CN114585885A - 非侵入式温度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测容器(2)中介质(M)的过程变量、特别是温度、流量或流速的设备(1)，包括：用于捕获温度的温度传感器(5)，所述温度传感器(5)能够被紧固到容器(2)的外壁(W)；用于电接触温度传感器(5)的至少一个连接线(6a、6b)；以及，紧固装置(7)，用于将温度传感器(5)和连接线(6a、6b)的面向温度传感器的区段(a)特别是以可拆卸方式紧固到容器(2)的外壁(W)。根据本发明，至少连接线(6a、6b)的区段(a)能够被紧固到容器(2)的外壁(W)，使得区段(a)平行于容器(2)的壁(W)延伸并且与容器(2)的壁(W)热接触。

Description

非侵入式温度计

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测例如在自动化技术中的容器中的介质的过程变量、尤其是温度、流量或流速的设备。例如，容器(containment)是贮藏器(container)或管道(pipeline)。

背景技术

在现有技术的各种实施例中，温度计是已知的。因此，存在温度计，其使用已知膨胀系数的液体、气体或固体的膨胀来测量温度等，其将材料的电导率或由此衍生的变量与温度相关联，该变量例如是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，利用物质的热辐射来确定其温度。这种测量设备的测量原理已经在大量出版物中进行了描述。

在电阻元件形式的温度传感器的情况下，已知的尤其是所谓的薄膜和厚膜传感器以及NTC热敏电阻。在薄膜传感器，尤其是电阻温度检测器(RTD)的情况下，例如，使用配备有连接线的安装在基板上的传感器元件，其中，基板的背面通常涂有金属。用作传感器元件的是所谓的电阻元件，例如铂元件，它们是可商购的，例如名称为PT10、PT100和PT1000。

在热电偶形式的温度传感器的情况下，温度进而由热电压确定，该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，通常采用根据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，尤其是具有可测量的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主导热传导。在这种情况下，在介质、包含介质的容器、温度计和过程环境之间的热流起着决定性的作用。为了可靠地确定温度，重要的是温度传感器和介质至少在记录温度所需的一定时间内基本上处于热平衡。温度计对温度变化的反应时间也称为温度计的响应时间。

当温度传感器被浸入介质中时，尤其可以实现高精度测量。因此，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直接与介质接触。这样可以实现介质和温度传感器之间比较好的耦合。

然而，对于各种过程和许多容器，尤其是小型贮藏器或管道，温度的非侵入式确定是有利的。因此，同样有温度计，它们可以外部/内部固定在介质所在的容器上。例如从诸如DE102014118206A1或DE102015113237A1的文献中已知这种设备，也称为表面温度计或接触式传感器。在这种测量设备的情况下，温度传感器不与过程直接接触。这要求必须考虑各种附加方面以确保良好的热耦合。因此，例如，容器和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精度是决定性的。在接触不充分的情况下，无法进行准确的温度测定。

用作表面或表皮点温度计的经常是测量插入件，其具有热电偶形式的温度传感器，其被直接焊接到管道或容器的外表面或表皮上。然而，在这种情况下，更换热电偶可能是耗时且昂贵的过程，特别是因为更换可能需要暂时停止过程和/或应用。为了克服这些缺点，例如从US5382093或欧洲专利申请No.18198608.4(截至本申请的最早申请日未公开)已知的是温度计的实施例，其使得能够简单地更换温度传感器。

此外，例如在文献US2016/0047697A1、DE102005040699B3、EP3230704B1和EP2038625B1中描述了用于非侵入式温度测量的温度计的许多不同实施例。

在非侵入式温度确定的情况下，核心问题是从过程到环境的散热。与将温度传感器直接引入过程的情况相比，这会导致明显更大的测量误差。

例如，对于基于热测量原理的用于确定管道中介质的流量或流速的流量测量设备的情况也会产生相同的问题。这种现场设备通常包括至少两个传感器元件，该传感器元件具有至少一个温度传感器和至少一个加热元件或可加热温度传感器。传感器元件既可以被引入管道中，也可以被集成在测量管中或测量管上(非侵入式结构)。

发明内容

从所描述的在非侵入式温度确定的情况下的散热问题开始，本发明的目的是提供一种用于温度确定的设备，尤其是温度计和用于确定流量或流速的测量设备，该设备特点在于测量精度高。

该目的通过如权利要求1所述的用于确定和/或监测容器中介质的过程变量、尤其是温度、流量或流速的设备来实现。本发明的设备包括：用于记录温度的温度传感器，该温度传感器可固定到容器的壁的外表面；用于电接触温度传感器的至少一个连接线；以及，用于将温度传感器和连接线的温度传感器近端区段固定到容器壁的外表面的固定装置，该固定尤其是可拆卸的。在这种情况下，至少连接线的区段可固定到容器的壁的外表面，使得该区段沿着容器的壁延伸并与容器的壁热接触。

温度传感器以及连接线的区段相应地沿着容器——例如管道——的壁延伸，并被固定到其上。沿容器的壁的区段的定向一方面意味着连接线的区段的至少部分延伸，该区段基本上平行于壁，特别是平行于壁的纵向轴线。然而，同样一种选择是，该区段至少部分地围绕壁布置，因此例如遵循管道的圆周。此外，许多其他类型的扩展也提供了选项，例如，连接线在区段中的曲折。在每种情况下，该区段中的至少一个连接线遵循容器的壁的轮廓。

相应地，通过容器的壁间接确定介质的温度。通过连接线相对于容器的壁的所选择的定向，温度传感器、连接线的温度传感器近端区段与管道之间的接触面积显著扩大。这样，介质通过容器的壁到温度传感器和连接线的温度传感器近端区段的热传导显著增加。此外，连接线的温度传感器近端区段中的温度梯度显著降低。这些影响进而都导致测量精度的提高。

防止所谓的散热的错误是工业温度确定领域的一个基本问题，与应用是温度计还是流量测量设备无关。在侵入式温度计的情况下，这方面的一个热门讨论话题是在过程中所谓的最小浸入的深度，其通常应至少为温度计直径的10倍。在较少热接触的情况下，例如，由于使用了保护管，最小浸入深度应达到甚至温度计直径的10倍以上。在块校准器的情况下，最小浸入深度通常达到用于校准的参考温度计直径的十五倍。相反，在非侵入式温度确定的情况下，例如在本发明的情况下，必须使用其他措施来确保传感器元件均匀地暴露于温度。然而，这是由于在这种测量的情况下非常不均匀的热输入比在侵入式温度确定的情况下要复杂得多。至少一个连接线在温度传感器附近的可预定区段中的平行定向是一种特别有效的措施。基于本发明，有利地为一种选项，其类似于用于侵入式温度确定的最小浸入深度，为连接线的沿管道延伸的区段限定最小长度以最小化散热误差。

一方面，温度传感器和至少一个连接线的区段可以直接应用在管道上。然而，同样一种选择是温度传感器和连接线是测量插件的一部分，并且测量插件被固定到管道。

该设备可以可选地进一步包括电子器件。备选地，电子器件也可以是可与设备连接的单独组件。在温度传感器通过多于一个连接线接触的情况下，优选地，所有连接线的温度传感器近端区段都与管道平行定向。固定装置可以是本领域技术人员常用和适合的任何固定装置，例如，保持器或管夹，所有这些都落入本发明的范围内。

一个实施例包括温度传感器是电阻元件或热电偶。

该设备还可以进一步包括一个以上的温度传感器。此外，该设备还可以包括至少一个用于加热和/或冷却的单元。在多个元件——传感器、加热/冷却元件或附加组件——的情况下，这些可以至少部分地布置在共享的测量插件中。

另一实施例规定，该设备包括至少一个参考元件，其用于至少温度传感器的原位校准和/或验证并且被固定到容器的壁的外表面。参考元件至少部分地由至少一种材料构成，该至少一种材料在与校准第一温度传感器相关的温度范围内具有在至少一个预定相变温度下的至少一个相变，在该相变的情况下材料保持在固态。在这方面，在本专利申请的上下文中全面参考了EP02612122B1。

在一个实施例中，该设备包括加热元件，该加热元件被固定到容器的壁的外表面。借助于加热单元，该设备还可以被加热到可预定温度。当设备用于根据热流量测量原理确定流量时，具有加热元件的实施例是特别有利的。根据本发明的术语流量既包括介质的体积流量也包括质量流量，并且可以指体积或质量流量或通过对流量随时间积分得到的总体积或质量流量。同样，可以确定介质的流速。

例如，可以以两种不同的方式确定流量。在第一测量原理中，传感器元件被加热，使得其温度基本上保持恒定。在介质的已知且至少有时恒定的特性——诸如介质的温度、其密度或成分——的情况下，可以根据用于将温度保持在恒定值所需的加热功率确定通过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，并且测量加热元件下游的介质温度。在这种情况下，测量的介质温度会提供有关质量流量的信息。此外，还有其他测量原理，例如所谓的瞬态方法，在这种情况下，加热功率或温度被调制。

加热元件可以例如以电阻加热器的形式实施，该电阻加热器通过供应给它的电功率的转换而被加热，例如由于电流供应增加。

在该设备的另一个实施例中，温度传感器包括温度敏感传感器元件，其通过至少第一和第二连接线电连接，其中，第一连接线被分为第一和第二区段，其中，第一传感器元件近端区段由第一材料构成，并且其中，第二传感器元件远端区段由不同于第一材料的第二材料构成，其中，第二连接线由第二材料构成，并且其中，第一连接线的第一区段和第二连接线的至少一部分形成热电偶形式的第一温差传感器。在这方面，在本发明的上下文中全面参考截至本申请的最早申请日尚未公开的德国专利申请No.102018116309.6。对于温度传感器的这种实施例，温度传感器区域中的散热是可记录的。对散热的准确了解进一步提高了设备的测量的准确性。在确定流量的情况下，下降的散热意味着可以检测到容器中更高的介质流速，即可以扩大设备的测量范围。

在本发明的一个实施例中，该设备包括导热耦合单元，其可以放置在容器的外表面上。耦合单元用于额外改善温度传感器、连接线的区段和通过容器的壁的外表面的介质之间的热接触。

耦合单元例如由导热材料、尤其是铜或银制成。

在另一个实施例中，耦合单元至少部分地包括具有各向异性导热率的材料，优选地，至少部分地包括含碳材料，尤其是石墨或六方氮化硼。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。

有利地，耦合单元被布置为使得它至少围绕温度传感器、连接线的区段的一部分和/或容器的一部分。在这种情况下，耦合单元优选地既与容器热接触，也与温度传感器热接触，并且与连接线的区段热接触。它用于从过程到温度传感器的附加热传导，并减少温度传感器区域和连接线区段的温度梯度。

耦合单元与此一起用于有针对性地分配来自过程的热量以处理温度传感器的远端区域和连接线的区段。此外，它确保了设备的所有组件彼此总是处于热平衡。

此外，有利的是，耦合单元被实施为确保至少温度传感器和连接线的区段在任何时候都与容器的壁基本上处于热平衡。

最后，有利的是，耦合单元是细长元件，其与表面区域相比具有较小的厚度，即例如是细长的薄壁箔或至少两个箔的细长层布置。

在另一个实施例中，该设备包括外壳，该外壳可固定在容器的壁的外部，并且被实施，使得在被固定到壁的状态下，它至少围绕温度传感器和连接线的区段。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，附图显示如下：

图1是根据现有技术的用于非侵入式温度测量的温度计；以及

图2举例图示了本发明的温度计的实施例。

在图中，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所需的程度。

具体实施方式

在不旨在限制本发明的一般适用性的情况下，以下描述涉及温度计。各种考虑可以被直接转移到其他类型的现场设备，例如热流量测量设备。

图1示出了根据现有技术的温度计1的示意图。温度计1包括测量插件3和电子器件4。温度计1用于记录介质M的温度T，该介质M位于容器2中，在这种情况下容器2为管道形式。为此，温度计1不伸入管道2中，而是在外部叠加在管道2的壁W上，用于非侵入式温度确定。

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通过连接线6a、6b与电子器件4电接触和连接。虽然所示的温度计1被实现为具有集成电子器件4的紧凑结构，但在其他温度计1的情况下，电子器件4也可以与测量插件3分开设置。此外，温度传感器5不一定是电阻元件，并且连接线6的数量不一定是两个。而是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。

如已经显示的，这种温度计1的测量精度很大程度上取决于用于温度计的材料并且取决于尤其是在温度传感器5的区域中的接触，尤其是热接触。温度传感器5与介质M间接热接触，即，通过测量插件3和容器2的壁W。在此连接中，从介质M到环境的散热也起着重要作用，这可能导致在温度传感器5区域中出现不希望的温度梯度。

为了根据本发明适当地解决这些问题，提供了用于非侵入式温度计1的替代优选实施例，例如如图2中的示例所示。

本发明的温度计1的第一实施例被示于图2a中。温度计1包括温度传感器5，其通过两个连接线6a和6b电接触。温度传感器5设置在容器2的壁W的外表面上，连接线6a和6b沿管道2在区段a中延伸，并与管道2平行地加以定向。虽然所示实施例的连接线6a、6b以直线延伸，但在其他实施例中，它们可以被布置成例如也至少部分地围绕容器2延伸或缠绕一次或多次。同样在这种情况下，连接线6a、6b的走向与容器2的轮廓相吻合。

这里要注意的是，本发明的设备1也可以与容器和其他类型的容器2结合应用。此外，本发明不限于具有两个连接线6a、6b的实施例。相反，根据温度传感器5的类型和根据所应用的测量原理，可能需要不同数量的连接线6a、6b。

除了温度传感器5，设备1还可以包括其他组件，例如加热元件9、参考元件10和/或附加温度传感器11。然而，这些组件在图2中没有示出。此外，仅仅是为了清楚起见，电子器件4没有在图2中示出。

然而，温度传感器5和至少连接线6a、6b之一的区段也可以是测量插件3的一部分，如图2b所示。然而，在其他实施例中，也可以存在布置在同一测量插件中的多个温度传感器5或附加应用的加热元件、冷却元件或参考元件。

在这两种情况下，设备1还包括用于将温度传感器5和连接线6a、6b之一的温度传感器近端区段固定到容器2的壁W的固定装置7。该固定装置7被实施为以用于所示实施例的管夹的形式。然而，应当注意，在现有技术中已知的所有其他合适的固定装置7也可以被使用并且同样落入本发明的范围内。

在图2c所示的实施例的情况下，该设备1此外包括导热耦合单元8，其在此例如以薄壁箔的形式加以实施。耦合单元8布置在容器2的壁W周围并通过固定装置7抵靠容器2的壁W加以固定。在这种情况下，耦合单元8围绕温度传感器5和连接线6a、6b之一的区段。

耦合单元8优选地至少沿着至少一个温度传感器5的区域和连接线6a、6b之一的区段延伸。它用于减少或防止从过程中——即，从介质M——到环境中的不希望的散热。它尤其减小了温度传感器5的区域和连接线6a、6b之一的区段中的温度梯度。

此外，其他实施例可以包括外壳11(未示出)。外壳11同样可固定在容器2的壁W的外部并且围绕温度传感器5、连接线6a、6b之一的区段以及在给定的情况下，耦合单元8。

附图标记列表

1 设备

2 容器

3 测量插件

4 电子器件

5 温度传感器

6 连接线

7 固定装置

8 耦合单元

9 加热元件

10 参考元件

11 外壳

M 介质

T 温度

W 容器的壁

a 连接线的区段

Claims (11)

1.一种用于确定和/或监测容器(2)中介质(M)的过程变量、尤其是温度、流量或流速的设备(1)，所述设备(1)包括：

温度传感器(5)，所述温度传感器(5)用于记录温度，所述温度传感器(5)可固定到所述容器(2)的壁(W)的外表面，

至少一个连接线(6a、6b)，所述至少一个连接线(6a、6b)用于电接触所述温度传感器(5)，以及

固定装置(7)，所述固定装置(7)用于将所述温度传感器(5)和所述连接线(6a、6b)的温度传感器近端区段(a)固定到所述容器(2)的壁(W)的外表面，所述固定尤其是可拆卸的，

其中，所述连接线(6a、6b)的至少所述区段(a)可固定到所述容器(2)的壁(W)的外表面，使得所述区段(a)沿所述容器(2)的壁(W)延伸并且与所述容器(2)的壁(W)热接触。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，

其中，所述温度传感器(5)为电阻元件或热电偶。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，

包括至少一个参考元件(10)，所述至少一个参考元件(10)用于至少所述温度传感器(5)的原位校准和/或验证，且可固定到所述容器(2)的壁(W)的外表面，其中，所述参考元件(10)至少部分地由至少一种材料构成，所述至少一种材料在与校准所述温度传感器(5)相关的温度范围内具有在至少一个预定相变温度下的至少一个相变，在这种相变的情况下，所述材料保持在固态。

4.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

包括加热元件(9)，所述加热元件(9)可固定到所述容器(2)的壁(W)的外表面。

5.根据前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)包括温度敏感传感器元件，所述温度敏感传感器元件通过至少第一连接线和第二连接线电接触，

其中，所述第一连接线被分为第一区段和第二区段，

其中，所述第一传感器元件近端区段由第一材料构成，并且其中，所述第二传感器元件远端区段由不同于所述第一材料的第二材料构成，

其中，所述第二连接线由所述第二材料构成，并且

其中，所述第一连接线的第一区段和所述第二连接线的至少一部分形成以热电偶形式的第一温差传感器。

6.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

进一步包括导热耦合单元(8)，所述导热耦合单元(8)能够被放置在所述容器(2)的壁(W)的外表面上。

7.根据权利要求6所述的设备(1)，

其中，所述耦合单元(8)至少部分地包括具有各向异性导热率的材料，优选地至少部分地包括含碳材料，尤其是石墨或六方氮化硼。

8.根据权利要求6或7所述的设备(1)，

其中，所述耦合单元(8)被布置成使得所述耦合单元(8)至少围绕所述温度传感器(5)、所述连接线(6a、6b)的所述区段(a)的一部分和/或所述容器的一部分。

9.根据权利要求6-8中至少一项所述的设备(1)，

其中，所述耦合单元(8)被实现为确保至少所述温度传感器(5)和所述连接线(6a、6b)的所述区段(a)始终与所述容器(2)的壁(W)基本上处于热平衡。

10.根据权利要求6-9中至少一项所述的设备(1)，

其中，所述耦合单元(8)是细长元件，所述细长元件与表面区域相比具有较小的厚度，即，例如是细长的薄壁箔或至少两个箔的细长层布置。

11.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，还包括外壳，所述外壳外部地可固定到所述容器(2)的壁(W)，并且被实现为使得所述外壳在被固定至所述壁(W)的状态下，至少围绕所述温度传感器(5)和所述连接线(6a、6b)的所述区段(a)。

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