CN114424035A - 非侵入式温度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监视容纳体(2)中的介质(M)的温度(T)的设备(1)，包括：温度传感器(5)，以记录温度(T)；以及柔性、导热支撑元件(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、导热支撑元件，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。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背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，通过导热支撑元件，将热从过程引导到至少一个温度传感器，因而，温度传感器与过程基本热平衡。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，通过使用导热支撑元件，温度传感器与参考元件始终彼此热平衡，而与支撑元件上相对于彼此的确切布置无关。

在又一实施例中，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可预定温度。再次，导热支撑元件确保被固定到支撑元件的设备的所有组件都暴露于基本可预定的温度。

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背对容纳体的区域中，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。

在设备的优选实施例中，支撑元件由金属编织或毡织物构成，尤其是使用铜。然而，除了铜之外，其他金属也可以用于制造金属编织或毡织物形式的本发明的支撑元件，并且同样落入本发明的范围内。在这种情况下，支撑元件优选地具有包括可预定几何尺寸的面积形状。在这种情况下，术语“编织物”是指由所应用的金属的两种不同的柔性股线或金属丝制成的织物——经线和纬线或纬纱——它们以一定的角度有规律地相互交叉，而术语“毡织物”是指由大量毡制的、柔性的、金属股线或金属丝组成的织物。

另一优选实施例包括设备，其具有绝热单元，绝热单元至少部分地围绕支撑元件。尤其是，绝热单元在支撑元件固定到其上的状态下至少部分地在远离过程的区域中围绕支撑元件。绝热单元用于支撑元件以及固定在其上的至少一个温度传感器与环境的热绝缘。以这种方式，防止了不期望的热向环境排出，否则这可能导致不期望的温度梯度，尤其是在设备的区域中。

有利地，绝热单元至少部分地由硅树脂或硅树脂泡沫组成。

同样有利地，温度传感器被布置在支撑元件与绝热单元之间。

在附加实施例中，设备包括至少一个引导件，以引导至少温度传感器的至少一条连接线。引导件的使用用于连接线的机械稳定并防止连接线的不期望的撕裂。在存在绝热单元的情况下，引导件尤其被实施并布置成，使得可穿过绝热单元引导至少一条连接线。引导件例如为套管或通道。引导件的数量取决于被固定到支撑元件的连接线的数量和组件，例如，其他温度传感器、加热元件或参考元件的数量。

在尤其优选的实施例中，温度传感器通过柔性粘合剂固定到支撑元件。以这种方式，可以独立于容纳体的外半径来确保温度传感器与支撑元件的恒定机械和热接触，支撑元件沿着该外半径被布置在容纳体周围。在温度传感器与支撑元件之间有利地没有气隙。

然而，根据本发明，通过粘合剂的固定不是必要的。相反，可以使用所有用于固定温度传感器的常用固定。尤其是，在本发明的其他实施例中，温度传感器也可以例如被焊接到支撑元件。

在又一尤其优选的实施例中，支撑元件由相互叠置的至少两个柔性层组成。相互叠置的多个柔性层形式的支撑元件的实施例用于防止温度传感器的分离部分与支撑元件之间的气隙。在以这种方式实施的支撑元件的情况下，柔性粘合剂的使用不是绝对必要的。

另一实施例包括设备，其具有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已知的所有常用和合适的固定装置，诸如，管夹，并且落入本发明的范围内。

在这种情况下，固定装置有利地被实施为确保支撑元件在容纳体上的可预定压迫压力。以这种方式，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。

同样有利地，固定装置具有至少一个弹性元件，尤其是弹簧。通过弹性固定，相同的固定装置可以适当地适应在特定情况下使用的容器的不同外半径，尤其是直径。尤其是，在每种情况下，与外半径无关地确保了基本相同的压迫压力。

另一实施例包括容纳体，其是管道，其中，支撑元件被实施为使得它可围绕管道布置成垂直于管道的纵轴。

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是具有单个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是具有绝热单元的本发明的温度计的第三实施例；

图5是具有包括弹性元件的固定单元的第四实施例；以及

图6是由多个层组成的支撑元件。

在附图中，相同的元件具有相同的附图标记。

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包括柔性导热支撑元件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被配合至容纳体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。支撑元件7可以被布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的背向过程的区域中固定至支撑元件7，并随之背向容纳体2的壁W的外表面。在进行中的操作中，支撑元件7用于从容纳体2的壁W开始，将热从过程，因而从介质M传导到温度传感器5。因为支撑元件7被沿其表面布置在容纳体7的壁W上，所以存在与壁W并随之与过程以及介质M的良好热接触。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，诸如图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中所示的实施例的情况下，温度计1还具有绝热单元11，作为示例，这里的绝热单元完全围绕支撑元件7。在其他实施例中，绝热单元11可以可选地仅部分围绕支撑元件7。温度传感器5被布置在绝热单元11与支撑元件7之间。绝热单元11用于与环境隔绝，并用于防止热从支撑元件7和/或温度传感器5传导到环境。此外，作为示例，这里的设备1包括两个引导件12，以引导温度传感器5的连接线6，连接线也被穿过绝热单元11引导。这里应注意，也可以在没有绝热单元11的实施例中使用引导件12，并且所采用的引导件12的数量取决于设备1的连接线6的数量和布置。因而，这里所示的实施例仅是一种可能示例。

在图5中所示的实施例中，设备1包括固定装置14，这里，作为示例，固定装置包括弹簧形式的弹性元件。通过固定装置14，设备1可以被放置在不同外半径的容纳体2上。如图5a和图5b中所示，诸如在前面的附图的情况下，容纳体2为具有不同直径d₁和d₂的管道形式，其中，d₂＞d₁。固定装置14独立于特定使用的容纳体，以确保支撑元件7和温度传感器5与容纳体2的壁W和介质M的不变和良好的热接触。由于使用了具有弹性元件的固定装置14，所以可通过特别容易的方式实现确保支撑元件7在容纳体的壁W上的可预定压迫压力。然而，许多其他的固定是已知的，它们同样可以根据本发明加以应用。

为了还实现温度传感器5与支撑元件7的恒定热接触，所示实施例中的温度传感器5通过柔性粘合剂13被固定到支撑元件7。粘合剂适于支撑元件7的曲率，支撑元件又适于容纳体2的壁W的外表面。

然而，温度传感器5与支撑元件7之间的这种恒定接触同样可以通过具有多于一层的支撑元件7来实现，诸如最后在图6中示出的。在这种情况下示出的支撑元件7由相互叠置的四层7a-7d组成。当然，所施加的层的数量可以随实施例的不同而不同。在使用具有多于一层的支撑元件7的情况下，也可以使用刚性粘合剂13将温度传感器5固定到支撑元件7。

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 绝热单元

12 引导件

13 粘合剂

14固定装置

M 介质

T 温度

W 容纳体的壁

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、导热支撑元件(7)，所述柔性、导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(8)，其中，所述参考元件(8)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(9)，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，所述支撑元件(7)由金属编织或毡织物构成，尤其是使用铜。

6.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

包括绝热单元(11)，所述绝热单元至少部分地围绕所述支撑元件(7)。

7.根据权利要求6所述的设备(1)，

其中，所述绝热单元(11)至少部分地由硅树脂或硅树脂泡沫组成。

8.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

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

9.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引导件(12)，以引导至少所述温度传感器(5)的至少一根连接线(6)。

10.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，至少所述温度传感器(5)通过柔性粘合剂(13)被固定到所述支撑元件(7)。

11.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)由相互叠置的至少两个柔性层(7a-7d)构成。

12.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

进一步包括固定装置(14)，从而将所述设备(1)尤其是可释放地固定到所述容纳体(2)。

13.根据权利要求12所述的设备(1)，

其中，所述固定装置(14)被实施为确保所述支撑元件(7)在所述容纳体(7)上的可预定的压迫压力。

14.根据权利要求12或13所述的设备(1)，

其中，所述固定装置(14)具有至少一个弹性元件，尤其是弹簧。

15.根据上述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，所述容纳体是管道(2)，其中，所述支撑元件(7)被实施为使得所述支撑元件(7)能够绕所述管道(2)布置成垂直于所述管道(2)的纵轴。

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