CN109282912A

CN109282912A - 用于确定介质的温度的过程自动化技术传感器和方法

Info

Publication number: CN109282912A
Application number: CN201810796169.0A
Authority: CN
Inventors: 拉尔夫·伯恩哈特
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG; Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2019-01-29
Also published as: DE102017116505A1

Abstract

本发明涉及用于确定介质的温度的过程自动化技术传感器和方法。本发明公开了一种用于确定介质(5)的温度(T_Medium)的过程自动化技术传感器(1)，包括：第一温度传感器(2)，其具有第一热响应特性；至少一个第二温度传感器(3)，其具有与所述第一热响应特性不同的第二热响应特性；以及计算单元(6)，其用于借助于所述第一温度传感器和所述第二温度传感器来确定所述温度(T_Medium)。本发明同样地公开了一种用于借助于这样的传感器(1)来确定该温度(T_Medium)的方法。

Description

用于确定介质的温度的过程自动化技术传感器和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定介质的温度的过程自动化技术传感器。另外，本发明涉及一种对应的方法。

背景技术

精确地知道传感器的温度行为是期望的。如果温度表示次级量以便测量初级量(诸如pH值、电导率等)并且这些初级量是温度相关的，则情况尤其如此。在过程自动化中所要求的参数通常是高度温度相关的。

用于确定初级量的传感器具有用于确定为次级量的温度的集成温度传感器。该集成温度传感器(例如，在传感器主体中)最常常具有慢响应时间。这是由于以下事实：给定温度改变，除温度传感器自己之外，在温度传感器周围的材料也必须被加热或者冷却。温度传感器然后常常以与传感器主体绝缘的方式最佳地暴露和布置。而且，保护外壳被设计有最佳地小的壁厚度。

然而，存在其中温度传感器不能以暴露的方式附接的实例。技术限制(例如，关于外壳的稳定性)也被赋予外壳的最小壁厚度。而且，以暴露的方式被附接的温度传感器充当在其上由待测量的介质携带的固体(例如，纤维)可以累积的障碍。

发明内容

本发明基于以下目的：提出具有不会带来任何机械缺点的快速响应时间的温度测量。

该目的由传感器实现，其包括：第一温度传感器，其具有第一热响应特性；至少一个第二温度传感器，其具有与第一热响应特性不同的第二热响应特性；以及计算单元，其用于借助于第一温度传感器和第二温度传感器来确定温度。不同的温度传感器的不同的热响应特性对于功能而言是重要的。

相对快速的温度测量(其未将任何特殊要求赋予传感器的外部轮廓以便将温度传感器与传感器主体的大热质量隔离)能够利用该布置实现。多个温度传感器的使用既不在经济上也不是电子地特别昂贵。

原则上，超过两个温度传感器是可能的。

在一个实施例中，传感器包括壳体，该壳体具有与介质接触的表面，其中，第一温度传感器和第二温度传感器被布置在壳体内，并且其中，第一温度传感器和第二温度传感器可以距与介质接触的表面具有不同的间隙。

在一个实施例中，传感器包括壳体，其中，第一温度传感器和第二温度传感器被布置在壳体内，并且其中，第一温度传感器与介质之间的第一壳体分段具有与第二温度传感器与介质之间的第二壳体分段不同的热容量和/或不同的热导率。

在一个实施例中，第一壳体分段和第二壳体分段由不同的材料组成。在这种情况下，“材料”还可以是空气。

在一个实施例中，传感器包括壳体，其中，第一温度传感器和第二温度传感器被布置在壳体内，并且其中，与介质接触的第一壳体分段在第一温度传感器附近具有与在第二温度传感器附近的、与介质接触的第二壳体分段不同的接近于的几何形状。关于热耦合，与介质接触的第一壳体分段和与介质接触的第二壳体分段不同。存在关于与介质接触的两个壳体分段的几何形状的各种实施例，例如，壳体或者壳体分段的不同的壁厚度、壳体或者壳体分段的不同的材料、壳体中的腔、充满具有不同的热容量或者热导率的材料的壳体中的空间和/或还有与介质接触的壳体分段的外部设计。关于与介质接触的两个温度传感器和壳体分段的接近度，传感器与壳体分段之间的最短距离就是这个意思。

在一个实施例中，传感器包括在其上第一温度传感器和第二温度传感器被布置的电路板。在这种情况下，温度传感器的热响应特性可以通过电路板的铣削和金属化二者加以影响。

在一个实施例中，传感器包括用于加热和/或冷却介质以便产生在传感器周围的温度分布的变化的加热和/或冷却元件。在这方面，介质的加热/冷却间接地发生；加热和/或冷却元件的环境通过所述加热和/或冷却元件加热/冷却。热/冷然后因此被耗散到介质。

为了扩展到附加的测量量，壳体可以被设计，使得创建其热响应特性取决于介质的流动速度、流动方向、热导率和热容量的区域。如果附加的温度传感器被引入到这些区域中，则流动速度、流动方向、热导率或者热容量以及其组合的量也能够被确定。给定其中温度的时间导数消失的静态关系，被容纳在探头中的附加的加热或者冷却元件可以被用于有效地生成温度分布的动态。

在一个实施例中，温度传感器可以不同地被容纳在探头主体中，例如也在壳体中的腔中，在一个实施例中还充满填充物。

在一个实施例中，传感器包括计算单元和用于确定初级量(诸如pH值或者电导率)的测量元件，其中，计算单元借助于第一温度传感器的被测温度并且借助于第二温度传感器的被测温度确定初级量。

该目的还通过一种用于借助于如上文所提到的传感器确定介质的温度的方法来实现，包括以下步骤：借助于第一温度传感器确定第一温度；借助于第二温度传感器确定第二温度，其中，第一温度传感器具有与第二温度传感器不同的热响应特性；并且基于第一温度和第二温度，来确定介质的温度。

在一个实施例中，介质的温度借助于第一温度和第二温度的数学模型和第一温度或者第二温度的至少一个时间导数来确定。

在一个实施例中，数学模型包含多项式、支持向量机或者神经网络。如果超过两个温度传感器被包含并且温度图案或者温度分布的检测和评估是期望的，则这两个后面的模型特别地具有效果。

在一个实施例中，介质的温度借助于公式确定，即，通过其中，T_Medium是介质的温度，T₁是第一温度传感器的温度，T₂是第二温度传感器的温度，并且a和b是系数，其考虑传感器的几何形状、热导率和/或热容量。

一般而言，介质的温度借助于公式来计算，其中，T_Medium是介质的被测温度，i是温度传感器的数目，T_i是第i个温度传感器的温度，并且a和b是系数，其考虑传感器的几何形状、热导率和/或热容量。

在一个实施例中，被动测试主体被定位在介质中，其中，所述测试主体的表面温度分布利用热成像照相机记录。该温度分布还被包括在前述数学方法中以便从其导出初级量。

被动测试主体(在一个实施例中，传感器自己的壳体)试图对待测量的介质的温度进行加热或者冷却。这在其表面处多么迅速地发生取决于针对表面的每个区域、测试主体的内部的热连接看起来如何。在温度改变的情况下，可以利用热成像照相机记录的温度图案将因此在表面上形成。

附图说明

这将参考以下附图更详细地加以解释。这些示出：

图1是以示意图表示的要求保护的传感器，

图2-4是要求保护的方法的模拟，以及

图5是具有与在图2-4中相同的先决条件的试验的结果。

在附图中，相同的特征利用相同的附图标记来标识。

具体实施方式

要求保护的传感器被示出在图1中的示意图中并且具有附图标记1。

传感器1被示出有第一温度传感器2和第二温度传感器3。传感器2、3被设计为例如PT100、PT1000或NTC。传感器1至少按分段被定位在待测量的介质5中。传感器1可以实际上是用于测量温度的传感器。在一个实施例中，传感器1可以是借助于测量元件4测量被测变量(初级量)(例如pH值或者电导率)的传感器。因为初级量是高度温度相关的，介质5的温度然后是对于确定初级量所必需的次级量。

出于该目的，传感器1包括计算单元6(例如，微控制器)。借助于计算单元6，温度由温度传感器2、3和/或初级量来确定。

原则上，超过两个温度传感器也可以被使用。温度传感器被附接在具有不同的温度响应特性的位置处。不同的温度传感器2、3的不同的热响应特性对于功能而言是重要的。例如，这可以通过以下各项实现：相应的温度传感器与介质之间的不同的壁厚度；相应的温度传感器与介质之间的不同的材料；传感器壳体中的腔；充满具有不同的热容量或者热导率的材料的传感器中的空间；或者与介质接触的传感器表面的不同的外部设计。

现在检测温度分布和其随时间的改变，特别地温度T_i,(i＝1…n)，其中，索引“i”代表相应的温度传感器2、3，以及其时间导数

要被测量的介质的温度可以借助于数学模型来计算。

例如，考虑作为用于处理输入量的数学模型的是：多项式、支持向量机或者神经网络。

介质5的温度的可能计算借助于以下公式发生：

其中

T_Medium是介质的被测温度，

T₁是第一温度传感器的温度，

T₂是第二温度传感器的温度，

a、b是系数，其考虑传感器的几何形状、重量、热导率和/或热容量。

温度传感器的数目i的一般化公式为：

然而，温度的二次方程同样地是可能的。

系数根据校准来确定。其取决于几何形状、热导率和/或热容量，并且原则上从其导出所述系数基本上也是可能的。

自然地，相应值也可以被交换，这意味着使用第二温度传感器的推导。

为了扩展到附加的测量量，传感器主体可以被设计，使得创建其热响应特性取决于介质的流动速度、流动方向、热导率和热容量的区域。如果附加的温度传感器被引入到这些区域中，则流动速度、流动方向、热导率或者热容量以及其组合的量也能够被确定。给定其中温度的时间导数消失的静态关系，被容纳在探头中的附加的加热或者冷却元件可以被用于有效地生成温度分布的动态。

温度传感器可以以各种方式被容纳在探头主体中，例如在探头主体中的腔中，可能地充满填充物或者被分布在电路板或者多个电路板上。在这种情况下，存在附加地经由电路板的对应的结构化影响单独的温度传感器的热响应特性的可能性。在这种情况下，温度传感器的热响应特性可以通过电路板的铣削和金属化二者加以影响。

图2-4示出了由具有温度传感器2、3与介质5之间的2mm和1mm的两个不同的壁厚度的PEEK制成的传感器主体的模拟结果。除过程温度(T_set)之外，具有相对于过程更小的壁厚度的传感器的温度(T_meas)和模型(T_Model)的结果被绘制。图2示出了跨多个温度周期的时间曲线；图3和4示出了图2的细节放大。

图5示出了具有与关于在图2-4中的那些所描述的相同的结构的试验的测量结果，这意味着传感器1是由具有两个温度传感器2、3的固体PEEK材料制成的圆柱体。其位于表面下面2mm和1mm处。主体从0℃的水浴取得并且放置到54℃的不同的水浴中。图5是基于用于介质的温度的前述公式。

T₁和T₂是温度传感器3、2的两个温度。与T₁相比较，在更深地位于材料中的温度传感器3处看到具有被测温度T2的延迟响应。

第一温度传感器2的温度K_dT/t的导数(其中，)迅速地上升并且因此适于基于温度改变(此处从0℃到54℃)检测陡边。然而，导数还随时间迅速地减小，并且因此不能提供进一步的时间过程中的校正贡献。

两个温度的差K_diff(其中，K_diff＝b(T₁-T₂))仅缓慢地减小，并且在第一近似中与实际温度与介质的被测温度之间的相对差成比例。其因此适于时间曲线的后面的部分中的校正。

整个补偿现在具有两个贡献：一方面，来自导数的贡献，其当差尚未稳定化时，从一开始迅速地反应。增加的边因此很好地被映射。并且，另一方面，来自差的贡献，其能够在进一步的时间过程中相当好地预测目标温度。

主体是热非常迟缓的，这就是为何即使温度传感器3仅位于表面下面，例如，也具有超过180s的非常慢的T90时间(因此，在其内温度传感器已经跟随温度跳跃多达90％的时间)。如所提到的，其是具有嵌入式温度传感器的固体主体，这意味着其未以暴露的方式被附接。经由校正计算该时间被减少到大约60s。

附图标记列表

1 传感器

2 第一温度传感器

3 第二温度传感器

4 测量元件

5 介质

6 计算单元

i 相应的温度传感器的索引

n 温度传感器的最大数目

T₁ 3的温度

T₁的时间导数

T₂ 2的温度

T₂的时间导数

T_set 模拟介质温度或者介质温度

T_meas 温度传感器的温度的模拟测量结果

T_Model 模型的模拟结果

T_Medium 介质的温度

K_diff 来自差的校正贡献

K_dT/t 来自导数的校正贡献

Claims

1.一种用于确定介质(5)的温度(T_Medium)的过程自动化技术传感器(1)，包括：

第一温度传感器(2)，所述第一温度传感器(2)具有第一热响应特性，

至少一个第二温度传感器(3)，所述至少一个第二温度传感器(3)具有与所述第一热响应特性不同的第二热响应特性，

计算单元(6)，所述计算单元(6)用于借助于所述第一温度传感器和所述第二温度传感器来确定所述温度(T_Medium)。

2.根据权利要求1所述的传感器(1)，包括：

壳体，所述壳体具有与所述介质接触的表面，其中，所述第一温度传感器(2)和所述第二温度传感器(3)被布置在所述壳体内，以及

其中，所述第一温度传感器(2)和所述第二温度传感器(3)距与所述介质接触的表面具有不同的间隙。

3.根据权利要求1或2所述的传感器(1)，包括：

壳体，其中，所述第一温度传感器(2)和所述第二温度传感器(3)被布置在所述壳体内，以及

其中，所述第一温度传感器(2)与所述介质(5)之间的第一壳体分段具有与所述第二温度传感器(3)与所述介质(5)之间的第二壳体分段不同的热容量和/或不同的热导率。

4.根据权利要求3所述的传感器(3)，其中，

所述第一壳体分段和第二壳体分段由不同的材料组成。

5.根据权利要求1到4中的至少一项所述的传感器(1)，包括：

其中，与所述介质接触的第一壳体分段，在所述第一温度传感器(2)附近，具有与在所述第二温度传感器(3)附近的、与所述介质接触的第二壳体分段不同的的几何形状。

6.根据权利要求1到5中的至少一项所述的传感器(1)，包括：

电路板，在所述电路板上所述第一温度传感器(2)和所述第二温度传感器(3)被布置。

7.根据权利要求1到6中的至少一项所述的传感器(1)，包括：

至少一个加热和/或冷却元件，所述至少一个加热和/或冷却元件用于加热和/或冷却所述介质以便产生在所述传感器(1)周围的温度分布的变化。

8.根据权利要求1到7中的至少一项所述的传感器(1)，包括：

计算单元(6)和用于确定初级量，诸如pH值或者电导率，的测量元件(4)，其中，所述计算单元借助于所述第一温度传感器的被测温度并且借助于所述第二温度传感器的被测温度来确定所述初级量。

9.一种用于借助于根据权利要求1到8中的至少一项所述的传感器(1)确定介质(5)的温度(T_Medium)的方法，包括以下步骤：

-借助于第一温度传感器(2)来确定第一温度(T₁)，

-借助于第二温度传感器(3)来确定第二温度(T₂)，其中，所述第一温度传感器具有与所述第二温度传感器不同的热响应特性，

-基于所述第一温度(T₁)和所述第二温度(T₂)，来确定所述介质(5)的温度(T_Medium)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，

所述介质的所述温度(T_Medium)借助于所述第一温度(T₁)和所述第二温度(T₂)的数学模型和所述第一温度或者所述第二温度的至少一个时间导数来确定。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，

所述数学模型包含多项式、支持向量机或者神经网络。

12.根据权利要求9到11中的至少一项所述的方法，其中，所述介质(5)的所述温度(T_Medium)能够借助于以下公式来确定：

其中

T_Medium是所述介质的被测温度，

i是所述温度传感器的数目，

T_i是第i个温度传感器的温度，

a、b是系数，其考虑所述传感器的几何形状、热导率和/或热容量。