DE102022123631A1

DE102022123631A1 - Thermoelektrische Mess- und Diagnosevorrichtung

Info

Publication number: DE102022123631A1
Application number: DE102022123631.5A
Authority: DE
Inventors: Barbara Irrgang; Uwe Meiselbach; Klaus Irrgang
Original assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Current assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Priority date: 2022-09-15
Filing date: 2022-09-15
Publication date: 2024-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Mess- und Diagnosevorrichtung mit mehreren in einem Thermoelementschutzrohr (1) angeordneten, thermoelektrischen Temperaturmesskanälen und mit einer an den Temperaturmesskanälen angeschlossenen, elektrischen Mess- und Diagnosevorrichtung, welche einen Messdifferenzausgang aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Temperaturmesskanäle als Thermopaare ausgebildet sind, die thermoelektrischen Temperaturmesskanäle im vorderen messmedienberührenden Teil des Thermoelementschutzrohres direkt nebeneinander und die Thermoknoten (6a, 6b) der Thermopaare auf gleichem thermischen Niveau angeordnet sind, die thermoelektrischen Temperaturmesskanäle durch unterschiedliche Thermopaare ausgebildet sind, wobei die Unterschiedlichkeit der Thermopaare in der unterschiedlichen Dicke der als Thermopaarschenkel in den Thermopaaren gleichen Thermoelementtyps eingesetzten Thermoinnendrähten (4, 5) besteht und/oder die Unterschiedlichkeit im unterschiedlichen Thermomaterial mit verschieden starken Diffusions- und/oder Drifteigenschaften der als Thermopaarschenkel in den Thermopaaren eingesetzten Thermoinnendrähte (4,5) besteht und/oder bei Thermopaaren gleichen Thermoelementtyps die Unterschiedlichkeit in der Dicke polgleicher Thermoinnendrähte (4,5) der Thermopaare besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Mess- und Diagnosevorrichtung mit mehreren, in einem Thermoelementschutzrohr angeordneten thermoelektrischen Temperaturmesskanälen und mit einer an den Temperaturmesskanälen angeschlossenen, elektrischen Mess- und Diagnosevorrichtung, welche einen Messdifferenzausgang aufweist.
Die Erfindung ist besonders für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Messstellen geeignet.
Beim Einsatz von Thermoelementen in Hochtemperaturöfen oder ähnlichen thermischen Hochtemperaturprozessen sind die verwendeten thermoelektrischen Materialien lange Zeit einer hohen Temperaturlast ausgesetzt, die insbesondere zu messtechnischen Instabilitäten und Ausfällen des Elementes führen können. Aus messtechnischer Sicht ist der Hauptausfall die Drift, deren Ursachen neben dem Einfluss der Hochtemperatur sehr vielfältig sind. Einige Einflussgrößen sind die Materialzusammensetzung, die Schweißtechnologie, die Fühlergeometrie und die herstellerspezifische Konfektion sowie die atmosphärischen Bedingungen während des Messprozesses. In Anbetracht der Komplexität der Einflüsse können speziell bei höheren Temperaturen sichere Driftvorhersagen nicht realisiert bzw. mathematische Korrekturmodelle für allgemeine Applikationen nicht entwickelt werden.
Vorliegende Driftwerte lassen sich im Rahmen von Kalibrier- bzw. Vergleichsverfahren bestimmen. Hierzu sind klassische Prüf- und Kalibrierverfahren bekannt, bei denen die Temperaturfühler ausgebaut und separat in einem Prüfofen, einem Prüfbad oder Ähnlichem vermessen werden. Neben diesen separaten Prüfverfahren werden prozessprüfbare Verfahren angewendet, bei denen eine Prüfung ohne Ausbau des Fühlers erfolgt.
Hierzu ist ein Verfahren nach der Patentschrift DE 199 41 731 A1 bekannt, bei dem in die Messfühlerarmatur eine Mini-Fixpunktzelle eingebaut ist. Mit einer Zusatzelektronik wird der Fixpunkt in separaten Messabständen mit dem vorliegenden Messwert verglichen.
Weiterhin ist aus WO 2018/127357 A1 die sogenannte Curie-Punkt-Selbstkalibrierung bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein magnetischer Baustein in die Temperaturfühlerarmatur eingebaut. Mit einer Zusatzelektronik wird der Curie-Punkt des magnetischen Elementes in kurzen Abständen mit dem Messwert verglichen.
Weiterhin ist gemäß DE 10 2006 040 135 B4 und DE 20 2009 012 292 U1 bekannt, einen separaten Prüfkanal im Thermoelement zu integrieren. Mit einem einsteckbaren Kontrollfühler kann ohne Störung des Messprozesses eine Vergleichsmessung erfolgen.
Nach der DE 10 2020 113 903 B3 ist eine thermoelektrische Messvorrichtung bekannt, die ein Thermoelement in einem Schutzrohr enthält, wobei mindestens zwei versetzte Vergleichsstellen längs des Schutzrohres angeordnet sind und dabei verschiedene Vergleichstemperaturen von unterschiedlich gebildeten Messwerten zur Driftindikation verwendet werden.
Allen angeführten Verfahren und Vorrichtungen ist gemein, dass am Temperaturfühlerelement die Installation von mechanischen Hilfs- und Zusatzelementen und zum Teil eine umfangreiche Zusatzelektronik erforderlich ist. Die Unterbringung mechanischer Hilfs- und Zusatzelemente im thermoelektrischen Fühler führt in der Regel zu einer Vergrößerung des Durchmessers des Temperaturfühlers bzw. verhindert eine sonst mögliche Reduzierung des Fühlerdurchmessers im Sinne der Verbesserung der Dynamik.
Weiterhin begrenzen die eingesetzten Fixpunktmaterialien und Magnetwerkstoffe die maximale Einsatztemperatur der Temperaturfühler.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Temperaturfühler zu schaffen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und die genaue, insbesondere sichere Temperaturmessung in einem weiten Temperaturbereich ermöglicht. Aufgabe der Erfindung besteht daher weiterhin, ein Verfahren zur Erkennung der Drift des Thermoelementes zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer thermoelektrischen Mess- und Diagnosevorrichtung, die die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Temperaturelement weist mindestens zwei Temperaturmesskanäle auf, in denen gleichartige Thermodrähte mit unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt sind. Diese Kanäle sind nebeneinander angeordnet und können auch in einem Schutzrohr nebeneinander eingebracht werden. Die Draht-Unterschiedlichkeit bedeutet praktisch, dass in den beiden Temperaturmesskanälen mit einem sogenannten dicken und einem sogenannten dünnen Thermopaar gemessen wird, die sich in ihrer Querschnittsfläche signifikant unterscheiden. Da das dünnere Thermopaar schneller auf driftbeeinflussende Diffusionsvorgänge reagiert als das dickere Thermopaar, zeigen die Temperaturmesskanäle bei einer Differenzbildung im Driftfall eine von null verschiedene Thermospannung an. Die Thermospannung als Differenz wäre im driftfreien Fall null. Daher ist eine Nullabweichung eine Driftindikation.
Bei bestimmten Thermopaaren sind ihre beiden Thermoschenkel gegenüber Fremdatomen nicht gleich diffusionsfreudig, d.h. ein Schenkel ändert seine Kennlinie zum absoluten Seebeckeffekt bei Drifteinfluss stärker als der zweite Thermoschenkel. In den zwei Temperaturmesskanälen mit je einem dicken und einem dünnen Thermopaar ist der diffusionsschwache Schenkel auch der dickere. Die Unterschiedlichkeit im Drahtdurchmesser, d.h. die Spezifikation in „dick“ und „dünn“ bezieht sich bei edlen Thermopaaren nur auf den diffusionsfreudigen Thermoschenkel. Bei Platin-Thermopaaren werden die stark rhodiumlegierten Drähte jeweils gleichgroß in den Kanälen eingesetzt und nur die anderen reinen Platin- bzw. schwach rhodiumlegierten Schenkel unterschiedlich eingebaut. In diesem Fall ist es auch möglich, den rhodiumlegierten Draht als gemeinsamen Thermoleiter zu benutzen und einen Thermoknoten aus drei Drähten herzustellen.
Der Unterschiedlichkeit im Durchmesser der eingesetzten Thermodrähte von den Thermopaaren sind Grenzen gesetzt, die nicht zu unterschreiten sind. D.h. die Unterschiede im Drahtdurchmesser dürfen nicht zu klein sein und richten sich im Weiteren nach dem Einsatzbereich von edlen bzw. Nickel-Chrom-basierten Thermomaterialien bzw. nach der Thermoelementbauart „Mantelthermoelement“. Bei den Mantelthermoelementen bestimmt sich die Unterschiedlichkeit indirekt über das Verhältnis der Fühlerquerschnittsflächen, dass im Mindestverhältnis von 1:3 stehen sollte.
Bei den edlen Thermodrähten liegt die Untergrenze für das Verhältnis der Querschnitte bei 1:2, bei den Nickel-Chrom-basierten Drähten ergibt sich die Grenze mit 1:2,5.
Es können auch Thermoelemente mit zwei Messkanälen errichtet werden, bei denen die beiden Thermopaare oder die beiden Mantelthermoelemente nicht nur unterschiedliche Durchmesser, sondern auch unterschiedliche Thermomaterialien aufweisen. Die jeweils dünnere Ausführung der Thermopaare bzw. der Mantelthermoelemente weist dabei eine höhere Diffusionsfreudigkeit gegenüber Fremdatomen auf als die dickere Variante. Der Vorteil der Erfindung zeigt sich insbesondere bei sicherheitstechnischen Anwendungen. Bei sicherheitstechnischen Betrachtungen gilt die Drift als nicht erkennbarer Ausfall und führt zu niedrigeren sicherheitstechnischen Kennwerten. Durch diese Erfindung verändert sich die Spezifikation der Ausfallgröße Drift von „nicht erkennbar“ in „erkennbar“ und führt damit zu günstigeren sicherheitstechnischen Beurteilungen insbesondere beim Thermoelementeinsatz im Hochtemperaturbereich.
Die Erfindung soll im Folgenden an den 1 bis 4 näher erläutert werden.
Darin zeigen:

1 ein Thermoelementschutzrohr eines Thermoelementes mit zwei eingebauten Mantelthermoelementen unterschiedlicher Durchmesser,
2 einen Innenaufbau eines Thermoelementes mit Thermodrähten im Keramikisolierteil und gemeinsamen Thermoknoten,
3 einen Innenaufbau eines Thermoelementes mit zwei unterschiedlichen Thermopaaren, und
4A, 4B und 4C Auswerteschaltungen zweier Thermopaare.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Thermoelementschutzrohr 1 eines Thermoelementes mit einem Durchmesser D, in das zwei Mantelthermoelemente 2, 3 mit verschiedenen Mantelrohrdurchmessern bzw. verschiedenen Mantelfühlerquerschnittsflächen Q_A, Q_B eingebaut sind. Das im Querschnitt dünnere Mantelthermoelement 2 weist im Inneren Thermoinnendrähte 5 des Thermopaares auf, die noch dünner sind. Dünnere Thermoinnendrähte 5 des Thermopaares sind diffussionsfreudiger als die dickeren Thermoinnendrähte 4 des Thermopaares B. Beide Thermopaare weisen gleichartige Thermomaterialien auf und sind technologieäquivalent aufgebaut. Es ist allerdings auch im Sinne der Innovation möglich zwei unterschiedliche Thermomaterialien zu verwenden. Im Allgemeinen weisen unterschiedliche Thermomaterialien unterschiedliche Diffusionseigenschaften auf. In diesem Fall ist das diffusionsfreudigere Thermomaterial bei dem dünneren Thermopaar zu verwenden.
Die Auswertung der thermoelektrischen Signale erfolgt gemäß 4A oder 4B. In 4A werden beide Thermopaare direkt in Differenz geschaltet. Entsprechend 4B werden die Thermosignale der beiden Thermopaare zwei Elektronikeingängen zugeführt, wobei die Elektronik deren Differenzverhalten überwacht.
Das edle Thermoelement gemäß 2 ist in einem Keramikisolierteil 10 konfektioniert und besitzt einen gemeinsamen Thermoknoten 6c. Dieser ergibt sich als Verschweißung der Thermodrähte 7, 8 und 9. Beispielsweise kann der Thermodraht 7 ein Platindraht mit Durchmesser 0,5 mm, der Thermodraht 8 ein Platin-Rhodium-Draht mit Durchmesser 0,3 mm, und der Thermodraht 9 ein Platindraht mit 0,2 mm sein, alle jeweils vom Thermopaartyp S. Der dünnere Platindraht 9 wird stärker Fremdatome aufnehmen als der dickere Platindraht 7. Eine thermoelektrische Zusammenschaltung der beiden Thermodrähte 7 und 9 zeigt bei Drifteinfluss eine von Null verschiedene Differenzspannung an. Die Driftintegration erfolgt über eine Schaltung gemäß 4B oder 4A. Die Eingangsbeschaltung erfolgt entweder gemäß 4A oder 4C.
Nach 3 sind zwei edle Thermopaare in das Keramikisolierteil 10 eingebaut. Es können beispielsweise Thermopaare des Standardtyps S sein. Beide Thermopaare mit den Thermoknoten 6a und 6b unterscheiden sich im Durchmesser des Platindrahtschenkels, wobei der Thermodraht 7 deutlich dicker als der Thermodraht 9 ist.
4A zeigt eine direkte Differenzschaltung zweier Thermopaare mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder verschiedenen Thermomaterialien. Am Thermoknoten 6a liegt die Thermospannung U_A an und am Thermoknoten 6b die Thermospannung U_B.
In 4B ist eine Auswerteschaltung mit zwei Eingängen und eine Differenzbeschaltung zweier verschiedener Thermopaare dargestellt. Die Ausgangswerte X_A und X_B ergeben den Differenzwert X_B-X_A.
4C zeigt eine Verschaltung von Thermodrähten 7, 9 aus reinen Platindrahtschenkeln Pt unterschiedlicher Durchmesser mit einem rhodiumlegierten Platindrahtschenkel PtRh in einem gemeinsamen Thermoknoten 6c.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: äußeres Thermoelementschutzrohr mit Durchmesser D
2: dünnes Mantelthermoelement mit kleinem Mantelrohrdurchmesser
3: dickes Mantelthermoelement mit dickem Mantelrohrdurchmesser
4: Thermoinnendrähte des Thermopaares
5: Thermoinnendrähte des Thermopaares
6a: Thermoknoten eines edlen Thermopaares mit einem normalen und einem dünneren Thermodrahtschenkel
6b: Thermoknoten eines edlen Thermopaares mit einem normalen und einem dickeren Thermodrahtschenkel
6c: gemeinsamer Thermoknoten der Thermodrähte 7, 8, 9
7: dicker rhodiumfreier oder gering rhodiumlegierter Thermodraht / Platindraht
8: normaler rhodiumlegierter Thermodraht
9: dünner rhodiumfreier oder gering rhodiumlegierter Thermodraht / Platindraht
10: Keramikisolierteil
D: Durchmesser
Pt: reiner Platindrahtschenkel
PtRh: rhodiumlegierter Platindrahtschenkel
QA: Mantelfühlerquerschnittsfläche eines dünneren Mantelthermoelementes mit Thermopaar
QB: Mantelfühlerquerschnittsfläche eines dickeren Mantelthermoelementes mit Thermopaar
UA: Thermospannung des Thermopaares
UB: Thermospannung des Thermopaares
XA: Ausgangssignal der verarbeiteten Thermospannung U_A
XB: Ausgangssignal der verarbeiteten Thermospannung U_B
XA - XB: Differenzsignal der Thermospannungsdifferenz U_A - U_B

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19941731 A1 [0005]
WO 2018/127357 A1 [0006]
DE 102006040135 B4 [0007]
DE 202009012292 U1 [0007]
DE 102020113903 B3 [0008]

Claims

Thermoelektrische Mess- und Diagnosevorrichtung mit mehreren in einem Thermoelementschutzrohr (1) angeordneten, thermoelektrischen Temperaturmesskanälen und mit einer an den Temperaturmesskanälen angeschlossenen, elektrischen Mess- und Diagnosevorrichtung, welche einen Messdifferenzausgang aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die thermoelektrischen Temperaturmesskanäle als Thermopaare ausgebildet sind, - die thermoelektrischen Temperaturmesskanäle im vorderen messmedienberührenden Teil des Thermoelementschutzrohres direkt nebeneinander und die Thermoknoten (6a, 6b) der Thermopaare auf gleichem thermischen Niveau angeordnet sind, - die thermoelektrischen Temperaturmesskanäle durch unterschiedliche Thermopaare ausgebildet sind, wobei die Unterschiedlichkeit der Thermopaare in der unterschiedlichen Dicke der als Thermopaarschenkel in den Thermopaaren gleichen Thermoelementtyps eingesetzten Thermoinnendrähten (4, 5) besteht und/oder - die Unterschiedlichkeit im unterschiedlichen Thermomaterial mit verschieden starken Diffusions- und/oder Drifteigenschaften der als Thermopaarschenkel in den Thermopaaren eingesetzten Thermoinnendrähte (4, 5) besteht, und/oder -bei Thermopaaren gleichen Thermoelementtyps die Unterschiedlichkeit in der Dicke polgleicher Thermoinnendrähte (4, 5) der Thermopaare besteht, wobei die entgegengesetzte polkonformen Thermoschenkel aller Paare gleich dick sind, und - die Temperaturmesskanäle direkt schaltungstechnisch in Differenz verschaltet sind und der Schaltungsausgang mit einer elektrischen Auswerteeinheit verknüpft ist oder die Temperaturmesskanäle mit einer elektrischen Auswerteeinheit verbunden sind, die eine interne Differenzschaltung und einen Ausgang für das kanalrelevante Differenzsignal und Ausgänge für die Signale der einzelnen Thermopaare besitzt.
Thermoelektrische Mess- und Diagnosevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Temperaturmesskanäle aus mindestens zwei Mantelthermoelementen (2, 3) mit unterschiedlich dicken Mantelaußendurchmesser und unterschiedlich dicken Thermoinnendrähten (4, 5) im Mantelrohr bestehen und untereinander metallisch berührend in einem geschlossenen oder offenen Thermoelementschutzrohr (1) eingebaut sind, wobei die Unterschiedlichkeit in der Dicke der Thermoinnendrähte (4, 5) ein Mindestmaß besitzt, welches sich bei den Mantelthermoelementen (2, 3) aus dem Verhältnis der Mantelfühlerquerschnittsflächen (Q_A, Q_B) der Mantelthermoelemente (2, 3) ergibt und das Verhältnis vom Querschnitt des dünnsten Mantelthermoelementes (2) zum Querschnitt des dicksten Elementes (3) 1:2 nicht unterschreitet.
Thermoelektrische Mess- und Diagnosevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Temperaturmesskanäle aus mindestens zwei Mantelthermoelementen (2, 3) mit thermomaterialverschiedenen und unterschiedlich driftenden Thermoinnendrähten (4, 5) bestehen.
Thermoelektrische Mess- und Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Temperaturmesskanäle aus mindesten zwei Mantelthermoelementen (2, 3) sowohl mit unterschiedlichen Durchmessern (D) als auch unterschiedlichen Thermopaarmaterialien bestehen, wobei das drift- und diffusionsstarke Mantelelement (2) den kleineren Durchmesser (D) aufweist.
Thermoelektrische Mess- und Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Temperaturmesskanäle aus mindestens zwei edlen Thermopaaren bestehen, wobei jeweils die Thermopaare einen stark rhodiumhaltigen und einen schwach rhodiumhaltigen oder rhodiumfreien Thermoschenkel aufweisen und die schwach rhodiumhaltigen oder rhodiumfreien Thermoschenkel der edlen Thermopaare sich im Durchmesser unterscheiden.
Thermoelektrische Mess- und Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesskanäle aus mindestens zwei edlen Thermopaaren bestehen, wobei die Thermopaare über einen gemeinsamen Thermoschenkel und einen gemeinsamen Thermoknoten (6c) miteinander verknüpft sind und dieser gemeinsame Thermoschenkel einen höheren Rhodiumanteil im Drahtmaterial enthält als die jeweils beiden anderen Thermoschenkel, die sich untereinander im Drahtdurchmesser unterscheiden.
Thermoelektrische Mess- und Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesskanäle aus mindestens zwei Thermopaaren des Thermoelementtyps bestehen.