CN114364959A - 非侵入式温度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监视过程变量，尤其是容纳体(2)中的介质(M)的温度(T)或流量的设备(1)，包括：温度传感器(5)，以记录温度(T)；以及柔性、绝热支撑元件(7)，其可布置在容纳体(2)的壁(W)的外表面上，并且其中，温度传感器(5)被固定至支撑元件(7)。

Description

非侵入式温度计

技术领域

本发明涉及一种用于在自动化技术中确定和/或监视容纳体中的介质温度的设备。例如，容纳体是容器或管道。

背景技术

在现有技术的各种实施例中，温度计是已知的。因而，存在用于测量温度的温度计，其使用具有已知热膨胀系数的液体、气体或固体等的膨胀，将材料的电导率或由此衍生的变量与温度相关联，例如，在应用电阻元件的情况下的电阻或在热电偶的情况下的热电效应。相反，在辐射温度计，尤其是高温计的情况下，为了确定物质的温度，利用其热辐射。这些测量装置的测量原理在大量出版物中都有描述。

在电阻元件形式的温度传感器的情况下，已知所谓的薄膜和厚膜传感器以及所谓的NTC热敏电阻等。在薄膜传感器，尤其是电阻温度检测器(RTD)的情况下，使用传感器元件，例如，配备有连接线并被施加在基板上的传感器元件，其中，支撑基板的后面通常有金属涂层。用作传感器元件的是所谓的电阻元件，电阻元件例如基于铂元件并且也可以按名称PT10、PT100和PT1000等商购。

在热电偶形式的温度传感器的情况下，温度又由热电压确定，热电压发生在不同材料的单侧连接的热电偶线之间。对于温度测量，通常采用DIN标准IEC584的热电偶作为温度检测器，例如：K、J、N、S、R、B、T或E型热电偶。然而，其他材料对，尤其是具有可测量塞贝克效应的材料对也是可能的。

温度测量的准确性敏感地取决于热接触和特别占主导地位的热传导。在这种情况下，介质、介质位于其中的容纳体、温度计和过程环境之间的热流动起着决定性的作用。为了可靠地确定温度，重要的是温度传感器和介质基本上处于热平衡，至少持续记录温度所需的一定时间。温度计对温度变化的反应时间也称为温度计的响应时间。

当温度传感器浸入介质中时，尤其可以实现测量的高准确性。因而，已知有许多温度计，在这些温度计的情况下，温度传感器或多或少地与介质直接接触。这样可以实现介质与温度传感器之间比较好的耦合。

然而，对于不同的过程和许多容纳体，尤其是小型容器或管道，温度的非侵入式确定是有利的。因而，同样地，已知下列温度计，其可以从外部/内部被固定到介质位于其中的容纳体中。这种装置，也称为表面温度计或接触式传感器，例如从文献如DE102014118206A1或DE102015113237A1中已知。在这种测量装置的情况下，温度传感器不与过程直接接触。这就要求，为了确保良好的热耦合，必须考虑各种附加方面。因而，例如，容器与温度计之间的机械接触以及随之而来的热接触对于可实现的测量准确性是决定性的。在接触不充分的情况下，不可能进行精确的温度确定。

用作表面温度计或表皮点温度计的测量插件通常带有热电偶形式的温度传感器，热电偶被直接焊接到管子或容器的外表面或表皮上。在这种情况下，热电偶的更换可能既费时又昂贵，尤其是因为更换可能需要暂时关闭过程和/或应用。为了克服这些缺点，例如通过US5382093和截至本申请的最早提交日未公开的欧洲专利申请No.18198608.4，在每种情况下，已知能够简单地更换温度传感器的温度计的实施例。

此外，已知有许多用于非侵入式温度测量的温度计的不同实施例，诸如在文献US2016/0047697A1、DE102005040699B3、EP3230704B1或EP2038625B1中所描述的。

在非侵入式温度确定的情况下，核心问题是将热从过程排出到环境。与将温度传感器直接引入过程的情况相比，这导致显著更大的测量误差。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于非侵入式温度测量的温度计，其特征在于测量的高准确性。

该目的通过根据权利要求1所述的用于确定和/或监视过程变量，尤其是容纳体(尤其是容器或管道)中的介质的温度或流量的设备实现。本发明的设备包括：温度传感器，以记录温度；以及柔性、绝热支撑元件，其可布置在容纳体的外表面上，其中，温度传感器被固定至支撑元件。

支撑元件尤其被实施为，使得其可配合到容纳体的轮廓，或可配合到容纳体的壁的外表面的轮廓。支撑元件可以例如至少部分地围绕容纳体的壁布置。在管道形式的容纳体的情况下，尤其优选的是沿着垂直于容纳体的纵轴的横截面的周边线布置。

温度传感器优选地在支撑元件的面对容纳体的区域中以布置在其上的状态被固定到支撑元件。设备从容纳体的外部区域与容纳体热接触。因而，介质的温度经由容纳体的壁间接地确定。在这种情况下，通过绝热支撑元件减少或防止向环境排放热。以这种方式，在温度传感器的紧邻区域中，至少有时，基本上与过程热平衡。因而，温度传感器基本上暴露于过程温度，即使其位于容纳体外部。这进而使得设备的测量准确性提高。

设备可以可选地进一步具有电子设备。可替选地，电子设备也可以是可与设备连接的单独组件。此外，与温度传感器有利地相关联的是至少一根用于电接触的连接线。

实施例包括温度传感器其是电阻元件或热电偶。

设备还可以进一步包括一个以上的温度传感器，其中，所有温度传感器都被固定至支撑元件。

另一实施例包括用于至少温度传感器的原位校准和/或验证的设备包括至少一个参考元件，参考元件被固定至支撑元件并且至少部分地由至少一种材料组成，该材料在与校准第一温度传感器相关的温度范围内，在至少一个预定相变温度下具有至少一种相变，在该相变情况下，材料保持固态。在这方面，全面参考本发明上下文中的EP02612122B1。有利地，支撑元件防止温度传感器和参考元件的不期望的热排出，而与支撑元件上相对于彼此的确切布置无关。优选地，温度传感器和参考元件总是基本处于热平衡。

在实施例中，设备包括被固定到支撑元件的加热元件。通过加热元件，设备可以另外被加热到预定温度。再次，绝热支撑元件提供减少或防止不期望的热排出。

此外，通过加热元件，可以根据现有技术中本身公知的热流量测量的测量原理来执行流量的确定。

据此，可以以两种不同的方式确定流量。在本发明的范围内，术语“流量”包括介质的体积流量以及质量流量两者。同样地，可以确定介质的流速或流率。

在第一测量原理中，传感器元件暴露在流经管道的介质中并被加热，使得其温度基本保持恒定。在已知且至少有时是介质的恒定特性的情况下，诸如介质的温度、其密度或成分，可以基于将温度保持在恒定值所需的加热功率确定流经管道的介质的质量流量。在这种情况下，介质的温度是介质在没有加热元件的附加热输入的情况下所具有的温度。相反，在第二测量原理的情况下，加热元件以恒定的加热功率运行，并且在加热元件下游测量介质的温度。在这种情况下，介质的测得温度提供了与质量流量有关的信息。

例如，加热元件可以是电阻加热器。例如，使用所谓的电阻元件，例如，RTD电阻元件(电阻温度检测器)，尤其是铂元件，诸如可以按名称PT10、PT100和PT1000等商购的。电阻元件经由转换提供给它们的电功率来加热，例如，由于电流供应增加。

在设备的另一实施例中，温度传感器包括温度敏感传感器元件，温度敏感传感器元件经由至少第一和第二连接线电连接，其中，第一连接线被分成第一和第二段，其中，靠近传感器元件的第一段由第一材料组成，并且其中，远离传感器元件的第二段由不同于第一材料的第二材料组成，其中，第二连接线由第二材料组成，并且其中，第一连接线的第一段和第二连接线的至少一个子区域形成热电偶形式的第一温差传感器。就此而言，在本发明的上下文中，全面参考截至本申请最早提交日未公开的德国专利申请No.102018116309.6。利用温度传感器的这种实施例，可以记录温度传感器区域中的热排出。对热排出的精确了解进一步提高了设备测量的准确性。在确定流量的情况下，随着热排出的减少，可以检测到容纳体中介质的更高流率，即可以扩大设备的测量范围。

优选地，至少一个温度传感器以及在给定情况下同样存在的参考元件和/或加热元件在支撑元件的面对容纳体的区域中，在被布置在其上的状态下一起固定到支撑元件。在这种情况下，设备的前述组件在支撑元件上的所有可以想到的、尤其是几何布置都是可能的并且落入本发明的范围内。

本发明的设备的优选实施例在于，至少部分地在支撑元件上布置有单元，该单元至少部分地包括具有各向异性导热率的材料。在这方面，在本发明的上下文中全面参考德国专利申请No.DE102017100267A1。例如，该单元可以是例如石墨的，尤其是薄壁的膜或箔。优选地，膜或箔在支撑元件的面对容纳体的区域中以与其固定的状态布置。

因而，有利地，至少温度传感器以及在给定情况下还有参考元件和/或加热元件被布置在支撑元件和单元之间。该单元用于沿支撑元件的面对容纳体的部分从过程有针对性地分配热。因而，确保了布置在支撑元件上的设备的所有组件，尤其是至少一个温度传感器和在给定情况下存在的参考元件总是彼此热平衡。

在设备的优选实施例中，支撑元件由塑料或陶瓷构成。在这种情况下，支撑元件优选地为具有可预定几何尺寸的面积形状。

另一优选实施例包括，存在至少一个引导件以将至少温度传感器的至少一条连接线以及在给定的情况下还将参考元件和/或加热元件引导到支撑元件中。例如，引导件可以是支撑元件中的空腔、凹槽、通道或孔。而且，可以将套筒引入支撑元件。

引导件用于连接线的机械稳定并防止不期望的撕裂。引导件的数量取决于连接线的数量和被固定至支撑元件的组件，例如，额外的温度传感器、加热元件或参考元件的数量。

在另一优选实施例中，设备包括至少一个柔性电路板，其至少部分地用作至少针对温度传感器并且在给定情况下针对加热元件和/或参考元件的连接线。因为，至少部分地，尤其是在与温度传感器直接相邻的区域中，柔性电路板被用作连接线，所以这种连接线可以被部分地平行于支撑元件并且与其相关联地平行于容纳体的壁加以引导。与支撑元件一样，柔性电路板适应容纳体的轮廓。这种与容纳体的壁平行或沿容纳体的壁引导连接线，进一步减少了将不期望的热排出到过程环境的发生。

尤其优选的实施例是，设置至少一个中空部以将至少温度传感器和在给定情况下的参考元件和/或加热元件引入到支撑元件中。尤其优选地，中空部以这样的方式实施，即温度传感器和在给定情况下的参考元件和/或加热元件基本上与支撑元件的表面齐平。

温度传感器和在给定情况下的参考元件和/或加热元件可以例如通过粘合剂固定到支撑元件，尤其是在其中空部中。然而，根据本发明，通过粘合剂的固定不是必要的。相反，所有常用的固定都可以用于固定温度传感器，并且在给定的情况下，固定加热元件和/或参考元件。

另一实施例包括设备，其包括用于将设备尤其是可释放地固定到容纳体的固定装置。在这方面，可以使用本领域技术人员常用的所有合适的固定装置，例如，管夹，并且落入本发明的范围内。

在这种情况下，有利地，固定装置被实施为确保支撑元件在容纳体上的可预定的压迫压力。这样，可以确保容纳体的壁与支撑元件之间的良好且可重复的热接触。

固定装置可以有利地包括至少一个被布置在支撑元件上的磁体，或至少一个具有螺钉螺纹的螺栓。

在另一实施例中，设备包括包封元件，包封元件至少部分地在远离容纳体的一侧上围绕支撑元件。

在这方面，包封元件有利地用作用于将设备固定到容纳体的固定装置，尤其是其中，包封元件的几何形状包括至少一个凹槽或至少一个孔。

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是根据现有技术的用于非侵入式温度测量的温度计；

图2是具有温度传感器的本发明的温度计的第一实施例；

图3是具有两个温度传感器、加热元件和参考元件的本发明的温度计的第二实施例；

图4是具有单元和支撑元件的本发明的温度计的第三实施例，单元包括具有各向异性导热率的材料，支撑元件设有中空部；

图5是具有用于连接线的引导件和固定装置的本发明的温度计的第四实施例；以及

图6是具有包封元件的本发明的温度计的第五实施例。

在附图中，相同的元件具有相同的附图标记。此外，不同附图的实施例可以彼此相互组合到期望程度。

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，该温度计具有测量插件3和电子设备4。温度计1用于记录介质M的温度T，介质位于容纳体2中，在这种情况下，采用管道的形式。为此，温度计1不突出到管道2中，而是在外部叠加在管道2的壁W上，以进行非侵入式温度确定。

测量插件3包括温度传感器5，其在当前情况下包括电阻元件形式的温度敏感元件。温度传感器5经由连接线6a、6b电接触并与电子设备4连接。虽然所示温度计1被实施为具有集成电子设备4的紧凑构造，但在其他温度计1的情况下，电子设备4也可以被布置成与测量插件3分离。而且，温度传感器5不一定必须是电阻元件，连接线6的数量也不一定必须是两条。相反，可以根据应用的测量原理和应用的温度传感器5适当地选择连接线6的数量。

如图所示，这种温度计1的测量准确性高度依赖于用于温度计的材料，以及尤其是热接触，尤其是在温度传感器5区域中的热接触。温度传感器5与介质M间接地热接触，即，经由测量插件3并经由容纳体2的壁W间接地热接触。在这方面，介质M的热排出到环境中也起到了很大的作用，这可能导致温度传感器5区域中的不期望的温度梯度。

为了适当地解决这些问题，根据本发明，提供了用于非侵入式温度计1的可替选实施例，诸如以下附图中基于一些优选实施例的示例所示。

图2中示出了本发明的温度计1的第一实施例。温度计1包括柔性绝热支撑元件7，其被布置在容纳体2的壁W的外表面上。对于这种情况下所示的示例，在管道形式的容纳体2的情况下，支撑元件7垂直于管道2的纵轴布置在管道2的壁W的外表面周围。因而，支撑元件7被配合至管道2的轮廓。这里应注意，本发明的设备1也可以与容器或其他类型的容纳体一起应用。在这种情况下，支撑元件7可放置在所使用的容纳体2的壁W的外表面上，并且相应地被配合到其在预定区域中的轮廓。

温度传感器5被固定至支撑元件7。温度传感器5在支撑元件7的面对过程的区域中固定至支撑元件7，并随之固定在容纳体2的壁W的外表面。在进行中的操作中，支撑元件7用于减少或防止热从过程，即从介质M到环境的不期望的排出。因为支撑元件7的表面被布置在或固定至容纳体7的壁W上，所以可以在支撑元件面对容纳体的整个表面区域上实现良好的绝热。以这种方式，温度传感器5基本上与介质M热平衡，这使得设备1的测量准确性高。

除了温度传感器5，设备1还可以使用其他组件，例如图3中所示的。与图2中所示的实施例相比，图3的设备1补充地包括：加热元件8、参考元件9和附加温度传感器10。

在图4中所示的实施例中，温度计1还包括单元11，其至少部分地包括具有各向异性导热率的材料。该单元被布置在支撑元件7的面对介质M和容纳体2的一侧上的支撑元件7上。该单元用于沿着支撑元件7面对容纳体的表面O的均匀热分布。对于这里所示的示例，假设单元11是薄石墨箔，其被固定至支撑元件7。

温度传感器5、加热元件8和参考元件9被布置在单元11与支撑元件7之间。如图4b中所示，支撑元件7具有三个中空部12a-12c，以分别接收温度传感器5、加热元件8和参考元件9，使得这些元件基本上与表面O齐平。

在图5中所示的实施例中，设备1具有四个相邻的参考元件9a至9d，它们具有不同的相变温度，并且它们经由柔性电路板14分别与两条连接线6电接触。然而，柔性电路板14也可以用于接触温度传感器5和/或加热元件8。对于温度传感器5和加热元件8的电接触，同样地，在每种情况下，都设置了两条连接线6，其被引导穿过引导件13a、13b。在这种情况下，引导件13a、13b可以是例如凹槽、中空部或通道。

此外，为了将设备1固定在容纳体2上，四个磁体16a至16d被布置在支撑元件7上。然而，也可以应用其他固定方法并且同样落入本发明的范围内。在图6的实施例中，设备1例如还包括包封元件17，其围绕支撑元件7并用于将支撑元件7固定到容纳体。为此，对于所示实施例，包封元件包括两个凹槽18，其中，例如可以布置夹具以固定到容纳体2。

可替选地，也可以通过带有螺钉螺纹的螺栓进行固定。对于这种情况，同样使用包封元件，包封元件例如可以设置有至少一个孔。

附图标记列表

1 设备

2 容纳体

3 测量插件

4 电子设备

5 温度传感器

6 连接线

7 支撑元件

8 加热元件

9 参考元件

10 另一温度传感器

11 单元

12 中空部

13 引导件

14 柔性电路板

15 固定装置

16 磁体

17 包封元件

18 凹槽

M 介质

T 温度

W 容纳体的壁

O 面对容纳体的支撑元件的表面

Claims (15)

1.一种用于确定和/或监视过程变量，尤其是容纳体(2)中的介质(M)的温度(T)或流量的设备(1)，所述设备包括：

温度传感器(5)，所述温度传感器记录温度(T)；以及

柔性、绝热支撑元件(7)，所述柔性、绝热支撑元件能够布置在所述容纳体(2)的壁(W)的外表面上，并且其中，所述温度传感器(5)被固定至所述支撑元件(7)。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，

其中，所述温度传感器(5)是电阻元件或热电偶。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，

进一步包括用于至少所述温度传感器(5)的原位校准和/或验证的至少一个参考元件(9)，其中，所述参考元件(9)被固定至所述支撑元件(7)并且至少部分地由至少一种材料组成，所述材料在与校准所述第一温度传感器(5)相关的温度范围内，在至少一个预定相变温度下具有至少一种相变，在所述相变情况下，所述材料保持固态。

4.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

进一步包括加热元件(8)，所述加热元件被固定到所述支撑元件(7)。

5.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，所述温度传感器(7)包括温度敏感传感器元件，所述温度敏感传感器元件经由至少第一连接线(6a)和第二连接线(6b)被电连接，

其中，所述第一连接线被分成第一段和第二段，

其中，靠近所述传感器元件的第一段由第一材料组成，并且

其中，远离所述传感器元件的第二段由不同于所述第一材料的第二材料组成，

其中，所述第二连接线由所述第二材料组成，并且

其中，所述第一连接线的第一段和所述第二连接线的至少一个子区域形成热电偶形式的第一温差传感器。

6.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，至少部分地在所述支撑元件(7)上布置有单元(11)，所述单元至少部分地包括具有各向异性导热率的材料。

7.根据权利要求6所述的设备(1)，

其中，至少所述温度传感器(5)被布置在所述支撑元件(7)与所述单元(11)之间。

8.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，所述支撑元件(7)由塑料或陶瓷构成。

9.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，存在至少一个引导件(13)以将至少所述温度传感器(5)的至少一条连接线(6)引导到所述支撑元件(7)中。

10.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

进一步包括至少一个柔性电路板(14)，所述柔性电路板至少部分地用作至少用于所述温度传感器(5)的连接线(6)。

11.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，设置至少一个中空部(12)以将至少所述温度传感器(5)引入所述支撑元件(7)中。

12.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

进一步包括用于将所述设备(1)尤其是可释放地固定到所述容纳体(2)的固定装置(15)。

13.根据权利要求12所述的设备(1)，

其中，所述固定装置(15)包括至少一个被布置在所述支撑元件(7)上的磁体(16a-16d)，或至少一个具有螺钉螺纹的螺栓。

14.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

进一步包括包封元件(17)，所述包封元件至少部分地在远离所述容纳体(2)的一侧上围绕所述支撑元件。

15.根据权利要求14所述的设备(1)，

其中，所述包封元件(17)用作用于将所述设备(1)固定到所述容纳体(2)的固定装置(15)，尤其是其中，所述包封元件(17)的几何形状包括至少一个凹槽(18)或至少一个孔。

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