-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Messvorrichtung zur Messung der Temperatur von in einer Rohrleitung strömenden Fluiden, die an einer Verbindungsstelle der Rohrleitung angeordnet ist und einen elektrisch isolierenden Grundkörper mit zumindest einer Fluid-Durchflussöffnung, die größer oder gleich dem Innendurchmesser der Rohrleitung ist, aufweist.
-
Zur Überwachung und/oder Steuerung von physikalischen und chemischen Prozessen ist es notwendig, die Prozesstemperatur möglichst präzise zu bestimmen. Derzeit wird die Fluidtemperatur in industriellen Prozessen entweder mit Hilfe von Stabthermometern, welche sich in der Rohrströmung befinden, oder mit Hilfe von Anlegetemperaturfühlern, welche peripheren Kontakt mit der Rohrwandung besitzen, gemessen.
-
Die Integration eines herkömmlichen Temperaturfühlers in eine Rohrkonstruktion führt neben dem konstruktiven Mehraufwand an der konkreten Stelle der Temperaturmessung zwangsläufig zu einem unerwünschten Eingriff in das zu untersuchende Fluid. Außerdem müssen die bislang weitläufig verwendeten Thermometer in der Prüfumgebung verankert werden. Um dies zu ermöglichen bedarf es im Regelfall einer entsprechend vorgesehenen Halterung im Bauteil. Dies verändert nicht nur die funktionsoptimierte Bauteilgeometrie der Rohrkonstruktion, sondern generiert auch Kosten. Darüber hinaus wird die Strömung des Fluids durch das Thermometer beeinflusst, wobei sich häufig sogenannte „Totgebiete“ hinter dem Thermometer ausbilden können. Dieser Umstand beeinträchtigt die Temperaturmessung selbst und ermöglicht die Ablagerung von Stoffen bzw. Schwebeteilchen an dieser Stelle. Daher ist es in bestimmten Bereichen der Pharmazie oder Lebensmittelindustrie unzulässig, Bauteile jeglicher Art in die Strömung einzubringen.
-
Um dieses Problem zu umgehen, werden neben den bereits beschriebenen Stabthermoelementen, Anlegethermoelemente verwendet. Hierbei handelt es sich um Thermoelemente, welche wie üblich aus zwei verbundenen Thermoschenkeln in einer Schutzhülle bestehen. Über Klemmung, Verklebung oder anderweitige Kontaktierungsverfahren wird eine Berührung der Thermoelemente mit der Außenseite des Rohres oder Behälters hergestellt. Der Vorteil dieser Elemente liegt in dem Wegfall einer Verschraubung, der Verwendbarkeit bei Rohren geringen Durchmessers und der Molchfähigkeit des Rohres. Allerdings ist auch hierbei ein konstruktiver Mehraufwand erforderlich. Zudem ist der Wärmeübergang durch minimale Luftspalte zwischen Rohrwandung und Anlegefühler eingeschränkt. Dieser Verlust kann mittels Wärmeleitpasten vermindert, aber nicht eliminiert werden. Problematisch ist neben der erheblichen Erhöhung der thermischen Masse des Systems sowie auch der räumlichen Ausdehnung des Messsystems, aber vor allem, dass die Fluidtemperatur nur näherungsweise ermittelt werden kann und Prinzip bedingt erhebliche Messfehler auftreten. Bei dieser Rückrechnung können insbesondere durch Lunker in der Rohrwandung, falsch bestimmte Wärmeleitungskoeffizienten der Wandung oder Wärmeableitungen bzw. Strahlungen an die Umgebung, Messfehler in erheblicher Größe auftreten.
-
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik verschiedene Temperaturmessmodule bekannt. So wird in der
DE 10 2013 203 904 B3 z.B. ein thermoelektrisches Temperaturmessmodul vorgestellt, welches aus zwei Ringhälften besteht, die jeweils als Thermoschenkel fungieren und an deren Verbindungsstelle ein Thermoelement ergeben. Dieser Aufbau hat jedoch den Nachteil, dass in jeder Dichtung nur genau ein Messpunkt vorhanden ist. Eine Summation bzw. Verschaltung mehrerer Thermoelemente untereinander kann nicht realisiert werden. Mit nur einem Messpunkt können jedoch Inhomogenitäten im Strömungs- und oder Temperaturprofil der Fluidströmung nicht detektiert werden.
-
Dagegen wird in der
DE 20 2013 103 059 U1 ein thermoelektrisches Temperaturmessmodul mit zwei Messpunkten vorgestellt, die an den diametral gegenüberliegenden Verbindungsstellen zweier metallischer Halbringe angeordnet sind. Weiterhin wird auch eine Ausführung mit thermoelektrischen Pasten, die jeweils an der Ober- bzw. Unterseite einer isolierenden Dichtscheibe aufgebracht sind, beschrieben. Die thermoelektrischen Pasten berühren sich am Innenring der Dichtscheibe und bilden somit an dieser Linie den Messpunkt aus. Es ergibt sich folglich eine Thermoperle entlang des gesamten inneren Kreises der Dichtung, was zu einer integralen Messung über den gesamten Kreisring an der Fluidströmung führt. Allerdings ist auch mit diesem Messmodul eine gesonderte oder gewichtete Betrachtung einzelner Messpunkte nicht realisierbar. Genauso wenig kann mit diesem Aufbau eine Verschiebung des Strömungs- oder Temperaturfeldes an dieser Stelle detektiert werden.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden und eine einfache und kostengünstig herstellbare thermoelektrische Messvorrichtung für verschiedenste Messaufgaben bereitzustellen, die variabel an unterschiedlichen Messorten eingesetzt werden kann.
-
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst einen an den Messort angepassten und in seinen Abmaßen beliebigen Grundkörper, welcher ein- oder beidseitig leiterbahnförmig mittels Siebdruck aufgedruckte Thermoelemente aus metallischen Pasten aufweist. Die Ausgestaltung der geometrischen Form des Grundkörpers ist hierbei ebenso individuell an die Aufgabe anpassbar, wie die Gestaltung der Thermoschenkel der Thermoelemente und die Anzahl der Messpunkte. Aufgrund der Technologie der Thermoelemente-Erzeugung mittels Siebdrucks, ist es möglich punktgenaue, flächen- oder segmentgemittelte, aber auch in Reihe oder parallel geschaltete Thermoelemente auf geringem Raum zu vereinen und in Abhängigkeit der Kontaktierung selektiv auszulesen.
-
Zur Realisierung der dichtenden Funktion ist für die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine umhüllende Deckschicht vorgesehen. Diese dient zum einen als elastische Komponente, wodurch die Funktion einer Dichtung gewährleistet wird. Weiterhin ist diese Schicht notwendig, um eine elektrische und, soweit möglich, auch eine thermische Isolation der Thermoelemente zur Umgebung zu bewirken.
-
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 - grundlegender Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
- 2- ein Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung mit in Reihe geschalteten Thermoelementen
- 3- ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung mit in Reihe geschalteten Thermoelementen
- 4- zwei weitere Thermoelement-Layouts auf einem Grundkörper
- 5- eine Zylinderkopfdichtung mit aufgedruckten Thermoelementen
-
Der grundlegende Aufbau einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Messvorrichtung ist in 1 dargestellt. Sie umfasst einen Grundkörper (2), welcher formgebend (rund / oval / eckig) ist und gleichzeitig als Isolator der Thermoschenkel untereinander und gegenüber der Peripherie dient, mit mindestens einer Fluid-Durchflussöffnung (1). Dieser Grundkörper (2) erfüllt anhand seiner Geometrie die abdichtende Funktion des Bauteils. Auf einer hervorstehenden Lasche befinden sich die jeweiligen Anschlusspads (5), welche der Kontaktierung mit einer entsprechenden Auswerteeinheit dienen. Auf der Ober- und / oder Unterseite des Grundkörpers (2) sind ein oder mehrere Thermoelemente (4) mit den Thermoschenkeln (4.1, 4.2) im Siebdruckverfahren aufgebracht. Ein Temperaturmesspunkt (3) ergibt sich dabei, sobald ein Materialübergang von einem ersten Thermoschenkel (4.1) aus dem Material A auf einen zweiten Thermoschenkel (4.2) aus dem Material B stattfindet, was in Bezug auf Thermoelemente gemeinhin als Thermoperle bezeichnet wird.
-
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit in Reihe geschalteten Thermoelementen gezeigt. Hierbei sind die beiden Thermoschenkel aufgeteilt worden, wobei sich an jedem Kontaktierungspunkt der Thermoschenkel ein Thermoelement ergibt, was zu einer „Aussummation“ der einzelnen Thermospannungen führt. Das primäre Ziel bei Verwendung dieser Ausführung ist die Verstärkung des Ausgangssignals. Mit Hilfe der Reihenschaltung einzelner Thermoelemente kommt es, bei Vorliegen einer Temperaturdifferenz zwischen dem Innen- und Außenring der Dichtung, zu einer Spannungsaddition entlang des mäandernden Thermoelements. Hierbei kann jedoch nicht konkret auf eine der beiden peripher anliegenden Temperaturen oder den Temperaturgradient geschlossen werden. Vielmehr stellt sich eine Mischtemperaturanzeige zwischen den beiden vorliegenden Temperaturwerten ein. Die zentral auf dem Anschlusspad (5) angebrachten Thermoelemente, welche lediglich mit zwei Schenkeln zum inneren bzw. äußeren Ring der Messvorrichtung führen, dienen der punktuellen Bestimmung der an diesem Punkt herrschenden Temperatur.
-
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit in Reihe geschalteten Thermoelementen dargestellt. Im Gegensatz zu dem in 2 gezeigten wird hier jedoch nicht der thermisch bedingte Unterschied zwischen den beiden Rändern der Dichtung aufsummiert, sondern ein Summenintegral entlang des Innen- bzw. Außenrings gebildet. Entscheidend hierbei ist, dass klar zwischen der Temperatur der beiden Ringe unterschieden wird. Es entsteht folglich keine Mischtemperatur, sondern es wird die konkrete Temperatur an den Peripherien der Dichtung ermittelt.
-
Auf Basis dieser Messung kann eine Abschätzung bezüglich des Temperaturgradienten entlang des Durchmessers der Dichtscheibe erfolgen. Da auch die am Innenring gemessene Temperatur aufgrund des statisch-thermischen Messfehlers durch Wärmeleitung (kurz Einbaufehler) nicht dem tatsächlichen Temperaturwert des Fluids entspricht, ist eine Korrektur dort zweckdienlich. Mit Hilfe der Bestimmung der beiden Temperaturen am Innen- und Außendurchmesser des Dichtringes kann über den ermittelten Gradienten der Einbaufehler bestimmt und nachträglich rechnerisch eliminiert werden.
-
4 zeigt weitere Variationsmöglichkeiten verschiedener Thermoelement-Layouts jeweils auf einem Grundkörper (2). Dieser ist mit einzelnen Temperaturmessstellen, sowie in Reihe geschalteten Temperaturmessstellen versehen. Die jeweilige Ausführung orientiert sich am gewünschten Einsatzfall und kann eine punktuelle Temperaturmessung sowie Mischtemperaturen aus mehreren Temperturmessstellen umfassen.
-
In 5 ist ein möglicher Anwendungsfall der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Messvorrichtung als Zylinderkopfdichtung dargestellt. Sie umfasst mehrere Fluid-Durchflussöffnungen (1). Die aufgedruckten Thermoelemente (4) haben unterschiedliche Layouts zur integralen und selektiven Temperaturmessung. Die in Reihe gestalteten Temperaturmessmodule erlauben hier eine integrale Temperaturmessung über den Bereich, welcher von den einzelnen Messstellen abgebildet wird / an dem sich die Messstellen befinden. Die selektive Messung erlaubt die Messung einer punktuellen Temperatur an einer Messstelle. Die selektive Messung erlaubt weiterhin eine Wichtung der einzelnen Signale der Temperaurmesspunkte, indem die Zuleitung der Messaufgabe angepasst wird. D.h. eine Messstelle mit einer höheren beabsichtigten Wichtung sollte einen geringeren elektrischen Widerstand der Zuleitung aufweisen als andere Punkte - indem z.B. dicker und/oder kürzer gestaltet wird.
-
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsansätzen zur Bestimmung der Fluidtemperatur in Rohren (Stabthermometer, Anlegefühler, Scheiben-Thermo-Blech-Dichtung), liegt der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Möglichkeit einer Mehrpunktmessung. Jedoch messen ein Stabthermoelement oder eine Thermo-Blech-Dichtung mit Messnase die Fluidtemperatur direkter als die erfindungsgemäße Messvorrichtung, anderseits greifen letztere aktiv in die Strömung ein, was für bestimmte Anwendungen unzulässig ist oder Stabilitätsprobleme herbeiführt.
-
Mittels verschiedener Thermoelemente, welche auf unterschiedlichen Radien auf dem Grundkörper aufgebracht sind, ist es möglich die Wandungstemperatur auf unterschiedlichen radialen Ebenen zu messen und daher Temperaturgradienten zu bestimmen. Diese lassen Schlussfolgerungen bezüglich des örtlichen und zeitlichen Temperaturfeldes des Rohrsystems zu. Hiermit kann, mittels geeigneter Algorithmen, die Messunsicherheit der Temperaturbestimmung weiter verringert werden bzw. über die Randströmungstemperatur des Fluids plausibel auf die Temperatur im Kern der Fluidströmung geschlossen werden.
-
Mit Hilfe von mehreren, entlang des Innenrings der Dichtung angeordneten Messpunkten, ist es möglich, örtliche und zeitliche Veränderungen des Temperaturfeldes der Fluidströmung zu detektieren.
-
Bei transienten Fluid-Strömungen mit starken Temperaturschwankungen ist davon auszugehen, dass z.B. Krümmungen oder Verjüngungen innerhalb des Rohrsystems nicht gleichmäßig durchwärmt sind. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, die einzelnen Temperatur-Extrema an eben solchen Positionen von Rohrsystemen zu lokalisieren und messtechnisch zu quantifizieren.
-
Die Möglichkeit zum schnellen und (bei entsprechender Stückzahl) effizienten Auftragen der metallischen Pasten via Siebdruckverfahren eröffnet ein weites gestalterisches Feld. Die Installation einer beliebigen Anzahl, Form und Anordnung von Messpunkten auf dem Grundkörper kann realisiert werden. Das an die Messaufgabe angepasste Layout ist einfach zu generieren und aufzudrucken. Mit dem Siebdruckverfahren lassen sich eine Vielzahl von Leiterbahnen und Messpunkten ohne signifikanten Mehraufwand „drucken“. Dabei ist es auch denkbar, gleichzeitig Komponenten zu installieren, welche nicht zur ständigen Auslese benutzt werden. So können beispielsweise bestimmte Strukturen als „Messpunktbackup“ dienen oder nur zum sporadischen Messen benutzt werden, um orts- bzw. zeitdiskrete Mittelwerte zu bilden etc. In Summe ergibt sich eine äußerst kostengünstige, schnell herzustellende und via Layoutvielfalt an den Messort und die Messaufgabe anpassungsfähige Möglichkeit zur Erzeugung von Dichtungen mit der Funktionsintegration der Temperaturmessung.
-
Aufgrund der vielfältigen Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung können neuartige Messaufgaben gelöst werden. So wird es z.B. möglich, Mediums- und/oder Umgebungstemperaturen an Stellen zu erfassen, welche bislang nicht zugänglich waren. Hierbei spielt vor allem der Eingriff in die Fluidströmung eine große Rolle.
-
Besonders vorteilhaft erweist sich auch die Tatsache, dass handelsübliche Dichtungen zwischen verschiedenen Flanschverbindungen ohne großen Mehraufwand durch die erfindungsgemäßen Messvorrichtungen ersetzt werden. Da im Allgemeinen jedes Rohrsystem über Flansche und entsprechende Dichtungen verfügen, können diese bereits bestehenden Schnittstellen zum Austausch genutzt werden, ohne dabei konstruktiv in das System einzugreifen. Mit dem Einsatz des neuartigen Dichtungselementes entfällt eine zusätzlich Temperaturmesseinheit, da die Temperaurmessung nun in ein ohnehin verwendetes Bauteil integriert ist, mit dem das zu untersuchenden Fluid nicht weiter beeinflusst wird.
-
Eine bislang nur äußerst schwer umzusetzende Messaufgabe, ist die hochdynamische Temperaturbestimmung des Fluids in einem Stoßdämpfer, vor allem im Querschnitt der Strömungsdüsen des Trennkolbens. In die Grundplatte der Elemente sind beliebig viele Löcher bzw. Öffnungen integrierbar, welche mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung komplettiert werden können. Diese Messaussage ermöglicht beispielsweise Rückschlüsse über Mediumsviskositäten.
-
Die Möglichkeit der Mehrlochgestaltung der Messdichtung führt auch zu Anwendungen im Motorenbereich. In einem Prüfstandsmotor könnte bspw. die Zylinderkopfdichtung durch eine erfindungsgemäße thermoelektrische Messvorrichtung ausgetauscht werden. Hiermit gewonnene Aussagen über ortsbestimmte Erwärmungsbereiche der Kühlflüssigkeit bzw. des Motorblocks, können Rückschlüsse auf überbeanspruchte Bauteilbereiche und minimale Kühlmittelmassenströme zulassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- - Fluid-Durchflussöffnung
- 2
- - Grundkörper
- 3
- - Messpunkt eines Thermoelements
- 4
- - Thermoelement
- 4.1
- - Thermoschenkel aus Material A
- 4.2
- - Thermoschenkel aus Material B
- 5
- - Anschlusspad
