DE112020006416T5

DE112020006416T5 - Rohr mit Widerstandstemperaturerkennungssensor

Info

Publication number: DE112020006416T5
Application number: DE112020006416.6T
Authority: DE
Inventors: Diego Herrero; Aitor Bikarregi; Marta Brizuela; Santiago Domínguez
Original assignee: Fundacion Tecnalia Research and Innovation; Tubacex Innovacion AIE
Current assignee: Tubacex SA
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-10-20
Also published as: EP3842566A1; WO2021130328A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bereitstellen eines Widerstandstemperaturerkennungssensors an einem Rohr mittels physikalischer Gasphasenabscheidung. Und ein Rohr, aufweisend mindestens einen Widerstandstemperaturerkennungssensor, der an einer Außenfläche des Rohrs aufgewachsen ist, wobei der mindestens eine Widerstandstemperaturerkennungssensor mindestens eine Sensorschicht und eine Schutzschicht auf mindestens einem Teil der Sensorschicht aufweist.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Rohren, und insbesondere betrifft sie Rohre, die an einer Außenfläche einen Widerstandstemperatursensor aufweisen.
STAND DER TECHNIK
Rohre sind in vielen Branche und Anwendungen essentiell, in denen der Transport von fluiden Materialien, beispielsweise Flüssigkeiten und Gasen, notwendig ist. Häufig müssen die fluiden Materialien nicht nur transportiert, sondern auch überwacht werden, während sie sich in den Rohren befinden, um festzustellen, ob Probleme mit dem Material bestehen. In dieser Hinsicht, um die Temperatur des fluiden Materials zu überwachen, ist die Temperatur des fluiden Materials bei einer solchen Feststellung in der Regel ein relevanter Parameter.
Ein Rohr mit einem Temperatursensor zu versehen, ist keine einfache Aufgabe, denn es ist komplex, einen Sensor zuverlässig direkt an dem Rohr angebracht oder gelagert und ausreichend zugänglich zu haben, um die Messwerte des Sensors außerhalb des Rohrs abzurufen. Es sollte berücksichtigt werden, dass die Strömung von fluidem Material auf den Sensor einen Druck ausüben kann, der ihn von der Oberfläche des Rohrs löst; je größer die Strömung ist, desto größer ist der auf den Sensor ausgeübte Druck.
Darüber hinaus ist in der Rohrindustrie keine Reduzierung der Strömung des fluiden Materials gewünscht, sodass die Begrenzung der Strömung aufgrund des Vorhandenseins eines Sensors oder eine Oberflächenmodifikation aufgrund seiner Anbringung in den meisten Fällen keine Option ist.
In der Technik gab es Versuche, beispielsweise Widerstandstemperaturerkennungs- (das heißt, RTD-) Sensoren in einem Gasturbinentriebwerk anzuordnen, wie im Patentdokument EP3404218A1 beschrieben, oder einen Temperatursensor mit einem Platindünnfilmwiderstand zu produzieren, um einen Temperatursensor mit reduzierter Größe bereitzustellen, wie im Patentdokument US2003174041A1 beschrieben.
Weitere Versuche, beispielsweise jener von Patentdokument EP0908712A1 , betreffen die Herstellung von Sensoren auf ebenen Trägern und nachfolgendes Anordnen der ebenen Träger an einer Wand des Rohrs. Eine ähnliche Lösung wird auch in anderen Objekten als Rohren angewendet, beispielsweise beschreibt das Patentdokument JP2008026102A das Versehen eines Lagers mit einem Temperatursensor, der in der Integration einer Metallschicht auf einem ebenen organischen Film besteht; sobald der organische Film mit dem Sensor produziert ist, ist der Film auf dem Lager angeordnet. Damit der Film auf dem Lager angeordnet wird, muss zunächst an der Position des Lagers zur Aufnahme des Films eine Vertiefung ausgebildet werden. In diesen anderen Lösungen sind die Messungen des Sensors aufgrund der Art seiner Anordnung an dem Rohr oder dem Lager weniger exakt, ganz zu schweigen davon, dass sich der Sensor aufgrund eines Defekts des Befestigungsmittels während des Betriebs davon löst.
Es besteht jedoch ein Interesse daran, einen Temperatursensor an einem Rohr anzuordnen, um die Temperatur von darin strömendem fluiden Materials zu messen, das die oben erläuterten Probleme überwindet.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen eines Widerstandstemperaturerkennungssensors an einem Rohr, wobei das Verfahren aufweist:

Anordnen des Rohrs in einer Vakuumkammer;
Hinzufügen einer isolierenden und einer Sensorschicht auf einer Außenfläche des Rohrs durch physikalische Gasphasenabscheidung (das heißt, Physical Vapor Deposition, PVD) oder chemische Gasphasenabscheidung (das heißt, Chemical Vapor Deposition, CVD), während sich das Rohr in der Vakuumkammer befindet; und
Hinzufügen einer Schutzschicht, mindestens auf einem Teil der Sensorschicht, durch PVD oder CVD, während sich das Rohr in der Vakuumkammer befindet, oder durch Sol-Gel-Ablagerung.

Das vorliegende Verfahren ermöglicht das Bereitstellen eines RTD-Sensors auf der Außenfläche des Rohrs, sodass das in dem Rohr strömende fluide Material den Sensor nicht kontaktiert, wobei das Lösen des Sensor aufgrund von durch das fluide Material ausgeübtem Druck vermieden wird. Ferner ist, da sich der RTD-Sensor an der Außenseite des Rohrs befindet, das heißt, an einer äußeren Wand des Rohrs, der Zugang zum Sensor simpel und einfach, sodass die Messwerte ohne Einführen von Technik in das Rohr abgerufen werden können.
Wie bekannt ist, hängen die Temperaturmesswerte eines RTD-Sensors von der Variation des elektrischen Widerstands des Materials des Sensors ab, sodass dann, wenn sich die Temperatur des Materials ändert, auch der elektrische Widerstand des Materials ändert. Dementsprechend ist diese Änderung im elektrischen Widerstand durch den Sensor messbar, und auf der Grundlage des erwarteten elektrischen Widerstands des Materials (der Sensorschicht) kann seine Temperatur abgeleitet werden.
Da das Rohr eine gewölbte Oberfläche umfasst, auf welcher der Sensor angeordnet werden muss, sowie angesichts dessen, dass die Sensorschicht ein Muster zum Messen des elektrischen Widerstands (wie auf dem technischen Gebiet von RTD-Sensoren bekannt) aufweisen muss, wird die Sensorschicht durch physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung ausgebildet (während sich das Rohr in der Vakuumkammer befindet). Dementsprechend werden zunächst eine oder mehrere Masken mit dem Muster der Sensorschicht an der Außenfläche des Rohrs zum Ausbilden der Sensorschicht angebracht. Dies bedeutet, dass die Sensorschicht auf dem Rohr selbst und nicht in einem anderen Träger, der an dem Rohr angeordnet werden soll, aufgewachsen wird, wodurch das Verfahren der vorliegenden Offenbarung weniger Schritte erfordert als andere Verfahren, bei denen die Sensorschicht auf einem separaten Träger angeordnet ist. Die Sensorschicht kann mit hoher Positioniergenauigkeit auf der Außenfläche aufgewachsen werden; Fehler bei der Positionierung der Sensorschicht liegen vorzugsweise unter 1 Millimeter und können zwischen 1 und 100 Mikrometer oder sogar zwischen 1 und 10 Mikrometer liegen.
Um die Sensorschicht mechanisch und chemisch vor angreifenden Agenzien aufgrund ihrer Exposition (da sie sich auf der Außenfläche des Rohrs befindet) zu schützen, ist auf mindestens einem Teil der Sensorschicht eine Schutzschicht hinzugefügt. Die Zuleitungen der Sensorschicht können ohne die Schutzschicht aufrechterhalten werden, sodass der Zugang zu dieser einfacher ist.
Bei der Ausbildung der Sensorschicht mittels PVD in einigen Ausführungsformen weist das PVD-Verfahren vorzugsweise Magnetronsputtern auf.
Bei der Ausbildung der Schutzschicht mittels PVD weist das PVD-Verfahren vorzugsweise reaktives Magnetronsputtern auf, vorzugsweise auch bei der Ausbildung der Sensorschicht mittels Magnetronsputtern.
In einigen anderen Ausführungsformen weisen die PVD-Verfahren zur Ausbildung der Sensorschicht und der Schutzschicht andere Abscheidungsverfahren auf, wie: Atomlagenabscheidung (das heißt, ALD), Laserablation; für die Ausbildung der Schutzschicht mittels PVD kann das PVD-Verfahren auch Polymerbeschichtung sein. In diesem Sinne werden in diesen anderen Fällen sowohl die Sensorschicht als auch die Schutzschicht vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, mit dem gleichen PVD-Verfahren ausgebildet. Beispielsweise werden sowohl die Sensorschicht als auch die Schutzschicht mit ALD oder Laserablation oder die Sensorschicht mit Magnetronsputtern und die Schutzschicht mit Laserablation ausgebildet, und ebenso kann die Sensorschicht mittels PVD und die Schutzschicht kann mittels Sol-Gel-Abscheidung (wobei in diesem Fall das Rohr nicht in der Vakuumkammer angeordnet ist) oder Polymerbeschichtung als PVD-Verfahren, um nur einige Beispiele zu nennen, ausgebildet werden.
Je nach den Abmessungen der Vakuumkammer und den Abmessungen des Rohrs, insbesondere deren Durchmesser, kann das Rohr in einigen Fällen als eine Wand der Vakuumkammer angeordnet sein. Die Länge des Rohrs schließt nicht notwendigerweise die Möglichkeit aus, den RTD-Sensor hinzuzufügen, da in allen Fällen Ad-hoc-Vakuumkammern verwendet werden können, beispielsweise, wenn die Länge des Rohrs größer als 1 m, 5 m, 10 m, 25 m usw. ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Hinzufügen der Sensorschicht auf der Außenfläche des Rohrs Folgendes: Anbringen einer ersten Maske auf der Außenfläche des Rohrs, wobei die erste Maske einen ersten Abschnitt eines Musters der Sensorschicht aufweist; Ausbilden eines ersten Abschnitts des Musters der Sensorschicht durch PVD oder CVD, während sich das Rohr in der Vakuumkammer befindet und die erste Maske daran angebracht ist; Lösen der ersten Maske und Anbringen einer zweiten Maske auf der Außenfläche des Rohrs, wobei die zweite Maske einen zweiten Abschnitt des Musters der Sensorschicht aufweist und die zweite Maske so an dem Rohr angebracht ist, dass der zweite Abschnitt des Musters mit dem ersten Abschnitt des Musters, das auf der Sensorschicht ausgebildet ist, verbunden ist; und Ausbilden eines zweiten Abschnitts des Musters der Sensorschicht durch PCD oder CVD, während sich das Rohr in der Vakuumkammer befindet und die zweite Maske daran angebracht ist.
Die Sensorschicht wird vorzugsweise durch PVD oder CVD mittels mindestens zweier Masken aufgebracht, die vorzugsweise flexibel sind, sodass sie trotz ihrer Wölbung an der Außenfläche des Rohrs anbringbar sind. Das Vorhandensein einer Wölbung muss daher beim Hinzufügen der Sensorschicht berücksichtigt werden; anderweitig können in der Maske hängende Abschnitte (das heißt, Abschnitte, die die Oberfläche des Rohrs nicht berühren) vorhanden sein, die die Art des Aufbauens der Sensorschicht beeinflussen und dadurch deren Geometrie beeinflussen. Es wird darauf hingewiesen, dass eine genaue Geometrie für den ordnungsgemäßen Betrieb des RTD-Sensors erforderlich ist. Bei Verwendung einer einzigen Maske könnten zumindest einige Abschnitte des Musters der Sensorschicht nicht richtig ausgebildet sein, sodass ein Kontinuum über das gesamte Muster und mit einer für die Messung des elektrischen Widerstands geeigneten Breite des Musters besteht.
Daher sind Segmente mit ähnlichen Ausrichtungen (das heißt, Segmente, die zwischen einander Winkel ausbilden, die in einem absoluten Wert kleiner als 45°, bevorzugt kleiner als 30° und besonders bevorzugt kleiner als 15° sind) in derselben Maske vorgesehen, sodass diese Segmente auf der Außenfläche mittels des PVD- oder CVD-Verfahrens mit entsprechender Dicke ausgebildet werden. Um das vollständige Muster auszubilden, muss beim Anbringen der zweiten Maske an der Außenfläche zur Ausbildung der zumindest zweiten Segmente (wobei die zumindest ersten Segmente mittels der ersten Maske ausgebildet werden) die zweite Maske so angebracht werden, dass sich die Segmente des zweiten Musters mit denen verbinden, die bereits an der Außenfläche des Rohrs ausgebildet sind (nämlich die Segmente des ersten Musters), sodass das vollständige Muster nach dem zumindest zweiten PVD- oder CVD-Verfahren ausgebildet wird.
Die Ausbildung beider Muster erfolgt mit dem gleichen Verfahren, also entweder PVD oder CVD. In den Ausführungsformen, in denen PVD verwendet wird, weist die PVD vorzugsweise Magnetronsputtern auf.
In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner auf, vor dem Hinzufügen der Sensorschicht, das Hinzufügen mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht mindestens in einem Abschnitt der Außenfläche des Rohrs, in dem die Sensorschicht hinzuzufügen ist, wobei die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht durch PVD oder CVD, während sich das Rohr in der Vakuumkammer befindet, oder durch Sol-Gel-Ablagerung oder durch thermisches Spritzen hinzugefügt wird.
Zwischen der Sensorschicht und der Außenfläche des Rohrs sind eine oder mehrere elektrisch isolierende Schichten hinzuzufügen. Dies bedeutet, dass die elektrisch isolierende/n Schicht/en auch auf dem Rohr aufgebaut sind; die Sensorschicht wird dann auf der/den elektrisch isolierende/n Schicht/en aufgebaut. Auf diese Weise gehen die elektrischen Ströme auf der Sensorschicht nicht auf die Außenfläche des Rohrs über, wenn zumindest die Außenfläche des Rohrs elektrisch leitend ist (aufgrund des Materials des Rohrs und keiner Beschichtungen darauf, die elektrisch nicht leitend sind), was den Sensor unbrauchbar machen würde. Wenn die elektrisch isolierende/n Schicht/en vorgesehen ist/sind, ändert sich auch die Temperatur der Sensorschicht entsprechend der Temperatur des Rohrs und des darin strömenden fluiden Materials, sodass durch Messung des elektrischen Widerstands der Sensorschicht die Temperatur bestimmt werden kann.
Das Vorsehen der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht ist immer dann erforderlich, wenn ein elektrischer Widerstand der Sensorschicht (das heißt, des Materials der Sensorschicht) größer ist als ein elektrischer Widerstand der Außenfläche des Rohrs (das heißt, des Materials der Außenfläche des Rohrs).
Vorzugsweise weist die mindestens eine hinzugefügte elektrisch isolierende Schicht eine Dicke von 2 Mikrometern oder mehr, beispielsweise 3 Mikrometer, 50 Mikrometer oder mehr als 50 Mikrometer, auf und ist vorzugsweise gleich oder kleiner als 250 Mikrometer, beispielsweise 200 Mikrometer oder weniger, 100 Mikrometer oder weniger usw.
Wenn in einigen Ausführungsformen die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht mittels PVD ausgebildet wird, weist das PVD-Verfahren vorzugsweise reaktives Magnetronsputtern auf.
In einigen anderen Ausführungsformen weist das PVD-Verfahren ein anderes Abscheidungsverfahren auf, beispielsweise ALD oder Laserablation.
Bei Verwendung von Sol-Gel-Abscheidung oder thermischem Spritzen zur Ausbildung der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht ist das Rohr während des Formgebungsverfahrens der elektrisch isolierenden Schicht/en nicht in der Vakuumkammer angeordnet.
In einigen Ausführungsformen weist das Rohr ein elektrisch leitendes Material auf. In einigen dieser Ausführungsformen weist das Rohr ein metallisches oder Legierungsmaterial auf, wie zum Beispiel Stahl, Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan usw.In einigen dieser Ausführungsformen weist die Außenfläche des Rohrs das elektrisch leitende Material auf, das heißt, die Außenfläche ist nicht mit einem elektrisch nicht leitenden Material, wie beispielsweise einer Keramikbeschichtung, beschichtet.
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung wird ein Material vorzugsweise als elektrisch leitend erachtet, wenn seine Leitfähigkeit bei Raumtemperatur (beispielsweise 20°C) gleich oder größer als 1,0 10⁴ Sm^-1 ist. In einigen Ausführungsformen (vorzugsweise in den Ausführungsformen, in denen das Rohr elektrisch nicht leitend ist) weist die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht eines oder mehrere auf von: Al₂O₃, AlN, SiO₂, Si₃N₄ und ZrO₂. Dementsprechend kann die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht eine dieser Verbindungen oder mehr als eine dieser Verbindungen, also Kombinationen davon, aufweisen.
In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner auf, vor dem Anordnen des Rohrs in der Vakuumkammer, Ultraschallreinigen mindestens eines Teils der Außenfläche des Rohrs, in dem die Sensorschicht hinzuzufügen ist. In einigen dieser Ausführungsformen dauert die Ultraschallreinigung mindestens 15 Minuten. In einigen dieser Ausführungsformen wird die Ultraschallreinigung in Ethanol durchgeführt.
Durch die Ultraschallreinigung wird die Außenfläche des Rohrs für die Anbringung des RTD-Sensors daran vorbereitet, sodass dieser zuverlässig befestigt bleibt und das Auftreten von Defekten vermieden wird, wodurch die Lebensdauer des Sensors erhöht wird.
In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner auf, vor dem Ultraschallreinigen, das Reinigen mindestens eines Teils der Außenfläche des Rohrs, wo die Sensorschicht hinzuzufügen ist, mit Aceton und/oder Ethanol.
Beispielsweise kann zumindest dieser Teil zuerst mit Aceton, beispielsweise mit einem Tuch, gereinigt und dann mit Ethanol gereinigt werden. Danach wird die Ultraschallreinigung durchgeführt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner vor dem Ultraschallreinigen: Drehen mindestens eines Teils der Außenfläche des Rohrs, wo die Sensorschicht hinzugefügt werden soll; und nach dem Drehen, Strahlen eines Minerals mindestens auf einen Abschnitt der Außenfläche des Rohrs, wo die Sensorschicht hinzugefügt werden soll.
Sowohl das Drehen, bei dem es sich vorzugsweise um ein Weichdrehen handelt, als auch das Mineralstrahlen, bei dem es sich vorzugsweise um ein Weichstrahlen handelt, bereiten die Oberfläche des Rohrs zur Bereitstellung des RTD-Sensors darauf vor. Wenn also die Oberfläche des Rohrs rau oder uneben ist, machen das Drehen und das Mineralstrahlen die Oberfläche glatter.
Nach dem Mineralstrahlen kann die Oberfläche mit Aceton und/oder Ethanol gereinigt werden, oder es wird die Ultraschallreinigung durchgeführt.
In einigen Ausführungsformen wird das Rohr nicht an einem Teil der Außenfläche bearbeitet, an dem die Sensorschicht hinzugefügt wird. Somit umfasst das Verfahren auch keinen Schritt des Bearbeitens des Teils. Der Teil fällt in den Ausführungsformen, bei denen die elektrisch isolierende/n Schicht/en hinzugefügt ist/sind, zumindest teilweise mit dem Teil zusammen, in dem die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht hinzugefügt ist.
In einigen Ausführungsformen ist das Mineral ein Mineral mit einer Härte, die gleich groß wie oder größer als eine Härte des Rohrs ist. In einigen dieser Ausführungsformen ist das Mineral Keramik. In einigen dieser Ausführungsformen weist das Mineral Weißkorund auf.
Die Verwendung eines Minerals dieser Härte verbessert die Oberfläche des Rohrs zur Bereitstellung des RTD-Sensors. Es wurde festgestellt, dass keramische Mineralien wie beispielsweise Weißkorund (beispielsweise F220 Weißkorund) zu einer guten Adhäsion der verschiedenen Schichten des Sensors führen.
In einigen Ausführungsformen weist die Sensorschicht eines der Folgenden oder eine Kombination auf von: Platin, Nickel und Kupfer.
In einigen Ausführungsformen weist die Schutzschicht eines oder mehrere auf von: Al₂O₃, AlN, SiO₂, Si₃N₄ und ZrO₂. Dementsprechend kann die Schutzschicht eine dieser Verbindungen oder mehr als eine dieser Verbindungen, also Kombinationen davon, aufweisen.
In einigen Ausführungsformen ist eine Vielzahl von RTD-Sensoren an dem Rohr bereitgestellt, indem eine Vielzahl von Sensorschichten auf der Außenfläche des Rohrs hinzugefügt wird. In einigen dieser Ausführungsformen wird die gleiche Schutzschicht zumindest auf der Vielzahl von Sensorschichten hinzugefügt, oder eine Vielzahl von Schutzschichten wird durch physikalische Gasphasenabscheidung hinzugefügt. In einigen dieser Ausführungsformen befindet sich die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht zumindest in Abschnitten der Außenfläche des Rohrs, wo die Vielzahl von Sensorschichten hinzugefügt werden soll.
Zum Hinzufügen der Vielzahl von Sensorschichten können die erste Maske und die zweite Maske zum Ausbilden des vollständigen Musters jeder Sensorschicht angepasst werden, sodass die beiden PVD-Verfahren die Vielzahl von Sensorschichten ausbilden.
In einigen Ausführungsformen ist ein Außendurchmesser des Rohrs gleich oder kleiner als 4 Meter. In einigen dieser Ausführungsformen ist der Außendurchmesser gleich oder kleiner als 2,5 m.
In einigen Ausführungsformen ist ein Außendurchmesser des Rohrs gleich oder größer als 20 mm.
In einigen Ausführungsformen ist eine Länge des Rohrs gleich groß wie oder größer als mindestens einer der folgenden Werte: 10 Zentimeter, 1 Meter, 5 Meter und 10 Meter.
In einigen Ausführungsformen dient das Rohr zum Transportieren eines Fluidmaterials, beispielsweise Gas (z. B. Rauchgase, Stickstoff, Sulfide, Chloride, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Salze, Erdgas CH4, Ethan, Propan, Butan, LNG, CNG), Flüssigkeit (z. B. Wasser, saures Wasser, Wasser, das Ammoniumchloride enthält, Ammoniumbisulfide, Rohöl, Kerosin, Diesel- nach der Destillation, Ätznatron, Amin, Petrochemikalien-Chemikalien, die organische Säuren umfassen- Ameisen-, Essig-, Acetaldehyd-, Formaldehyd-, Fettsäuren, Weinsäure usw., anorganische- Schwefel-, Phosphor-, Salpeter-, Chlorwasserstoff-, Fluorwasser-, Basen, Ätznatron, Methanol, Glykol, Ammoniak) und/oder Dampf.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein mit einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erhaltenes oder erhältliches Rohr.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Rohr, das mindestens einen Widerstandstemperaturerkennungssensor an einer Außenfläche des Rohrs aufweist, wobei der Widerstandstemperaturerkennungssensor mindestens eine Sensorschicht und eine Schutzschicht auf mindestens einem Teil der Sensorschicht uaufweist.
Das Rohr, das vorzugsweise mit einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erhalten wird oder erhältlich ist, weist einen RTD-Sensor auf, der auf seiner Außenfläche aufgebaut (also direkt ausgebildet) ist, um dessen Temperatur durch Messung des elektrischen Widerstands der Sensorschicht bestimmen zu können; zu diesem Zweck weist die Sensorschicht des Sensors ein RTD-Muster auf, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Aus dieser Messung kann die Temperatur des fluiden Materials innerhalb des Rohres bestimmt werden, da dessen Temperatur die Temperatur des Rohres verändert, wodurch die Temperatur der Sensorschicht und damit der elektrische Widerstand der Sensorschicht verändert wird, wobei letztere durch den Sensor gemessen wird.
In einigen Ausführungsformen weist der Widerstandstemperaturerfassungssensor ferner mindestens eine elektrisch isolierende Schicht zwischen der Außenfläche des Rohrs und der Sensorschicht auf. In einigen dieser Ausführungsformen weist das Rohr ein elektrisch leitfähiges Material auf, beispielsweise Stahl, Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, Legierung usw. In einigen dieser Ausführungsformen weist die Außenfläche des Rohrs das elektrisch leitfähige Material auf.
In einigen Ausführungsformen ist eine Länge des Rohrs gleich groß wie oder größer als mindestens einer der folgenden Werte: 10 Zentimeter, 1 Meter, 5 Meter und 10 Meter.
In einigen Ausführungsformen dient das Rohr zum Transportieren eines fluiden Materials, wie etwa Gas, Flüssigkeit und/oder Dampf.
Ähnliche Vorteile, wie sie unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurden, können auch für den zweiten Aspekt der Erfindung gelten.
Figurenliste
Zum Vervollständigen der Beschreibung und zum besseren Verständnis der Erfindung ist ein Satz von Zeichnungen vorgesehen. Die Zeichnungen sind integraler Bestandteil der Beschreibung und veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung, die nicht als Beschränkung des Schutzumfangs der Erfindung, sondern lediglich als Beispiele für die Umsetzung der Erfindung zu interpretieren sind. Die Zeichnungen umfassen folgende Figuren:

Die 1A-1B zeigen unterschiedliche Ansichten eines Rohrs gemäß einer Ausführungsform, und 1C zeigt einen Abschnitt des Widerstandstemperaturerfassungssensors des Rohrs.
Die 2A-2B zeigen ein Verfahren zum Hinzufügen einer Sensorschicht in Verfahren gemäß Ausführungsformen.
3 zeigt ein Rohr mit einem daran ausgebildeten Sensor gemäß Ausführungsformen.
4 zeigt in Form eines Blockdiagramms ein Verfahren gemäß Ausführungsformen.
5 zeigt in Form eines Blockdiagramms ein Verfahren zum Hinzufügen einer Sensorschicht in Verfahren gemäß Ausführungsformen.
6 zeigt in Form eines Blockdiagramms ein Verfahren gemäß Ausführungsformen.

BESCHREIBUNG VON WEGEN ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
Die 1A-1B zeigen unterschiedliche Ansichten eines Rohrs 1 gemäß einer Ausführungsform, und 1C zeigt einen Abschnitt des Widerstandstemperaturerfassungssensors 10 des Rohrs 1.
Das Rohr 1, das einen Außendurchmesser 5 aufweist, weist an einer Außenfläche 3 mindestens einen RTD-Sensor 10 auf. Der RTD-Sensor 10 weist mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 15 auf der Außenfläche 3 des Rohrs 1 auf, eine Sensorschicht 20 auf der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht 15 und eine Schutzschicht 30 auf einem Abschnitt der Sensorschicht 20 (in diesem Beispiel sind die Zuleitungen oder Anschlüsse der Sensorschicht 20 nicht von der Schutzschicht 30 bedeckt), wo sich das RTD-Muster 25 der Sensorschicht 20 befindet.
Wie besser in 1C zu sehen ist, weist der RTD-Sensor 10 die elektrisch isolierende Schicht 15 zwischen der Sensorschicht 20 und der Außenfläche 3 des Rohrs 1 auf, sodass, wenn das Rohr 1 aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. Stahl, besteht (und keine elektrisch nicht leitfähigen Beschichtungen auf der Außenfläche 3 vorhanden sind), die Ströme in der Sensorschicht 20 nicht auf die Außenfläche 3 übertragen werden. Der RTD-Sensor 10 weist die Schutzschicht 30 auf der Sensorschicht 20 auf.
Das Rohr 1 kann aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehen, wobei der RTD-Sensor 10 die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 15 aufweisen kann oder nicht. Ein solches Material könnte beispielsweise ein keramisches Material, ein Polymermaterial oder eine Kombination aus einem keramischen Material und einem Polymermaterial sein.
Die 2A-2B zeigen ein Verfahren zum Hinzufügen einer Sensorschicht in Verfahren gemäß Ausführungsformen.
In 2A ist ein Rohr 1 während des Verfahrens zum Bereitstellen eines RTD-Sensors darauf gezeigt (zum Beispiel ein Sensor, wie in den 1A-1C gezeigt). Das Rohr 1 weist darauf eine Maske 40 auf, die Segmente 50 eines Teils des in der Sensorschicht auszubildenden Musters aufweist. Die Segmente 50 weisen eine gleiche Richtung auf (doch in anderen Beispielen weisen unterschiedliche Segmente unterschiedliche Richtungen auf, aber vorzugsweise ist der zwischen jedem Paar von Segmenten ausgebildete Winkel nicht größer als 45°), in diesem Fall die vertikale Richtung gemäß der Darstellung, und während eines PVD-Verfahrens wie vorzugsweise Magnetronsputtern oder eines CVD-Verfahrens wird das Material der Sensorschicht an dem Rohr 1 gemäß diesen Segmenten 50 anhaften.
Nach dem Ausbilden dieser ersten Segmente 50 auf dem Rohr 1 wird die Maske 40 abgelöst und eine weitere Maske 41, wie in 2B veranschaulicht, an dem Rohr 1 angebracht, um das Muster zu vervollständigen. Diese weitere Maske 41 weist Segmente 51 mit einer Richtung senkrecht zu den Segmenten 50 der ersten Maske 40 auf, die auf der weiteren Maske 41 so angeordnet sind, dass die Kombination beider Vielzahlen von Segmenten 50, 51 in dem vollständigen Muster der Sensorschicht resultiert. Dementsprechend muss diese weitere Maske 41 aufgrund der ersten Maske 40 und des PVD- oder CVD-Verfahrens unter Berücksichtigung der am Rohr 1 ausgebildeten existierenden Segmente am Rohr 1 angebracht werden.
Nach dem PVD- oder CVD-Verfahren wird das komplette RTD-Muster 25 der Sensorschicht auf dem Rohr 1 ausgebildet, was in 3 veranschaulicht ist.
Wie in den beiden 2A und 2B zu sehen ist, sind die Masken 40, 41 ausreichend flexibel, um trotz der Wölbung des Rohrs 1 an der Außenfläche des Rohrs angebracht zu werden.
Obwohl in diesem Beispiel zwei Masken 40, 41 zum Ausbilden der Sensorschicht gezeigt wurden, können in anderen Beispielen mehr als zwei Masken erforderlich sein, um die Sensorschicht in einem PVD- oder CVD-Verfahren auszubilden, sodass das Muster der Sensorschicht korrekt bereitgestellt wird (das heißt, alle Segmente verbunden und mit geeigneter Breite der Segmente). Die Bereitstellung weiterer Masken kann von eine/m/r jeglichen von der Wölbung der Außenfläche des Rohrs 1, dem Muster der Sensorschicht und der Flexibilität der Masken abhängen.
4 zeigt in Form eines Blockdiagramms ein Verfahren 100 gemäß Ausführungsformen.
Das Verfahren 100 weist einen Schritt 110 des Anordnens eines Rohrs in einer Vakuumkammer auf.
Das Verfahren 100 weist ferner einen Schritt 120 des Hinzufügens einer Sensorschicht (wie zum Beispiel der Sensorschicht 20 aus einer der 1A-1C und 3) auf einer Außenfläche des Rohrs durch physikalische Gasphasenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung auf, wenn das Rohr in der Vakuumkammer angeordnet 110 ist. In einigen Ausführungsformen wird das Hinzufügen der Sensorschicht mittels des unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Verfahrens durchgeführt.
Wenn die Sensorschicht mittels CVD hinzugefügt 120 wird, ist das CVD-Verfahren vorzugsweise eines von: laserchemische Gasphasenabscheidung (Laser-Chemical-Vapour-Deposition, das heißt LCVD), plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (Plasma-Enhanced-Chemical-Vapour-Deposition, PECVD) und chemische Gasphasenabscheidung unter Niederdruck (Low Pressure Chemical Vapour Deposition, das heißt LPCVD).
Das Verfahren 100 weist ferner auf, sobald die Sensorschicht hinzugefügt 120 wurde, einen Schritt 130 des Hinzufügens einer Schutzschicht zumindest auf einem Teil der Sensorschicht. Die Schutzschicht kann durch physikalische Gasphasenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung ausgebildet werden, während das Rohr in der Vakuumkammer angeordnet 110 ist. Alternativ kann die Schutzschicht durch Sol-Gel-Abscheidung ausgebildet werden, ohne dass das Rohr in der Vakuumkammer angeordnet ist, oder sie kann auch durch Polymerbeschichtung ausgebildet werden.
Wenn die Schutzschicht 130 mittels CVD hinzugefügt wird, ist das CVD-Verfahren vorzugsweise eines von: laserchemische Gasphasenabscheidung (LCVD), plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und chemische Gasphasenabscheidung unter Niederdruck (LPCVD) und Polymerbeschichtung.
Der auf diese Weise ausgebildete Widerstandstemperaturerfassungssensor weist somit keinen separaten Träger auf, und der Träger ist das Rohr selbst.
In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner einen Schritt des Hinzufügens mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht (wie zum Beispiel der elektrisch isolierenden Schicht 10 aus den 1A-1C) mindestens in einem Abschnitt der Außenfläche des Rohrs, in dem die Sensorschicht hinzugefügt werden soll 120, auf. Dieser Schritt erfolgt zwischen den Schritten 110 und 120.
5 zeigt in Form eines Blockdiagramms einen Arbeitsablauf 120 zum Hinzufügen einer Sensorschicht im Rahmen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
Die Vorgehensweise 120 weist einen Schritt 121 des Anbringens einer ersten Maske (zum Beispiel der Maske 40 aus 2A) an der Außenfläche des Rohrs auf. Die erste Maske weist einen ersten Abschnitt eines Musters der Sensorschicht auf.
Der Arbeitsablauf 120 weist einen Schritt 122 des Ausbildens des ersten Abschnitts des Musters der Sensorschicht durch PVD oder CVD auf, sodass sich das Rohr in der Vakuumkammer befindet und die erste Maske daran angebracht 121 ist, während das Rohr einer PVD oder CVD unterzogen wird.
Das Verfahren 120 weist einen Schritt 123 des Lösens einer ersten Maske und Anbringens einer zweiten Maske (zum Beispiel der Maske 41 aus 2A) an der Außenfläche des Rohrs auf. Die zweite Maske weist einen zweiten Abschnitt des Musters der Sensorschicht auf. Die zweite Maske muss auf eine solche Weise an der Außenfläche des Rohrs angebracht sein, dass der zweite Abschnitt des RTD-Musters mit dem ersten Abschnitt des Musters verbunden ist, das im vorherigen Schritt 122 ausgebildet wurde.
Das Verfahren 120 weist einen Schritt 124 des Ausbildens des zweiten Abschnitts des Musters der Sensorschicht durch PVD oder CVD auf, sodass sich das Rohr in der Vakuumkammer befindet und die zweite Maske daran angebracht 123 ist, während das Rohr einer PVD oder CVD unterzogen wird.
6 zeigt in Form eines Blockdiagramms ein Verfahren 101 gemäß Ausführungsformen.
Das Verfahren 101 weist einen Schritt 105 des Drehens mindestens eines Teils einer Außenfläche eines Rohrs auf, an dem später eine Sensorschicht hinzugefügt werden soll.
Das Verfahren 101 weist ferner einen Schritt 106 des Strahlens eines Minerals zumindest auf einem Teil der Außenfläche des Rohrs auf, wo die Sensorschicht hinzugefügt werden soll. Das Strahlen 106 erfolgt nach dem Drehen 105.
Das Verfahren 101 weist ferner, nach dem Mineralstrahlen 106, einen Schritt 107 des Reinigens mindestens eines Teils der Außenfläche des Rohrs auf, an dem die Sensorschicht hinzuzufügen ist, mit Aceton und/oder Ethanol. Beispielsweise wird die Oberfläche zunächst mit Aceton und dann mit Ethanol gereinigt. Hierfür kann ein Tuch zur Reinigung der Oberfläche mit einem derartigen Produkt oder Produkten verwendet werden.
Das Verfahren 101 weist ferner einen Schritt 107 des Reinigens mindestens eines Teils der Außenfläche des Rohrs auf, wo die Sensorschicht hinzuzufügen ist, mit Aceton und/oder Ethanol. Beispielsweise wird die Oberfläche zunächst mit Aceton und dann mit Ethanol gereinigt. Hierfür kann ein Tuch zur Reinigung der Oberfläche mit einem derartigen Produkt oder Produkten verwendet werden.
Das Verfahren 101 weist ferner, nach dem Reinigen 107, einen Schritt 108 des Ultraschallreinigens mindestens eines Teils der Außenfläche des Rohrs auf, wo die Sensorschicht hinzuzufügen ist. Bei der Ultraschallreinigung kann ein Produkt wie z. B. Ethanol verwendet werden.
Das Verfahren 101 weist ferner nach der Ultraschallreinigung 108 den Schritt 110 des Anordnens des Rohrs in einer Vakuumkammer auf.
Das Verfahren 101 weist ferner einen Schritt 115 des Hinzufügens mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht (wie zum Beispiel der elektrisch isolierenden Schicht 10 aus den 1A-1C) mindestens in einem Abschnitt der Außenfläche des Rohrs, an dem die Sensorschicht hinzuzufügen ist, auf. Nach der Anordnung des Rohrs 110 in der Vakuumkammer werden die Schicht/en mittels PVD oder CVD hinzugefügt 115. Alternativ kann die Hinzufügung 115 der mindestens einen elektrisch isolierenden Schicht mittels Sol-Gel-Abscheidung oder thermischem Spritzen erfolgen, wobei die Hinzufügung 115 der Schicht/en vor der Anordnung 110 des Rohres in der Vakuumkammer erfolgt.
Wenn die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht mittels CVD hinzugefügt 115 wird, ist das CVD-Verfahren vorzugsweise eines von: laserchemische Gasphasenabscheidung (das heißt, LCVD), plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und chemische Gasphasenabscheidung unter Niederdruck (das heißt, LPCVD).
Das Verfahren 101 weist ferner den Schritt 120 des Hinzufügens einer Sensorschicht auf, wie beispielsweise unter Bezugnahme auf 4 und/oder 5 beschrieben.
Das Verfahren 101 weist ferner, sobald die Sensorschicht hinzugefügt 120 wurde, den Schritt 130 des Hinzufügens einer Schutzschicht auf, wie beispielsweise unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
In diesem Text sollte der Begriff „umfasst“ und seine Ableitungen (wie beispielsweise „umfassend“ usw.) nicht in einem ausschließenden Sinne verstanden werden, das heißt, diese Begriffe sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie die Möglichkeit ausschließen, dass das Beschriebene und Definierte weitere Elemente, Schritte usw. beinhalten kann.
Andererseits ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf die hierin beschriebene/n konkrete/n Ausführungsform/en beschränkt, sondern weist auch alle Variationen, die von einem Fachmann im Rahmen des allgemeinen Schutzumfangs der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, in Betracht gezogen werden können (beispielsweise in Bezug auf die Auswahl der Materialien, Abmessungen, Komponenten, Konfiguration usw.).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3404218 A1 [0005]
US 2003174041 A1 [0005]
EP 0908712 A1 [0006]
JP 2008026102 A [0006]

Claims

Verfahren (100, 101) zum Bereitstellen eines Widerstandstemperaturerkennungssensors (10) an einem Rohr (1), wobei das Verfahren aufweist: Anordnen (110) des Rohrs (1) in einer Vakuumkammer; Hinzufügen (120) einer Sensorschicht (20) auf einer Außenfläche (3) des Rohrs (1) durch physikalische Gasphasenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung, während sich das Rohr (1) in der Vakuumkammer befindet; und Hinzufügen (130) einer Schutzschicht (30) auf mindestens einem Teil der Sensorschicht (20) durch physikalische Gasphasenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung, während sich das Rohr (1) in der Vakuumkammer befindet.
Verfahren (100, 101) nach Anspruch 1, wobei das Hinzufügen (120) der Sensorschicht (20) auf der Außenfläche (3) des Rohrs (1) mindestens aufweist: Anbringen (121) einer ersten Maske (40) auf der Außenfläche (3) des Rohrs (1), wobei die erste Maske (40) einen ersten Abschnitt (50) eines Musters (25) der Sensorschicht (20) aufweist; Ausbilden (122) eines ersten Abschnitts des Musters (25) der Sensorschicht (20) durch physikalische Gasphasenabscheidung, während sich das Rohr (1) in der Vakuumkammer befindet und die erste Maske (40) daran angebracht ist; Lösen der ersten Maske (40) und Anbringen (123) einer zweiten Maske (41) auf der Außenfläche (3) des Rohrs (1), wobei die zweite Maske (41) einen zweiten Abschnitt (51) des Musters (25) der Sensorschicht (20) aufweist und die zweite Maske (41) so an dem Rohr (1) angebracht ist, dass der zweite Abschnitt (51) des Musters (25) mit dem ersten Abschnitt des Musters (25), der auf der Sensorschicht (20) ausgebildet ist, verbunden ist; und Ausbilden (124) eines zweiten Abschnitts des Musters (25) der Sensorschicht (20) durch physikalische Gasphasenabscheidung, während sich das Rohr (1) in der Vakuumkammer befindet und die zweite Maske (41) daran angebracht ist.
Verfahren (100, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend, vor dem Hinzufügen (120) der Sensorschicht (20), Hinzufügen (115) mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht (10) mindestens in einem Teil der Außenfläche (3) des Rohrs (1), in dem die Sensorschicht (20) hinzuzufügen ist, wobei die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (10) durch physikalische Gasphasenabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung, während sich das Rohr (1) in der Vakuumkammer befindet, oder durch Sol-Gel-Ablagerung oder durch thermisches Spritzen hinzugefügt wird.
Verfahren (100, 101) nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (10) durch physikalische Gasphasenabscheidung hinzugefügt (115) wird, wobei die physikalische Gasphasenabscheidung eines aufweist von: reaktivem Magnetronsputtern, Atomlagenabscheidung, Laserablation und thermischem Spritzen.
Verfahren (100, 101) nach Anspruch 4, wobei: die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (10) durch reaktives Magnetronsputtern hinzugefügt (115) wird; die Sensorschicht (20) durch Magnetronsputtern hinzugefügt (120) wird; und die Schutzschicht (30) durch reaktives Magnetronsputtern hinzugefügt (130) wird.
Verfahren (100, 101) nach einem der Ansprüche 3-5, wobei das Rohr (1) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist.
Verfahren (100, 101) nach einem der Ansprüche 3-6, wobei die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (10) eines oder mehrere aufweist von: Al₂O₃, AlN,SiO₂, Si₃N₄ und ZrO₂; und die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (10) weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 2,0 Mikrometern und 250 Mikrometern auf.
Verfahren (100, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend, vor dem Anordnen (110) des Rohrs (1) in der Vakuumkammer, Ultraschallreinigen (108) mindestens eines Teils der Außenfläche (3) des Rohrs (1), wo die Sensorschicht (20) hinzuzufügen ist, vorzugsweise für eine Dauer von 15 Minuten.
Verfahren (100, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (30) durch physikalische Gasphasenabscheidung hinzugefügt (130) wird, wobei die physikalische Gasphasenabscheidung eines aufweist von: reaktivem Magnetronsputtern, Atomlagenabscheidung und Laserablation.
Verfahren (100, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorschicht (20) durch physikalische Gasphasenabscheidung hinzugefügt (120) wird, wobei die physikalische Gasphasenabscheidung aufweist: Magnetronsputtern, Atomlagenabscheidung und Laserablation.
Verfahren (100, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rohr auf einem Teil der Außenfläche (3), wo die Sensorschicht (20) hinzugefügt (120) wird, nicht bearbeitet ist.
Rohr (1), aufweisend mindestens einen Widerstandstemperaturerkennungssensor (10), der an einer Außenfläche (3) des Rohrs (1) aufgewachsen ist, wobei der mindestens eine Widerstandstemperaturerkennungssensor (10) mindestens eine Sensorschicht (20) und eine Schutzschicht (30) auf mindestens einem Teil der Sensorschicht (20) aufweist.
Rohr (1) nach Anspruch 12, wobei der mindestens eine Widerstandstemperaturerkennungssensor (10) ferner eine elektrisch isolierende Schicht (10) zwischen der Außenfläche (3) des Rohrs (1) und der Sensorschicht (20) aufweist, und wobei das Rohr (1) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist.
Rohr (1) nach einem der Ansprüche 12-13 oder Verfahren (100, 101) nach einem der Ansprüche 1-11, wobei die Sensorschicht (20) eines oder eine Kombination von Platin, Nickel und Kupfer aufweist.
Rohr (1) nach einem der Ansprüche 12-14 oder Verfahren (100, 101) nach einem der Ansprüche 1-11 oder 14, wobei die Schutzschicht (30) eines oder mehrere aufweist von: Al₂O₃, AlN,SiO₂, Si₃N₄ und ZrO₂.
Rohr (1) nach einem der Ansprüche 12-15 oder Verfahren (100, 101) nach einem der Ansprüche 1-11 oder 14-15, wobei ein Außendurchmesser (5) des Rohrs (1) gleich oder kleiner als 4 m ist.
Rohr (1) nach einem der Ansprüche 12-16 oder Verfahren (100, 101) nach einem der Ansprüche 1-11 oder 14-16, wobei eine Länge des Rohrs gleich groß wie oder größer als mindestens einer der folgenden Werte ist: 10 Zentimeter, 1 Meter, 5 Meter und 10 Meter.
Rohr (1) nach einem der Ansprüche 12-17 oder Verfahren (100, 101) nach einem der Ansprüche 1-11 oder 14-17, wobei das Rohr (1) zum Transportieren eines fluiden Materials dient.