DE102016101862A1

DE102016101862A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur, System zur Bestimmung einer Temperatur und Verwenden eines Systems zur Bestimmung einer Temperatur

Info

Publication number: DE102016101862A1
Application number: DE102016101862.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Garbers; Stephan Gehrmann
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur in einem Medium, das in einem Kanal geführt wird, wobei mittels eines in eine Kanalwand des Kanals eingelassenen und in den Kanal hineinragenden Temperatursensors eine Primärtemperatur innerhalb des Kanals ermittelt wird, wobei eine Sekundärtemperatur an der Kanalwand ermittelt wird, wobei mittels einer Auswerteeinheit abhängig von der Primärtemperatur und der Sekundärtemperatur die Temperatur des Mediums bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur in einem Medium, ein System zur Bestimmung einer Temperatur eines in einem Kanal geführten Mediums und ein Verwenden des Systems zur Bestimmung einer Temperatur eines Mediums.
Im Stand der Technik ist es bei einer Prozesstemperatur-bestimmung üblich, eine Temperatur in gasförmigen Medien im Bereich einer Messstelle mit Berührungsthermometern zu messen. Hierbei wird eine Primär- bzw. Sensortemperatur an einer Messspitze des Berührungsthermometers bestimmt. Allerdings kann es beispielsweise bei Heißgasmessungen aufgrund der Wärmeübertragungsvorgänge im Bereich der Messstelle zu Abweichungen von der tatsächlichen Temperatur im Medium kommen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bestimmung einer Temperatur in einem Medium, das in einem Kanal geführt wird, weiter zu verbessern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur in einem Medium, das in einem Kanal geführt wird, wobei mittels eines in eine Kanalwand des Kanals eingelassenen und in den Kanal hinein-ragenden Temperatursensors eine Primärtemperatur innerhalb des Kanals ermittelt wird, wobei eine Sekundärtemperatur an der Kanalwand ermittelt wird, wobei mittels einer Auswerteeinheit abhängig von der Primärtemperatur und der Sekundärtemperatur die Temperatur des Mediums bestimmt wird.
Gegenüber dem Stand der Technik lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein statisch-thermischer Messfehler ermitteln, der bei der Bestimmung der Temperatur des Mediums berücksichtigt werden kann, wodurch sich in vorteilhafter Weise eine verbesserte Messqualität erzielen lässt, indem die Primärtemperatur um den Messfehler korrigiert wird.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass es sich bei dem Medium um ein Gas handelt, beispielsweise um ein Abgas einer Brennkraftmaschine und entsprechend bei der zu bestimmenden Temperatur um eine Abgastemperatur. Insbesondere ist es vorstellbar, dass das Verfahren im Rahmen einer Motor-entwicklung für ein Fahrzeug Anwendung findet, beispielsweise indem es in einem Motorprüfstand verwendet wird. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise die Messgenauigkeit, und damit die Messqualität, so verbessern, dass sie positiv Einfluss nehmen kann auf eine Auslegung und Entwicklung von Systemkomponenten in der Brennkraftmaschine und deren Abgasanlage. Schließlich dient hier die Abgastemperatur für Turbolader, Rußpartikelfilter und Katalysatoren als Regelgröße. Es ist auch vorstellbar, dass das Verfahren zum Bauteilschutz in einem Turbolader verwendet wird. Dabei wird vorzugsweise mittels eines Steuergeräts aktiv in eine Motorsteuerung eingegriffen, wenn die als Regelgröße zu verstehende Abgastemperatur einen festgelegten Schwellwert überschreitet, wodurch ein Überhitzen und damit auch Folgeschäden für den Turbolader vermieden werden können. Infolgedessen lässt sich demnach der für den Turbolader vorgesehene Sicherheitsbereich in vorteilhafter Weise verkleinern, was letztendlich bei gleichem mechanischem Aufbau der Brennkraftmaschine auch eine Effizienzsteigerung der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Außerdem ist es vorstellbar, dass das Verfahren zur Bestimmung einer Ladeluft für den Turbolader herangezogen wird. Denkbar ist auch, dass das Verfahren bei einer Gastemperaturbestimmung, wie sie beispielsweise in Kraftwerken oder in Kleinfeuerungsanlagen in Privathaushalten vorgesehen ist, Anwendung findet. Unabhängig vom Anwendungsgebiet ist es dabei insbesondere vorgesehen, dass ein Korrekturmodell zur Bestimmung der tatsächlichen Temperatur im Medium herangezogen wird, wobei in das Korrekturmodell vorzugsweise Wärmeübertragungsvorgänge in dem vom Kanal geführten Medium einfließen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Sekundärtemperatur an einer Durchtrittsstelle des Temperatursensors durch die Kanalwand ermittelt wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Wurzeltemperatur als Sekundärtemperatur bestimmt. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass es trotz zahlreicher Einflussgrößen auf die tatsächliche Temperatur bzw. auf den statischthermischen Messfehler für eine hinreichende Verbesserung der Messqualität ausreicht, wenn Primärtemperatur und Sekundärtemperatur in Form der Wurzeltemperatur ermittelt werden. Dadurch wird die Anzahl der zur Fehlerkorrektur zu bestimmenden Messgrößen in vorteilhafter Weise auf ein Minimum reduziert. Es ist auch vorstellbar, dass neben der Sekundärtemperatur in Form der Wurzeltemperatur noch zusätzlich eine weitere Sekundärtemperatur an der Kanalwand mit einem Abstand zur Durchgriffsstelle ermittelt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Primärtemperatur und die Sekundärtemperatur kontinuierlich ermittelt werden. Dadurch lässt sich kontinuierlich der statisch-thermische Messfehler bestimmen und entsprechend in vorteilhafter Weise die tatsächliche Temperatur im Medium in Echtzeit bestimmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein Massenstrom des Mediums ermittelt wird, wobei der Massenstrom des Materials neben der Primärtemperatur und der Sekundärtemperatur von der Auswerteeinheit zur Bestimmung der Temperatur mitberücksichtigt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Primärtemperatur mittels eines mit Abstand zur Kanalwand temperatursensitiven Elements des Temperatursensors ermittelt wird. Insbesondere ist das temperatursensitive Element in einem Abschlussbereich des in den Kanal hineinragenden Temperatursensors, beispielsweise in dessen Messspitze, angeordnet. Dadurch lässt sich das temperatursensitive Element in einem möglichst großen Abstand zur Kanalwand im Temperatursensor anordnen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass geometrische und/oder materielle Eigenschaften des Kanals von der Auswerteeinheit zur Bestimmung der Temperatur des Mediums mitberücksichtigt werden. Es ist auch vorstellbar, dass die geometrischen und/oder materiellen Eigenschaften des Temperatursensors mitberücksichtigt werden. Insbesondere lassen sich individuell an den Bereich der Messstelle angepasste Parameter in das Korrekturmodell so einarbeiten, dass lediglich die Primärtemperatur und die Sekundärtemperatur ermittelt werden müssen, um den statisch-thermischen Messfehler zu bestimmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperatur in einer Fahrzeugkomponente oder einer für ein Fahrzeug vorgesehenen Komponente bestimmt wird. Vorstellbar ist, dass das Verfahren in seriell hergestellten Fahrzeugkomponenten und/oder in einem in der Entwicklung einer Fahrzeugkomponente verwendeten Prüfstand genutzt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine Abgastemperatur in einer Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug bestimmt wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Bestimmung einer Temperatur eines in einem Kanal geführten Mediums, insbesondere mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das System einen Kanal, einen Temperatursensor zur Ermittlung einer Primärtemperatur und einen Sensor zur Ermittlung einer Sekundärtemperatur umfasst, wobei das System eine Auswertevorrichtung zur Bestimmung der Temperatur des Mediums abhängig von der Primärtemperatur und der Sekundärtemperatur aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Verwenden eines erfindungsgemäßen Systems in einem Prüfstand für eine Fahrzeugkomponente oder in einem Fahrzeug, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Die Zeichnung illustriert dabei lediglich eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränkt.
Die 1 zeigt schematisch ein System, mit dem sich die Temperatur eines in einem Kanal geführten Mediums gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmen lässt.
In 1 ist schematisch ein System, mit dem sich die Temperatur 3 eines in einem Kanal geführten Mediums gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmen lässt, dargestellt. Hierbei ist es beispielsweise vorgesehen, dass es sich bei dem im Kanal geführten Medium um ein Gas, vorzugsweise um ein Abgas aus einer Brennkraftmaschine, handelt. Zur Bestimmung der Temperatur 3 des Mediums innerhalb des Kanals, z. B. eines Abgasrohrs, umfasst das System einen Temperatursensor 10 und eine Auswerteeinheit (hier nicht dargestellt). Der Temperatursensor 10 ist hierbei vorzugsweise in eine Kanalwand 20 des Kanals eingelassen, indem der Temperatursensor durch eine entsprechende Aussparung in der Kanalwand 20 durchgreift. In der dargestellten Ausführungsform ist ein solcher Temperatursensor 10 dargestellt, dessen zylinderförmiger Grundkörper, d. h. Schaft 4, durch die Aussparung in der Kanalwand 20 durchgreift. Dabei verläuft der Schaft 4 im Wesentlichen senkrecht zur Kanalwand 20. Es ist auch vorstellbar, dass der Schaft 4 schräg zur Kanalwand 20 oder parallel zur Normalwand verläuft, beispielsweise in Flussrichtung des geführten Mediums nach hinten geneigt ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Temperatursensor 10 derart ausgestaltet bzw. derart angeordnet ist, dass ein temperatursensitives Element des Temperatursensors 10 beabstandet ist zur Kanalwand 20, wodurch eine Primärtemperatur 1 innerhalb des Kanals vom temperatursensitiven Element ermittelt wird. Vorzugsweise ist das temperatursensitive Element in einer einem Messkopf 6 gegenüberliegenden Messspitze des Temperatursensors 10 innerhalb des Kanals angeordnet. Zur Verbesserung einer bei der Bestimmung der Temperatur im Medium erzielten Messqualität ist es vorzugsweise vorgesehen, dass neben der Primärtemperatur 1 eine Sekundärtemperatur 2, 2‘ an der Kanalwand 20, insbesondere im Bereich des Durchgriffs des Temperatursensors durch die Kanalwand 20, d. h. eine sogenannte Wurzeltemperatur, ermittelt wird. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass der Temperatursensor 10 in dem Bereich, in dem der Temperatursensor 10 an der Aussparung in der Kanalwand 20 im montierten Zustand anliegt, ein weiteres temperatursensitives Element zur Ermittlung der Sekundärtemperatur 2‘ aufweist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass mittels der Auswerteeinheit die Temperatur 3 des im Kanal geführten Mediums abhängig von der Primärtemperatur 1 und der Sekundärtemperatur 2‘ bestimmt wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die tatsächliche Temperatur innerhalb des Mediums zu bestimmen, ohne das fälschlicherweise angenommen wird, dass die Primärtemperatur 1 die Temperatur 3 innerhalb des Mediums ist, obwohl – beispielsweise bei Heißgasmessungen – es aufgrund von Wärmetransportvorgängen an einer innerhalb des Kanals liegenden Messstelle zu einer Abweichung von der mit den sensitiven Elementen ermittelten Primärtemperatur 1 kommen kann. In der 1 ist graphisch dargestellt, wie Konvektion 31, Wärmestrahlung 32 und Wärmeleitung 33 die Mediums-, die Wand- und die Wurzeltemperatur, also die Sekundärtemperatur 2‘, beeinflussen. Ohne Kenntnisse über Wärmeübertragungsvorgänge in der Messstelle und bei bloßer Ermittlung der Primärtemperatur 1 wäre auch kein Rückschluss auf den statisch-thermischen Messfehler des Temperatursensors 10 möglich. Die Bestimmung der Sekundärtemperatur 2‘ erlaubt es allerdings, dass mittels eines Korrekturmodells diese statisch-thermischen Messfehler bei der Bestimmung der Temperatur 3 im Medium korrigiert werden können, wobei vom Korrekturmodell insbesondere die Wärmeübertragung im Temperatursensor 10 und/oder im Bereich der Messstelle mitberücksichtigt wird. Mittels einer geeigneten Parametrisierung des Korrekturmodells ist es daher in vorteilhafter Weise möglich, für definierte Messaufgaben den statischthermischen Messfehler zu korrigieren.
Insbesondere beschreibt das Korrekturmodell im Hinblick auf die Wärmeübertragung einen Zusammenhang zwischen der Wandtemperatur, der Wurzeltemperatur, der zur bestimmenden Temperatur 3 des geführten Mediums und der Primärtemperatur 1. Sofern drei dieser vier Parameter bekannt sind und der Wärmeübergang zwischen diesen Temperaturen beschrieben werden kann, lässt sich in vorteilhafter Weise mit hinreichender Genauigkeit die Temperatur 3 innerhalb des geführten Mediums bestimmen, die tatsächlich im Medium herrscht.
Die entsprechende Parametrisierung des Korrekturmodells umfasst dabei vorzugsweise eine individuelle Anpassung an geometrische und/oder materielle Eigenschaften des Kanals, insbesondere im Bereich der Messstelle. Beispielsweise fließt in das Korrekturmodell ein, ob der Kanal bzw. die Kanalwand 20 im Bereich der Messstelle einen rechteckigen oder einen gebogenen Querschnitt bzw. Verlauf aufweist. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die thermischen Randbedingungen im Bereich der Messstelle in das Korrekturmodell einfließen. Insbesondere ist das Korrekturmodell derart gewählt, dass ausschließlich die Primärtemperatur 1 und die Sekundärtemperatur 2‘ in Form der Wurzeltemperatur gemessen werden müssen, um den Messfehler zu bestimmen und bei der Bestimmung der Temperatur 3 im Medium zu berücksichtigen. Infolgedessen bedarf es nur zweier Sensorelemente, mit denen jeweils die Primärtemperatur 1 und die Sekundärtemperatur 2‘ bestimmt werden können, und es kann auf zusätzliche Sensorelemente verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass von der Auswerteeinheit nur zwei Eingangsgrößen, insbesondere zwei kontinuierlich ermittelte Eingangsgrößen, nämlich die Primärtemperatur 1 und die Sekundärtemperatur 2‘, erfasst und weiterverarbeitet werden, wodurch letztendlich auch die Datenverarbeitung vereinfacht wird im Vergleich zu Korrekturverfahren, bei denen mehr Messgrößen ermittelt und verarbeitet werden müssen. Bei einer kontinuierlichen Ermittlung der Primär- und der Sekundärtemperatur 1 und 2‘ lässt sich zudem in vorteilhafter Weise der Messfehler kontinuierlich bestimmen und kompensieren.
Bezugszeichenliste

1: Primärtemperatur
2, 2‘: Sekundärtemperatur
3: Temperatur im Medium
4: Schaft
6: Messkopf
7: Umgebungstemperatur
10: Temperatursensor
20: Kanalwand
31: Konvektion
32: Strahlung
33: Wärmeleitung

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur (3) in einem Medium, das in einem Kanal geführt wird, wobei mittels eines in eine Kanalwand (20) des Kanals eingelassenen und in den Kanal hineinragenden Temperatursensors (10) eine Primärtemperatur (1) innerhalb des Kanals ermittelt wird, wobei eine Sekundärtemperatur (2‘) an der Kanalwand (20) ermittelt wird, wobei mittels einer Auswerteeinheit abhängig von der Primärtemperatur (1) und der Sekundärtemperatur (2‘) die Temperatur des Mediums bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Sekundärtemperatur (2‘) an einer Durchtrittsstelle des Temperatursensors (10) durch die Kanalwand (20) ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärtemperatur (1) und die Sekundärtemperatur (2‘) kontinuierlich ermittelt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Massenstrom des Mediums ermittelt wird, wobei der Massenstrom des Materials neben der Primärtemperatur (1) und der Sekundärtemperatur (2‘) von der Auswerteeinheit zur Bestimmung der Temperatur (3) mitberücksichtigt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärtemperatur (1) mittels eines mit Abstand zur Kanalwand (20) angeordneten temperatursensitiven Elements des Temperatursensors (10) ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei geometrische und/oder materielle Eigenschaften des Kanals von der Auswerteeinheit zur Bestimmung der Temperatur (3) des Mediums mitberücksichtigt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur (3) in einer Fahrzeugkomponente oder einer für ein Fahrzeug vorgesehenen Komponente bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Abgastemperatur in einer Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug bestimmt wird.
System zur Bestimmung einer Temperatur (3) eines in einem Kanal geführten Mediums, insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System einen Kanal, einen Temperatursensor (10) zur Ermittlung einer Primärtemperatur (1) und einen Sensor zur Ermittlung einer Sekundärtemperatur (2‘) umfasst, wobei das System eine Auswertevorrichtung zur Bestimmung der Temperatur des Mediums abhängig von der Primärtemperatur (1) und der Sekundärtemperatur (2‘) aufweist.
Verwenden eines Systems gemäß Anspruch 9 in einem Prüfstand für eine Fahrzeugkomponente oder in einem Fahrzeug, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8.