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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlegetemperaturfühlervorrichtung zum autarken Messen der Temperatur eines Wärmeenergie aufweisenden Behältnisses, umfassend ein Gehäuse zur Fixierung desselben an dem Behältnis, einen die Temperatur einer Messfläche der Außenwand des Behältnisses messenden und daran anliegenden Temperatursensor und dazugehörige im Gehäuse angeordnete Elektronik, sowie einen die Wärmeenergie einer Anzapffläche der Außenwand des Behältnisses durch Wärmestrom abführenden thermoelektrischen Generator zur Energieversorgung des Temperatursensors und der Elektronik.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf beispielsweise industrielle Anlagen, in denen beispielsweise flüssige oder gasförmige Medien in Behältnissen wie Rohren oder Tanks geführt oder gelagert werden. Um die Temperatur eines in einem solchen Behältnis enthaltenen Fluides zu bestimmen, werden im Stand der Technik Temperatursensoren eingesetzt, die entweder innerhalb einer Schutzrohrvorrichtung durch dafür vorgesehene Öffnungen in dem Behältnis invasiv in das Medium hinein verbracht werden, oder auch Temperatursensoren, die nichtinvasiv außen auf der Oberfläche des Behältnisses aufliegen, und die Temperatur dieser Oberfläche messen.
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Im allgemein bekannten Stand der Technik sind ferner solche Anlegetemperaturfühlervorrichtungen bekannt, die zusätzlich über einen thermoelektrischen Generator verfügen, welcher in geeigneten Einsatzgebieten, in denen ein genügend hoher Temperaturgradient zwischen Behältnis und Umwelt existiert, die thermische Energie des Behältnisses verwendet, um den Sensor und die mit dem Sensor verbundene Elektronik, wie beispielsweise auch Funkkommunikationssysteme, mit Strom zu versorgen. Dadurch ergibt sich ein autarkes System, welches gänzlich ohne Verbindungen beziehungsweise elektrische Leitungen mit anderen Komponenten verbunden sein kann. Nachteilhaft am bekannten Stand der Technik ist zum einen eine Wechselwirkung zwischen der wärmeabführenden Funktionsweise des thermoelektrischen Generators und der dadurch verfälschten Messfunktion des Temperatursensors, da dessen Messung durch den thermoelektrischen Generator verfälscht wird. Außerdem werden solche Anlagetemperaturfühlervorrichtungen anders als Schutzrohre nicht fest angeflanscht, da letztere gleichzeitig eine Öffnung des Behältnisses gegen das Fluid abdichten müssen, sondern normalerweise durch Befestigungselemente wie beispielsweise Schellen oder Klemmen auf das Gehäuse gepresst. Durch das Gewicht der Fühlervorrichtung, das beispielsweise durch das Kühlelement des thermoelektrischen Generators für die mechanische Stabilität relevante Beträge annehmen kann, wird bewirkt, dass die gesamte Vorrichtung, insbesondere der gegen mechanischen Druck gegebenenfalls empfindliche oder dadurch beschädigbare Temperatursensor, mit einer hohen Kraft gegen das Gehäuse gepresst werden muss.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlegetemperaturfühlervorrichtung zu schaffen, welche mechanische Schäden des Sensors durch die Befestigung vermeidet und durch Einwirkung des thermoelektrischen Generators verursachte Messfehler verringert oder verhindert.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Anlegetemperaturfühlervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Messfläche; definiert durch die Auflagefläche des Temperatursensors, zur Verringerung des Wärmeaustauschs mit der Anzapffläche, also der Fläche, von der Wärmeenergie zum thermoelektrischen Generator geleitet wird, durch einen Abstand von der Anzapffläche getrennt angeordnet ist.
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Vorteilhaft an dieser technischen Lehre ist, dass der Temperatursensor und der thermoelektrische Generator thermisch und unabhängig davon auch mechanisch voneinander getrennt beziehungsweise entkoppelt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auch zumindest über Teile des Abstandes zwischen Messfläche und Anzapffläche ein thermisches Isolationsmittel angeordnet. Dadurch wird die thermische Entkopplung der beiden Flächen weiter erhöht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die bezogen ist auf ein Behältnis in Form eines Rohres, das vorzugsweise eine gerichtete Strömung führt, ist der Temperatursensor und somit die Messfläche stromaufwärts von der Anzapffläche mit einem axialen Abstand angeordnet. Durch die Anordnung des Temperatursensors entgegen der Strömungsrichtung von der Anzapffläche aus gesehen, wird bewirkt, dass das Abführen von Wärmeenergie durch den thermoelektrischen Generator keinen Einfluss auf die Messung des Temperatursensors hat. Das Fluid passiert dann zuerst den Bereich der Messfläche und danach erst den Bereich der Anzapffläche. Außerdem ist es bei einer solchen Anordnung entlang eines Rohres besonders einfach, den Temperatursensor mit einem beispielsweise umfänglich um das Rohr verlaufenden Befestigungsmittel wie einer Schelle an dem Rohr zu befestigen, und stromabwärts davon den thermoelektrischen Generator mit Kühlelement, Gehäuse und Elektronik mit einer weiteren Schelle, gegebenenfalls mit einer höhere Kraft zum Erreichen einer höheren mechanischen Stabilität, mechanisch davon entkoppelt zu befestigen.
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Idealerweise ist der axiale Abstand zwischen Messfläche und Anzapffläche dabei größer als der Radius des Rohres. Dies verbessert insbesondere die thermische Isolierung zwischen Anzapffläche und Messfläche.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme ist der thermoelektrische Generator über ein Wärmeleitelement thermisch mit der Anzapffläche verbunden. Insbesondere, wenn auf der Außenwand des Behältnisses ein Isolationsmittel vorgesehen ist, kann somit der thermoelektrische Generator, sowie auch die Elektronik und das die Elektronik beinhaltende Gehäuse somit außerhalb des Isolationsmittels angeordnet werden, da das Wärmeleitelement den thermoelektrischen Generator durch das Isolationsmittel hindurch mit Energie versorgt. Hierbei sei angemerkt, dass die gegebenenfalls erhebliche Zeitverzögerung, die durch die Wärmeleitung des Wärmeleitelements entsteht, in der Praxis gänzlich unerheblich ist, da der thermoelektrische Generator anders als der Temperatursensor keine zeitaufgelöste Messung vornehmen soll, sondern lediglich die Wärmeenergie, die im Behältnis enthalten ist, verwerten soll. Ein solches Wärmeleitelement kann beispielsweise als Stange oder Block aus einem wärmeleitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer oder einem anderen Metall ausgebildet sein.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass insbesondere bei einem Behältnis, auf dessen Außenwand ein thermisches Isolationsmittel angeordnet ist, der auf der Messfläche des Behältnisses aufliegende Temperatursensor mit durch das Isolationsmittel führende elektrische Leitungen mit der außerhalb des Isolationsmittels angeordneten Elektronik elektrisch verbunden ist. Durch solche elektrische Leitungen kann somit die Messfläche beliebig weit von der Anzapffläche entfernt angeordnet sein.
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Eine andere, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Wärmeleitelement hohlzylinderförmig ausgebildet ist und mit einem distalen stirnseitigen Ende mit der Anzapffläche und mit einem proximalen stirnseitigen Ende mit dem thermoelektrischen Generator anliegend angeordnet ist, wobei die hohlkreisförmige Anzapffläche konzentrisch zu der Messfläche angeordnet ist. Hierdurch lässt sich insbesondere eine sehr platzsparende, kompakte Ausführungsform der Anlagetemperaturfühlervorrichtung konstruieren. Insbesondere bei Behältnissen, die über geringe Ausmaße verfügen, kann diese Bauform bevorzugt sein. Auch hier kann, wie bereits beschrieben, ein zusätzliches thermisches Isolationsmaterial ringförmig in dem radialen Abstand zwischen der mittigen Messfläche und der konzentrisch ringförmig darum angeordneten Anzapffläche angeordnet sein.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der trennende Abstand zwischen der Messfläche und der Anzapffläche zumindest teilweise entlang des Umfangs des als Rohr ausgebildeten Behältnisses vorgesehen ist. Idealerweise beträgt der Winkel zwischen Anzapffläche und Messfläche dabei wenigstens 45°, idealerweise 90° bis 180°, beziehungsweise beträgt der Abstand entlang des Umfangs mindestens ein Achtel, vorzugsweise ein Viertel oder die Hälfte des Umfangs. Auch in dieser Ausführungsform kann der thermoelektrische Generator entweder unmittelbar auf der Anzapffläche aufliegen oder durch ein Wärmeleitelement vermittelt in einem Abstand dazu angeordnet sein.
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Eine weitere Verbesserung der Erfindung sieht vor, dass der Temperatursensor und der thermoelektrische Generator, gegebenenfalls mittelbar über das Wärmeleitelement, über unabhängige Befestigungsmittel an dem Behältnis befestigt sind. Hierdurch lässt sich vor allem eine mechanische Entkopplung von dem Temperatursensor und dem restlichen Teil der Anlegetemperaturfühlervorrichtung erreichen, so dass beispielsweise der Temperatursensor durch eine geringere, mechanische Schäden vermeidende Kraft auf die Messfläche gedrückt wird.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 ein Schema einer Ausführungsform mit axialem Abstand zwischen Messfläche und Anzapffläche auf einem freiliegenden Rohr, und
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2 ein Schema einer Ausführungsform mit axialem Abstand auf einem isolierten Rohr, und
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3 ein Schema einer Ausführungsform mit hohlzylinderförmigen Wärmeleitelement, und
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4 ein Schema einer Ausführungsform mit einem Abstand entlang des Umfangs eines isolierten Rohrs.
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Gemäß 1 umfasst eine Anlegetemperaturfühlervorrichtung 1 einen Temperatursensor 2, der durch ein erstes Befestigungsmittel 3 auf die Messfläche 4 der Außenwand 5 eines ein Fluid 15 in Strömungsrichtung 16 führenden Behältnisses 6 in Form eines Rohres angedrückt wird. Der Temperatursensor 2 ist durch eine elektrische Leitung 7 mit einer Elektronik 8 verbunden, die in einem Gehäuse 9 angeordnet ist. Insbesondere überbrückt die elektrische Leitung 7 dabei einen axial mit dem Rohr 6 verlaufenden Abstand 10. Im Bereich des Gehäuses 9 angeordnet ist ferner ein thermoelektrischer Generator 11, welcher mit einer Seite auf der Anzapffläche 12 der Außenwand 5 des Rohres 6 und mit einer anderen Seite an einem Kühlkörper 13 anliegt, zur Erzeugung eines Temperaturgradienten und zum Ausnutzen dieses Gradienten zur Erzeugung von Strom zum Betrieb der Elektronik 8 und des Temperatursensors 2. Insbesondere sind das Gehäuse 9 und der thermoelektrische Generator 11 durch weitere Verbindungsmittel 3a, 3b mittelbar mit dem Rohr 6 verbunden. Der Abstand zwischen dem Temperatursensor 2 beziehungsweise der Messfläche 4 und dem thermoelektrischen Generator 11 beziehungsweise der Anzapffläche 12 beträgt dabei ein Vielfaches der Hälfte des Durchmessers 14, also des Radius, des Rohres 6. Temperatursensor 2 und thermoelektrischer Generator 11 beziehungsweise Messfläche 4 und Anzapffläche 12 sind somit sowohl mechanisch als auch thermisch weitgehend entkoppelt.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlegetemperaturfühlervorrichtung 1, in dem im Unterschied zum vorigen Beispiel ein thermisches Isoliermittel 17 umfänglich um das Behältnis in Form eines Rohres 6 angebracht ist. Die im Gehäuse 9 angeordnete Elektronik 8 ist durch eine durch das Isolationsmittel 17 führende elektrische Leitung 7 mit dem Temperatursensor 2 verbunden, und der thermoelektrische Generator 11 ist durch ein Wärmeleitelement 18 in Form eines Kupferzylinders mit der Anzapffläche 12 auf der Außenwand 5 des Rohres 6 verbunden. Auch hier werden Temperatursensor 2 und thermoelektrischer Generator 11 beziehungsweise Wärmeleitelement 18 durch verschiedene Befestigungsmittel 3; 3a in Form von Schellen befestigt. Der axiale Abstand 10 zwischen Anzapffläche 12 und Messfläche 4 beträgt wie zuvor ein Vielfaches des Radius, also des halben Durchmessers 14, des Rohres 6.
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3 zeigt eine Anlegetemperaturfühlervorrichtung 1, bei der ein hohlzylinderförmiges Wärmeleitelement 18 durch Befestigungsmittel 3 in Form einer Schelle auf die Außenwand 5 eines Behältnisses 6 in Form eines Rohres gepresst wird, welches eine Wandstärke 19 besitzt. Das Wärmeleitelement 18 ist dabei konzentrisch um die durch Auflage des Temperatursensors 2 definierte Messfläche 4 angeordnet, wobei der radiale Abstand 10 des Bereiches zwischen Messfläche 4 und durch Anlage durch das Wärmeleitelement 18 definierten Anzapffläche 12 größer ist als die Wandstärke 19 des Rohres 6. In dem freien Abstand 10 zwischen Temperatursensor 2 und Wärmeleitelement 12 ist ferner zur weiteren thermischen Isolierung ein Isolationsmittel 17 angeordnet. Die Befestigung des Temperatursensors 2 geschieht über ein nicht dargestelltes wärmeleitfähiges Klebemittel, welches insbesondere nur vernachlässigbaren mechanischen Belastungen standhalten können muss. Auf dem Wärmeleitelement 18 angeordnet sind aufeinanderfolgend ein thermoelektrischer Generator 11, darauf dessen Kühlmittel 13 zur Erzeugung eines hohen Temperaturgradienten, und darauf das Gehäuse 9 mit der den Temperatursensor 2 betreibenden und die Messergebnisse per Funk weitergebenden Elektronik 7. Bei dieser Ausführungsform kann insbesondere besonders platzsparend die Temperatur autark, mechanisch stabil und weitegehend fehlerfrei gemessen werden.
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In 4 ist der Querschnitt senkrecht zu der Achse eines Behältnisses 6 in Form eines Rohres durch dieses Rohr 6 und die darauf angebrachte Anlegetemperaturfühlervorrichtung 1 dargestellt. Umfänglich um das Rohr 6 ist ein thermisches Isolierungsmittel 17a vorgesehen. Ein umfänglich um dieses Isolierungsmittel 17a verlaufendes Befestigungsmittel 3 in Form einer Klemme drückt die gesamte Anlegetemperaturfühlervorrichtung 1, insbesondere Wärmeleitelement 18 und Temperatursensor 2, auf die Außenwand 5 des Rohres 6. Die dadurch erzeugte Messfläche 4 und die Anzapffläche 12 sind hier insbesondere um einen Winkel von nahezu 180° beziehungsweise einen Abstand 10 von fast der Hälfte des Umfangs des Rohrs 6 gegenüberliegend voneinander getrennt. Eine von dem Temperatursensor 2 verlaufende elektrische Leitung 7 dient zur Stromversorgung und zur Kommunikation zwischen Temperatursensor 2 und Steuerelektronik 8, während ein durch das Isolationsmittel 17 geführtes Wärmeleitelement 18 die thermische Energie des Rohres 6 für den thermoelektrischen Generator 11 bereitstellt.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass der Abstand entlang des Umfangs zwischen Anzapffläche und Messfläche nur ein Viertel und nicht die Hälfte des Umfangs des Rohres beträgt. Auch ist es möglich, dass das Behältnis nicht als Rohr sondern als Gefäß mit darin ruhend gelagertem Fluid ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anlegetemperaturfühlervorrichtung
- 2
- Temperatursensor
- 3
- Befestigungsmittel
- 4
- Messfläche
- 5
- Außenwand
- 6
- Behältnis
- 7
- elektrische Leitung
- 8
- Elektronik
- 9
- Gehäuse
- 10
- Abstand
- 11
- thermoelektrischer Generator
- 12
- Anzapffläche
- 13
- Kühlkörper
- 14
- Durchmesser
- 15
- Fluid
- 16
- Strömungsrichtung
- 17
- Isolierungsmittel
- 18
- Wärmeleitelement
- 19
- Wandstärke
