CN110168326A - 温度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测液体(5)的温度(T)的设备(1)以及一种用于制造对应设备(1)的方法。设备(1)包括至少一个温度传感器(7)和测量元件(8)，其中至少所述温度传感器(7)和所述测量元件(8)布置在单个传感器头部(3)中。此外，包括具有各向异性导热率的材料的至少一个单元(11)至少部分地布置在所述传感器头部(3)内。

Description

温度计

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测液体的温度的设备以及一种用于制造本发明的设备的方法。所述设备包括至少一个温度传感器和至少一个测量元件，其中所述温度传感器和所述测量元件容纳在单个传感器头部中。所述测量元件优选地是另一传感器元件，例如附加的温度传感器、固定点电池或基准元件。

背景技术

例如，从DE4318486A1中已知一种具有两个温度测量元件的温度传感器，所述两个温度测量元件二者均布置在管状传感器外壳的基底上。

从DE19941731A1中已知用于在已安装状态下校准温度计的是一种小型固定点电池，所述小型固定点电池提供在温度计中并且填充有诸如金属或共晶合金等固定点物质。出于校准和/或验证温度计的目的，从EP1247268B2中同样已知的是例如一种基于呈辅助温度传感器形式的一个或多个基准元件的特征线或曲线而原位校准多个一体式温度传感器的方法。基准元件安装在作为主温度传感器的补充的温度计插入件中。

此外，从DE102010040039A1中已知一种用于原位校准温度计的设备和方法，所述温度计具有温度传感器和用于校准温度传感器的基准元件，在这种情况下基准元件至少部分地由铁电材料构成，所述铁电材料在与校准温度传感器相关的温度范围内的至少一个预确定温度下经历相变。因此，校准基于铁电材料的相变的典型温度点，因此基于材料特定性质来执行。类似的设备是在本申请首次提交之日未公开的德国专利申请No.102015112425.4的主题。这里描述的温度计包括至少一个温度传感器和至少两个基准元件，所述至少两个基准元件经由恰好两根连接线接触并且至少部分地由两种不同的材料组成，所述两种不同的材料中的每种在与校准温度传感器相关的温度范围内具有至少一个相变，所述至少一个相变在每种情况下在预确定相变温度下为至少二阶。DE102010040039A1(US 9091601)以及DE 102015112425.4(US 2018217010)以引用的方式并入本文中。

在具有温度传感器和布置在同一传感器头部中的附加测量元件的温度计用于具有至少有时是不均匀的温度分布的液体例如流动液体的情况下，可能发生的是，每个布置在传感器头部内的不同位置处的温度传感器和另一个测量元件至少有时暴露于不同的温度。那么，温度传感器和测量元件至少有时不处于热平衡状态，这会不利地导致误差和测量不准确。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于以高测量精度确定和/或监测液体温度的设备，以及提供一种用于制造所述设备的方法。

所述目标通过根据权利要求1所述的设备和根据权利要求15所述的方法来实现。

本发明的设备用于确定和/或监测液体的温度，并且包括至少一个温度传感器和测量元件，其中至少温度传感器和测量元件布置在单个传感器头部中。此外，一个单元至少部分地布置在传感器头部内，所述单元包括具有各向异性导热率的材料。

为了确定和/或监测液体的温度，使传感器头部与液体接触，尤其是热接触。设备与液体之间发生热交换，直到确立热平衡为止。然后，传感器头部和液体具有基本相同的温度，在下文中称为平衡温度。对于传感器头部，热流从其面向液体的表面开始进入传感器头部的内部。就此而言，热运动包括从液体到传感器头部的热通量以及从传感器头部到液体的热通量二者，前者对应于液体具有比传感器头部更高的温度的情况，而后者对应于传感器头部的温度较高的情况。在热平衡状态下，温度传感器和测量元件具有基本相同的温度。

在具有布置在单个传感器头部中的至少两个测量元件的常见温度计的情况下，其中至少一个测量元件是温度传感器，可能会出现不同的情况，其中并非始终存在热平衡。因此，温度传感器和测量元件在确立了平衡温度的时间点之前的某些时间点暴露于不同的温度。这一方面可能是由温度传感器和传感器头部内的测量元件的尤其是结构上相关的不对称布置致使的。例如，温度传感器和测量元件可以布置在距传感器头部的外部壳体的不同距离处。另一种情况是当设备暴露于至少在时间上和/或部分动态的和/或不均匀的热环境时，例如在应用于流动液体的情况下。然后，在液体温度从第一温度变为第二温度的情况下，传感器头部的与流动方向相反面向上游的区域比传感器头部的在液体流动方向中面向下游的区域在更早的时间点暴露于第二温度。同样，结果是温度传感器和测量元件在确立了平衡温度的时间点之前的某一时间点暴露于不同的温度。当然，许多其它情况也可能导致温度传感器的温度与测量元件的温度之间至少有时会出现温差。当例如借助于温度传感器测量的温度和同样借助于测量元件确定的尤其是物理或化学的尤其是温度相关的变量例如温度尤其以数学关系相关以便例如确定温度测量值或执行校准/验证时，可能会产生误差和/或测量不准确。

为了防止所述问题，提供了本发明的单元，所述单元至少部分地包括具有各向异性导热率的材料。所述单元的导热率取决于方向。因此，对于特定应用，传感器头部内的热流可以受到特别设计的、有利地具有瞄准(targeting)的单元的实施例的影响。

在优选实施例中，所述单元被实施以确保至少温度传感器和测量元件始终基本上处于热平衡状态。优选地，所述单元因此确保，尤其是独立于设备的热环境，传感器头部内发生均匀的热流。所述单元特别优选地实施为，以使得在液体温度变化的情况下，温度传感器的区域中和测量元件的区域中始终具有基本上相同的温度。如果测量元件例如是附加温度传感器，则因此例如由于传感器头部内的不对称布置或者在流动介质的情况下，确保借助于两个温度传感器确定的温度之间不会出现测量值差异。类似地，当测量元件是用于校准和/或验证温度传感器的固定点电池或基准元件时，所述单元确保借助于基准元件确定的温度可以直接与在基本相同的时间点测量的温度传感器温度进行比较。

在本发明的设备的实施例中，测量元件是第二温度传感器。第一温度传感器和第二温度传感器用于例如在确定和/或监测液体温度时提供冗余。

在本发明的设备的替代实施例中，测量元件是用于至少温度传感器的原位校准和/或验证的基准元件，其中所述基准元件至少部分地由至少一种材料组成，在这种情况下，在与校准第一温度传感器相关的温度范围内的至少一个预确定相变温度下发生至少一次相变。在相变期间，材料保持在固相状态。

参考具有至少一个基准元件的实施例，比较DE102010040039A1以及德国专利申请No.102015112425.4，二者都涉及这些基准元件。在这种情况下，使用同样位于温度计插入件或传感器头部中的至少一个辅助传感器(基准元件)校准和/或验证温度传感器(主传感器)。如果提供了至少两个基准元件，那么除了所谓的单点校准和/或验证之外，还可以进行所谓的多点校准和/或验证。

在保持在固相状态的材料发生相变的情况下，例如根据埃伦费斯特分类，所涉及的是至少为二阶的相变。与一阶相变相比，在相变期间没有或仅有可忽略量的潜热被释放。当没有或仅有可忽略量的潜热被释放时，这可以基本上且独立于选定的相变分类尤其有利地确保在发生相变的时间点借助于温度传感器测量的温度没有被破坏，尤其是不被释放的潜热破坏。

在现有技术中显著更常见的附加相变分类中，仅区分不连续(一阶)相变与连续(二阶)相变[比较例如Lexikon der Physik,Spektrum Akademischer Verlag,Heidelberg,Berlin第4卷，条目为“und andere kritische”(相变和其它关键现象)。根据该分类，各种铁电材料可以与一阶相变以及二阶相变二者相关联，其中在两种情况下，发生相变的特定材料在相变期间保持固相状态。

相变包括热力学变量诸如随例如温度而变化的压力、容积、焓或熵的二阶导数的不连续性。通常，相变涉及某种特定材料性质的变化，例如晶体结构的改变，或磁性、电气或介电性质的改变。特定基准元件的这些材料特定变化是已知的，并且可以被纳入考虑以便校准和/或验证温度传感器。在这种情况下，至少一个基准元件可以具有一个或多个相变，尤其是在所利用材料的固相状态下的相变。每个相变以某个典型的固定且长期稳定的温度值发生，因此原则上不需要考虑基准元件的漂移和/或老化效应。

因此有利的是，所述材料是铁电材料、铁磁材料或超导体，尤其是高温超导体。在这些材料的情况下出现的相变涉及从顺电相到铁电相的相变以及反之亦然，从顺磁相到铁磁相的相变以及反之亦然，以及从正常传导状态到超导状态的相变以及反之亦然。

也称为铁电体的铁电材料是一种在低于所谓的材料特定铁电居里温度时即使没有电场也可能会电极化的材料。仅在晶体结构的情况下相应地观察到这种现象，其中可能会形成极轴。在超过铁电居里温度时，发生从铁电状态到顺电状态的相变，以及反之亦然，其伴随材料的极化消失或形成。在这种相变的情况下，然后例如可以观察到介电常数的随温度而变化的独特曲线，所述独特曲线可以被纳入考虑以便校准和/或验证温度传感器。在应用铁磁材料的情况下观察到类似的性能。在所谓的居里温度下，发生从铁磁状态到顺磁状态的相变，或从顺磁状态到铁磁状态的相变，其中在居里温度以上材料的磁化消失。

所述单元优选地至少部分地包围至少温度传感器和/或测量元件。

在本发明的设备的另一优选实施例中，所述单元包括层或涂层，所述层或涂层至少部分地由具有各向异性导热率的材料组成。所述层优选地在纵向方向上，因此沿着与所述层或涂层平行的平面，具有比垂直方向即垂直于所述平面更高的导热率。以这种方式，热流在传感器头部内重新分布，具有沿着所述单元的定向。

在尤其优选的实施例中，所述单元包括薄壁箔，所述薄壁箔至少部分地由具有各向异性导热率的材料组成。所述箔沿着其纵向轴线同样优选地具有比垂直方向更高的导热率。

在本发明的设备的另一实施例中，提供了填料，所述填料至少部分地布置在传感器头部内，并且至少部分地、优选完全地填充传感器头部的内部。同样至少部分地布置在传感器头部内的单元优选同样至少部分地被填料所包围。所述填料是例如水泥，尤其是氧化镁、硅酸锆和磷酸镁的混合物。

在这种情况下，填料有利地具有基本均匀的导热率和/或热电容。填料因此确保传感器头部内的基本均匀的热流，尤其是各向同性的热流。

在尤其优选的实施例中，具有各向异性导热率的材料是至少部分含碳材料，尤其是石墨或六方氮化硼。

另一尤其优选的实施例规定，对所述单元进行实施和/或布置，以使得其在与传感器头部的外围方向平行的方向上具有比垂直于外围方向的方向更高的导热率，尤其是至少高10倍，尤其是至少高30倍。该实施例尤其有利地适合在至少有时和/或部分动态的和/或不均匀的热环境中使用，例如用于流动介质中的应用。

有利地，对所述单元进行实施和/或布置，以使得其至少部分地包围温度传感器和测量元件。因此，所述单元在传感器头部的外围方向上提供热分布。

本发明的实施例规定，所述单元至少部分地紧固在传感器头部的面向传感器头部内部的壁的一部分上。所述单元因此布置在传感器头部的面向液体的表面的区域中。所述单元提供热流沿传感器头部表面的外围分布。那么，在传感器头部的对应实施例的情况下，有利地发生从传感器头部的表面开始进入传感器头部内部的基本均匀的热流。

对于该实施例，有利的是所述单元借助于填料的至少一部分和/或借助于例如呈管状元件形式的紧固元件而被紧固到传感器头部的壁。所述管状元件尤其是陶瓷管，其具有基本上对应于传感器头部的内直径的外直径，或者略小于传感器头部的内直径的外直径，以使得所述管状元件可以被布置成基本准确地配合在传感器头部内。

此外，本发明的目标通过一种用于制造本发明的设备的方法来实现，所述设备包括温度传感器和布置在单个传感器头部中的测量元件。根据本发明，存在至少部分地布置在传感器头部内的至少一个单元，所述单元至少部分包括具有各向异性导热率的材料。

在所述方法的实施例中，所述单元至少部分地紧固在传感器头部的面向液体的壁的区域中。在这种情况下，有利的是，所述单元借助于填料的至少一部分和/或借助于例如呈管状元件形式的紧固元件而被紧固到传感器头部的壁。

结合所述设备解释的实施例也可以比照所提出的方法进行应用。

附图说明

现在将基于附图更加详细地解释本发明，附图中的各图如下所示：

图1是根据现有技术的具有布置在传感器头部内的两个测量元件的温度计的示意图，

图2是温度传感器内的两个测量元件的可能的不同布置，并且

图3是本发明的传感器头部的优选实施例。

具体实施方式

图1是根据现有技术的具有保护管2和电子单元4的温度计1的实施例的示意性视图。保护管2的与液体5接触的部分也称为传感器头部3。传感器头部3的内部容积填充有填料6，尤其是电绝缘填料，尤其是水泥。在传感器头部3的内部还布置有温度传感器7和测量元件8，所述温度传感器7和测量元件8中的每个借助于两个连接线9、10电接触并且与电子单元4连接。温度传感器7是例如电阻元件或热电偶。而测量元件8是例如附加的温度传感器、固定点电池或基准元件。然而，其它传感器也可以用作测量元件8。

接触特定测量元件7、8所需的连接线9、10的数量可以根据测量元件7、8的类型和根据所应用的测量原理而变化。

出于高精度测量的目的，必须确保在理想情况下其中有一个是温度传感器7的两个测量元件7、8始终处于热平衡状态。为了实现这一点，通常执行不同的措施，所述措施中的一些在下面列出，例如：

1.使至少两个测量元件7、8对称地布置在传感器头部3内，尤其相对于在保护管2的纵向方向上延伸穿过保护管2的中心的假想轴线对称。

2.使至少两个测量元件7、8尽可能好地热联接(例如焊接)。

3.在两个测量元件7、8是布置在衬底[未图示]上的温度传感器的情况下，两个支撑衬底具有相同的导热率。

4.实施测量元件7、8以使得其具有相同的热电容。

5.形成包围布置在传感器头部3的区域中的测量元件或隔板[未图示]的填料6，以使得所述填料6确保传感器头部3内的各向同性和/或均匀的热流。

6.实施至少传感器头部3的所有部件以使得所述部件具有可能的最好的导热率，以便尤其传感器头部附近的不均匀热环境(例如，液体5的单侧流)的影响仅引起两个测量元件7、8的热非平衡时间段尽可能的受限。然而，不利的是，当包围测量元件7、8的部件具有高导热率时，所述测量元件7、8也完全暴露于不均匀热环境的温度变化。

即使最小心地参考制造具有布置在单个传感器头部3中的至少两个测量元件7、8的温度计1，仍然可能会出现温度传感器7和测量元件8至少有时不处于热平衡状态且相应地暴露于不同的温度的不同情况。独立于测量元件8是否是附加温度传感器、基准元件、固定点电池或另一类型的传感器，借助于所述传感器确定和/或监测了尤其是物理或化学的、尤其是温度相关的变量，这可能会导致相当大的误差和/或测量不准确。

举例来说，图2示出两种情况，其中温度传感器和测量元件并非始终处于热平衡状态。

例如，由于结构约束，可能发生温度传感器7和测量元件8的不对称布置。如图2a中所示，例如，温度传感器7和测量元件8可以布置在距离壳体O(传感器头部3的表面)不同的距离d₁和d₂处。在液体5的温度从第一温度T₁变化成第二温度T₂的情况下，如在图2a中所示出的情况中，测量元件8在比温度传感器7更早的时间点达到第二温度T₂。

图2a涉及温度计1的构造中的结构相关不对称性的一个示例。当然，其它不对称构造也是可能的，为此也可能会出现在本发明的上下文中描述的问题。

如图2b中所示，另一种情况涉及在至少有时和/或部分动态的和/或不均匀的热环境中使用所述设备。在这种情况下涉及在流动液体5中的应用。液体5的温度从第一温度T₁变化成第二温度T₂导致传感器头部3的面对液体5的流动方向的一部分3a在比传感器头部3的在液体5的流动方向中的一部分3b更早的时间点达到第二温度T₂。因此，在这种情况下，测量元件8也在比温度传感器7更早的时间点达到第二温度T₂。

借助于本发明，尤其是借助于至少部分地包括具有各向异性导热率的材料的单元11，可以防止上面讨论的示例所示出的问题，以及与测量结果相关联的误差，以及由这些问题引起的测量不准确。

图3同样以举例的方式示出了本发明的设备1的两个优选实施例的示意图。图3中示出的两个示例各自涉及形成为石墨薄箔的单元11。当然，单元11的其它实施例也是可能的，并且这些实施例同样落入本发明的范围内。单元11确保在图3中被布置成是彼此直接接触的至少温度传感器7和测量元件8始终基本上处于热平衡状态。测量元件7、8的温度敏感部分7a、8a面向相反的方向。

单元11布置在外部壳体O的区域中，传感器头部3的表面在该实施例中以举例方式实施成圆柱形的。因此，单元11沿着基底B并沿着传感器头部3的侧表面M的一部分包围温度传感器7和测量元件8。单元11尤其围绕两个测量元件7、8对称地布置。然而，对称布置并不是绝对必要的。

在图3a的实施例中，单元11在传感器头部3的内部紧固到其壳体O。这可以例如通过一方面从平面石墨箔冲压第一元件，所述第一元件的尺寸与基底B相匹配，因此在当前情况下是圆形的，并且冲压第二元件，所述第二元件的尺寸与侧表面的至少一部分的尺寸相匹配并且因此在当前情况下是矩形的(因此包括O1和O3)。壁件可以例如使用圆杆例如对应于传感器头部3的半径r在附加的工作步骤中执行。然后可以将两个元件插入传感器头部3中。

单元11在沿着传感器头部3的表面O与外围(圆周)方向平行的方向上具有比垂直于周向方向的方向高得多的导热率。在液体5的温度从第一温度T₁变化成第二温度T₂的情况下，热流首先沿着传感器头部(W1)的表面O发生，并且然后尤其均匀地从表面O进入传感器头部3的内部并且到达温度传感器7和测量元件8(W2)。以这种方式，温度传感器7和测量元件8始终基本上处于热平衡状态。

传感器头部的内部填充有填料6，所述填料6具有基本上均匀的导热率和/或热电容。在这种情况下，单元11借助于传感器头部3内部的填料6的一部分紧固到其壳体O。为此，例如，在将单元11插入传感器头部3之后，填料的第一部分可以填充到传感器头部3中并且借助于成形部件定向，以使得单元11基本上完全被填料6的薄层覆盖。然后，可以将温度传感器7和测量元件8引入传感器头部3中，并且传感器头部3的剩余内部容积同样填充有填料6。

图3b中示出了本发明的设备的第二实施例。该实施例与图3a的实施例的不同之处仅在于单元11在传感器头部3内的紧固方式。因此，这里不再解释已经结合图3a解释的元件。对于图3b中的实施例，单元11借助于紧固元件12紧固在传感器头部内。紧固元件12的尺寸优选地与传感器头部3的几何形状匹配。首先，将单元11例如引入传感器头部3，对应于结合图3a描述的变型。紧接着，此处呈管状元件的形式的紧固元件12被推挤到传感器头部3中，以使得紧固元件12基本上完全与单元11接触。

附图标记列表

1 温度计插入件

2 保护管

3 传感器头部

4 电子单元

5 液体

6 填料

7 温度传感器

8 测量元件

9 温度传感器的连接线

10 测量元件的连接线

11 单元

12 紧固元件

O 传感器头部的壳体

d₁、d₂ 温度传感器或测量元件的间隔

W、W₁、W₂ 热流

M 侧表面

B 基底

r 半径

T₁、T₂ 第一温度、第二温度

Claims (17)

1.一种用于确定和/或监测液体(5)的温度(T)的设备(1)，所述设备(1)包括：

温度传感器(7)和测量元件(8)，

其中至少所述温度传感器(7)和所述测量元件(8)布置在单个传感器头部(3)中，

其特征在于

包括具有各向异性导热率的材料的至少一个单元(11)至少部分布置在所述传感器头部(3)内。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，

其中所述单元(11)被实施以确保至少所述温度传感器(7)和所述测量元件(8)始终基本上处于热平衡状态。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，

其中所述测量元件(8)是第二温度传感器。

4.根据权利要求1或2所述的设备(1)，

其中所述测量元件(8)是用于至少所述温度传感器的原位校准和/或验证的基准元件，其中所述基准元件至少部分地由至少一种材料组成，在这种情况下，在与校准所述第一温度传感器相关的温度范围内的至少一个预确定相变温度下发生至少为二阶的至少一次相变，在所述相变的情况下，所述材料保持在固相状态。

5.根据权利要求4所述的设备(1)，

其中所述材料是铁电材料、铁磁材料或超导体，尤其是高温超导体。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中所述单元(11)包括层或涂层，所述层或涂层至少部分地由所述具有各向异性导热率的材料组成。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中所述单元(11)包括薄壁箔，所述薄壁箔至少部分地由所述具有各向异性导热率的材料组成。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中提供了填料(6)，所述填料(6)至少部分地布置在所述传感器头部(3)内，并且至少部分地、优选完全地填充所述传感器头部(1)的内部。

9.根据权利要求8所述的设备(1)，

其中所述填料(6)具有基本均匀的导热率和/或热电容。

10.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中所述具有各向异性导热率的材料是至少部分含碳材料，尤其是石墨或六方氮化硼。

11.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中对所述单元(11)进行实施和/或布置，以使得其在与所述传感器头部(3)的外围方向平行的方向上具有比垂直于所述外围方向的方向更高的导热率，尤其是至少高10倍，尤其是至少高30倍。

12.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中对所述单元(11)进行实施和/或布置，以使得其至少部分地包围所述温度传感器(7)和所述测量元件(8)。

13.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中所述单元(11)至少部分地紧固在所述传感器头部(3)的壳体(O)的面向所述传感器头部(3)的所述内部的一部分(B、M)上。

14.根据权利要求13所述的设备(1)，

其中所述单元(11)借助于所述填料(6)的至少一部分和/或借助于例如呈管状元件形式的紧固元件(12)而被紧固到所述传感器头部(3)的所述壳体(O)。

15.一种用于制造根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)的方法，

所述设备包括布置在单个传感器头部(3)中的温度传感器(7)和测量元件(8)，

其中所述方法的特征在于

所述传感器头部(3)内至少部分地布置有至少一个单元(11)，所述至少一个单元(11)至少部分地包括具有各向异性导热率的材料。

16.根据权利要求15所述的方法，

其中所述单元(11)至少部分地紧固在所述传感器头部(3)的壳体(O)的面向所述传感器头部(3)的内部的子区域(B、M)中。

17.根据权利要求16所述的方法，

其中所述单元(11)借助于填料(6)的至少一部分和/或借助于例如呈管状元件形式的紧固元件(12)而被紧固到所述传感器头部(3)的所述壳体(O)。