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Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, mit einem länglichen Temperaturfühler und einer mehrteiligen Schutzhülle.
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Temperatursensoren finden vielfach Anwendung im Bereich der Automatisierungstechnik, beispielsweise zur Erfassung der Temperatur eines Mediums in einer Rohrleitung und/oder in einem Behälter, oder in Feldgeräten, wie beispielsweise thermischen Durchflussmessgeräten zur Messung der Flussgeschwindigkeit und/oder der Dichte eines Mediums in einer Rohrleitung. Temperatursensoren umfassen einen Temperaturfühler, beispielsweise einen Widerstandsthermometer oder ein Thermoelement, sowie Verkabelungen. Entsprechende Temperatursensoren und Feldgeräte werden von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien der Temperatursensoren und der Feldgeräte sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt.
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Im industriellen Umfeld werden an die Temperatursensoren hohe Anforderungen in puncto Robustheit, Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit gestellt. Zu diesem Zweck werden die Temperatursensoren, insbesondere bei Applikationen mit hohen Temperaturen, mit aggressiven Medien und/oder mit hohen Prozessdrücken, häufig in Schutzhüllen verbaut. Neben dem mechanischen und chemischen Schutz des Temperaturfühlers dient die Schutzhülle auch dazu, Prozessflüssigkeit vor dem Eindringen in die Geräteelektronik oder die Messumgebung zu verhindern.
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Bei der Verwendung von Schutzhüllen sind jedoch deren Abmessungen (z. B. der Außendurchmesser) für einige Prozessanwendungen und Installationen recht groß. So gibt es Anwendungen, wie z. B. Gasturbinen, die eine schnelle Reaktionszeit und korrekte Temperaturmessungen benötigen, um bspw. die Turbinenschaufeln vor Schäden zu schützen. In solchen Anwendungsbeispielen sind relativ klein dimensionierte Schutzhüllen erforderlich.
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Bei Verwendung eines Temperatursensors ohne Schutzrohr wird dieser zur Abdichtung auf den Prozessanschluss geschweißt, wobei eine feste Verbindung erzielt wird. Die Spitze des Temperaturfühlers darf jedoch keine Oberfläche innerhalb der Messstelle berühren: Aufgrund thermischer Ausdehnungen während des Betriebs könnten diese im Zusammenspiel mit der festen Verbindung zu Spannungen zwischen der Spitze und dem Prozessanschluss bis hin zu einer Beschädigung des Temperatursensors führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperatursensor vorzustellen, eine Abdichtung gegenüber Prozessmedien ermöglicht und eine mechanische Stabilität gegenüber thermischen Ausdehnungen aufweist.
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Die Erfindung wird durch einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur eines flüssigen oder gasförmigen Mediums gelöst, wobei der Temperatursensor einen länglichen Temperaturfühler und eine mehrteilige Schutzhülle aufweist, wobei die mehrteilige Schutzhülle umfasst:
- - ein Führungsrohr, in welches der Temperaturfühler eingeschoben und an diesem befestigt ist, mit einem ersten und einem zweiten Endbereich;
- - eine erste Buchse, durch welche das Führungsrohr geführt ist, wobei die erste Buchse fest mit dem ersten Endbereich des Führungsrohrs verbunden ist;
- - ein Kopplungselement, durch welches das Führungsrohr geführt ist;
- - eine erste Ummantelung, welche zumindest einen ersten Teilbereich des Führungsrohrs zwischen dem ersten Endbereich des Führungsrohres und dem Kopplungselement umgibt, wobei die erste Ummantelung eine erste Kammer um den ersten Teilbereich des Führungsrohrs herum ausbildet und fest mit dem Kopplungselement verbunden ist;
- - ein Federelement, welches in der ersten Kammer angeordnet ist und den ersten Teilbereich des Führungsrohrs umgibt,
- - Eine erste flexible Ummantelung, welche das Federelement umgibt und welche fest mit der ersten Buchse und dem Kopplungselement verbunden ist.
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Der erfindungsgemäße Temperatursensor verwendet keine herkömmliche Schutzhülle im Sinne eines Thermowells, sondern eine mehrteilige, den Anforderungen angepasste Schutzhülle. Damit wird ein besserer thermischen Kontakt zu den Prozessmedien erreicht. Herkömmliche Schutzrohre bedecken den Temperaturfühler nämlich meist komplett, so dass auch die Spitze des Temperaturfühlers bedeckt ist. Die erste Buchse erlaubt es, die Spitze des Temperaturfühlers freizulassen. Evtl. eindringendes Prozessmedium wird durch das Kopplungselement am Weiterfließen gehindert. Das Führungsrohr kommt durch die Abdichtung mittels erster Buchse und erster flexibler Ummantelung zu keinem Zeitpunkt in Kontakt mit dem Prozessmedium.
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Dadurch, dass das Schutzrohr mit dem darin enthaltenen Temperaturfühler federgelagert ist, können durch temperaturbedingte Ausdehnungen verursachte Spannungen kompensiert werden. Die Spitze des Temperaturfühlers kann dadurch direkt mit dem Prozessmedium oder einer Oberfläche des zu messenden Bereichs in Kontakt gebracht werden, so dass die Temperaturmessung sehr sensitiv und genau ist.
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Die Dimensionen der mehrteiligen Schutzhülle sind klein, wodurch die Flexibilität des Temperatursensors gewährleistet ist. Er kann beispielsweise auch in kleineren Anschlüssen und Zugängen mit leicht gebogenen Wegen eingesetzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Temperatursensors ist vorgesehen, dass die mehrteilige Schutzhülle ferner umfasst:
- - eine zweite Buchse, durch welche das Führungsrohr geführt ist und welche zwischen dem zweiten Endbereich des Führungsrohrs und dem Kopplungselement angeordnet ist, wobei die zweite Buchse fest mit dem Führungsrohr verbunden ist;
- - eine zweite Ummantelung, welche einen zweiten Teilbereich des Führungsrohrs zwischen dem zweiten Endbereich und dem Kopplungselement umgibt, wobei die zweite Ummantelung eine zweite Kammer um den zweiten Teilbereich des Führungsrohrs herum ausbildet und fest mit dem Kopplungselement verbunden ist;
- - Eine zweite flexible Ummantelung, welche in der zweiten Kammer angeordnet ist und den zweiten Teilbereich des Führungsrohrs umgibt und welche fest mit der zweiten Buchse und dem Kopplungselement verbunden ist.
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Die zweite Kammer fügt einen weiteren Dichtheitsgrad des Temperatursensors hinzu. Selbst falls das Prozessmedium entlang oder durch das Kopplungselement dringen kann, wird dieses von der zweiten Buchse aufgehalten.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors sieht vor, dass die erste flexible Ummantelung und/oder die zweite flexible Ummantelung ein Wellrohr oder ein Balg ist. Es können auch zu einem Wellrohr oder einem Balg ähnliche Komponenten verwendet werden. Die Grundvoraussetzung für eine solche Ummantelung ist, dass diese zumindest entlang der Längsachse des Führungsrohrs flexibel komprimiert und entfaltet werden kann und dadurch auch bei Dehnung oder Verkleinerung den kompletten ersten Teilbereich des Führungsrohrs bedeckt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors sieht vor, dass die erste flexible Ummantelung mittels Wolfram-Inertgasschweißens an der ersten Buchse befestigt ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors sieht vor, dass die zweite flexible Ummantelung mittels Wolfram-Inertgasschweißens an der zweiten Buchse befestigt ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors sieht vor, dass die erste Buchse mittels Schweißens, insbesondere mittels Dichtschweißens, oder Lötens am Führungsrohr befestigt ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors sieht vor, dass die zweite Buchse mittels Schweißens, insbesondere mittels Dichtschweißens, oder Lötens am Führungsrohr befestigt ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors sieht vor, dass der Temperaturfühler ein Thermoelement oder ein Widerstandsthermometer ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors sieht vor, dass der Temperaturfühler fest mit dem zweiten Endbereich des Führungsrohres verbunden ist, insbesondere mittels Klebens oder Schweißens.
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Das Verwenden der beschriebenen Schweißverfahren, bzw. Klebeverfahren ermöglicht nicht nur das jeweilige feste Verbinden der entsprechenden Komponenten, sondern ermöglicht darüber hinaus eine dichte Verbindung, die das Prozessmedium nicht passieren kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors sieht vor, dass die erste Ummantelung und/oder die zweite Ummantelung aus einem korrosionsbeständigen Material, insbesondere aus einem Metall, besteht.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperatursensors.
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1a) zeigt hierbei einen Längsschnitt durch den Temperatursensor 1, während 1 b) eine Außenansicht des Temperatursensors 1 zeigt. Der in 1 gezeigte Temperatursensor besteht aus einem Führungsrohr 101 aus einem insbesondere metallischen Material, in welches ein länglicher Temperaturfühler 102 eingeschoben ist. Bei dem Temperaturfühler 102 handelt es sich beispielsweise um einen Widerstandsthermometer oder um ein Thermoelement. Das temperaturfühlende Element, bzw. der Messpunkt des Temperaturfühlers 102 befindet sich an einem ersten Endbereich 103 des Führungsrohr 101, bzw. des Temperaturfühlers 102 (falls diese länger als das Führungsrohr 101 ist und aus diesem hinausragt), während h an einem zweiten Endbereich 104 des Führungsrohrs 101 die Verkabelung des Temperaturfühlers 102 herausragt. Der Temperaturfühler 102 ist zumindest am zweiten Endbereich 104 fest, d.h. nicht lösbar, mit dem Führungsrohr 102 verbunden, bspw. mittels einer Klebverbindung.
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Zum Schutz vor mechanischen und/oder chemischen Umwelteinflüssen ist eine zweigeteilte Ummantelung aus einem korrosionsbeständigen Material, welche das Führungsrohr 101 umgibt, angebracht. Im Folgenden werden die beiden Teile als erste Ummantelung 111 und als zweite Ummantelung 131 bezeichnet. Als räumliche Abtrennung befindet sich ein Kopplungselement 120 aus einem insbesondere metallischen Material, beispielsweise AISI 316, zwischen der ersten Ummantelung 111 und der zweiten Ummantelung 131. Die erste Ummantelung 111 und die zweite Ummantelung 131 sind jeweils mittels Schweißverbindungen 140, insbesondere resultierend aus einem Dichtschweißverfahren, an dem Kopplungselement 120 angebracht.
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Am ersten Endbereich 103 des Führungsrohrs 102 befindet sich eine erste Buchse 110, durch welche das Führungsrohr 101 geführt ist. Die erste Buchse 110 ist mittels einer Schweißverbindung 140' fest an dem ersten Endbereich 103 des Führungsrohrs 101 angebracht.
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Am zweiten Endbereich 104 des Führungsrohrs 102 befindet sich eine zweite Buchse 130, durch welche das Führungsrohr 102 geführt ist. Die erste Buchse 130 ist mittels einer Schweißverbindung 140' fest an dem ersten Endbereich 103 des Führungsrohrs 101 angebracht. Die Buchen 110, 130 bestehen insbesondere aus einem metallischen Material, beispielsweise AISI 316.
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Die erste Ummantelung 111 ist derart ausgestaltet und geformt, dass diese die erste Buchse 110 umschließt und eine erste einen ersten Teilbereich 105 des Führungsrohrs 101 umschließende Kammer zwischen der ersten Buchse 110 und dem Kopplungselement 120 ausbildet. Die erste Ummantelung 111 liegt lose auf der ersten Buchse auf. In Folge einer Längenänderung des Führungsrohrs 101, bzw. des Temperaturfühlers 101 ist die erste Buchse 110 axial bewegbar.
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Die zweite Ummantelung 131 wiederum ist derart ausgestaltet und geformt, dass diese die zweite Buchse 130 umschließt und eine erste einen zweiten Teilbereich 106 des Führungsrohrs 101 umschließende Kammer zwischen der zweiten Buchse 130 und dem Kopplungselement 120 ausbildet. Auch die zweite Ummantelung 131 liegt lose auf der zweiten Buchse 130 auf. In Folge einer Längenänderung des Führungsrohrs 101, bzw. des Temperaturfühlers 101 ist die erste Buchse 130 axial bewegbar. In 1 a) ist eine solche Verschiebung bedingt durch eine axiale Verschiebung der zweiten Buchse 130 in Richtung des zweiten Endbereichs 103 angedeutet: Zwischen der zweiten Buchse 130 und dem korrespondierenden Bereich der zweiten Ummantelung ist ein Spalt entstanden.
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Zwischen erster Buchse 110 und dem Kopplungselement 120 umgibt ein erstes Federelement 113 das Führungsrohr. Das erste Federelement 113 dient dem Kompensieren der axialen Verschiebung der ersten Buchse 110.
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Zwischen zweiter Buchse 130 und dem Kopplungselement 120 umgibt ein zweites Federelement das Führungsrohr. Das zweite Federelement dient dem Kompensieren der axialen Verschiebung der ersten Buchse 130.
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Das erste Federelement 113 ist von einer ersten flexiblen Ummantelung 112 umgeben, welche mittels Wolfram-Inertgasschweißen gebildeten Schweißverbindungen 140 an dem Kopplungselement 120 und der ersten Buchse 110 befestigt ist.
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Das erste Federelement ist wiederum von einer zweiten flexiblen Ummantelung 132 umgeben, welche mittels Wolfram-Inertgasschweißen gebildeten Schweißverbindungen 140 an dem Kopplungselement 120 und der zweiten Buchse 110 befestigt ist.
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Die erste und die zweite flexible Ummantelung sind Wellrohr oder als Balg ausgestaltet und bestehen aus einem korrosionsbeständigen Material. Im Falle, dass Prozessmedium in die erste Kammer und/oder in die zweite Kammer gelangt, sind das erste Federelement 113 und das zweite Federelement vor einem Kontakt mit dem Prozessmedium geschützt.
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Der Temperaturfühler ist durch die erste Buchse 110, die zweite Buchse 130, die erste flexible Ummantelung 112 und die zweite flexible Ummantelung vollumfänglich vor einem Kontakt mit dem Prozessmedium geschützt. Zusätzlich ist das Kopplungselement ein wirksamer Schutz der zweiten Kammer und der Kabel, falls nur die erste flexible Ummantelung in Kontakt mit dem Prozessmedium kommt.
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Im Falle, dass nur die Spitze des Temperaturfühlers 102 in Kontakt mit dem Prozessmedium kommt, könnte auf das Kopplungselement und die Elemente rund um die zweite Kammer verzichtet werden.
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Der Temperatursensor 1 ist durch diesen Aufbau über einen großen Temperaturbereich einsetzbar, auch für aggressive Prozessmedien verwendbar und bietet einen guten Schutz vor mechanischen Umwelteinflüssen.
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Der erfindungsgemäße Temperatursensor 1 kann in einer Vielzahl von Applikationen eingesetzt werden. Beispielsweise wird der Temperatursensor 1 in einem mit einem Medium gefüllten Behälter, in einer Rohrleitung oder in einer anderen, im einleitenden Teil der Beschreibung genannten Anwendung, eingesetzt. Insbesondere befindet sich der Prozessanschluss 150 in der Nähe des ersten Endbereichs 103.
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Ebenso ist der erfindungsgemäße Temperatursensor 1 nicht auf die beschriebenen Ausgestaltungen und Beispiele beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperatursensor
- 100
- mehrteilige Schutzhülle
- 101
- länglicher Temperaturfühler
- 102
- Führungsrohr
- 103
- erster Endbereich
- 104
- zweiter Endbereich
- 105
- erster Teilbereich
- 106
- zweiter Teilbereich
- 110
- erste Buchse
- 111
- erste Ummantelung
- 112
- erste flexible Ummantelung
- 113
- Federelement
- 120
- Kopplungselement
- 130
- zweite Buchse
- 131
- zweite Ummantelung
- 132
- zweite flexible Ummantelung
- 140, 140'
- Schweißverbindungen
- 141, 141`
- Schweißverbindungen, Wolfram-Inertgasschweißen
