DE102005015691A1

DE102005015691A1 - Vorrichtung zur Temperaturmessung

Info

Publication number: DE102005015691A1
Application number: DE200510015691
Authority: DE
Inventors: Dieter Schmidt; Dirk Dr. Boguhn; Neill Hogarth
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2006-10-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Mediums, mit mindestens einem Gehäuse (1) und mit mindestens einem Temperatursensor (2), wobei der Temperatursensor (2) direkt an der Innenseite des Gehäuses (1) befestigt ist und/oder zumindest teilweise ein Bestandteil des Gehäuses (1) ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Mediums: Insbesondere handelt es sich um eine mediumsberührende (Mess-)Vorrichtung.

Industrielle elektrische Berührungsthermometer, wie sie häufig für die Prozessautomatisierung verwendet werden, bestehen meist aus einem Gehäuse oder einem einseitig geschlossenen Rohr, in dessen Inneren sich ein temperaturempfindliches Element (Sensorelement) wie z.B. ein Thermoelement, Thermistor oder RTD (Resistance Temperature Detector) befindet. Das Sensorelement wird über geeignete Anschlussleitungen elektrisch kontaktiert und mit einem Klemmblock, Transmitter o.ä. verbunden. Die verbleibenden Hohlräume im Inneren des Thermometerrohrs um das Sensorelement und um die Anschlussleitungen werden in der Regel über geeignete Pulver oder Vergussmaterialien verfüllt, um zum einen eine ausreichende mechanische Belastbarkeit (vor allem Vibrationsunempfindlichkeit) zu gewährleisteten, und zum anderen um einen besseren thermischen Kontakt zwischen dem Messmedium außerhalb des Rohrs und dem Sensorelement im Inneren zu realisieren, als dies nur mit Luft als Wärmetransportmedium möglich ist. Nachteilig ist, dass das Sensorelement in der Regel keinen direkten thermischen Kontakt zum Thermometerrohr hat. Es ist meist vollständig mit Füllmaterial umgeben, welches als zusätzliche thermische Schicht den Wärmetransport verlangsamt und die Ansprechzeiten des Temperatursensors vergrößert. Weiterhin nachteilig ist, dass als Füllmaterial häufig Pulver (Al₂O₃, MgO) oder Sande mit angepasster thermophysikalischen Materialeigenschaften verwendet werden, die allerdings oft auch stark hygroskopisch sind und sich nur mit zusätzlichem Aufwand (Trocknung, Heizung, Verschluss...) verarbeiten lassen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Fertigung von Berührungsthermometern zu vereinfachen und gleichzeitig deren messtechnischen Eigenschaften zu verbessern.

Die Aufgabe löst die Erfindung mit einer Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Mediums, mit mindestens einem Gehäuse, und mit mindestens einem Temperatursensor, wobei der Temperatursensor direkt an der Innenseite des Gehäuses befestigt ist und/oder zumindest teilweise ein Bestandteil des Gehäuses ist. Die Erfindung besteht somit darin, dass der Temperatursensor direkt an der Innenwand oder dem Innenboden des Gehäuses angebracht wird. Somit übernimmt das Gehäuse selbst die Abstützung des Sensors. Dadurch ergibt sich eine hohe mechanische Belastbarkeit der Vorrichtung als Ganzes und überdies wird auch ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen dem Sensor und dem Medium erzielt. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Temperatursensor ein Bestandteil des Gehäuses ist. Dies erhöht die Festigkeit der Verbindung zwischen Sensor und Gehäuse, und weiterhin wird somit der thermische Kontakt des Sensorelements zum Medium nochmals verbessert.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse derartig ausgestaltet ist, dass das Gehäuse das Eindringen des Mediums in den Innenraum des Gehäuses verhindert. Insbesondere wird durch das Gehäuse verhindert, dass der Temperatursensor in direkten Kontakt mit dem Medium kommt. Das Gehäuse ist also derartig ausgestaltet, dass der Innenraum ein gegenüber dem Medium abgeschlossener Raum ist.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem Gehäuse um eine Röhre handelt, welche zumindest an einem Ende mit zumindest einem Boden verschlossen ist. Die Röhre kann zylindrisch, eckig oder in einer beliebigen Form ausgestaltet sein. Das Ende der Röhre, welche mit dem Boden verschlossen ist, ist dabei die Seite, die mit dem Medium in Berührung kommt.

Damit verbunden ist die Ausgestaltung, dass der Temperatursensor direkt an der Innenseite des Bodens befestigt ist und/oder ein Bestandteil des Bodens ist. Der Temperatursensor ist somit direkt im Inneren an oder in der Spitze des Gehäuses angebracht.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperatursensor mit seiner größten wirksamen Fläche direkt an der Innenseite des Gehäuses befestigt ist und/oder ein Bestandteil des Gehäuses ist. Es wird also die Empfindlichkeit der Messvorrichtung erhöht, indem der Bereich der Wechselwirkung zwischen dem Sensor und dem Medium maximiert wird. Die wirksame Fläche bezieht sich hierbei auf die Fläche des Sensors, welcher der Messung der Temperatur dient.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Temperatursensor mit der Innenseite des Gehäuses verlötet und/oder verschweißt und/oder verklebt ist. Es sind bereits fertig erhältliche Temperatursensoren, wie beispielsweise der Pt100 bekannt, welche sich direkt in das Gehäuse hineinlöten, schweißen oder kleben lassen. Jedoch auch andere Sensoren lassen sich verwenden.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperatursensor über ein Federelement an der Innenseite des Gehäuses befestigt ist. Eine Feder drückt somit den Temperatursensor gegen die Innenseite des Gehäuses und stellt somit die Befestigung und auch den thermischen Kontakt her. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Temperatursensor über eine andere form- oder kraftschlüssige Verbindung (z.B. Presspassungen, Führungen etc.) an der Innenseite des Gehäuses befestigt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperatursensor in Dünnschichttechnik auf der Innenseite des Gehäuses angebracht ist. Bei dieser Ausgestaltung wird über eine möglichst dünne, elektrisch isolierende Schicht der Temperatursensor direkt im Gehäuse aufgebracht, also quasi erst vor Ort erzeugt.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Temperatursensor ein Widerstandselement mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten oder ein temperaturempfindliches Halbleiterelement ist. Beispielsweise handelt es sich um PTC oder NTC. Es sind Technologien verfügbar, um Widerstandsstrukturen in Dünnschichttechnik direkt auf Metalloberflächen (z.B. dem Rohrboden) aufzubringen und ausreichend vom Trägermetall elektrisch isolieren zu können. Bei Verwendung entsprechender Widerstandsmaterialien (Platin, Nickel, Kupfer) zeigt eine solche Struktur eine vergleichbare Änderung des elektrischen Widerstandswerts mit der Temperatur wie die bekannten RTD in Dünnschichttechnik auf Keramiksubstraten.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Anschlussleitung für den Temperatursensor vorgesehen ist, und dass es sich bei der Anschlussleitung um ein Thermoelement handelt. Somit lässt sich eine zweite Aussage über die Temperatur gewinnen, die zur Validierung oder zur Korrektur des Messwertes des Temperatursensors verwendet werden kann. Damit befindet sich also in der Messvorrichtung ein zweiter Temperatursensor, welcher durch die Redundanz die Zuverlässigkeit der Messung erhöht und gleichzeitig auch eine Korrektur der Messung des ersten Sensors erlaubt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein Heizelement im Gehäuse vorgesehen ist, und dass mindestens der Temperatursensor und das Heizelement der Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Mediums dienen. Für die thermische Durchflussmessung werden üblicherweise zwei Temperatursensoren verwendet. Der sog. passive Temperatursensor misst die Temperatur des Mediums und der sog. aktive Sensor wird von einem Heizelement beheizt und misst die Temperatur, die sich durch die Beheizung und durch die entsprechende Abkühlung durch das fließende Medium ergibt. Für diese Anwendung ist es auch sehr vorteilhaft, wenn der Temperatursensor möglichst optimal in Kontakt mit dem Medium kommt. Umgekehrt handelt es sich also um ein thermisches Durchflussmessgerät, bei welchem mindestens ein Temperatursensor entsprechend den obigen Ausgestaltungen am Messrohr angebracht ist.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Temperatursensor und das Heizelement in Richtung der Senkrechten des Bodens des Gehäuses übereinander angeordnet sind. Der Sensor und das Heizelement liegen also übereinander.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen dem Temperatursensor und dem Heizelement mindestens eine elektrische Isolationsschicht angebracht ist. Der Sensor und das Element sind somit galvanisch voneinander getrennt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine stilisierte Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: eine erste Variante der Befestigung an der Innenwandung, hier in Verbindung mit einem Heizelement,
3: eine weitere Variante der Befestigung, hier mit Thermoelementen als Zuleitungen, und
4: eine weitere Variante der Befestigung des Temperatursensors.
1 zeigt die erfindungsgemäße Messvorrichtung. Das Gehäuse 1 ist hier ein unten mit einem Boden 6 verschlossenes zylindrisches Rohr 5, welches mit dem – hier nicht dargestellten – Medium in Berührung kommt. Die eigentliche Temperaturmessung wird durch den Temperatursensor 2 vorgenommen. Dieser ist über die Lotschicht 4 direkt an der Innenseite des Gehäuses 1 bzw. des Bodens 6 angebracht. Somit ist eine hohe mechanische Stabilität gegeben und der thermische Kontakt zwischen dem Sensor 2 und dem Medium ist gegenüber vielen bisher bekannten Ausführungen verbessert. Weiterhin ist der Sensor 2 derartig an der Innenseite angebracht, dass seine größte wirksame Fläche in Kontakt mit dem Medium kommen kann. Ein Ausfüllen der Hohlräume in dem Gehäuse 1 ist nicht mehr oder nur noch begrenzt notwendig, wobei auch einfach zu handhabende Materialien – z.B. Vergüsse – unabhängig von bestimmten thermophysikalischen Materialdaten verwendet werden können. Die Ansprechzeiten dieser Messvorrichtung auf Temperaturänderungen des Messmediums sind signifikant kürzer als bei den meisten vergleichbaren konventionellen Thermometerkonstruktionen. Der sog. statisch-thermische Messfehler, d.h. die Beeinflussung der Sensortemperatur bei kurzen Thermometereintauchtiefen durch die Umgebungstemperatur, wird aufgrund der deutlich verbesserten thermischen Kopplung des Sensors an das Medium vermindert.
In der 2 befindet sich in Richtung der Senkrechten des Bodens oberhalb des Temperatursensors 2 ein Heizelement 8. Beide sind galvanisch durch eine Isolationsschicht 10 voneinander getrennt. Für den Sensor 2 und das Element 8 ist jeweils eine eigene Zuleitung 3 vorgesehen. Der thermische Kontakt zwischen dem Sensor 2 und der Spitze des Gehäuses 1 wird durch das Federelement 7 erzeugt, welches den Sensor 2 mit der Kraft F gegen die Innenwandung des Gehäuses 1 drückt. Über den beheizten Temperatursensor 2 lässt sich beispielsweise der Durchfluss eines – hier nicht dargestellten – Mediums bestimmen, indem quasi die strömungsabhängige Abkühlung der Anordnung durch das Medium/Fluid über die Messung der Temperaturänderung des erhitzten Sensors 2 gemessen wird.
In der 3 ist zum einen eine Ausgestaltung der Befestigung der Sensoreinheit 2 und zum anderen eine Ausgestaltung der Zuleitungen 3 dargestellt. Hier fungieren das Lot 4 und/oder ein Kleber 9 als Befestigungsmaterial für den Temperatursensor 2 und zugleich als Füllung/Verguss des Gehäuses 1. In einer alternativen Ausgestaltung ist der Temperatursensor 2 von einem Verguss- oder Füllmaterial umgeben. Die Zuleitungen 3 bestehen hier aus jeweils zwei unterschiedlichen Materialen oder Legierungen. Eine passende – hier nicht dargestellte – Auswerteelektronik wertet den daher auftretenden Seebeck-Effekt (Thermoelement) aus und kann somit eine Überwachung über diese zusätzliche Temperaturmessung zur Selbstvalidierung durchführen. Alternativ ist ein zweiter Temperatursensor ebenfalls an der Innenseite des Gehäuses 1, beispielsweise an der Wandung angebracht.
In der 4 ist der Temperatursensor 2 ein Bestandteil des Bodens 6 des Gehäuses 1. Im vergrößerten Ausschnitt A ist angedeutet, dass die Verbindung zwischen Sensor 2 und Gehäuse 1 über Schraubung, Klebung oder über Löten/Schweißen möglich ist.

1: Gehäuse
2: Temperatursensor
3: Anschlussleitung
4: Lot
5: Röhre
6: Boden
7: Federelement
8: Heizelement/Temperatursensor
9: Kleber
10: Isolationsschicht

Claims

Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Mediums, mit mindestens einem Gehäuse (1), und mit mindestens einem Temperatursensor (2), wobei der Temperatursensor (2) direkt an der Innenseite des Gehäuses (1) befestigt ist und/oder zumindest teilweise ein Bestandteil des Gehäuses (1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (1) derartig ausgestaltet ist, dass das Gehäuse (1) das Eindringen des Mediums in den Innenraum des Gehäuses (1) verhindert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Gehäuse (1) um eine Röhre (5) handelt, welche zumindest an einem Ende mit zumindest einem Boden (6) verschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Temperatursensor (2) direkt an der Innenseite des Bodens (6) befestigt ist und/oder ein Bestandteil des Bodens (6) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (2) mit seiner größten wirksamen Fläche direkt an der Innenseite des Gehäuses (1) befestigt ist und/oder ein Bestandteil des Gehäuses (1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (2) mit der Innenseite des Gehäuses (1) verlötet und/oder verschweißt und/oder verklebt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (2) über ein Federelement (7) an der Innenseite des Gehäuses (1) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (2) in Dünnschichttechnik auf der Innenseite des Gehäuses (1) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (2) ein Widerstandselement mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten oder ein temperaturempfindliches Halbleiterelement ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Anschlussleitung (3) für den Temperatursensor (2) vorgesehen ist, und wobei es sich bei der Anschlussleitung (3) um ein Thermoelement handelt.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens ein Heizelement (8) im Gehäuse (1) vorgesehen ist, und wobei mindestens der Temperatursensor (2) und das Heizelement (8) der Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Mediums dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Temperatursensor (2) und das Heizelement (8) in Richtung der Senkrechten des Bodens (6) des Gehäuses (1) übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei zwischen dem Temperatursensor (2) und dem Heizelement (8) mindestens eine elektrische Isolationsschicht (10) angebracht ist.