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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose einer Temperaturmesseinrichtung, die zur Messung der Temperatur einer Oberfläche eingesetzt wird.
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Stand der Technik
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Messung der Oberflächentemperatur von Rohrleitungen beispielsweise in industriellen Prozesslinien, Kraftwerken oder Heizanlagen von Privatwohnungen. Dort werden Rohre von Fluiden durchströmt, deren Temperatur mit möglichst geringer Zeitverzögerung und möglichst genau gemessen werden müssen. Dazu existieren im allgemein bekannten Stand der Technik zwei grundlegende und nachfolgend beschriebene Aufbauten.
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Bei einer invasiven Messung wird ein Temperaturfühler, der in einem wärmeleitfähigen Thermometerschutzrohr angeordnet ist, durch eine Öffnung des Rohrs geführt, so dass das Gehäuse mit Tempertaturfühler in das Fluid hineinragt. Dadurch lässt sich zwar eine besonders geringe Zeitverzögerung und hohe Genauigkeit der Messung erreichen, allerdings bewirkt das Schutzrohr auch einen mechanischen Strömungswiderstand und kann beispielsweise chemisch durch das Fluid angegriffen werden.
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Daher wird die Temperatur oft nichtinvasiv gemessen, wobei ein Temperatursensor in der Basis eines Gehäuses angeordnet ist, welches außen auf das Rohr aufgesetzt wird. Das Gehäuse wird dabei üblicherweise durch Schellen, die um das Rohr umlaufend angeordnet sind, befestigt.
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Der Temperatursensor, beispielsweise ein elektrischer Messwiderstand wie ein Pt-100, ist dann über mindestens eine Zwischenschicht thermisch an das Rohr gekoppelt. Bei dieser Zwischenschicht kann es sich um Lack, Rost, Luft, die Basisplatte des Gehäuses oder ein thermisches Interface-Material, wie beispielsweise Wärmeleitpaste, der Temperaturmesseinrichtung handeln. Diese mindestens eine Zwischenschicht und auch geometrische Abweichungen der Form der Oberfläche des Rohrs und der des Gehäuses, beispielsweise aufgrund der Krümmung des Rohrs, führen dabei zu einer Beeinträchtigung der thermischen Kopplung des Fluides beziehungsweise der Rohroberfläche an den Sensor. Insbesondere ist die Güte der thermischen Kopplung gegebenenfalls zeitabhängig, beispielsweise aufgrund der Bildung von Rost oder bei Verschiebung oder Verkippung des Gehäuses.
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Aus der
AT 390 510 B ist ein Verfahren zur Diagnose einer Temperaturmesseinrichtung bekannt, bei der mittels eines Temperatursensors die Temperatur einer Oberfläche gemessen wird, wobei die Temperatur der Oberfläche lokal verändert wird und der Verlauf der Temperatur des Temperatursensors gemessen wird.
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In der
EP 2 863 196 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem der gemessene Verlauf der Temperatur des Temperatursensors mit zuvor erzeugten Kalibrierungsdaten verglichen wird.
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Die
EP 2 450 684 A1 offenbart ein Verfahren und eine entsprechend eingerichtete Vorrichtung zur Ermittlung eines Korrekturwertes auf Basis des Messwertes eines Messfühlers und einer Korrekturwertvorgabe, wobei bei der Detektion bzw. Rekonstruktion der Kennlinie Messwertfolgen des Messfühlers und Messwertfolgen des Referenzmessfühlers in Phase zueinander gebracht werden.
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Aufgabe und Lösung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Güte der thermischen Kopplung der Oberfläche eines fluiddurchströmten Rohres an den Sensor überprüft wird.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine Temperaturmesseinrichtung gemäß Anspruch 4. Die jeweils nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Offenbarung der Lösung
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zur Diagnose der Temperaturmesseinrichtung die Temperatur der Oberfläche des Rohres lokal zumindest mittelbar verändert wird, und der Verlauf der Temperatur eines Temperatursensors der Temperaturmesseinrichtung gemessen wird, und der gemessene Verlauf mit zuvor erzeugten Kalibrierungsdaten verglichen wird.
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Die lokale Veränderung der Temperatur kann als Temperaturpuls angesehen werden, wobei die Antwort des Sensors auf diesen Puls (Pulsantwort) charakteristisch ist für die thermische Kopplung der Oberfläche an den Sensor. Die Veränderung der Temperatur kann dabei sowohl eine Erhöhung als auch eine Verringerung der Temperatur bedeuten.
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Der Vorteil dieses Verfahrens ist beispielsweise darin zu sehen, dass somit eine auch im Betrieb beliebig wiederholbare Diagnose ermöglicht wird, welche intrinsisch sämtliche möglichen Fehlerquellen für eine fehlerhafte thermische Kopplung berücksichtigt. Außerdem ist eine Überprüfung sowohl der Amplitude als auch der Zeitverzögerung der Pulsantwort des Sensors durchführbar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Kalibrierungsdaten zuvor durch mindestens eine Kalibrierungsmessung erzeugt. Diese Messung kann beispielsweise vor Einbau der Temperaturmesseinrichtung herstellerseitig im Werk stattfinden, oder auch nach Einbau verbraucherseitig im jeweiligen Arbeitsumfeld, gegebenenfalls auch während des laufenden Betriebs.
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Vorteilhaft hierbei ist, dass somit besonders zuverlässig zeitliche Veränderungen der thermischen Kopplung gegenüber einem ursprünglichen Zustand vor dem Einbau oder kurz nach dem Einbau nachgewiesen werden können. Vor allem das Durchführen einer Kalibrierungsmessung im späteren Arbeitsumfeld garantiert eine Berücksichtigung sämtlicher möglicherweise relevanter Einflüsse und ist mit vernachlässigbaren Aufwand durchführbar, da diese Kalibrierungsmessung technisch prinzipiell einer späteren Diagnosemessung entspricht.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Kalibrierungsdaten zuvor durch numerische Simulation erzeugt werden.
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Vorteilhaft hieran ist, dass beispielsweise durch Simulation verschiedener thermischer Isolationsschichten wie verschiedener Lackierungen oder auch verschiedener geometrischer Konfigurationen von Oberfläche und Temperaturmesseinrichtung prinzipiell eine jede in der Praxis auftretende Konfiguration und jede entsprechende Pulsantwort des Temperatursensors simuliert werden kann. Somit ist es beispielsweise möglich, auf eine Kalibrierungsmessung zu verzichten, und stattdessen zuvor hinterlegte Kalibrierungsdaten zu verwenden.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Temperaturmesseinrichtung zur nicht invasiven Messung der Temperatur einer Oberfläche eines fluiddurchströmten Rohres, umfassend einen Temperatursensor sowie ein Gehäuse zur Aufnahme des Temperatursensors und zur Anbringung an der Oberfläche. Die dieser Lösung der Aufgabe zugrundeliegende Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Temperaturmesseinrichtung außerdem mindestens eine Temperaturveränderungseinrichtung umfasst, zur lokalen Veränderung der Temperatur der Oberfläche.
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Der Vorteil einer solchen Temperaturmesseinrichtung besteht unter anderem darin, dass mit Hilfe der mindestens einen Temperaturveränderungseinrichtung ein prinzipiell beliebig geformter Temperaturpuls ausgegeben werden kann, um die Temperatur der Oberfläche dementsprechend zu verändern. Durch Messung der Temperatur und durch Analyse von deren Verlauf kann dann insbesondere auf eine fehlerhafte thermische Kopplung von Temperatursensor und Oberfläche geschlossen werden. Dabei kann die Temperaturveränderungseinrichtung beispielsweise unmittelbar auf die Oberfläche einwirken, oder mittelbar zuerst auf eine Zwischenschicht oder auf eine Adapterplatte, die Teil des Gehäuses sein kann, und erst dadurch mittelbar auf die Oberfläche.
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Die Temperaturveränderungseinrichtung kann dabei beispielsweise im Gehäuse, an dem Gehäuse oder davon getrennt vorzugsweise in der Nähe des Gehäuses angeordnet sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Temperaturveränderungseinrichtung zumindest mittelbar auf der Oberfläche angebracht ist.
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Dies bedeutet, dass die Temperaturpulsübertragung beispielsweise mittelbar durch eine Adapterplatte oder auch unmittelbar, in beiden Fällen aber über Wärmeleitungen geschieht. Vorteilhaft daran sind vor allem die genau definierbare Lokalisierung (also Wahl des Ortes und der Ausdehnung) des zu erhitzenden oder abzukühlenden Teils der Oberfläche und auch der fertigungstechnisch geringe Aufwand beim Aufbau und der Anbringung der Temperaturmesseinrichtung.
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Vorzugsweise ist dabei die Temperaturveränderungseinrichtung als Heizwiderstand ausgebildet. Durch Anlegen einer Wechselspannung oder Gleichspannung an den Enden des Heizwiderstandes kann mit hoher Zuverlässigkeit ein an den Heizwiderstand angrenzender Bereich erhitzt werden.
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Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die Temperaturveränderungseinrichtung als Peltier-Element ausgebildet ist. Dadurch ist vorteilhafterweise insbesondere auch eine lokale Abkühlung der Oberfläche erreichbar.
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Die zuvor genannten Ausführungsformen profitieren insbesondere davon, dass die Temperaturveränderungseinrichtung durch eine geschweißte Verbindung auf der Oberfläche angebracht ist. Beispielsweise kann ein Gehäuse der Temperaturveränderungseinrichtung auf die Oberfläche geschweißt sein. Dadurch ist eine besonders zuverlässige und zeitlich stabile Wärmeübertragung gewährleistet.
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Eine andere, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Temperaturveränderungseinrichtung zur berührungslosen Temperaturveränderung ausgebildet ist.
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Eine solche Vorrichtung lässt sich vorteilhafter Weise besonders einfach anbringen und beispielsweise zu Wartungszwecken wieder entfernen.
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Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der die Temperaturveränderungseinrichtung als Strahlungsquelle ausgebildet ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Laser oder um eine andere vorzugsweise fokussierte Lichtstrahlungsquelle, beispielsweise mit Strahlungserzeugung im Infrarotbereich, oder auch Mikrowellenstrahlung handeln.
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Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Temperaturveränderungseinrichtung als Induktionsspule ausgebildet ist. Dann kann durch Anlegen eines Wechselstromes an dieser Spule ein benachbarter Teil der Oberfläche besonders effektiv erhitzt werden.
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Figurenbeschreibung
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der beiden Figuren exemplarisch näher dargelegt.
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Es zeigen
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1 das Schema einer erfindungsgemäßen Temperaturmesseinrichtung auf einer Oberfläche, und
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2 das Schema einer erfindungsgemäßen Temperaturmesseinrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Gemäß 1 umfasst eine Temperaturmesseinrichtung 1 einen Temperatursensor 2, der in einem Gehäuse 3 angeordnet ist. Unterhalb des Temperatursensors 2 und des Gehäuses 3 ist dabei jeweils eine thermische Zwischenschicht 4a, 4b angeordnet. Diese setzt sich zusammen aus dort angeordneten, hier nicht näher dargestellten, Schichten von Luft, Wärmeleitpaste, Rost und Lack. Das Gehäuse 3 ist dabei, mittelbar über die Zwischenschicht 4b, auf einer Oberfläche 5 angebracht.
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Die Temperaturmesseinrichtung 1 verfügt ferner über eine Temperaturveränderungseinrichtung 6. Diese ist hier als nicht näher dargestellter Heizwiderstand ausgeführt, welcher auf der Oberfläche 5 angeschweißt ist.
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Im Betrieb wird durch Anlegen eines Spannungspulses an der Temperaturveränderungseinrichtung 6 in Form eines Heizwiderstands die Temperatur der Oberfläche 5 darunter pulsartig erhöht. Durch Wärmeleitung über die thermischen Zwischenschichten 4a, 4b und das Gehäuse 3 wird die Temperatur der Oberfläche 5 an den Temperatursensor 2 übertragen. Etwaige Fehlstellen innerhalb des entsprechenden Wärmeleitpfades mit Auswirkung auf die thermischen Kopplung von dem Temperatursensor 2 an die Oberfläche 5, beispielsweise aufgrund von Veränderung der Zwischenschichten 4a, 4b oder aufgrund von Verrutschen oder Verkippen des Gehäuses 3, können dann durch Vergleich des Verlaufs der Temperatur des Temperatursensors 2 mit einem zuvor hinterlegten Kalibrierungsverlauf festgestellt werden.
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Ein solcher Kalibrierungsverlauf wird dabei erzeugt, indem der oben beschriebene Spannungspuls an der Temperaturveränderungseinrichtung 6 angelegt wird, und die Messung der Pulsantwort des Thermosensors gemessen wird, wenn die Temperaturmesseinrichtung 1 gerade neu und fehlerfrei installiert worden ist.
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Gemäß 2 umfasst die Temperaturmesseinrichtung 1 neben dem Temperatursensor 2 und dem Gehäuse 3 auch eine Adapterplatte 7, welche zwischen Gehäuse 3 und Oberfläche 5 angeordnet ist. Zwischen Adapterplatte 7 und Oberfläche 5 ist außerdem eine thermische Zwischenschicht 4c angeordnet.
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Die Temperaturmesseinrichtung 1 verfügt außerdem über eine Temperaturveränderungseinrichtung 6, welche anders als im vorherigen Ausführungsbeispiel in einem Abstand zum Gehäuse 3 und zur Adapterplatte 7 angeordnet ist. Die Temperaturveränderungseinrichtung 6 ist dabei als Induktionsspule ausgebildet, und erhitzt somit die Adapterplatte 7 und dadurch mittelbar die darunterliegende Oberfläche 5 berührungslos. Ein Pfad der elektromagnetischen Strahlung ist dabei mit der gepunkteten Linie skizziert. Es wird somit ein Bereich unterhalb der Temperaturveränderungseinrichtung 6 erhitzt.
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Im Betrieb wird ein Wechselstrom an die Temperaturveränderungseinrichtung 6 in Form der Induktionsspule angelegt, wodurch ein elektrischer Wirbelstrom in der Adapterplatte 7 induziert wird, welcher diese Adapterplatte 7 und dadurch, mit Wärmeleitung auch über die Zwischenschicht 4c, die Oberfläche 5 erhitzt. Die erzeugte Wärme wird durch Wärmeleitung über die Zwischenschicht 4c, 4b, 4a und über die Adapterplatte 7 sowie das Gehäuse 3 an den Temperatursensor 2 geleitet. Durch Vergleich von Charakteristika des Verlaufs der Temperatur des Temperatursensors 2 nach Auslösen eines Temperaturpulses durch die Temperaturveränderungseinrichtung 6 können Fehler bei der Wärmeleitung, beispielsweise durch neu auftretenden Rost oder durch Vertrocknen von Wärmeleitpaste, identifiziert werden.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche von den nachfolgenden Ansprüchen mit umfasst sind.
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So ist es beispielsweise auch denkbar, dass die Temperaturveränderungseinrichtung als Lichtquelle oder als Peltier-Element ausgebildet ist. Auch ist denkbar, dass die Temperaturveränderungseinrichtung in das Gehäuse der Temperaturmesseinrichtung integriert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperaturmesseinrichtung
- 2
- Temperatursensor
- 3
- Gehäuse
- 4a, 4b, 4c
- Zwischenschicht
- 5
- Oberfläche
- 6
- Temperaturveränderungseinrichtung
- 7
- Adapterplatte
