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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Thermometer mit mindestens einem auf einem Trägerkörper angeordneten thermischen Messelement zur Umsetzung einer Temperatur in ein elektrisches Messsignal, das durch elektrische Anschlussleitungen abgreifbar ist.
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Derartige Thermometer weisen mindestens einen Temperatursensor auf, welcher als Messeffekt vor allem die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes bestimmter Materialien nutzen, werden in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt. So finden sich Temperatursensoren der hier interessierenden Art unter anderem in der Lüftungs- und Klimatechnik oder in der Verfahrenstechnik zur Messung der Temperatur strömender Fluide. Hier werden Temperatursensoren mit Schutzrohr vor allem im Behälter- und Rohrleitungsbau eingesetzt.
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Eine steuerungstechnische Anbindung wird meist über Bussysteme, wie FOUNDATION Field Bus, PROFIBUS PA oder HART durchgeführt. Neben den am meisten verbreiteten Widerstandselementen als thermische Messelemente existieren auch andere Thermoelemente, welche die Temperatur in ein elektrisches Signal umsetzen. Üblicherweise wird das elektrische Signal des thermischen Messelementes in einen Transmitter durch elektronische Mittel in ein Normsignal transformiert und an die übergeordnete Steuerung weitergeleitet.
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Aus der
DE 38 12 195 A1 geht ein gattungsgemäßer Temperatursensor hervor. Ein rohrförmiger Trägerkörper ist von einer Folie umgeben, auf welcher in Umfangsrichtung mäanderförmig eine Leiterbahn aufgedruckt ist. Während der rohrförmige Trägerkörper aus Keramik besteht, ist die aufgedruckte Leiterbahn aus Platin. Die Leiterbahnstruktur ist durch eine elektrisch isolierende Glasur geschützt. Der rohrförmige Trägerkörper mit dem thermischen Messelement ist in einem rohrförmigen Gehäuse über Abstandhalter zur Innenwandung desselben geschützt untergebracht. Die Temperatur eines das thermische Messelement umströmenden Mediums wird hierauf übertragen. Diese Temperatur wird durch Messen des Widerstandes der Leiterbahn ermittelt.
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Für den Betrieb eines derartigen Temperatursensors wird eine elektrische Spannungsversorgung benötigt. Ist der Temperatursensor an einem Datenbus angeschlossen, so kann diese Spannungsversorgung über die eingesetzten Messleitungen per Datenbus erfolgen. Ansonsten sind separate Spannungsversorgungsmodule, welche mit einem externen elektrischen Stromnetz verbunden sind, erforderlich. Ist ein autonomer Betrieb des Temperatursensors gewünscht, so kommen hierfür meist wiederaufladbare Batterien zum Einsatz.
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Nachteilig bei einer Spannungsversorgung über Messleitungen eines Datenbusses ist der hiermit verbundene Verkabelungsaufwand und insbesondere ist die entnehmbare Leistung bei herkömmlichen Datenbussen auf nur einige Milliwatt beschränkt. Wird einen Verkabelungsaufwand vermeidend stattdessen auf lokale Batterien zurückgegriffen, so erweist sich eine begrenzte Batteriekapazität und der Aufwand für die Überwachung und Austausch gebrauchter Batterien als hinderlich.
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In der
DE 10 2005 059 759 A1 ist ein Energiegenerator als Alarmsensor beschrieben, bei dem ein Temperatursensor unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts zur Energieerzeugung verwendet wird, wobei der Energiegenerator den Messwandler selbst darstellt und die erzeugte Energie ein Maß für die Messgröße ist.
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Aus der
DE 10 2006 005 596 B4 ist ein Dünnschicht-Thermoelement bekannt, das aus einer Mehrzahl von Thermopaaren aufgebaut und zur thermoelektrischen Energiewandlung in Thermogeneratoren geeignet ist.
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Der
DE 696 10 516 T2 ist ein thermoelektrischer Leistungsgenerator entnehmbar, der eine Vielzahl von Thermoelementen in Serienschaltung aufweist.
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In der
US 3,751,798 ist ein Herstellungsverfahren für eine Thermosäule auf Folien verschiedener Materialien beschrieben, die unter Berücksichtigung von Ausschnitten zusammengefügt werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Thermometer mit einem Temperatursensor für industrielle Anwendungen zu schaffen, welcher in technisch einfacher Weise mit einer zuverlässigen autonomen Spannungsversorgung ausgestattet ist.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Thermometer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung geht aus von einem für sich bekannten Thermometer mit mindestens einem am Ende eines Trägerkörpers angeordneten Temperatursensor zur Umsetzung einer Temperatur in ein elektrisches Messsignal, das durch elektrische Anschlussleitungen abgreifbar ist. Die Anschlussleitungen sind an einen Messumformer geführt, der am entgegengesetzten Ende des Trägerkörpers angeordnet ist. Der Trägerkörper ragt teilweise, mit seinem sensortragenden Ende durch eine Gefäßwand in ein Prozessgefäß hinein, während der den Messumformer tragende Teil aus dem Prozessgefäß heraussteht.
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Erfindungsgemäß ist der Trägerkörper mit einer für sich bekannten Thermosäule bestehend aus einer Mehrzahl Thermoelemente ausgestattet, deren benachbarte Thermoelemente sich auf entgegengesetzten Seiten der Gefäßwand befinden. Somit ist jedes zweite Thermoelement innerhalb des Prozessgefäßes angeordnet und jedes dazwischenliegende Thermoelement außerhalb des Prozessgefäßes, wodurch das gesamte Temperaturgefälle zwischen dem prozessmedial geprägten Inneren des Prozessgefäßes und der Umgebung energetisch an der Thermosäule wirksam wird. An der Thermosäule wird eine Spannung abgegriffen, aus der der Messumformer sowie der Temperatursensor gespeist werden.
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Die Erfindung schließt dabei die technische Lehre ein, dass zur Spannungsversorgung des Temperatursensors eines Thermometers ein unmittelbar benachbart hierzu ebenfalls am Trägerkörper angebrachter Generator zum Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie vorgesehen ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, dass die zum Betrieb des Temperatursensors benötigte elektrische Leistung aus der Umgebung selbst generiert wird. Im Fall autonomer Temperatursensoren können anfällige und wartungsaufwendige Batterielösungen entfallen. Außerdem können durch die Kombination einer Versorgungseinheit aus der Umgebungsenergie mit einer herkömmlichen Versorgung, beispielsweise über Datenbus, mögliche Leistungsengpässe überwunden werden. Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich zu dem platzsparend bei Temperatursensoren herkömmlicher Bauform integrieren.
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Darüber hinaus gestattet die kompakte Bauform einen einfachen Austausch des Messeinsatzes während des Betriebes.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Thermosäule rohrförmig ausgebildet und umgreifend auf dem Trägerkörper befestigt.
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Der Trägerkörper bildet mit dem Messumformer, dem Temperatursensor und der Thermosäule einen wechselbaren Messeinsatz.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Messeinsatz in einem Schutzrohr untergebracht, das den Messeinsatz von dem Prozessmedium in dem Prozessgefäß trennt. Um eine möglichst hohe Spannung trotz der herrschenden engen baulichen Bedingungen des Trägerkörpers zu erzielen, wird gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgeschlagen, dass das thermische Messelement in Längsrichtung des Trägerkörpers eine örtliche erste Zone mit einer örtlichen zweiten Zone verbindet, zwischen denen eine den Energieumwandlungseffekt bewirkende Temperaturdifferenz herrscht. Je höher die hierdurch erzielbare Temperaturdifferenz ist, umso höher ist der Wirkungsgrad einer elektrischen Spannungserzeugung.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Thermosäule zwischen den benachbarten Thermoelementen mit einer thermischen Isolierschicht umgeben. Diese kann aus einem Kunststoffmaterial bestehen, welches schlauchförmig über das thermische Messelement geschoben ist. Hierdurch wird eine Verbesserung des Energieumwandlungseffekts erzielt.
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Eine weitere Verbesserung des Messeffekts lässt sich dadurch erzielen, dass das thermische Messelement seitens des Messkopfes mit einem vorzugsweise gerippten Kühlkörper aus Metall bestückt wird. Hierdurch wird die erste Zone der kleineren Temperatur, welche durch die Umgebung gebildet wird, unterstützt.
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Während der Messkopf des Temperatursensors dem elektrischen Anschluss des elektrischen Messelements und vorteilhafterweise auch einer Signalaufbereitung dient, ist der Messkörper als ein von dem zu messenden Medium umströmtes Messrohr aus Metall ausgebildet, welches sich vom Messkopf aus vorzugsweise in eine Leitung oder in einen Behälter hinein erstreckt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Thermosäule besteht diese aus mehreren auf einer Folie aufgebrachten Thermoelementen, die elektrisch über Leitungen miteinander verbunden sind. Bei einer solchen Anordnung können die Thermoelementen aus auf die Folie aufgedruckten organischen Materialien bestehen, welche ausgewählt sind aus einer Gruppe, umfassend: hochdotierte konjugierte Polymere oder quasi – eindimensionale organische Kristalle. Diese organischen Materialien eignen sich fertigungstechnisch zu der hier vorgeschlagenen Folienbauweise.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Thermometers mit autonomer Spannungsvorsorgung,
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2 eine schematische Ansicht einer auf einer Folie aufgebrachten Thermosäule.
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Gemäß 1 besteht des Thermometer im Wesentlichen aus einem rohrförmigen Trägerkörper 1, der in ein Schutzrohr 12 eintaucht, das durch eine Gefäßwand 8 in ein Prozessgefäß 5 hineinragt. An dem in das Prozessgefäß 5 hineinragenden Ende des Trägerkörpers 1 ist ein Temperatursensor 2 angebracht und mit nicht dargestellten Anschlussleitungen an einen Messumformer 3 angeschlossen, der sich am entgegengesetzten Ende des Trägerkörpers 1 außerhalb des Prozessgefäßes 5 befindet.
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Der Messumformer 3 dient der elektrischen Signalaufbereitung und -weiterleitung und enthält insoweit eine – nicht weiter dargestellte – Elektronikeinheit zur Erfüllung dieser Funktion. Innerhalb des Messumformers 3 sorgt die hierin integrierte Elektronikeinheit für die Umwandlung des Messsignals des Temperatursensors 2 in ein Normsignal, das von außen abgreifbar ist.
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Zur Energieversorgung des Messumformers 3 und des angeschlossenen Temperatursensors 2 ist ein thermoelektrischer Generator in Form einer für sich bekannten Thermosäule 7 auf dem Trägerkörper 1 angeordnet. Die Thermosäule 7 besteht aus einer Mehrzahl von Thermoelementen 10, die in Reihe geschaltet sind. Dabei ist die Thermosäule 7 so auf dem Trägerkörper 1 angeordnet, dass sich benachbarte Thermoelemente 10 auf entgegengesetzten Seiten der Gefäßwand 8 befinden. Demnach ist jedes zweite Thermoelement 10 innerhalb des Prozessgefäßes 5 und jedes dazwischenliegende Thermoelement 10 außerhalb des Prozessgefäßes 5 angeordnet.
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Auf diese Weise verbindet die Thermosäule 7 in Längsrichtung des Trägerkörpers 1 eine örtliche erste Zone, die benachbart zum Messumformer 3 angeordnet ist, mit einer örtlichen zweiten Zone, welche innerhalb des Prozessgefäßes 5 angeordnet ist. Zwischen den beiden Zonen besteht eine Temperaturdifferenz, da die erste Zone ortsnah zum Messumformer 3 angeordnet ist, welcher sich außerhalb des Messmediums befindet, wogegen die zweiten Zone sich im zu messenden Medium befindet, welches eine demgegenüber höhere Temperatur aufweist.
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Zur Erhöhung der gewünschten Temperaturdifferenz zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone ist seitens des Messumformers 3 ein aus Leichtmetall bestehender gerippter Kühlkörper 6 aufgebracht.
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In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist die Thermosäule 7 rohrförmig ausgebildet und umgreifend auf dem Trägerkörper 1 befestigt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Thermosäule 7 teilweise von einer thermischen Isolationsschicht 4 aus Kunststoff überzogen, so dass die beidseitigen Enden frei bleiben und an diesen Stellen die Temperaturdifferenz zwischen dem Messmedium und der Umgebungstemperatur einwirkt.
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Gemäß 2 kann die Thermosäule 7 auch basierend auf einer Folie 9 hergestellt werden, in dem hierauf Thermoelemente 10 aufgebracht sind und über elektrische Leitungen 11 miteinander elektrisch verbunden sind. Die einzelnen Thermoelemente 10 sind auf der Folie 9 angeordnet und bestehen aus aufgedruckten organischen Materialien, hier einem hochdotierten konjugierten Polymer.
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Die Folie 9 wird derart um den – nicht weiter dargestellten – rohrförmigen Trägerkörper 1 gewickelt, das sich die eine Hälfte der Thermoelemente 10 in der heißen, ersten Zone und die andere Hälfte der Thermoelemente 10 sich in der kühleren, zweiten Zone befindet. Auf diese Weise entsteht ein thermoelektrischer Generator mit einem hohen Wirkungsgrad.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trägerkörper
- 2
- Temperatursensor
- 3
- Messumformer
- 4
- Isolationsschicht
- 5
- Prozessgefäß
- 6
- Kühlkörper
- 7
- Thermosäule
- 8
- Gefäßwand
- 9
- Folie
- 10
- Thermoelement (exemplarisch)
- 11
- Leitungen
- 12
- Schutzrohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3812195 A1 [0004]
- DE 102005059759 A1 [0007]
- DE 102006005596 B4 [0008]
- DE 69610516 T2 [0009]
- US 3751798 [0010]
