DE102015113238A1

DE102015113238A1 - Temperature measuring device for measuring the temperature of a medium

Info

Publication number: DE102015113238A1
Application number: DE102015113238.9A
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 (T) eines Mediums in der Prozessautomatisierungstechnik. Es umfasst ein Messrohr, in dem sich das Medium befindet. Des Weiteren umfasst es eine an einem Teilbereich der Außenwand des Messrohres anliegende Messdrahtanordnung, wobei die Messdrahtanordnung einen mit der Temperatur (T) veränderlichen elektrischen Widerstand (R) aufweist. Darüber hinaus ist eine Auswerte-Einheit vorgesehen, die anhand des Widerstands (R) die Temperatur (T) ermittelt. Durch die Platzierung der Messdrahtanordnung an der Außenwand des Messrohres stellt das erfindungsgemäße Temperaturmessgerät im Inneren des Messrohres kein Hindernis dar. Somit misst es die Temperatur (T) des Mediums, ohne dass es ein störendes Hindernis im Innenraum des Messrohres bildet.The invention relates to a temperature measuring device for measuring the temperature (T) of a medium in process automation technology. It includes a measuring tube in which the medium is located. Furthermore, it comprises a measuring wire arrangement resting against a partial region of the outer wall of the measuring tube, wherein the measuring wire arrangement has an electrical resistance (R) which varies with the temperature (T). In addition, an evaluation unit is provided, which determines the temperature (T) based on the resistance (R). By placing the measuring wire arrangement on the outer wall of the measuring tube, the temperature measuring device according to the invention in the interior of the measuring tube is no obstacle. Thus, it measures the temperature (T) of the medium, without it forms a disturbing obstacle in the interior of the measuring tube.

Description

Die Erfindung betrifft ein Temperaturmessgerät zur Messung der Temperatur eines Mediums in der Automatisierungstechnik.The invention relates to a temperature measuring device for measuring the temperature of a medium in automation technology.

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.In automation technology, in particular in process automation technology, field devices are often used which serve to detect and / or influence process variables. Sensors that are used, for example, in level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity meters, etc., which contain the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential, and so on, are used to record process variables Detect conductivity. To influence process variables are actuators, such as valves or pumps, via which the flow of a liquid in a pipe section or the level in a container can be changed. Field devices are in principle all those devices that are used close to the process and that provide or process process-relevant information. In the context of the invention, field devices are thus also understood as remote I / Os, radio adapters or generally electronic components which are arranged on the field level. A variety of such field devices is manufactured and sold by the company Endress + Hauser.

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. Daher sind Temperaturmessgeräte in der Prozessautomation herkömmlicherweise so aufgebaut, dass der eigentliche Temperatursensor am Ende eines Trägerrohres angebracht ist.In the case of temperature measurement, a key challenge is to get suitable access to the medium whose temperature is to be determined. For example, when measuring the temperature in large tank or tank systems, there are often changing water levels in the medium. When measuring the temperature in pipe sections, the nature of the flow also plays a role in flowing media. Therefore, temperature measuring devices in process automation are conventionally constructed so that the actual temperature sensor is mounted at the end of a support tube.

Dabei ragt das Trägerrohr in innerhalb des Behälters 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.In this case, the support tube protrudes into the container inside the medium, whereby the temperature sensor is in contact with the medium. Other units of the temperature measuring device, which serve for example for evaluation and communication with higher-level units, are mounted in the starting region of the carrier tube and are accordingly located on the container wall outside the medium. For this purpose, the container must have a suitably positioned process access, in which the temperature sensor at the end of the support tube is in contact with the medium regardless of the level or possible flow conditions.

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.Many embodiments based on the above-described construction of temperature measuring devices are already known from the prior art. But it is also known that in such a structure, a number of technical hurdles must be overcome. For example, the carrier tube must be hermetically sealed against the medium.

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.For this purpose is in the patent DE 10 2010 063 062 A1 a temperature measuring device with an evacuated support tube described which achieved by special components to prevent thermal radiation improved thermal coupling of the temperature sensor to the medium.

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.Furthermore, temperature measuring devices, which are designed with a carrier tube located in the container, on the one hand must be resistant to the medium in the container. On the other hand, they must be compliant with the applicable hygiene and purity regulations, especially for applications in the pharmaceutical and food industries. These requirements are the starting point for the temperature measuring device, which in the patent DE 10 2006 012 115 A1 is described. There, the support tube is protected by a sterilizable disposable insert.

Gerade in Prozessanlagen der Pharma- und Lebensmittelbranche ist jedoch bei Rohrleitungsabschnitten mit kleinen Rohrdurchmessern der Strömungsquerschnitt sehr begrenzt. Deshalb kann bei diesen Anwendungen die Temperaturmessung mittels Temperaturmessgeräten, bei denen sich ein Trägerrohr im Strömungsquerschnitt befindet, eine starke Behinderung darstellen.Especially in process plants of the pharmaceutical and food industry, however, the flow cross section is very limited in pipe sections with small pipe diameters. Therefore, in these applications, the temperature measurement by means of temperature measuring devices, in which a support tube is in the flow cross-section, represent a major obstacle.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Temperaturmessgerät zur Messung der Temperatur eines in einem Messrohr befindlichen Mediums für die Prozessautomatisierungstechnik bereitzustellen, mithilfe dessen die Temperatur störungsarm gemessen werden kann.The invention is therefore based on the object to provide a temperature measuring device for measuring the temperature of a medium located in a measuring tube for the process automation technology, by means of which the temperature can be measured with low noise.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Temperaturmessgerät zur Messung der Temperatur eines Mediums. Hierzu umfasst das Temperaturmessgerät:

– Ein Messrohr, in dem sich das Medium befindet,
– eine an einem Teilbereich der Außenwand des Messrohres anliegende Messdrahtanordnung, wobei die Messdrahtanordnung einen mit der Temperatur veränderlichen elektrischen Widerstand aufweist, und
– eine Auswerte-Einheit, die anhand des Widerstands die Temperatur ermittelt.

The invention solves this problem by a temperature measuring device for measuring the temperature of a medium. For this purpose, the temperature measuring device comprises:

A measuring tube in which the medium is located,
- A voltage applied to a portion of the outer wall of the measuring tube Meßdrahtanordnung, wherein the Meßdrahtanordnung a with the temperature has variable electrical resistance, and
- An evaluation unit, which determines the temperature based on the resistance.

Das erfindungsgemäße Temperaturmessgerät zeichnet sich dadurch aus, dass es im Innenraum des Messrohres kein Hindernis darstellt und somit störungsarm misst. Es nutzt den Effekt, dass sich die Temperatur des Mediums auf das Messrohr überträgt. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß durch die Messdrahtanordnung genutzt, die sich an der Außenwand befindet. Sie erfährt die Temperatur des Mediums durch die Wärmeleitung über das Messrohr. Die Auslegung des Messrohres bezüglich des Durchmessers und der Anschlüsse richtet sich nach dem Einsatzbereich. So kann es innerhalb eines bestehenden Rohrsystems beispielsweise als separater Rohrabschnitt über Flansche direkt in das Rohrsystem integriert sein. Das Messrohr kann aber auch als Abzweigung an das Rohrsystem angeschlossen sein, so dass nur ein Teil des Mediums über diese separate Abzweigung durch das Messrohr geleitet werden muss.The temperature measuring device according to the invention is characterized in that it is not an obstacle in the interior of the measuring tube and thus measures low-interference. It uses the effect that the temperature of the medium transfers to the measuring tube. This effect is used according to the invention by the measuring wire arrangement, which is located on the outer wall. It experiences the temperature of the medium through the heat conduction via the measuring tube. The design of the measuring tube with regard to the diameter and the connections depends on the area of application. Thus, it can be integrated within an existing pipe system, for example, as a separate pipe section via flanges directly into the pipe system. However, the measuring tube can also be connected as a branch to the pipe system, so that only a portion of the medium must be passed through this separate branch through the measuring tube.

Bezüglich des Messrohres ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn das Messrohr aus einem Metallwerkstoff gefertigt ist. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallen begünstigt das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts.With regard to the measuring tube, it is advantageous according to the invention if the measuring tube is made of a metal material. The high thermal conductivity of metals favors the operating principle of the temperature measuring device according to the invention.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Temperaturmessgerätes ist in dem Teilbereich der Außenwand eine elektrische Isolationsschicht zwischen der Außenwand des Messrohres und der Messdrahtanordnung angebracht. Solch eine elektrische Isolationsschicht ist für den Fall, dass das Messrohr aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gefertigt ist, erforderlich. In diesem Fall sorgt die elektrische Isolationsschicht dafür, dass zwischen der Metalldrahtanordnung und dem Messrohr kein Kurzschluss besteht und somit die Funktionstüchtigkeit der Messdrahtanordnung gewahrt bleibt. Als bevorzugte Materialien kommen beispielsweise elektrisch isolierende Keramikwerkstoffe in Frage. Diese können per Drucken, Spritzen oder elektrochemische Verfahren sowie anschließendem Sinter-Verfahren auf der Außenwand aufgebracht werden. Alternativ zu Keramiken sind aber auch elektrisch isolierende Kunststoffe denkbar.According to a preferred embodiment of the temperature measuring device, an electrical insulation layer between the outer wall of the measuring tube and the measuring wire arrangement is mounted in the subregion of the outer wall. Such an electrical insulation layer is required in the case that the measuring tube is made of an electrically conductive material. In this case, the electrical insulation layer ensures that there is no short circuit between the metal wire arrangement and the measuring tube and thus the functionality of the measuring wire arrangement is maintained. As preferred materials, for example, electrically insulating ceramic materials in question. These can be applied by printing, spraying or electrochemical processes and subsequent sintering on the outer wall. As an alternative to ceramics but also electrically insulating plastics are conceivable.

Im Hinblick auf die Messdrahtanordnung ist es vorteilhaft, wenn eine Vergussmasse die Messdrahtanordnung zum Schutz vor äußeren Einflüssen umschließt. Diese kann auf einem Silikon, einem Epoxid, einer Keramik oder PUR basieren.With regard to the measuring wire arrangement, it is advantageous if a potting compound surrounds the measuring wire arrangement for protection against external influences. This can be based on a silicone, an epoxy, a ceramic or PUR.

Eine bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass die Messdrahtanordnung aus einem Platinmaterial besteht. Platin weist eine besonders hohe Widerstandsänderung bei gegebener Temperaturänderung auf. 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. 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.A preferred variant of the invention provides that the measuring wire arrangement consists of a platinum material. Platinum has a particularly high resistance change with a given temperature change. The evaluation of such a resistance, which may be designed, for example, as a Pt100, Pt500 or also as a Pt1000, takes place via the measurement of the change in resistance with changing temperature. The evaluation is preferably done via the four-wire measuring principle. Here, a constant current is set on the measuring wire via two lines, via two further lines the voltage dropping on the measuring wire is tapped off. The advantage here is that disturbing effects caused by the electrical contact of the temperature sensor can be eliminated.

Eine mögliche Ausgestaltungsform des Teilbereichs sieht vor, dass sich der Teilbereich der Außenwand in einem Umfangssegment (α) des Messrohres über eine vordefinierte Länge (L) entlang der Achse des Messrohres erstreckt. Hierdurch kann eine variable und sehr kompakte Dimensionierung des Teilbereichs an der Außenwand des Messrohres erreicht werden.A possible embodiment of the subregion provides that the subregion of the outer wall in a circumferential segment (α) of the measuring tube extends over a predefined length (L) along the axis of the measuring tube. In this way, a variable and very compact dimensioning of the portion can be achieved on the outer wall of the measuring tube.

Alternativ zur letztgenannten Ausgestaltungsform erstreckt sich der Teilbereich über den gesamten Umfang des Messrohres entlang der vordefinierten Länge (L). Sofern dies der Fall ist, besteht eine sehr simple Realisierungsmöglichkeit der Messdrahtanordnung darin, dass die Messdrahtanordnung aus einer oder mehreren um das Messrohr gewickelten Platindrahtwicklungen besteht.As an alternative to the last-mentioned embodiment, the partial area extends over the entire circumference of the measuring tube along the predefined length (L). If this is the case, there is a very simple realization possibility of the measuring wire arrangement in that the measuring wire arrangement consists of one or more platinum wire windings wound around the measuring tube.

Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts sieht vor, dass die Messdrahtanordnung als Dünnschicht aufgebracht ist. Sofern dies der Fall ist, ist es zudem von Vorteil, wenn die Messdrahtanordnung eine Mäanderform aufweist. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Realisierung der Messdrahtanordnung auf dem Teilbereich und bietet sich insbesondere dann an, wenn sich der Teilbereich nur über ein beschränktes Umfangssegment (α) am Messrohr erstreckt. Der Abgleich des Widerstandswertes kann in diesem Fall durch Trimmen der Länge der Mäanderform erreicht werden, um beispielsweise den in der Norm EN60751 genormten Pt100 Widerstandswert zu realisieren.An advantageous variant of the temperature measuring device according to the invention provides that the measuring wire arrangement is applied as a thin film. If this is the case, it is also advantageous if the measuring wire arrangement has a meandering shape. This makes possible a very compact realization of the measuring wire arrangement on the partial area and is particularly suitable when the partial area extends only over a limited circumferential segment (α) on the measuring tube. The adjustment of the resistance value can be achieved in this case by trimming the length of the meandering shape, for example, in the Standard EN60751 standardized Pt100 resistance value.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung erläutert. Es zeigt:The invention will be explained with reference to the following figures. It shows:

1: Eine erste Variante des erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts, 1 A first variant of the temperature measuring device according to the invention,

2: eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts. 2 : a second variant of the temperature measuring device according to the invention.

In 1 ist eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts 1 dargestellt. In dieser Ausführungsvariante ist eine Messdrahtanordnung 5 in einem Teilbereich 4 auf der Außenwand eines Messrohres 3 angebracht. Der Teilbereich 4 erstreckt sich in dieser Ausführungsvariante nur über ein beschränktes Umfangssegment α über eine vordefinierte Länge L entlang der Achse des Messrohres 3. Die Messdrahtanordnung 5 ist in einer Mäanderform angeordnet, wobei zwischen der Messdrahtanordnung 5 und dem Messrohr 3 eine elektrische Isolationsschicht 6 angebracht ist. Die Messung der Temperatur T eines in dem Messrohr 3 befindlichen Mediums 2 erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass sich die Temperatur T der Messdrahtanordnung 5 durch Wärmeübertragung über die Wand des Messrohres 3 der Temperatur T des Mediums 2 angleicht. Dadurch kann die Temperatur T anhand des temperaturabhängigen Widerstands R der Messdrahtanordnung 5 bestimmt werden. Dies geschieht mittels einer Auswerte-Einheit, die zur besseren Übersicht nicht mit dargestellt ist.In 1 is a first embodiment of a temperature measuring device according to the invention 1 shown. In this embodiment is a measuring wire arrangement 5 in a subarea 4 on the outer wall of a measuring tube 3 appropriate. The subarea 4 extends in this embodiment only over a limited circumferential segment α over a predefined length L along the axis of the measuring tube 3 , The measuring wire arrangement 5 is arranged in a meandering shape, wherein between the measuring wire arrangement 5 and the measuring tube 3 an electrical insulation layer 6 is appropriate. The measurement of the temperature T a in the measuring tube 3 located medium 2 takes place according to the invention in that the temperature T of the measuring wire arrangement 5 by heat transfer through the wall of the measuring tube 3 the temperature T of the medium 2 equalizes. As a result, the temperature T based on the temperature-dependent resistance R of the measuring wire arrangement 5 be determined. This is done by means of an evaluation unit, which is not shown for clarity.

Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungsvariante erstreckt sich der Teilbereich 4 bei der Variante, die in 2 gezeigt ist, über den gesamten Umfang des Messrohres 3 entlang der vordefinierten Länge L. Diese einfach zu realisierende Ausführungsvariante erlaubt es, dass die Messdrahtanordnung 5, wie dargestellt, einfacherweise aus mehreren um das Messrohr 3 gewickelten Platindrahtwicklungen besteht.Unlike the in 1 the embodiment shown, the partial area extends 4 in the variant that in 2 is shown, over the entire circumference of the measuring tube 3 along the predefined length L. This embodiment, which is easy to implement, allows the measuring wire arrangement 5 as shown, simply from several around the measuring tube 3 wound platinum wire windings.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Temperaturmessgerät temperature meter
22: Medium medium
33: Messrohr measuring tube
44: Teilbereich subregion
55: Messdrahtanordnung Measuring wire assembly
66: Elektrische Isolationsschicht Electrical insulation layer
LL: Länge entlang des Messrohres Length along the measuring tube
RR: Elektrischer Widerstand Electrical resistance
TT: Temperatur temperature
αα: Umfangssegment peripheral segment

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010063062 A1 [0006]
DE 102006012115 A1 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Standard EN60751 [0018]

Claims

Temperature measuring device for measuring the temperature (T) of a medium ( 2 ), comprising: - a measuring tube ( 3 ), in which the medium ( 2 ), - one at a subarea ( 4 ) of the outer wall of the measuring tube ( 3 ) adjacent measuring wire arrangement ( 5 ), wherein the measuring wire arrangement ( 5 ) has a variable with the temperature (T) electrical resistance (R), and - an evaluation unit, which determines the temperature (T) based on the resistance (R).

Temperature measuring device according to claim 1, wherein the measuring tube ( 3 ) is made of a metal material.

Temperature measuring device according to claim 2, wherein in the subregion ( 4 ) an electrical insulation layer ( 6 ) between the outer wall of the measuring tube ( 3 ) and the measuring wire arrangement ( 5 ) is attached.

Temperature measuring device according to at least one of the preceding claims, wherein a potting compound the measuring wire arrangement ( 5 ) encloses for protection against external influences.

Temperature measuring device according to one or more of the preceding claims, wherein the measuring wire arrangement ( 5 ) consists of a platinum material.

Temperature measuring device according to claim 5, wherein the subregion ( 4 ) in a circumferential segment (α) of the measuring tube ( 3 ) over a predefined length (L) along the axis of the measuring tube ( 3 ).

Temperature measuring device according to claim 5, wherein the subregion ( 4 ) over the entire circumference of the measuring tube ( 3 ) extends along the predefined length (L).

Temperature measuring device according to claim 6 or 7, wherein the measuring wire arrangement ( 5 ) is applied as a thin film.

Temperature measuring device according to claim 8, wherein the measuring wire arrangement ( 5 ) has a meandering shape.

Temperature measuring device according to claim 7, wherein the measuring wire arrangement ( 5 ) from one or more around the measuring tube ( 3 ) wound platinum wire windings.