, während sie im Maschinenbau ebenso für viele verschiedene Zwecke verwendet werden, darunter Lötbäder, die Formung von Komponenten durch Wärmebehandlung und das Ummanteln durch Schrumpfprozesse.

Bei einem derart weitläufigen Anwendungsbereich ist es wenig überraschend, dass Benutzer die Qual der Wahl haben, wenn es um Hersteller, Technologien und Sensorarten geht. Viele weltweit führende Anbieter von Automatisierungslösungen, darunter ABB, Omron, Panasonic, Schneider Electric, West Instruments und RS, führen eine Vielzahl an Temperaturreglern, von denen die allermeisten in ausreichend vielen verschiedenen Optionen erhältlich sind, um sie geradezu direkt auf die jeweilige Anwendung zuzuschneiden.

Regler stehen in den unterschiedlichsten Optionen zur Verfügung, wobei als grundlegendes Unterscheidungsmerkmal oftmals ihre Arbeitsweise verwendet wird. An der Spitze der „Spezifikationspyramide“ steht der offene oder geschlossene Regelkreis. Komponenten mit offenem Regelkreis bieten den simpleren Ansatz und liefern ein Steuersignal, das als Grundlage von An-Aus-Entscheidungen in keiner Weise von einem Eingangssignal abhängt. Komponenten mit geschlossenem Regelkreis verwenden hingegen ein Eingangssignal zur Regelung des Ausgangssignals gemäß einem von dem Benutzer oder einem höherwertigen Regler voreingestellten Wert.

Regler mit geschlossenem Regelkreis können in drei Untergruppen aufgeteilt werden: an/aus, proportional und PID. Ein einfaches Raumthermostat ist ein gutes Beispiel eines An/Aus-Reglers: Im industriellen Bereich kann ein Aushärteofen als Äquivalent angesehen werden, der Produkte verarbeitet, die schlichtweg innerhalb eines breiten Temperaturbereichs warm gehalten werden müssen. Proportionale Regler sind mehr auf Präzision ausgelegt. Anstelle eines einfachen An/Aus-Signals können diese Regler Signalpegel liefern, die dem Pegel ober- und unterhalb des voreingestellten Temperaturbereichs entsprechen; das Konzept dahinter sieht vor, dass diese Regler somit im Laufe der Zeit einen stabilen Zustand mit geringfügiger oder keinerlei Fluktuation erreichen (Hysterese). PID-Regler (proportional-integral-derivativ) sind das Nonplusultra, was Präzision und Einstellungsmöglichkeiten angeht. Diese Regler greifen die Differenz zwischen dem tatsächlichen Temperaturwert und dem eingestellten Sollwert auf und regeln die Leistung, bis diese Differenz so gering wie möglich ist. Ebenso wie proportionale Regler legen auch sie ihre Leistung proportional zu der Abweichung von dem Sollwert an, nutzen zusätzlich jedoch eine integrale Funktion zur Korrektur des Abweichungsfehlers, während die derivative Funktion das Überschreiten des jeweiligen Wertes verhindert.

Mit Blick auf die Übertragung von Signalen zu den Temperaturreglern fällt die Wahl etwas leichter. Benutzer haben hauptsächlich die Wahl zwischen Thermoelementen, Thermistoren oder Widerstand-Temperaturmessern (RTD, engl.: Resistance Temperature Device). Thermoelemente nutzen den Temperaturunterschied zwischen zwei verschiedenen Materialien, um proportional zu der Temperatur einen Strom zu erzeugen (der sog. thermoelektrische Effekt). Thermistoren und RTDs sind hingegen aus Materialien gefertigt, deren Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur variiert. Thermoelemente und RTDs sind in zahlreichen Arten und Ausführungen erhältlich, wobei Komponenten der Marke RS mehr als 50 % des Marktes füllen. Der Benutzer kann also auch hier die Auswahl bestmöglich auf seine jeweilige Anwendung abstimmen.

RS führt über 190 verschiedene An/Aus-Regler von 13 unterschiedlichen Anbietern, darunter Baumer, Carlo Gavazzi, Honeywell, Jumo, Omron und seine Eigenmarke. Mit ihrer Genauigkeit, Funktionalität und Leistungsfähigkeit variiert jedoch auch der Preis dieser Geräte zwischen zehn und mehreren hundert Euro. Von den einfachsten Reglern mit negativem Temperaturkoeffizienten bis hin zu voll ausgestatteten An/Aus-Reglern mit verschiedenen Eingabearten (Strom, Thermoelement, Thermometer und Spannung) und einem breiten Messbereich können Benutzer Geräte finden, die sich nicht nur für ihre Anwendung, sondern auch für ihr Budget eignen.

Das PID-Angebot von RS ist mit 660 Einheiten von 19 Anbietern besonders umfangreich, darunter ABB, Eurotherm, Fuji, Omron, Panasonic, Schneider Electric, Siemens, West Instruments und die firmeneigene RS-Marke. Auch hier definiert der finanzielle Aspekt den Auswahlbereich: Einfache Regler sind ab etwa 100 Euro erhältlich, während etwas komplexere Einheiten mehr als 1.000 Euro kosten können. Die gewaltige Vielfalt spiegelt sich dabei tatsächlich in der Leistungsfähigkeit der Einheit wieder: Kostspieligere Einheiten bieten deutlich breitere und höhere Einsatzbereiche, die oftmals mit höherer Präzision, breiteren Eingangsfähigkeiten und einer erweiterten Signalverarbeitung gekoppelt sind.

 

Ganz gleich, wie Ihr Budget oder Ihre Anwendung auch aussehen mag: Die Chancen stehen gut, dass Sie einen Temperaturregler finden, spezifizieren und kaufen können, der den Anforderungen Ihrer Anwendung Rechnung trägt. Simplere Steuerungen können von simplerer Technologie übernommen werden, doch umso komplexer eine Anwendung ist – insbesondere mit Blick auf Präzision, Reproduzierbarkeit und die Erfassung historischer Daten –, desto kostspieliger wird auch die jeweilige Einheit sein. Das ist schlichtweg Fakt, doch glücklicherweise müssen Techniker sich angesichts eines gut abgedeckten und reifen Markts nicht zu sehr festlegen. Die Auswahl ist enorm: Allein RS führt über 850 in den Bereichen An/Aus und PID.