CN112074715A

CN112074715A - 具有保护管的测量插件

Info

Publication number: CN112074715A
Application number: CN201980029998.9A
Authority: CN
Inventors: 克里斯蒂安·普克; 帕沃·弗尔多利亚克; 阿尔弗雷德·乌姆克雷尔
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-12-11
Also published as: US20210270679A1; DE102018111167A1; US11913840B2; EP3791147A1; WO2019214904A1

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质(7)的至少一个过程变量的设备(1)，包括具有用于感测所述过程变量的至少一个传感器元件(5)的测量插件(3)，所述至少一个传感器元件特别地是被布置在所述测量插件(3)的端部区域中，并且所述设备包括用于接收所述测量插件(3)的浸入体(2)，所述浸入体(2)至少暂时和/或部分地伸入到所述介质(7)中，并且所述浸入体(2)至少在最靠近所述介质(7)的子区域中围绕所述测量插件(3)，所述至少一个传感器元件(5)优选地位于所述子区域中。根据本发明，设置至少一个联接单元(10)，其能够被引入到所述浸入体(2)中，并且被设计用以至少在所述传感器元件(5)所位于的所述子区域(T)中填充所述浸入体(2)的内壁与所述测量插件(3)的外壁之间的内部容积(V)，并用以确保所述浸入体(2)与所述测量插件(3)之间的机械联接。

Description

具有保护管的测量插件

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的设备。所述介质优选位于容器(例如罐或管)中。所述设备包括测量插件和用于接收所述测量插件的浸入体，所述测量插件具有至少一个传感器元件，所述传感器元件特别地是被布置在所述测量插件的端部区域中，用于感测过程变量，所述浸入体至少暂时地和/或部分地伸入到所述介质中，并且所述浸入体至少在面向所述介质的子区域中围绕测量插件，所述至少一个传感器元件优选地位于所述子区域中。所述传感器元件例如是温度传感器，其用于检测温度的过程变量。

背景技术

在现有技术中已知有很多种温度计。因此，存在使用具有已知膨胀系数的液体、气体或固体的膨胀以便测量温度的温度计，或者还有将材料的电导率或从电导率导出的量与温度相关的其它温度计，诸如当使用例如电阻元件时的电阻，或者在热电偶的情况下的热电效应。另一方面，辐射温度计，特别是高温计，使用物质的热辐射来确定其温度。已经在各种出版物中描述了各自的基础测量原理。

在所谓的薄膜传感器形式的温度传感器、特别是例如电阻式温度检测器(RTD)的情况下，使用了具有连接导线的并且安装在载体基底上的传感器元件，其中所述载体基底的背面通常具有金属涂层。作为传感器元件，使用了例如铂元件形式的所谓电阻元件，除其它事项外，所述铂元件也可在市场上以名称PT10、PT100和PT1000买到。

所述电阻元件通常通过钎焊工艺引入到传感器头中，例如传感器尖头，并且特别地是引入到例如由不锈钢构成的套筒的内侧底部上。在许多情况下，进行所谓的SMD钎焊工艺，其中首先将焊料施加到第一部件，然后将第二部件放置在第一部件上并通过加热钎焊到第一部件。对于电阻温度计的传感器头的示例，首先，通常将限定量的固态焊料(“焊盘”)引入传感器头中，并通过加热熔合到所述传感器头的内侧底部。然后，将所述传感器元件以其金属化侧浸入所述焊料中，并以这种方式焊接在传感器头内。例如，从申请文件DE102006048448A1的首次公开和从之前尚未公开的德国专利申请DE102015112199A1中，已经知道用于产生这种用于温度计的钎焊连接的方法。原则上，在相应的电阻温度计的情况下，钎焊连接对温度计的热特性、特别是对电阻元件和传感器头之间的热耦合具有很大的影响。相应的温度计例如是由本申请人以Quicksens的名称生产和销售的。

作为这种其中电阻元件被钎焊在传感器头上的温度计的替代方案，已知有许多温度计，在这些温度计中，温度传感器被封装和/或包封在特别是陶瓷粉末(例如氧化镁(MgO)或氧化铝(Al₂O₃))中，或者被封装和/或包封在陶瓷铸件(特别是固化的陶瓷铸件)中。这个过程首先用于固定温度传感器。封装在例如陶瓷粉末中也确保了，即使在高温下，特别是在例如高达600℃的温度下，所述温度传感器的连接线也仍然彼此绝缘并且与传感器头的壳体、特别是传感器尖头的壳体(其通常由金属或金属合金制成)绝缘。例如，从申请文件DE02329239A1的首次公开中已知一种用于生产以这种方式设计的温度计的方法。为了铸造温度传感器，将至少一个可预先确定的量的铸模化合物的第一和第二组分引入铸模中，特别是引入传感器尖头中。然后，摇动所述传感器尖头和/或使其以预定频率振动。这种类型的温度计也是由本申请人制造和销售的，例如被称为Strongsens。

为了确定和/或监测所关注的介质的温度，借助于浸入体来使传感器元件至少部分地和/或暂时地与所述介质热接触。在所述设备和介质之间发生热交换，直到建立热平衡为止。当存在热平衡时，所述传感器元件、浸入体和介质将具有基本上相同的温度，在下文中称为平衡温度。在达到这种平衡之前，发生从所述介质到所述设备的热传播，或者反之亦然。在本文中，热传播不仅是指与所述介质的温度高于温度计的情况相对应的、从介质到温度传感器的热流动，而且还指所述温度计的温度较高的情况下沿着相反方向的热流动。在所述介质的温度变化ΔT之后将建立热平衡所花费的时间在此与所述温度计的响应时间相关联。在这种情况下，所述响应时间基本上取决于所述设备的结构、在每种情况下所使用的材料的热导率、以及相应的几何结构设计和不同材料之间存在的接触的质量。

现在的情况是，通常将温度计的传感器元件或测量插件引入到浸入体中，特别是保护管中。这种温度计保护管(其例如可以由陶瓷或金属材料制成)经常被使用，以便提高所述测量插件对化学品、磨损、腐蚀或极端温度的耐受性。在过程测量技术中，这是非常重要的，特别是在化学或石油工业的部门中或在发电站的领域等中。然而取决于设计，无误差功能可能在某些情况下要求将测量插件搁置在所述保护管的底部上。只有这样，热量才会从所述过程中被快速地热传递到布置在所述测量插件中的温度相关的传感器元件上。因此，在设计方面，所述测量插件的尖端通过弹簧压靠在所述保护管底部上，以便确保例如金属对金属的接触。可用的弹簧行程通常为大约8-10mm。

应用于这些温度计的设计和要求例如由VDI/VDE 3511的第5部分的“技术温度测量”(“Technical temperature measurements”)和DIN43772“用于[...]热电偶和电阻温度计的保护管和延伸管”(“Protective tubes and extension tubes for[...]thermocouples and resistance thermometers”)加以确定。

然而，在安装或组装相应的温度计期间可能发生各种误差。所述测量插件的长度相对于保护管的长度的尺寸不合适、密封不合适或安装错误会导致所述弹簧行程不足以将所述测量插件压靠在所述底部上。金属接触的缺乏导致测量精度的显著降低和所述温度计对介质中的温度变化的响应时间的增加。从现有技术中已知，例如使用所谓的弹簧螺钉以确保良好的接触，其中这些弹簧螺钉在将所述测量插件拧入到头部壳体中时将所述测量插件压靠在所述保护管的底部上。在这方面，例如，可以参考申请人以iTemp的名称出售的温度计。此外，文献DE102013114140A1或DE102014101968A1描述了使用另外的弹簧元件来改善所述保护管与测量插件之间的接触。

尽管有所描述的措施，但在这种设计的情况下，不容易检查所述测量元件和保护管之间的接触是否足够好。另一个问题是确定所述保护管的尺寸和所述测量插件的尺寸。通常不能避免在所述测量插件的外壁和所述保护管的内壁之间留有至少小的空气间隙，这对所述温度计的测量性能具有不利的影响。

发明内容

因此，本发明是基于改善具有测量插件的测量设备的响应时间的目的，所述测量插件至少部分地被布置在浸入体中。

这个目的通过一种用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的设备来实现，所述设备包括测量插件和用于接收所述测量插件的浸入体，所述测量插件具有至少一个传感器元件，所述传感器元件特别地是被布置在所述测量插件的端部区域中，用于感测过程变量，所述浸入体至少暂时和/或部分地伸入到所述介质中，并且所述浸入体至少在面向所述介质的子区域中围绕测量插件，所述至少一个传感器元件优选地位于所述子区域中。

根据本发明，设置至少一个联接单元，所述联接单元能够被引入到所述浸入体中，并且被设计用以至少在所述传感器元件所位于的所述子区域中填充所述浸入体的内壁与所述测量插件的外壁之间的内部容积，并且用以确保所述浸入体与测量插件之间的机械联接。

所述设备还可以包括例如至少一个电子模块，其用于信号处理和/或信号馈送。例如，所述过程变量是介质的温度，且所述传感器元件是温度传感器。所述温度传感器则可以例如以热电偶的形式或电阻元件的形式设计。所述浸入体则可以是保护管，所述保护管例如保护所述温度传感器免于与所述介质直接接触。

根据本发明的方案使得可以克服关于在所述设备内的热导率的所述问题，并且随之可以实现所述温度计的测量精度以及相应的响应时间。通过使用根据本发明的联接元件，可以确保所述测量插件与浸入体之间的良好的热耦合，即良好的热接触。特别是，确保所述测量插件的外壁与所述浸入体的内壁之间不存在空气间隙。

关于联接元件的设计，可以设想许多可能性，所有这些都落入本发明的范围内。在此，除其它之外，精确的改进方案取决于关于所述测量设备的各种规格，也就是说也取决于相应的几何结构情况。下面通过示例描述一些特别优选的改进方案。不言而喻，这些在各自情况中的不同改进方案也可以相互组合。

在根据本发明的设备的一个改进方案中，所述联接单元包括固体润滑剂，特别是石墨、氮化硼、铜或黄铜。从现有技术中已知，在所述测量插件和浸入体之间布置所谓传热化合物。然而，这些现有技术具有的缺点是，所述测量插件和浸入体之间的相应热接触不容易再现，并且所述接触的质量不是恒定的，例如由于逐渐的腐蚀。固体润滑剂提供的优点是，它们可以更容易地并且最重要的是精确地并且可重复地被引入到所述浸入体中。它们还特别适合于补偿所述测量插件的外壁和浸入体的内壁的形状公差。因此，可以实现所述浸入体与测量插件之间的可再现的热接触。

在一种改进方案中，所述联接单元设计成粉末形式。例如，在所述测量插件被集成之前，所述粉末可以被引入到所述浸入体中。

然而，替代性地是，所述联接单元可以被设计成例如涂层的形式。这则可以在所述测量插件布置在所述浸入体中之前施加到所述浸入体的内壁或测量插件的外壁。

最后，根据本发明的设备的另一替代性方案包括呈固体形体形式的联接单元，特别是呈膜的形式或作为管状形体。在所述测量插件的安装状态下，所述形体的尺寸被确定成使得其能够被引入到所述浸入体中，特别是以精确配合的方式，被引入到否则将形成气隙的中间空间中。因此，它适合于确定所述浸入体的尺寸和所述测量插件的尺寸。

根据本发明的设备的优选改进方案包括联接单元，所述联接单元被设计成使得其至少在所述传感器元件所处的子区域中确保所述浸入体与测量插件之间的热耦合。

根据本发明的设备的进一步改进包括联接单元，所述联接单元被设计成使得其衰减所述浸入体的和/或所述测量插件的所发生的振动。在所述设备暴露于在连续操作期间所发生的振动的情况下，这些振动可能导致布置在所述浸入体中的测量插件的损坏。相应地是，所述联接元件优选地是被设计成使得其还提高了所述测量插件和浸入体的机械联接。例如，所述联接单元可以被设计为使得其防止所述测量插件相对于所述浸入体的运动，特别是在径向方向上的运动。以这种方式，可以防止所述测量插件由于振动而引起的对所述浸入体的冲击运动。

另一优选的改进方案包括联接单元，所述联接单元设计成使得其能够实现所述测量插件相对于所述浸入体的、特别是在轴向方向上的运动、特别是可逆的运动。通常，对于所述测量插件和浸入体使用至少部分不同的材料，特别是具有不同热膨胀系数的材料。由于所述介质中的温度变化，所述测量插件和浸入体发生不同的膨胀，特别是在纵向方向上。因此，优选地是，所述联接单元被设计成使得其补偿由温度变化所引起的不同的膨胀、特别是可逆的膨胀，特别是在纵向方向上。依此方式，可以确保所述浸入体与测量插件之间的热接触，所述热接触保持恒定而与温度无关。

如果将所述联接元件安装在所述浸入体内部，则是有利的。依此方式，所述测量插件能够例如由于更换而从所述浸入体中移除，而无需移除所述联接元件。

在一种改进方案中，所述联接单元、浸入体和/或测量插件具有至少一个用于将所述联接单元紧固在所述浸入体的内部容积中的紧固装置。所述紧固单元特别地是被提供用于将所述联接单元安装在所述浸入体内。

在这方面，可以设想各种改进，下面给出了一些优选的变形：

例如，一种改进方案包括，所述浸入体的内壁具有用作紧固装置的肩部，其中，所述浸入体在面向所述介质的子区域中的内径大于所述浸入体在背对所述介质的子区域中的内径。在移除所述测量插件时，通过在所述浸入体的内壁上的肩部阻止了所述联接单元在轴向方向上的运动。

还可以设想的是，所述浸入体的内壁具有用作紧固装置的突起，所述浸入体在所述突起的区域中的内径与面向所述介质的子区域相比减小。

进一步的改进包括，所述紧固装置是一种紧密连接，特别是机械紧密连接，特别是所述紧固装置具有至少一个扣环或装配环，所述紧固装置是粘合剂，或者所述紧固装置至少部分地由烧结材料制成。

附图说明

基于以下附图更详细地解释本发明。这些附图示出：

图1：根据现有技术的具有测量插件和保护管的温度计，

图2：根据本发明的具有联接单元的装置的第一改进方案，以及

图3：根据本发明的具有联接单元的装置的第二改进方案，其中，所述联接单元安装在所述浸入体的内部。

在附图中，相同的特征用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的温度计1的示意图，温度计1具有浸入体2、测量插件3和电子模块4。测量插件3被引入到浸入体2中，并包括传感器元件5，在当前情况下，传感器元件是电阻元件形式的温度传感器，其电接触并通过连接线6连接到电子模块4。在其它改进方案中，电子模块4也可与测量插件3和浸入体2分开设置。另外，传感器元件5不必是电阻元件，所使用的连接线6的数量也不必是两根。更确切的情况是，取决于所使用的测量原理，可以使用不同数量的连接线6。

如已经解释的，这种温度计1的测量精度，特别是响应时间，在很大程度上取决于所讨论的材料，并且取决于接触，特别是热接触，特别是在温度传感器5的区域中的热接触。温度传感器5间接地、即经由浸入体2与介质7热接触。在现有技术中，通常使用弹簧元件(未示出)，以确保浸入体2与测量插件3、特别是温度传感器5之间的充分机械接触，从而确保它们之间的热接触，此外，可以用传热化合物9至少在部分地围绕温度传感器5的子区域8中填充浸入体2的内部容积V。然而，通过这种措施不能确保温度传感器5与浸入体2之间的一致接触。例如，经常地是，留下了空气间隙s，这可能导致温度计1的响应时间和/或测量精度的显著降低。

本发明通过使用可插入浸入体2中的联接单元10解决了这个问题。对于联接单元10的设计，可以设想许多可能性，其中一些优选的改进方案如下作为示例描述。在这个情况中，除其它之外，精确的设计取决于测量设备1的不同规格并且因此也取决于特定的几何结构情况。

根据本发明的联接单元10基本上设计成至少在传感器元件5所处的子区域T中填充浸入体2的内壁与测量插件3的外壁之间的内部容积V，并确保浸入体2与测量插件3之间的机械联接。因此，联接单元10用于改善温度计1内的热导率，因而与此同时改善可实现的测量精度和相应的响应时间。

本发明的温度计1的一种可能的改进方案是图2的主题。联接单元10在传感器元件5的区域中填充浸入体2和测量插件3之间的内部容积V。因此，联接单元10在浸入体2和测量插件3之间产生机械联接，并且因此产生它们之间的热耦合。可以确保浸入体2和测量插件3之间良好且一致的热接触。例如，可以防止出现前述的空气间隙s。

联接单元10优选地是包括固体润滑剂，特别是石墨、氮化硼、铜或黄铜。对于精确的设计，可以设想不同的变形。例如，联接单元10可以设计成粉末形式、涂层形式或作为固体形体。取决于改进方案，在添加联接单元10之前，测量插件3或者首先被引入到浸入体2中。替代性地是，对于其它的改进方案可以有利的是，联接单元10首先被引入到浸入体2中并且然后被引入到测量插件3中。

在根据本发明的设备1的可能的改进方案中，联接单元10安装在浸入体2的内部。无需赘述，其它改进方案也可以包括将联接单元安装在测量插件3的区域中，然而，同样由本发明覆盖的这种改进方案在这里示出的附图的上下文中不进行详细讨论。

图3通过示例示出了根据本发明的设备1的两种可能的改进方案，其中联接单元10安装在浸入体2内。为此目的，设备1包括用于紧固联接单元的紧固装置11。在所示的改进方案中，紧固装置11在每种情况下是浸入体2的一部分。然而，在这里未示出的其它改进方案中，紧固装置11也可以为分开的单元的形式，或者为联接单元10的一部分，或者甚至为测量插件3或浸入体2的一部分。

根据图3a的改进方案，浸入体2的内壁具有肩部。因此，浸入体2在背对介质的子区域T₁中的内径d₁小于在面向介质的子区域T₂中的内径d₂。肩部确保联接单元10安装在子区域T＝T₂中。图3b示出紧固装置11的第二种可能的改进方案。根据图3b，浸入体2的内壁具有用作紧固装置11的突起。浸入体2在突起区域中的内径与在朝向介质7的子区域T₂中的内径d₂相比减小。在两种情况下，紧固装置都特别防止了联接单元10的轴向运动，例如在将测量插件3从浸入体2中移除或将其插入浸入体2中的情况下。

附图标记列表

1 设备

2 浸入体

3 测量插件

4 电子模块

5 传感器元件

6 连接线

7 介质

8 子区域

9 传热化合物

10 联接单元

11 紧固装置

s 空气间隙

d₁，d₂ 浸入体的内径

T₁，T₂ 浸入体的子区域

V 内部容积

Claims

1.一种用于确定和/或监测介质(7)的至少一个过程变量的设备(1)，包括：

-测量插件(3)，所述测量插件具有至少一个传感器元件(5)，所述传感器元件特别地是被布置在所述测量插件(3)的端部区域中，用于感测所述过程变量，以及

-用于接收所述测量插件(3)的浸入体(2)，所述浸入体(2)至少暂时和/或部分地伸入到所述介质(7)中，并且所述浸入体(2)至少在面向所述介质(7)的子区域中围绕所述测量插件(3)，所述至少一个传感器元件(5)优选地位于所述子区域中，

其特征在于

设置至少一个联接单元(10)，该至少一个联接单元能够被引入到所述浸入体(2)中，并且被设计用以至少在所述传感器元件(5)所位于的所述子区域(T)中填充所述浸入体(2)的内壁与所述测量插件(3)的外壁之间的内部容积(V)，并用以确保所述浸入体(2)与所述测量插件(3)之间的机械联接。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，

其中，所述联接单元(10)包括固体润滑剂，特别是石墨、氮化硼、铜或黄铜。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，

其中，所述联接单元(10)被设计成粉末形式。

4.根据权利要求1或2所述的设备(1)，

其中，所述联接单元(10)被设计成涂层的形式。

5.根据权利要求1或2所述的设备(1)，

其中，所述联接单元(10)被设计成固体形体的形式，特别是膜的形式或管状形体。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中，所述联接单元(10)被设计成使得其至少在所述传感器元件(5)所位于的所述子区域(T)中确保所述浸入体(2)与所述测量插件(3)之间的热耦合。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中，所述联接单元(10)被设计成使得其衰减所发生的所述浸入体(2)和/或所述测量插件(3)的振动。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中，所述联接单元(10)被设计成使得其能够实现所述测量插件(3)相对于所述浸入体(2)的运动、特别是可逆的运动，特别是在轴向方向上的运动。

9.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中，所述联接元件(10)被安装在所述浸入体(2)内。

10.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中，所述联接单元(10)、所述浸入体(2)和/或所述测量插件(3)具有至少一个紧固装置(11)，用于将所述联接单元(10)紧固在所述浸入体(2)的所述内部容积中。

11.根据权利要求9所述的设备(1)，

其中，所述浸入体(2)的内壁具有用作紧固装置(11)的肩部，其中，所述浸入体(2)在面向所述介质的子区域(T₂)中的内径(d₂)大于所述浸入体(2)在背对所述介质的子区域(T₁)中的内径(d₁)。

12.根据权利要求9所述的设备(1)，

其中，所述浸入体(2)的内壁具有用作紧固装置(11)的突起，其中，所述浸入体(2)的在所述突起的区域中的内径与面向所述介质(7)的所述子区域(T₂)相比减小。

13.根据权利要求9所述的设备(1)，

其中，所述紧固装置(11)是紧密连接，特别是机械紧密连接，特别是其中，所述紧固装置(11)具有至少一个扣环或装配环。

14.根据权利要求9所述的设备(1)，

其中，所述紧固装置(11)是粘合剂。

15.根据权利要求9所述的设备(1)，

其中，所述紧固装置(11)至少部分地由烧结材料制成。