DE102009056699B4 - Autonomer Temperaturtransmitter - Google Patents
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Abstract
Autonomer Temperaturtransmitter, der teilweise in ein Prozeßgefäß (20) hineinragt, in dem ein Prozeßmedium (21) eingeschlossen ist, dessen Temperatur gemessen werden soll, und dessen aus dem Prozeßgefäß (20) herausragender Teil (10) eine Elektronikkomponente (11) aufnimmt, wobei in dem in das Prozessgefäß (20) hineinragenden Teil ein Sensor (14) angeordnet ist, wobei zur Speisung der Elektronikkomponente (11) ein thermoelektrischer Wandler (32) über mindestens ein thermisches Leitelement (33) zwischen einem inneren thermischen Koppelelement (31) und einem äußeren thermischen Koppelelement (34) in thermischer Wirkverbindung stehend angeordnet ist, wobei das innere thermische Koppelelement (31) thermisch an das Prozeßmedium (21) angekoppelt ist und das äußere thermische Koppelelement (34) von der Umgebungsluft umspült ist, wobei der thermoelektrische Wandler (32) und alle thermischen Leitelemente (33) in einem rohrförmigen Gehäuse (12) untergebracht sind.
Description
- Die Erfindung betrifft einen autonomen Temperaturtransmitter zum Einsatz in verfahrenstechnischen Anlagen.
- Derartige autonome Temperaturtransmitter sind dadurch gekennzeichnet, dass Daten und Informationen drahtlos versendet werden können und die nötige Energie zur Versorgung des Feldgerätes ohne Drahtverbindung zu einer Einspeisestelle zur Verfügung steht. Während für die drahtlose Kommunikation die für sich bekannte Funknetz-Technologie zur Verfügung steht, ist die autonome Energieversorgung unter industriellen Anforderungen problematisch. Das trifft auch auf in der Industrie in großem Umfang eingesetzte Temperaturtransmitter zu. Stand der Technik ist der Einsatz von Batterien, um eine autonome Energieversorgung zu ermöglichen. Dies erfordert jedoch eine regelmäßige Überwachung. Der Austausch verbrauchter Batterien ist aufwendig und oft auch kostenintensiv und wird daher von den Betreibern nicht akzeptiert.
- Darüber hinaus ist aus der
DE 10 2007 051 672 A1 eine Einrichtung zur Energieversorgung von Mess- und Sendeeinrichtungen bekannt, die den Energiegehalt des Mediums, dessen Temperatur gemessen werden soll, ausnutzt. Dabei wird die benötigte elektrische Energie für die Elektronik durch einen thermoelektrischen Generator (TEG) aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Medium und der Umgebung erzeugt. - Der Einsatz der bekannten Lösungen stößt jedoch in einem industriellen Umfang schnell an ihre Grenzen. Der zur Verfügung stehende Bauraum ist begrenzt, die Funktionssicherheit muss auch in explosionsgefährdeter Umgebung oder in Gegenwart aggressiver Gase gewährleistet sein. Die bislang bekannten Konstruktionen bieten hierfür noch keine Möglichkeit. Vor allem modulare Anklemm-Lösungen, wie sie aus der
WO 2008/042073 A2 - Aus der
DE 10 2004 005 151 A1 ist eine Sensoreinrichtung bekannt, die in einem rohrförmigen Gehäuse untergebracht ist und aus einem thermoelektrischen Generator gespeist ist. Dabei ist der thermoelektrische Generator aus einem thermischen Leitelement gebildet, das als flexibler Folienstreifen ausgebildet ist und wechselseitig mit Thermoelementen bestückt, die in Reihe geschaltet sind und somit eine verwertbare Thermospannung liefern. - Schließlich ist aus der
DE 10 2007 056 150 A1 ein Sensorsystem mit einem thermoelektrischen Wandler zu seiner Speisung bekannt, der bei Einwirken eines Temperaturgefälles eine elektrische Spannung erzeugt, mit einem Trägerelement, das einen Wärmeleitkern aufweist, der den Sensor und den thermoelektrische Wandler thermisch an das die Messgröße darstellende Prozeßmedium koppelt. Die Bauform dieses Prüfmittels genügt nachteiligerweise nicht den Anforderungen an die Messgenauigkeit und die Ansprechzeiten im industriellen Bereich. - Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Speiseeinrichtung für einen autonomen Temperaturtransmitter anzugeben, die bei hoher Energieausbeute den rauhen Umgebungsbedingungen im industriellen Umfeld standhält.
- Die Erfindung geht von einem Temperaturtransmitter aus, der teilweise in ein Prozeßgefäß hineinragt, in dem ein Prozeßmedium eingeschlossen ist, dessen Temperatur gemessen werden soll, und dessen aus dem Prozeßgefäß herausragender Teil eine Elektronikkomponente aufnimmt.
- Erfindungsgemäß ist zur Speisung der Elektronikkomponente ein thermoelektrischer Wandler mit mindestens einem thermischen Leitelement zwischen einem inneren thermischen Koppelelement und einem äußeren thermischen Koppelelement in thermischer Wirkverbindung stehend angeordnet, wobei das innere thermische Koppelelement thermisch an die physikalische Größe Temperatur des Prozeßmediums angekoppelt ist und das äußere thermische Koppelelement von der Umgebungsluft umspült ist und an deren physikalische Größe Temperatur ankoppelt. Dabei nimmt die Temperatur jedes Koppelements etwa die Temperatur des jeweils umgebenden Mediums an.
- Durch die intensive thermische Kopplung an die Umgebungsluft einerseits und das Prozeßmedium andererseits wird am thermoelektrischen Wandler ein hoher Temperaturgradient und damit eine hohe Energieausbeute erreicht.
- Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das äußere thermische Koppelelement von dem Prozeßgefäß beabstandet. Dadurch wird der Wärmeaustausch zwischen dem Prozeßgefäß und dem äußeren thermischen Koppelelement durch Wärmeleitung und/oder Konvektion und/oder Strahlung vermindert und der Temperaturgradient erhöht.
- Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind der thermoelektrische Wandler und alle thermischen Leitelemente in einem rohrförmigen Gehäuse untergebracht. Vorteilhafterweise ist der thermoelektrische Wandler gegenüber den rauhen Umgebungsbedingungen im industriellen Umfeld geschützt.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
-
1 eine Prinzipdarstellung eines Temperaturtransmitters mit einem gefäßnahen thermoelektrischen Wandler -
2 eine Prinzipdarstellung eines Temperaturtransmitters mit einem gefäßfernen thermoelektrischen Wandler -
3 eine Prinzipdarstellung eines Temperaturtransmitters mit einem thermoelektrischen Wandler zwischen beidseitig angeordneten thermischen Leitelementen - In der
1 ist ein Temperaturtransmitter mit einem gefäßnahen thermoelektrischen Wandler im Umfang der erfindungswesentlichen Mittel teilweise geschnitten dargestellt. Der Temperaturtransmitter umfasst ein nach außen offenes Schutzrohr13 , das in ein Prozeßgefäß20 hineinragt, in dem ein Prozeßmedium21 eingeschlossen ist. Der Temperaturtransmitter umfasst ferner einen Kopf10 , in dem eine Elektronikkomponente11 untergebracht ist. Die Elektronikkomponente11 ist mit einem Sensor14 verbunden, der im Inneren des Schutzrohres13 an dessen geschlossenen Ende angeordnet ist. - Die Elektronikkomponente
11 ist von einem thermoelektrischen Wandler32 gespeist. Der thermoelektrischen Wandler32 ist mit einem thermischen Leitelement33 zwischen einem inneren thermischen Koppelelement31 und einem äußeren thermischen Koppelelement34 in thermischer Wirkverbindung stehend angeordnet. - Das innere thermische Koppelelement
31 ist als massives Einpressteil aus thermisch gut leitfähigem Material, insbesondere Aluminium oder Kupfer, ausgeführt und in das Prozeßgefäß20 hineinragend thermisch an die physikalische Größe Temperatur des Prozeßmediums21 angekoppelt. - Das äußere thermische Koppelelement
34 ist als gerippter Kühlkörper ausgebildet von der Umgebungsluft umspült und somit an deren physikalische Größe Temperatur ankoppelt. Der Kühlkörper ist um die Länge des Halsrohres12 von dem Prozeßgefäß20 beabstandet. - Der thermoelektrische Wandler
32 weist eine dem Kopf10 zugewandte Kopfseite und eine dem Prozeßgefäß20 zugewandte Gefäßseite auf. - In einer ersten Ausführungsform der Erfindung liegt die Gefäßseite des thermoelektrischen Wandlers
32 unmittelbar auf dem inneren thermischen Koppelelement31 und die Kopfseite ist über thermische Leitelemente33 mit dem äußeren thermischen Koppelelement34 verbunden. Die thermischen Leitelemente33 sind vorzugsweise als für sich bekannte Wärmeleitrohre oder sogenannte Heatpipes ausgebildet. Dabei sind die Temperatur der Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers32 etwa gleich der Umgebungstemperatur des Kühlkörpers und die Temperatur der Gefäßseite etwa gleich der Temperatur des Prozeßmediums21 . - Der thermoelektrische Wandler
32 und die thermischen Leitelemente33 sind in einem für sich bekannten Halsrohr12 untergebracht. Das Halsrohr12 ist mit dem Schutzrohr13 und dem Kühlkörper34 gegenüber der Umgebung abgedichtet, so dass in seinem Inneren ein geschützter Raum gegenüber den rauhen Umgebungsbedingungen im industriellen Umfeld entsteht. - In besonders vorteilhafter Weise macht die Erfindung von den vorhandenen Mitteln eines Temperaturtransmitters für den Hochtemperaturbereich Gebrauch. Bei diesen Temperaturtransmittern ist der Kopf
10 stets über ein Halsrohr12 mit dem Schutzrohr13 verbunden, um die Elektronikkomponente11 vor der Temperatur des Prozeßgefäßes20 zu schützen. Bei kopfnaher Montage des Kühlkörpers34 am kopfseitigen Ende des Halsrohres12 ist steigert die dabei auftretende Temperaturdifferenz zum Prozeßgefäß20 sowie dem Prozeßmediums21 die Energieausbeute des thermoelektrischen Wandlers32 . - In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel in
2 ein Temperaturtransmitter mit einem kopfnahen thermoelektrischen Wandler32 im Umfang der erfindungswesentlichen Mittel teilweise geschnitten dargestellt. Dabei ist die Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers32 unmittelbar mit dem als Kühlkörper ausgebildeten äußeren thermischen Koppelelement34 verbunden, während die Gefäßseite des thermoelektrischen Wandlers32 über thermische Leitelemente33 mit dem inneren thermischen Koppelelement31 verbunden ist. Die thermischen Leitelemente33 sind vorzugsweise als für sich bekannte Wärmeleitrohre oder sogenannte Heatpipes ausgebildet. Dabei sind die Temperatur der Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers32 etwa gleich der Umgebungstemperatur des Kühlkörpers und die Temperatur der Gefäßseite etwa gleich der Temperatur des Prozeßmediums21 . - In einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel in
3 ein Temperaturtransmitter mit einem kopfnahen thermoelektrischen Wandler32 im Umfang der erfindungswesentlichen Mittel teilweise geschnitten dargestellt. Dabei ist sowohl die Gefäßseite als auch die Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers32 über thermische Leitelemente33 mit dem zugehörigen thermischen Koppelelement31 oder34 verbunden. So ist die Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers32 über thermische Leitelemente33 mit dem als Kühlkörper ausgebildeten äußeren thermischen Koppelelement34 verbunden, während die Gefäßseite des thermoelektrischen Wandlers32 über thermische Leitelemente33 mit dem inneren thermischen Koppelelement31 verbunden ist. Die thermischen Leitelemente33 sind vorzugsweise als für sich bekannte Wärmeleitrohre oder sogenannte Heatpipes ausgebildet. Dabei sind die Temperatur der Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers32 etwa gleich der Umgebungstemperatur des Kühlkörpers und die Temperatur der Gefäßseite etwa gleich der Temperatur des Prozeßmediums21 . - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Kopf
- 11
- Elektronikkomponente
- 12
- Halsrohr
- 13
- Schutzrohr
- 14
- Sensor
- 20
- Prozeßgefäß
- 21
- Prozeßmedium
- 31
- inneres thermisches Koppelelement
- 32
- thermoelektrischer Wandler
- 33
- thermisches Leitelement
- 34
- äußeres thermisches Koppelelement
Claims (2)
- Autonomer Temperaturtransmitter, der teilweise in ein Prozeßgefäß (
20 ) hineinragt, in dem ein Prozeßmedium (21 ) eingeschlossen ist, dessen Temperatur gemessen werden soll, und dessen aus dem Prozeßgefäß (20 ) herausragender Teil (10 ) eine Elektronikkomponente (11 ) aufnimmt, wobei in dem in das Prozessgefäß (20 ) hineinragenden Teil ein Sensor (14 ) angeordnet ist, wobei zur Speisung der Elektronikkomponente (11 ) ein thermoelektrischer Wandler (32 ) über mindestens ein thermisches Leitelement (33 ) zwischen einem inneren thermischen Koppelelement (31 ) und einem äußeren thermischen Koppelelement (34 ) in thermischer Wirkverbindung stehend angeordnet ist, wobei das innere thermische Koppelelement (31 ) thermisch an das Prozeßmedium (21 ) angekoppelt ist und das äußere thermische Koppelelement (34 ) von der Umgebungsluft umspült ist, wobei der thermoelektrische Wandler (32 ) und alle thermischen Leitelemente (33 ) in einem rohrförmigen Gehäuse (12 ) untergebracht sind. - Autonomer Temperaturtransmitter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das äußere thermische Koppelelement (
34 ) von dem Prozeßgefäß (20 ) beabstandet ist.
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