DE102019214323A1 - Sensor module for high-temperature furnaces, method for its design and use of the sensor module - Google Patents

Sensor module for high-temperature furnaces, method for its design and use of the sensor module Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensormodul für Hochtemperaturöfen. Das Sensormodul umfasst mindestens eine Messsonde mit mindestens einem Sensor, mindestens eine Kommunikationseinheit zur drahtlosen Übertragung von mit dem Sensor gemessenen Signalen und/oder von aus diesen Signalen gewonnenen Messdaten, und ein Wärmemanagementsystem, welches eine um einen Innenbereich des Sensormoduls herum angeordnete mehrlagige Isolierung zur thermischen Isolierung des Innenbereichs des Sensormoduls und mindestens eine Verdampferquelle zur Kühlung des Innenbereichs des Sensormoduls umfasst.The present invention relates to a sensor module for high temperature furnaces. The sensor module comprises at least one measuring probe with at least one sensor, at least one communication unit for the wireless transmission of signals measured with the sensor and / or measurement data obtained from these signals, and a thermal management system, which has a multi-layer insulation arranged around an inner area of the sensor module for thermal Comprises insulation of the interior of the sensor module and at least one evaporator source for cooling the interior of the sensor module.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensormodul für Hochtemperaturöfen. Das Sensormodul umfasst mindestens eine Messsonde mit mindestens einem Sensor, mindestens eine Kommunikationseinheit zur drahtlosen Übertragung von mit dem Sensor gemessenen Signalen und/oder von aus diesen Signalen gewonnenen Messdaten, und ein Wärmemanagementsystem, welches eine um einen Innenbereich des Sensormoduls herum angeordnete mehrlagige Isolierung zur thermischen Isolierung des Innenbereichs des Sensormoduls und mindestens eine Verdampferquelle zur Kühlung des Innenbereichs des Sensormoduls umfasst. Die mehrlagige Isolierung weist mindestens eine Durchführung auf, durch welche die mindestens eine Messsonde vom Innenbereich des Sensormoduls durch die mehrlagige Isolierung in einen Außenbereich des Sensormoduls geführt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Auslegung des Sensormoduls auf eine Verwendung des Sensormoduls in einem Hochtemperaturofen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung des Sensormoduls in einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Hochtemperaturofen.The present invention relates to a sensor module for high temperature furnaces. The sensor module comprises at least one measuring probe with at least one sensor, at least one communication unit for the wireless transmission of signals measured with the sensor and / or measurement data obtained from these signals, and a thermal management system, which has a multi-layer insulation arranged around an inner area of the sensor module for thermal Comprises insulation of the interior of the sensor module and at least one evaporator source for cooling the interior of the sensor module. The multilayer insulation has at least one bushing through which the at least one measuring probe is guided from the interior of the sensor module through the multilayer insulation into an exterior area of the sensor module. The present invention also relates to a method for designing the sensor module for use of the sensor module in a high-temperature furnace. The present invention also relates to the use of the sensor module in a continuous or discontinuous high-temperature furnace.

Zahlreiche technische Produkte werden über einen Hochtemperaturprozess bei Temperaturen über 1200 °C hergestellt. Dazu zählen Metalle, Keramiken und anorganische Bindemittel. Bei pulvermetallurgischen Produkten, technischen Keramiken und Gebrauchskeramiken sowie bei vielen Feuerfestwerkstoffen wird das Erwärmungsgut stückig in den Ofen eingebracht. Die Qualität der Wärmebehandlung hängt in hohem Maße von der Temperaturverteilung und der Gasströmung im Ofen sowie der Zusammensetzung der Ofenatmosphäre ab. Hochtemperaturöfen benötigen eine geschlossene Zustellung mit Isolationsmaterialien, um Temperaturen kontrolliert einzustellen. Jeder Durchbruch durch die Ofenisolierung verschlechtert das Wärmemanagement der Öfen. Externe Sensoren können deshalb nur begrenzt eingesetzt werden und es stehen nicht ausreichend Daten für die Ofenüberwachung und Prozessoptimierung zur Verfügung. Diese Probleme bestehen sowohl bei diskontinuierlichen als auch bei kontinuierlichen Industrieöfen. Bei kontinuierlich arbeitenden Öfen kommt hinzu, dass Schäden an der Ofenauskleidung während des oft monatelangen Dauerbetriebs nicht erkannt werden können.Numerous technical products are manufactured using a high-temperature process at temperatures above 1200 ° C. These include metals, ceramics and inorganic binders. With powder metallurgical products, technical ceramics and utility ceramics as well as with many refractory materials, the material to be heated is introduced into the furnace in pieces. The quality of the heat treatment depends to a large extent on the temperature distribution and the gas flow in the furnace as well as the composition of the furnace atmosphere. High-temperature furnaces require a closed lining with insulation materials in order to set temperatures in a controlled manner. Any breakthrough through the furnace insulation worsens the heat management of the furnace. External sensors can therefore only be used to a limited extent and there is insufficient data available for furnace monitoring and process optimization. These problems exist with both batch and continuous industrial furnaces. In the case of continuously operating furnaces, damage to the furnace lining cannot be detected during the often months of continuous operation.

Eine weitere Randbedingung beim Einsatz von Sensoren ist der im Nutzvolumen des Industrieofens verfügbare Platz. Dieser ist häufig limitiert, z.B. durch die flache Bauweise kontinuierlicher Öfen. Bei ständigem oder häufigem Einsatz der Sensoren muss zudem aus wirtschaftlichen Gründen darauf geachtet werden, dass nur ein geringer Teil des Nutzvolumens für die Sensorik verwendet wird.Another boundary condition when using sensors is the space available in the useful volume of the industrial furnace. This is often limited, e.g. due to the flat design of continuous ovens. With constant or frequent use of the sensors, it must also be ensured for economic reasons that only a small part of the useful volume is used for the sensors.

Bisher wird bei industriellen Wärmebehandlungen meistens nur die Temperatur in den Öfen erfasst. Bei Temperaturen bis ca. 1700 °C werden dazu Thermoelemente verwendet. Die Thermoelemente werden ortsfest montiert und benötigen eine Durchführung in den kalten Außenbereich des Ofens. Alternativ werden bei kontinuierlichen Öfen Thermoelemente mit langen Zuleitungen durch den Ofen geschleppt. Dies ist allerdings nur bei Öfen ohne Tore oder Schleusen möglich. Bei Herdwagenöfen können auch Temperaturdatenlogger im kalten Bereich unter den Herdwagen mitgeführt werden, welche mit Thermoelementen im darüber liegenden heißen Bereich verbunden sind. Des Weiteren gibt es bei Prozessen unter 1200 °C die Möglichkeit, Wärmeschutzbehälter mit Datenloggern durch den Ofen mitfahren zu lassen. Diese Schutzbehälter sind alle mit Stahl ummantelt oder zumindest verstärkt, was den Einsatz über 1200 °C verbietet. Sie werden bisher ausschließlich zur Messung der Ofentemperatur eingesetzt. Die Temperatur im Inneren solcher Behälter wird durch kühlende Stoffe oder sog. „Phase Change Materials“ (PCM) auf einer konstanten, für die Elektronik sicheren Temperatur gehalten. Bei hohen Temperaturen werden auch Pyrometer zur Temperaturmessung eingesetzt. Diese benötigen einen optischen Zugang in den heißen Ofenbereich.Up to now, most of the time only the temperature in the furnace is recorded in industrial heat treatments. Thermocouples are used for this at temperatures up to approx. 1700 ° C. The thermocouples are installed in a stationary manner and require a lead-through in the cold outside area of the furnace. Alternatively, with continuous furnaces, thermocouples with long supply lines are dragged through the furnace. However, this is only possible with furnaces without gates or locks. In the case of shuttle furnaces, temperature data loggers can also be carried in the cold area under the shuttle, which are connected to thermocouples in the hot area above. In addition, for processes below 1200 ° C, there is the option of having thermal protection containers with data loggers run through the furnace. These protective containers are all sheathed with steel or at least reinforced, which prohibits use above 1200 ° C. So far, they have only been used to measure the oven temperature. The temperature inside such containers is kept at a constant temperature that is safe for the electronics by means of cooling substances or so-called "phase change materials" (PCM). At high temperatures, pyrometers are also used to measure temperatures. These require optical access to the hot furnace area.

Anstelle von Thermoelementen oder Pyrometern können auch Temperaturmessringe (PTCR = Process Temperature Control Ring) eingesetzt werden, deren Sinterschwindung ein Maß für die insgesamt während der Wärmebehandlung aufgenommene Wärmemenge ist. Diese Temperaturmessringe zeigen jedoch nicht die aktuelle Temperatur an.Instead of thermocouples or pyrometers, temperature measuring rings (PTCR = Process Temperature Control Ring) can also be used, the sintering shrinkage of which is a measure of the total amount of heat absorbed during the heat treatment. However, these temperature measuring rings do not show the current temperature.

Alternativ werden Messlanzen eingesetzt, die im Bedarfsfall von außen in die Öfen eingeführt werden oder fest am Ofen montiert sind. Mit den Messlanzen können diverse Daten aus dem Ofeninneren ermittelt werden. Durch den Einsatz von Messlanzen entstehen jedoch Wärmebrücken in den kalten Außenbereich der Öfen. Zudem ist die Messung auf wenige Messpunkte begrenzt und bei kontinuierlichen Öfen müssen die Lanzen so positioniert werden, dass sie den Transport des Erwärmungsguts nicht behindern. Bei Schutzgasöfen kommt hinzu, dass die Messlanzen und die Durchführungen gasdicht ausgeführt werden müssen.Alternatively, measuring lances are used which, if necessary, are inserted into the furnace from the outside or are permanently mounted on the furnace. Various data from the inside of the furnace can be determined with the measuring lances. However, the use of measuring lances creates thermal bridges in the cold outside area of the furnace. In addition, the measurement is limited to a few measuring points and with continuous ovens the lances must be positioned in such a way that they do not hinder the transport of the material to be heated. In the case of inert gas furnaces, the measuring lances and the feedthroughs must be made gas-tight.

Eine gängige Methode zur Messung der Ofenatmosphäre besteht deshalb in der Analyse der Ofenabgase. Allerdings entspricht die Zusammensetzung der Abgase nicht exakt der Atmosphärenzusammensetzung im Nutzvolumen des Ofens, die räumlich und temperaturabhängig schwanken kann. Außerdem können Strömungsgeschwindigkeiten der Ofenatmosphäre so nicht ermittelt werden.A common method for measuring the furnace atmosphere is therefore to analyze the furnace exhaust gases. However, the composition of the exhaust gases does not exactly correspond to the composition of the atmosphere in the useful volume of the furnace, which can vary depending on space and temperature. In addition, the flow velocities of the furnace atmosphere cannot be determined in this way.

Zusammenfassung vorhandener Methoden:

  • - Wärmeschutzbehälter mit Datenloggern zum Einsatz bis 1100 °C
  • - Schlepp-Thermoelemente
  • - Optisches Messsystem durch Flansche
  • - Messlanze durch Flansche zur Erfassung von Temperatur, Druck und Gaszusa m mensetzung
  • - Temperaturmessringe
  • - Atmosphärenmessungen in der Ofenabluft
Summary of existing methods:
  • - Thermal protection container with data loggers for use up to 1100 ° C
  • - Towing thermocouples
  • - Optical measuring system through flanges
  • - Measuring probe through flanges for recording temperature, pressure and gas composition
  • - temperature measuring rings
  • - Atmospheric measurements in the furnace exhaust air

Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Sensormodul für Hochtemperaturöfen anzugeben, das bei Temperaturen oberhalb von 1200 °C verwendet werden kann und zu keiner oder einer nur geringen Beeinträchtigung des Wärmemanagements des Hochtemperaturofens führt.Based on this, it was the object of the present invention to provide a sensor module for high-temperature furnaces which can be used at temperatures above 1200 ° C. and leads to little or no impairment of the heat management of the high-temperature furnace.

Diese Aufgabe wird durch ein Sensormodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Patentanspruch 13 betrifft ein Verfahren zur Auslegung des Sensormoduls und in Patentanspruch 14 werden Verwendungsmöglichkeiten des Sensormoduls angegeben. Die abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.This object is achieved by a sensor module with the features of claim 1. Claim 13 relates to a method for designing the sensor module and claim 14 specifies possible uses of the sensor module. The dependent claims represent advantageous developments.

Erfindungsgemäß wird somit ein Sensormodul für Hochtemperaturöfen angegeben. Das Sensormodul umfasst mindestens eine Messsonde mit mindestens einem Sensor, mindestens eine Kommunikationseinheit zur drahtlosen Übertragung von mit dem Sensor gemessenen Signalen und/oder von aus diesen Signalen gewonnenen Messdaten, und ein Wärmemanagementsystem. Das Wärmemanagementsystem umfasst eine um einen Innenbereich des Sensormoduls herum angeordnete mehrlagige Isolierung zur thermischen Isolierung des Innenbereichs des Sensormoduls und mindestens eine Verdampferquelle zur Kühlung des Innenbereichs des Sensormoduls. Die mehrlagige Isolierung weist mindestens eine Durchführung auf, durch welche die mindestens eine Messsonde vom Innenbereich des Sensormoduls durch die mehrlagige Isolierung in einen Außenbereich des Sensormoduls geführt ist.According to the invention, a sensor module for high-temperature furnaces is thus specified. The sensor module comprises at least one measuring probe with at least one sensor, at least one communication unit for wireless transmission of signals measured with the sensor and / or of measurement data obtained from these signals, and a thermal management system. The thermal management system comprises a multilayer insulation arranged around an interior area of the sensor module for thermal insulation of the interior area of the sensor module and at least one evaporator source for cooling the interior area of the sensor module. The multilayer insulation has at least one bushing through which the at least one measuring probe is guided from the interior of the sensor module through the multilayer insulation into an exterior area of the sensor module.

Das Sensormodul weist somit einen Innenbereich und einen Außenbereich auf. Die mehrlagige Isolierung stellt hierbei vorzugsweise eine Grenze zwischen dem Innenbereich des Sensormoduls und dem Außenbereich des Sensormoduls dar. Durch das Wärmemanagementsystem wird sichergestellt, dass der Innenbereich des Sensormoduls thermisch isoliert und gekühlt wird, wohingegen die Temperatur im Außenbereich des Sensormoduls nicht (durch das Wärmemanagementsystem) beeinflusst wird.The sensor module thus has an interior area and an exterior area. The multi-layer insulation preferably represents a boundary between the interior of the sensor module and the exterior of the sensor module. The thermal management system ensures that the interior of the sensor module is thermally insulated and cooled, whereas the temperature in the exterior of the sensor module is not (by the thermal management system) being affected.

Der Innenbereich des Sensormoduls wird durch die mehrlagige Isolierung thermisch isoliert und durch die mindestens einen Verdampferquelle gekühlt. In diesem thermisch isolierten und gekühlten Innenbereich des Sensormoduls können elektronische Komponenten, wie z.B. die mindestens eine Kommunikationseinheit, mindestens eine Speichereinheit zur Speicherung von Messdaten, mindestens ein Prozessor zur Verarbeitung von mit dem Sensor gemessenen Signalen zu Messdaten und/oder Komponenten eines Energiemanagementsystems, angeordnet sein. Durch die thermische Isolierung und Kühlung des Innenbereichs des Sensormoduls kann die Temperatur des Innenbereichs niedrig gehalten werden, so dass dort angeordnete elektronische Komponenten nicht durch hohe Temperaturen beschädigt werden und auch nicht die Funktion dort angeordneter elektronischer Komponenten durch hohe Temperaturen beeinträchtigt wird. Folglich kann das Sensormodul auch in Hochtemperaturöfen bei Temperaturen oberhalb von 1200 °C verwendet werden, ohne dass durch die hohen Temperaturen die elektronischen Komponenten des Sensormoduls beschädigt werden oder deren Funktion beeinträchtigt wird.The interior of the sensor module is thermally insulated by the multilayer insulation and cooled by the at least one evaporator source. Electronic components, such as the at least one communication unit, at least one memory unit for storing measurement data, at least one processor for processing signals measured with the sensor into measurement data and / or components of an energy management system, can be arranged in this thermally insulated and cooled inner area of the sensor module . Due to the thermal insulation and cooling of the inner area of the sensor module, the temperature of the inner area can be kept low, so that electronic components arranged there are not damaged by high temperatures and the function of electronic components arranged there is not impaired by high temperatures. Consequently, the sensor module can also be used in high-temperature furnaces at temperatures above 1200 ° C. without the electronic components of the sensor module being damaged or their function being impaired by the high temperatures.

Unter der mindestens einen Verdampferquelle wird eine (feste und/oder flüssige) Komponente verstanden, die aus einem Material besteht, das bei einer bestimmten Temperatur vom festen oder flüssigen Aggregatszustand in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht (d.h. verdampft oder sublimiert) und dadurch der Umgebung Wärme entzieht. Durch die Verdampfung bzw. Sublimierung der Verdampferquelle wird die Umgebung also gekühlt. Auf diese Weise kann der Innenbereich des Sensormoduls durch die mindestens eine Verdampferquelle gekühlt werden, wenn im Hochtemperaturofen die bestimmte Temperatur erreicht oder überschritten wird, bei welcher das Material der mindestens einen Verdampferquelle vom festen oder flüssigen Aggregatszustand in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht. Da Verdampfungsenergien wesentlich höher sind als die für andere Phasenumwandlungen benötigten Energiemengen sorgt die Verdampferquelle für eine effiziente Kühlung im Innenbereich des Sensormoduls.The at least one vaporizer source is understood to mean a (solid and / or liquid) component that consists of a material that changes from the solid or liquid state of aggregation to the gaseous state of aggregation at a certain temperature (ie evaporates or sublimates) and thereby extracts heat from the environment . The environment is therefore cooled by the evaporation or sublimation of the evaporation source. In this way, the interior of the sensor module can be cooled by the at least one evaporator source when the specific temperature is reached or exceeded in the high-temperature furnace at which the material of the at least one evaporator source changes from the solid or liquid state of aggregation to the gaseous state of aggregation. Since evaporation energies are significantly higher than the amounts of energy required for other phase conversions, the evaporator source ensures efficient cooling in the interior of the sensor module.

Durch die Verwendung mindestens einer Kommunikationseinheit zur drahtlosen Übertragung von mit dem Sensor gemessenen Signalen und/oder von aus diesen Signalen gewonnenen Messdaten können die gemessenen Signale und/oder die gewonnenen Messdaten bedarfsabhängig an einen außerhalb des Hochtemperaturofens befindlichen Empfänger übertragen werden, ohne dass hierfür eine durch die Ofenisolierung führende Leitung notwendig ist. Eine solche durch die Ofenisolierung führende Leitung würde zu Wärmebrücken vom heißen Bereich des Hochtemperaturofens in den kalten Außenbereich führen, die das Wärmemanagement des Hochtemperaturofens stark beeinträchtigen. Da durch die Verwendung der mindestens einen Kommunikationseinheit zur drahtlosen Übertragung der gemessenen Signalen bzw. gewonnenen Messdaten auf solche durch die Ofenisolierung führenden Leitungen zur Übertragung der Signale bzw. Messdaten verzichtet werden kann, werden hierdurch entstehende Wärmebrücken vom heißen Bereich des Hochtemperaturofens in den kalten Außenbereich vermieden. Aufgrund dessen führt die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensormoduls zu keiner oder zu einer nur geringen Beeinträchtigung des Wärmemanagements des Hochtemperaturofens. Zudem ist die drahtlose Übertragung insbesondere wichtig, wenn die Signale zur Regelung des Wärmebehandlungsprozesses benötigt werden.By using at least one communication unit for the wireless transmission of signals measured with the sensor and / or of measurement data obtained from these signals, the measured signals and / or the measurement data obtained can be transmitted as required to a receiver located outside the high-temperature furnace, without the need for a the furnace insulation line is necessary. Such a line leading through the furnace insulation would lead to thermal bridges from the hot area of the high-temperature furnace to the cold outside area, which would severely impair the heat management of the high-temperature furnace. Because by using the at least one Communication unit for the wireless transmission of the measured signals or acquired measurement data to lines leading through the furnace insulation for the transmission of the signals or measurement data can be dispensed with, this avoids thermal bridges from the hot area of the high-temperature furnace to the cold outside area. Because of this, the use of the sensor module according to the invention leads to little or no impairment of the heat management of the high-temperature furnace. In addition, wireless transmission is particularly important when the signals are required to regulate the heat treatment process.

Vorzugsweise erfolgt die mit der mindestens einen Kommunikationseinheit durchgeführte Übertragung unter Verwendung eines industrieüblichen Standards, z.B. WiFi oder Bluetooth. Zur Datenannahme an langen Durchlauföfen, können vorzugsweise mehrere Router seitlich des Ofens positioniert werden, um eine störungsfreie Verbindung zu dem Sensormodul im Ofen zu gewährleisten.The transmission carried out with the at least one communication unit is preferably carried out using an industry standard, e.g. WiFi or Bluetooth. For data acceptance in long continuous ovens, several routers can preferably be positioned to the side of the oven in order to ensure a trouble-free connection to the sensor module in the oven.

Beispielsweise können mit der mindestens einen Kommunikationseinheit die gemessenen Signale und/oder gewonnenen Messdaten drahtlos an eine außerhalb des Hochtemperaturofens angeordnete Einheit zur Verarbeitung und/oder Auswertung der gemessenen Signale und/oder Messdaten übertragen werden.For example, with the at least one communication unit, the measured signals and / or acquired measurement data can be transmitted wirelessly to a unit arranged outside the high-temperature furnace for processing and / or evaluating the measured signals and / or measurement data.

Erfindungsgemäß weist die mehrlagige Isolierung mindestens eine Durchführung auf, durch welche die mindestens eine Messsonde vom Innenbereich des Sensormoduls durch die mehrlagige Isolierung in den Außenbereich des Sensormoduls geführt ist. Der mindestens eine Sensor ist vorzugsweise so an der mindestens einen Messsonde angeordnet, dass eine gewünschte Messung oder Parameterbestimmung mit dem Sensor im Außenbereich des Sensormoduls durchgeführt werden kann. Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor an einem Teil der mindestens einen Messsonde angeordnet, der sich im Au-ßenbereich des Sensormoduls befindet. Beispielsweise ragt ein Teil der mindestens einen Messsonde, an welchem der mindestens eine Sensor angeordnet ist, aus der mehrlagigen Isolierung heraus oder schließt mit der mehrlagigen Isolierung bündig ab.According to the invention, the multilayer insulation has at least one bushing through which the at least one measuring probe is guided from the interior of the sensor module through the multilayer insulation into the exterior of the sensor module. The at least one sensor is preferably arranged on the at least one measuring probe in such a way that a desired measurement or parameter determination can be carried out with the sensor in the outer area of the sensor module. The at least one sensor is preferably arranged on a part of the at least one measuring probe that is located in the outer area of the sensor module. For example, a part of the at least one measuring probe on which the at least one sensor is arranged protrudes from the multilayer insulation or is flush with the multilayer insulation.

Mit der vorliegenden Erfindung wird somit ein Sensormodul bereitgestellt, das bei Temperaturen oberhalb von 1200 °C verwendet werden kann und zu keiner oder einer nur geringen Beeinträchtigung des Wärmemanagements des Hochtemperaturofens führt. Das erfindungsgemäße Sensormodul kann in Industrieöfen bei hohen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen auch oberhalb 1200 °C bis zu vorzugsweise ca. 1800 °C eingesetzt werden. Das Sensormodul kann je nach Anzahl und Art der Sensoren bedarfsabhängig unterschiedliche Daten des Hochtemperaturofens erfassen und diese drahtlos in den kalten Außenbereich des Hochtemperaturofens übertragen. Er verfügt über ein neuartiges Wärmemanagement, um zu gewährleisten, dass die Temperaturen im Innenbereich des Sensormoduls, in dem sich die Elektronik befinden kann, unterhalb der oberen Temperatureinsatzgrenze der Elektronik bleiben. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sensormoduls können Prozessdaten aus dem Ofen ohne Eingriff von außen erfasst und on-line genutzt werden. Durch das Wärmemanagement des Sensormoduls kann der Sensormodul bei wesentlich höheren Temperaturen und/oder über längere Zeiträume und/oder in kompakterer Bauweise eingesetzt werden, als dies bisher der Fall war.The present invention thus provides a sensor module which can be used at temperatures above 1200 ° C. and leads to little or no impairment of the heat management of the high-temperature furnace. The sensor module according to the invention can be used in industrial furnaces at high temperatures, i.e. at temperatures also above 1200 ° C up to preferably approx. 1800 ° C. Depending on the number and type of sensors, the sensor module can record different data from the high-temperature furnace as required and transmit this wirelessly to the cold outside area of the high-temperature furnace. It has a new type of thermal management to ensure that the temperatures in the interior of the sensor module, in which the electronics can be located, remain below the upper temperature limit of the electronics. With the aid of the sensor module according to the invention, process data from the furnace can be recorded without external intervention and used on-line. Due to the thermal management of the sensor module, the sensor module can be used at significantly higher temperatures and / or over longer periods of time and / or in a more compact design than was previously the case.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls zeichnet sich dadurch aus, dass die mehrlagige Isolierung mindestens eine Innenlage und mindestens eine Außenlage umfasst. Die mindestens eine Innenlage der mehrlagigen Isolierung befindet sich zwischen dem Innenbereich des Sensormoduls und der mindestens eine Außenlage der Isolierung. Die mindestens eine Außenlage der mehrlagigen Isolierung befindet sich zwischen dem Außenbereich des Sensormoduls und der mindestens eine Innenlage der Isolierung. Mit anderen Worten befindet sich die mindestens eine Innenlage der mehrlagigen Isolierung auf einer dem Innenbereich des Sensormoduls zugewandten Seite der mehrlagigen Isolierung und die mindestens eine Außenlage der mehrlagigen Isolierung befindet sich auf einer dem Außenbereich des Sensormoduls zugewandten Seite der mehrlagigen Isolierung.A preferred embodiment of the sensor module according to the invention is characterized in that the multilayer insulation comprises at least one inner layer and at least one outer layer. The at least one inner layer of the multilayer insulation is located between the inner area of the sensor module and the at least one outer layer of the insulation. The at least one outer layer of the multilayer insulation is located between the outer area of the sensor module and the at least one inner layer of the insulation. In other words, the at least one inner layer of the multi-layer insulation is located on a side of the multi-layer insulation facing the inner area of the sensor module and the at least one outer layer of the multi-layer insulation is located on a side of the multi-layer insulation facing the outer area of the sensor module.

Weiterhin ist bevorzugt, dass

  • - die mindestens eine Innenlage eine Komponente enthält oder aus dieser besteht, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aerogelen, Vakuumisolationspaneelen, Faserisolierungen und Mischungen sowie Kombination hiervon, und/oder
  • - die mindestens eine Außenlage eine Komponente enthält oder daraus besteht, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus polykristallinen Mulliten, Aluminiumoxid-Wollen, keramischen Fasern und Mischungen sowie Kombination hiervon.
It is also preferred that
  • - The at least one inner layer contains or consists of a component which is selected from the group consisting of aerogels, vacuum insulation panels, fiber insulation and mixtures and combinations thereof, and / or
  • - The at least one outer layer contains or consists of a component which is selected from the group consisting of polycrystalline mullites, aluminum oxide wools, ceramic fibers and mixtures and combinations thereof.

Durch die Verwendung dieser speziellen Materialien ist die mehrlagige Isolierung so aufgebaut, dass durch die Verwendung besonders temperaturstabiler Komponenten in der mindestens einen Außenlage außen die angestrebten Maximaltemperaturen ohne Schädigungen an der Isolierung erreicht werden können, während in der mindestens einen Innenlage weniger temperaturstabile Hochleistungsisolierungen eingesetzt werden können. Es resultiert somit eine effektive und effiziente thermische Isolierung des Innenbereichs des Sensormoduls, wobei gleichzeitig eine langfristige Stabilität der Isolierung gewährleistet ist.Through the use of these special materials, the multi-layer insulation is constructed in such a way that, through the use of particularly temperature-stable components in the at least one outer layer, the desired maximum temperatures can be achieved without damaging the insulation, while less temperature-stable high-performance insulation can be used in the at least one inner layer . It results thus an effective and efficient thermal insulation of the interior of the sensor module, with long-term stability of the insulation being guaranteed at the same time.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls umfasst die mehrlagige Isolierung Strahlungsabschirmungen aus mindestens einem reflektierenden Material. Hierdurch kann eine noch bessere thermische Isolierung des Innenbereichs des Sensormoduls erreicht werden.In a further preferred embodiment of the sensor module according to the invention, the multilayer insulation comprises radiation shields made of at least one reflective material. As a result, even better thermal insulation of the interior of the sensor module can be achieved.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmemanagementsystem einen die mehrlagige Isolierung zusammenhaltenden Rahmen umfasst. Durch den Rahmen kann die mehrlagige Isolierung auf einfache und kompakte Weise stabil zusammengehalten werden. Die Rahmenkonstruktion ermöglicht auch das Öffnen des Innenbereichs des Sensormoduls für Wartungszwecke.Another preferred embodiment of the sensor module according to the invention is characterized in that the heat management system comprises a frame that holds the multilayer insulation together. The multi-layer insulation can be held together stably in a simple and compact manner by the frame. The frame construction also enables the interior of the sensor module to be opened for maintenance purposes.

Der die mehrlagige Isolierung zusammenhaltende Rahmen besteht vorzugsweise aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Mullit, Kohlenstoffmaterialien und Mischungen hiervon. Durch Verwendung dieser hochtemperaturstabilen Materialien kann die Stabilität des Rahmens erhöht und können Wärmebrücken in den Innenbereich des Sensormoduls vermieden werden. Zudem können die Verbindungselemente des Stützrahmens so auf einfache Weise mittels 3D-Druck hergestellt werden, um reversible Verbindungen und damit einen einfachen Austausch von Komponenten zu ermöglichen.The frame holding the multilayer insulation together is preferably made of a material selected from the group consisting of aluminum oxide, zirconium oxide, mullite, carbon materials and mixtures thereof. By using these high-temperature-stable materials, the stability of the frame can be increased and thermal bridges in the interior of the sensor module can be avoided. In addition, the connecting elements of the support frame can be produced in a simple way by means of 3D printing in order to enable reversible connections and thus a simple exchange of components.

Für den Einsatz des Sensormoduls in inerten oder reduzierenden Atmosphären ist die Verwendung von Kohlenstoffmaterialien als Stützrahmen, Strahlungsschild oder Isolierung besonders bevorzugt.For the use of the sensor module in inert or reducing atmospheres, the use of carbon materials as a support frame, radiation shield or insulation is particularly preferred.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine Verdampferquelle aus mindestens einem (festen und/oder flüssigen) Material besteht, dass bei einer Temperatur im Bereich von 80 °C bis 500 °C vom festen oder flüssigen Aggregatszustand in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht, wobei das mindestens eine Material vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasser, wässrigen Salzlösungen, Wachsen, Carbonaten, Sulfaten und Mischungen hiervon.Another preferred embodiment of the sensor module according to the invention is characterized in that the at least one evaporator source consists of at least one (solid and / or liquid) material that at a temperature in the range from 80 ° C to 500 ° C from the solid or liquid state of aggregation in the gaseous state of aggregation passes over, the at least one material preferably being selected from the group consisting of water, aqueous salt solutions, waxes, carbonates, sulfates and mixtures thereof.

Anders als bei herkömmlichen PCM wird die erfindungsgemäß verwendete Verdampferquelle bzw. das Verdampfermaterial irreversibel aufgebraucht. Die entstehenden Dämpfe entweichen in den Ofenraum. Durch Verwendung von Wasser, wässrigen Salzlösungen, Wachsen, Carbonaten, Sulfaten und Mischungen davon als Material der Verdampferquelle kann sichergestellt werden, dass die entstehenden Dämpfe die Wärmebehandlungsprozesse im Ofenraum nicht stören. Im Falle von gasbeheizten Öfen können wässrige Salzlösungen oder Wasser als Verdampfermaterial eingesetzt werden. Auch in vielen an Luft betriebenen elektrisch beheizten Öfen stören die vergleichsweise geringen Wasserdampfmengen aus dem Sensormodul nicht. In Schutzgasöfen können andere Verdampfermaterialien, z.B. Wachse, eingesetzt werden. Da organische Gasspezies aufgrund von Entbinderungs- und Pyrolyseprozessen ohnehin in vielen Wärmebehandlungsprozessen vorliegen, stören die entsprechenden Gase diese Prozesse nicht. In sauerstoffhaltigen Atmosphären können als Verdampferquelle nicht-brennbare Materialien eingesetzt werden. Hierzu können neben Wasser auch Stoffe verwendet werden, die sich teilweise oder komplett thermisch zersetzen und dabei Energie verbrauchen, z.B. Carbonate. Die Verdampfungsrate und der Siedepunkt können durch Kapselung oder Dotierung gesteuert werden. Beispielsweise kann die Verdampfungsrate durch ein umschließendes Gefäß mit engen Öffnungen oder durch Einlagerung in einen sehr feinporigen Träger abgesenkt werden. Der Siedepunkt von Wasser kann durch gelöste Salze deutlich erhöht werden. Eine Kombination mehrerer unterschiedlicher Materialien als Verdampferquellen kann sinnvoll sein, um die Kühlwirkung zu optimieren.In contrast to conventional PCMs, the evaporator source or the evaporator material used according to the invention is used up irreversibly. The resulting vapors escape into the furnace chamber. By using water, aqueous salt solutions, waxes, carbonates, sulfates and mixtures thereof as the material of the evaporation source, it can be ensured that the vapors generated do not interfere with the heat treatment processes in the furnace chamber. In the case of gas-heated ovens, aqueous salt solutions or water can be used as the evaporator material. Even in many electrically heated ovens operated in air, the comparatively small amounts of water vapor from the sensor module are not a problem. Other evaporation materials, e.g. wax, can be used in protective gas furnaces. Since organic gas species are already present in many heat treatment processes due to debinding and pyrolysis processes, the corresponding gases do not interfere with these processes. In oxygen-containing atmospheres, non-flammable materials can be used as an evaporation source. In addition to water, substances that partially or completely decompose thermally and consume energy in the process, e.g. carbonates, can also be used for this purpose. The evaporation rate and boiling point can be controlled by encapsulation or doping. For example, the evaporation rate can be reduced by means of an enclosing vessel with narrow openings or by embedding it in a very fine-pored carrier. The boiling point of water can be increased significantly by dissolved salts. A combination of several different materials as evaporation sources can be useful in order to optimize the cooling effect.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der mindestens einen Verdampferquelle

  • - in mindestens einer Schicht angeordnet ist, die sich zwischen zwei Lagen der mehrlagigen Isolierung befindet, und/oder
  • - im Innenbereich des Sensormoduls angeordnet ist.
Another preferred embodiment of the sensor module according to the invention is characterized in that at least part of the at least one evaporator source
  • - Is arranged in at least one layer which is located between two layers of the multilayer insulation, and / or
  • - Is arranged in the interior of the sensor module.

Die Anordnung der Verdampferquelle im Sensormodul richtet sich nach der Verdampfungstemperatur (d.h. der Temperatur, bei dem die Verdampferquelle in den gasförmigen Zustand übergeht) und der oberen Einsatztemperatur der Elektronik. Ist die Verdampfungstemperatur höher als die Einsatztemperatur, kann die Verdampferquelle in einer Zwischenschicht der Isolierung angeordnet werden. Ist die Verdampfungstemperatur niedriger als die Einsatztemperatur kann sie sich in direktem thermischem Kontakt zur Elektronik befinden. Durch die entsprechende Anordnung der Verdampferquelle kann somit eine auf die eingesetzten Komponenten ideal abgestimmte und optimale Kühlwirkung erreicht werden, wobei eine Beschädigung der Elektronik vermieden wird.The arrangement of the evaporation source in the sensor module depends on the evaporation temperature (ie the temperature at which the evaporation source changes to the gaseous state) and the upper operating temperature of the electronics. If the evaporation temperature is higher than the operating temperature, the evaporation source can be arranged in an intermediate layer of the insulation. If the evaporation temperature is lower than the operating temperature, it can be in direct thermal contact with the electronics. By arranging the evaporator source accordingly, a cooling effect that is ideally matched to the components used can be achieved avoiding damage to the electronics.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls weist mindestens eine Lage der mehrlagigen Isolierung Poren auf, wobei zumindest ein Teil dieser Poren zumindest teilweise mit zumindest einem Teil der mindestens einen Verdampferquelle gefüllt ist. Vorzugsweise weisen die Poren eine Porengröße von 1 nm bis 10 mm auf, wobei die Porengröße z.B. mittels Quecksilberporosimetrie bestimmt werden kann. Beispielsweise kann ein Teil des Verdampfermaterials durch Tränken eines Teils der Isolierung eingebracht werden. Die Isolierung kann dazu in Plattenform aus einem offenporigen Material ausgelegt und vor dem Einsatz des autonomen Sensormoduls mit dem Verdampfermaterial, z.B. einem Wachs, getränkt werden. Bei geeigneter Auslegung der Porosität verbleibt das Verdampfermaterial auch in flüssigem Zustand in der Isolierung, weil es durch Kapillarkräfte am Ausströmen gehindert wird. Typischerweise werden Zwischenschichten in der Isolierung entsprechend vorbehandelt.In a further preferred embodiment of the sensor module according to the invention, at least one layer of the multilayer insulation has pores, at least some of these pores being at least partially filled with at least some of the at least one evaporator source. The pores preferably have a pore size of 1 nm to 10 mm, it being possible for the pore size to be determined, for example, by means of mercury porosimetry. For example, part of the evaporator material can be introduced by impregnating part of the insulation. The insulation can be laid out in the form of a plate made of an open-pored material and soaked with the evaporator material, e.g. a wax, before the autonomous sensor module is used. With a suitable design of the porosity, the evaporator material remains in the insulation even in the liquid state because it is prevented from flowing out by capillary forces. Typically, intermediate layers in the insulation are pretreated accordingly.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls umfasst das Wärmemanagementsystem eine Regelung der durch die mindestens eine Messsonde erfolgenden Wärmezufuhr. Eine solche Regelung der durch die Messsonde(n) erfolgenden Wärmezufuhr ist vorteilhaft, da sich die Messsonden zumindest teilweise im heißen Bereich außerhalb des Sensormoduls (d.h. im Außenbereich des Sensormoduls) befinden und von dort Wärmebrücken in den Innenbereich bilden. Grundsätzlich kann der durch die für die Sensorik benötigten Öffnungen in der Isolierung des Sensormoduls erfolgende Wärmetransport durch die Geometrie der Durchführungen minimiert werden. Zusätzlich kann der Wärmeverlust in den Intervallen, in denen keine Messdaten benötigt werden, weiter verringert werden, indem z.B. der Gasfluss aus dem Ofen, der zur Analyse der Ofengase ins Innere des Sensormoduls geleitet wird, unterbrochen wird.According to a further preferred embodiment of the sensor module according to the invention, the heat management system includes a regulation of the heat supply taking place by the at least one measuring probe. Such a regulation of the heat supply through the measuring probe (s) is advantageous since the measuring probes are at least partially located in the hot area outside the sensor module (i.e. in the outside area of the sensor module) and form thermal bridges from there into the interior area. In principle, the heat transfer that occurs through the openings in the insulation of the sensor module that is required for the sensor system can be minimized by the geometry of the bushings. In addition, the heat loss in the intervals in which no measurement data is required can be further reduced, e.g. by interrupting the gas flow from the furnace, which is fed into the interior of the sensor module for analysis of the furnace gases.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls zeichnet sich dadurch aus, dass das Sensormodul ein Energiemanagementsystem umfasst, welches mindestens eine Batterie und mindestens eine Intervallschaltung für den Sensor umfasst. Vorzugsweise sind die mindestens eine Batterie und/oder die mindestens eine Intervallschaltung im Innenbereich des Sensormoduls angeordnet. Bei der mindestens einen Batterie handelt es sich vorzugsweise um mindestens eine Hochtemperaturbatterie (bzw. Thermalbatterie). Durch das Energiemanagementsystem wird gewährleistet, dass während der Ofenfahrt (d.h. der Dauer eines im Hochofen durchgeführten Verfahrens) ausreichend elektrische Energie für die Verarbeitung und Übertragung der Messdaten zur Verfügung steht. Die Intervallschaltung sorgt hierbei dafür, dass der Mess- und Sendebetrieb zyklisch in den vom Anwender benötigten Zeitintervallen stattfindet. Auf diese Weise wird die Batterieentladung verzögert und die durch den Betrieb der Elektronik eingetragene Wärmeenergie verringert. Durch das Energiemanagementsystem kann das Sensormodul somit über längere Zeiträume eingesetzt werden.Another preferred embodiment of the sensor module according to the invention is characterized in that the sensor module comprises an energy management system which comprises at least one battery and at least one interval circuit for the sensor. The at least one battery and / or the at least one interval circuit are preferably arranged in the interior of the sensor module. The at least one battery is preferably at least one high-temperature battery (or thermal battery). The energy management system ensures that sufficient electrical energy is available for processing and transmitting the measurement data while the furnace is in motion (i.e. the duration of a process carried out in the blast furnace). The interval switching ensures that the measurement and transmission operation takes place cyclically in the time intervals required by the user. In this way, the battery discharge is delayed and the thermal energy introduced by the operation of the electronics is reduced. Thanks to the energy management system, the sensor module can therefore be used over longer periods of time.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls ist der mindestens eine Sensor ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus

  • - Thermoelementen zur Messung von Temperaturen und/oder Temperaturgradienten,
  • - Staudrucksensoren zur Messung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit der Hochtemperaturofenatmosphäre,
  • - Gassensoren zur Messung der Gaszusammensetzung im Hochtemperaturofen,
  • - Beschleunigungssensoren zur Positionsbestimmung in kontinuierlichen Hochtemperaturofenanlagen,
  • - Mikrophonen zur Detektion von akustischen Ereignissen,
  • - Objektiven und Kameras zur optischen Inspektion des Hochtemperaturofens, und
  • - Kombinationen hiervon.
In a further preferred embodiment of the sensor module according to the invention, the at least one sensor is selected from the group consisting of
  • - Thermocouples for measuring temperatures and / or temperature gradients,
  • - Dynamic pressure sensors for measuring the local flow velocity of the high-temperature furnace atmosphere,
  • - gas sensors for measuring the gas composition in the high-temperature furnace,
  • - Acceleration sensors for position determination in continuous high-temperature furnace systems,
  • - microphones for the detection of acoustic events,
  • - Lenses and cameras for optical inspection of the high-temperature furnace, and
  • - combinations of these.

Das Sensormodul kann je nach Bedarf mit einem oder mehreren dieser Sensoren ausgestattet werden. Weiterhin ist die Verwendung von zusätzlichen akustischen und optischen Sensoren von Vorteil. Dadurch können wesentlich mehr Informationen aus dem Inneren des Ofens gewonnen werden als bisher möglich war.The sensor module can be equipped with one or more of these sensors as required. The use of additional acoustic and optical sensors is also advantageous. This means that much more information can be obtained from inside the furnace than was previously possible.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul mindestens eine Speichereinheit zur Speicherung von Messdaten umfasst. Die mindestens eine Speichereinheit ist vorzugsweise im Innenbereich des Sensormoduls angeordnet. Insbesondere bei großen Datenmengen, die nicht sofort genutzt werden können oder müssen, ist es vorteilhaft, wenn diese zunächst mit der mindestens einen Speichereinheit im Sensormodul gespeichert und erst nach der Entnahme des Sensormoduls aus dem Ofen ausgelesen werden.Another preferred embodiment of the sensor module according to the invention is characterized in that the sensor module comprises at least one memory unit for storing measurement data. The at least one storage unit is preferably arranged in the interior of the sensor module. Particularly in the case of large amounts of data that cannot or must not be used immediately, it is advantageous if these are first stored in the sensor module with the at least one storage unit and are only read out after the sensor module has been removed from the furnace.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls umfasst das Sensormodul mindestens einen Mikroprozessor zur Verarbeitung von mit dem Sensor gemessenen Signalen zu Messdaten. Vorzugsweise ist der mindestens eine Mikroprozessor im Innenbereich des Sensormoduls angeordnet. Die Sensorsignale können mit einem oder mehreren Mikroprozessoren verarbeitet werden, bevor sie übertragen oder gespeichert werden. Der mindestens eine Mikroprozessor kann so programmiert werden, dass nur bedarfsgesteuert Daten erfasst und gesendet werden. Dadurch kann die Lebensdauer der Energieversorgung wesentlich verlängert werden.In a further preferred embodiment of the sensor module according to the invention, the sensor module comprises at least one microprocessor for processing signals measured with the sensor into measurement data. The at least one microprocessor is preferably located in the interior of the Sensor module arranged. The sensor signals can be processed with one or more microprocessors before they are transmitted or stored. The at least one microprocessor can be programmed in such a way that data is only recorded and sent on a demand-driven basis. This can significantly extend the service life of the energy supply.

Vorzugsweise ist die mindestens eine Kommunikationseinheit im Innenbereich des Sensormoduls angeordnet.The at least one communication unit is preferably arranged in the interior of the sensor module.

Durch Verwendung des speziellen Wärmemanagementsystems kann das erfindungsgemäße Sensormodul kompakter und damit kleiner ausgeführt werden als bisherige Sensormodule aus dem Stand der Technik. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls zeichnet sich somit dadurch aus, dass das Sensormodul

  • - eine Breite von weniger als 400 mm, bevorzugt von weniger als 300 mm, besonders bevorzugt von weniger als 200 mm, aufweist, und/oder
  • - eine Tiefe von weniger als 400 mm, bevorzugt von weniger als 300 mm, besonders bevorzugt von weniger als 200 mm, aufweist, und/oder
  • - eine Höhe von weniger als 500 mm, bevorzugt von weniger als 400 mm, besonders bevorzugt von weniger als 300 mm, aufweist, und/oder
  • - ein Volumen von weniger als 400 × 400 × 500 mm3, bevorzugt von weniger als 300 × 300 × 400 mm3, besonders bevorzugt von weniger als 200 × 200 × 300 mm3, aufweist.
By using the special heat management system, the sensor module according to the invention can be made more compact and thus smaller than previous sensor modules from the prior art. Another preferred embodiment of the sensor module according to the invention is thus characterized in that the sensor module
  • - has a width of less than 400 mm, preferably less than 300 mm, particularly preferably less than 200 mm, and / or
  • - has a depth of less than 400 mm, preferably less than 300 mm, particularly preferably less than 200 mm, and / or
  • - has a height of less than 500 mm, preferably less than 400 mm, particularly preferably less than 300 mm, and / or
  • - has a volume of less than 400 × 400 × 500 mm 3 , preferably of less than 300 × 300 × 400 mm 3 , particularly preferably of less than 200 × 200 × 300 mm 3 .

Das Sensormodul kann somit noch platzsparender ausgeführt werden und stört somit noch weniger die regulären Abläufe im Hochtemperaturofen.The sensor module can thus be designed to be even more space-saving and thus interfere even less with the regular processes in the high-temperature furnace.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Auslegung des erfindungsgemäßen Sensormoduls auf eine Verwendung des Sensormoduls in einem Hochtemperaturofen, wobei zur Auslegung ein numerisches Verfahren verwendet wird, in dem die Temperaturentwicklung bei thermischen Prozessen, welche bei der Verwendung im Hochtemperaturofen ablaufen, simuliert wird. Vorzugsweise wird als numerisches Verfahren die Finite-Elemente-Methode verwendet.The present invention also relates to a method for designing the sensor module according to the invention for use of the sensor module in a high-temperature furnace, a numerical method being used for design in which the temperature development is simulated in thermal processes that take place during use in the high-temperature furnace. The finite element method is preferably used as the numerical method.

Die Auslegung des Sensormoduls kann spezifisch für bestimmte Einsatzgebiete erfolgen. Hierbei können der Temperaturzyklus in Bezug auf Aufheiz- und Abkühlraten sowie Haltetemperaturen und Haltezeiten sowie die Ofenatmosphäre berücksichtigt werden. Zur Auslegung kann ein Finite Elemente (FE)-Modell des Sensormoduls herangezogen werden, in dem alle thermischen Prozesse zeitabhängig während des angestrebten Temperaturzyklus simuliert werden. In dem FE-Modell werden die entsprechenden Verdampfungsenergien, die Abwärme der Elektronik, Wärmekonvektion, Wärmestrahlung und die temperaturabhängige Wärmeleitung berücksichtigt, um ein realistisches Bild der Temperaturentwicklung zu erhalten. Der Aufbau kann so lange variiert werden, bis das Wärmemanagement die Anforderungen der Elektronik erfüllt. Anstelle von FE-Methoden können auch andere numerische Verfahren mit ähnlicher Leistung herangezogen zu werden (z .B. Finite Volumen oder Finite Differenzen Verfahren). Auch die Bestückung mit Sensoren kann anwendungsspezifisch erfolgen.The sensor module can be designed specifically for certain areas of application. The temperature cycle in relation to heating and cooling rates as well as holding temperatures and holding times as well as the furnace atmosphere can be taken into account. A finite element (FE) model of the sensor module can be used for the design, in which all thermal processes are simulated as a function of time during the desired temperature cycle. In the FE model, the corresponding evaporation energies, the waste heat from the electronics, heat convection, heat radiation and the temperature-dependent heat conduction are taken into account in order to obtain a realistic picture of the temperature development. The structure can be varied until the thermal management meets the requirements of the electronics. Instead of FE methods, other numerical methods with similar performance can also be used (e.g. finite volume or finite difference method). Equipping with sensors can also be application-specific.

Zudem betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensormoduls zur Erfassung von Daten in einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Hochtemperaturofen und/oder zum Senden der Daten einen außerhalb des kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Hochtemperaturofens befindlichen Empfänger. Das erfindungsgemäße Sensormodul kann in kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Öfen verwendet werden, welche in industriellen Prozessen oder in der F&E eingesetzt werden. Begrenzt ist der Einsatz durch die Temperatur und Dauer des Prozesses, sowie die für den Sensormodul verfügbaren maximalen Abmessungen. Es können mit dem Modul online Daten im Inneren des Ofens erfasst und nach außen gesendet werden. Diese Daten können zur Kalibrierung, Qualitätskontrolle und Prozessoptimierung verwendet werden. Zum Beispiel kann anhand der Daten die Energieeffizienz der Wärmebehandlung gesteigert werden. Auch eine Regelung des Wärmebehandlungsprozesses kann mit den nach außen übertragenen Daten erfolgen.In addition, the present invention also relates to the use of the sensor module according to the invention for recording data in a continuous or discontinuous high-temperature furnace and / or for sending the data to a receiver located outside the continuous or discontinuous high-temperature furnace. The sensor module according to the invention can be used in continuous or discontinuous ovens which are used in industrial processes or in R&D. The use is limited by the temperature and duration of the process, as well as the maximum dimensions available for the sensor module. With the module, data can be recorded online inside the furnace and sent outside. This data can be used for calibration, quality control and process optimization. For example, the data can be used to increase the energy efficiency of the heat treatment. The heat treatment process can also be regulated with the data transmitted to the outside.

Anhand der nachfolgenden Figur soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.

  • 1 zeigt anhand einer schematischen Zeichnung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensormoduls
The subject according to the invention is intended to be explained in more detail with reference to the following figure, without wishing to restrict it to the specific embodiments shown here.
  • 1 shows the structure of a sensor module according to the invention on the basis of a schematic drawing

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Sensormodul dargestellt, dass einen Rahmen (1) aufweist, der aus Verbindungselementen und Rahmenelementen, welche die mehrlagige Isolierung (3) umfassen, besteht. Die hochtemperaturstabile Konstruktion ermöglicht das Öffnen des Sensormoduls durch einfaches Entfernen der Verbindungselemente (2) für Wartungszwecke. Die Verbindungselemente (2) bestehen dabei aus einem hochtemperaturstabilen Material und dienen dem reversiblen Einstecken und Verbinden der Rahmenelemente. Die Verbindungselemente (2) sind mittels 3-Druck herstellbar. Die mehrlagige Isolierung (3) dient der thermischen Isolierung des Innenbereichs mit Durchführungen (6) für Sonden (5) vom Außen- bis in den Innenbereich zum Behälter (4). Die mehrlagige Isolierung (3) besteht aus mindestens einer Innenlage und einer Außenlage. Der Behälter (4) ist für die Elektronik und das Verdampfermaterial vorgesehen und besteht aus einem temperaturstabilen und gegenüber dem Verdampfermaterial beständigen Gehäuse im Innenbereich des Sensormoduls. Der Behälter (4) dient zur Aufnahme mindestens einer Verdampferquelle zur Kühlung des Innenbereiches und einer davon getrennten Aufnahme der elektronischen Komponenten des Sensormoduls und der Sensorelemente.In 1 a sensor module according to the invention is shown that has a frame ( 1 ), which consists of connecting elements and frame elements that make up the multilayer insulation ( 3rd ) include. The high-temperature stable construction enables the sensor module to be opened by simply removing the connecting elements ( 2 ) for maintenance purposes. The connecting elements ( 2 ) consist of a high-temperature stable material and are used for reversible insertion and connection of the frame elements. The connecting elements ( 2 ) can be produced by means of 3 printing. The multilayer insulation ( 3rd ) is used for the thermal insulation of the interior with bushings ( 6th ) for probes ( 5 ) from the outside to the inside to the container ( 4th ). The multilayer insulation ( 3rd ) consists of at least one inner layer and one outer layer. The container ( 4th ) is intended for the electronics and the evaporator material and consists of a temperature-stable housing in the interior of the sensor module that is resistant to the evaporator material. The container ( 4th ) serves to accommodate at least one evaporator source for cooling the interior area and a separate receiver for the electronic components of the sensor module and the sensor elements.

Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Messsonden (5) auf, bei denen es sich um hochtemperaturstabile Sonden bzw. Sondenerweiterungen (wie z.B. Röhren) handelt, welche durch die Sondendurchführungen (6) vom Innenbereich durch die Isolierung in den Außenbereich reichen. Dies können z.B. Thermoelemente, Staudruckröhren, Röhren zur Gasextraktion oder zur akustischen Weiterleitung, Hochtemperatur Linsen oder Kombinationen davon sein. Als Sondendurchführung (6) liegen Durchführungen bzw. Öffnungen in der mehrlagigen Isolierung (3) vor, die von dem Innenbereich in den Außenbereich oder in die Isolierung reichen und Messsonden (5) bzw. Sondenerweiterungen aufnehmen können.Furthermore, the device according to the invention has measuring probes ( 5 ), which are high-temperature-stable probes or probe extensions (such as tubes) that go through the probe bushings ( 6th ) extend from the inside through the insulation to the outside. These can be, for example, thermocouples, pressure tubes, tubes for gas extraction or for acoustic transmission, high temperature lenses or combinations thereof. As a probe lead-through ( 6th ) there are ducts or openings in the multilayer insulation ( 3rd ) that extend from the interior to the exterior or into the insulation and measuring probes ( 5 ) or probe extensions.

Claims (14)

Sensormodul für Hochtemperaturöfen, umfassend mindestens eine Messsonde mit mindestens einem Sensor, mindestens eine Kommunikationseinheit zur drahtlosen Übertragung von mit dem Sensor gemessenen Signalen und/oder von aus diesen Signalen gewonnenen Messdaten, und ein Wärmemanagementsystem, welches eine um einen Innenbereich des Sensormoduls herum angeordnete mehrlagige Isolierung zur thermischen Isolierung des Innenbereichs des Sensormoduls und mindestens eine Verdampferquelle zur Kühlung des Innenbereichs des Sensormoduls umfasst, wobei die mehrlagige Isolierung mindestens eine Durchführung aufweist, durch welche die mindestens eine Messsonde vom Innenbereich des Sensormoduls durch die mehrlagige Isolierung in einen Außenbereich des Sensormoduls geführt ist.Sensor module for high-temperature furnaces, comprising at least one measuring probe with at least one sensor, at least one communication unit for the wireless transmission of signals measured with the sensor and / or of measurement data obtained from these signals, and a heat management system which has a multi-layer insulation arranged around an inner area of the sensor module for thermal insulation of the interior of the sensor module and at least one evaporator source for cooling the interior of the sensor module, the multilayer insulation having at least one bushing through which the at least one measuring probe is guided from the interior of the sensor module through the multilayer insulation into an exterior of the sensor module. Sensormodul gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrlagige Isolierung mindestens eine Innenlage und mindestens eine Außenlage umfasst, wobei vorzugsweise - die mindestens eine Innenlage eine Komponente enthält oder aus dieser besteht, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aerogelen, Vakuumisolationspaneelen, Faserisolierungen und Mischungen sowie Kombination hiervon, und/oder - die mindestens eine Außenlage eine Komponente enthält oder daraus besteht, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus polykristallinen Mulliten, Aluminiumoxid-Wollen, keramischen Fasern und Mischungen sowie Kombination hiervon.Sensor module according to the preceding claim, characterized in that the multilayer insulation comprises at least one inner layer and at least one outer layer, wherein preferably - the at least one inner layer contains or consists of a component which is selected from the group consisting of aerogels, vacuum insulation panels, fiber insulation and mixtures and combinations thereof, and / or the at least one outer layer contains or consists of a component which is selected from the group consisting of polycrystalline mullites, aluminum oxide wools, ceramic fibers and mixtures and combinations thereof. Sensormodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrlagige Isolierung Strahlungsabschirmungen aus mindestens einem reflektierenden Material umfasst.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the multilayer insulation comprises radiation shields made of at least one reflective material. Sensormodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmemanagementsystem einen die mehrlagige Isolierung zusammenhaltenden Rahmen umfasst, der vorzugsweise aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Mullit, Kohlenstoffmaterialien und Mischungen hiervon besteht.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal management system comprises a frame which holds the multilayer insulation together and which preferably consists of a material selected from the group consisting of aluminum oxide, zirconium oxide, mullite, carbon materials and mixtures thereof. Sensormodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verdampferquelle aus mindestens einem Material besteht, dass bei einer Temperatur im Bereich von 80 °C bis 500 °C vom festen oder flüssigen Aggregatszustand in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht, wobei das mindestens eine Material vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasser, wässrigen Salzlösungen, Wachsen, Carbonaten, Sulfaten und Mischungen hiervon.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one evaporator source consists of at least one material that changes from the solid or liquid state to the gaseous state at a temperature in the range of 80 ° C to 500 ° C, the at least one Material is preferably selected from the group consisting of water, aqueous salt solutions, waxes, carbonates, sulfates and mixtures thereof. Sensormodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der mindestens einen Verdampferquelle - in mindestens einer Schicht angeordnet ist, die sich zwischen zwei Lagen der mehrlagigen Isolierung befindet, und/oder - im Innenbereich des Sensormoduls angeordnet ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that at least part of the at least one evaporator source - is arranged in at least one layer, which is located between two layers of the multilayer insulation, and / or - is arranged in the interior of the sensor module. Sensormodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lage der mehrlagigen Isolierung Poren aufweist, wobei zumindest ein Teil dieser Poren zumindest teilweise mit zumindest einem Teil der mindestens einen Verdampferquelle gefüllt ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that at least one layer of the multilayer insulation has pores, at least some of these pores being at least partially filled with at least some of the at least one evaporator source. Sensormodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul ein Energiemanagementsystem umfasst, welches mindestens eine Batterie, vorzugsweise mindestens eine Hochtemperaturbatterie, und mindestens eine Intervallschaltung für den Sensor umfasst, wobei die mindestens eine Batterie und/oder die mindestens eine Intervallschaltung vorzugsweise im Innenbereich des Sensormoduls angeordnet sind.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module comprises an energy management system, which comprises at least one battery, preferably at least one high-temperature battery, and at least one interval circuit for the sensor, wherein the at least one battery and / or the at least one interval circuit preferably in Are arranged inside the sensor module. Sensormodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus - Thermoelementen zur Messung von Temperaturen und/oder Temperaturgradienten, - Staudrucksensoren zur Messung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit der Hochtemperaturofenatmosphäre, - Gassensoren zur Messung der Gaszusammensetzung im Hochtemperaturofen, - Beschleunigungssensoren zur Positionsbestimmung in kontinuierlichen Hochtemperaturofenanlagen, - Mikrophonen zur Detektion von akustischen Ereignissen, - Objektiven und Kameras zur optischen Inspektion des Hochtemperaturofens, und - Kombinationen hiervon.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor is selected from the group consisting of - thermocouples for measuring temperatures and / or temperature gradients, - dynamic pressure sensors for measuring the local flow rate of the high-temperature furnace atmosphere, - gas sensors for measuring the gas composition in the High-temperature furnace, - acceleration sensors for position determination in continuous high-temperature furnace systems, - microphones for the detection of acoustic events, - lenses and cameras for optical inspection of the high-temperature furnace, and - combinations thereof. Sensormodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul mindestens eine Speichereinheit zur Speicherung von Messdaten umfasst, wobei die mindestens eine Speichereinheit vorzugsweise im Innenbereich des Sensormoduls angeordnet ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module comprises at least one memory unit for storing measurement data, wherein the at least one memory unit is preferably arranged in the interior of the sensor module. Sensormodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul mindestens einen Mikroprozessor zur Verarbeitung von mit dem Sensor gemessenen Signalen zu Messdaten umfasst, wobei der mindestens eine Mikroprozessor vorzugsweise im Innenbereich des Sensormoduls angeordnet ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module comprises at least one microprocessor for processing signals measured by the sensor into measurement data, the at least one microprocessor preferably being arranged in the interior of the sensor module. Sensormodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kommunikationseinheit im Innenbereich des Sensormoduls angeordnet ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one communication unit is arranged in the interior of the sensor module. Verfahren zur Auslegung eines Sensormoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf eine Verwendung des Sensormoduls in einem Hochtemperaturofen, wobei zur Auslegung ein numerisches Verfahren, vorzugsweise die Finite-Elemente-Methode, verwendet wird, in dem die Temperaturentwicklung bei thermischen Prozessen, welche bei der Verwendung im Hochtemperaturofen ablaufen, simuliert wird.Method for designing a sensor module according to one of the preceding claims for a use of the sensor module in a high-temperature furnace, wherein a numerical method, preferably the finite element method, is used for the design, in which the temperature development in thermal processes, which when used in the Run high temperature furnace, is simulated. Verwendung eines Sensormoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Erfassung von Daten in einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Hochtemperaturofen und/oder zum Senden der Daten an einen außerhalb des kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Hochtemperaturofens befindlichen Empfänger.Use of a sensor module according to one of the Claims 1 to 12th for collecting data in a continuous or discontinuous high-temperature furnace and / or for sending the data to a receiver located outside the continuous or discontinuous high-temperature furnace.
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