DE102019216460A1

DE102019216460A1 - Temperaturfühler mit Prüfkanal

Info

Publication number: DE102019216460A1
Application number: DE102019216460.9A
Authority: DE
Inventors: Barbara Irrgang; Christian Loos; Andreas Heinz; Ronny Kämpf; Klaus Irrgang
Original assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Current assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-04-29
Anticipated expiration: 2039-10-26
Also published as: DE102019216460B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler zur Temperaturmessung in einem gasförmigen oder flüssigen Medium mit einem in das Medium hineinragenden Schutzrohr (1), welches an seinem dem Medium zugewandten Ende durch einen Schutzrohrboden (9) verschlossen ist und einen auswechselbaren Messeinsatz mit einem Messeinsatzrohr (2) aufweist.Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, in Rohrleitungen und Behälter einbaubare Vorrichtung anzugeben, die unabhängig von der Thermometereinbaulage sowohl die Möglichkeit der sicheren Korrektur des Einbaufehlers als auch eine schnelle Möglichkeit der Überprüfbarkeit des Korrekturverfahrens ermöglicht.Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Temperaturfühler gelöst, bei dem der auswechselbare Messeinsatz einen Temperatursensor als primären Bodensensor (5) und einen thermoelektrischen Temperatursensor als primären Schaftsensor (4.1) sowie ein zu beiden Sensoren parallel liegendes inneres Prüfsystem, das asymmetrisch zur Messeinsatzachse angeordnet ist, enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperaturfühler zur Temperaturmessung in einem gasförmigen oder flüssigen Medium mit einem in das Medium hineinragenden Schutzrohr, welches an seinem dem Medium zugewandten Ende durch einen Schutzrohrboden verschlossen ist und einen auswechselbaren Messeinsatz mit einem Messeinsatzrohr aufweist.
Bestehende metrologische Vorschriften erfordern in bestimmten Zeitabständen Überprüfungen der Sensorelemente. Hierzu müssten die Thermometer komplett ausgebaut und zum Beispiel im Messlabor rekalibriert werden. Damit der komplette mechanische Ausbau des Thermometers entfällt, werden die Thermometer mit auswechselbaren Messeinsätzen versehen. Im Prüffall muss dabei nur der Messeinsatz ausgebaut und zur Überprüfung gebracht werden.
Will man sich auch diesen Ausbauvorgang ersparen und darüber hinaus eine Sensorüberprüfung im Arbeitspunkt der Prozessanlage vornehmen, muss man auf Thermometer mit einem Prüfkanal zurückgreifen. Eine derartige Anordnung ist in DE 20 2009 012 292 A1 offenbart. Neben dem im Schutzrohr konfektionierten Temperatursensor ist ein als Prüfkanal ausgebildetes Schutzrohr angeordnet. Dieses kann dann zeitweilig einen Kontrolltemperaturfühler aufnehmen und damit den Hauptsensor des Thermometers überprüfen.
Ein weiterer Temperaturfühler mit Prüfkanal ist aus DE 10 2006 040 135 A1 bekannt. Dieser Einbautemperaturfühler für gasförmige und flüssige Medien weist einen Prozessanschluss zum Einbau in Rohrleitungen, einen elektrischen Temperatursensor, ein Schutzrohr und einen Prüfkanal zur zeitweiligen Aufnahme eines Kontrolltemperaturfühlers auf. Das Schutzrohr besteht aus einem Schaftrohr, in dem mindestens zwei Kanalrohre parallel angeordnet sind, wovon eines den Temperatursensor und die Zuleitungen zu diesem enthält und ein zweites Kanalrohr den Prüfkanal bildet. Am Schaftrohr ist ein Prozessanschluss und an seinem unteren Ende ein Boden gasdicht angeordnet, durch den die Endstücke der Kanalrohre ragen, wobei sich in einem Endstück ein Messwiderstand befindet.
Bei sogenannten Hochtemperaturthermoelementen ist es üblich, dass diese eine Mittelbohrung besitzen, die für Prüfzwecke verwendet werden kann. Hierzu ist in einem keramischen Schutzrohr eine Mehrlochkapillare untergebracht, wobei die Kapillarlöcher unterschiedlich ausgeführt sind. Im Außenbereich betragen sie einige Zehntel Millimeter Durchmesser und nehmen die Thermodrähte auf. Im Innenbereich besitzt die Kapillare ein mehrere Millimeter großes Innenloch. Durch dieses Innenloch kann dann für Prüfzwecke eine Messkapillare eingeschoben werden, die an dem Arbeitspunkt, ähnlich dem anderen beschriebenen Verfahren, das Arbeitsthermometer überprüfen kann.
Eine besondere Form des Prüfkanals ist der sogenannte integrierte Selbstkalibrierungskanal, der die Möglichkeit einer elektronischen Selbstkalibrierung im laufenden Messprozess bietet. Benutzt werden hierzu Miniaturfixpunktzellen oder Curiepunkt-Anordnungen.
Unabhängig von derartigen Prüfverfahren, d.h. unabhängig von einfacher Vorortprüfung mit Prüfkanal, von Messeinsatzprüfungen im Prüflabor oder von hochgenauen Selbstkalibrierungen im Prozess, wird bei den Prüfungen der sogenannte Einbaufehler nicht erfasst. Eingebaute Berührungsthermometer, die in verschiedenen Ausgestaltungen angeboten und vertrieben werden, weisen in der Regel diesen Einbaufehler auf, bei dem es sich um einen systematischen, statischthermischen Messfehler beim Messen der Temperatur handelt. Er rührt daher, dass die am Temperatursensor vorliegende Temperatur nicht identisch mit der Temperatur des Mediums ist. Dieser Fehler ist in der VDI/VDE Richtlinie 3511, Kapitel 3, beschrieben.
Der Einbaufehler wird im Falle eines Berührungsthermometers dadurch verursacht, dass die sensitive Komponente nur indirekt in Kontakt mit dem Medium steht, da nur die Außenwände des Schutzrohres im thermischen Gleichgewicht mit dem Messmedium stehen (d.h. dieselbe Temperatur aufweisen). Das Schutzrohr weist einen Prozessanschluss auf. Dieser befindet sich an dem Ende des Schutzrohres, welches dem Prozess mit dem zu messenden Medium abgewandt ist. Der Prozessanschluss liegt daher außerhalb des Behälters oder Rohres, beziehungsweise an dessen Randstelle, in dem sich das Messmedium befindet. Damit befindet sich der Prozessanschluss im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung (bzw. mit der Rohr- oder Behälterwand).
Der Einbaufehler wird durch Wärmeströme innerhalb der geschlossenen Messeinsatzrohre bzw. der Schutzrohre verursacht, die sich dadurch einstellen, dass der Prozessanschluss im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung (bzw. der Behälter- oder die Rohrwand) ist und dass das dem Prozess zugewandte Ende des Messrohres (bzw. die Messrohrwand) im thermischen Gleichgewicht mit dem Medium steht.
Im Falle eines wärmeren Mediums und eines kälteren Prozessanschlusses ist der Wärmestrom vom Boden des Schutzrohres zum Prozessanschluss hin gerichtet und führt zu einem Abtransport von Wärme vom Temperatursensor weg. In jedem Fall, d.h. auch bei entgegengesetzten thermischen Verhältnissen, ergibt sich durch die Wärmeströme innerhalb der Rohrarmaturen eine Messwertverfälschung. Diese Verfälschung kann ein Vielfaches der zulässigen Toleranz des Temperatursensors betragen. Besonders groß ist diese Verfälschung, wenn dickwandige metallische Schutzrohre benutzt werden und insbesondere, wenn beim Wärmeübergang vom Medium auf die Fühlerarmatur ein geringer Wärmeübergangswert α vorliegt.
Im Falle geschlossener länglicher Messrohre, deren Längsachse senkrecht zum Behälter des Mediums bzw. senkrecht zur Wand des Rohres liegt, ist der Wärmestrom, welcher sich aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Medium und Prozessanschluss einstellt, konform zur Längsachse des Messrohres gerichtet.
Eine Korrektur des Einbaufehlers kann in diesem Fall durch bauliche und elektronische Maßnahmen erreicht werden, indem mehrere Temperatursensoren in der Längsachse des Messeinsatzes versetzt angeordnet sind. Es kann dann eine korrigierte Temperatur anhand der unterschiedlichen Messwerte der versetzten Temperatursensoren ermittelt werden.
Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen mit mehreren längsversetzten Temperatursensoren offenbart.
In einer Klasse dieser Vorrichtungen, der Klasse der Stufenfühler, dienen die längsversetzten Temperatursensoren der Ermittlung des Temperaturprofils bzw. der Temperaturverteilung innerhalb eines Mediums und nicht der Einbaufehlerkorrektur. DE 195 44 880 A1 beschreibt beispielsweise mehrere Thermoelemente in einem Messrohr. Das Messrohr weist dabei mehrere Durchströmkanäle auf. DE 195 09 105 C2 offenbart ein Schutzrohr mit mehreren Temperatursensoren, wobei die Sensoren an der Außenwand des Messrohrs angebracht sind. In diesen Offenbarungen steht das Medium also an verschiedenen Stellen im direkten Kontakt mit den Temperatursensoren. So kann das Temperaturprofil innerhalb des Mediums ermittelt werden. Eine Einbaufehlerkorrektur wird in dieser Klasse von Vorrichtungen dagegen nicht vorgenommen, da andere Wärmeableitungsverhältnisse als bei einem geschlossenen Messrohr vorherrschen. Da während der Messung kein gerichteter Wärmestrom innerhalb eines geschlossenen Messrohrs vorliegt bzw. nur die Differenzen beachtenswert sind, ist der Einbaufehler hier nicht von Interesse.
Eine Vorrichtung zur Einbaufehlerkorrektur ist in DE 199 39 757 A1 beschrieben. Hier werden zwei oder mehrere Temperatursensoren innerhalb der Längsachse des Messrohrs versetzt angeordnet. Es handelt sich dabei um identische, widerstandsbasierte Temperatursensoren.
Prinzipiell gilt: Je mehr Temperatursensoren im geschlossenen Messrohr längs zur Fühlerachse versetzt angeordnet sind, desto genauer kann der Einbaufehler korrigiert werden. Es ist vorteilhaft, wenn nicht mehr als zwei Temperatursensoren verwendet werden, da aufgrund des geringen Platzbedarfs die Verwendung zweier Temperatursensoren und damit die Verwendung von Messrohren mit standardisierten Abmessungen möglich sind. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung zweier Temperatursensoren eine vereinfachte Korrekturformel und damit einhergehend eine vereinfachte Signalverarbeitung. Die Verwendung von nur zwei Temperatursensoren ermöglicht damit insbesondere eine besonders kostengünstige Realisierung der Einbaufehlerkorrektur.
In DE 10 2015 122 004 A1 ist eine Fühleranordnung offenbart, die ein Berührungsthermometer mit auswechselbarem Messeinsatz betrifft, wobei der Messeinsatz zwei versetzt angeordnete Sensoren zur Einbaufehlerkorrektur und darüber hinaus auch einen Prüfkanal enthält. In diesem Kanal könnte in bestimmten Prüfabständen von außen ein Prüffühler zur Kontrolle bzw. Überprüfung des Primärsensors einschließlich des Einbaufehlerkorrekturvermögens des Fühlers eingesteckt werden.
Für präzise Kontrollmessungen ist es erforderlich, dass der Prüfkanal gegenüber dem Messkanal, der sowohl durch ein weiteres separates Messrohr als auch in freier kompakter Konfektionsweise innerhalb des Schutzrohres realisiert werden kann, thermisch äquivalent ist.
Bei formaler Betrachtung gilt die thermische Äquivalenz als gegeben, wenn beide Kanäle (Prüfkanal, Messkanal) so angeordnet sind, dass sie im Messmedium auf „gleicher Höhe“ eingetaucht sind und gleichwertig angeströmt werden. Durch die Nebeneinander-Anordnung beider Kanäle ist jedoch keine Rotationssymmetrie im Fühler mehr vorhanden und die Gesamtanordnung wird von der Anströmsituation des Einbauthermometers, d.h. der Lage der beiden Kanäle zur Strömungsrichtung des Mediums, abhängig. Damit ist die Prüfsicherheit aller oben angeführten Temperaturfühler mit Prüfkanal lageabhängig.
Alle Anordnungen mit separatem Prüfkanal erfordern bei der Prüfung das manuelle Einbringen eines Prüffühlers. Dies ist zeitaufwendig und bei sehr kurzen Prüfzyklen problematisch und wegen der manuellen Bestückung nur in gewissen Grenzen reproduzierbar. Reproduzierbare Lage- und innere Einsatzbedingungen sind aber wichtige Voraussetzungen für optimales Korrigieren des Einbaufehlers.
Im Stand der Technik ist die Möglichkeit einer Einbaufehlerkorrektur unabhängig von der Einbaulage bezüglich der Medienausströmung nicht bekannt. Die Möglichkeit reproduzierbarer Einsatzbedingungen für den Einsatz eines multisensorischen Prüffühlers zur Überwachung der fühlerimmanenten Einbaufehlerkorrektur sowie der Fühlerdrift sind ebenfalls nicht angegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, in Rohrleitungen und Behälter einbaubare Vorrichtung anzugeben, die unabhängig von der Thermometereinbaulage sowohl die Möglichkeit der sicheren Korrektur des Einbaufehlers als auch eine schnelle Möglichkeit der Überprüfbarkeit des Korrekturverfahrens ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Temperaturfühler mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Temperaturfühler enthält einen Messeinsatz mit einem vorzugsweise widerstandselektrischen Temperatursensor als primären Bodensensor und einem vorzugsweise thermoelektrischen Temperatursensor als primären Schaftsensor sowie ein zu beiden Sensoren parallel liegendes inneres Prüfsystem.
Damit kann der Einbaufehler unabhängig von Lage- und inneren Einsatzbedingungen des Temperaturfühlers exakt ermittelt und korrigiert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das innere Prüfsystem aus einem Prüfrohr mit einem auswechselbaren Prüfeinsatz, der mehrere innere Messknoten bzw. Messkreise enthält, und einem elektrischen Anschluss besteht.
Dies ermöglicht eine Korrektur des Einbaufehlers auch bei kurzen Prüfzyklen.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das Prüfrohr mit Prüfeinsatz und der primäre Bodensensor am gemeinsamen Schutzrohrboden anliegen. Dadurch wird eine gute Wärmeübertragung vom Medium zu den Temperatursensoren gewährleistet.
Weiter ist es vorteilhaft, dass der auswechselbare Messeinsatz einen am Schutzrohrboden angefederten Bodenkontakt aufweist. Dadurch kann ein guter thermischer Kontakt erreicht werden.
Vorteilhaft ist ferner, dass die Primärsensoren innerhalb des Messeinsatzrohres mit einem definierten, in Fühlerlängsachse bestehenden Abstand sowie in thermischem Kontakt mit dem inneren Prüfsystem angeordnet sind. Damit werden eine hohe Genauigkeit und gute Reproduzierbarkeit der Messungen erreicht.
Es ist zweckmäßig, die Primärsensoren (primärer Bodensensor und primärer Schaftsensor) über Innenleiter mit Messeinsatzanschlüssen, die in einem Thermometeranschlusssockel oder in einem Temperaturtransmitter angeordnet sind, zu verbinden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass das Prüfrohr außermittig angeordnet ist, durch den Anschlusssockel oder durch den Transmitter hindurchragt und an einem Messeinsatzboden anliegt bzw. mit diesem verbunden ist.
Es ist auch möglich, dass das Prüfrohr vom Messeinsatzrohr beabstandet angeordnet ist. In diesem Fall fließen die inneren Wärmeströme des Messeinsatzes vorwiegend über den Boden vom Messeinsatzrohr und durch das Prüfrohr mit den anliegenden Sensoren und ihren Anschlüssen.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass im Messeinsatzrohr ein Thermomantelleitungsrohr mit zwei oder vier Thermoinnendrähten angeordnet ist, wobei das Thermomantelleitungsrohr ein bis drei Thermoknoten aufweist, an seinem unteren Ende fest an dem Messeinsatzboden befestigt ist, und so der Messeinsatzboden und der primäre Bodensensor im thermischen Kontakt mit dem Thermomantelleitungsrohr stehen, und wobei das Thermomantelleitungsrohr außermittig im Messeinsatzrohr angeordnet ist.
Damit kann eine kostengünstige und einfach herstellbare Ausführung geschaffen werden.
Bei Ausführungen mit mindestens zwei Thermoknoten im Thermomantelleitungsrohr bzw. im inneren Prüfsystem entsteht eine vorteilhafte Ausführung dadurch, dass sich je ein Thermoknoten auf gleichem thermischem Niveau wie der primäre Bodensensor und das primäre Thermoelement befindet.
Der Temperaturfühler mit integriertem Prüfsystem verfügt über ein in Behälter oder Rohrleitungen einbaubares in das Messmedium hineinragendes Schutzrohr, welches an seinem dem Messmedium zugewandten Ende durch einen Boden verschlossen ist und in dem ein auswechselbarer Messeinsatz mit angefedertem Bodenkontakt zum Schutzrohrboden eingesetzt ist und der Messeinsatz einen vorzugsweise widerstandselektrischen Temperatursensor als primären Bodensensor und einen thermoelektrischen Temperatursensor als primären Schaftsensor sowie ein zu beiden Sensoren parallel liegendes inneres Prüfsystem enthält. Die Primärsensoren sind innerhalb eines Messeinsatzrohres in einem in Fühlerlängsachse festen Abstand sowie in thermischem Kontakt mit dem inneren Prüfsystem angeordnet.
Das innere Prüfsystem besteht aus einem Prüfrohr mit einem inneren auswechselbaren Prüfeinsatz und einem elektrischen Anschluss. Die Primärsensoren sind über Innenleiter mit Klemmen eines Thermometeranschlusssockels oder eines Temperaturtransmitters verbunden. Das Prüfrohr mit dem inneren Prüfeinsatz durchragt den Thermometeranschlusssockel, beziehungsweise den Transmitter. An dem kurz über den Anschlussklemmen des Thermometeranschlusssockels oder Transmitters liegenden Ende des Prüfrohres befindet sich ein Federsystem, welches das innere Prüfsystem federnd in das Messeinsatzrohr drückt. Am Ende des Prüfrohrs befinden sich die elektrischen Anschlüsse des Prüfeinsatzes, der mehrere thermoelektrische Messstellen enthalten kann. Das Prüfrohr mit dem Prüfeinsatz und das äußere Messeinsatzrohr besitzen einen gemeinsamen Boden. Dabei ist das Prüfrohr exzentrisch auf diesem Boden so montiert, dass einerseits die seitliche Montage der Primärsensoren möglich ist und andererseits ein thermischer Seitenkontakt des Prüfrohres sowie der Primärsensoren mit dem Schaft des Messeinsatzrohres verhindert werden. Damit weist der Temperaturfühler thermisch gesehen einen inneren Wärmeleitkern auf, bestehend aus dem inneren Prüfsystem sowie den seitlich daran angeordneten Primärsensoren (Messachse). Die sich im Wärmeleitkern ausbildende Wärmesituation ist dadurch vorwiegend durch die Wärmeleitprozesse in axialer Richtung geprägt, da der dominante Wärmeeintrag hauptsächlich über den Messeinsatzboden, der wiederum fest auf den Schutzrohrboden angedrückt ist, erfolgt.
Daraus ergibt sich im Weiteren, dass der Gesamtaufbau trotz geometrischer Asymmetrie weitgehend unabhängig von der Anströmsituation messen kann.
Der Einsatz von Temperaturfühlern erfordert in zahlreichen Anwendungen eine Aussage darüber, wie zuverlässig das ausgegebene Messsignal die Temperatur des Mediums an der Messstelle abbildet. Die Zuverlässigkeit wird neben statisch thermischen Messaspekten, wie dem beschriebenen Einbaufehler, durch weitere Einflüsse bestimmt, die unter anderem abhängig von Einsatzbedingungen und Betriebsdauer sind. Diese Bedingungen führen regelmäßig zu einer Alterung / Degradation der im Temperaturfühler eingebauten Temperatursensoren und somit zu einer Verfälschung des Messsignals und fehlerhaften Bestimmung der Temperatur.
Auf der Basis des vorliegenden Temperaturfühlers wird ein kombiniertes Mess- und Selbstdiagnoseverfahren geschaffen. Das Verfahren berücksichtigt dabei die folgenden Aspekte:

• Erkennung von Driften des Messsignals durch Alterung oder Hysterese,
• Erkennung von Einbrüchen des Isolationswiderstandes,
• Erkennung von Kurzschlüssen und Unterbrechungen in den jeweiligen Messkreisen.

Die Selbstdiagnose erfolgt in folgenden Teilschritten:

1. Erkennung der Drift des primären Bodensensors durch einen Vergleich der Temperatur des primären Bodensensors mit der Temperatur des bodennahen Thermoknoten des Prüfthermoelements

Ist der Betrag der Differenz aus beiden Temperaturen größer als ein vorgegebener erster Grenzwert GW1, wird das Messsignal als nicht zuverlässig erkannt. Vorteilhaft sind die permanente Verfügbarkeit des Prüfsignals zur Diagnose sowie die unterschiedlichen (diversitären) Messprinzipien der Sensoren, die bei beiden Sensoren ein unterschiedliches Driftverhalten bewirken.
Erkennung einer Drift des inneren Prüfthermoelements
Bei einer Drift des Prüfthermoelements ergibt sich ebenfalls eine Differenz der Absolutwerte von Temperatur des primären Bodensensors und Temperatur des bodennahen Thermoknotens des Prüfthermoelements größer als der vorgegebene erste Grenzwert GW1, die aber deutlich unwahrscheinlicher und kleiner ist als die des primären Bodensensors.
Eine Drift des Prüfthermoelements kann auch durch Vergleich mit einem außerhalb des Temperaturfühlers befindlichen Referenznormals durch einen „Offline-Proof-Test“, wie z.B. eine Kalibrierung, erkannt werden.
Vorteilhaft dafür ist es, einen Wechsel des inneren Prüfeinsatzes vorzunehmen. Dadurch kann das Prüfthermoelement ohne Beeinträchtigung der Verfügbarkeit des Primärsystems und so auch ohne Unterbrechung der Ausgabe des Messsignals extern überprüft werden.
Der Einbau eines Ersatz-Prüfeinsatzes erlaubt darüber hinaus auch eine Driftüberwachung entsprechend Punkt 1 während des Offline-Proof-Tests.
Ist beim Offline-Proof-Test der Betrag der Differenz aus den Temperaturen des Prüfthermoelements und des Referenznormals größer als ein vorgegebener zweiter Grenzwert GW2, wird das Messsignal als nicht zuverlässig erkannt und der Innen-Prüfeinsatz muss ausgetauscht werden. Dieser Verfahrensschritt ist auch deshalb vorteilhaft, weil die unter Punkt 1 beschriebene Erkennung der Drift des primären Bodensensors unmittelbar nach einem „Offline-Proof-Test“ des Prüfsystems indirekt als Vergleich zum Referenznormal angesehen werden kann.
Erkennung der Drift des primären Thermoelements durch einen Vergleich mit der Drift des inneren Prüfthermoelements
Vorteilhaft ist dabei eine baugleiche Auslegung der beiden Sensoren, die unter gleichen Einsatzbedingungen im Primärsystem und im Innen-Prüfeinsatz betrieben werden. Unter diesen Voraussetzungen ist ein ähnliches Driftverhalten der beiden Sensoren zu erwarten. Bei der Erkennung einer Drift des Prüfthermoelements gemäß Punkt 3 kann von einer Drift des primären Thermoelements in gleichem Maße ausgegangen werden.
Kontrolle des Isolationswiderstandes der Sensoren
Isolationseinbrüche verfälschen die Messsignale der Sensoren und wirken wie eine Driftkomponente beim jeweiligen Sensor. Dabei hat ein Einbruch des Isolationswiderstandes einen wesentlich größeren Einfluss auf das Messsignal des primären Bodensensors, d.h. des widerstandselektrischen Sensors, als auf die Messsignale der beiden Thermoelemente (primäres Thermoelement und Prüfthermoelement). Diese Veränderung des Messsignals wird analog zur Erkennung von Driften, wie unter Punkt 1 beschrieben, erkannt.
Erkennung eines Kurzschlusses zwischen den Thermodrähten des primären Thermoelements
Ein Kurzschluss erzeugt einen zusätzlichen Thermoknoten, der in Richtung der Thermometerwurzel verlagert ist. Der Betrag der Differenz zwischen der Temperatur des primären Bodensensors und der gemessenen Temperatur am primären Thermoelement wird dadurch größer. Bei einem unterstellten Wärmefluss von der Thermometerspitze zur Thermometerwurzel wird der Korrekturwert T_korr größer, bei einem unterstellten Wärmefluss von der Thermometerwurzel zur Thermometerspitze wird der Korrekturwert T_korr kleiner.
Dieses Verhalten ist vorteilhaft in Anwendungen zur Übertemperaturerkennung. Beim Vergleich des fehlerhaft zu hohen Ausgabesignals vom Korrekturwert T_korr mit einer oberen Grenztemperatur wird bereits bei niedrigeren Temperaturen des Mediums Tm die Grenztemperatur überschritten und ein sicherer Zustand erreicht.
Erkennung eines Kurzschlusses zwischen den Thermodrähten des Prüfthermoelements
Gemäß den Erläuterungen in Punkt 5 bildet das Prüfthermoelement durch den zusätzlichen Thermoknoten eine Temperatur ab, die weiter in Richtung Thermometerwurzel verschoben ist. Dieser Fehler wird entsprechend Punkt 1 erkannt.
Erkennung eines Kurzschlusses im Messkreis des primären Bodensensors
Durch einen Kurzschluss verringert sich der Widerstand des primären Bodensensors gegen Null, das Messsignal dieses Sensors fällt dadurch aus dem zulässigen Bereich und wird als ungültig erkannt.
Ein Kurzschluss kann ebenfalls in Teilbereichen des Innenaufbaus des primären Bodensensors auftreten, der nur eine geringere Veränderung des Widerstands zur Folge hat. Diese Veränderung des Messsignals wird analog zur Erkennung einer Drift der Temperatur des primären Bodensensors durch den unter Punkt 1 beschriebenen Vergleich mit der Temperatur des Prüfthermoelements erkannt.
Sensorbrüche können auch unmittelbar durch eine Plausibilitätsprüfung des jeweiligen Messsignals erkannt werden
Sensorbrüche entstehen, wenn die Signalleitungen unterbrochen werden oder die Anschlussstellen an den sensitiven Bauteilen abreißen.
Erkennen von Einbaufehlern
Eine Überwachung des Einbaufehlers kann dadurch erfolgen, dass die Temperatur des primären Bodensensors und die Temperatur des primären Schaftsensors ermittelt und deren Differenzwert T_S - T_TE gebildet wird. Dieser Differenzwert wird mit einem dritten Grenzwert GW3 verglichen, wobei sich der dritte Grenzwert aus zwei Komponenten additiv zusammensetzt, wobei eine Einzelkomponente einen objektbezogenen Sicherheitsbetrag darstellt und eine weitere Einzelkomponente einen temperaturabhängigen Toleranzbetrag Tol (T) abbildet, gemäß der Beziehung $G W 3 = \frac{(S_{i} + T o l (T))}{K < (T_{S} - T_{T E})}$
mit T_TE = Temperatur des primären Schaftsensors, T_S = Temperatur des primären Bodensensors, S_i = Sicherheitsbetrag, K = wärmeabhängiger Korrekturfaktor und Tol(T) = temperaturabhängiger Toleranzbetrag des Bodensensors.
Die beschriebenen Verfahrensschritte werden im Transmitter ausgeführt. Wird in einem Verfahrensschritt ein fehlerhaftes Messsignal erkannt, gibt der Transmitter ein Signal aus, das von einem übergeordneten System ausgewertet werden kann. Damit wird erkannt, dass die Temperatur des Mediums an der Messstelle durch das Messsignal nicht zuverlässig abgebildet wird.
Diese Mess- und Selbstdiagnoseverfahren tragen zu einer erhöhten funktionalen Sicherheit und genauen Messwertbestimmung bei.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung des Schutzrohrteils eines Temperaturfühlers,
2 einen Längsschnitt durch einen Temperaturfühler mit angefedertem Prüfrohr,
3 einen Längsschnitt durch einen Temperaturfühler mit Kopftransmitter und
4 einen Längsschnitt durch einen Temperatursensor mit Mantelthermoelement.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 erläutert die Funktionsweise des Korrekturmodells. Aus 1A ist der schematische Aufbau des Schutzrohrteils ersichtlich. Das Schutzrohr 1 ist mittels eines hier nicht dargestellten Prozessanschlusses an einer Behälterwandung 8 befestigt. Diese Anschlussstelle stellt die sogenannte Thermometerwurzel dar. Das Schutzrohr 1 ist medienseitig mit dem Schutzrohrboden 9 verschlossen. Im Inneren des Schutzrohrs 1 befindet sich das Messeinsatzrohr 2 eines auswechselbaren Messeinsatzes, das an seinem unteren Ende mit dem Messeinsatzboden 10 verschlossen ist. Im Messeinsatzrohr 2 befindet sich das Prüfrohr 3 mit dem inneren Prüfeinsatz 16. Am Messeinsatzrohr 2 ist der hier als Widerstandstemperatursensor ausgeführte primäre Bodensensor 5 und das primäre Thermoelement 4.1 befestigt. Der primäre Bodensensor 5 und das primäre Thermoelement 4.1. sind über Anschlussleitungen 7 mit Anschlusskontakten im Anschlusskopf 11 verbunden. Der primäre Bodensensor 5 und das primäre Thermoelement 4.1 als primärer Schaftsensor bilden das primäre Messsystem. Dazu parallel angeordnet ist ein Prüfrohr 3 mit auswechselbarem inneren Prüfeinsatz 16 und angefederten Bodenkontakt, welches das innere Prüfsystem darstellt. Die Messachse 6 enthält das primäre Messsystem und das innere Prüfsystem.
Bei der hier dargestellten, vorzugsweise angewendeten Ausführung wird als primärer Bodensensor 5 ein Widerstandstemperatursensor und als primärer Schaftsensor 4.1 ein Thermoelement verwendet. Es ist auch möglich, als primären Bodensensor 5 ein Thermoelement und als primären Schaftsensor 4.1 einen Widerstandstemperatursensor zu verwenden.
In 1B sind die thermische Auswirkung der asymmetrischen Anordnung des inneren Prüfsystems bzw. der primären Sensoren sowie die Funktionsweise der Korrektur erläutert. Die Kurven a und b stellen den Temperaturverlauf in der Thermometerlängsachse über der Eintauchtiefe Z dar. Die Kurve a zeigt den Standardverlauf, der durch eine cosh-Funktion abgebildet wird. Die Kurve b zeigt den abgeflachten cosh-Verlauf im asymmetrischen Thermometerkern. Der charakteristische Funktionsanstieg wird durch den Faktor $\frac{T_{S} - T_{T E}}{Δ Z}$
beschrieben, wobei T_S die Temperatur des primären Bodensensors 5, T_TE die Temperatur des primären Schaftsensors 4.1 und ΔZ die Differenz der Einbauabstände dieser beiden Sensoren bedeuten.
Der Korrekturfaktor K zur Korrektur der Temperatur des Hauptsensors T_korr kann mit der Beziehung $K = \frac{T_{S} - T_{M}}{T_{T E} - T_{S}}$
(mit T_M Medientemperatur) ermittelt werden.
Der Korrekturfaktor K ist ferner von der absoluten Temperatur abhängig, wobei dieser Zusammenhang durch die Einführung eines weiteren Korrekturparameters P abgebildet wird und so den Korrekturfaktor K im Bereich der Einsatztemperaturen nachbessert.
In 2 ist der prinzipielle Aufbau des Temperaturfühlers in einem Längsschnitt schematisch dargestellt. Das Schutzrohr 1 ist an seinem dem Messmedium abgewandten Ende fest mit dem Anschlusskopf 11 verbunden, in dem sich der Thermometeranschlusssockel 12.1 befindet, an welchem das Messeinsatzrohr 2 und die Messeinsatzanschlüsse 13 angebracht sind. An den Messeinsatzanschlüssen 13 sind die Anschlussleitungen 7 der Sensoren angeschlossen. Im Messeinsatzrohr 2 ist das Prüfrohr 3 angeordnet, in dem sich das innere Prüfsystem mit den zugehörigen Prüfthermoelementen 4.2 befindet. Das Prüfrohr 3 mit dem daran anliegenden Bodensensor 5 und den Schaftsensoren 4.1 ist fest mit dem Messeinsatzboden 10 verbunden. Mittels der gefederten Anschraubung 13 und der Federanordnung 14 wird das Messeinsatzrohr 2 mit dem inneren Prüfsystem am Schutzrohrboden 9 angedrückt.
3 zeigt einen Fühleraufbau im Längsschnitt, bei dem das innere Prüfthermoelement 4.2 als innerer Widerstandstemperatursensor 5.1 ausgeführt ist. Auf dem Messeinsatzrohr 2 ist der Kopftransmitter 12.2 befestigt. Der Kopftransmitter 12.2 mit dem daran befestigten Messeinsatzrohr 2 wird mittels Federanordnung 14 am Schutzrohrboden 9 angedrückt.
Die Federanordnung 14 enthält jeweils zwei Druckbauteile, nämlich die Druckelemente 14.2 und die Zusatzschrauben 14.4, die über Schraubverbindungen kraftschlüssig untereinander und mit dem Schutzrohr 1 verbunden sind. Die Druckelemente 14.2 bestehen aus einem Kopf mit Innengewinde und einem Gewindeteil, der von der Druckfeder 14.1 umschlossen ist und durch den Kopftransmitter 12.2 geführt ist und in ein mit dem Schutzrohr 1 verbundenes Befestigungsteil eingeschraubt ist. Der Kopftransmitter 12.2 ist mit dem Messeinsatzrohr 2 verbunden. Die Druckfedern 14.1 drücken auf den Kopftransmitter 12.2. In analoger Weise sind die beiden Zusatzschrauben 14.4 durch die Befestigungsplatte 15.1 geführt, die mit dem inneren Prüfeinsatz 16 verbunden ist und mittels der Zusatzfedern 14.3, welche mit den Zusatzschrauben 14.4 verbunden sind, auf die Befestigungsplatte 15.1 drückt.
In die Druckelemente 14.2 sind Zusatzschrauben 14.4 mit Zusatzfedern 14.3 eingeschraubt. Die Zusatzfedern 14.3 drücken auf die Anschlussplatte 15.1, an welcher der Prüfeinsatz 16 befestigt ist. Die Anschlussplatte 15.1 mit dem damit verbundenen Anschlussblock 15.2 bilden das Anschlussteil 15. Im Messeinsatzrohr 2 befindet sich das Prüfrohr 3, das an seinem untern Ende mit dem Messeinsatzboden 10 verschweißt ist und an dem der primäre Bodensensor 5 außen anliegt.
In 4 ist eine Ausführung eines Temperatursensors ohne Prüfrohr 3 dargestellt. Hierbei befindet sich auch ein Messeinsatzrohr 2 innerhalb des Schutzrohrs 1. Im Messeinsatzrohr 2 ist anstelle eines Prüfrohrs 3 ein metallisches Mantelthermoelement 17 mit zwei oder vier Thermoinnendrähten angeordnet, in dem ein bis drei Thermoknoten des Mantelthermoelements 17 angeschlossen sind. Im dargestellten Beispiel sind drei Messstellen des Mantelthermoelements 17 angeordnet. Das Mantelthermoelement 17 ist außermittig im Messeinsatzrohr 2 angeordnet und an seinem Ende am Messeinsatzboden 10 angefügt. Im äußeren unteren Bereich des Mantelthermoelements 17 befinden sich der primäre Bodensensor 5, der hier als Widerstandstemperatursensor ausgeführt ist, und das primäre Thermoelement 4.1. Der primäre Bodensensor 5 und der Messeinsatzboden 10 stehen im thermischen Kontakt mit dem Mantelthermoelement 17. Jeweils zwei Messknoten des Mantelthermoelements 17 sind so angeordnet, dass sie sich auf dem thermischem Niveau des Bodensensors (5) bzw. des primären Thermoelements (4.2) befinden.
Bezugszeichenliste

1: Schutzrohr
2: Messeinsatzrohr
3: Prüfrohr
4.1: primäres Thermoelement/primärer Schaftsensor
4.2: Prüfthermoelement/innerer Thermoknoten
5: primärer Bodensensor
5.1: innerer Widerstandstemperatursensor
6: Messachse
7: Anschlussleitungen
8: Behälterwandung
9: Schutzrohrboden
10: Messeinsatzboden
11: Anschlusskopf
12.1: Thermometeranschlusssockel
12.2: Kopftransmitter
13: Gefederte Anschraubung des Messeinsatzes
14: Federanordnung
14.1: Druckfeder
14.2: Druckelement mit Innengewinde
14.3: Zusatzfeder
14.4: Zusatzschraube
15: Anschlussteil
15.1: Befestigungsplatte
15.2: Anschlussblock
16: innerer Prüfeinsatz
17: Mantelthermoelement
a: Standardtemperaturverlauf
b: Temperaturverlauf im Thermometerkern
K: Korrekturfaktor
Z: Eintauchtiefe
TS: Temperatur des primären Bodensensors
TTE: Temperatur des primären Thermoelements / primären Schaftsensors
TM: Medientemperatur
TW: Temperatur der Behälterwandung
Tkorr: korrigierter Messwert
Tp: Temperatur des Prüfthermoelements am bodennahen Thermoknoten
GW1: erster Grenzwert
GW2: zweiter Grenzwert
GW3: dritter Grenzwert
Si: Sicherheitsbetrag
Tol(T): temperaturabhängiger Toleranzbetrag des Bodensensors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202009012292 A1 [0003]
DE 102006040135 A1 [0004]
DE 19544880 A1 [0014]
DE 19509105 C2 [0014]
DE 19939757 A1 [0015]
DE 102015122004 A1 [0017]

Claims

Temperaturfühler zur Temperaturmessung in einem gasförmigen oder flüssigen Medium mit einem in das Medium hineinragenden Schutzrohr (1), welches an seinem dem Medium zugewandten Ende durch einen Schutzrohrboden (9) verschlossen ist und einen auswechselbaren Messeinsatz mit einem Messeinsatzrohr (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der auswechselbare Messeinsatz einen Temperatursensor als primären Bodensensor (5) und einen thermoelektrischen Temperatursensor als primären Schaftsensor (4.1) sowie ein zu beiden Sensoren parallel liegendes inneres Prüfsystem, das asymmetrisch zur Messeinsatzachse angeordnet ist, enthält.
Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Prüfsystem aus einem Prüfrohr (3) mit einem inneren auswechselbaren Prüfeinsatz (16), der eine oder mehrere Messstellen enthält, und einem elektrischen Anschluss besteht.
Temperaturfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfrohr (3) und das Messeinsatzrohr (2) den Messeinsatzboden (10) als gemeinsamen Abschlussboden besitzen.
Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auswechselbare Messeinsatz mit seinem Messeinsatzboden (10) einen zum Schutzrohrboden (9) angefederten Bodenkontakt aufweist.
Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Bodensensor (5) und der primäre Schaftsensor (4.1) innerhalb des Messeinsatzrohres (2) mit einem definierten, in Fühlerlängsachse bestehenden Abstand sowie in thermischem Kontakt mit dem inneren Prüfsystem angeordnet sind.
Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Bodensensor (5) und der primäre Schaftsensor (4.1) über Innenleiter (7) mit Messansatzanschlüssen (13), die in einem Thermometeranschlusssockel (12.1) oder in einem Kopftransmitter (12.2) angeordnet sind, verbunden sind.
Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfrohr (3) außermittig angeordnet ist, aus dem Anschlusssockel (12) oder dem Transmitter herausragt, und an einem Messeinsatzboden (10) anliegt.
Temperaturfühler zur Temperaturmessung in einem gasförmigen oder flüssigen Medium mit einem in das Medium hineinragenden Schutzrohr (1), welches an seinem dem Medium zugewandten Ende durch einen Schutzrohrboden (9) verschlossen ist und das Schutzrohr (1) einen auswechselbaren Messeinsatzrohr (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Messeinsatzrohr (2) ein Mantelthermoelement (17) mit zwei oder vier Thermoinnendrähten angeordnet ist, wobei das Mantelthermoelement (17) ein bis drei Messstellen aufweist, an seinem unteren Ende fest am Messeinsatzboden (10) befestigt ist, so dass das untere Ende des Mantelthermoelements (17) und der primäre Bodensensor (5) im thermischen Kontakt stehen.
Temperaturfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Mantelthermoelement (17) mindestens zwei Messstellen, gebildet als Thermoknoten von Thermodrähten, angeordnet sind und jeweils ein Thermoknoten sich auf gleichem thermischen Niveau wie Bodensensor (5) und primäres Thermoelement (4.2) befinden.
Verfahren zur Fehlerermittlung an Temperaturfühlern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drift des primären Bodensensors (5) und/oder eine Drift des inneren Prüfthermoelements (4.2) ermittelt wird, indem die Temperatur des primären Bodensensors (T_S) und die Temperatur des inneren Prüfthermoelements (T_P) gemessen und die Differenz dieser Temperaturen mit einem vorgegebenen ersten Grenzwert (GW1) verglichen werden, wobei im Fall, dass die Differenz der Messwerte von Temperatur des primären Bodensensors (T_S) und Temperatur des inneren Prüfthermoelements (T_P) den vorgegebenen ersten Grenzwert (GW1) überschreiten, eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
Verfahren zur Fehlerermittlung an Temperaturfühlern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drift des inneren Prüfthermoelements (4.2) ermittelt wird, indem das innere Prüfthermoelement (4.2) gegen ein Ersatzprüfthermoelement ausgewechselt wird und die Temperatur des inneren Prüfthermoelements (4.2) extern mit der Temperatur des Kontrollthermometers verglichen wird, wobei im Fall, dass die Differenz der Temperatur des Prüfthermoelements (4.2) und der Temperatur des Kontrollthermometers größer als ein vorgegebener zweiter Grenzwert (GW2) ist, das innere Prüfthermoelement (4.2) als fehlerhaft erkannt wird.
Verfahren zur Fehlerermittlung an Temperaturfühlern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachung des Einbaufehlers dadurch erfolgt, dass die Temperatur (T_S) des primären Bodensensors (5) und die Temperatur des primären Schaftsensors (T_TE) ermittelt und deren Differenzwert (T_S - T_TE) gebildet wird und dieser Differenzwert mit einem dritten Grenzwert (GW3) verglichen wird, wobei der dritte Grenzwert (GW3) sich aus zwei Komponenten Si und Tol(T) additiv zusammensetzt, und die Einzelkomponente (S_i) einen objektbezogenen Sicherheitsbetrag und die Einzelkomponente Tol(T) einen temperaturabhängigen Toleranzbetrag des Bodensensors darstellt, wobei sich folgende Abhängigkeit ergibt $T_{S} - T_{T E} < \frac{(S_{i} + T o l (T))}{K}$
wenn K der Korrekturfaktor gemäß $K = \frac{(T_{S} - T_{M})}{(T_{T E} - T_{S})}$
darstellt.