DE19800753A1 - Sensor für und Verfahren betreffend nicht-invasive Temperaturmessung, insbesondere für den Einsatz in der Prozeßtechnik - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildeten Sensor zur Temperaturmessung und Temperaturüberwachung, betreffend einen Körper bzw. insbesondere ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas), wobei die Temperatur in einem inneren Bereich des Köpers/Fluids zu erfassen ist.

Zum Beispiel wird in der Prozeßtechnik, in Kraftwerken, Che­ mieanlagen, der Lebensmittelproduktion und dergleichen, die Temperatur, die im Inneren eines Körpers bzw. innerhalb eines in einer Rohrleitung transportierten Fluids herrscht mit Hil­ fe von Temperatursensoren bestimmt, die nach dem klassischen Prinzip arbeiten, z. B. am Meßort positionierte Thermoelemen­ te, Platinwiderstände und dgl. sind. Damit diese Tempe­ raturfühler zuverlässige Daten liefern, muß deren Meßspitze unmittelbar vom Medium umgeben/umspült sein. Dies erfordert z. B. bei der Messung im Inneren eines Rohres einer Förderlei­ tung, daß an entsprechender Stelle in der Rohrwandung ein Durchbruch vorgesehen ist, durch den ein solcher Sensor in das Medium/Fluid eingeführt ist. Bei Prozeßtemperaturen bis zu 500°C, insbesondere zusammen mit Druck im Bereich von meh­ reren 100 bar und/oder bei Fließgeschwindigkeiten bis an die Schallgeschwindigkeit heran, sind nicht nur der Sensor selbst, sondern auch der Durchbruch in der Rohrwandung sehr hohen Materialbelastungen ausgesetzt. Neben der Tatsache, daß ein solcher Sensor einem hohen Verschleiß unterliegt, ist auch die Gefahr gegeben, daß die z. B. Schweißung, mit der ein solcher Sensor üblicherweise am/im Rohr befestigt ist, bricht. Dies ist eine Funktionsstörung, die z. B. außerplanmä­ ßigen Stillstand der Prozeßanlage erzwingt. Lediglich am Ran­ de sei auf die mit einem solchen Prozeßstillstand und/oder für das Wiederingangsetzen des Prozeßablaufes verbundenen Un­ kosten hingewiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß in Fra­ ge kommende Prozeßanlagen häufig eine Vielzahl, typisch etwa 100, derartige Sensoren enthalten, so daß hohe Wahr­ scheinlichkeit für eine Störung infolge eines Ausfalls nur eines Sensors gegeben ist.

Einschlägiger Stand der Technik ist, mit invasiven Sensoren zu arbeiten, wobei zur Vermeidung der o.g. Probleme überdi­ mensionierte Bewehrungen der Bohrungen und dgl. und ständige Kontrolle der Schweißnähte und Verschraubungen vorgesehen ist.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, solche aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu beheben bzw. zu umge­ hen. Die Lösung dieser Aufgabe gibt die Merkmalskombination des Patentanspruches 1 bzw. 2 an.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, von der Praxis der invasiven Sensoren abzugehen und ein Verfahren und zugehörigen Sensor zu finden und vorzusehen, mit dem eine nicht-invasive Meßtechnik auszuführen ist. Die Erfindung ist ein Verfahren mit einem bzw. ist ein Wärmefluß-Sensor, wobei die physikalischen Größen erfaßt/ausgenutzt werden bzw. sind, die immanente Merkmale eines Wärmeflusses sind.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem es sich um Temperaturmessung im Inneren eines strömenden Fluids (Gas oder Flüssigkeit) handelt, das sich in einer Rohrleitung befindet und von dem die im zentra­ len inneren Bereich der Strömung herrschende Temperatur nicht-invasiv ermittelt/überwacht werden soll.

Zur einfacheren Erläuterung der Erfindung dient die beigefüg­ te Fig. 1, die nachfolgend, und zwar ohne daß durch dieses ses Beispiel die Erfindung beschränkt sein soll, beschrieben wird.

In der Figur ist mit A ein Ortsbereich angegeben, für den die Temperatur T_M des dort z. B. strömenden Fluids 2 zu bestimmen ist. Der Ort liegt z. B. auf der zentralen Achse Z des Rohres 20, das in der Figur im Schnitt gezeigt und mit 20 bezeichnet ist. Mit 15 ist eine Wärme-Barriere bezeichnet, die ein Wär­ meübergangsmedium ist. Dieses Wärmeübergangsmedium 15 liegt flächig an der Außenwand 20a des Rohres 20 an. Zwischen die­ ser Außenwand 20a und der Fläche 15b des Wärmeübergangmediums 15 ist ein flächiger Thermosensor 11 angeordnet. Seine beiden Oberflächen 11b und 11a haben einen guten wärmefluß-schlüssi­ gen Kontakt mit der Außenwand 20a der Rohrwandung 20 einer­ seits und mit der angrenzenden Fläche 15b des Wärmeübergangs­ mediums 15 andererseits. Mit dem Sensor 11 ist die Temperatur T_a der Außenwand 20a zu messen.

Als Thermosensor eignet sich z. B. ein im einschlägigen Handel erhältliches Temperatur-Meßelement PT100. Ein solches Meßele­ ment ist sehr dünn und relativ wärmeleitend, so daß in einem solchen Element kein wesentlicher Temperaturabfall eintritt.

Die andere Fläche 15a des Wärmeübergangsmediums 15 grenzt flächig mit wärmefluß-schlüssigem Kontakt an den zweiten Thermosensor 12 an, und zwar an dessen Außenfläche 12b. Die zweite Oberfläche 12a dieses Sensors 12 grenzt wiederum mit wärmefluß-schlüssigem Kontakt an der Fläche 30b eines Körpers 30 an diesen an. Mit diesem Sensor 12 ist die Temperatur T_REF zu messen. Dieser Körper 30 dient bei der Erfindung als eine Wärmesenke. Umgeben ist dieser Körper 30 von z. B. Luft mit Umgebungstemperatur T_UMG.

Die wärmefluß-schlüssigen Kontakte sind wie in der Figur in der axialen Richtung auch in der zur Zeichnungsebene senk­ rechten Richtung (der Rundung der Rohrwandung angepaßt) aus­ gedehnt bemessen, so daß die aneinandergrenzenden Flächen entsprechenden flächenmäßig ausgedehnten Wärmeübergang ge­ währleisten.

Der erfindungsgemäße Wärmefluß-Sensor arbeitet wie nachfol­ gend beschrieben. Aus dem Bereich A, für den die Temperatur im Fluid zu messen/bestimmen ist, und der sich auf gegenüber der Umgebungstemperatur hoher Prozeßtemperatur befindet, fließt eine Wärmemenge dQ pro Zeiteinheit dt zur Fläche 2a der Randzone des Mediums 2. Aus dieser Randzone tritt diese Wärmemenge durch die Innenseite 20b in die Rohrwandung 20 über und fließt dem Temperaturgefälle entsprechend zur Außen­ fläche 20a dieser Rohrwandung. Die Bemessungen sind (soweit erforderlich) dabei hinsichtlich des Verhältnisses der Wärme­ fluß-Übergangsfläche zur Rohrwanddicke so gewählt, daß Wärme­ abfluß in lateralen Richtungen vernachlässigbar ist. Die durch die Rohrwandung 20 hindurchfließende Wärmemenge ist wiederum dQ pro Zeiteinheit dt. Von der Außenfläche 20a des Rohres tritt diese Wärmemenge dQ über die angrenzende Außen­ fläche 11b in den Sensor 11 ein. Somit kann die Temperatur T_a der Außenfläche 20a gemessen werden. Von dem Sensor 11 fließt über dessen weiterer Fläche 11a die Wärmemenge dQ über den Wärmekontakt mit der Fläche 15b des Wärmeübergangsmediums 15 in dieses hinein. Es ist auch hier vorgesehen, daß in Quer­ richtung kein störender Wärmeverlust eintritt. Durch das Wär­ meübergangsmedium 15 fließt wiederum die Wärmemenge dQ über die Fläche 15a des Wärmeübergangsmediums 15 und die mit ihr in Wärmefluß-Kontakt stehende Fläche 12b des Sensors 12 in diesen hinein. Im Sensor 12 kann die dort er­ reichte/herrschende Temperatur T_REF gemessen werden. Weiter fließt die Wärmemenge dQ durch die weitere Fläche 12a des zweiten Sensors 12 über die damit in Wärmefluß-Kontakt ste­ hende Fläche 30b des Körpers 30 in diesen hinein. Der Körper 30 wird vorzugsweise auf der Temperatur T_REF gehalten und ist als Wärmesenke mit konstanter Temperatur wirksam.

Wie beschrieben fließt also die Wärmemenge dQ über mehrere Wärmefluß-Kontakte a-b durch die aneinandergereihten Medien bzw. Sensoren 20, 11, 15, 12 in den Körper 30.

Sofern es sich um eine Temperaturmessung in einem festen Kör­ per handelt, ist z. B. die Rohrwandung 20 als Anteil des Medi­ ums 2 zu verstehen, so daß in der Figur die dort gestrichelt eingetragene Grenze zwischen den dann nicht vorhandenen Flä­ chen 2a und 20b entfällt.

Für den gesamten Wärmefluß (der Anordnung mit dem Rohr 20) kann das folgende Gleichungssystem angegeben werden:

dQ/dt = α (T_M-T_i);

im Fluid-Medium 2

T_M = Temperatur des Fluid- Mediums am Ort A
T_i = Temperatur der Rohrwand- Innenseite 20b

dQ/dt = λ₂₀ (T_i-T_a);

in der Rohrwandung 20

T_a = Temperatur der Rohrwand- Außenseite (20a) (entfällt bei festem Körper, dann T_i = T_a)

dQ/dt = λ₁₅ (T_a-T_REF)

im Wärmeübergangsmedium 15

T_REF = Temperatur der Wärme­ senke.

Die Wärmeleitfähigkeit λ₂₀ des Materials der Rohrwandung 20 und die Wärmeleitfähigkeit λ₁₅ des Wärmeübergangsmediums 15 sind bekannt. Die Temperaturen T_a und T_REF werden mit den Thermosensoren 11 und 12 gemessen. Aus den Gleichungen ergibt sich dann die Temperatur T_i.

Für die Auflösung dieses Gleichungssystems nach T_M ist nur noch der Wert α, nämlich die Wärmeleitfähigkeit des Mediums 2 zu ermitteln. Bekanntermaßen ist der Wert α eines Fluids abhängig von der Temperatur, dem Druck, dem Volumen, der spe­ zifischen Wärme bei der gegebenen Temperatur. Da die Abhän­ gigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α in komplexer Weise von den genannten Größen abhängig, ist es notwendig, daß sich diesbezüglich die Auswertung auf eine Wissensbasis stützt, die α in Abhängigkeit von den genannten Größen oder aber auf der Basis eines Gesamtmodells der betreffenden Anlage angibt. In einem ersten Falle können Druck- und Fließgeschwindigkeit mittels anderer (ebenfalls nicht-invasiver) Sensoren ermit­ telt werden, z. B. der Druck mittels eines Dehnungs-Meßstrei­ fens auf der Rohrinnenwand und die Fließgeschwindigkeit mit­ tels einer Ultraschall-Dopplermeßstrecke bekannter Art gemes­ sen werden. Diese Größen werden wie die Temperatur standard­ mäßig in der Prozeßleittechnik erfaßt. In einem zweiten Falle wird als Wissensbasis ein Modell der Anlage zugrundegelegt. Zum Beispiel kann auch ein Wärme-Atlas (VDI-Wärmeatlas, Be­ rechnungsblätter für den Wärmeübergang, 5. erw. Auflage, VDI- Verlag) hinzugezogen werden, in dem für sehr viele Fluids die entsprechenden Daten, die zur Ermittlung des Wertes α benö­ tigt werden, aufgezeichnet sind.

Mit den gemessenen Temperaturwerten T_a und T_REF der Wärme­ flußsensoren 11, 12 kann dann mittels der Wissensbasis auf die Temperatur der vorgegebenen Meßstelle A zurückgerechnet werden.

Beide Lösungen involvieren eine rechnergestützte Auswertung. Im einfachsten Falle ermittelt der Rechner die gesuchten Meß­ werte anhand von Kennfeldern, wobei die Signale der verschie­ denen Meßstellen miteinander korreliert werden können (auch im Sinne von physikalischer Konsistenz der Daten) . Hierbei können Druck- und Geschwindigkeits-Sensoren miteinbezogen werden. Im zweiten Falle hat man einen Mikro-Controller als Recheneinheit, der als Algorithmus ein dynamisches Modell der gesamten Anlage oder der relevanten Teile derselben beinhal­ tet.

Claims (4)

1. Nicht-invasiver Temperatursensor, zur Temperaturüberwachung/-messung im Inneren eines Medi­ ums (2),
mit einem ersten (11) und einem zweiten (12) im wesentli­ chen sich flächig erstreckenden Thermosensor,
wobei dieser erste und der zweite Thermosensor durch ein vorgesehenes Wärmeübergangsmedium (15) voneinander ge­ trennt mit jeweils einer seiner Flächen (11a, 12b) an die­ ses Wärmeübergangsmedium auf dessen einander gegenüberlie­ genden Flächen (15b, 15a) desselben wärmefluß-schlüssig an dieses (15) angrenzend angeordnet sind,
wobei die andere Fläche (12a) des zweiten Thermosensors (12) in wärmefluß-schlüssigem Kontakt mit einer Fläche (30b) eines als Wärmesenke ausgebildet und bemessenen Kör­ pers (30) angeordnet ist, und
wobei die andere Fläche (11b) des ersten Sensors (11) in wärmefluß-schlüssigem Kontakt mit einer Fläche (20a) des Mediums (2, 20) angeordnet ist.

2. Nicht-invasiver Temperatursensor, zur Temperaturüberwachung/-messung im Inneren eines an der Innenseite (20b) einer Wandung (20) angrenzenden Fluid-Me­ diums (2),
mit einem ersten (11) und einem zweiten (12) im wesentli­ chen sich flächig erstreckenden Thermosensor,
wobei dieser erste und der zweite Thermosensor durch ein vorgesehenes Wärmeübergangsmedium (15) voneinander ge­ trennt mit jeweils einer seiner Flächen (11a, 12b) an die­ ses Wärmeübergangsmedium auf dessen einander gegenüberlie­ genden Flächen (15b, 15a) desselben wärmefluß-schlüssig an dieses (15) angrenzend angeordnet sind,
wobei die andere Fläche (12a) des zweiten Thermosensors (12) in wärmefluß-schlüssigem Kontakt mit einer Fläche (30b) eines als Wärmesenke ausgebildet und bemessenen Kör­ pers (30) angeordnet ist, und
wobei die andere Fläche (11b) des ersten Thermosensors (11) in wärmefluß-schlüssigem Kontakt mit der Außenseite (20a) dieser Wandung (20) an dieser angeordnet ist.

3. Verfahren zum Betrieb eines Sensors nach Anspruch 2, bei dem das Wärmeleitvermögen (α) des Fluid-Mediums (2) aus einem Wärme-Atlas entnommen und das Gleichungssystem
dQ/dt = α (T_M-T_i);
im Fluid-Medium 2
T_M = Temperatur des Fluid- Mediums am Ort A
T_i = Temperatur der Rohrwand- Innenseite 20b
dQ/dt = λ₂₀ (T_i-T_a);
in der Rohrwandung 20
T_a = Temperatur der Rohrwand- Außenseite (20a)
dQ/dt = λ₁₅ (T_a-T_REF)
im Wärmeübergangsmedium 15
T_REF = Temperatur der Wärme­ senke
nach dem Temperaturwert (T_M) des Fluid-Mediums (2) am Ort (A) aufgelöst wird.

4. Verfahren zum Betrieb eines Sensors nach Anspruch 2, bei dem das Wärmeleitvermögen (α) des Fluid-Mediums (2) mit Hilfe eines Modells der Anlage ermittelt und das Glei­ chungssystem
dQ/dt = α (T_M-T_i);
im Fluid-Medium 2
T_M = Temperatur des Fluid- Mediums am Ort A
T_i = Temperatur der Rohrwand- Innenseite 20b
dQ/dt = λ₂₀ (T_i-T_a);
in der Rohrwandung 20
T_a = Temperatur der Rohrwand- Außenseite (20a)
dQ/dt = λ₁₅ (T_a-T_REF)
im Wärmeübergangsmedium 15
T_REF = Temperatur der Wärme­ senke
nach dem Temperaturwert (T_M) des Fluid-Mediums (2) am Ort (A) aufgelöst wird.