DE102015113237A1

DE102015113237A1 - Temperaturmessgerät zur Messung der Temperatur eines in einem Behälter befindlichen Mediums

Info

Publication number: DE102015113237A1
Application number: DE102015113237.0A
Authority: DE
Inventors: Georg Wolf
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Temperaturmessgerät zur Messung der Temperatur eines in einem Behälter befindlichen Mediums im Bereich der Prozessautomatisierungstechnik. Das Temperaturmessgerät umfasst einen in einer Messspitze angeordneten Temperatursensor. Die Temperatur wird erfindungsgemäß durch die elastische Messspitze über die Außenwand des Behälters ermittelt. Die Messspitze ist hierbei aus einem Verbundwerkstoff gefertigt, der zumindest eine elastische Komponente und eine wärmeleitfähige Komponente beinhaltet. Dadurch kann die Messspitze bei Aufwendung einer Anpresskraft formschlüssig an der Außenwand des Behälters angebracht werden, wodurch eine hohe Wärmeübertragung zwischen dem Medium und dem Temperatursensor gewährleistet ist. Somit kann durch das erfindungsgemäße Temperaturmessgerät die Temperatur des Mediums gemessen werden, ohne dass es ein störendes Hindernis im Innenraum des Behälters bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Temperaturmessgerät zur Messung der Temperatur eines in einem Behälter befindlichen Mediums im Bereich der Automatisierungstechnik.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle diejenigen Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Im Fall von Temperaturmessung besteht eine wesentliche Herausforderung darin, geeigneten Zugang zu dem Medium, dessen Temperatur bestimmt werden soll, zu erhalten. So findet man beispielsweise bei Temperaturmessung in großen Behälter- oder Tank-Anlagen oftmals wechselnde Pegelstände des Mediums vor. Bei Temperaturmessung in Rohrleitungsabschnitten spielt bei strömenden Medien zusätzlich die Beschaffenheit der Strömung eine Rolle. Deswegen sind Temperaturmessgeräte in der Prozessautomation herkömmlicherweise so aufgebaut, dass der eigentliche Temperatursensor am Ende eines Trägerrohres angebracht ist. Dabei ragt das Trägerrohr innerhalb des Behälters in das Medium hinein, wodurch der Temperatursensor in Kontakt mit dem Medium steht. Andere Einheiten des Temperaturmessgerätes, die beispielsweise zur Auswertung und zur Kommunikation mit übergeordneten Einheiten dienen, sind im Anfangsbereich des Trägerrohres angebracht und befinden sich dementsprechend an der Behälterwand außerhalb des Mediums. Hierzu muss der Behälter einen geeignet positionierten Prozesszugang aufweisen, bei dem der Temperatursensor am Ende des Trägerrohrs unabhängig vom Pegelstand oder eventuellen Strömungsverhältnissen in Kontakt mit dem Medium steht.
Aus dem Stand der Technik sind bereits viele Ausführungsformen, die auf dem oben beschriebenen Aufbau von Temperaturmessgeräten basieren, bekannt. Es ist aber auch bekannt, dass bei solch einem Aufbau eine Reihe von technischen Hürden überwunden werden müssen. So muss beispielsweise das Trägerrohr hermetisch gegen das Medium abgedichtet sein.
Hierzu ist in der Patentschrift DE 10 2010 063 062 A1 ein Temperaturmessgerät mit einem evakuierten Trägerrohr beschrieben, welches durch spezielle Komponenten zur Verhinderung von thermischer Abstrahlung eine verbesserte thermische Ankopplung des Temperatursensors an das Medium erreicht.
Weiterhin müssen Temperaturmessgeräte, die mit einem im Behälter befindlichen Trägerrohr konzipiert sind, zum einen beständig gegen das im Behälter befindliche Medium sein. Zum anderen müssen sie insbesondere bei Anwendungen in der Pharma- und der Lebensmittelbranche konform zu den dort geltenden Hygiene- und Reinheitsvorschriften sein. Diese Anforderungen sind Ausgangspunkt für das Temperaturmessgerät, welches in der Patentschrift DE 10 2006 012 115 A1 beschrieben ist. Dort ist das Trägerrohr durch einen sterilisierbaren Einwegeinsatz geschützt.
Gerade in Prozessanlagen der Pharma- und Lebensmittelbranche ist jedoch bei Rohrleitungsabschnitten mit kleinen Rohrdurchmessern der Strömungsquerschnitt sehr begrenzt. Hier werden oftmals Rohrdurchmesser verwendet, die nicht größer als DN10 bis DN60 sind. Daher können Temperaturmessgeräte mit Trägerrohr bei diesen Anwendungen eine starke Behinderung darstellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Temperaturmessgerät zur Messung der Temperatur eines in einem Behälter befindlichen Mediums im Bereich der Prozessautomatisierungstechnik bereitzustellen, mithilfe dessen die Temperatur störungsarm gemessen werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Temperaturmessgerät zur Messung der Temperatur eines in einem Behälter befindlichen Mediums, mit einem in einer Messspitze angeordneten Temperatursensor. Die Messspitze ist aus einem Verbundwerkstoff gefertigt, der zumindest eine elastische Komponente und eine wärmeleitfähige Komponente beinhaltet. Das Temperaturmessgerät ist derart mittels einer Anpresskraft an einer Außenwand des Behälters befestigt, dass eine dem Behälter zugewandte Kontaktfläche der Messspitze formschlüssig an der Außenwand des Behälters anliegt. Darüber hinaus ist eine Auswerte-Einheit vorgesehen, die anhand von Messdaten des Temperatursensors die Temperatur ermittelt.
Das erfindungsgemäße Temperaturmessgerät zeichnet sich dadurch aus, dass es nicht in das Innere des Behälters hineinragt und damit kein Hindernis darstellen kann. Anstatt dessen ist es komplett außerhalb des Innenraums des Behälters angebracht. Das erfindungsgemäße Temperaturmessgerät nutzt den Effekt, dass sich die Temperatur des Behälters bei hinreichender Wärmeleitfähigkeit der Behälterwand an die Temperatur des Mediums angleicht. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß wesentlich durch die elastische und hoch wärmeleitfähige Messspitze genutzt. Durch Anpressen an die Außenwand des Behälters passt sich die Messspitze auch bei einer nicht-planaren Außenwand formschlüssig an. Somit wird die Temperatur des Mediums anhand der Wärmeübertragung durch die Behälterwand hindurch ermittelt.
Die aufzubringende Anpresskraft wird erfindungsgemäß durch eine geeignete Anbringung des Temperaturmessgerätes am Behälter erreicht. Dies kann durch eine oder mehrere Manschetten geschehen, denkbar ist aber auch eine Fixierung, bei der die Anpresskraft durch Verschrauben oder durch elastische Materialien wie Spannbänder erreicht wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Temperatursensor um einen Platin-Messwiderstand. Die Auswertung eines solchen Widerstands, der beispielsweise als Pt100, Pt500 oder auch als Pt1000 ausgelegt sein kann, erfolgt über die Messung der Widerstandsänderung bei sich ändernder Temperatur. Dieses Messprinzip ist robust und simpel in der Auswertung. Die Auswertung geschieht vorzugsweise über das Vierleiter-Messprinzip. Hierbei wird am Messdraht über zwei Leitungen ein konstanter Strom eingestellt, über zwei weitere Leitungen wird die am Messdraht abfallende Spannung abgegriffen. Vorteilhaft hierbei ist, dass Störeffekte, die durch die elektrische Kontaktierung des Temperatursensors verursacht werden, eliminiert werden. Natürlich kann jedoch erfindungsgemäß auch jedes andere Temperatur-Messprinzip und somit jeder geeignete Temperatursensor verwendet werden.
Bezüglich der Messspitze ist es vorteilhaft, wenn die elastische Komponente ein Silikon ist. Dies gewährleistet die Flexibilität der Messspitze.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform hinsichtlich der Messspitze sieht vor, dass es sich bei der wärmeleitfähigen Komponente um Kohlenstoffnanoröhren handelt. Kohlenstoffnanoröhren, auch als Carbon Nanotubes bekannt, weisen eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 6·10³ Wm^–1K^–1 auf. Dadurch wird eine sehr hohe Wärmeleitung zwischen der Behälter-Außenwand sowie dem Temperatursensor hergestellt. Außerdem bewirkt dies eine sehr schnelle Ansprechzeit sowie eine hohe Genauigkeit des Temperatursensors. Da Kohlenstoffnanoröhren in Pulverform vorliegen, sind sie zudem gut in Kombination mit silikonartigen Materialien zu einem Verbundwerkstoff verarbeitbar. Alternativ zu Kohlenstoffnanoröhren ist es auch denkbar, andere Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit einzusetzen. Beispielsweise können pulverförmige Metalle wie Silber, welches eine Wärmleitfähigkeit von 429 Wm^–1K^–1 aufweist, verwendet werden.
Im Sinne der Erfindung ist es außerdem vorteilhaft, wenn das Mischungsverhältnis zwischen der elastischen Komponente und der wärmeleitfähigen Komponente derart bemessen ist, dass die Messspitze bei ausreichender Elastizität eine maximale Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Wärmeleitpaste zwischen der Kontaktfläche und der Außenwand des Behälters angebracht. Diese Maßnahme erhöht zusätzlich die Wärmeleitung zwischen der Außenwand des Behälters und dem Temperatursensor.
Eine begünstigte Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Messspitze an einem Trägerrohr angeordnet ist, durch das die elektrische Kontaktierung zwischen dem Temperatursensor und der Auswerte-Einheit verläuft. Hierdurch kann der Temperatursensor thermisch von der Auswerte-Einheit, die je nach Energiebedarf störende Abwärme erzeugt und damit die Temperaturmessung verfälschen kann, entkoppelt werden. Außerdem kann das Trägerrohr direkt beim Vergießen des Verbundwerkstoffes mit der Messspitze verbunden werden.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der letztgenannten Ausgestaltungsform ist zwischen der Messspitze und dem Trägerrohr zusätzlich ein thermischer Isolator angeordnet. Dies bewirkt eine zusätzliche thermische Entkopplung des Temperatursensors von der Auswerte-Einheit.
Als Komponenten können hier thermisch isolierend wirkende Kunststoffmaterialien, beispielsweise aus PEEK, zum Einsatz kommen.
Eine mögliche Ausgestaltungsmöglichkeit bezüglich des Behälters sieht vor, dass es sich bei dem Behälter um ein Messrohr handelt, welches von dem Medium durchströmt wird. Bei solch einer Ausgestaltung des Behälters kann die Temperatur auch bei strömenden Medien gemessen werden.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird das erfindungsgemäße Temperaturmessgerät erläutert. Es zeigt:
1a: Ein erfindungsgemäßes Temperaturmessgerät,
1b: ein erfindungsgemäßes Temperaturmessgerät an einem Messrohr,
2: ein erfindungsgemäßes Temperaturmessgerät mit thermischem Isolator.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Temperaturmessgerät 1 zur Messung der Temperatur T eines in einem Behälter 2 befindlichen Mediums 3 dargestellt. Es umfasst eine elastische Messspitze 4, in der ein Temperatursensor 5 angeordnet ist. Die Messspitze 4 ist in einem Endbereich eines Trägerrohres 7 angebracht. Da die Messspitze 4 aus einem elastischen Verbundwerkstoff besteht, kann sie bei Vergießen des Verbundwerkstoffs formschlüssig in den Endbereich des Trägerrohres 7 vergossen werden. Zur Ansteuerung und Auswertung des Temperatursensors 5 über eine Auswerte-Einheit, welche in dieser und den folgenden Figuren zugunsten einer besseren Übersicht nicht dargestellt ist, ist eine elektrische Kontaktierung 9 durch das Trägerohr 7 verlegt. Auch die elektrische Kontaktierung 9 ist in dem Endbereich des Trägerrohres 7 vom Verbundwerkstoff der Messspitze 4 vergossen. Bei der dargestellten elektrischen Kontaktierung 9 handelt es sich um eine 4-Draht Anordnung. Vorteilhaft an solch einer 4-Draht Anordnung ist, dass sich für den Fall, dass es sich bei dem Temperatursensor 5 um einen widerstandsbasierten Sensortyp wie beispielsweis ein Pt100 Widerstands-Element handelt, der Widerstand der elektrischen Kontaktierung 9 nicht auf die Messung des Widerstands des Temperatursensors 5 auswirkt.
Im unteren Bereich weist die Messspitze 4 eine flache Endfläche 6 auf. Sie dient als Kontaktfläche 6 zum Behälter 2. Die Kontaktfläche 6 wird, wie in 1b dargestellt, durch Anlegen einer Anpresskraft F formschlüssig gegen die Außenwand des Behälters 2 gerückt. Bei dem Behälter 2 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Messrohr 2. 1b macht deutlich, dass die Messspitze 4 trotz der gekrümmten Außenwand des Messrohres 2 formschlüssig anliegt. Hierdurch sowie durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Messspitze 4 wird folglich ein sehr guter Wärmeübergang zwischen dem im Messrohr 2 befindlichen Medium 3 und dem Temperatursensor 5 hergestellt. Dies ermöglicht dem Temperatursensor 5 die Messung der exakten Temperatur T des Mediums 3.
2 zeigt eine Erweiterung des in 1a und 1b dargestellten erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts 1. In der dort abgebildeten Ausführungsvariante umfasst das Temperaturmessgerät 1 zusätzlich einen thermischen Isolator 8. Der Isolator 8 weist den gleichen Querschnitt wie der des Trägerrohrs 7 auf. Der thermische Isolator 8 ist zwischen dem Trägerrohr 7 und der Messspitze 4 angeordnet. Da der thermische Isolator 8 aus einem thermisch gut isolierenden Material wie PEEK oder einer Keramik gefertigt ist, trägt dies zu einer thermischen Entkopplung der Messspitze 4 vom Trägerrohr 7 bei. Durch diese Erweiterung wird also eine Wärmeableitung aus der Messspitze 4 in das Trägerrohr 7 verhindert und in der Folge der Messfehler bei der Messung der Temperatur T minimiert.
Bezugszeichenliste

1: Temperaturmessgerät
2: Behälter
3: Medium
4: Messspitze
5: Temperatursensor
6: Kontaktfläche
7: Trägerrohr
8: Thermischer Isolator
9: Elektrische Kontaktierung
F: Anpresskraft
T: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010063062 A1 [0005]
DE 102006012115 A1 [0006]

Claims

Temperaturmessgerät zur Messung der Temperatur (T) eines in einem Behälter (2) befindlichen Mediums (3), mit einem in einer Messspitze (4) angeordneten Temperatursensor (5), wobei die Messspitze (4) aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist, der zumindest eine elastische Komponente und eine wärmeleitfähige Komponente beinhaltet, wobei das Temperaturmessgerät (1) derart mittels einer Anpresskraft (F) an einer Außenwand des Behälters befestigt ist, dass eine dem Behälter (2) zugewandte Kontaktfläche (6) der Messspitze (4) formschlüssig an der Außenwand des Behälters (2) anliegt, und wobei eine Auswerte-Einheit vorgesehen ist, die anhand von Messdaten des Temperatursensors (5) die Temperatur (T) ermittelt.
Temperaturmessgerät nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Temperatursensor (5) um einen Platin-Messwiderstand handelt.
Temperaturmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elastische Komponente ein Silikon ist.
Temperaturmessgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei es sich bei der wärmeleitfähigen Komponente um Kohlenstoffnanoröhren handelt.
Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mischungsverhältnis zwischen der elastischen Komponente und der wärmeleitfähigen Komponente derart bemessen ist, dass die Messspitze (4) bei ausreichender Elastizität eine maximale Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Temperaturmessgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Wärmeleitpaste zwischen der Kontaktfläche (6) und der Außenwand des Behälters (2) angebracht ist.
Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messspitze (4) an einem Trägerrohr (7) angeordnet ist, durch das die elektrische Kontaktierung (9) zwischen dem Temperatursensor (5) und der Auswerte-Einheit verläuft.
Temperaturmessgerät nach Anspruch 7, wobei zwischen der Messspitze (4) und dem Trägerrohr (7) ein thermischer Isolator (8) angeordnet ist.
Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Behälter (2) um ein Messrohr handelt, welches von dem Medium (3) durchströmt wird.