Was ist ein Sicherheitstemperaturbegrenzer?

Ein Sicherheitstemperaturbegrenzer – kurz STB – ist ein Gerät zur Temperaturüberwachung, das bei Überschreitung eines eingestellten Grenzwertes automatisch eine Schutzabschaltung der Anlage auslöst. Er ist in verschiedenen Ausführungen erhältlich, kann spezifischen Anforderungen und Umgebungen angepasst werden und hilft bei der Einhaltung gesetzlicher Normen. Man findet ihn üblicherweise in thermischen Anlagen wie Wärmeträgerölanlagen, Kesseln und Öfen.

Wie funktionieren Sicherheitstemperaturbegrenzer?

Normalerweise steuert ein Temperaturregler die Prozesstemperatur. Steigt diese durch einen technischen Fehler oder eine Fehlbedienung auf einen unzulässig hohen Wert, greift der Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB) ein. In Kombination mit einem elektrischen Thermometer überwacht er die Temperatur und versetzt die Anlage vor Erreichen der kritischen Temperatur in einen sicheren Betriebszustand. Dieser Zustand wird in der Regel durch die Abschaltung der Heizung erreicht.

Das Bild zeigt einen Temperaturregler (1), der gemeinsam mit einem Temperaturfühler (2) und einer Heizung (3) die Temperatur in einem Ofen auf 650 °C hält. Wenn Heizbedarf besteht, schließt der Regler den dargestellten Kontakt und die Heizung wird aktiviert. Der STB (4) misst die Temperatur mit einem weiteren Temperaturfühler (5). Er schließt beispielsweise nur bei Temperaturen von weniger als 700 °C den dargestellten Kontakt und gibt nur dann die Heizung frei. Ermittelt der STB eine Temperatur von mehr als 700 °C, öffnet er seinen Kontakt und die Heizung wird abgeschaltet.

Aufgrund der hohen zu schaltenden Ströme schalten der Regler und der STB die Spannungsversorgung nicht direkt (entgegen der vereinfachten Abbildung). Vielmehr steuert der Regler einen Thyristorleistungsschalter und der STB ein mechanisches Relais an – diese Aktoren schalten dann entsprechend die Spannungsversorgung.

Können mit STBs neben der Temperatur weitere Prozessgrößen überwacht werden?

Der Analogeingang des Sicherheitstemperaturbegrenzers kann auf unterschiedliche Sensoren und Signale eingestellt werden. So ist auch beispielsweise die Auswertung eines 4 bis 20 mA-Signals möglich. Alle Prozessgrößen, die über ein Stromsignal zur Verfügung gestellt werden, können auf einen Minimal- bzw. Maximalwert überwacht werden (Druck, Feuchte, Durchfluss, etc.).

Was ist der STB-Rückstellmechanismus?

Sicherheitstemperaturbegrenzer (STBs) sind in mit einem manuellen Rückstellmechanismus ausgestattet – und das aus gutem Grund: Nach dem Erreichen der Abschalttemperatur soll das System nicht automatisch wieder in Betrieb gehen, sondern eine bewusste Prüfung und Freigabe durch autorisierte Fachkräfte erfordern. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ursache für die Übertemperatur identifiziert und behoben wurde, bevor die Anlage erneut startet. Diese manuelle Rückstellung ist bei sicherheitsrelevanten Anwendungen – wie in vielen Heizungsanlagen, Dampferzeugern oder Industrieprozessen – zwingend vorgeschrieben.

Wodurch unterscheiden sich Sicherheitstemperaturbegrenzer von Temperaturbegrenzern?

Sicherheitstemperaturbegrenzer (STBs) sind redundant aufgebaut: Das Signal eines Sensors wird im STB in 2 Kanälen aufbereitet und jeweils mit der Grenztemperatur verglichen. Jeder Kanal verfügt über ein Relais, das nur dann aktiviert wird, wenn die ausgewertete Prozessgröße im Gutbereich liegt. Die Schaltung der Kontakte erfolgt in Reihe, sodass die Heizung nur dann eingeschaltet wird, wenn beide Kontakte aktiviert sind. Ein Diagnosekanal prüft die beiden ausgewerteten Signale auf Plausibilität. Auch bei einem internen Hardware-Fehler wird die Anlage nicht freigegeben und so bleibt auch in diesem Fall ein sicherer Betrieb möglich. Durch den redundanten Aufbau erreichen die STBs eine erweiterte Sicherheit, die bei hohen Sicherheitsanforderungen obligatorisch ist.

Im Gegensatz dazu verfügen Temperaturbegrenzer über keinen redundanten Aufbau und kommen nur bei geringeren Sicherheitsanforderungen zum Einsatz.

In welchem Temperaturbereich können STBs eingesetzt werden?

Abhängig von der Sensorik können Sicherheitstemperaturbegrenzer einen großen Temperaturbereich überwachen. Für Temperaturen bis zu 600 °C werden häufig Widerstandsthermometer mit Pt100- und Pt1000-Sensoren eingesetzt. Bei höheren Temperaturen kommen Thermoelemente zum Einsatz. Mit dem Thermoelement vom Typ B können die höchsten Temperaturen überwacht werden – typischerweise bis zu 1500 °C.

Gibt es Sicherheitstemperaturbegrenzer auf Thermostatbasis?

Die Überwachung der Temperatur kann bis zu 650 °C relativ kostengünstig mit elektromechanischen Komponenten realisiert werden. Lieferbar sind Sicherheitstemperaturbegrenzer und Temperaturbegrenzer, die entsprechend gas- oder flüssigkeitsgefüllt sind, einschließlich Varianten mit SIL 2 Zertifizierung und Eignung für den Ex-Bereich.

Die Schaltpunktgenauigkeit der STBs ist toleranzbehaftet und der Schaltpunkt wird weiterhin durch die Umgebungstemperatur beeinflusst. Muss in einer Anwendung der Schaltpunkt präzise eingestellt werden, scheiden diese Art der Sicherheitstemperaturbegrenzer aus.

Können STBs Sensorik im Ex-Bereich betreiben?

Häufig muss die Temperatur in einem Bereich gemessen werden, in dem sich eine explosionsgefährliche Atmosphäre bilden kann. Dann kommen STBs mit ATEX-Zulassung zum Einsatz, die nur eine sehr geringe elektrische Leistung in den Temperaturfühler führen. Dies verhindert, dass sich der Temperaturfühler sich auf eine unzulässig hohe Temperatur erhitzt und zur Zündquelle wird.

Welche gesetzlichen Normen und Vorschriften gelten für sicherheitskritische Anwendungen?

Je nach Anwendung, Einsatzort und Branche sind für den Einsatz von STBs verschiedene Richtlinien gültig. Die konforme Auswahl, Installation und Prüfung gemäß diesen Normen ist verpflichtend und wird oft zum Teil von Prüf- oder Abnahmeverfahren durch Sachverständige (z. B. TÜV, DEKRA).

DIN EN 14579

Diese Norm gilt für elektrische oder nichtelektrische Temperaturregeleinrichtungen, die zur Regelung der Temperatur in wärmeerzeugenden Anlagen verwendet werden. Sie beschreibt, über welche Eigenschaften Temperaturregeleinrichtungen und Temperaturbegrenzer in diesen Anlagen verfügen müssen. Die Norm ist in vielen europäischen Ländern verbindlich.

DIN EN 61508

Die DIN EN 61508-Reihe „Funktionale Sicherheit elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme“ versteht sich als Sicherheitsgrundnorm. Unabhängig von der Anwendung hat sie die funktionale Sicherheit von Systemen zum Inhalt. Sie ist die zentrale Norm zum Thema funktionale Sicherheit von Steuerungssystemen. Mit der Norm werden die Anforderungen an Sicherheitssysteme in der Anlagensicherheit definiert.

In diesem Zusammenhang spielt der sogenannte Safety Integration Level (SIL) eine große Rolle, den die DIN EN 61508 aus der „mittleren Wahrscheinlichkeit gefährlicher Ausfälle“ (PFD_avg) definiert. Insgesamt gibt es 4 Einstufungen (SIL 1 bis SIL 4). Bei einem System mit SIL 4 ist die Ausfallwahrscheinlichkeit (also der PFD_avg-Wert) extrem gering. Bei einem System mit SIL 1 ist die Ausfallwahrscheinlichkeit bedeutend höher. Wenn für prozesstechnische Anlagen eine SIL-Einstufung erforderlich ist, ist dies meist SIL 2, seltener SIL 3.

Wie wird der erforderliche SIL-Level für eine Sicherheitseinrichtung erreicht?

Hinter der SIL-Einstufung steht immer eine „mittlere Wahrscheinlichkeit gefährlicher Ausfälle“, etwa bei einer Sicherheitseinrichtung zur Abschaltung bei Übertemperatur. Ein solches System besteht im Normalfall aus mehreren Komponenten wie einem Temperaturfühler, einem Sicherheitstemperaturbegrenzer und einem Aktor, für welche die Hersteller die jeweiligen Ausfallwahrscheinlichkeiten bescheinigen müssen. Aus diesen Einzelwahrscheinlichkeiten muss der Projekteur der Anlage die Gesamtausfallwahrscheinlichkeit berechnen und beispielsweise für SIL 2 sicherstellen, dass diese kleiner als 10^-2 (pro Anforderung) ist.

Wie werden Sicherheitstemperaturbegrenzer installiert und gewartet?

Sicherheitstemperaturbegrenzer (STBs) sollten ausschließlich von autorisierten Fachbetrieben installiert werden. Der Einbau des Temperaturfühlers erfolgt in unmittelbarer Nähe zur Wärmequelle (z. B. im Kessel oder im Wärmetauscher) – idealerweise an der Stelle, an der die höchste zu erwartende Temperatur auftritt. Der Fühler wird in eine geeignete Tauchhülse oder direkt in das Medium eingeführt.

Der elektrische Anschluss hat gemäß den Herstellerangaben und gültigen Vorschriften zu erfolgen. In der Regel geschieht dies über einen potentialfreien Schließerkontakt, der nur dann geschlossen ist, wenn die Grenztemperatur unterschritten ist. Bei Überschreiten der Grenztemperatur ist der Kontakt geöffnet und die Ansteuerung der Heizung wird unterbrochen.

Um die ordnungsgemäße Arbeitsweise sicherzustellen, ist nach der Montage zwingend eine Funktionsprüfung durchzuführen. Die Auslösung erfolgt in der Regel über eine Prüftaste am STB, alternativ durch Erwärmung der Anlage.

Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit muss der STB regelmäßig gewartet werden. Dies umfasst Sichtprüfungen, eine jährliche Funktionsprüfung sowie gegebenenfalls den Austausch bei Alterung, Beschädigung oder Fehlfunktion. Die Prüfungen sind zu dokumentieren.

Wie wählt man den richtigen STB für thermische Prozesse aus?

Die Wahl des richtigen Sicherheitstemperaturbegrenzers hängt maßgeblich von den Anforderungen der spezifischen Anwendung ab. Zu den wichtigsten Kriterien zählen:

Temperaturbereich

Bei Anlagen zum Heizen liegt die Abschalttemperatur immer über der normalen Betriebstemperatur, aber unter der zulässigen Höchsttemperatur der Anlage. Befinden sich die Temperaturen (beispielsweise Betriebstemperatur und Abschaltpunkt) zu nahe beieinander, werden aufgrund der Schaltpunkttoleranzen elektronische STBs benötigt, die exakt bei der eingestellten Temperatur schalten.

Mit den Thermostaten, die als STB ausgeführt sind, kann auf eine Temperatur von maximal 600°C begrenzt werden. Höhere Temperaturen schließen diese Systeme aus.

Bei Anlagen mit schnellen Temperaturanstiegen muss auch der STB die Temperatur möglichst zügig ermitteln – ansonsten werden die Anlagen erst bei einer zu hohen Temperatur abgeschaltet. In diesem Fall sind schnell ansprechende Temperaturfühler erforderlich. Dies wird beispielsweise durch die Verwendung von Temperaturfühlern mit geringer Masse und den Verzicht auf zusätzliche Schutzhülsen erreicht.

Schaltleistung

STBs steuern in der Regel ein Leistungsschütz an und schalten nur äußerst kleine elektrische Leitungen. In sehr kleinen Anlagen schalten sie aber auch die Gesamtleistung für die Heizung (z. B. 10 A bei AC 230 V). In diesem Fall muss dafür gesorgt werden, dass der Maximalstrom nicht überschritten wird.

Interne Sicherung bei elektronischen Sicherheitstemperaturbegrenzern

In elektronischen STBs befindet sich eine Schmelzsicherung, die in Reihe zu dem Schließerkontakt geschaltet ist. Wird über den Kontakt und die Schmelzsicherung ein unzulässig hoher Strom geführt, wird die Sicherung zerstört und der STB kann über seinen Kontakt die Heizung nicht mehr einschalten. Durch diesen Aufbau wird vermieden, dass der Kontakt durch einen Überstrom zerstört wird und so beispielsweise dauerhaft geschlossen ist. Ist die Schmelzsicherung zerstört, bleibt die Heizung abgeschaltet – der STB ist dann aber unbrauchbar und muss ausgetauscht werden.

Zulassungen

Oft werden Sicherheitstemperaturbegrenzer vom Anlagenbauer eigeninitiativ integriert, um die Anlage vor Beschädigungen zu schützen. In vielen Fällen sind sie aber auch vorgeschrieben und müssen über bestimmte Zulassungen und Zertifizierungen verfügen. Für wärmeerzeugenden Anlagen ist in Europa die Einhaltung der DIN EN 14597 entscheidend.

In explosionsgefährdeten Bereichen, wie z. B. in der chemischen Industrie oder in Gasanlagen, ist zusätzlich eine ATEX-Zulassung verpflichtend.

Für den Export in die USA oder nach Kanada kann eine UL- oder CSA-Zertifizierung erforderlich sein.