CN107271060B - 非侵入式温度测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非侵入式的温度测量设备，该温度测量设备用于测量过程工业设施的至少部分热绝缘的管道(2)中的流体温度，其中管道(2)至少在测量点处以热绝缘层(8、8’)完全覆盖，其中在热绝缘层(8、8’)内，具有温度传感器(4)的传感器电子器件(5)被安装在管道(2)上，在热绝缘层(8、8’)外布置有连接电子器件(6)且其中传感器电子器件(5)和连接电子器件(6)具有用于为传感器电子器件(5)供电的无线能量传输(11)的装置(17、27)，以及用于将温度测量值从传感器电子器件(5)传送到连接电子器件(6)的无线通信(12)的装置(18、28)。
Description
技术领域
本发明涉及一种非侵入式温度测量设备，该非侵入温度测量设备用于测量过程工业设施的至少部分隔热的管道中的流体温度。
背景技术
至今主要已知的是有各种缺点的安装解决方案(侵入式)：温度传感器应当尽量在构建设施时已经安装。如果需要改造，则必须或者已经存在传感器的安装开口，或者钻孔并焊入热电偶套管。在热电偶套管中使用温度传感器。后者在运行过程中是不可能的，因此必须暂时切断设施。这种解决方案例如由公开文献http://www.burnsengineering.com/local/local/uploads/files/snx_family.pdf20已知。该解决方案在那里被称作非侵入式的，因为实际的传感器不浸入到流体中。
在非侵入式传感器解决方案中，传感器被置于管道之外且通过测量管道温度间接地推出流体温度。在此存在以下问题，即，由于经常与流体温度不同的环境温度隔着管壁和可能的边界层在流体和环境之间产生热流，该热流通过前方连接的热阻造成相应的温度差，并且因此造成有错的温度测量。
为了使这种差异保持尽可能低(尽量<1K)，围绕管道设置有热绝缘，其减少径向的热流从而减小温度测量的误差。在此存在以下问题，即，在已知的解决方案中，由于必要的传感器电连接和机械端口而中断传感器附近的热绝缘，并且一部分热量通过这些端口在径向上流走。该热流产生进一步的测量误差，并且另一方面在弯曲的管道表面上需要传感器非常好的热耦合。然而，在改进应用中唯有昂贵地实现这种方式。这点尤其符合，因为连接在传感器元件(通常是Pt100)上的电子器件必须相对于管壁电绝缘。传感器元件的嵌入必须首先设计为抗电的，因此仅仅能够在次要级别对于好的热接触进行优化。这不可避免地导致不良的热耦合，因为电绝缘的材料也不易导热。通常Pt100由几毫米的陶瓷粉末包围在温度检测器的帽中。
替代的解决方案也有缺点，其中传感器线路首先有一部分沿着管道的轴向方向铺设，以减少传感器附近相应的热流。这些一方面导致巨大的安装费用。另一方面，以此并不解决Pt100和管道之间的高热阻的问题，反而由于该封闭的绝缘仅仅提高到环境的热阻。由此虽然改善在稳定状态下的绝对精度，但是没有改善传感器的响应时间。仍然还需要传感器的快速响应。
由各种应用已知无线温度测量方法，但是该方法并不是出于改进测量精度的背景，在该方法中在温度测量目标与实际测量点之间存在不可避免并不可忽略的热阻。
由出版文献http://www.sengenuity.com/tech_ref/Smart_Grid_Solutions_Leveraging_SAW.pdf已知通过SAW传感器无电势监视电路设施中实心导线和接触元件的温度的无线检测，其不需要蓄电池或者能量收集方法。
在US8152367B2中阐述了在封闭的容器中的侵入式温度测量，其不需要引线。
根据在http://www.s2is.org/Issues/v4/n2/papers/paper10.pdf中公开的“INTERNATIONAL JOURNAL ON SMART SENSING AND INTELLIGENT SYSTEMS(智能传感与智能系统的国际杂志)”，2011年6月第二期第四卷，已知在没有机械接触下对旋转电机的温度测量。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供一种用于测量过程工业设施的管道中的流体温度的非侵入式温度传感器，其在不损害管道的热绝缘的情况下以高的测量精度确定流体温度。
根据本发明通过本发明的特征解决该任务。在本发明中还给出了本发明的优选技术方案。
本发明涉及一种管道，其装配有非侵入式温度检测装置。
根据本发明设置有一种用于非侵入地确定管道中流体温度的测量装置，该管道至少在测量点处以热绝缘层完全覆盖，该测量装置包括具有温度传感器的传感器电子器件以及具有处理单元、通信单元和能量供应单元的连接电子器件，其中传感器电子器件被布置在封闭的热绝缘层内，而连接电子器件被布置在该绝缘层外。该连接电子器件和传感器电子器件具有用于无线能量传输以便从能量供应单元向传感器电子器件供电的装置，以及用于无线通信以便将温度测量值从传感器电子器件传送到连接电子器件的装置。传感器电子器件的温度传感器可以直接布置在管道的外表面上，或者通过用于扩大接触面的热接触交换器(管道适配器)布置在管道的外表面上。
在相对于环境热绝缘的管道中，管壁接收流体温度。因此，温度传感器也几乎没有延迟地接收管壁的温度-即流体温度。因此，以更高的测量精度和更短的测量装置响应时间测量流体温度。同时，连接电子器件相对于管壁完全电绝缘。
在传感器电子器件和连接电子器件之间无线传输能量和测量值的结果中，测量位置处的热绝缘层是连续的，从而避免热损失以及由此造成的测量值误差。
附图说明
以下在实施例范畴内描述本发明的进一步的优点和细节。为此需要的附图中：
图1示出了具有非侵入式测量装置的管道的横截面示意图；
图2示出了具有非侵入式测量装置的管道的纵截面示意图；
图3示出了温度传感器的热接触交换器的机械构造的详细示意图；
图4示出了温度传感器的热接触交换器的机械构造的替代技术方案的详细示意图；
图5示出了传感器电子器件和连接电子器件的详细示意图(方块图)；
图6示出了传感器电子器件的机械构造的详细示意图；
图7示出了测量点处的温度分布的曲线图。
具体实施方式
图1中示出了用于传导流体1的管道2的横截面，该管道具有非侵入式的测量装置，通过为相同的装置使用相同的附图标记在图2中示出了纵截面。管道2在测量点处完全嵌入到包围的热绝缘体8、8’中。在此，热绝缘体8、8’能够构造为一体的，或者构造为由多个部分8、8’组成。该热绝缘体8、8’能够事后安装在管道2之外且通过机械固定装置10围绕管道2紧固并且保持就位。
在管道2的表面上，在热绝缘体8、8’内布置有温度传感器4，该温度传感器4与传感器电子器件5连接。温度传感器4和传感器电子器件5一起通过管道适配器3安装在管道2的表面上。管道适配器3在管道侧匹配管道2的外直径，在传感器侧匹配温度传感器4和传感器电子器件5的轮廓。由此在温度传感器4和管道2的表面之间实现良好的热接触。温度传感器4、传感器电子器件5与管道适配器3都被嵌入到热绝缘体8、8’中，在该处管道2完全被热绝缘体8、8’包围。从而避免测量点处由于径向和/或轴向的热流动而造成的温度变化，并提高测量精度。
在热绝缘体8、8’外布置有连接电子器件6，该连接电子器件6通过保持件9固定到位。在本发明的另一种技术方案中，该连接电子器件6通过连接线缆7与本地的显示单元20连接。
热绝缘体8、8’由泡沫材料、优选为硬泡沫组成，并且配备有凹口以容纳温度传感器4和传感器电子器件5。有利地，热绝缘体8、8’以两部分的方式实现。由此使得装备已经铺设的管道2变得容易。该优点尤其在事后装备(改造)时发挥作用。
根据本发明的另一特征，热绝缘体8、8’在几何上沿着管道2的表面上的切线分开。由此通过更长的分隔间隙实现相对于径向分离更优的热绝缘。优选地，温度传感器4被布置在热绝缘体8的半壳的中心。由此避免了在热绝缘体8、8’的半壳之间的分隔间隙上出现热损失的影响。
根据本发明的另一特征，热绝缘体8、8’具有足够的径向材料厚度和足够高的热阻，以将径向的热损失降至最低。在此力求传感器温度和流体温度之间的最大温差小于1K。
根据本发明的另一特征，固定装置10由包围热绝缘体8、8’的具有锁定机构的金属夹或金属带组成。该锁定机构能够具有铰接杆或框架螺栓。此外，固定装置10被构造为本地的显示单元20的载体，该显示单元具有与上级单元远程通信的接口。
图3中详细示出了温度传感器4的热接触交换器的机械构造。管道适配器3在管道侧匹配管道2的几何形状，在背对管道2的一侧匹配温度传感器4和传感器电子器件5的轮廓。
在第一实施方式中，管道适配器3由弹性的、导热的载体材料构成。尤其能够将由橡胶制成的载体设置为管道适配器3，该载体由导热的材料填充。
在第二实施方式中，管道适配器3由可塑的金属泡沫制成，该金属泡沫在压力下匹配管道2的表面的具体轮廓。为此，由银或铝制成的金属泡沫是尤其合适的。
根据温度传感器4的构型，能够根据图4设置为，平行于传感器电子器件5在管道适配器3和传感器电子器件5之间布置平面的温度传感器4。
替代地可以设置为，将温度传感器4集成在传感器电子器件5的载体(电路板)上，并且使管道适配器3背对管道2的一侧匹配温度传感器4和传感器电子器件5的轮廓。在此能够将温度传感器4布置在传感器电子器件5背对管道2的一侧上，或者将温度传感器4’布置在传感器电子器件5面向管道2的一侧上。
作为改进本发明的措施，能够在管道适配器3和温度传感器4之间和/或在管道适配器3和管道2之间设置导热胶。替代地可以设置为，通过导热粘合剂将温度传感器4固定在管道适配器3上。
此外，能够通过弹簧改进温度传感器4在管道2上的热耦合，该弹簧至少将温度传感器4压向管道2。根据温度传感器4的构型，能够将传感器电子器件5纳入到力锁合的连接中。
图5中详细示出了传感器电子器件5和连接电子器件6。该传感器电子器件5包括至少一个模拟信号处理装置13、具有附属的发送和接收天线18的发送/接收单元16。此外，在优选的实施方式中，传感器电子器件5配备有模拟/数字转换器14。此外，该传感器电子器件5配备有能量供给单元15以及用于电感式能量供给的线圈17。温度传感器4连接在模拟信号处理装置13上。
该连接电子器件6包括能量供给单元25、发送/接收单元26和通信接口19。该能量供给单元25附属有用于给传感器电子器件5进行电感式能量供给的线圈27。发送/接收单元26与发送和接收天线28连接。通过通信接口19实现外部通信29。
传感器电子器件5由连接电子器件6的能量供给单元25无线地供给电能。为此以交流电流激励用于电感式能量供给的线圈27。在用于电感式能量供给的线圈27的交变场中，在传感器电子器件5的用于电感式能量供给的线圈17中感应出电压，在能量供给单元15中处理该电压以为传感器电子器件5供电。
有利地，用于电感式能量供给的线圈17和27被构造为平面线圈，其被印制在传感器电子器件5以及连接电子器件6的电路板上。替代地可以设置为集成在电子电路中的平面线圈。优选地，在MHz范围内实现在用于电感式能源供给的线圈17和27之间的电感耦合。由此使用于电感式能量供给的线圈17和27实现更小的构造尺寸。在此进一步改进本发明的措施是，为用于电感式能量供给的线圈17和27装备铁磁材料，如开放式的铁氧体磁芯。由此进一步改进用于电感式能量供给的线圈17和27之间的电感耦合。
在本发明的一种替代的技术方案中能够设置为，在GHz的范围内从连接电子器件6向传感器电子器件5传输电能，并且代替用于电感式能量供给的线圈17而布置SAW传感器以接收能量。
在本发明的另一种替代的技术方案中能够设置为，在光学范围内从连接电子器件6向传感器电子器件5传输电能。在此，代替用于电感式能量供给的线圈27而设置有在可见光或红外发射范围内的发光二极管，代替用于电感式能量供给的线圈17而设置有光电池。
温度传感器4能够构造为热敏电阻、热电偶或者阻挡层半导体。在传感器电子器件5中预处理温度传感器4的测量信号。在第一处理阶段，为在随后的数字/模拟转换器14中的数字化而在模拟信号处理装置13中准备测量信号。通过具有附属的发送和接收天线18的发送/接收单元16向连接电子器件6无线地传输经数字化的测量信号。
所发送的测量信号被发送/接收单元26的发送和接收天线28接收并且向通信接口19转送。该通信接口19与未示出的上层装置连接。与该上层装置的通信29能够无线地或有线地实现。
在传感器电子器件5和连接电子器件6之间设置有无线通信12，通过该无线通信能够从传感器电子器件5读取温度以及可选的其他信息。此外，在双向通信的情况下，还能够将触发信号或者配置命令从连接电子器件6传送到传感器电子器件5。
图6中示出了传感器电子器件5的基本空间结构。沿着管道2的管道轴线23，在传感器电子器件5上纵向依次布置有用于电感式能量供给的线圈17、温度传感器4以及发送和接收天线18。温度传感器4也能够有利地与传感器电子器件5一起集成在基板上。尤其是设置为，为了避免温度误差，以与温度传感器4足够的间距安装产生热损耗的部件，例如在管道2的管道轴线23的轴向上足够的间距。
在本发明的一种有利的技术方案中，传感器电子器件5和连接电子器件6之间的通信通过单独的发送和接收天线18、28按照已知的标准、如蓝牙LE数字地构造。
在本发明的一种替代的有利的技术方案中，传感器电子器件5和连接电子器件6之间的通信以模拟电感式实现。为此，可以根据反射阻抗原理设置对于用于能量供给的信号的调制。
在本发明的另一种替代的技术方案中，能够借助SAW技术通过集成能量供给和无线通信来实现传感器电子器件5和连接电子器件6之间的通信。
此外，也可以考虑在传感器电子器件5和连接电子器件6之间的模拟电容通信。
最后，在光学能量供给中可以考虑，传感器电子器件5和连接电子器件6之间的通信同样以光学方式通过调制反射的光强度构建。
图7中示出了测量点处的温度分布的曲线图。通过为相同的装置使用相同的附图标记示出了传感器电子器件5的结构，其具有在部分示出的管道2的表面上的温度传感器4和管道适配器3，该管道2至少部分地或者全部被热绝缘体8包围。在部分热绝缘体8中，温度传感器4在纵向上布置在管道2的外表面上的热绝缘体8的大致中央。在管壁中，以箭头表示轴向的热流21，箭头长度表示在管壁的各个位置处的热流量的大小。由于热绝缘体8，紧邻测量点的环境中的热流21起初是小的，而随着更接近热绝缘体8的各端部处而增大。
相对于具有在管壁上的温度传感器4的传感器电子器件5的物理结构，将流体温度22的温度分布和管壁温度24的温度分布绘制为温度T关于管道2的长度x的曲线图。流体温度22沿着管道2是恒定的。热绝缘体8使得测量点处的管壁温度24等于流体温度22，并且在热流21的作用下朝着热绝缘体8的各端部处减小。由此在测量点处实现流体温度22的高的测量精度。
根据本发明的另一特征，热绝缘体8、8’具有足够的轴向长度，以便在由热接触交换器占据的区域中围绕其轴向中心使管道2中的轴向的热流21降低到最小，以得到接近恒定的温度分布22。
有利地，根据本发明的非侵入式温度测量设备可以被安装在足够长的任意的管道直线段上，并且在此的优点在于简单的机械构造。尤其是根据本发明的温度测量设备能够以简单的方式安装在已经铺设的管道2上而不需要运行中断(改造)。
此外，根据本发明的温度测量设备的温度测量在很大程度上不依赖于测量点处径向和轴向的热流动。对于温度测量设备在管道2上的热耦合的质量的敏感度是低的。该优点尤其在工业应用中是显著的，以满足鲁棒性和长期稳定性的要求。由此总体上实现了高测量精度。
由于连接电子器件6的无线连接，同时省去温度传感器4相对于管道2的电绝缘的必要性，由此进一步简化了机械系统构造并改进了温度传感器4和至管道2的接触面之间的热接触。由此减少了传感器响应时间。
附图标记列表
1 流体
2 管道
3 管道适配器
4、4’ 温度传感器
5 传感器电子器件
6 连接电子器件
7 连接线缆
8、8’ 绝缘体
9 保持件
10 固定装置
11 能量供给
12 无线通信
13 数字信号处理装置
14 模拟/数字转换器
15、25 能量供给单元
16、26 发送/接收单元
17、27 用于电感式能量供给的线圈
18、28 发送和接收天线
19 通信接口
20 本地的显示单元
21 热流
22 流体温度
23 管道轴线
24 管壁温度
29 与上层装置的通信
T 温度
X 长度
Claims (14)
1.一种非侵入式的温度测量设备，所述温度测量设备用于测量过程工业设施的至少部分热绝缘的管道中的流体温度，
-其中，管道(2)至少在测量点处以热绝缘层(8，8’)完全覆盖，
-其中，在所述热绝缘层(8，8’)内，具有温度传感器(4)的传感器电子器件(5)被安装在所述管道(2)上，并且所述传感器电子器件被配置用于测量所述管道中的流体的温度，
-其中，在所述热绝缘层(8，8’)外表面处布置有连接电子器件(6)，使得所述热绝缘层的至少一部分被布置在所述连接电子器件和所述传感器电子器件之间，并且接触所述连接电子器件和所述传感器电子器件，
-其中，所述传感器电子器件(5)和所述连接电子器件(6)具有用于为所述传感器电子器件(5)供电的无线能量传输(11)的装置(17，27)，以及
-其中，所述传感器电子器件(5)和所述连接电子器件(6)具有用于将温度测量值从所述传感器电子器件(5)传送到所述连接电子器件(6)的无线通信(12)的装置(18，28)。
2.根据权利要求1所述的温度测量设备，其特征在于，所述传感器电子器件(5)至少包括模拟信号处理装置(13)和具有附属的发送和接收天线(18)的发送/接收单元(16)。
3.根据权利要求1或2所述的温度测量设备，其特征在于，所述温度传感器(4)和所述传感器电子器件(5)一起通过管道适配器(3)安装在所述管道(2)的表面上。
4.根据权利要求3所述的温度测量设备，其特征在于，所述管道适配器(3)在管道侧匹配所述管道(2)的外直径，在传感器侧匹配所述温度传感器(4)和所述传感器电子器件(5)的轮廓。
5.根据权利要求1所述的温度测量设备，其特征在于，所述连接电子器件(6)至少包括处理单元、通信单元(19)以及能量供给单元(25)。
6.根据权利要求1或2所述的温度测量设备，其特征在于，用于为所述传感器电子器件(5)供电的所述无线能量传输(11)是电感式的，并且用于将所述温度测量值从所述传感器电子器件(5)传送到所述连接电子器件(6)的所述无线通信(12)是基于无线电的。
7.根据权利要求1或2所述的温度测量设备，其特征在于，用于为所述传感器电子器件(5)供电的所述无线能量传输(11)是以光学方式的，并且用于将所述温度测量值从所述传感器电子器件(5)传送到所述连接电子器件(6)的所述无线通信(12)通过调制反射光强度构造。
8.根据权利要求1或2所述的温度测量设备，其特征在于，用于为所述传感器电子器件(5)供电的所述无线能量传输(11)和用于将所述温度测量值从所述传感器电子器件(5)传送到所述连接电子器件(6)的所述无线通信(12)通过SAW技术构造。
9.根据权利要求1或2所述的温度测量设备，其中，在所述热绝缘层(8，8’)内被安装在所述管道(2)上的所述传感器电子器件(5)和所述温度传感器(4)被配置为使能够对所述管道中的所述流体的温度测量具有高的精度。
10.根据权利要求9所述的温度测量设备，其中，所述精度为1K或小于1K。
11.根据权利要求9所述的温度测量设备，其中，所述热绝缘层的径向厚度和热阻被配置为对所述管道中的所述流体的温度测量具有高的精度。
12.根据权利要求9所述的温度测量设备，其中，所述温度传感器在所述热绝缘层内的位置被配置为对所述管道中的所述流体的温度测量具有高的精度。
13.根据权利要求12所述的温度测量设备，其中，所述温度传感器被定位在所述热绝缘层内的中央径向位置处。
14.根据权利要求1或2所述的温度测量设备，其中，在所述热绝缘层(8，8’)内被安装在所述管道(2)上的所述传感器电子器件(5)和所述温度传感器(4)被配置为使能够对所述管道中的所述流体的温度测量具有短的响应时间。
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