DE102015000728B4 - Temperature determination device with calibration sensor and method for this purpose - Google Patents

Temperature determination device with calibration sensor and method for this purpose Download PDF

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Abstract

Temperaturbestimmungseinrichtung (1) zur Bestimmung einer Oberflächentemperatur (TO) einer Oberfläche (2), die in einer Umgebung (5) mit einer Umgebungstemperatur (12) (TU) angeordnet ist, umfassend – einen thermisch an die Umgebung (5) gekoppelten, auf der Oberfläche (2) aufliegenden Oberflächentemperatursensor (4), zur Messung einer zwischen der Oberflächentemperatur (TO) und der Umgebungstemperatur (12) (TU) liegenden Mischtemperatur (3) (TM), – eine elektronische Recheneinheit (8) zur Auswertung des Oberflächentemperatursensors (4), dadurch gekennzeichnet, dass – ein thermisch von der Umgebung (5) isolierter, mit der Recheneinheit (9) verbundener Kalibrierungssensor (9) vorhanden ist, zur Messung einer Kalibrierungsoberflächentemperatur (11, 11a) (TOKAL), sowie – dadurch, dass auf der Recheneinheit (8) ausführbare Rechenanweisungen zur Errechnung einer Oberflächentemperaturnäherung (TON) hinterlegt sind, wobei die Rechenanweisungen eine, von einem Verhältnis einer Kalibrierungsmischtemperatur (13) (TMKAL) zu einer zugeordneten Kalibrierungsoberflächentemperatur (11a) (TOKAL) bei gleicher Oberflächentemperatur (TO) abhängige, Abbildung der gemessenen Mischtemperatur (3) (TM) auf die Oberflächentemperaturnäherung (TON) beinhalten.Temperature determination device (1) for determining a surface temperature (TO) of a surface (2) arranged in an environment (5) with an ambient temperature (12) (TU), comprising - a thermally coupled to the environment (5) on which Surface temperature sensor (4) resting on the surface (2), for measuring a mixing temperature (3) (TM) lying between the surface temperature (TO) and the ambient temperature (12) (TU), - an electronic computing unit (8) for evaluating the surface temperature sensor (4 ), characterized in that - a calibration sensor (9) thermally isolated from the environment (5) and connected to the arithmetic unit (9) is provided for measuring a calibration surface temperature (11, 11a) (TOKAL), and - in that the arithmetic unit (8) executable arithmetic instructions for calculating a surface temperature approximation (TON) are stored, wherein the arithmetic instructions a, from a ratio a r calibration mixing temperature (13) (TMKAL) to an associated calibration surface temperature (11a) (TOKAL) at same surface temperature (TO) dependent mapping of the measured mixing temperature (3) (TM) to the surface temperature approximation (TON).

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturbestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer Oberflächentemperatur einer Oberfläche, die in einer Umgebung mit einer Umgebungstemperatur angeordnet ist, umfassend einen thermisch an die Umgebung gekoppelten, auf der Oberfläche aufliegenden Oberflächentemperatursensor, zur Messung einer zwischen der Oberflächentemperatur und der Umgebungstemperatur liegenden Zwischentemperatur und eine elektronische Recheneinheit zur Auswertung des Oberflächentemperatursensors.The invention relates to a temperature determination device for determining a surface temperature of a surface, which is arranged in an environment with an ambient temperature comprising a surface temperature sensor thermally coupled to the environment, lying on the surface, for measuring an intermediate temperature between the surface temperature and the ambient temperature and an electronic Arithmetic unit for evaluation of the surface temperature sensor.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Temperaurbestimmungseinrichtungen, bei denen ein Oberflächentemperatursensor auf einer Oberfläche aufliegt, um deren Temperatur zu bestimmen. Dabei kann die Oberfläche beispielsweise zu einer Rohrleitung zum Fluidtransport oder zu einem Behältnis zur Fluidaufbewahrung gehören. Idealerweise sollte ein solcher Oberflächentemperatursensor genau die Temperatur der Oberfläche annehmen, auf der er aufliegt; und außerdem sollte der Oberflächentemperatursensor beziehungsweise die damit verbundene Messeinrichtung keinen Einfluss auf die Temperatur der Oberfläche haben.The field of application of the invention extends to temperature-determining devices in which a surface temperature sensor rests on a surface in order to determine its temperature. In this case, the surface may belong, for example, to a pipeline for fluid transport or to a container for fluid storage. Ideally, such a surface temperature sensor should exactly match the temperature of the surface on which it rests; In addition, the surface temperature sensor or the associated measuring device should have no influence on the temperature of the surface.

In der Praxis sind beide Voraussetzungen allerdings häufig nicht erfüllt.In practice, however, both conditions are often not met.

Zum einen existiert kaum vermeidbar eine thermisch isolierende Zwischenschicht zwischen Temperatursensor und Oberfläche, welche dazu führt, dass sich die Temperaturen von Temperatursensor und Oberfläche unterscheiden können. Diese Schicht kann beispielsweise durch Rost, Lufteinschlüsse, oder auf der Oberfläche aufgebrachtes Material entstehen.On the one hand there is hardly avoidable a thermally insulating intermediate layer between the temperature sensor and the surface, which leads to the fact that the temperatures of the temperature sensor and the surface can differ. This layer may be formed, for example, by rust, air pockets or material applied to the surface.

Ein solcher Temperaturunterschied kann entstehen, da der Temperatursensor häufig mit zur Messeeinheit gehöriger Elektronik verbunden ist, die abseits der Oberfläche und gegebenenfalls außerhalb einer zusätzlichen Isolationsschicht in der Umgebung angeordnet ist, beispielsweise um temperaturbedingte Schäden daran zu vermeiden, und um Schnittstellen wie Bedienelemente, Anzeigeelemente oder elektronische Schnittstellen von außen zugänglich zu machen. Der Temperatursensor ist insbesondere durch elektrische Verkabelung und bauliche Elemente wie ein Gehäuse elektronisch, mechanisch und infolgedessen wärmeleitend mit dieser Elektronik verbunden, da die Verkabelung und die Gehäuseelemente einen endlichen Wärmewiderstand beziehungsweise eine von Null verschiedene Wärmeleitfähigkeit besitzen. Gehäuse und Verkabelung wirken also als thermische Kopplung an die Umgebung. Häufig wird eine solche Verkabelung mit Gehäuse als Mantelleitung mit Stahlmantel ausgeführt, wobei die Leitungen in Magnesiumoxidpulver eingebettet sind. Auch wenn die Oberfläche und der darauf aufgebrachte Temperatursensor also durch eine dafür vorgesehene Isolationsschicht von der Umgebung thermisch abgekoppelt sein sollen, besteht über diese Kopplung ein Wärmeaustausch mit der Umgebung, wodurch der Temperatursensor einer Mischtemperatur zwischen der Umgebungstemperatur und der Oberflächentemperatur ausgesetzt ist und folglich wiedergibt.Such a temperature difference can arise because the temperature sensor is often connected to the measuring unit associated electronics, which is located outside the surface and optionally outside an additional insulation layer in the environment, for example, to avoid temperature-induced damage thereto, and interfaces such as controls, display elements or to make electronic interfaces accessible from outside. The temperature sensor is connected in particular by electrical wiring and structural elements such as a housing electronically, mechanically and consequently thermally conductive with this electronics, since the wiring and the housing elements have a finite thermal resistance or a non-zero thermal conductivity. Housing and wiring thus act as a thermal coupling to the environment. Often, such wiring is performed with housing as a sheathed cable with steel jacket, the lines are embedded in magnesium oxide powder. Even if the surface and the temperature sensor applied thereto should therefore be thermally decoupled from the environment by an insulation layer provided for this, heat exchange with the environment occurs via this coupling, whereby the temperature sensor is exposed to a mixing temperature between the ambient temperature and the surface temperature and consequently reproduces.

Zusätzlich bewirkt die thermische Kopplung des Temperatursensors an die Umgebung auch eine Veränderung der Temperatur der Oberfläche im Bereich des Oberflächentemperatursensors, da dieser über die thermische Kopplung an die Umgebung die Oberfläche lokal erhitzt oder abkühlt, je nach Temperaturunterschied zur Umgebung. Selbst wenn also der Oberflächentemperatursensor genau die Temperatur der angrenzenden deckungsgleichen Oberfläche aufweisen und messen würde, also bei perfekter Wärmeleitung des Oberflächensensors und der isolierenden Zwischenschicht, entspräche diese Temperatur nicht der eigentlichen Temperatur der Oberfläche abseits des Temperatursensors.In addition, the thermal coupling of the temperature sensor to the environment also causes a change in the temperature of the surface in the region of the surface temperature sensor, since this locally heats or cools the surface via the thermal coupling to the environment, depending on the temperature difference to the environment. Even if, therefore, the surface temperature sensor would accurately measure and measure the temperature of the adjacent congruent surface, ie with perfect heat conduction of the surface sensor and the insulating intermediate layer, this temperature would not correspond to the actual temperature of the surface away from the temperature sensor.

Im allgemein bekannten Stand der Technik wird daher häufig versucht, gegebenenfalls den Wärmewiderstand der Isolierschicht zu erhöhen beziehungsweise die Stärke der thermischen Kopplung des Oberflächentemperatursensors an die Umgebung zu verringern, und/oder den Wärmewiderstand der isolierenden Zwischenschicht zu verringern; beispielsweise durch Wärmeleitpasten.In the well-known state of the art, therefore, it is often attempted to increase the thermal resistance of the insulating layer, if necessary, or to reduce the strength of the thermal coupling of the surface temperature sensor to the environment, and / or to reduce the thermal resistance of the insulating intermediate layer; for example, by thermal compounds.

Aus der US 2012/0109 572 A1 ist Obeerflächentemperaturmessvorrichtung mit drei Temperaursensoren bekannt, wobei die Temperatur der Kontaktstelle zum Messobjekt, eine Referenztemperatur und die Umgebungstemperatur gemessen werden und die gewonnen Messwerte miteinander verrechnet werden.From the US 2012/0109 572 A1 Obeerflächentemperaturmessvorrichtung is known with three Temperaursensoren, wherein the temperature of the contact point to the measurement object, a reference temperature and the ambient temperature are measured and the measured values are calculated together.

In der DE 198 18 170 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Betriebsparameter eines Inkubators beschrieben, wonach aus der Oberflächentemperatur eines Messobjekts und der Umgebungstemperatur auf die Kerntemperatur im Inneren des Messobjekts geschlossen wird.In the DE 198 18 170 A1 A method is described for controlling the operating parameters of an incubator, according to which the surface temperature of a test object and the ambient temperature are concluded from the core temperature inside the test object.

Die DE 101 39 705 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Messung der Körpertemperatur mit einem ersten Sensor zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des Körpers und einem zweiten Sensor zur Bestimmung der Umgebungstemperatur, wobei aus der Oberflächentemperatur und der Umgebungstemperatur die Kerntemperatur des Körpers berechnet wird.The DE 101 39 705 A1 discloses a device for measuring body temperature with a first sensor for determining the surface temperature of the body and a second sensor for determining the ambient temperature, wherein the core temperature of the body is calculated from the surface temperature and the ambient temperature.

Aus der DD 87 677 B1 ist eine Vorrichtung zur Messung der Guttemperatur bekannt, bei der aus einem gutnahen und einem gutfernen Temperaturmesswert die Guttemperatur linear extrapoliert wird.From the DD 87 677 B1 is a device for measuring the temperature of the gut known in the a gutnahen and a faraway temperature measured value, the Guttemperatur is extrapolated linearly.

Schließlich offenbart die DE 100 63 444 A1 ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiterkörpers, bei dem aus zwei gemessenen Temperaturen an verschiedenen Gehäusestellen unter Berücksichtigung thermischer Übergangswiderstände die Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements berechnet wird.Finally, the reveals DE 100 63 444 A1 a method for determining the temperature of a semiconductor body, wherein the junction temperature of the semiconductor device is calculated from two measured temperatures at different housing sites taking into account thermal contact resistance.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Temperaturbestimmungseinrichtung sowie Verfahren zu deren Betrieb und Kalibrierung zu schaffen, wobei systematische Messfehler, die durch Wärmefluss zwischen Temperatursensor und Umgebung entstehen, vermieden oder kompensiert werden.It is the object of the present invention to provide a temperature determination device as well as methods for their operation and calibration, wherein systematic measurement errors caused by heat flow between the temperature sensor and the environment are avoided or compensated.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Temperaturbestimmungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie zwei die Erfindung betreffende Verfahren wieder.The object is achieved on the basis of a temperature determination device according to the preamble of claim 1. The following dependent claims give advantageous developments of the invention as well as two methods relating to the invention.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein thermisch von der Umgebung isolierter, mit der Recheneinheit kommunizierender Kalibrierungssensor vorhanden ist, zur Messung einer Kalibrierungsoberflächentemperatur (TOKAL), sowie dadurch, dass auf der Recheneinheit ausführbare Rechenanweisungen zur Errechnung einer Oberflächentemperaturnäherung (TON) hinterlegt sind, wobei die Rechenanweisungen eine, von einem Verhältnis einer Kalibrierungsmischtemperatur (TMKAL) zu einer zugeordneten Kalibrierungsoberflächentemperatur (TOKAL) abhängige Abbildung einer gemessenen Mischtemperatur (TM) auf eine Oberflächentemperaturnäherung (TON) beinhalten.The invention includes the technical teaching that a thermally isolated from the environment, communicating with the arithmetic unit calibration sensor is present for measuring a Kalibrierungsoberflächentemperatur (TOKAL), as well as in that on the arithmetic unit executable arithmetic instructions for calculating a surface temperature approximation (TON) are stored wherein the computational instructions include mapping, from a calibration mixing temperature (TMKAL) to an associated calibration surface temperature (TOKAL), a measured mixing temperature (TM) to a surface temperature approximation (TON).

Die Erfindung sieht also vor, dass ein Kalibrierungssensor zu Kalibrierungszwecken eine weitgehend unverfälschte Kalibrierungsoberflächentemperatur der Oberfläche misst, die einer Kalibrierungsmischtemperatur des Oberflächentemperatursensors zugeordnet ist, so dass danach durch Messung einer Mischtemperatur durch den Oberflächentemperatursensor auf die tatsächliche Temperatur der Oberfläche geschlossen beziehungsweise diese angenähert werden kann. Isoliert bedeutet dabei insbesondere, dass der Kalibrierungssensor stärker von der Umgebung thermisch isoliert ist als der Oberflächentemperatursensor. Beispielsweise wird dies erreicht, indem die Verkabelung des Kalibrierungssensors mit der Recheneinheit, zur Datenübertragung und zur Energieversorgung, mit sehr dünnem Durchmesser und daher mit geringer Wärmeleitfähigkeit ausgeführt ist, oder dadurch dass auf solche Verkabelung gänzlich verzichtet wird. Idealerweise ist der Kalibrierungssensor dann durch ein Isolationsmittel von der Umgebung komplett getrennt, während der Oberflächentemperatursensor, wie oben beschrieben, beispielsweise über die Mantelleitung mit Stahlmantel daran gekoppelt ist.The invention thus provides that a calibration sensor measures for calibration purposes a largely unadulterated calibration surface temperature of the surface associated with a calibration mixing temperature of the surface temperature sensor such that thereafter, by measuring a mixing temperature by the surface temperature sensor, the actual temperature of the surface can be approximated or approximated. Isolated means in particular that the calibration sensor is more thermally insulated from the environment than the surface temperature sensor. For example, this is achieved by the wiring of the calibration sensor with the arithmetic unit, for data transmission and power supply, is designed with very thin diameter and therefore with low thermal conductivity, or that is completely dispensed with such wiring. Ideally, the calibration sensor is then completely isolated from the environment by an isolation means while the surface temperature sensor, as described above, is coupled thereto, for example, via the steel jacket shroud.

Ein Vorteil dieser Erfindung kann darin gesehen werden, dass die systematisch fehlerhafte Messung, die der Oberflächentemperatursensor durchführt, durch Kenntnis der echten Temperatur bei gleichzeitiger Messung einer verfälschten Temperatur kompensiert werden kann. Dabei reicht es aus, eine Kalibrierung abseits der Umgebungstemperatur durchzuführen, idealerweise direkt nach Einbau der erfindungsgemäßen Temperaturbestimmungseinrichtung, um dann beispielweise durch eine Regressionsanalyse zukünftig von beliebigen Mischtemperaturen auf echte Oberflächentemperaturen zu schließen.An advantage of this invention can be seen in that the systematically erroneous measurement made by the surface temperature sensor can be compensated by knowing the true temperature while measuring a falsified temperature. It is sufficient to carry out a calibration away from the ambient temperature, ideally directly after installation of the temperature determination device according to the invention, in order then to conclude, for example by regression analysis, in the future from any mixing temperatures to true surface temperatures.

Der Kalibrierungssensor ist dabei nicht als Ersatz des Oberflächentemperatursensors gedacht oder geeignet, obwohl jener bei der Kalibrierung ein unverfälschtes Messergebnis liefert, da der Kalibrierungssensor typischerweise eine kürzere Lebensdauer und nicht die langfristige Genauigkeit oder Beständigkeit des im Vergleich hochwertigeren Oberflächentemperatursensors besitzt. Der Kalibrierungssensor soll daher nur zu Beginn zu Kalibrierungszwecken eingesetzt werden, ab einer gewissen Zeit oder nach Erreichen einer Maximaltemperatur, beispielsweise bei einigen 100°C, kann er beispielsweise entsorgt oder fortan ignoriert werden.The calibration sensor is not intended or suitable as a substitute for the surface temperature sensor, although it provides an unadulterated measurement result during calibration because the calibration sensor typically has a shorter life and not the long term accuracy or durability of the higher quality surface temperature sensor. The calibration sensor should therefore only be used at the beginning for calibration purposes, from a certain time or after reaching a maximum temperature, for example at some 100 ° C, it can be disposed of or ignored, for example.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abbildung als lineare Abbildung ausgebildet, wobei die Abbildung als Summe aus einer Umgebungstemperatur (TU) und einem Produkt aus zwei Faktoren definiert ist, der eine Faktor gebildet als Differenz von gemessener Mischtemperatur (TM) und Umgebungstemperatur (TU), der zweite Faktor gebildet als Verhältnis eines Dividenden zu einem Quotienten, der Dividend gebildet als Differenz von Kalibrierungsoberflächentemperatur (TOKAL) und Umgebungstemperatur (TU), der Quotient gebildet als Differenz von einer Kalibrierungsmischtemperatur (TMKAL) und Umgebungstemperatur (TU). In Form einer Formel ausgedrückt ergibt sich die Oberflächentemperaturnäherung als TON = TU + (TM – TU)·(TOKAL – TU)/(TMKAL – TU).According to a preferred embodiment of the invention, the image is formed as a linear image, the image being defined as the sum of an ambient temperature (TU) and a product of two factors, one factor formed as the difference of measured mixing temperature (TM) and ambient temperature (TU ), the second factor formed as the ratio of a dividend to a quotient, the dividend formed as the difference of calibration surface temperature (TOKAL) and ambient temperature (TU), the quotient formed as the difference of a calibration mixing temperature (TMKAL) and ambient temperature (TU). Expressed in terms of a formula, the surface temperature approximation is TON = TU + (TM-TU) * (TOKAL-TU) / (TMKAL-TU).

Der Vorteil hierbei ist die besonders einfache und physikalisch dennoch genaue Modellierung der Abhängigkeit der durch den Oberflächentemperatursensor messbaren Mischtemperatur TM und der echten Oberflächentemperatur, die durch die Oberflächentemperaturnäherung TON abgeschätzt werden soll, in Form einer linearen Relation zwischen beiden Größen. Zur Definition einer solchen linearen Abbildung sind genau zwei Messpunkte ausreichend, wobei der eine Messpunkt durch die gleichzeitige Messung von einer Kalibrierungsoberflächentemperatur und einer Kalibrierungsmischtemperatur abseits der Umgebungstemperatur definiert wird, und der andere beispielsweise durch die Umgebungstemperatur, die identisch mit der Oberflächentemperatur und der Mischtemperatur ist, wenn die Umgebung und Oberfläche die gleiche Temperatur aufweisen, und genug Zeit zur Thermalisierung vergangen ist.The advantage of this is the particularly simple and yet physically accurate modeling of the dependence of the measured by the surface temperature sensor mixing temperature TM and the true surface temperature to be estimated by the surface temperature approximation TON, in the form of a linear relationship between the two sizes. To define such a linear map exactly two measurement points are sufficient wherein the one measurement point is defined by the simultaneous measurement of one calibration surface temperature and a calibration mixing temperature away from the ambient temperature, and the other, for example, by the ambient temperature being identical to the surface temperature and the mixing temperature when the environment and surface are the same temperature, and enough Time for thermalization has passed.

Es ist alternativ auch denkbar, bei der Kalibrierung mehrere Messpunkte aufzunehmen, um durch eine lineare Regression über eine Vielzahl der Messpunkte die Genauigkeit der Modellierung zu erhöhen, oder, anders als in der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform, eine nichtlineare Abhängigkeit zu ermitteln, die mit den Messungen besser übereinstimmt.Alternatively, it is also conceivable to include a plurality of measurement points in the calibration in order to increase the accuracy of the modeling by means of a linear regression over a multiplicity of measurement points or, unlike in the preferred embodiment described here, to determine a nonlinear dependence associated with the Measurements better matches.

Die Erfindung wird dadurch weiter verbessert, dass der Kalibrierungssensor, statt kabelgebunden und somit thermisch koppelnd, kabellos mit der Recheneinheit kommuniziert, beispielsweise über Bluetooth. Dadurch wird der Wärmewiderstand zwischen Kalibrierungssensor und Umgebung erhöht, insbesondere wenn der Kalibrierungssensor durch ein Isolationsmittel abgedeckt ist.The invention is further improved in that the calibration sensor, instead of wired and thus thermally coupling, communicates wirelessly with the arithmetic unit, for example via Bluetooth. This increases the thermal resistance between the calibration sensor and the environment, especially when the calibration sensor is covered by an isolation means.

Eine weitere Verbesserung in diesem Sinne sieht vor, dass der Kalibrierungssensor batteriebetrieben ist, dass insbesondere also kein Stromkabel beispielsweise zwischen der Recheneinheit und dem Kalibrierungssensor angeordnet ist, und dass somit gar keine wärmeleitfähige Verbindung zur Umwelt besteht.A further improvement in this sense provides that the calibration sensor is battery-operated, that in particular therefore no power cable is arranged, for example, between the arithmetic unit and the calibration sensor, and that thus there is no thermally conductive connection to the environment.

Besonders bevorzugt ist dabei eine Anordnung, bei der die Oberfläche und der Kalibrierungssensor durch eine Isolationsschicht, bei einer Oberfläche eines Rohres beispielsweise durch eine hohlzylinderförmige Ummantelung mit thermisch isolierender Füllung, bedeckt ist. Dies erhöht die Genauigkeit der Messung des Kalibrierungssensors und minimiert gleichzeitig dessen Einfluss auf die Temperatur der Oberfläche.In this case, an arrangement in which the surface and the calibration sensor are covered by an insulating layer, in the case of a surface of a pipe, for example by a hollow-cylindrical casing with thermally insulating filling, is particularly preferred. This increases the accuracy of the measurement of the calibration sensor while minimizing its influence on the temperature of the surface.

Eine weitere Verbesserung der Erfindung sieht vor, dass der Kalibrierungssensor nicht auf der Oberfläche aufliegt sondern zu einer invasiven Messung ausgebildet ist, beispielsweise als Tauchsensor oder als Temperatursensor mit Schutzrohr. Dadurch wird dessen Messgenauigkeit weiter erhöht.A further improvement of the invention provides that the calibration sensor does not rest on the surface but is designed for an invasive measurement, for example as a submersible sensor or as a temperature sensor with a protective tube. As a result, its measurement accuracy is further increased.

Zwei Verfahren zur Kalibrierung und zum Betrieb der Temperaturbestimmungseinrichtung sehen vor, dass zur Kalibrierung durch die Sensoren gemäß der oben beschriebenen Systematik Kalibrierungstemperaturen aufgenommen und in der Recheneinheit gespeichert werden, und dass nach Abschluss der Kalibrierung durch Messung einer Mischtemperatur eine Oberflächentemperaturnäherung errechnet wird.Two methods for calibrating and operating the temperature-determining device provide that calibration temperatures are recorded and stored in the arithmetic unit for calibration by the sensors according to the system described above, and that after completion of the calibration by measuring a mixing temperature, a surface temperature approximation is calculated.

Der Vorteil ist hier darin zu sehen, dass die Messgenauigkeit des Oberflächentemperatursensors somit effektiv verbessert wird, ohne beispielsweise den Wärmewiderstand der Isolierschicht erhöhen oder den Wärmewiderstand der isolierenden Zwischenschicht verringern zu müssen.The advantage here is to be seen in that the measurement accuracy of the surface temperature sensor is thus effectively improved, for example, without increasing the thermal resistance of the insulating layer or having to reduce the thermal resistance of the insulating intermediate layer.

Figurenbeschreibungfigure description

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden im Folgenden anhand von in den Figuren verbildlichten Ausführungsbeispielen beispielmäßig erläutert. Es zeigen:Further measures improving the invention are explained below by way of example with reference to exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:

1 eine erfindungsgemäße Temperaturbestimmungseinrichtung, und 1 a temperature determination device according to the invention, and

2 einen Graphen zur Schematisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 a graph for schematizing a method according to the invention.

Gemäß 1 umfasst eine Temperaturbestimmungseinrichtung 1 einen auf der Oberfläche 2 eines Rohres angebrachten, eine Mischtemperatur 3 aufweisenden, Oberflächentemperatursensor 4. Das Rohr führt dabei ein gegenüber der Umgebung 5 erhitztes Medium 6. Zwischen Oberflächentemperatursensor 4 und Oberfläche 2 ist dabei eine leicht thermisch isolierende Zwischenschicht 14 angeordnet, die durch Lufteinschlüsse und Rost gebildet ist. Auch aufgrund dieser Zwischenschicht 14 unterscheidet sich die Mischtemperatur 3 des Oberflächentemperatursensors 4 von der Temperatur des Mediums 6 und der Oberfläche 2, da der Oberflächentemperatursensor 4 über eine Mantelleitung mit Stahlmantel 7 mit einer Recheneinheit 8 verbunden ist, die frei in der Umgebung 5 angeordnet ist. Über diese Konstruktion wird daher Wärme des Oberflächentemperatursensors 4 abführt. Wäre stattdessen das Medium 6 kälter als die Umgebung 5, würde der Oberflächentemperatursensor 4 aufgrund der Wärmeleitung durch Mantelleitung und Stahlrohr 7 auf eine Mischtemperatur oberhalb der Temperatur der Oberfläche 2 erwärmt werden. In jedem Fall ist die Mischtemperatur 3 ungleich der Temperatur der Oberfläche 2, sofern beide nicht gleich der Temperatur der Umgebung 5 sind.According to 1 includes a temperature determination device 1 one on the surface 2 a pipe mounted, a mixing temperature 3 having, surface temperature sensor 4 , The pipe leads in the opposite direction to the environment 5 heated medium 6 , Between surface temperature sensor 4 and surface 2 is a slightly thermally insulating intermediate layer fourteen arranged, which is formed by air bubbles and rust. Also because of this intermediate layer fourteen the mixing temperature differs 3 of the surface temperature sensor 4 from the temperature of the medium 6 and the surface 2 because of the surface temperature sensor 4 via a sheathed cable with steel sheath 7 with a computing unit 8th connected, which is free in the area 5 is arranged. Therefore, heat of the surface temperature sensor becomes over this construction 4 dissipates. Would be the medium instead 6 colder than the environment 5 , the surface temperature sensor would 4 due to the heat conduction through sheathed cable and steel tube 7 to a mixing temperature above the temperature of the surface 2 to be heated. In any case, the mixing temperature 3 unlike the temperature of the surface 2 unless both are equal to the temperature of the environment 5 are.

Erfindungsgemäß ist ein Kalibrierungssensor 9 auf der Oberfläche angebracht. Dieser Kalibrierungssensor 9 ist vollständig durch eine Isolationsschicht 10 von der Umgebung 5 getrennt, und weist somit, sofern genug Zeit zur Thermalisierung gegeben ist, die gleiche Temperatur auf wie die Oberfläche 2. Dabei besitzt der Kalibrierungssensor 9 geringe Ausmaße, also auch eine geringe Masse und eine geringe Wärmespeicherkapazität, und ist darüber hinaus, anders als der Oberflächentemperatursensor 4, nicht über baulichen Komponenten oder Kabel mit einer an die Umgebung 5 grenzenden Komponente verbunden, so dass die Angleichung der Temperatur des Kalibrierungssensor 9 besonders schnell stattfinden kann. Der batteriebetriebene Kalibrierungssensor kommuniziert dabei drahtlos über Bluetooth mit der Recheneinheit 8.According to the invention, a calibration sensor 9 attached to the surface. This calibration sensor 9 is completely through an insulation layer 10 from the surroundings 5 separated, and thus, given enough time for thermalization, the same temperature as the surface 2 , The calibration sensor has it 9 small dimensions, so also a low mass and a low heat storage capacity, and is beyond, unlike the surface temperature sensor 4 , do not have structural components or cables with one to the environment 5 connected adjacent component, so that the adjustment of the temperature of the calibration sensor 9 especially fast. The battery-powered calibration sensor communicates wirelessly via Bluetooth with the arithmetic unit 8th ,

2 zeigt zwei in einem Koordinatensystem aufgetragene Graphen zur Verdeutlichung der Verfahren der Kalibrierung und des Betriebs der Temperaturbestimmungseinrichtung 1. Gegen die Abszissenachse ist die Temperatur der Oberfläche 2, Oberflächentemperatur TO, aufgetragen, gegen die Ordinatenachse dabei jeweils gemessene Temperaturen der Sensoren TS. Die beiden Graphen in Form von Geraden zeigen die Mischtemperatur 3, die durch den Oberflächentemperatursensor 4 gemessen wird, und die Kalibrierungsoberflächentemperatur 11, die durch den Kalibrierungssensor 9 gemessen wird. Der zuletzt genannte Graph der Kalibrierungsoberflächentemperatur 11 beschreibt bei gleicher Skalenteilung der beiden Achsen eine Gerade mit der Steigung 1, da idealerweise der Messwert des Kalibrierungssensors 9 immer genau der Oberflächentemperatur TO gleicht. Die Mischtemperatur 3 hingegen ist niedriger als die gleichzeitig gemessene Kalibrierungsoberflächentemperatur 11, wenn die Oberflächentemperatur TO höher ist als die Umgebungstemperatur 12 (rechts von der senkrecht auf der Abszissenachse stehenden gestrichelten Linie), und höher als die Kalibrierungsoberflächentemperatur 11, wenn die Oberflächentemperatur TO niedriger ist. Ist die Umgebungstemperatur 12 genau gleich der Oberflächentemperatur 11, gleicht diese auch der Mischtemperatur 3, hier verdeutlicht durch den eingezeichneten Schnittpunkt. Physikalisch liegt das daran, dass dann kein netto-Wärmestrom von dem Oberflächentemperatursensor 2 über den Stahlmantel 7 an die Umgebung 5 stattfindet. 2 shows two graphs plotted in a coordinate system to illustrate the methods of calibration and operation of the temperature determiner 1 , Against the axis of abscissa is the temperature of the surface 2 , Surface temperature TO, plotted against the ordinate axis in each case measured temperatures of the sensors TS. The two graphs in the form of straight lines show the mixing temperature 3 passing through the surface temperature sensor 4 is measured, and the calibration surface temperature 11 passing through the calibration sensor 9 is measured. The last-mentioned graph of the calibration surface temperature 11 describes at the same scale division of the two axes a straight line with the slope 1 , because ideally the measured value of the calibration sensor 9 always exactly equal to the surface temperature TO. The mixing temperature 3 whereas, it is lower than the simultaneously measured calibration surface temperature 11 when the surface temperature TO is higher than the ambient temperature 12 (to the right of the dashed line perpendicular to the abscissa axis) and higher than the calibration surface temperature 11 when the surface temperature TO is lower. Is the ambient temperature 12 exactly the same as the surface temperature 11 , This is similar to the mixing temperature 3 , here illustrated by the marked point of intersection. Physically, this is because then no net heat flow from the surface temperature sensor 2 over the steel jacket 7 to the environment 5 takes place.

Zur Kalibrierung der Temperaturbestimmungseinrichtung 1 werden eine Kalibrierungsoberflächentemperatur 11a durch den Kalibrierungssensor 9 und gleichzeitig (jedenfalls bei gleicher Oberflächentemperatur TO) auch eine Kalibrierungsmischtemperatur 13 durch den Oberflächentemperatursensor 4 gemessen. Das einander zugeordnete Wertepaar wird dann per Bluetooth an die Recheneinheit 8 übertragen und darin hinterlegt.For calibration of the temperature determination device 1 become a calibration surface temperature 11a through the calibration sensor 9 and at the same time (at least with the same surface temperature TO) also a calibration mixing temperature 13 through the surface temperature sensor 4 measured. The mutually assigned value pair is then sent via Bluetooth to the arithmetic unit 8th transferred and deposited in it.

Dabei kann als weiterer Messpunkt, um eine Abbildung einer beliebigen gemessenen Mischtemperatur 3 auf eine Oberflächentemperaturnäherung zu ermöglichen, zusätzlich eine beliebige andere Konstellation von Kalibrierungstemperatur 11 und Mischtemperatur 3 gewählt werden. Besonders einfach ist die Messung, wenn die Oberflächentemperatur TO der Umgebungstemperatur 12 gleicht, wobei somit auch die Mischtemperatur 3 des Oberflächentemperatursensors 4 und auch die Oberflächenkalibrierungstemperatur 11 des Kalibrierungssensors 9 der Umgebungstemperatur 12 gleichen. Der entsprechende Schnittpunkt ist eingezeichnet. Auch ist es denkbar, auf diese zweite Messung zu verzichten, denn statt dieser zweiten Messung kann auch eine Umgebungstemperatur abgeschätzt oder angenommen werden, da sich Schwankungen der Umgebungstemperatur, die Teil der Abbildung ist, beispielsweise um einige wenige Grad Kelvin bei in der Praxis auftretenden Temperaturgradienten (zwischen Oberfläche 2 und Umgebung 5) von hunderten Grad Kelvin sich nicht notwendigerweise kritisch auf die Genauigkeit der Oberflächentemperaturnäherung auswirken.In this case, as another measuring point, an image of any measured mixing temperature 3 to allow for a surface temperature approximation, in addition any other constellation of calibration temperature 11 and mixing temperature 3 to get voted. Particularly simple is the measurement when the surface temperature TO the ambient temperature 12 is equal, and thus also the mixing temperature 3 of the surface temperature sensor 4 and also the surface calibration temperature 11 of the calibration sensor 9 the ambient temperature 12 same. The corresponding intersection is shown. It is also conceivable to dispense with this second measurement, because instead of this second measurement, an ambient temperature can also be estimated or assumed, since fluctuations of the ambient temperature, which is part of the image, for example, by a few degrees Kelvin at temperature gradients occurring in practice (between surface 2 and environment 5 ) of hundreds of degrees Kelvin do not necessarily critically affect the accuracy of the surface temperature approximation.

Fortan kann im Betrieb durch die Recheneinheit 8 mithilfe der darauf hinterlegten Rechenanweisungen eine gemessene Mischtemperatur 3 auf eine Oberflächentemperaturnäherung abgebildet werden, beziehungsweise diese errechnet werden, um somit die Oberflächentemperatur zu bestimmen. Die vorzugsweise lineare Abbildung bewirkt dabei die Projektion der Geraden der gemessenen Mischtemperatur 3 auf die Gerade der somit errechenbaren Kalibrierungsoberflächentemperatur 11.Henceforth, in operation by the arithmetic unit 8th using the arithmetic instructions stored thereon, a measured mixing temperature 3 be mapped to a surface temperature approximation, or these are calculated so as to determine the surface temperature. The preferably linear mapping causes the projection of the straight line of the measured mixing temperature 3 on the straight line of the thus calculable calibration surface temperature 11 ,

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, die vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist beispielsweise denkbar, dass eine nichtlineare Abbildung, die beispielsweise über eine Regressionsanalyse erzeugt werden kann, definiert wird.The invention is not limited to the embodiments described above. On the contrary, modifications are also conceivable which are included in the scope of protection of the following claims. For example, it is conceivable that a non-linear mapping, which can be generated, for example, via a regression analysis, is defined.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
TemperaturbestimmungseinrichtungTemperature determination means
22
Oberflächesurface
33
Mischtemperaturmixing temperature
44
OberflächentemperatursensorSurface temperature sensor
55
UmgebungSurroundings
66
Mediummedium
77
Stahlmantelsteel jacket
88th
Recheneinheitcomputer unit
99
Kalibrierungssensorcalibration sensor
1010
Isolationsschichtinsulation layer
11, 11a11, 11a
KalibrierungsoberflächentemperaturCalibration surface temperature
1212
Umgebungstemperaturambient temperature
1313
KalibrierungsmischtemperaturCalibration mix temperature
1414
Zwischenschichtinterlayer

Claims (9)

Temperaturbestimmungseinrichtung (1) zur Bestimmung einer Oberflächentemperatur (TO) einer Oberfläche (2), die in einer Umgebung (5) mit einer Umgebungstemperatur (12) (TU) angeordnet ist, umfassend – einen thermisch an die Umgebung (5) gekoppelten, auf der Oberfläche (2) aufliegenden Oberflächentemperatursensor (4), zur Messung einer zwischen der Oberflächentemperatur (TO) und der Umgebungstemperatur (12) (TU) liegenden Mischtemperatur (3) (TM), – eine elektronische Recheneinheit (8) zur Auswertung des Oberflächentemperatursensors (4), dadurch gekennzeichnet, dass – ein thermisch von der Umgebung (5) isolierter, mit der Recheneinheit (9) verbundener Kalibrierungssensor (9) vorhanden ist, zur Messung einer Kalibrierungsoberflächentemperatur (11, 11a) (TOKAL), sowie – dadurch, dass auf der Recheneinheit (8) ausführbare Rechenanweisungen zur Errechnung einer Oberflächentemperaturnäherung (TON) hinterlegt sind, wobei die Rechenanweisungen eine, von einem Verhältnis einer Kalibrierungsmischtemperatur (13) (TMKAL) zu einer zugeordneten Kalibrierungsoberflächentemperatur (11a) (TOKAL) bei gleicher Oberflächentemperatur (TO) abhängige, Abbildung der gemessenen Mischtemperatur (3) (TM) auf die Oberflächentemperaturnäherung (TON) beinhalten.Temperature determination device ( 1 ) for determining a surface temperature (TO) of a surface ( 2 ) in an environment ( 5 ) with an ambient temperature ( 12 ) (TU), comprising - a thermal to the environment ( 5 ), on the surface ( 2 ) surface temperature sensor ( 4 ), to measure between the surface temperature (TO) and the ambient temperature ( 12 ) (TU) lying mixing temperature ( 3 ) (TM), - an electronic processing unit ( 8th ) for evaluation of the surface temperature sensor ( 4 ), characterized in that - a thermal from the environment ( 5 ) isolated, with the arithmetic unit ( 9 ) connected calibration sensor ( 9 ) for measuring a calibration surface temperature ( 11 . 11a ) (TOKAL), and - in that on the arithmetic unit ( 8th ) are executable arithmetic instructions for calculating a surface temperature approximation (TON), wherein the arithmetic instructions include a, a ratio of a calibration mixing temperature ( 13 ) (TMKAL) to an associated calibration surface temperature ( 11a ) (TOKAL) with the same surface temperature (TO) dependent, mapping of the measured mixing temperature ( 3 ) (TM) on surface temperature approximation (TON). Temperaturbestimmungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Recheneinheit (8) hinterlegten Rechenanweisungen eine Abbildung beinhalten, die als lineare Abbildung ausgebildet ist, wobei die Abbildung als Summe aus einer Umgebungstemperatur (12) (TU) und einem Produkt aus zwei Faktoren definiert ist, der eine Faktor gebildet als Differenz von gemessener Mischtemperatur (3) (TM) und Umgebungstemperatur (12) (TU), der zweite Faktor gebildet als Verhältnis eines Dividenden zu einem Quotienten, der Dividend gebildet als Differenz von Kalibrierungsoberflächentemperatur (11) (TOKAL) und Umgebungstemperatur (12) (TU), der Quotient gebildet als Differenz von einer Kalibrierungsmischtemperatur (13) (TMKAL) und Umgebungstemperatur (12) (TU).Temperature determination device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that on the computing unit ( 8th ) have an image formed as a linear image, the image being the sum of an ambient temperature ( 12 ) (TU) and a product of two factors is defined, which is a factor formed as the difference of measured mixing temperature ( 3 ) (TM) and ambient temperature ( 12 ) (TU), the second factor formed as the ratio of a dividend to a quotient, the dividend formed as the difference of calibration surface temperature ( 11 ) (TOKAL) and ambient temperature ( 12 ) (TU), the quotient formed as the difference from a calibration mixture temperature ( 13 ) (TMKAL) and ambient temperature ( 12 ) (TU). Temperaturbestimmungseinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierungssensor (9) kabellos mit der Recheneinheit (8) kommuniziert.Temperature determination device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration sensor ( 9 ) wirelessly with the arithmetic unit ( 8th ) communicates. Temperaturbestimmungseinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierungssensor (9) auf der Oberfläche (2) aufliegt.Temperature determination device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration sensor ( 9 ) on the surface ( 2 ) rests. Temperaturbestimmungseinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierungssensor (9) durch eine Isolationsschicht (10) von der Umgebung (5) getrennt ist.Temperature determination device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration sensor ( 9 ) through an insulating layer ( 10 ) from the surroundings ( 5 ) is disconnected. Verfahren zum Betrieb einer Temperaturbestimmungseinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend Verfahrensschritte, bei denen mittels des Oberflächentemperatursensors (4) eine zwischen der Oberflächentemperatur (TO) und der Umgebungstemperatur (12) (TU) liegende Mischtemperatur (3) (TM) gemessen wird, wonach durch die Recheneinheit (8) die darauf hinterlegten Rechenanweisungen zur Errechnung der Oberflächentemperaturnäherung (TON) ausgeführt werden.Method for operating a temperature determination device ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, comprising method steps in which by means of the surface temperature sensor ( 4 ) one between the surface temperature (TO) and the ambient temperature ( 12 ) (TU) lying mixing temperature ( 3 ) (TM) is measured, after which by the arithmetic unit ( 8th ) the calculated calculation instructions for calculating the surface temperature approximation (TON) are executed. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Rechenanweisungen die Mischtemperatur (3) (TM) als Eingabe verwertet wird und eine Oberflächentemperaturnäherung (TON) über die Abbildung TON = TU + (TM – TU)·(TOKAL – TU)/(TMKAL – TU) errechnet wird.Method according to claim 6, characterized in that the mixing temperature ( 3 ) (TM) is used as an input and a surface temperature approximation (TON) is calculated using the mapping TON = TU + (TM - TU) * (TOKAL - TU) / (TMKAL - TU). Verfahren zur Kalibrierung einer Temperaturbestimmungseinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend Verfahrensschritte, bei denen – mittels des Kalibrierungssensor (9) eine von der Umgebungstemperatur (12) (TU) verschiedene Kalibrierungsoberflächentemperatur (11a) (TOKAL) der Oberfläche (2) gemessen wird, und – während die Kalibrierungsoberflächentemperatur (11a) (TOKAL) gemessen wird mittels des Oberflächentemperatursensor (4) eine zwischen der Kalibrierungsoberflächentemperatur (11a) (TOKAL) und der Umgebungstemperatur (12) (TU) liegende Kalibrierungsmischtemperatur (13) (TMKAL) gemessen wird, und – die Kalibrierungsoberflächentemperatur (11a) (TOKAL) und die Kalibrierungsmischtemperatur (13) (TMKAL) in Rechenanweisungen zur Errechnung einer Oberflächentemperaturnäherung (TON) in der Recheneinheit (8) hinterlegt werden.Method for calibrating a temperature determination device ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, comprising method steps, in which - by means of the calibration sensor ( 9 ) one of the ambient temperature ( 12 ) (TU) different calibration surface temperature ( 11a ) (TOKAL) of the surface ( 2 ), and while the calibration surface temperature ( 11a ) (TOKAL) is measured by means of the surface temperature sensor ( 4 ) one between the calibration surface temperature ( 11a ) (TOKAL) and the ambient temperature ( 12 ) (TU) is the calibration mixture temperature ( 13 ) (TMKAL), and - the calibration surface temperature ( 11a ) (TOKAL) and the calibration mixing temperature ( 13 ) (TMKAL) in calculation instructions for calculating a surface temperature approximation (TON) in the arithmetic unit ( 8th ) are deposited. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungsoberflächentemperatur (11a) (TOKAL) und die Kalibrierungsmischtemperatur (TMKAL) als Parameter einer Abbildung TON = TU + (TM – TU)·(TOKAL – TU)/(TMKAL – TU) zur Errechnung einer Oberflächentemperaturnäherung (TON) hinterlegt werden.Method according to claim 8, characterized in that the calibration surface temperature ( 11a ) (TOKAL) and the calibration mixing temperature (TMKAL) are stored as parameters of a map TON = TU + (TM - TU) * (TOKAL - TU) / (TMKAL - TU) for the calculation of a surface temperature approximation (TON).
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