CN112534226A - 温度测量装置和用于确定温度的方法 - Google Patents

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CN112534226A CN201980053556.8A CN201980053556A CN112534226A CN 112534226 A CN112534226 A CN 112534226A CN 201980053556 A CN201980053556 A CN 201980053556A CN 112534226 A CN112534226 A CN 112534226A
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Abstract

本发明涉及一种用于经由包围介质的表面的温度确定介质温度的温度测量装置。提出：至少一个测量传感器(11)和至少一个参考传感器(12)经由矿物绝缘的护套导线与测量值处理器件(16)相连，其中，护套导线在测量部位附近与至少一个耦合元件(23)连接，其中，至少一个测量传感器(11)靠近测量部位地布置，且其中，在所述至少一个测量传感器(11)与耦合元件(23)之间的热阻(R1)大于在所述至少一个参考传感器(12)与耦合元件(23)之间的热阻(R2)。

Description

温度测量装置和用于确定温度的方法
技术领域
本发明涉及一种用于经由包围介质的表面的温度确定介质温度的温度测量装置，该温度测量装置包括至少一个测量传感器和至少一个参考传感器。此外，本发明涉及一种用于确定介质温度的方法。
背景技术
在工业的过程测量技术中已知这样的温度测量装置，在所述温度测量装置中一个或多个温度传感器装配在保护管中，该保护管至少部分地伸入到管路或容器的内部空间中。为此，必须设置有带有温度测量装置的相关的密封件的开口到管或容器中。
这种侵入式测量组件具有如下缺点：构件可伸入到过程空间中且由此可导致流动能量损失、磨蚀、断裂损伤、清洁过程的阻碍和潜在的泄漏。此外，必要时应考虑在每个管开口和容器开口中的防爆保护。
本发明的应用领域延伸至温度测量装置，在其中表面温度传感器放置在表面上，以便确定位于该表面下方或后方的介质的温度。理想地，这种传感器应采集由表面包围的介质的温度。如果温度传感器例如构造为热电偶，则通过测量温差电压(或称为热电电压，即Thermospannung)可推断出传感器的温度且由此推断出介质的温度，只要两者处于热平衡中、即具有相同的温度。
由DE 198 00 753 A1已知一种带有测量传感器和参考传感器的非侵入式温度测量装置，在其中测量传感器与测量部位连接，参考传感器保持在周围环境温度上且测量传感器和参考传感器利用热绝缘材料间隔开。
该从一般已知的现有技术中已知的做法的缺点是：表面温度传感器不仅与表面而且与其周围环境、例如周围的空气相互热作用。由此，表面温度传感器在实践中既不测量介质温度，又不测量表面温度，而是测量处于介质温度与周围环境温度之间的混合温度。通常，参考温度传感器装配得远离过程，通常装配在发射器头。
在此应考虑，也作用于在传感器与发射器头之间的机械连接的周围环境温度改变可显著降低测量准确度。因此，所述传感器和发射器头则通常设有热绝缘部，所述热绝缘部在应用情况中的实际作用大多是未知的。
即使在过程温度改变的情况中远离过程的参考温度传感器也仅极其缓慢地到达其新的热平衡值。这对补偿算法而言经常意味着若干分钟的延迟特性。
由DE 87 677 B1已知一种用于确定液态和黏性物质的温度的温度测量装置，该温度测量装置除了沉入到介质中的棒状温度探测器的顶尖中的传感器以外还包括在探测器的杆中的第二传感器。该装置具有计算单元，该计算单元带有电子地存储在计算单元上的用于计算介质温度近似值的近似公式，其中近似公式作为混合温度和两个因数的乘积之和来存储，其中一个因数由混合温度和周围环境温度之差得到，而第二因数是校准因数。
在US 2007/0206655A1中描述了用于确定人的身体温度的装置和方法，其中装置布置在身体表面上。在此，所获得的技术教导以如下下为出发点：测量对象的物理特性(尤其皮肤的传热阻力)在一定的公差中足够准确地已知。此外前提是：装置正确地安放在预设的测量部位处。至少用于确定表面温度的一维的或二维的传感器阵列面临在安放和传热阻力方面的明显不确定性。此外，所获得的技术教导在针对周围环境温度与表面温度的测量部位之间设置热绝缘的中间层，该中间层的特性、尤其是其传热阻力是足够已知的，因为层厚和所使用的材料是已知的。在已知的物理特性的背景下，该技术教导设置借助于已知的传热阻力从位置固定的表面温度和周围环境温度来确定身体温度。除了所公开的材料在工业领域中、尤其在大于400°C的高温范围中不适合以外，决定性的传热阻力在工业温度测量技术的范畴中通常完全未知。
此外，由德国实用新型DE 299 18 228 U1已知一种带有多个温度传感器的温度测量元件，所述多个温度传感器以相对于测量部位不同的间距布置。
在US 6,220,750 B1中描述了一种非侵入式温度测量装置，在其中两个温度传感器以相对于测量部位不同的间距安置在本身与周围环境隔绝的壳体中，其中壳体也包括加热装置，该加热装置为了补偿所述两个温度传感器的温度差而运行。
最后，由WO 2014/164251 A1已知一种带有两个温度传感器的温度测量装置，所述两个温度传感器在共同的壳体中与测量部位间隔开地装配在共同的载体上，其中温度传感器之一经由导热元件与测量部位热连接。
发明内容
本发明的任务是，给出一种用于在测量部位处的可再现的热情况下通过包围介质的壳体壁非侵入式地测量介质温度的温度测量装置，改进该温度测量装置的动态测量准确度。
该任务以根据权利要求1的温度测量装置为出发点解决。本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出。
本发明以用于经由包围介质的表面的温度确定介质温度的至少一个温度测量装置为出发点，所述至少一个温度测量装置包括至少一个放置在表面上的测量传感器和至少一个与介质热间隔开的参考传感器，其中所述至少一个测量传感器经由第一输入导线且所述至少一个参考传感器经由第二输入导线与共同的具有周围环境温度的测量值处理器件连接。
根据本发明，第一输入导线和第二输入导线分别构造为带有由金属组成的外护套的矿物绝缘的护套导线，其中外护套包围至少两个内导体，所述两个内导体利用高度压缩的金属氧化物粉末相对于外护套绝缘。所述至少一个测量传感器与第一输入导线的内导体连接，且所述至少一个参考传感器与第二输入导线的内导体连接。为了保护测量传感器或者参考传感器，相应的护套导线的承载传感器的端部设有包围相应的传感器的金属罩，该金属罩紧密地与相应的护套导线的外护套连接。在本公开的范围内，该金属罩归属于相应的护套导线的外护套。
第一输入导线的外护套与第二输入导线的外护套在包围介质的表面上的测量部位附近利用至少一个耦合元件连接。
所述至少一个测量传感器和所述至少一个参考传感器如此布置在包围介质的表面与耦合元件之间，使得在所述至少一个测量传感器与耦合元件之间的热阻大于在所述至少一个参考传感器与耦合元件之间的热阻。
有利地，在温度测量装置的根据本发明的构造的结果中，在耦合元件与包围介质的表面之间的区域中，独立于护套导线的长度且由此独立于周围环境温度与测量部位的间距在测量部位处存在可再现的热情况。
此外，通过将所述至少一个参考传感器靠近所述至少一个测量传感器获得高的动态测量准确度。
详细地，所述至少一个测量传感器和所述至少一个参考传感器以不同的间距与同一可导热的耦合元件热连接，该耦合元件布置在所述至少一个测量传感器与共同的测量值处理器件之间。
换言之，所述至少一个测量传感器和所述至少一个参考传感器布置在介质与共同的测量值处理器件之间的同一导热路线上。尽管已知的现有技术给本领域技术人员教导了所述至少一个参考传感器尽可能保持在周围环境温度上或至少接近周围环境温度，但以令人惊讶的方式已经证实：这种在结构上耗费的布置不仅是可放弃的而且导致温度测量装置的糟糕的响应特性。更确切地说，足够的是，在介质的待确定的过程温度与共同的测量值处理器件的周围环境温度之间的导热路线根据分压器的类型来搭线(anzapfen)，在其分接头(Abgriff)处布置有所述至少一个参考传感器。
这通过以下方式被实现：将所述至少一个测量传感器和所述至少一个参考传感器如此布置在包围介质的表面与耦合元件之间，使得在所述至少一个测量传感器与耦合元件之间的热阻大于在所述至少一个参考传感器与耦合元件之间的热阻。
由于测量传感器和所述至少一个参考传感器与同一可导热的元件热连接，因此不仅在介质的过程温度中而且在周围环境温度中的温度改变同时、却以不同的量作用于两个传感器。由此独立于容器的可能的热绝缘，持续地改进对每个温度改变的响应特性。
在本发明的特别有利的设计方案中，不仅所述至少一个测量传感器而且所述至少一个参考传感器构造为市场上常见的用于工业温度测量的测量嵌入件、所谓的嵌入装置。尤其为了高温测量，所述测量嵌入件包括矿物绝缘的护套导线，所述护套导线在端部处装备有温度敏感的元件或其处于内部的、单侧连接的导体已经形成热偶(或称为热偶元件，即Thermoelement)。这种测量嵌入件具有在工业环境中需要的鲁棒性以及耐温性、尤其在200°C以上的耐温性，在其中不可使用标准线缆和标准绝缘材料。
此外，根据本发明的布置导致温度测量装置的紧凑的结构形式，因为不仅所述至少一个测量传感器而且所述至少一个参考传感器布置在容器处的测量部位与测量值处理器件之间的同一路线上。
详细地，所述至少一个测量传感器经由导热良好的连接(如与热阻R3的连接)与在容器处的测量部位连接。相对于耦合元件，所述至少一个测量传感器与热阻R1耦联。
所述至少一个参考传感器与在容器处的测量部位间隔开地在容器处的测量部位与耦合元件之间的主要的热连接路径上靠近测量部位地布置。在此，作用到所述至少一个测量传感器上的周围环境影响很大程度上完全被考虑在内。详细地，在所述至少一个参考传感器至耦合元件之间存在热阻R2且在所述至少一个参考传感器至测量部位之间存在热阻R4。
在这种测量组件中，从测量部位经由耦合元件向外(在蓄热器意义中的周围环境)的导热或反之向内(在冷的过程的情况中)的导热可通过沿着该路径的热阻的线性的彼此排列(Aneinanderreihung)良好地近似地描述。仅出现小规模侧向的热流-泄漏或流入。
参考传感器安放在耦合元件与测量传感器之间。相应的参考传感器在此有利地具有至测量部位的良好限定的热阻R4和至耦合元件的良好限定的热阻R2。在标准-测温计-嵌入装置的情况中，这些热阻大致与嵌入装置在相应的温度测量点之间的长度成比例。
总体而言，本发明与已知的现有技术的区别在于，所述至少一个参考传感器不再如迄今为止那样远离过程地装入而是如此装入，使得在内部的参考点(该内部的参考点通过耦合元件形成且很大程度上独立于周围环境温度)方面适用：R1>R2。
通过所选择的布置，在带有和没有容器的绝缘部的情况中不仅在恒定的表面温度情况中而且在可变的表面温度情况中与表面的相应的实际温度仅产生小的偏差。没有绝缘部的情况常常是可容忍的，因为传感器组件可有利地被由适度导热的金属、如不锈钢组成的保持结构包围。这种保持结构可包括金属-管适配件，该金属-管适配件例如利用金属带固定在管处，且附加地也包括所谓的“颈管”。带有对于测量原理而言重要的热路径的传感器组件则可一般通过空气层例如与颈管且与管适配件分开。由此，沿着传感器的热的主路线的主导性(或称为支配性，即Dominanz)有利地受到影响，因为空气层已经强烈地起到了热绝缘作用。
最终，即使在表面温度快速改变的情况中，类似静态的温度补偿那么也足够计算表面温度。可有利地放弃对测量信号时间上求导，所述时间求导一般可引起大的问题，因为它们放大了测量噪音。
对来自测量传感器和参考传感器的测量信号的表面温度的计算利用本身已知的方式进行，如它们例如在DE 10 2014 019 365中描述的那样。
这样的温度测量装置已经证实为特别有利的，在其中参考传感器至少在热方面比测量值处理器件更靠近测量传感器。这通过耦合元件实现，该耦合元件在测量部位附近将至少一个测量传感器和至少一个参考传感器包夹在耦合元件与测量部位之间。由此，在测量传感器与测量值处理器件之间的所有可导热的连接中，其热阻大致与长度成比例(尤其包括但非最终地(或称为尤其包括但不限于，即dazu gehören insbesondere aber nichtabschließend)，上文提到的矿物绝缘的护套导线)，参考传感器与测量传感器的几何间距小于参考传感器与测量值处理器件的几何间距。
令人惊讶地已经证实为特别有利的是，热阻比R1/R2>10。由此，在测量传感器与测量值处理器件之间的所有可导热的连接中，其热阻大致与长度成比例(尤其包括但非最终地，上文提到的矿物绝缘的护套导线)，参考传感器至测量传感器的几何间距远小于参考传感器至测量值处理器件的几何间距。
即使在热阻比R1/R2>50的情况中上文提到的根据本发明的温度测量装置的优点也出现。在此，参考传感器在几何结构上仅稍微与测量传感器间隔开。有利地，这种布置有利于温度测量装置的微型化以及紧凑的结构形式。特别有利地，测量传感器和参考传感器安装在共同的壳体中。
根据本发明的另外的特征，在测量传感器与在包围介质的表面上的测量部位之间的热阻R3小于在参考传感器与在包围介质的表面上的测量部位之间的热阻R4。
令人惊讶地已经证实为特别有利的是，热阻比R4/R3<10。由此，在测量传感器与耦合元件之间的所有可导热的连接中，其热阻大致与长度成比例(尤其包括但非最终地，上文提到的矿物绝缘的护套导线)，参考传感器至测量传感器的几何间距远小于参考传感器至耦合元件的几何间距。
即使在热阻比R4/R3<50的情况中，上文提到的根据本发明的温度测量装置的优点也出现。在此，参考传感器在几何结构上仅稍微与测量传感器间隔开。有利地，这种布置有利于温度测量装置的微型化以及紧凑的结构形式。特别有利地，测量传感器和参考传感器安装在共同的壳体中。
根据本发明的另外的特征，在测量传感器与耦合元件之间的热阻R1与在测量传感器与在包围介质的表面上的测量部位之间的热阻R3之比大于在参考传感器与耦合元件之间的热阻R2与在参考传感器与在包围介质的表面上的测量部位之间的热阻R4之比R1/R3>R2/R4。
根据本发明的另外的特征，在容器处的测量部位与周围环境之间的主要的热连接路径上布置有至少一个另外的参考传感器。利用每个附加的参考温度改进温度测量装置的准确性。此外，附加的参考温度也使能够诊断：绝缘是否足够，装配或周围环境条件是否符合要求或热路径是怎样一维的。
根据本发明的另外的特征，不同传感器元件-类型、如电阻测温计(冷导体(或称为负温度系数热敏电阻，即Kaltleiter)或热导体(或称为正温度系数热敏电阻，即Heißleiter))、热偶对测量传感器和参考传感器而言允许以任意混合在同一温度测量装置中。
根据本发明的另外的特征，可任意选择温度测量装置相对于测量表面的角度。测量组件可相对于测量表面不仅垂直地而且平行地或成任何其它角度地布置。有利地，由此也可在难以接近的测量位置处操作测量部位。
附图说明
下面借助于实施例详细阐释本发明。对此需要的附图：
图1显示带有矿物绝缘的护套导线的温度测量装置的原理图，
图2显示带有耦合元件的温度测量装置的热情况的原理图。
具体实施方式
在图1中显示温度测量装置10连同其原则上在剖切地示出的容器壁20处的对于本发明重要的组成部分。温度测量装置10基本上包括头部壳体15，在该头部壳体中安置有测量值处理器件16。测量传感器11经由输入导线13与在头部壳体15中的测量值处理器件16连接。此外，参考传感器12经由单独的输入导线14与在头部壳体15中的测量值处理器件16连接。
此外，示出用于确定包含在容器中的介质21的温度的测量部位。为此，代表性地显示容器的容器壁20在测量部位处的局部。
温度测量装置10在容器外(在图平面中在容器壁20上方)布置在测量部位处且介质21(在图平面中在容器壁20下方)包含在容器内。
容器可在容器壁20的外表面上具有热绝缘层22，该绝缘层至少减少在容器壁20的外表面与周围环境之间的热流动。
为了确定介质温度，温度测量装置10如此布置在测量部位处，使得测量传感器11位于容器壁20的包围介质21的表面附近。
至测量传感器11的输入导线13构造为本身已知的、矿物绝缘的护套导线，该护套导线带有由金属组成的外护套，其中，外护套包围至少两个内导体，所述至少两个内导体利用高度压缩的金属氧化物粉末相对于外护套绝缘。这种矿物绝缘的护套导线的热阻由结构类型决定地大致与其长度成比例。
在该实施形式中，测量传感器11有利地实施为热偶，该热偶的测量顶尖被带到与容器壁20处于接触中。尤其可设置成，测量顶尖装备有银置入物或构造银顶尖。有利地，由此将热阻R3减小到最小。
至参考传感器12的输入导线14构造为本身已知的、矿物绝缘的护套导线，该护套导线带有由金属组成的外护套，其中，外护套包围至少两个内导体，所述至少两个内导体利用高度压缩的金属氧化物粉末相对于外护套绝缘。这种矿物绝缘的护套导线的热阻由结构类型决定地大致与其长度成比例。
至参考传感器12的输入导线14与至测量传感器11的输入导线13在测量部位附近利用耦合元件23热连接。在本发明的优选的设计方案中设置成，耦合元件23包围输入导线13和14的护套导线的外护套。在本发明的最简单的设计方案中足够的是，耦合元件23触碰输入导线13和14的护套导线的外护套。
在本发明的优选的设计方案中，耦合元件23由金属组成。此外，但陶瓷或塑料原则上也适合作为耦合元件23。
由此，不仅测量传感器11而且参考传感器12经由已知的热阻与耦合元件23连接。
参考传感器12与测量传感器11的几何间距小于参考传感器12与在头部壳体15中的测量值处理器件16的几何间距。优选地，参考传感器12布置成靠近耦合元件23。由于至测量传感器11的输入导线13的矿物绝缘的护套导线的热阻的成比例性，无论如何热阻比R1/R2>1。所有R1/R2>10的热阻比是特别有利的。在此，参考传感器12布置成紧邻于测量传感器11。
在图2中在对相同的器件使用相同的附图标记的情况下，显示带有耦合元件23的温度测量装置10的热情况的原理图。详细地，测量传感器11和参考传感器12布置在容器壁20与耦合元件23之间。
测量传感器11具有至耦合元件23的热阻R1和至在容器壁20处的测量部位的热阻R3。
参考传感器12具有至耦合元件23的热阻R2和至在容器壁20处的测量部位的热阻R4。
在所述至少一个测量传感器11与耦合元件23之间的热阻R1至少大于在所述至少一个参考传感器12与耦合元件23之间的热阻R2，即R1/R2>1。
有利地，在所述至少一个参考传感器12与在容器壁20处的测量部位之间的热阻R4大于在所述至少一个测量传感器11与在容器壁20处的测量部位之间的热阻R3，即R4/R3<1。
特别有利地，在测量传感器11与耦合元件23之间的热阻R1与在测量传感器11与在包围介质的表面上的测量部位之间的热阻R3之比大于在参考传感器12与耦合元件23之间的热阻R2与在参考传感器12与在包围介质的表面上的测量部位之间的热阻R4之比R1/R3>R2/R4。
附图标记列表
10 温度测量装置
11 测量传感器
12 参考传感器
13 至测量传感器的输入导线
14 至参考传感器的输入导线
15 头部壳体
16 测量值处理器件
20 容器壁
21 介质
22 绝缘层
23 耦合元件
R1,R2,R3,R4 热阻。

Claims (7)

1.一种温度测量装置(10)，用于经由在包围介质的表面上的测量部位的温度确定介质温度，所述温度测量装置包括至少一个测量传感器(11)和至少一个参考传感器(12)以及测量值处理器件(16)，所述测量值处理器件经由第一输入导线(13)与所述测量传感器(11)连接且经由第二输入导线(14)与所述参考传感器(12)连接，
其特征在于，
-所述第一和第二输入导线(13,14)分别构造为带有由金属组成的外护套的矿物绝缘的护套导线，其中所述外护套包围至少两个内导体，所述至少两个内导体利用高度压缩的金属氧化物粉末相对于所述外护套绝缘，
-所述至少一个测量传感器(11)与所述第一输入导线(13)的内导体连接，以及所述至少一个参考传感器(12)与所述第二输入导线(14)的内导体连接，
-所述第一输入导线(13)的外护套与所述第二输入导线(14)的外护套在包围所述介质的表面上的测量部位附近利用至少一个耦合元件(23)连接，
-所述至少一个测量传感器(11)和所述至少一个参考传感器(12)布置在包围所述介质的表面与所述耦合元件(23)之间，且
-在所述至少一个测量传感器(11)与所述耦合元件(23)之间的热阻(R1)大于在所述至少一个参考传感器(12)与所述耦合元件(23)之间的热阻(R2)。
2.根据权利要求1所述的温度测量装置(10)，其特征在于，在所述测量传感器(11)与所述耦合元件(23)之间的热阻(R1)与在所述参考传感器(12)与所述耦合元件(23)之间的热阻(R2)之比R1/R2>10。
3.根据权利要求1所述的温度测量装置(10)，其特征在于，在所述测量传感器(11)与所述耦合元件(23)之间的热阻(R1)与在所述参考传感器(12)与所述耦合元件(23)之间的热阻(R2)之比R1/R2>50。
4.根据权利要求1所述的温度测量装置(10)，其特征在于，在所述测量传感器(11)与在包围所述介质的表面上的测量部位之间的热阻(R3)小于在所述参考传感器(12)与在包围所述介质的表面上的测量部位之间的热阻(R4)。
5.根据权利要求4所述的温度测量装置(10)，其特征在于，在所述参考传感器(12)与在包围所述介质的表面上的测量部位之间的热阻(R4)与在所述测量传感器(11)与在包围所述介质的表面上的测量部位之间的热阻(R3)之比R4/R3<10。
6.根据权利要求4所述的温度测量装置(10)，其特征在于，在所述参考传感器(12)与在包围所述介质的表面上的测量部位之间的热阻(R4)与在所述测量传感器(11)与在包围所述介质的表面上的测量部位之间的热阻(R3)之比R4/R3<50。
7.根据权利要求1所述的温度测量装置(10)，其特征在于，在所述测量传感器(11)与所述耦合元件(23)之间的热阻(R1)与在所述测量传感器(11)与在包围所述介质的表面上的测量部位之间的热阻(R3)之比大于在所述参考传感器(12)与所述耦合元件(23)之间的热阻(R2)与在所述参考传感器(12)与在包围所述介质的表面上的测量部位之间的热阻(R4)之比R1/R3>R2/R4。
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