DE10327493A1

DE10327493A1 - Temperaturmeßstelle für elektronische Temperaturbegrenzer

Info

Publication number: DE10327493A1
Application number: DE10327493A
Authority: DE
Inventors: Elmar Dr. Böhm
Original assignee: Boehm & Co KG GmbH; Bohm & Co KG GmbH
Current assignee: Boehm & Co KG GmbH; Bohm & Co KG GmbH
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: DE10327493B4

Abstract

Zur Erfassung der Maximaltemperatur der Heizleitung an elektrischen Begleitheizungen werden künstliche Heißstellen geschaffen. Aufgrund handwerklicher Montage der Temperaturmeßstelle (= künstliche Heißstelle) sind die Dämmwerte uneinheitlich; die gemessenen Temperaturen können erheblich und nicht vorausberechenbar von der Temperatur der übrigen Heizstrecke abweichen. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Temperaturmeßstelle besteht aus vorgefertigten Bauteilen, die auf einfachste Art zu montieren sind. Grundsätzlich besteht die vorgefertigte Temperaturmeßstelle aus einem Temperatursensor, der wärmegedämmt in eiem wärmedämmenden Formteil montiert ist. Das Formteil ist so gestaltet, daß es sicher und reproduzierbar an die zu überwachende Heizleitung montiert werden kann. Der thermische Kontakt des Sensors mit der Heizleitung wird z. B. durch elastische Glieder gewährleistet. Das Formteil kann Elemente enthalten, welche die Heizleitung auf den Sensor zentrieren. DOLLAR A Die Funktionen definiertes thermisches Verhalten, definierte Lage der Heizleitung zum Sensor und definierte Anordnung mit Fixierung des Sensors innerhalb eines industriell gefertigten Bauteils sind die Voraussetzung für fehlerfreie Montage und reproduzierbares Bauteilverhalten.

Description

Stand der Technik
Zur Beheizung von Rohrleitungen, Apparaten und Anlagen werden vorrangig elektrische Begleitheizungen verwendet. In vielen Fällen müssen diese Begleitheizungen in explosionsgefährdeten Räumen wirken. Zum Schutz der Heizung selbst, wie auch der gesamten Anlage sowie der betroffenen Personen muß die Maximaltemperatur der Begleitheizung begrenzt werden.
Zur Zeit sind 3 Grundprinzipien zum Schutz gegen Übertemperatur üblich.
Selbstbegrenzende Charakteristik:
Bei Anwendung dieser Maßnahme erfolgt der Schutz vor dem Überschreiten der Grenztemperatur durch die dem Produkt eingeprägte selbst begrenzende Charakteristik. Die Temperaturklassen sind dem jeweiligen Heizbandtyp fest zugeordnet.
Stabilisierendes Design:
Bei Anwendung dieser Maßnahme erfolgt der Schutz vor dem Überschreiten der Grenztemperatur durch Festlegung der temperaturbeeinflussenden Parameter. Diese sind bei der Errichtung und beim Betrieb exakt einzuhalten. Für die Ermittlung der maximalen Oberflächentemperatur der Heizleitung ist der jeweils höhere Wert der Mediumtemperatur oder der maximalen Gleichgewichtstemperatur bei Reglerausfall anzunehmen. Während die maximale Mediumtemperatur in der Regel bekannt ist, muss die maximale Gleichgewichtstemperatur berechnet werden. Dabei werden die ungünstigsten Bedingungen angenommen.
Einsatz von Überwachungseinrichtungen:
Bei Anwendung dieser Maßnahme erfolgt der Schutz vor dem Überschreiten der Grenztemperatur durch die Verwendung einer Schutzeinrichtung, die das Heizsystem bei unzulässigen Betriebsbedingungen abschaltet. Der Temperaturbegrenzer hat die Aufgabe, ein Überschreiten der Grenztemperatur im Begleitheizungssystem, zum Beispiel bei Reglerausfall oder Überspannung, durch Abschalten der Heizung zu verhindern. Dabei kommt der Auswahl und der Installation des Temperaturfühlers eine besondere Bedeutung zu. In Bezug auf die Messgenauigkeit ist eine möglichst geringe Masse des Fühlers anzustreben (thermische Trägheit, Wärmeableitung durch den Fühler selbst).
Naturgemäß ist die heißeste Stelle im System an der Heizleitung selbst zu erwarten – in der Regel an Stellen, an denen eine gute thermische Ankopplung der Heizleitung an die zu beheizende Oberfläche nur schwer möglich ist, z.B. an Ventilen oder Flanschen. Als Konsequenz haben sich in der Praxis zwei grundsätzliche Methoden beim Einsatz von Temperaturgrenzern herausgebildet:

• Anbringung des Begrenzerfühlers an einer typischen (nicht an der heißesten) Stelle im System und Einstellung der Abschalttemperatur auf einen entsprechend herabgesetzten Wert, wobei der Abstand zur eigentlichen Grenztemperatur des Systems empirisch oder rechnerisch ermittelt wurde.
• direkte messtechnische Erfassung der heißesten Stelle im System

Heizleitungstemperatur am Werkstück
Auch bei dieser Methode wird der Temperaturfühler auf der Heizleitung angebracht. Die Heizleitung liegt dabei allerdings auf der zu beheizenden Oberfläche. Zur thermischen Ankopplung an die Heizleitung eignen sich – wie bei der künstlichen Heißstelle – Aluminiumband, Kupferdraht oder Wärmeleitzement. Der Vorteil dieser Methode liegt neben dem einfacheren Aufbau darin, daß anders als bei der künstlichen Heißstelle eine allein durch die Messstelle hervorgerufene Übertemperatur nicht auftritt. Allerdings kann je nach Einzelfall die erfasste Heißstellentemperatur unter den Temperaturen an Stellen mit schlechter thermischer Ankopplung der Heizleitung an die zu beheizende Oberfläche liegen. Dies muss bei der Temperatureinstellung des Begrenzers ebenso berücksichtigt werden wie die Wärmeabfuhr durch den Fühler. Durch den direkten Kontakt mit der zu beheizenden Oberfläche und der damit verbundenen thermischen Trägheit kann eine weitere Reduktion des Einstellwertes erforderlich sein.
Vergleichsmeßstrecke
Beim Prinzip der Vergleichsmeßstrecke, handelt es sich um eine thermische Nachbildung der zu beheizenden Rohrleitung.
Voraussetzungen und Anwendungsmöglichkeiten für Systembescheinigungen
Grundlage für die Systembescheinigung ist die sicherheitstechnische Bewertung des Gesamtsystems durch eine benannte Stelle. Gemäß Richtlinie 94/9/EG ist die Bewertung des Qualitätssicherungssystems beim Lieferanten eine weitere Voraussetzung für die Ausstellung einer Systembescheinigung. Im Rahmen der Systembescheinigung werden die einsetzbaren Komponenten (z.B. Heizleitungen, Anschlußgarnituren) und deren Kombinationsmöglichkeiten festgelegt. Die Einrichtung der Heizkreise erfolgt durch entsprechend qualifiziertes Personal ggf. nach einer in der Systembescheinigung beschriebenen Systemschulung, und wird mit einer Installationsbescheinigung abgeschlossen, mit der die Ausführung und Prüfung gemäß den in der Systembescheinigung genannten Bedingungen bestätigt wird.
Künstliche Heißstelle
Hier wird durch Anbringen einer Wärmedämmung zwischen Heizleitung und zu beheizender Oberfläche eine künstliche Heißstelle erzeugt, an der der Fühler für den Temperaturbegrenzer mit direktem Kontakt zur Heizleitung installiert wird. Um sicherzustellen, dass die Temperatur an der künstlichen Heißstelle tatsächlich über der Heizleitungstemperatur an Stellen mit schlechter thermischen Ankopplung liegt , ist diese Heißstelle etwa in doppelter Länge des Fühlers 3 auszuführen. Bedingt durch die nicht vermeidbare Wärmeabfuhr durch den Fühler selbst, liegt die erfasste Temperatur d 2 zwar über der Temperatur d 3, jedoch unter der eigentlichen Temperatur der Heißstelle d 1. Der Vorteil dieser Methode liegt in extrem kurzer Reaktionszeit auf Fehler wie Reglerausfall oder Überspannung.
Nachteile des Standes der Technik

• Selbstbegrenzende Charakteristik: Nachteilig ist hier der hohe Preis des Heizbandes, die Anwendung bleibt auf kurze Heizkreise beschränkt.
• Stabilisierendes Design: Nachteilig hierbei ist, daß keine Normierung der Begleitheizung möglich ist, jede Beheizung muß einzeln ausgelegt werden.

Einsatz von Überwachungseinrichtungen mit den verschiedenen Möglichkeiten den Temperaturfühler für den Temperaturbegrenzer anzubringen:

• Anbringung des Begrenzerfühlers an einer typischen Stelle im System und Einstellung der Abschalttemperatur auf einen entsprechend herabgesetzten Wert, wobei der Abstand zur eigentlichen Grenztemperatur des Systems empirisch oder rechnerisch ermittelt wurde: Hoher Planungsaufwand, stark schwankende Ergebnisse, abhängig von der Montage der Temperaturfühler, Heizleitung ist nicht ausnutzbar, da Sicherheitsabstände eingehalten werden müssen.
• Vergleichsmessstrecke: Der Aufbau einer Vergleichsmessstrecke ist sehr aufwändig, zudem erscheint es fraglich, wie sichergestellt werden kann, daß die höchste auftretende Temperatur der Begleitheizung an einer Vergleichsmessstrecke erfaßt wird. Die Temperatur der Heizleitung ist abhängig von der Umgebungstemperatur und der Temperatur des Mediums im zu beheizenden Rohr; Spülvorgänge des zu beheizenden Rohres werden mit einer Vergleichsmessstrecke nicht erfaßt. Somit besteht grundsätzlich die Möglichkeit, daß die Vergleichsmessstrecke, auch bei idealer Auslegung und Montage eine niedrigere Temperatur hat als der zu überwachende Heizkreis. Eine Normung ist für dieses Verfahren kaum vorstellbar.
• Künstliche Heißstelle: Nachteilig ist die bisherige Anbringung des Temperaturfühlers. Der Temperaturfühler, in der Regel ein Pt100-Fühler im Schutzrohr, Länge ca. 200mm, Durchmesser 3-5mm, wird längs an der Heizleitung angebracht. Fühler und Heizleitung werden gemeinsam mit mehreren Schichten Wärmedämmmaterial umwickelt, z.B. Mineralwolle und Aluminiumfolie. Die gesamte Anordnung aus Fühler, Heizleitung und Wärmedämmmaterial wird üblicherweise am zu beheizenden Rohr fixiert. Die gesamte Anordnung aus zu beheizenden Rohr, Fühler, Heizleitung und Wärmedämmmaterial wird wiederum wärmegedämmt; diese Wärmedämmung erstreckt sich über das gesamte zu beheizende Rohr. Aufgrund der handwerklichen Montage und Verarbeitung werden keine gleichmäßigen Dämmwerte eingehalten. Zudem hat die Dicke der äußeren Wärmedämmung erheblichen Einfluß auf die Temperaturverhältnisse der Meßstelle. Hieraus ergibt sich, daß ggf. mit zu niedrigen gemessenen Temperaturen gerechnet werden muß; die Temperaturbegrenzer müssen auf entsprechend niedrigere Werte eingestellt werden. Im anderen Fall, einer sehr guten Ausführung der Wärmedämmung, wird die Meßstelle erheblich wärmer als die übrige Heizstrecke; der Begrenzer kann ansprechen ohne daß eine Störung vorliegt, bzw. die Störung liegt aufgrund der Wärmedämmung des Sensors tatsächlich vor, ist jedoch konstruktionsbedingt. Vor diesem Hintergrund erscheint die Erteilung einer Systembescheinigung für manuell auf der Baustelle gefertigte Meßstellen fragwürdig. In jedem Fall werden an das Montagepersonal hohe Anforderungen gestellt werden, so daß mit hohen Kosten für die Montage der Temperaturmeßstellen zu rechnen ist.

Allgemein ist die Wärmeabfuhr durch den Sensor sowie die zeitliche Verzögerung des Temperatursignals durch die Wärmekapazität des Sensors ein ungelöstes Problem. Anzumerken ist, daß in der Regel mechanisch stabile Temperaturfühler in Stahlschutzrohren verwendet werden, um die Sensoren vor mechanischer Beschädigung zu schützen.
In 1 ist eine elektrische Begleitheizung mit künstlicher Heissstelle nach dem Stand der Technik dargestellt. Deutlich zu erkennen ist die verhältnismäßig große Temperaturmeßstelle für den Temperaturbegrenzer. Im Querschnitt der Temperaturmeßstelle für den Begrenzer, 2, ist zu erkennen, daß innerhalb der zusätzlichen Wärmedämmung zwei Heizleitungen parallel an den Temperatursensor angelegt sind. Hiermit wird an dieser Stelle mit Sicherheit die höchste Temperatur des gesamten Heizkreises erzeugt, allerdings liegt diese Temperatur wesentlich über der Temperatur des übrigen Heizkreises (s.o.) . 3 zeigt einen Längsschnitt der Temperaturmeßstelle mit doppelter Heizleitung, Temperatursensor und Keramikpapier und Aluminiumfolie zur Wärmedämmung. Zur Montage dieser Temperaturmeßstelle muß die normale Führung der Heizleitung geändert werden und die beschriebenen 5 Komponenten müssen auf der Baustelle montiert werden.
Erfindungsgemäße Ausführung der Temperaturmeßstelle
Die Temperaturmeßstelle besteht aus vorgefertigten Bauteilen, die auf einfachste Art zu montieren sind. In 4 ist eine elektrische Begleitheizung mit erfindungsgemäßer künstlicher Heißstelle (=Temperaturmeßstelle Begrenzer) dargestellt. Die Temperaturmeßstelle ist wesentlich kleiner als die Temperaturmeßstelle nach dem Stand der Technik. Die Führung der Heizleitung wird nicht aufgrund der Temperaturmeßstelle geändert.
Die Temperaturmeßstelle kann z.B. als einteilige Klammer ausgeführt werden. Die Montage der Temperaturmeßstelle reduziert sich damit auf ein aufclippen der Klammer auf die Heizleitung. Alternativ kann die Temperaturmeßstelle z.B. aus Ober- und Unterschale eines zweiteiligen Elementes bestehen. In diesem Fall wird zur Montage die Unterschale zwischen zu beheizendem Rohr und Heizleitung angebracht, die Oberschale aufgesteckt und fixiert (5).
Grundsätzlich besteht die vorgefertigte Temperaturmeßstelle aus einem kleinen, leichten Temperatursensor der wärmegedämmt in einem ebenfalls wärmedämmenden Formteil montiert ist. Das Formteil beinhaltet die Zugentlastung für die Anschlußleitung des Sensors. Das Formteil ist so gestaltet, daß es auf einfache Art sicher und reproduzierbar an die zu überwachende Heizleitung montiert werden kann. Der thermische Kontakt des Sensors mit der Heizleitung wird z.B. durch ein oder mehrere elastische Glieder gewährleistet. Das Formteil kann Elemente enthalten, welche die Heizleitung auf den Sensor zentrieren.
Durch die Auswahl geeigneter Maße und Wärmedämmwerte für das Formteil wird gewährleistet, daß die Meßstelle eine höhere Temperatur erreicht als die übrige Heizleitung. Diese gewollte Übertemperatur beträgt bei einem ausgeführten Muster ca. 2K gegenüber der unsorgfältig verlegten Heizleitung. Hiermit wird sichergestellt, daß die wärmste Stelle des Heizkreises die Temperaturmeßstelle ist; die Übertemperatur ist jedoch so gering, daß eine Einschränkung der Leistungswerte der Heizleitung nicht gegeben ist.
Die komplette Temperaturmeßstelle, beispielhaft bestehend aus Sensor, 2 isolierenden Formteilen und elastischem Glied zum Anpressen des Sensors, wird als Einheit im Werk gefertigt und geprüft. Sie kann bauartgeprüft werden. Die Montage ist so weit vereinfacht, daß keine besonderen Anforderungen an das Montagepersonal bestehen.

1: Temperaturmeßstelle Begrenzer
2: Fühlerbefestigung
3: Rohr
4: Heizleitung
5: Temperaturfühler Regler
6: Ex-i-Anschlußkasten
7: Temperaturfühler
8: Wärmedämmung
9: Aluminiumfolie
10: Keramikpapier
11: Formkörper
12: elastisches Glied

Claims

Temperaturmeßstelle dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in ein Formteil integriert ist, welches eine definierte künstliche Heißstelle erzeugt.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil als Klammer gestaltet ist, wodurch es am Heizkabel fixiert ist
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil zwei- oder mehrteilig gestaltet ist.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß das mehrteilige Formteil im montierten Zustand durch einen Schnappverschluß zusammengehalten und auf dem Heizkabel fixiert wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß das der Schnappverschluß in mehreren Stufen rastet.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß das mehrteilige Formteil im montierten Zustand durch ein Federelement zusammengehalten und auf dem Heizkabel fixiert wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß das mehrteilige Formteil im montierten Zustand durch Schrauben zusammengehalten und auf dem Heizkabel fixiert wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß das mehrteilige Formteil im montierten Zustand durch einen Keil zusammengehalten und auf dem Heizkabel fixiert wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß das mehrteilige Formteil im montierten Zustand durch ein Band oder eine Schelle zusammengehalten und auf dem Heizkabel und an einem weiteren Körper fixiert wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß er für verschiedene Kabeldurchmesser geeignet ist
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor durch ein elastisches Element innerhalb des Formkörpers an das Heizkabel angepreßt wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor durch ein elastisches Element außerhalb des Formkörpers an das Heizkabel angepreßt wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor durch ein steifes verstellbares Element außerhalb des Formkörpers an das Heizkabel angepreßt wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor durch ein wärmeleitendes elastisches Medium thermisch an das Heizkabel angekoppelt wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor durch ein wärmeleitendes plastisches Medium thermisch an das Heizkabel angekoppelt wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung der Meßstelle gegenüber der Umgebung bei verschiedenen Heizkabeldurchmessern durch elastische Verformung der Formteile sichergestellt ist.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung der Meßstelle gegenüber der Umgebung bei verschiedenen Heizkabeldurchmessern durch plastische Verformung der Formteile sichergestellt ist.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung der Meßstelle gegenüber der Umgebung bei verschiedenen Heizkabeldurchmessern durch ausreichende Überdeckung der verschiebbaren Formteile sichergestellt ist.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung der Meßstelle gegenüber der Umgebung bei verschiedenen Heizkabeldurchmessern durch plastische in Kombination mit elastischer Verformung der Formteile sichergestellt ist.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung der Meßstelle gegenüber der Umgebung bei verschiedenen Heizkabeldurchmessern durch zusätzliche flexible Dichtelemente sichergestellt ist.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung der Meßstelle gegenüber der Umgebung bei verschiedenen Heizkabeldurchmessern durch in die Formteile integrierte Dichtelemente sichergestellt ist.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung der Meßstelle gegenüber der Umgebung bei verschiedenen Heizkabeldurchmessern durch Anwendung eines zusätzlichen Dichtmittels nach der Montage sichergestellt wird.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 bis 22 dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile des mehrteiligen Formteils aus verschiedenen Werkstoffen bestehen um definierte thermische Eigenschaften des Temperaturfühlers einzustellen.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 bis 23 dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil oder Einzelteile des mehrteiligen Formteils aus Gradientenwerkstoffen bestehen um definierte thermische Eigenschaften der Temperaturmeßstelle einzustellen.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 bis 24 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren gleichartig eingebaut sind um Redundanz zu gewährleisten.
Temperaturmeßstelle für Temperaturbegrenzer nach Anspruch 1 bis 25 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren eingebaut sind um sowohl die Temperatur des Heizkabels, als auch die Umgebungstemperatur zu erfassen.