DE202020100959U1

DE202020100959U1 - Prozessdichtung mit integrierten thermoelektrischen Temperaturmessstellen

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Publication number: DE202020100959U1
Application number: DE202020100959.1U
Authority: DE
Original assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Current assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2020-05-04
Anticipated expiration: 2030-02-22
Also published as: DE102020104648A1

Abstract

Prozessdichtung an Rohrleitungselementen mit integrierten Thermoknoten (4.1 bis 4.5) zur Temperaturermittlung und Selbstdiagnose, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtungsring (1), der sich zwischen einer Verbindung zweier Rohrleitungselemente einer Rohrleitung befindet, thermoelektrische Strukturen in einer Ebene aufweist, die mehrfach unsymmetrisch kreisförmig oder teilkreisförmig ausgebildet sind und aus einem ersten Thermomaterial (a) und einem zweiten Thermomaterial (b) bestehen, welche mindestens drei Thermopaare (T1... T5, Ti, Tu) mit bekannter Temperatur-Spannungs-Abhängigkeit bilden, wobei
- das erste Thermomaterial (a) und das zweite Thermomaterial (b) mehrere Thermoknoten (4) bilden, welche in Umfangsrichtung des Dichtungsrings (1) angeordnet sind, wobei
- elektrische Anschlussleitungen (6) von den Thermoknoten (4) parallel zum Dichtungsring (1) zu einem Anschlussbauteil (S) am Außenrand des Dichtungsrings (1) und von diesem nach außen geführt sind und in Parallel-, Reihen und/oder Differenzschaltungen elektrisch verbunden sind, und dort kombinierte thermoelektrische Spannungssignale ergeben, die zur Temperaturmessung und/oder Fehlerkorrektur und/oder Selbstdiagnose verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prozessdichtung für Verbindungen von Rohrleitungselementen mit integrierten thermoelektrischen Messstellen.
Thermoelektrische Temperaturmessstellen, die in bzw. an Rohrleitungen bestehen, sind zahlreich in der chemischen Industrie, im Maschinenbau sowie im Lebensmittel- und im Pharmaziebereich vorhanden.
Bezüglich des Anbaus bzw. Einbaus der Temperaturfühler unterscheidet man zwischen invasiven und nichtinvasiven Fühlern.
Die invasiven Fühler ragen direkt in das Medium hinein, so dass die Fühlerspitze vom gasförmigen bzw. flüssigen Medium direkt berührt wird. Diese Fühler werden als Berührungsthermometer bezeichnet.
Im Allgemeinen verfügen diese Fühler über ein sogenanntes Schutzrohr, welches durch einen Prozessanschluss in die Rohrleitung und somit in den freien Strömungsquerschnitt der Rohrleitung eingeführt wird. Der Temperatursensor des Temperaturmessfühlers wird dabei von dem innerhalb der Rohrleitung befindlichen Medium umströmt. Daher kann eine präzise Messung der Medientemperatur durchgeführt werden. Allerdings kann der in den freien Strömungsquerschnitt hineinragende Messfühler das Strömungsverhalten der Rohrleitung negativ beeinflussen. Die Auslegung und Ausführung dieser Art der Messstelle ist überdies sehr aufwendig und insbesondere bei nachträglicher Installation äußerst kostenintensiv.
Beispielsweise ist in DE 102 36 036 A1 ein Hochtemperatursensor beschrieben, der ein Schutzrohr und einen Prozessanschluss aufweist, wobei ein das Messelement enthaltenes Schutzrohrteil in das Medium hineinragt und ein äußeres Schutzrohrteil die äußeren Anschlussleitungen aufnimmt. Das Medium, dessen Temperatur ermittelt werden soll, befindet sich beispielsweise in einer Rohrleitung. Ein elektrischer Anschluss ist die Koppelstelle der im Gehäuse verlaufenden Innenleitungen mit den äußeren Anschlussleitungen.
Eines der vielen Einsatzgebiete ist die Abgastemperaturmessung, bei der Temperaturmessstellen mit erhöhten mechanischen und thermischen Belastungen, die z.B. in Abgaskanälen von Verbrennungsmotoren auftreten, vorhanden sind. Nachteilig ist dabei, dass diese Temperaturfühler in engen Rohrleitungen nicht eingesetzt werden können und insbesondere einen speziellen die Rohrleitung durchdringenden Prozessanschluss, wie z.B. Flanschanschluss usw., benötigen. Meistens ist es sehr nachteilig, wenn der in das Medium hineinragende Temperaturfühler die Strömung beeinflusst.
Die nichtinvasiven Messstellen sind im Gegensatz zu den invasiven Messanordnungen nachträglich leicht zu installieren. Sie werden durch sogenannte Anlegetemperaturfühler realisiert. Insbesondere bei Nutzung der Molch-Reinigungstechnologie und für Messungen an engen Rohren werden sie verwendet. Sie verursachen aber einen höheren Temperaturmessfehler. Zur Verringerung des Messfehlers bei Anlegefühlern ist aus DE 102 27 454 A1 ein Temperaturfühler bekannt, bei dem in einem speziellen Anlegeteil ein Temperatursensor angeordnet ist. Der Fühler weist ein Anlegeteil mit einer Wärmeleitfolie auf.
In DE 10 2015 110 977 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der in einem Dichtungsteil ein Sensor integriert ist. Das Dichtungsteil kann insbesondere eine Siebdichtung sein. Nachteilig ist insbesondere, dass der Sensor in der Dichtung die Fluidleitung bzw. das Rohr nicht vollständig umschließt und so bei unsymmetrischen Strömungsprofilen stark fehlerhaft misst.
In DE 10 2007 006 521 A1 ist eine Flachdichtung vorgestellt, in der auf einer Materiallage ein Dünnschicht-Sensor aufgebracht ist. Die Sensoren liegen von der Rohrdurchgangsöffnung weit entfernt und umschließen diese nicht. Daher entsteht zumindest ein für die Temperaturmessung beachtenswerter Messfehler.
Eine Dichtung mit integrierten Temperatursensoren ist aus WO 2015/147949 A1 bekannt. Die in die Flachdichtung eingelegten Sensoren messen punktuell und erfassen nur bei idealer Strömung, langer Messzeit und bei idealer äußerer Isolation der Messstelle die Temperatur richtig. Im anderen Fall entstehen Messfehler.
Grundsätzlich besitzen die oben genannten Anordnungen einen oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Nachteile:

- die Anordnung ist bruch- und abrasionsempfindlich, insbesondere bei Medien mit Feststoffanteilen,
- die Anordnung ist nicht drucksicher,
- die Anordnung besitzt keinen ausreichenden oder nur sehr kostenintensiven Isolationsschutz,
- die Temperatur wird sehr ungenau gemessen und
- Strömungs- bzw. Füllgradverhältnisse im Rohr werden nur unzureichend beachtet oder diagnostiziert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prozessdichtung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zur Temperaturermittlung und Selbstdiagnose zu verbessern.
Insbesondere soll die Prozessdichtung so eingebaut werden können, dass keine Minderung der Dichtungseigenschaft eintritt. Weiterhin sollen eine Überwachung der Temperaturbelastung der Dichtung und eine Korrektur des statisch thermischen Messfehlers und/oder eine Kontrolle der Rohrfüllung möglich sein. Es sollen nur geringe Fehlereinflüsse durch Druckeinwirkung sowohl vom Medium als auch vom Befestigungsstatus (z.B. der Flanschbefestigung) bestehen und letztlich soll die Montagetechnologie kostengünstig gestaltbar sein.
Die Aufgabe wird durch eine Prozessdichtung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße thermoelektrische Prozessdichtung wird an einer Verbindungsstelle zweier Rohrleitungselemente, vorzugsweise zwischen zwei Flanschhälften, eingebaut.
Die Prozessdichtung verfügt über einen Dichtungsring, der sich zwischen einer Verbindung zweier Rohrleitungselemente einer Rohrleitung befindet, elektrisch leitende Strukturen aufweist, welche kreisförmig oder teilkreisförmig ausgebildet sind und aus einem ersten Thermomaterial a und einem zweiten Thermomaterial b besteht. Die elektrisch leitenden Strukturen bilden mindestens drei Thermopaare mit bekannter Temperatur-Spannungs-Abhängigkeit. Das erste Thermomaterial a und das zweite Thermomaterial b bilden mehrere Thermoknoten, welche in Umfangsrichtung am Dichtungsring angeordnet sind, wobei elektrische Anschlussleitungen der Thermoknoten in einem Anschlussbauteil nach außen geführt sind und in Parallel- Reihen- und/oder Differenzschaltungen elektrisch verbunden sind. Der Dichtungsring kann von einer Isolierschicht umgeben sein. Die Prozessdichtung kann bei Flanschdichtungen und bei Schraubverbindungen, wie z. B. Verbindungen mit Überwurfmutter, verwendet werden.
Die Prozessdichtung kann so in eine Verbindungsstelle eingebaut werden, dass keine Minderung der Dichtungseigenschaft eintritt. Weiterhin sind eine Überwachung der Temperaturbelastung der Dichtung und eine Korrektur des statisch thermischen Messfehlers und/oder eine Kontrolle der Rohrfüllung möglich. Es bestehen nur geringe Fehlereinflüsse durch Druckeinwirkung sowohl vom Medium als auch vom Befestigungsstatus (z.B. der Flanschbefestigung). Ferner wird eine kostengünstige Montagetechnologie ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Ausführung weist der Dichtring elektrisch leitenden Strukturen auf, wobei ein Thermomaterial a oder b im inneren Scheibenbereich und das andere Thermomaterial b oder a im äußeren Scheibenbereich des Dichtungsrings angeordnet ist.
Es sind sowohl Ausführungen möglich, bei denen der innere Scheibenbereich mit dem Thermomaterial b geschlossen ist, als auch Ausführungen, bei denen der innere Scheibenbereich geteilt ist.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass drei Anschlüsse des äußeren Scheibenbereichs von drei Thermoknoten, die in nahezu gleichem Abstand an einer ersten Hälfte des Umfangs verteilt sind, und von diesen materialspezifische Verbindungen zu einem Anschlusselement im Anschlussbauteil geführt sind. In einer zweiten Hälfte des Dichtungsrings sind zwei weitere Thermoknoten angeordnet, wobei sich ein Thermoknoten im oberen Teil und der andere Thermoknoten im unteren Teil des Halbrings befinden und auch diese Thermoknoten mit Anschlussstellen im Anschlussbauteil verbunden sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leiter auf dem inneren Scheibenbereich geteilt. Dabei sind an einer Hälfte des inneren Scheibenbereichs drei Thermoknoten in nahezu gleichem Abstand am Umfang verteilt, die mit Anschlussstellen im Anschlussbauteil verbunden sind. An der gegenüberliegenden Hälfte des inneren Scheibenbereichs ist ein weiterer Thermoknoten unten im Scheibeninneren angeordnet. Die Thermomaterialien der unteren Thermoknoten sind mit Anschlussstellen im Anschlussbauteil verbunden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Anschlussleitungen von der Anschlussstelle zum äußeren und inneren Scheibenbereich, an denen Thermoknoten, welche zur Mittelwertbildung dienen, angeordnet sind, unterschiedlich breit gestaltet, wobei das Längen-Breiten-Verhältnis bei den drei Thermoknoten gleich ist, oder für die Leitungen von Anschlussstellen zu den zugehörigen Thermoknoten die Verhältnisse von mittleren Querschnitt der einzelnen Leitungen zu ihrer Länge proportional sind.
Ferner ist es möglich, dass der innere Scheibenbereich und der äußere Scheibenbereich jeweils aus zwei Halbringen bestehen, die sich im Bereich des Anschlussbauteils überlappen. Im Anschlussbauteil erfolgt hierbei eine elektrische Verschaltung der beiden thermoelektrischen Halbringe, so dass Thermoknoten auf einer Seite des Scheibenbereichs elektrisch parallel zu auf der anderen Seite des Scheibenbereichs angeordneten Thermoknoten (4.4, 4.5) verschaltet sind.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Dichtungsring aus einem elastischen Ring und einer in diesen eingefügten Trägerscheibe besteht, wobei auf der Trägerscheibe die elektrisch leitenden Strukturen angeordnet sind. Der elastische Ring befindet sich zwischen zwei Flanschteilen einer Rohrleitung, welche mit Hohlkehlen versehen sind, die mit der Oberfläche des elastischen Rings korrespondieren. Der elastische Ring besteht beispielsweise aus Silikon oder Viton. Er kann auf die Trägerscheibe aufgespritzt sein.
Flanschdichtungen mit elastischen Ringen werden vorzugsweise in der Lebensmittelindustrie verwendet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Trägerscheibe aus dem zweiten thermischen Material b und im elastischen Ring befindet sich ein gebördelter Ring aus dem ersten thermischen Material a, in den die Trägerscheibe hineinragt.
Ferner ist es möglich, dass sich im elastischen Ring ein Scheibenmaterial aus dem ersten thermischen Material a befindet, welches mit der Trägerscheibe im Kontakt steht.
Bei weiteren vorteilhaften Ausführungen befindet sich im elastischen Ring mindestens ein isolierter Drahtring aus dem ersten thermischen Material a, der mit der Trägerscheibe an den Thermoknoten im Kontakt steht.
Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen sich im elastischen Ring mehrere isolierte Drähte aus den beiden thermischen Materialien a und b befinden, die an versetzt angeordneten Thermoknoten mit der Trägerscheibe in Kontakt stehen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung besteht die Trägerscheibe aus dem ersten thermischen Material a und weist innerhalb des elastischen Rings eine Mulde auf, in der mindestens ein Thermoleiter aus dem zweiten Thermomaterial b verläuft und an einer Stelle einen Thermoknoten mit dem Material a bildet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Trägerscheibe mit einem elektrisch isolierenden Material umspritzt. Die Umspritzung weist im inneren Bereich eine wulstförmige Verdickung auf, welche den elastischen Dichtring bildet. Die Thermodrähte bilden an mehreren Stellen Thermoknoten, deren Anschlüsse nach außen geführt werden.
Ferner ist es möglich, dass der Dichtungsring in Form einer metallischen Hohlscheibe ausgebildet ist, welche aus einer oberen Teilscheibe und einer unteren Teilscheibe besteht, die durch einen Steg verbunden sind. In der Hohlscheibe sind thermoelektrische Strukturen angeordnet, die aus Mantelthermoelementen bestehen, wobei die Mantelthermoelemente an diskreten, beabstandeten Stellen an der Hohlscheibe angeheftet sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung besteht der Dichtring aus einem äußeren Trägerring aus niedrig wärmeleitenden Material und einem konzentrisch dazu angeordneten inneren Trägerring. Zwischen den Trägerringen verlaufen thermoelektrische Leitungen von Thermopaaren, deren Enden Thermoknoten bilden. Die Thermoknoten im inneren Trägerring befinden sich in Noppen, die in das Rohrinnere hineinragen. Die thermoelektrischen Leitungen der Thermopaare werden an einer Stelle am Umfang des Dichtrings gemeinsam nach außen geführt. Die thermoelektrischen Leitungen der Thermopaaren sind vorteilhaft als Mantelthermoelemente ausgebildet.
In den Noppen können metallische Stifte eingefügt sein, von denen ein Ende in das Innere des Rohrs ragt und das andere Ende in Kontakt zu einem Thermoknoten steht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 eine Ausführung, bei der die innere Materialanordnung einen geschlossenen Ring bildet,
2 eine Ausführung mit geteilter inneren Materialanordnung,
3 eine Ausführung mit sich im Anschlussbereich überlappenden Scheibenthermoelementen,
4A bis 4E eine Ausführung mit einem elastischen Ring als Dichtung,
5 eine Ausführung mit umspritzter Trägerscheibe,
6 eine Ausführung mit elastischem Ring und Trägerscheibe mit vernetzten Thermodrähten,
7 ein Schaltungsbeispiel der elektrischen Leiterstrukturen,
8 eine Ausführung mit elastischem Ring und gelaserten Leiterstrukturen auf der Trägerscheibe,
9 eine Ausführung, bei der der Dichtungsring als metallische Hohlscheibe ausgebildet ist,
10 eine Ausführung mit konzentrisch angeordneten Trägerringen in einer Hohlscheibe und
11 eine Ausführung mit Noppen am inneren Trägerring, in denen metallische Stifte angebracht sind.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Gemäß 1 weist die Flanschdichtung einen äußeren Scheibenbereich 2 mit dem Thermomaterial a und einen inneren Scheibenbereich 3 mit dem Thermomaterial b auf, welche Thermopaare mit bekannter Temperatur-Spannungs-Abhängigkeit bilden. Der innere Scheibenbereich 3 mit dem Thermomaterial b bildet in der hier dargestellten Ausführung einen vollständig geschlossenen Ring. Der äußere Scheibenbereich 2 mit dem Thermomaterial a besteht aus unterschiedlich langen ringförmigen Streifen, die an verschiedenen Stellen mit dem Thermomaterial b verbunden sind. Diese Verbindungen bilden die Thermoknoten 4.1 bis 4.5. Linksseitig sind drei Thermoknoten 4.1, 4.2 und 4.3 nahezu gleich am Umfang verteilt. Rechtsseitig befinden sich zwei Thermoknoten 4.4 und 4.5 oben und unten in der Rohrwandung bzw. im Scheibeninneren. Die Innenwiderstände der thermoelektrischen Sensorquellen sind gleich groß gestaltet, um eine genaue Mittelwertbildung zu erreichen. Hierzu sind die Breiten der Scheibenbereiche 2, 3, die jeweils gemeinsam eines der drei zu mittelnden Thermopaare T1, T2 und T3 bilden, unterschiedlich breit gestaltet. Das Längen-Breiten-Verhältnis sollte bei den drei Teilthermopaaren T1, T2, T3 gleich sein, so dass sich jeweils gleiche Widerstände in den Teilthermokreisen einstellen.
Die Scheibenanordnung ist mit einer Isolierschicht 5 versehen. Im Anschlussbauteil S werden die elektrischen Anschlussleitungen 6 elektrisch weitergeführt zu einer Auswerteelektronik oder zu einer Transmitteranordnung.
Nach der Isolierung der Scheibenanordnung mit einem als Isolierschicht 5 ausgeführten Schichtüberzug kann diese in eine metallische Dichtungsfassung einmontiert werden. Eine derartige Ausführung ist insbesondere für Hochdruckanlagen geeignet.
Grundsätzlich ist auch eine Erhöhung der Anzahl der Thermoknoten 4.1, 4.2, 4.3 in der linksseitigen Thermoelementanordnung möglich.
Die elektrischen Anschlüsse von drei Thermoknoten 4.1, 4.2, 4.3 werden im Anschlussbauteil S elektrisch so zusammengeführt, dass eine Parallelschaltung entsteht. In diesem Fall stellt die Thermospannung der Parallelschaltung den Mittelwert der an den drei Thermoknoten 4.1, 4.2, 4.3 ermittelten Temperaturen dar.
Wie aus 2 ersichtlich ist, kann die einteilige Leiteranordnung gemäß 1 auch zweiteilig ausgeführt werden. In diesem Fall geht der geschlossene Scheibenbereich im Inneren verloren, jedoch ist eine zweiteilige Anordnung günstiger in eine metallische Dichtungsfassung einzumontieren. Die Zweiteilung wird durch Auftrennung elektrischer Strukturen auf der Scheibe an der dem Anschlussbauteil S gegenüberliegenden Seite erreicht.
Die Scheibenanordnung weist linksseitig eine thermoelektrische Anordnung gemäß der in 1 gezeigten Ausführung auf. Die rechtsseitige Anordnung weist eine thermoelektrische Differenzanordnung auf, wobei ein Thermoknoten 4.i (z.B. an der Scheibenunterseite) dicht an der Innenseite der Scheibe angeordnet ist und der zweite Thermoknoten 4.u sich im Anschlussbereich, der die Umgebungstemperatur T_u aufweist, befindet. Die Differenzanordnung misst die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermoknoten 4.i und 4.u, d.h. die Temperaturdifferenz T_i - T_u (Temperaturdifferenz zwischen Innentemperatur T_i und Umgebungstemperatur T_u ). Statt des Thermoknotens 4.u des Thermopaares Tu kann auch ein Widerstandstemperaturfühler eingesetzt werden und die Signaldifferenz von 4.i und dem Widerstandstemperaturfühler gebildet werden.
Diese Temperaturdifferenz ist ursächlich für den bei Scheibenthermoelementen entstehenden statisch-thermischen Messfehler. Über einen separat zu ermittelnden Korrekturfaktor K kann dieser statisch-thermische Messfehler näherungsweise korrigiert werden. Stellt T_K den korrigierten Messwert dar, so erhält man diesen auf der Basis der vorliegenden Messwerte T₁ , T₂ und T₃ aus der Beziehung T_M = (T₁ + T₂ + T₃) / 3 sowie (T_i - T_u) gemäß T_K = T_M + K (T_i - T_u), z.B. mit K = 0,1.
Das in 3 dargestellte Scheibenthermoelement besteht aus zwei Teilen, die sich im Bereich des Anschlussbauteils S überlappen. Im Anschlussbauteil S erfolgt eine elektrische Verschaltung der beiden thermoelektrischen Halbringe, so dass die linksseitige Thermopaarschaltung elektrisch parallel zur rechtsseitigen Thermopaarschaltung liegt.
Da die Thermopaarschaltungen der jeweiligen Thermopaare auch parallel erfolgen, d.h. drei parallele linke Thermopaare und zwei parallele rechte Thermopaare, entsteht eine Parallelgesamtschaltung und es wird rund um den Innendurchmesser die Temperatur gemittelt.
Es ist jedoch auch möglich, die linke und die rechte Thermopaar-Anordnung getrennt auszuwerten, so dass eventuell waagerechte bzw. seitliche Temperaturgefälle im Rohr erkannt werden können.
In 4 ist eine Ausführung dargestellt, bei der als dichtendes Element ein elastischer Dichtring 7 verwendet wird. Der elastische Dichtring 7 besitzt einen runden Querschnitt. Die hier nicht dargestellten Flanschteile, zwischen denen sich der elastische Dichtring 7 befindet, sind hierbei mit Hohlkehlen versehen, die der Form des elastischen Rings 7 angepasst sind. Derartige Ausführungen sind beispielsweise in der Nahrungsmittelindustrie üblich.
Bei der Ausführung gemäß 4A ist in dem elastischen Dichtring 7 eine ringförmige Trägerscheibe 8 angebracht. Die Trägerscheibe 8 besteht aus dem thermoelektrischen Material a und ist mehrfach geschlitzt. An diskreten Stellen steht sie in Kontakt mit einem geschlossenen, gebördelten Ring 9 aus dem Thermomaterial b, wobei an diesen Stellen hier nicht dargestellte Thermoknoten 4 gebildet werden. Der gebördelte Ring 9 befindet sich innerhalb des elastischen Rings 7 und die Trägerscheibe 8 ragt mit ihrem Innenteil in den elastischen Ring 7 hinein. Die Trägerscheibe 8 ist von einer Isolierschicht 5 umgeben.
Bei der Ausführung gemäß 4B befindet sich im Inneren des elastischen Rings 7 der innere Ring 3, der die Trägerscheibe 8 aus dem Material a an mehreren Stellen berührt. Der innere Ring 3 und die Trägerscheibe 8 sind mittels Punktschweißungen verbunden, wobei die Verbindungsstellen Thermoknoten 4 bilden.
Bei der Ausführung gemäß 4C befinden sich im elastischen Ring 7 mehrfach Thermodrähte 10 aus dem ersten thermoelektrischen Material a, die mit einer Trägerscheibe 8 aus dem thermoelektrischen Material b an verschiedenen Stellen in Kontakt stehen. Es ist auch möglich, auf der Trägerscheibe 8 Mantelthermoleitungen mit inneren Thermodrähten 10 aus dem Thermomaterial a und Thermodrähten 11 aus dem Thermomaterial b anzubringen, deren Enden verschweißt sind und hier nicht dargestellte Thermoknoten 4 bilden.
Bei der Ausführung gemäß 4D sind wie bei der Ausführung nach 4C auf der Trägerscheibe 8 Thermodrähte 10 aus dem ersten Thermomaterial a angeordnet. Zusätzlich sind hier noch auf der Unterseite der Trägerscheibe 8 weitere Thermodrähte 10 aus dem ersten Thermomaterial a angeordnet und an mehreren Stellen an der Trägerscheibe 8 angepunktet. Auch hier können auf der Trägerscheibe 8 Mantelthermoleitungen mit inneren Thermodrähten aus den Thermomaterialien a und b angebracht sein.
Bei der Ausführung gemäß 4E sind im Inneren des elastischen Rings 7 auf der Trägerscheibe 8 mehrere Thermodrähte10 aus dem ersten Thermomaterial a angeordnet. Zusätzlich sind hier noch an einer Seite der Trägerscheibe 8 Thermodrähte 11 aus dem zweiten Thermomaterial b angeordnet. Die Thermodrähte 10 sind mit Thermodrähten 11 an mehreren Stellen verbunden und bilden Thermoknoten 4.
5 erläutert eine Ausführungsform, bei der die Trägerscheibe 8 eine Umspritzung 5.1 aus einem elastischen, elektrisch isolierenden Material aufweist. Vorzugsweise wird hierzu ein Elastopolymer verwendet. Auf der Trägerscheibe 8 sind Thermodrähte fixiert, welche auf der Trägerscheibe 8 verlaufen. Im inneren Bereich der Scheibe 8 bildet die Umspritzung 5.1 eine wulstförmige Verdickung, die den elastischen Dichtring 7 bildet. Die Thermodrähte bilden an mehreren Stellen Thermoknoten 4, deren Anschlüsse als Mantelthermoelemente 12 in einem radialen Schlitz 8.2 nach außen geführt werden.
In 6 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Trägerscheibe 8 durch den elastischen Dichtring 7 hindurchgeführt ist und beidseitig übersteht. Die Trägerscheibe 8 weist einen Bereich mit einer ringförmigen Muldenprägung 8.1 auf, welche sich innerhalb des elastischen Rings 7 befindet. In der Muldenprägung 8.1 verlaufen Thermoleiter aus dem ersten Thermomaterial a und dem zweiten Thermomaterial b, welche Thermoknoten 4 bilden. Die Thermoleiter können mit einer gut wärmeleitenden Verguss- und Klebemasse fixiert sein. Die Trägerscheibe 8 weist an einer Stelle einen radialen Schlitz 8.2 auf, durch den die eingebetteten Thermoleiter nach außen geführt werden.
7 zeigt eine auf der Trägerscheibe 8 angeordnete elektrische Leiterstruktur aus vernetzten Thermodrähten.
Aus der in der oberen Ansicht dargestellten Draufsicht ist die Verschaltung der elektrischen Leiter ersichtlich. Die auf der Trägerscheibe 8 angebrachten Leiter werden mittels elektrischer Anschlussleitungen 6 zum Anschlussbauteil S geführt.
Vom Anschlusspunkt 6.3 führt eine Leitung zum inneren Ringbereich der Trägerscheibe 8. Diese Leitung besteht aus dem Thermomaterial a und ist an vier Punkten mit Leitungen aus dem Thermomaterial b verbunden. Diese vier Leitungen werden an die Anschlusspunkte 6.1, 6.2, 6.4 und 6.5 im Anschlussbauteil S geführt. An den Anschlusspunkten 6.4 und 6.5 kann die Temperaturdifferenz an den Thermoknoten 4.4 und 4.5 ermittelt werden, welche den Temperaturunterschied zwischen dem oberen und dem unteren Bereich der Prozessdichtung entspricht.
In der unteren Ansicht ist die Anordnung im Schnitt dargestellt.
In 8 ist eine Ausführung mit elastischem Dichtring 7 und ebenen Leiterstrukturen auf der Trägerscheibe 8 dargestellt.
Die obere Ansicht zeigt die Anordnung im Schnitt, in der unteren Ansicht ist eine Draufsicht auf die flächenhaften Leiterstrukturen auf der Trägerscheibe 8 dargestellt.
Der Dichtungsring 1 besteht aus der in einem elastischen Dichtring 7 befestigten Trägerscheibe 8, auf der elektrisch leitende Schichten aufgebracht sind. Am äußeren Rand der Trägerscheibe 8 befindet sich der äußere Scheibenbereich 2 aus dem Thermomaterial a. Von diesem Scheibenbereich 2 führt eine Anschlussleitung 6 zu einem Anschlusspunkt 6.11 im Anschlussbauteil S. Die zum Anschlusspunkt 6.11 führende Leitung ist am äußeren Rand der Trägerscheibe 8 mit einem Leiterstück aus dem Thermomaterial b verbunden, welches zum Anschlusspunkt 6.12 führt. Die Verbindungsstelle bildet ein Thermopaar, mit dem die außen an der Trägerscheibe 8 bestehende Temperatur erfasst werden kann. Am inneren Rand der Trägerscheibe 8 befindet sich der innere Scheibenbereich 3 aus dem Thermomaterial b. Der innere Scheibenbereich 3 ist mit einem Leiterstück verbunden, der zu einem Anschlusspunkt 6.10 führt. Der äußere Scheibenbereich 2 ist an vier Punkten mit dem inneren Scheibenbereich 3 verbunden, die am Umfang gleichmäßig verteilt sind. Die Verbindungspunkte werden mit gegeneinander elektrisch isolierten Leiterstücken zu den Anschlusspunkten 6.7, 6.8, 6.9 und 6.11 geführt. Diese Verbindungsstellen bilden jeweils Thermopaare Ti. Zur Verminderung des Wärmetransports können an der Trägerscheibe 8 Bohrungen 8.3 angebracht sein. An den elektrischen Anschlussstellen 6.11 und 6.12 kann die Temperatur am Anschlussbereich ermittelt werden. Aus dem Wert an der Parallelschaltung der Anschlussstellen 6.7, 6.8, 6.9, 6.11 gegenüber dem Wert an der Anschlussstelle 6.10 kann der Temperaturmittelwert bestimmt werden.
In 9 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher der Dichtungsring 1 als metallische Hohlscheibe 1.1 ausgebildet ist. Die Hohlscheibe 1.1 besteht aus einer oberen Teilscheibe 1.1.1 und einer unteren Teilscheibe 1.1.2, die durch einen ringförmigen Steg 1.1.3 verbunden sind. Die thermoelektrischen Verbindungsleitungen bestehen hier aus Mantelthermoelementen 12. Sie enthalten im Inneren in isolierendem Pulver geführte Thermodrähte. Die Thermodrähte sind an ihren Enden verschweißt und bilden Thermoknoten 4.1 bis 4.4, welche auf einer Kreislinie in etwa gleichen Abständen isoliert angeordnet sind.
10 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Dichtungsring 1 aus einer metallischen Hohlscheibe 1.1 besteht, in der sich ein äußerer Trägerring 1.2 aus niedrig wärmeleitenden Material und ein konzentrisch dazu angeordneter inneren Trägerring 1.3 befinden. Zwischen den beiden Trägerringen 1.2 und 1.3 verlaufen in einem inneren Hohlraum Thermopaare T1 bisT4, deren Enden Thermoknoten 4.1 bis 4.4 bilden. Die Thermopaare T1 bis T4 sind als Mantelthermoelemente 12 ausgeführt. Die Thermoknoten 4.1 bis 4.4 sind im Inneren der Hohlscheibe 1.1 in Noppen 1.3.1 angeordnet, welche in das Rohrinnere hineinragen oder sie sind in Sackbohrungen angeordnet. Die Thermopaare T1 bisT4 werden an einer Stelle am Umfang des Dichtungsrings 1 gemeinsam nach außen geführt.
In 11 ist eine Variante der in 10 gezeigten Ausführungsform dargestellt. Hier befinden sich in den Noppen 1.3.1 metallische Stifte 13, die mit einem Ende in das Rohrinnere oder in Sackbohrungen hineinragen. Das andere Ende ist mit dem Thermoknoten 4.1 elektrisch leitend verbunden. Die metallischen Stifte 13 bestehen vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Stahl, während die metallische Hohlscheibe 1.1 aus einem schlecht wärmeleitendem Material besteht.
Bezugszeichenliste

1: Dichtungsring
1.1: metallische Hohlscheibe
1.1.1: obere Teilscheibe
1.1.2: untere Teilscheibe
1.1.3: Steg
1.2: äußerer Trägerring
1.3: innerer Trägerring
1.3.1: Noppen
2: äußerer Scheibenbereich
3: innerer Scheibenbereich
4, 4.1...4.5, 4.i, 4.u: Thermoknoten
5: Isolierschicht
5.1: Umspritzung
6: elektrische Anschlussleitungen
6.1 ... 6.12: elektrische Anschlussstellen
7: elastischer Dichtring
8: Trägerscheibe
8.1: Muldenprägung
8.2: radialer Schlitz
8.3: Bohrungen
9: gebördelter Ring
10: Thermodrahtring aus ersten Thermomaterial a
11: Thermodrahtring aus zweiten Thermomaterial b
12: Mantelthermoelement
13: metallischer Stift
a: erstes Thermomaterial
b: zweites Thermomaterial
A, B: elektrische Anschlussstelle für Temperaturmittelwert
C, D: elektrische Anschlussstelle für rechtsseitige
T: emperaturdifferenzwerte
M, N: elektrische Anschlussstelle für Temperaturdifferenzmessung (T_i - T_u)=T_D
T1... T5, Ti, Tu: Thermopaare
T_M: Medientemperatur gemittelt
T_i: Innentemperatur
T_u: Umgebungstemperatur
T_K: korrigierte Messtemperatur
T_D: Differenztemperatur zwischen T_u und T_i
K: Korrekturfaktor
S: Anschlussbauteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10236036 A1 [0006]
DE 10227454 A1 [0008]
DE 102015110977 A1 [0009]
DE 102007006521 A1 [0010]
WO 2015/147949 A1 [0011]

Claims

Prozessdichtung an Rohrleitungselementen mit integrierten Thermoknoten (4.1 bis 4.5) zur Temperaturermittlung und Selbstdiagnose, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtungsring (1), der sich zwischen einer Verbindung zweier Rohrleitungselemente einer Rohrleitung befindet, thermoelektrische Strukturen in einer Ebene aufweist, die mehrfach unsymmetrisch kreisförmig oder teilkreisförmig ausgebildet sind und aus einem ersten Thermomaterial (a) und einem zweiten Thermomaterial (b) bestehen, welche mindestens drei Thermopaare (T1... T5, Ti, Tu) mit bekannter Temperatur-Spannungs-Abhängigkeit bilden, wobei - das erste Thermomaterial (a) und das zweite Thermomaterial (b) mehrere Thermoknoten (4) bilden, welche in Umfangsrichtung des Dichtungsrings (1) angeordnet sind, wobei - elektrische Anschlussleitungen (6) von den Thermoknoten (4) parallel zum Dichtungsring (1) zu einem Anschlussbauteil (S) am Außenrand des Dichtungsrings (1) und von diesem nach außen geführt sind und in Parallel-, Reihen und/oder Differenzschaltungen elektrisch verbunden sind, und dort kombinierte thermoelektrische Spannungssignale ergeben, die zur Temperaturmessung und/oder Fehlerkorrektur und/oder Selbstdiagnose verwendet werden.
Prozessdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Strukturen durch schlitzförmige Einschnitte am Dichtungsring (1) zu Anschlussleitungen (6) ausgebildet sind, wobei ein Thermomaterial (a oder b) im inneren Scheibenbereich (3) und das andere Thermomaterial (b oder a) im äußeren Scheibenbereich (2) des Dichtungsrings (1) angeordnet sind.
Prozessdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom äußeren Scheibenbereich (2) Anschlüsse von den Thermoknoten (4.1, 4.2, 4.3), die in nahezu gleichem Abstand an einer ersten Hälfte des Umfangs vom inneren Scheibenbereich (3) verteilt sind, zu einer Anschlussstelle (A) im Anschlussbauteil (S) geführt sind, der innere Scheibenbereich (3) mit dem Thermomaterial (b) als gemeinsamer thermoelektrischer Leiter mit einer Anschlussstelle (B) im Anschlussbauteil (S) verbunden ist, von weiteren Thermoknoten (4.4) ein Leiterstück aus dem zweitem Thermomaterial (a) an eine Anschlussstelle (C) im Anschlussbauteil (S) geführt ist und in einer zweiten Hälfte des Umfangs ein Teil des äußeren Scheibenbereichs (2) ein mit einen dem Thermoknoten (4.4) diametral gegenüberliegenden Thermoknoten (4.5) mit einer Anschlussstelle (D) im Anschlussbauteil (S) verbunden ist.
Prozessdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Scheibenbereich (3) geteilt ist, wobei an einer Hälfte des inneren Scheibenbereichs (3) drei Thermoknoten (4.1, 4.2, 4.3) in nahezu gleichem Abstand am Umfang verteilt sind und mit Anschlussstellen (A, B) im Anschlussbauteil (S) verbunden sind und in der gegenüberliegenden Hälfte des inneren Scheibenbereichs (3) ein weiterer Thermoknoten (4.i) unten im Scheibeninneren und im Anschlussbauteil (S) ein weiterer Thermoknoten (4.u) oder ein Temperaturmesswiderstand angeordnet sind, wobei die Anschlussleitungen (6) der zugehörigen Thermopaare (Ti, Tu) oder des Temperaturmesswiderstands zu Anschlussstellen (M, N) im Anschlussbauteil (S) führen und die Anschlussstellen (A; B; M; N) mit einem außerhalb der Prozessdichtung angeordneten Elektronikbauteil verbunden sind.
Prozessdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenbereiche (2, 3), an denen nahe zur Außenwand drei Thermoknoten (4.1, 4.2, 4.3) zur Mittelwertbildung angeordnet sind, unterschiedlich breit gestaltet sind, wobei das Längen-Breiten-Verhältnis bei den drei Thermoknoten (4.1, 4.2, 4.3) gleich ist.
Prozessdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Scheibenbereich (3) und der äußere Scheibenbereich (2) jeweils aus zwei Halbringen bestehen, die sich im Bereich des Anschlussbauteils (S) überlappen, wobei im Anschlussbauteil (S) eine thermoelektrische Verschaltung der beiden thermoelektrischen Halbringe erfolgt, so dass Thermoknoten (4.1, 4.2, 4.3) auf einer Seite des Scheibenbereichs (2, 3) elektrisch parallel zu auf der anderen Seite des Scheibenbereichs (3, 2) angeordneten Thermoknoten (4.4, 4.5) verschaltet sind.
Prozessdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessdichtung aus einem elastischen Ring (7) und einer in diesen eingefügte Trägerscheibe (8) besteht, wobei auf der Trägerscheibe (8) thermoelektrische Strukturen angeordnet sind, die sich oberhalb oder innerhalb des elastischen Rings (7) befinden und der elastische Ring (7) sich zwischen zwei Rohrleitungselementen befindet, welche mit Hohlkehlen versehen sind, die mit der Oberfläche des elastischen Rings (7) korrespondieren.
Prozessdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (8) aus dem thermoelektrischen Material (a) besteht, mehrfach geschlitzt ist und an diskreten Stellen in Form von Thermoknoten (4) mit einem geschlossenen gebördelten Ring (9) aus dem Thermomaterial (b) verbunden ist, wobei der gebördelte Ring (9) sich innerhalb des elastischen Rings (7) befindet und die Trägerscheibe (8) mit ihrem Innenteil in den elastischen Ring (7) hineinragt.
Prozessdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (8) aus dem zweiten thermischen Material (b) besteht und im elastischen Ring (7) ein Ring (9) aus dem ersten thermischen Material (a) angeordnet ist, in den die Trägerscheibe (8) hineinragt.
Prozessdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlussleitungen (6), die von Thermoknoten (4) zu Anschlussstellen (A, B) führen, jeweils ein etwa gleiches Verhältnis von Querschnittsfläche zu Leitungslänge aufweisen.
Prozessdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich im elastischen Ring (7) mehrfach Thermodrähte (10) aus dem ersten thermoelektrischen Material (a) befinden, die mit einer Scheibe aus dem zweiten thermoelektrischen Material (b) in Kontakt stehen.
Prozessdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich im elastischen Ring (7) mehrere Drähte aus den beiden thermoelektrischen Materialien (a, b) befinden, die auf der Trägerscheibe (8) mechanisch fixiert sind.
Prozessdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (8) aus dem zweiten thermoelektrischen Material (b) besteht und im elastischen Ring (7) eine Mulde aufweist, in welcher die Thermoleiter aus dem ersten Thermomaterial (a) verlaufen und in Abständen mit der Trägerscheibe (8) durch Thermoknoten (4) verbunden sind.
Prozessdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (8) eine Umspritzung (5.1) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, die im inneren Bereich eine wulstförmige Verdickung aufweist, welche den elastischen Dichtring (7) bildet, wobei die Thermodrähte (10, 11) an mehreren Stellen Thermoknoten (4) bilden, deren Anschlüsse nach außen geführt werden.
Prozessdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (1) als metallische Hohlscheibe (1.1) ausgebildet ist, welche aus einer oberen Teilscheibe (1.1.1) und einer unteren Teilscheibe (1.1.2) besteht, die durch einen Steg (1.1.3) verbunden sind, in der thermoelektrische Strukturen angeordnet sind, die aus Mantelthermoelementen (12) bestehen, wobei die Mantelthermoelemente (12) an diskreten, beabstandeten Stellen an der Hohlscheibe (1.1) angeheftet sind.
Prozessdichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verhältnisse von Leiterquerschnitt zu Leiterlänge der Innenleiter der Mantelthermoelemente (12), die von den Anschlussstellen (6.7 ... 6.12) zu den jeweiligen Thermoknoten (4) führen, nahezu gleich sind.
Prozessdichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hohlscheibe (1.1) ein äußerer Trägerring (1.2) aus niedrig wärmeleitenden Material und ein konzentrisch dazu angeordneter innerer Trägerring (1.3) angeordnet sind, zwischen denen Thermopaare (T1 ... T4) verlaufen, deren Enden Thermoknoten (4.1 ... 4.4) bilden, wobei die Thermoknoten (4.1 ... 4.4) im Steg (1.1.3) in Noppen (1.3.1) angeordnet sind, die in das Rohrinnere hineinragen und wobei die Thermopaare (T1 ... T4) an einer Stelle am Umfang des Dichtungsrings (1) gemeinsam nach außen geführt werden.
Prozessdichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermopaare (T1 ... T4) als Mantelthermoelemente (12) ausgebildet sind.
Prozessdichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass in den Noppen (1.3.1) metallische Stifte (13) mit guter Wärmeleitfähigkeit eingefügt sind, von denen ein Ende in das Innere des Rohrs ragt und das andere Ende in Kontakt zu einem Thermoknoten (4.1 ... 4.4) steht oder in den Noppen (1.3.1) Sackbohrungen angeordnet sind, in die die Mantelthermoelemente (12) und/oder die metallischen Stifte (13) hineinragen.