CN105890789A - 温度计以及流体测量装置 - Google Patents

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A·德克尔
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P·萨茨
T·默林
H·施万策
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Abstract

在本发明涉及一种温度计。该温度计包括至少一个具有根据要测量的温度以特有的方式改变的物理特征参数的温度传感器.温度计还包括至少一个输出信号的电输出端，该信号是特征参数的值的指标.根据本发明，温度计包括声波或电磁波的发送器和/或接收器.发送器能与温度传感器连接并由其根据特征参数的值操控.备选地，发送器至少有时能向温度传感器发出波，波与温度传感器之间的相互作用与特征参数的值相关.为了获得电信号，将波转换成电信号的接收器或用于将波与温度传感器的相互作用转换成电信号的其他器件电输出端连接。已表明，通过波传输信号使温度传感器与周围环境电脱耦，因此温度传感器能明显更好地与要测量温度的位置或介质热耦合。

Description

温度计以及流体测量装置
技术领域
本发明涉及一种温度计以及一种用于测量周围流体的温度的测量装置.
背景技术
电子温度计包括温度传感器，所述温度传感器的物理特征参数根据所要测量的温度以特有的方式改变.在温度传感器的电输出端上输出由所述温度传感器所量取的信号，所述信号是所述特征参数的值的指标.
为了使测量尽量精确，所述温度传感器必须与要测量其温度的位置或者介质有尽可能良好的热接触.同时，温度传感器还应尽量少受周围环境的影响.但热的干扰作用会通过必不可少的馈电线路被带至温度传感器，因为所使用的电的良导体通常也是良好的热导体。此外，在许多应用中也要求，要测量温度的位置或介质与周围环境保持与电流绝缘，也就是说，这个位置不允许通过温度传感器及其馈电线而周围环境电连接.在这种边界条件下，使所述温度传感器良好地热耦合是非常困难的，因为例如导热良好的粘合剂同时也是良好的电导体.最后，通向所述温度传感器的馈电线在所要测量的温度发生任何变化时还受到机械载荷，因为温度传感器本身在热作用下会膨胀或者收缩.
实用新型DE 201 01 270 U1提出，以高温测量方式通过红外测量来测定温度，以便缓解上述问题.但非常困难的是，要使得所述传感器与周围环境热脱耦。随着对精度的要求不断提高，温度计的价格也不成比例地越来越昂贵.
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种温度计，其具有良好的价格-精度比.
上述目的根据本发明通过一种根据主独立权利要求所述的温度计以及通过一种根据并列独立权利要求所述的测量装置得以实现.其他有利的设计方案分别由引用所述独立权利要求的从属权利要求中得出。
在本发明的范围内，开发出一种温度计.这种温度计包括至少一个温度传感器，所述温度传感器具有根据所要测量的温度以特有的方式改变的物理特征参数.所述温度计还包括至少一个电输出端，用于输出这样的信号，所述信号是所述特征参数的值的指标。
根据本发明，所述温度计包括发送器和/或接收器，所述发送器和/或接收器具有用于声波或电磁波的发送和/或接收天线.所述发送和/或接收器件可与所述温度传感器相耦合并且由温度传感器根据所述特征参数的值来操控.备选地，所述发送和/或接收器件能至少部分地朝温度传感器的方向发出信号，所述信号与所述温度传感器之间的相互作用与所述特征参数的值相关.
分别备选地或者与上述方案组合地，所述发送器可作为发送器/接收器组合工作，所述发送器/接收器组合与同样作为发送器/接收器组合工作的接收器通信，其中，这种通信的特性与所述特征参数相关.例如设置在温度传感器上的发送器/接收器(Transceiver收发器)可双向地和与其隔开距离的、与所述电输出端相连接的发送器/接收器通信.但例如也可由与电输出端相连接的一个所述收发器向设置在温度传感器上的收发器发送波。此时，所述收发器可以例如构造成，向回发送入射波的回波，其中，可以通过与温度相关的所述特征参数在幅值、频率或者其他参数上对所述回波进行调制.在一种简化的实施方式中，所述第二个收发器也可以根本不是耦合到单独的温度传感器上，而是通过其接收和/或发送特性与温度相关的改变自行对发回的信号的一个或多个参数进行调制.
为了最终在设备输出端上得到电信号，接收器或其他器件与所述电输出端连接，所述接受器具有用于波的发送和/或接收天线，所述接收器将所述波返回转换成电信号，所述其他器件用于将波与温度传感器之间的相互作用转换成电信号.
已经表明，通过波来传输信号使得温度传感器与周围环境电隔离，并且由此使得温度传感器能够明显更好地与应测量温度的位置或介质热耦合.这种连接尤其也可以是导电的.适合的具有亚开尔文精度的温度传感器可以非常经济地获得.测量位置与周围环境的电隔离以及所温度传感器与测量位置的热耦合不再是相互矛盾的目的.
在本发明的一种有利的设计中，具有发送和/或接收天线的发送器设置在温度传感器上并且将所述特征参数的值编码到所发射的波中.所述温度传感器例如可以包括热电偶，所述热电元件提供与温度相关的热电电压.但所述温度传感器例如也可以包括金属或半导体的、与温度相关的电阻，所述电阻在有电流时同样产生与温度相关的电压.电压信号例如可以编码到波中，其方式是与电压类似地来对波的幅值、相位或频率进行调制.但电压的值也可以数字成特征参数并作为数字信号利用波来传输.在此，可以以任意的方式给发送器供应能量.所述发送器例如可以包含电池、由额外的热电发电机供电或通过入射到该发送器上的电磁波来供应能量.
在本发明的一种备选的有利的实施形式中，所述温度传感器接入波从发送器出发的传播路径中，并将所述特征参数的值编码到波的传输(率)、反射(率)和/或吸收(率)中.为此，温度传感器例如可以包括电的振荡回路，所述振荡回路的谐振频率是温度相关的.温度的变化使谐振频率改变，从而在保持所述波的频率固定的情况下强烈地改变传输、反射和/或吸收.例如安装在温度传感器上的电路的精确机械尺寸由于热膨胀而发生改变，由此谐振频率可以根据温度发生改变.
所述温度传感器例如可以相对于所述发送器设置成，使得在所述温度传感器与所述发送器之间构成驻波场.温度传感器上的振荡回路越接近其谐振频率工作，则从所述驻波场获取的能量就越多，并且必须通过所述发送器的能量源补充供给，以便维持驻波场.
在本发明的一个非常有利的设计方案中，所述发送器构造成RFID应答器.所述RFID应答器例如可以是有源应答器，所述有源应答器首先从在问询时所存在的电磁场获取能量并自主地借助该能量传输所述特征参数的值.但也可使用无源的RFID应答器，所述RFID应答器将入射到其上的电磁波的回波发回.在问询时入射的电磁信号例如可以转换成为在温度传感器上传播的表面声波。这种回波可以设计成温度相关的.例如可以通过温度来改变产生回波的反射器的位置.但也可以例如通过包含在RFID应答器内的微处理器来接通或断开这样的布置系统，所述布置系统至少部分地使由发送器入射的电磁波短路、相位相反地发回或以其他方式减弱.此时，例如可以将作为温度的指标的所述特征参数的值作为数字化信息编码到这种接通和断开中.此外，也可以改变与温度相关的材料参数，从而改变回波的特性(延迟、幅值、相位、衰减、频率)并且将其应用于测量.
发射场的减弱或其他变化可以通过所述发送器的耗电或利用接收器针对所述发射场的频率记录下来.但这些变化例如也可以利用这样的接收器记录，所述接收器在由所述发送器入射的电磁波与由温度传感器经调制地反向散射的波的叠加形成的边频带上是敏感的.这种边频带可以通过简单的频率过滤与原始的电磁波分开.
所述发送器也可直接提供表面声波.
所述接收器优选设计为RFID读取单元.这种单元将RFID应答器的能量供应与对接下来由应答器提供的数据进行的分析评估相结合.
在本发明的一种非常有利的设计方案中，发送器、接收器和/或温度传感器具有至少一个设置在压电基体上的电极结构，用于将电信号转换成表面声波或者是反向地将表面声波转换成电信号.借助这种设计方案，尤其是可以实现一种无源RFID应答器.
传感器的物理原理如下：在压电基体上可以激励生成表面声波(AOW或者英文：surface-acoustic wave，SAW).表面声波的传播主要可能(例如通过弹性模量、剪切模量或者泊松比)受到应力(例如压强)、应变和温度的影响.
通过适当的布置和校准，在可能的情况下还可以通过利用在不同坐标方向上的AOW传播和借助不同的电极设计而将这些相关性用于温度测量和其他测量。所述波的运行时间或者说传播速度例如是温度相关的，因此，从所反射的信号的时间延迟可以推断出温度.
还可设置多个单独的电极结构，例如第一电极结构，在第一电极结构中，回波的强度随着温度的上升而增加，以及第二电极结构，在第二电极结构中，回波的强度随着温度的上升而降低。因此，为了进行测量，例如可使得所述温度计在一个温度范围的下限和上限处分别非常灵敏.温度计在工业过程中通常用于监控，以便在任何情况下都不会偏离所述温度范围.
与此相似，可对所述传感器元件的机械固有频率与温度相关的变化、衰减常数的变化以及与从外面射入的电磁信号相关的应答特性(幅度、相位、频率)的一般性综合变化进行分析评估.
所述温度传感器和/或所述具有发送和/或接收天线的发送器有利地设置在不导电的基体上。此时，所述温度传感器可以为了尽可能好的热耦合而利用针对良好的热耦合优化的、也可以用导电的粘合剂热固定在测量位置上，而不会使与温度传感器连接的电子构件短路。所述基体例如可以是压电陶瓷或者是用于印刷电路的电路板.
在本发明的一种非常有利的设计方法中，发送器连同接收器和/或连同温度传感器一起设置在共同壳体内.此时，所述壳体屏蔽发送器与接收器之间的和/或发送器与温度传感器之间的传输路段，以免受到外部的干扰影响.反之，也可以使温度计对周围环境的反作用最小化.壳体有利地使由发送器发射的电磁波衰减至少20dB.如果壳体是电动力学密闭的，则可以使用任意频率的电磁波.为此目的，壳体例如可以由金属、例如不锈钢构成.但为了使尽可能少的热量从测量位置传输到周围环境中，壳体也可至少在部分区域中由塑料或其他热的不良导体构成，这些材料为了电动力学的密封而通过至少部分的具有金属的衬垫或涂层变成导电的.
在本发明的一种特别有利的设计方案中，壳体是可抽真空的或用良好热绝缘的保护气体填充。如果在壳体内例如存在真空，则在发送器与接收器之间或在发送器与温度传感器之间形成特别好的热绝缘.但作为波传输的测量信号可以毫无问题地克服这种绝缘.
如果壳体用保护气体填充，则所述保护气体例如可以具有大气压力或者具有与大气压力向上或向下相差最多200mbar的压力.此时，不需要针对压差对壳体对于进行机械强化或者仅需要略微进行机械强化.真空倾向于实现更好的绝缘，为此，壳体必须此时能承受完整的大气压力.
完全或部分金属的壳体不是必须具有使得波能够在其中实现远场传播的尺寸。为了也能够利用易消散的近场波，发送器可以设置在离接收器或离温度传感器足够小的距离处。
在本发明的另外一种有利的设计方案中，发送器和接收器设置在机械上彼此脱耦、分开的结构单元内.这种结构允许发送器与接收器发生的相对运动，如例如可能由于热膨胀而出现的相对运动.当在测量位置发生温度变化时，既在测量位置也在周围环境中的另一个位置固定夹紧的共同的壳体能承受大的机械载荷.
在本发明的另一种特别有利的设计方案中，为了记录空间上的温度分布，设有多个温度传感器.这些温度传感器尤其是可以与唯一一个接收器、例如与中央的RFID读取单元共同协作.由此减少了为记录空间上的温度分布的仪器设备上的结构.当然也可出于不同于记录空间温度分布的其他动机而设置多个将其测量数据发送给中央站点的温度传感器.
有利地设有分析单元，所述分析单元利用所述温度分布来校准或修正至少一个测得的温度.由所述温度分布例如可推断出在热量通过壁部传导时出现的延迟.一般来说，可以利用多重安装的传感器元件提高测量精确度，例如通过适当加权地求平均值.
根据本发明的温度计的优选的应用目的是，用于测量被封在容器内或管路内的流体的温度的测量装置，其中，这种测量是在所述容器或所述管路的壁部的外侧进行的。正是在这种应用场合，特别重要的是，所述温度传感器与所述壁部的外侧有良好的热耦合.同时，正是在这种应用场合中，通常要求，所述壁部在测量温度时不与周围环境电连接.
在所述容器或所述管路的壁部的外侧中有利地设置凹部，用于至少部分地容纳温度计.这降低了对壁部外侧上的要用温度计测量其温度的表面的环境影响.尤其有利地还将温度传感器引入温度计保护管(温度计套管)，所述温度计保护管被引导穿过所述容器或所述管路的壁部.
优选可使用设定为用于工业、研究和医疗的ISM-频率作为电磁波的频率.但本发明并不局限于这些频率.
附图说明
在下面参照附图来说明本发明的主题，但不是由此限制本发明的主题.其中：
图1示出根据本发明的测量装置的实施例，所述测量装置具有在共同壳体内的发送器和接收器；
图2示出温度传感器对电磁波的被动影响；
图3示出根据本发明的测量装置的实施例，所述测量装置具有用于发送器和用于接收器的单独的结构单元.
具体实施方式
图1示出根据本发明的测量系统的一个实施例。要在壁部22的外侧上的表面F上进行测量在管20内引导的介质21的温度。所述表面F由用于至少部分地容纳温度计T的凹部23包围，所述凹部也可以构造成被引导穿壁部22的温度计保护管.
温度计T具有壳体5.温度传感器1借助导热的粘合剂1a固定在所述壳体5的左端面上.温度传感器1与发送器3相连接，所述发送器能够向接收器4的方向发射微波.所述接收器4设计成RFID读取单元，并且在发送器3本身发送之前，所述接收器首先通过射入电磁波给发送器3供应能量.由接收器4记录的信号是表面F上的温度的指标，并且在温度计T的电输出端2上输出.壳体5由不锈钢制成.
图2示出温度传感器1对电磁波W的被动影响，这种温度传感器比如图1所使用的有源RFID应答器更容易实施.该温度传感器1借助导热的粘合剂1a固定在要测量温度的表面F上.在温度传感器1的背向胶黏剂1a的表面上构成由电感L、电容C和电阻R组成的振荡回路1b.所述电感L被实施为精细的曲折结构所述曲轴结构作为导体线路设置在基体1上.在温度传感器1升温时，所述曲折机构之间的间距会发生改变，由此电感L的值也发生变化.因此，振荡回路1b的谐振频率发生移动.
电磁波W由发送器3射入.所述发送器3由交流电源U馈电.在交流电源U与发送器3之间接入电流测量装置I，在温度计的输出端2上输出所述电流测量装置的测量值.
在运行状态下，在发送器3与温度传感器1之间形成驻波场.振荡回路1b的谐振频率越接近波W的频率，在振荡回路1b内就散失更多的能量，这些能量必须由交流电源U来补给.由电流测量装置I上相应的信号能够推出表面F上的温度.
还可以以用于将电磁波W转换成与沿温度传感器1的表面延伸的途径(Parcours)相结合的表面声波的装置来替代温度传感器1上的振荡回路1b.为此，对于温度传感器1选择压电的基体.
图3示出根据本发明的测量系统的另一个实施例.温度传感器1借助导热的粘合剂1a固定地粘接在第一结构单元51的内侧上。所述温度传感器包含发送器3，发送器的天线从所述第一结构单元中伸出.第二结构单元52包含接收器4，接收器的天线同样从第二结构单元52中伸出.接收器4将由发送器发出的电磁波W重新转换成为电信号，所述电信号在温度计的电端子2上输出。同时，接收器4通过射入电磁波给发送器3提供发送器3接着进行发送所需的能量.图3中所示的结构允许各结构单元51与52之间出现任意的相对运动，而不会使得各结构单元承受机械载荷.就是说，壳体51可以机械固定地与要测量温度的表面F相连接，而结构单元52同样以固定地安装在周围环境中的另一个固定的或可移动的点上.
附图标记列表
1 温度传感器
1a 粘合剂
1b 振荡回路
2 电输出端
3 发送器或第一发送器-接收器组合
4 接收器或第二发送器-接收器组合
5 壳体
51、52 结构单元
20 管路
21 管路20内的流体
22 管路20的壁部
23 壁部22内的凹部或者温度计保护管
C 振荡回路1b的电容
F 要测量温度的表面
I 电流测量装置
L 振荡回路1b的电感
R 振荡回路1b的电阻
T 温度计
U 交流电源
W 声波或电磁波

Claims (17)

1.一种温度计(T)，包括至少一个具有根据温度以特有的方式改变的物理特征参数的温度传感器(1)特征参数和至少一个用于输出信号的电输出端(2)，所述信号是所述特征参数的值的指标，其特征在于，所述温度计包含声波或电磁波(W)的发送器(3)，所述发送器
与所述温度传感器耦合，并且根据所述特征参数的值来由温度传感器操控；或者
至少有时朝温度传感器(1)的方向发出所述波(W)，其中，所述波(W)与温度传感器(1，1b)之间的相互作用与所述特征参数的值相关；
和/或，
作为发送器/接收器组合工作，所述发送器/接收器组合与同样作为发送器/接收器组合工作的接收器(4)通信，其中，这种通信的特性与所述特征参数相关；
并且，将波返回转换成电信号的波的接收器(4)，或者是另外的用于将波(W)与温度传感器(1，1b)之间的相互作用转换成电信号的器件(I)与所述电输出端(2)连接。
2.根据权利要求1所述的温度计(T)，其特征在于，所述发送器(3)设置在温度传感器(1)上并且将所述特征参数的值编码到所发射的波(W)中。
3.根据权利要求1所述的温度计(T)，其特征在于，所述温度传感器(1，1b)接入所述波(W)从发送器(3)出发的传播路径上，并且将所述特征参数的值编码到所述波(W)的传输、反射和/或吸收中。
4.根据权利要求1至3之一所述的温度计(T)，其特征在于，所述发送器(3)构造成RFID应答器。
5.根据权利要求1至3之一所述的温度计(T)，其特征在于，所述发送器(3)构造成表面声波(W)的发生器。
6.根据权利要求1至5之一所述的温度计(T)，其特征在于，所述接收器(4)构造成RFID读取单元。
7.根据权利要求1至6之一所述的温度计(T)，其特征在于，所述发送器(3)、所述接收器(4)和/或所述温度传感器(1)具有至少一个设置在压电基体上的电极结构，用于将电信号转换成为表面声波或者将表面声波返回转换成电信号。
8.根据权利要求1至7之一所述的温度计(T)，其特征在于，所述发送器(3)连同所述接收器(4)一起和/或连同所述温度传感器(1、1b)一起设置在共同的壳体(5)中。
9.根据权利要求8所述的温度计(T)，其特征在于，所述壳体(5)使由所述发送器(3)发出的电磁波(W)衰减至少20dB。
10.根据权利要求8至9之一所述的温度计(T)，其特征在于，所述壳体(5)是可抽真空的或者用低导热率的保护气体填充。
11.根据权利要求1至10之一所述的温度计(T)，其特征在于，所述发送器(3)和所述接收器(4)设置在彼此机械上解耦的、分开的结构单元(51、52)中。
12.根据权利要求1至11之一所述的温度计(T)，其特征在于，能够通过入射到发送器上的电磁波来给所述发送器(1)供能。
13.根据权利要求1至12之一所述的温度计(T)，其特征在于，为了记录空间的温度分布或者为了通过适当加权的求平均值来提高测量精度，设有多个温度传感器(1)。
14.根据权利要求13所述的温度计(T)，其特征在于，设有分析评估单元，所述分析评估单元将所述温度分布用于校准或修正至少一个所测得的温度。
15.用于测量包围在容器或管路(20)中的流体(21)的温度的测量装置，其特征在于，所述测量这种包括根据权利要求1至15之一所述的、用于测量所述容器或管路壁部(22)的外侧上的温度的温度计(T)。
16.根据权利要求15所述的测量装置，其特征在于，在所述容器或所述管路(20)的壁部(22)的外侧中设置凹部(23)，用于至少部分地容纳所述温度计(T)。
17.根据权利要求15至16之一所述的测量装置，其特征在于，所述温度传感器和/或所述发送和/或接收单元(3、4)设置在穿过所述容器或所述管路(20)的壁部(22)的温度计保护管(23)中。
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