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Die Erfindung betrifft einen Messfühler für Anordnungen zur Temperaturüberwachung, insbesondere für Sicherheitstemperaturbegrenzer, umfassend mindestens ein Manteltemperaturmesselement, ein Hüllrohr, das als Schutzrohr dient, und einen Thermometeranschlusskopf.
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Anordnungen zur Temperaturüberwachung sind Bestandteil der sicherheitstechnischen Ausrüstung von wärmetechnischen Anlagen. Sie werden überall dort eingesetzt, wo thermische Prozesse sicher überwacht und im Störungsfall die Anlage in einen betriebssicheren Zustand versetzt werden muss. Wird beispielsweise eine zulässige Temperaturgrenze erreicht, oder tritt ein Gerätefehler z.B. in Form eines Netzausfalles innerhalb des zulässigen Temperaturbereiches auf, so muss der Sicherheitstemperaturbegrenzer in Funktion sein und mit einer zugehörigen Elektronik das Gerät sofort abschalten. Liegt keine Störung mehr vor, erfolgt eine Entriegelung. Auf der Basis bestehender Normen wird zwischen Temperaturwächter, Temperaturregler, Temperaturbegrenzer und Sicherheitstemperaturbegrenzer unterschieden.
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Es ist bekannt, dass für sicherheitsbegrenzende Temperaturmessanlagen Temperaturfühler eingesetzt werden, die in den verschiedensten Bauformen ausgeführt sind.
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In der
DE 2 15 278 C2 ist ein Sicherheitstemperaturbegrenzer, insbesondere zur Überwachung von Wärmeerzeugungsanlagen, beschrieben. Hierbei wird ein Mikroschalter und ein in Abhängigkeit von einem Temperatur-Istwert arbeitendes Ausdehnungsthermometer verwendet. Zur Temperaturmessung werden Flüssigkeitstemperaturfühler eingesetzt.
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Ferner ist aus der
DE 1 565 662 A1 ein Sicherheitstemperaturbegrenzer bekannt, bei dem in einem sich ausdehnenden Rohr ein Stabausdehnungsfühler angeordnet ist, der aus zwei Teilen, die unterschiedliche Längenausdehnungswerte aufweisen, besteht.
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Es ist auch bekannt als Temperaturfühler DIN-Widerstandsthermometer oder DIN-Thermoelemente zu verwenden.
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Voraussetzung für ihren Einsatz in Sicherheitstemperaturbegrenzern ist die zertifikationspflichtige Bestätigung der Ausführung, die unter anderem einen fünfzigtausendfachen sicheren Temperaturwechsel im vorgegebenen Temperaturbereich gewährleisten muss.
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In der Regel unterliegen auch sicherheitstechnische Temperaturregeleinrichtungen dem Nachweis der funktionalen Sicherheit. Insbesondere ist es erforderlich, dass in turnusmäßigen Abständen die Funktionsfähigkeit des Gerätes nachgewiesen wird. Hierzu stehen gegenwärtig dem Anwender ausschließlich die folgenden zwei Möglichkeiten zur Verfügung:
- 1. Der Temperaturbegrenzer wird zusammen mit der elektronischen Anlage ausgebaut und in einer separaten Ofen- bzw. Prüfeinrichtung überprüft.
- 2. In der Nähe der Messstelle ist eine zweite Messstelle angeordnet, in der ein geeigneter Kontrollfühler eingebaut werden kann und dessen Signale mit denen des Sicherheitstemperaturbegrenzers verglichen werden.
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Bei der unter Punkt 2 genannten Methode ist nachteilig, dass in flammenbeaufschlagten Ofeneinrichtungen, aber auch in stark durchströmten Heizungseinrichtungen, selbst zwei dicht nebeneinanderliegende Einbaumessstellen Temperaturunterschiede im zwei- bis dreistelligen Bereich aufweisen. Dies ist im Allgemeinen für den Nutzer nicht akzeptabel.
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Aufgrund der beschriebenen Nachteile wird in druckbelasteten Anlagen zur Sicherheitsabschaltung oft zusätzlich ein Drucksignal über eine Druckmessstelle herangezogen, insbesondere wenn der technische Prozess physikalisch die Anwendung der Gasgesetze zulässt. Aber auch hier gilt, dass nur bei homogenen konstanten Bedingungen dem Druckwert ein bestimmter Temperaturwert zugeordnet werden kann. Bei wechselnden Strömungen oder unruhigen Beflammungen wird eine Druckmessstelle nicht den richtig zuordenbaren Druckwert zu dem Temperaturmesswert anzeigen, der über den Sicherheitstemperaturbegrenzer, z.B. in der Mitte des Gasstromes ermittelt wurde. Das bedeutet, dass bei den genannten Einsatzbedingungen das Volumenelement mit den Parametern Druck und Temperatur, die der Druckmessstelle zuordenbar sind, nicht dem Volumenelement mit den Eigenschaften Temperatur und Druck entspricht, welches der Temperaturmessstelle zuordenbar ist. Somit ergeben sich so für den Anwender auch bei dieser Methode nicht akzeptable Temperaturdifferenzen.
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Mit den im Stand der Technik bekannten Methoden ist es deshalb nicht möglich auf einfache und gleichzeitig sichere Weise eine turnusmäßige Kontrolle eines Temperaturbegrenzers nach vorgegebenen Qualitätsvorschriften zu ermöglichen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Messfühler für Sicherheitstemperaturbegrenzer der eingangs genannten Art zu schaffen, der in beliebiger Einbaulage und beliebiger Einbaustelle auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden kann. Optional soll der Druck erfasst werden können und ein Messfühler für Regelzwecke aufgenommen werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Messfühler gelöst, der die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Messfühler enthält ein Hüllrohr, in dem mehrere komplett verschlossene Manteltemperaturmesselemente sowie mindestens ein bodenverschlossenes Leerrohr angeordnet sind. Das Hüllrohr ist am oberen Ende mit einer Deckplatte verschlossen, wobei die Manteltemperaturmesselemente und das Leerrohr durch die Deckplatte hindurchragen und druckdicht mit der Deckplatte verbunden sind. Das Hüllrohr ist mit einem Befestigungsteil verbunden, welches im Thermometeranschlusskopf eingeschraubt ist. Der Thermometeranschlusskopf weist ein Anschlussteil auf, an dem Drahtenden der Manteltemperaturmesselemente angeschlossen sind. Im Anschlussraum des Thermometeranschlusskopfs ist optional ein Gegensteckerteil angeordnet, das mit einem Manteltemperaturmesselement oder einem elektronischen Bauteil elektrisch verbunden ist.
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Das Hüllrohr kann unten verschlossen oder geöffnet sein. Eine Öffnung kann am Boden oder in der Nähe des Bodens seitlich angebracht sein.
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Als Manteltemperaturmesselemente können Mantelthermoelemente oder Mantelwiderstandsthermometer verwendet werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass neben der Kontrollfunktion unter Verwendung des Leerrohrs und neben der Kontrolle des Drucks mit einem Drucksensor noch eine Driftkontrolle durchgeführt wird. Hierzu werden zwei Mantelthermoelemente verwendet, welche verschiedene Thermomaterialien aufweisen und die deshalb ein unterschiedliches Driftverhalten bedingen. Beispielsweise kann ein Mantelthermoelement mit einem Außenmantel aus Inconel 617 und Thermoelementen vom Typ N und ein Mantelthermoelement mit dem Mantelwerkstoff Inconel 600 und Thermoelemente vom Typ K verwendet werden. Der kombinierte Einsatz von unterschiedlichen Mantelthermoelementen hat den Vorteil, dass eine leichte systematische Drift der Mantelthermoelemente stärker sichtbar wird, da die Thermodrähte vom Typ K und die Thermoelemente vom Typ N unterschiedlich driften. Werden zwei Thermoelemente vom Typ N eingesetzt, so ergibt sich bei konstanten Belastungen ein gleicher systematischer Driftanteil. Dieser Driftanteil muss im Allgemeinen ausgetestet sein und wird in Zulassungsunterlagen vermerkt, sodass man diesen Driftwert vorhalten kann. Die Drift eines Thermoelementes ist jedoch nicht nur von der Dauerbelastung an sich abhängig, sondern auch in starkem Maße von lokalen und zeitlichen Temperaturgradienten, deren Ermittlung und Angabe im Vorhinein einen hohen Aufwand erfordern würde. Man muss daher im Allgemeinen bei zwei gleichen Thermoelementen eine gewisse Driftunsicherheit in Kauf nehmen. Werden unterschiedliche Thermoelemente eingesetzt und analysiert man die Driftunterschiede beider Typen, so kann jederzeit mathematisch eine Driftkorrektur über eine vorliegende Temperaturdifferenz erfolgen. Wichtig hierfür ist lediglich, dass vor der Belastung der beiden Thermoelemente bei einer oder mehreren Temperaturen die Signaldifferenzen bestimmt werden. Liegt dann diese Ausgangsdifferenz vor und ist ferner das analysierte Differenzverhalten der beiden Elemente bekannt, so kann über die aktuelle Temperaturdifferenz bei einer Prüftemperatur die mittlerweile eingesetzte Drift bestimmt und korrigiert werden, wobei diese Aufgabe durch eine Elektronik im elektronischen Sicherheitsbegrenzer vorgenommen werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass das Hüllrohr unten offen ist und am oberen Bereich des Hüllrohrs eine seitliche Öffnung angebracht ist, an der radial ein Prozessstutzen mit angeschlossenem Drucksensor angeordnet ist. Damit wird zur zusätzlichen Sicherheit eine temperaturrelevante Druckmessung ermöglicht. Das relativ große Hüllrohr mit den darin liegenden Mantelelementen und dem verschlossenen Leerrohr sichert die Drucksignalerfassung auch bei mittleren Rohrlängen ohne Druckabfall. Bei längeren Hüllrohren kann bei dynamischen Druckbelastungen der Fehler ermittelt werden. Der hintere Sitz des Druckaufnehmers am Anschlusskopf sichert, dass die Einsatztemperatur der Druckmesszellen nicht überschritten wird. Der obere Teil des Hüllrohres, d.h. der Bereich unterhalb des Anschlusskopfes, kann auch mit einem Strahlenschutzteller versehen werden, falls durch den Ofenprozess Strahlungen auf dem Anschlusskopf und dem Druckmessaufnehmer zu erwarten sind.
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Es ist weiterhin möglich, dass das Leerrohr, dessen Hauptfunktion die Aufnahme eines Kontrollfühlers zu bestimmten Kontrollzeitpunkten ist, durch einen mobilen Temperaturfühler besetzt wird. Wird das Leerrohr mit einem mobilen Mantelthermoelement besetzt, befinden sich im normalen Einbaufall bzw. in der normalen Messsituation drei Temperaturfühler im Einsatz. Die Signale der beiden festen Mantelthermoelemente, die oben im Anschlusskopf fest- und druckdicht eingelötet sind, sind vorschriftsgemäß ausschließlich verwendbar für die Sicherheitsfunktion. Das heißt, deren Signale können nicht noch zusätzlich abgezweigt und für reglungstechnische Aufgaben verwendet werden. Signale für die Reglungstechnik kann aber der mobile Temperaturfühler im Hüllrohr anbieten. Seine Signale können über den Anschlusskopf nach außen gegeben werden. Damit im Kontrollfall der mobile Temperaturfühler für die Reglungstechnik bei turnusmäßigen Kontrollmessungen schnell herausgenommen werden kann und stattdessen der Kontrollfühler schnell eingesetzt werden kann, befindet sich im Anschlusskopf eine Steckverbindung, die für diesen Fall schnell gelöst werden kann. Das Signal des mobilen Temperaturfühlers für die Reglungstechnik kann auch über einen Transmitter geleitet werden. In diesem Fall befindet sich die Steckverbindung vor dem Transmitter.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind im Anschlusskopf dicht hinter den Mantelthermoelementen ASIC-Elemente angeordnet, d.h. sie sind mit den freien Enden des Mantelthermoelements verbunden und anschließend im unteren Teil des Thermometeranschlusskopfes eingegossen. Die Ausgänge des ASIC´s sind mit dem Anschlussteil verbunden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der ASIC´s werden digitale Signale ausgegeben. Gegenüber den schwachen analogen thermoelektrischen Spannungssignalen sind die digitalen Signale in Form von z.B. CAN-Bus- oder SENT-Bus-Signalen wesentlich störfreier. Dabei müssen bei ASIC-Einsatz keine teueren Ausgleichsleitungen verwendet werden, sondern eine einfache Signalleitung ist ausreichend. Auch ist es möglich, diese digitalen Signale per Funk weiterzugeben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung des Messfühlers,
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2 eine Ausführung mit Druckmessung und
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3 eine Darstellung der Anordnung bei einem Kontrollvorgang.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch den Messfühler. Der Messfühler enthält ein Hüllrohr 1, das als Schutzrohr dient, und einen Thermometeranschlusskopf 6.
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In der hier dargestellten Ausführung ist das Hüllrohr 1 am unteren Ende, welches in das flüssige oder gasförmige Messmedium hineinragt, verschlossen. Im Hüllrohr 1 sind komplett verschlossene Manteltemperaturmesselemente 2 sowie ein bodenverschlossenes Leerrohr 3 angeordnet. Im dargestellten Beispiel sind ein erstes Manteltemperaturmesselement 2.1 und ein zweites Manteltemperaturmesselemente 2.2 angeordnet. Als Manteltemperaturmesselemente 2 können Mantelthermoelemente oder Mantelwiderstandsthermometer verwendet werden. Das Hüllrohr 1 ist am oberen Ende, also dem Ende, welches dem Messmedium abgewandt ist, mit einer Deckplatte 4 verschlossen. Durch die Deckplatte 4 ragen die Manteltemperaturmesselemente 2 und das Leerrohr 3 hindurch und sind druckdicht mit der Deckplatte 4 verbunden. Am Hüllrohr 1 ist ein Befestigungsteil 5 angebracht, welches im Thermometeranschlusskopf 6 eingeschraubt ist. Das Innere des Thermometeranschlusskopfs 6 bildet einen Anschlussraum 6.1, in dem sich ein Anschlussteil 7 befindet, an dem die Drahtenden der Manteltemperaturmesselemente 2 befestigt sind. Im Anschlussraum 6.1 ist ferner ein Gegensteckerteil 10 angeordnet, das mit dem Stecker eines in das Leerrohr 3 eingebrachten weiteren Manteltemperaturmesselements 2 verbunden ist oder einem elektronischen Bauteil elektrisch verbunden ist. Das Anschlussteil 7 kann als Anschlusssockel oder als Signaltransmitter zur digitalen Signalwandlung oder als ASIC-Baustein ausgebildet sein. Durch die Kabelverschraubung 6.2 am Thermometeranschlusskopf 6 werden Anschlussleitungen nach außen geführt.
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In 2 ist eine Teilansicht des Hüllrohrs 1 für eine Ausführung dargestellt, bei der das Hüllrohr 1 an seinem medienzugewandten Ende offen ist und im oberen Bereich eine seitliche Öffnung aufweist, an der radial ein Prozessstutzen 11 angeordnet ist, der mit einem Drucksensor verbunden werden kann, um eine temperaturrelevante Druckmessung zu ermöglichen. Im unteren Bereich des Hüllrohres 1 kann ein Prozessbefestigungsteil 8 angebracht sein, mit dem der Messfühler im Messmedium befestigt werden kann. Bei der in 2a gezeigten Ausführung sind die unteren Enden (also die in das Prozessmedium ragenden Enden) der Manteltemperaturmesselemente 2.1 und 2.2 sowie des Leerrohrs 3 vollständig vom Hüllrohr 1 umgeben. Bei der in 2b dargestellten Variante ragen die unteren Enden der Manteltemperaturmesselemente 2.1 und 2.2 sowie des Leerrohrs 3 aus dem Hüllrohr 1 heraus. Damit wird ein besserer Kontakt der Temperatursensoren mit dem Messmedium erreicht, was ein verbessertes Ansprechverhalten bewirkt. Dabei drückt das untere Ende des Hüllrohrs 1 leicht an die Manteltemperaturmessfühler 2.1 und 2.2 sowie an des Leerrohr 3, so dass diese Bauteile in ihrer Lage fixiert sind und trotzdem eine infolge von Temperaturunterschieden bedingte Längenänderung ermöglicht wird.
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3 erläutert die Durchführung eines Kontrollvorgangs. Die Kontrolle kann durchgeführt werden, ohne dass der Prozess unterbrochen werden muss. Durch den geöffneten Anschlusskopf 6 wird ein Prüffühler in das Leerrohr 3 soweit eingeführt, dass sein Messelement den Boden des Leerrohrs 3 berührt. Die vom Prüffühler ermittelten Temperaturwerte werden mittels einer Verbindungsleitung 12 einer Auswerteeinheit 13 zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hüllrohr
- 2
- Manteltemperaturmesselement
- 2.1
- erstes Manteltemperaturmesselement
- 2.2
- zweites Manteltemperaturmesselement
- 3
- Leerrohr
- 4
- Deckplatte
- 5
- Befestigungsteil
- 6
- Anschlusskopf
- 6.1
- Anschlussraum des Anschlusskopfs
- 6.2
- Kabelverschraubung am Kopf
- 7
- Anschlussteil
- 8
- Prozessbefestigungsteil
- 9
- ASIC-Bauteil
- 10
- Gegensteckerteil
- 11
- Prozessstutzen
- 12
- Verbindungsleitung
- 13
- Auswerteeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 215278 C2 [0004]
- DE 1565662 A1 [0005]
