CN107820565B - 用于确定和/或监视介质的温度的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监视介质的温度的设备(1)，包括具有至少一个传感器元件(3)的至少一个温度传感器(2)和电子单元(4)，其中电子单元(4)至少具有输入单元(5)，输入单元(5)至少用于输入比较介质的至少一个比较温度(T_c)和/或至少一个比较温度(T_c)的至少一个公差范围(ΔT_tol)，并且包括显示单元(7)，其中电子单元(4)被设计成确定和/或监视介质的温度(T_m)，并且其中，电子单元(4)被设计成检测温度传感器(2)是否至少部分地浸入具有已知比较温度(T_c)的至少一个比较介质中，并且在温度传感器(2)被浸入比较介质中的情况下，执行比较测量以校准和/或验证传感器元件(3)，借助其来基于从传感器元件(3)接收的接收信号以比较温度测量值(T_cm)的形式确定比较介质的温度的测量，并且借助于显示单元(7)显示比较测量的执行和/或比较温度测量值(T_cm)。

Description

用于确定和/或监视介质的温度的设备

技术领域

发明涉及一种用于确定和/或监视介质的温度的设备，包括至少一个具有至少一个传感器元件的温度传感器，以及电子单元。此外，本发明涉及用于校准和/或验证这种设备的方法。

背景技术

在最多样化的实施例中，温度计是现有技术中已知的。因此，存在使用具有已知热膨胀系数的液体、气体或固体的膨胀用于测量温度的温度计，或者也有例如在应用电阻元件或热电偶的情况下将材料的电导率与温度相关的温度计。相反，在高温计的情况下，利用物质的热辐射来确定温度。大量的出版物中已经描述了各种基本的测量原理。

温度计的校准和/或验证通常在校准槽中、在烤箱中或在定点系统中执行。然后基于在比较介质中与已知比较温度的比较测量，即在固定的特征温度点诸如例如材料的三重点和/或熔点处发生这种情况。或者，也可以基于参考温度计，例如以基于国际标准ITS-90校准的铂元件为基础来执行校准和/或验证。

常用作比较介质的是Dewar(杜瓦)容器中的去离子冰水。有利的是，在该比较介质的情况下，在比较测量之后不需要对温度计的测量插件等进行复杂的清洁。因此，为了确定符合国际标准IEC60751的铂元件形式的电阻式温度传感器(用于电阻式温度检测器的RTD元件)的所谓R0值(T＝0℃时R＝100Ω)，频繁利用该特征温度点元件，例如针对所谓的PT100元件。

通常为了执行比较测量，必须将温度计从相应的过程中去除。然而，如DE19941731A1中所述，也存在已知的设备，其能够在原位校准和/或验证温度计，例如，如集成在温度计中的小型化的定点单元。此外，EP1247268B2描述了一种基于具有不同于温度传感器的特征曲线的次级温度传感器形式的一个或多个参考元件的特征曲线的原位校准温度传感器的方法。类似地，从DE102010040039A1已知的是具有参考元件的温度计，借助于该参考元件，可以基于二阶相变来执行原位校准。

与此无关地，无论在校准和/或验证过程中是否必须移除温度计，比较测量必须始终与相关过程分开执行，并且在给定情况下，为了校准所采取的测量值必须记录在校准协议中。这需要操作人员的一些工作步骤。

发明内容

从现有技术出发，本发明的一个目的是提供一种用于确定和/或监视介质的温度的设备以及用于操作这种设备以实现容易地执行校准和/或验证的方法。

根据本发明，该目的通过一种用于确定和/或监视介质的温度的设备来实现，该设备包括具有至少一个传感器元件的至少一个温度传感器，以及电子单元，其中该电子单元具有至少一个输入单元，该输入单元至少用于输入比较介质的至少一个比较温度和/或至少一个比较温度的至少一个公差范围；以及显示单元，其中该电子单元被实施成：检测温度传感器是否至少部分地浸入具有已知比较温度的至少一个比较介质中，并且在温度传感器被浸入比较介质中的情况下，执行比较测量用于校准和/或验证所述传感器元件，在该情况下，基于从传感器元件接收的接收信号，以比较温度测量值的形式确定比较介质的温度，并且借助于显示单元指示比较测量的执行和/或比较温度测量值。

温度计因此有利地能够检测是否在给定的时间点执行比较测量，并且借助显示单元显示比较测量的执行。因此必须确保在输入单元中装设利用的比较介质的比较温度和/或公差范围。该数据一方面可以已经在温度计的制造中装设，或者在稍后的时间点由操作人员输入。取决于实施例，这些数据可以被激活一次以用于测量或持久存储。此外，可选的是同样装设一个或多个比较介质的数据，其中在后一种情况下，在执行比较测量之前必须选择相关的装设值。

然后温度计必须只浸入所需的比较介质中。比较测量过程中记录的测量值可以自动发生。

在实施例中，所述设备此外还包括存储器单元，其中至少可存储所述至少一个比较温度和/或所述至少一个公差范围和/或至少一个比较温度测量值，尤其是与相关的比较温度一起可存储。优选地，这些变量与运行时间计数器或实时一起存储。通过这种方式，可以自动且系统地绘制在较长时间段内在不同比较测量中获得的比较温度测量值。这对操作人员来说是一个额外的益处。

实施例包括在电子单元中装设至少一种算法，并且基于该算法检测温度传感器是否浸入比较介质中。借助该算法，可以计算不同的温度依赖变量，或者从温度曲线确认不同的变量(即借助于温度计测量的作为时间的函数的温度曲线)，变量诸如例如温度曲线或者温度曲线的区段的斜率、达到稳定的比较温度测量值所需的时间、或温度梯度。特别地，当选择具有位于与温度计的操作相关的温度范围之外的特征比较温度的比较介质时，在将温度计浸入比较介质中的浸入时间点处，在比较温度的方向上发生温度跳变。在该温度跳变之后跟随着更平缓的比较温度曲线，并且从比较温度——特别是这些温度的理论特征值——与当前比较温度测量值之间的某个最小差开始，比较温度测量值然后在确定的容差间隔内渐近地向比较温度移动。例如，可以考虑曲线的这些不同区段，用于检测比较测量的执行。

由于对于温度测量的许多应用，特别是在过程和/或自动化技术领域，不会出现在T≈0℃的区域中的温度，尤其优选地可以选择Dewar容器中的去离子冰水作为比较介质，因为这是特别容易处理的。

在实施例中，显示单元是光学接口，特别是LED或显示器，或数字接口。例如显示灯形式的光学接口也可以与显示器或数字接口同时组合。

在优选的实施例中，电子单元被实施成确认比较温度测量值与比较温度之间的偏差，并且在偏差超过可预定的极限值的情况下，生成这样的报告和/或借助显示单元指示如此和/或向存储器单元装设所述偏差。如果偏差超过了可预定的极限值，则可以推断温度计不再正确测量温度。通过另外存储比较温度和比较温度测量值之间的偏差，可以自动生成校准协议，其然后在电子单元中是可查询的。

另一个实施例提供了电子单元被实施成：对于比较温度测量值位于公差范围之外的情况，生成这样的报告和/或通过显示单元指示如此。

在实施例中，温度传感器包括至少一个参考元件，该参考元件至少部分由预定参考温度具有至少一个二阶相变的材料制成。在这种情况下特别涉及具有如DE102010040039A1中所述的这种参考元件的温度计的实施例之一。

在这种情况下，有利地，参考元件和传感器元件布置在至少一个或至少两个陶瓷基板上，所述陶瓷基板在至少一个面的区域中被金属化并经由金属化部热耦合，尤其是经由焊接或烧结过程连接。这样，通过整个温度传感器的热传导可以实现良好的热传递，使得传感器元件和参考元件在短时间范围内不具有或者仅具有非常小的温度差。这尤其涉及浸入比较温度位于与使用温度计相关的温度范围之外的比较介质中的时间点。

类似地，电子单元有利地被实施成借助于至少一个参考元件执行参考测量，在该参考元件中检测到至少一个相变。优选地，所述至少一个参考温度被存储在存储器单元中。可以基于物理或化学变量伴随相变的变化诸如例如参考元件至少部分由其制造的材料的晶体结构、体积和/或电介质或电特征的变化来检测相变。

此外，本发明的目的是通过用于校准和/或验证本发明的根据至少一个所述实施例的设备的方法来实现的，所述方法包括如下的方法步骤：

-检测温度传感器是否至少部分地浸入比较介质中，

-在温度传感器至少部分地浸入比较介质的情况下，执行比较测量，

-以比较温度测量值的形式确定比较介质的温度，和

-显示比较测量的执行。

在该方法的实施例中，存储至少一个比较介质的至少一个已知比较温度和/或至少一个比较温度的至少一个公差范围。

在实施例中，选择具有比较温度在与设备相关的温度范围之外的比较介质。

在实施例中，基于算法，检测温度传感器是否浸入比较介质中。

在实施例中，以温度曲线的形式、作为时间的函数绘制借助于温度传感器在可预定的时间间隔内测量的比较温度测量值，和/或，确认温度曲线的或温度曲线的区段的斜率、达到比较温度测量值所需的时间、或温度梯度，特别是参考可预定的时间间隔来确认。尤其是当选择具有特征比较温度位于与温度计操作期间相关的温度范围之外的比较介质时，在温度计浸入比较介质中的浸入时间点处，在比较温度的方向上发生温度跳变。

在实施例中，确定比较温度测量值与比较温度的偏差。

在该方法的附加实施例中，当偏差超过可预定的极限值时和/或当比较温度测量值位于公差范围之外时，生成报告。

在设备是具有至少一个参考元件的温度传感器的情况下，本发明的目的还通过一种用于确定参考温度的方法来实现，该方法包括以下步骤：

-将温度传感器浸入具有低于参考温度的第一温度的第一介质中，

-将温度传感器浸入具有高于参考温度的第二温度的第二介质中，

-作为时间的函数，记录借助温度传感器以限定的时间间隔所确认的温度测量值，

-作为时间的函数，记录伴随相变并且在参考温度处发生变化的参考元件的物理或化学变量，

-基于物理或化学变量的所述变化确认发生相变的参考时间点，和

-在参考时间点确定温度测量值与参考温度的偏差。

参考该设备解释的实施例也可以加以必要的修改以适用于所提出的方法，反之亦然。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，附图示出如下：

图1是本发明的设备的示意图，

图2是温度曲线的示意图，

图3是本发明的方法的变型的框图，和

图4是具有参考元件的本发明的设备。

具体实施方式

图1示出了本发明的温度计1的示意图。温度计1包括具有至少一个传感器元件3的温度传感器2，通过该温度传感器2可以确定介质的温度T_m。在这种情况下，所涉及的可以是例如电阻元件或热电偶。然而，本发明不限于特定的温度计类型，而是适用于大量的温度计。传感器元件3借助至少两根连接缆线10与电子单元4连接。这通常也被称为发送器。电子单元4包括输入单元5，操作人员可以向输入单元5输入至少一种比较介质的至少一个比较温度T_c和/或公差范围ΔT_tol。此外，电子单元4包括存储器单元6，除了其他之外，可以在存储器单元6存储比较温度T_c和/或公差范围ΔT_tol。在该实施例中，电子单元4包括单独的计算单元8，借助该计算单元8，电子单元4可以确认介质的温度T_m的测量值或所利用的比较介质的比较温度测量值T_cm。在这种情况下，电子单元4能够检测是否在某个时间点进行比较测量。就此而言，例如在电子单元4中，尤其在存储器单元6中装设至少一种算法。

此外，电子单元4包括显示单元7，借助该显示单元7可以至少显示比较测量的执行。输入单元5、存储器单元6、显示单元7以及计算单元8借助连接线9在电子单元内相互连接。优选地，显示单元7包括数字接口，从而可以从存储器单元6读出测量数据。在这种情况下，为了比较测量，比较温度T_c、在给定的情况下公差范围ΔT_tol、特别确认的温度比较测量值T_cm、T_cm与T_c之间的偏差ΔT_dev、以及在运行小时计数器或实时存在的情况下比较测量的时间点有利地存储在电子单元4内的存储器单元6内。通过这种方式，可以为每次比较测量装设校准协议。

为了基于算法检测是否正在执行比较测量，例如可以以温度曲线T(t)的形式、作为时间的函数绘制并且考虑借助于温度传感器2所确认的温度。这样的温度曲线T(t)在图2中示意性地示出。在这种情况下，选择作为比较温度T_c考虑的其特征温度点明显位于温度计1的工作范围之外、因此在与温度计1相关的温度范围之外的比较介质是有利的。这种情况如图2所示。在时间点t_cm，早先处于温度T_m的温度计1被浸入具有比较温度T_c的比较介质。在这种情况下，温度曲线T(t)可以大致分为三个区域a、b和c。在第一若干秒(区域a)或几分之一秒内，在比较温度T_c的方向上出现温度跳变，跟随着在相同的方向上移动的稍平的曲线(区域b)。在比较温度T_c和当前比较温度测量值T_cm(t2)(区域c)之间的一定的最小差之后，比较温度测量值T_cm(t)在一定的公差范围内渐近地朝比较温度T_c移动。原则上，可以考虑温度曲线T(t)的每个区段a、b、c用于检测比较测量的执行。为此，然后可以确认例如温度曲线T(t)的、或者温度曲线T(t)的区段的斜率、达到稳定的比较温度测量值T_cm所需的时间Δt、或者温度梯度。特别简单的是定义最小预期温度跃变ΔT_min。如果在比较两个顺序取得的比较温度测量值时突然超过定义最小预期温度跃变ΔT_min，则可以得出结论：温度传感器2已经浸入到比较介质中。

图3示出了在电子单元内运行的可能的方法，借助该方法检测是否正在进行比较测量，并且正在执行比较测量。当然，这个实施例是作为示例。可以修改所述方法步骤和应用的决策判据中的任何。

通过输入单元5，为电子单元的存储器单元输入比较温度T_c和/或公差范围ΔT_tol的值。电子单元在正常测量期间连续地或以可预定的时间间隔确定介质温度T_m(t)，并且为一个接着一个的两个时间点t_n和t_m计算，在每种情况下，温度差Δt＝T_m(t_m)-T_m(t_n)。如果这超出了可预定的最小极限值ΔT_min，即最小的温度变化，则将温度传感器2浸入比较介质中，并且必须执行比较测量。在这种情况下，借助温度传感器2确定比较温度测量值T_cm，并确认偏差ΔT_dev＝T_c-T_cm。如果偏差超过例如可预定的极限值ΔT_max，则生成温度传感器2不再正确工作的报告。

最后，图4示出了具有传感器元件3和参考元件12的温度传感器11。参考元件12包括在预定温度具有至少一种二阶相变的材料，类似于DE102010040039A1(US9091601)，其公开内容通过引用并入本文。

在这里所示的实施例的示例中，传感器元件3和参考元件12每个在陶瓷基板2a、12a上。参考元件的陶瓷基板12a一方面用导电层从上面涂覆，并借助第一金属丝14a接触。此外，传感器元件3和参考元件12彼此连接并且沿着参考元件12的下面A以及沿着传感器元件3的上面A'经由金属化部13热耦合，特别是经由焊接或者烧结过程。经由附接到金属化部13的第二金属丝14b发生参考元件12的第二接触。接下来经由两根金属丝14c、14d接触传感器元件3。

如果使用具有参考元件12的温度传感器11，诸如图4中示例性示出的那样，则电子单元4优选被实施成执行参考测量。就此而言，例如，可以在存储器单元6内装设用于特定参考温度T_ref的至少一个值。参考测量与比较测量类似地发生，在于温度传感器例如首先浸入具有第一温度T₁<T_ref的第一介质中，然后浸入具有第二温度T₂>T_ref的第二介质中。在这种情况下，至少借助参考元件12在限定的时间间隔内确认的温度测量值T_m(t)被绘制为作为时间的函数，以及参考的物理或化学变量R(t)伴随相变的变化被绘制为作为时间的函数。然后，基于在相变发生时的物理或化学变量的特征变化，可以确定参考时间点t_ref，并且确定温度测量值T_m(t_ref)与参考温度T_ref的偏差ΔT_ref。

参考字符列表

1 温度计

2 温度传感器

3 传感器元件

4 电子单元

5 输入单元

6 存储器单元

7 显示单元

8 计算单元

9 连接线

10 连接缆线

11 具有参考元件的温度传感器

12 参考元件

13 金属化部

14a-d 连接金属丝

a，b，c 温度曲线的第1、第2、第3区段

T_c 比较介质的比较温度

ΔT_tol 公差范围

T_cm 比较温度测量值

ΔT_dev T_c和T_cm之间的偏差

T_m 介质温度的测量值

T(t) 温度曲线

T_cm 浸入比较介质中的时间点

ΔT_min 最小温度变化

ΔT_max ΔT_dev的最大允许值

T_ref 参考温度

T₁，T₂ 第一和第二介质的温度

R(t) 作为时间的函数、与相变相关的物理或化学变量

t_ref 发生相变的参考时间点

ΔT_ref 在参考温度的相变时间点处的温度的测量值的偏差

Claims (21)

1.一种用于确定和/或监视介质的温度的设备(1)，包括具有至少一个传感器元件(3)的至少一个温度传感器(2)，和电子单元(4)，

其中所述电子单元(4)至少具有

输入单元(5)，所述输入单元(5)至少用于输入比较介质的至少一个比较温度(T_c)和/或所述至少一个比较温度(T_c)的至少一个公差范围(ΔT_tol)，和

显示单元(7)，

其中，所述电子单元(4)被实施成确定和/或监视至少所述介质的温度(T_m)，和

其中，所述电子单元(4)被实施成：检测所述温度传感器(2)是否至少部分地浸入具有已知比较温度(T_c)的至少一个比较介质中；并且在所述温度传感器(2)被浸入比较介质中的情况下，执行比较测量以用于校准和/或验证所述传感器元件(3)，在该情况下，基于从所述传感器元件(3)接收的接收信号，以比较温度测量值(T_cm)的形式确定所述比较介质的所述温度；并且借助于显示单元(7)，指示所述比较测量的执行和/或所述比较温度测量值(T_cm)。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括：

存储器单元(6)，其中至少可存储所述至少一个比较温度(T_c)和/或所述至少一个公差范围(ΔT_tol)、和/或所述至少一个比较温度测量值(T_cm)。

3.根据权利要求1或2所述的设备，

其中，在所述电子单元(4)中装设至少一种算法，并且基于所述算法检测所述温度传感器(2)是否浸入比较介质中。

4.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述显示单元(7)是光学接口或数字接口。

5.根据权利要求2所述的设备，

其中，所述电子单元(4)被实施成确认所述比较温度测量值(T_cm)与所述比较温度(T_c)之间的偏差(ΔT_dev)，并且在所述偏差(ΔT_dev)超过可预定的极限值(ΔT_max)的情况下，生成这样的报告和/或借助所述显示单元(7)指示如此和/或向所述存储器单元(6)装设所述偏差(ΔT_dev)。

6.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述电子单元(4)被实施成：对于所述比较温度测量值(T_cm)位于公差范围(ΔT_tol)之外的情况，生成这样的报告和/或借助显示单元(7)指示如此。

7.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述温度传感器(11)包括至少一个参考元件(13)，所述至少一个参考元件(13)至少部分地由在预定参考温度(T_ref)具有至少一个二阶相变的材料制造。

8.根据权利要求7所述的设备，

其中，所述参考元件(12)和所述传感器元件(3)布置在至少一个或至少两个陶瓷基板(3a，12a)上，所述陶瓷基板在至少一个面(A，A')的区域中金属化并经由金属化部(13)热耦合。

9.根据权利要求7或8所述的设备，

其中，所述电子单元(4)被实施成借助于所述至少一个参考元件(12)执行参考测量，在该情况下检测所述至少一个相变。

10.根据权利要求2所述的设备，其中，所述至少一个比较温度测量值(T_cm)与相关联的比较温度(T_c)一起可存储。

11.根据权利要求4所述的设备，其中，所述显示单元(7)是LED或显示器。

12.根据权利要求8所述的设备，其中，所述参考元件(12)和所述传感器元件(3)经由焊接过程或烧结过程连接。

13.用于校准和/或验证根据权利要求1-12中的任意一项所述的设备(1)的方法，包括如下的方法步骤：

-检测所述温度传感器(2)是否至少部分地浸入比较介质中，

-在所述温度传感器至少部分地浸入比较介质中的情况下，执行比较测量，

-以比较温度测量值(T_cm)的形式确定所述比较介质的温度，和

-显示比较测量的执行。

14.根据权利要求13所述的方法，

其中，存储至少一个比较介质的至少一个已知比较温度(T_c)和/或至少一个比较温度的至少一个公差范围(ΔT_tol)。

15.根据权利要求13或14所述的方法，

其中，选择具有比较温度(T_c)在与所述设备(1)相关的温度范围之外的比较介质。

16.根据权利要求13中的至少一项所述的方法，

其中，基于算法，检测所述温度传感器(2)是否浸入比较介质中。

17.根据权利要求13所述的方法，

其中，以温度曲线(T(t))的形式、作为时间的函数绘制借助所述温度传感器(2)在可预定的时间间隔内测量的比较温度测量值(T_cm)，和/或其中，确认所述温度曲线(T(t))的或所述温度曲线(T(t))的区段的斜率、达到所述比较温度测量值(T_cm)所需的时间、或温度梯度。

18.根据权利要求17所述的方法，

其中，参考可预定的时间间隔来确认，所述温度曲线(T(t))的或所述温度曲线(T(t))的区段的斜率、达到所述比较温度测量值(T_cm)所需的时间、或温度梯度。

19.根据权利要求17所述的方法，

其中，确定所述比较温度测量值(T_cm)与所述比较温度(T_c)的偏差(ΔT_dev)。

20.根据权利要求19所述的方法，

其中，当所述偏差(ΔT_dev)超过可预定的极限值(ΔT_max)和/或所述比较温度测量值(T_cm)位于所述公差范围(ΔT_tol)之外时，生成报告。

21.用于确定根据权利要求7-9中任意一项所述的设备的参考温度的方法，包括以下步骤：

-将所述温度传感器(2)浸入具有低于所述参考温度(T_ref)的第一温度(T₁)的第一介质中，

-将所述温度传感器(2)浸入具有高于所述参考温度(T_ref)的第二温度(T₂)的第二介质中，

-作为时间(T_m(t))的函数，记录借助所述温度传感器(2)以限定的时间间隔所确认的温度测量值，

-作为时间(R(t))的函数，记录伴随所述相变并且在所述参考温度(T_ref)处发生变化的所述参考元件的物理或化学变量，

-基于所述物理或化学变量的所述变化确认发生所述相变的参考时间点(t_ref)，和

-在所述参考时间点(t_ref)确定所述温度测量值(T_m(t_ref))与所述参考温度(T_ref)的偏差(ΔT_ref)。

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