DE102010020779B4

DE102010020779B4 - Autonomer Temperaturtransmitter

Info

Publication number: DE102010020779B4
Application number: DE102010020779A
Authority: DE
Inventors: Holger KAUL; Dr. Wetzko Manfred; Dr. Ulrich Marco; Dr.-Ing. Krippner Peter; Dr. Nenninger Philipp; Dr.-Ing. Huck Ralf; Dr. Maret Yannick
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2030-05-20
Also published as: DE102010020779A1

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 und der zur Speisung einen thermoelektrischen Wandler (322) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Wandler (322) einseitig fixiert unter der Kraft mindestens einer Feder (324) parallel zu mindestens einem thermischen Aktuator (35) auf den Wärmeträger (31), dessen Temperatur den Bereich der zulässigen Betriebstemperaturen des Wandlers (322) verlassen kann, aufgespannt ist, wobei der thermische Aktuator (35) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Wandler (322).

Description

Die Erfindung betrifft einen autonomen Temperaturtransmitter zum Einsatz 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, ausnutzen. Dabei wird die benötigte elektrische Energie für die Elektronik durch einen thermoelektrischen Generator (TEG) aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Medium und der Umgebung erzeugt. Dabei kommen neben konventionellen TEGs auch Dünnschicht-TEGs, beispielsweise in Folienform, oder Mikro-TEGs zum Einsatz.
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 bekannt sind, sind unzureichend im eigentlichen Messgerät oder Feldinstrument integriert.
Aus der DE 60 2004 003 652 T2 ist ein Abgasemissionskontrollelement mit einem Generator bekannt, der in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases mit einem Kühlmittel umströmt wird.
In der US 3,111,432 ist ein Thermoelement beschrieben, das in Abhängigkeit von der Temperatur seine Form ändert.
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 Sicherheitsanforderungen im industriellen Bereich. Bei hohen Temperaturen des Prozeßmediums besteht die Gefahr der Zerstörung des thermoelektrischen Wandlers durch Überschreitung dessen zulässiger Betriebsparameter.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Speiseeinrichtung für einen autonomen Temperaturtransmitter mit einem thermoelektrischen Wandler anzugeben, der bei hoher Energieausbeute vor hohen Temperaturen des Prozeßmediums geschützt ist.
Die Erfindung geht aus von einem Temperaturtransmitter aus, der teilweise in ein Prozeßgefäß hineinragt, in dem ein Prozeßmedium eingeschlossen ist, dessen Temperatur gemessen werden soll, dessen aus dem Prozeßgefäß herausragender Teil eine Elektronikkomponente aufnimmt und der zur Speisung einem thermoelektrischen Wandler aufweist.
Erfindungsgemäß ist der thermoelektrische Wandler einseitig fixiert unter der Kraft mindestens einer Feder parallel zu mindestens einem thermischen Aktuator auf den Wärmeträger, dessen Temperatur den Bereich der zulässigen Betriebstemperaturen des Wandlers verlassen kann, aufgespannt, wobei der thermische Aktuator einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Wandler.
Während des Normalbetriebs im Bereich der zulässigen Betriebstemperaturen des Wandlers wird durch die intensive thermische Kopplung an die Umgebungsluft einerseits und das Prozeßmedium andererseits am thermoelektrischen Wandler ein hoher Temperaturgradient und damit eine hohe Energieausbeute erreicht.
Sofern die Temperatur den Bereich der zulässigen Betriebstemperaturen des Wandlers verlässt, bewirkt die gegenüber dem Wandler progressive Ausdehnung des thermischen Aktuators die Eröffnung eines Luftspalts zwischen dem Wandler und dem übertemperierten Wärmeträger. Dadurch wird der thermische Übergangswiderstand zwischen dem Wärmeträger und dem Wandler erhöht und damit der Wandler vor unzulässigen Temperaturen geschützt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der thermische Aktuator gegenüber dem thermoelektrischen Wandler exzentrisch angeordnet. Bei zunehmender Erwärmung über die zulässigen Betriebstemperaturen des Wandlers hinaus wird der Wandler gegenüber dem Wärmeträger gekippt und dadurch ein Luftspalt erzeugt.
Nach einem alternativen Merkmal der Erfindung ist der thermische Aktuator gegenüber dem thermoelektrischen Wandler konzentrisch angeordnet. Bei zunehmender Erwärmung über die zulässigen Betriebstemperaturen des Wandlers hinaus wird der Wandler unter Bildung eines Luftspalts axial vom Wärmeträger abgehoben 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 Detaildarstellung einer Wandlerbaugruppe in Ruhelage
3 eine Detaildarstellung der Wandlerbaugruppe nach 2 in Arbeitslage
4 eine Detaildarstellung einer alternativen Wandlerbaugruppe in Ruhelage
5 eine Detaildarstellung der Wandlerbaugruppe nach 4 in Arbeitslage
In der 1 ist ein Temperaturtransmitter mit einem thermoelektrischen Wandler teilweise geschnitten dargestellt. Der Temperaturtransmitter umfasst ein nach außen offenes Schutzrohr 13, das in ein Prozeßgefäß 20 hineinragt, in dem ein Prozeßmedium 21 eingeschlossen ist. Der Temperaturtransmitter umfasst ferner einen Kopf 10, in dem eine Elektronikkomponente 11 untergebracht ist. Die Elektronikkomponente 11 ist mit einem Sensor 14 verbunden, der im Inneren des Schutzrohres 13 an dessen geschlossenen Ende angeordnet ist.
Die Elektronikkomponente 11 ist von einem thermoelektrischen Wandler gespeist, der in einer Wandlerbaugruppe 32 untergebracht ist. Die Wandlerbaugruppe 32 ist mit einem thermischen Leitelement 33 zwischen einem Wärmeträger 31 und einem Kühlkörper 34 in thermischer Wirkverbindung stehend angeordnet. Die thermischen Leitelemente 33 sind vorzugsweise als für sich bekannte Wärmeleitrohre oder sogenannte Heatpipes ausgebildet. Dabei sind die kopfseitige Temperatur der Wandlerbaugruppe 32 etwa gleich der Umgebungstemperatur des Kühlkörpers und die gefäßseitige Temperatur etwa gleich der Temperatur des Prozeßmediums 21.
Der Wärmeträger 31 ist als massives Einpressteil aus thermisch gut leitfähigem Material, insbesondere Aluminium oder Kupfer, ausgeführt und in das Prozeßgefäß 20 hineinragend thermisch an die physikalische Größe Temperatur des Prozeßmediums 21 angekoppelt.
Der Kühlkörper 34 ist gerippt ausgebildet, von der Umgebungsluft umspült und somit an deren physikalische Größe Temperatur ankoppelt. Der Kühlkörper 34 ist um die Länge des Schutzrohres 13 von dem Prozeßgefäß 20 beabstandet.
In der 2 ist die Wandlerbaugruppe 32 im Umfang der erfindungswesentlichen Mittel detailiert und teilweise geschnitten dargestellt. Die Wandlerbaugruppe 32 besteht im wesentlichen aus einem Trägerelement 321 und einem darauf montierten thermoelektrischen Wandler 322. Der thermoelektrischen Wandler 322 ist unter der Kraft mindestens einer Feder 324 unter Zurhilfenahme von Schrauben 323 auf den Wärmeträger 31 aufgespannt.
Der thermoelektrische Wandler 322 weist eine dem Kopf 10 zugewandte Kopfseite und eine dem Prozeßgefäß 20 zugewandte Gefäßseite auf. Der Temperaturunterschied zwischen der Kopfseite und der Gefäßseite des thermoelektrischen Wandlers 322 ist ein Maß für dessen abgreifbare elektrische Leistung. Die Kopfseite ist in das Trägerelement 321 eingebettet. In der in 2 gezeigten Ruhelage liegt die Gefäßseite unmittelbar auf dem Wärmeträger 31 auf.
Parallel zu dem thermoelektrischen Wandler 322 ist ein thermischer Aktuator 35 zwischen dem Wärmeträger 31 und dem Trägerelement 321 angeordnet, der einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Wandler 322.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der thermische Aktuator 35 gegenüber dem thermoelektrischen Wandler 322 exzentrisch angeordnet.
Sofern die Temperatur des Wärmeträgers 31 den Bereich der zulässigen Betriebstemperaturen des Wandlers 322 gemäß der Darstellung in 3 verlässt, bewirkt die gegenüber dem Wandler 322 progressive Ausdehnung des thermischen Aktuators 35 ein Kippen des Trägerelement 321 gegenüber dem Wärmeträger 31 gegen die Kraft der Feder 324 und somit die Eröffnung eines Luftspalts 36 zwischen dem Wandler 322 und dem übertemperierten Wärmeträger 31. Dadurch wird der thermische Übergangswiderstand zwischen dem Wärmeträger 31 und dem Wandler 322 erhöht und der Wandler 322 vor unzulässigen Temperaturen geschützt.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel in 4 ein Wandler 322 dargestellt, bei dem ein konzentrisch ausgebildeter, thermische Aktuator 35 zwischen dem Trägerelement 321 und dem Wärmeträger 31 angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Aktuator 35 ringförmig ausgebildet. Alternativ kann der Aktuator 35 auch aus einer Mehrzahl von kreisförmig angeordneten Einzelelementen bestehen. In der gezeigten Ruhelage liegt die Gefäßseite des Wandlers 322 unmittelbar auf dem Wärmeträger 31 auf.
Sofern die Temperatur des Wärmeträgers 31 den Bereich der zulässigen Betriebstemperaturen des Wandlers 322 gemäß der Darstellung in 5 verlässt, bewirkt die gegenüber dem Wandler 322 progressive Ausdehnung des thermischen Aktuators 35 ein Abheben des Trägerelement 321 von dem Wärmeträger 31 gegen die Kraft der Feder 324 und somit die Eröffnung eines Luftspalts 36 zwischen dem Wandler 322 und dem übertemperierten Wärmeträger 31. Dadurch wird der thermische Übergangswiderstand zwischen dem Wärmeträger 31 und dem Wandler 322 erhöht und der Wandler 322 vor unzulässigen Temperaturen geschützt.
Der thermoelektrische Wandler 322 und die thermischen Leitelemente 33 sind in einem für sich bekannten Halsrohr 12 untergebracht. Das Halsrohr 12 ist mit dem Schutzrohr 13 und dem Kühlkörper 34 gegenüber der Umgebung abgedichtet, so dass in seinem Inneren ein geschützter Raum gegenüber den rauhen Umgebungsbedingungen im industriellen Umfeld entsteht.
Bezugszeichenliste

10: Kopf
11: Elektronikkomponente
12: Halsrohr
13: Schutzrohr
14: Sensor
20: Prozeßgefäß
21: Prozeßmedium
31: Wärmeträger
32: Wandlerbaugruppe
321: Trägerelement
322: thermoelektrischer Wandler
323: Schraube
324: Feder
33: thermisches Leitelement
34: Kühlkörper
35: thermischer Aktuator
36: Luftspalt

Claims

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 und der zur Speisung einen thermoelektrischen Wandler (322) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Wandler (322) einseitig fixiert unter der Kraft mindestens einer Feder (324) parallel zu mindestens einem thermischen Aktuator (35) auf den Wärmeträger (31), dessen Temperatur den Bereich der zulässigen Betriebstemperaturen des Wandlers (322) verlassen kann, aufgespannt ist, wobei der thermische Aktuator (35) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Wandler (322).
Autonomer Temperaturtransmitter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Aktuator (35) gegenüber dem thermoelektrischen Wandler (322) exzentrisch angeordnet ist.
Autonomer Temperaturtransmitter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Aktuator (35) gegenüber dem thermoelektrischen Wandler (322) konzentrisch angeordnet ist.
Autonomer Temperaturtransmitter nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Wandler (322) und alle thermischen Leitelemente (33) in einem rohrförmigen Gehäuse (12) untergebracht sind.