DE3723161A1 - Temperaturmesssonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmeßsonde zum Messen der Temperatur an einer beliebigen Stelle einer Meßstrecke.

Bei Großbehältern zur Lagerung von Flüssigkeiten besteht in zahlreichen Fällen beispielsweise aus Sicherheitsgründen die Notwendigkeit, die Temperatur der Flüssigkeit zu überwachen. Da die größten Temperaturschwankungen unmittelbar in der Oberflächenzone der Flüssigkeit auftreten, ist es erforder­ lich, vor allem die Flüssigkeitstemperatur in dieser Zone zu erfassen. Hierbei ergibt sich jedoch für die Gestaltung einer geeigneten Meßvorrichtung die Schwierigkeit, daß sich die Lage des Flüssigkeitsspiegels je nach Füllungs- oder Entleerungsgrad des Behälters in einer anderen Höhe befindet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmeßsonde zu schaffen, mit der es möglich ist, auf einfache und zuverlässige Weise die Temperatur z.B. in einem Flüssigkeitsbehälter oder Tank jeweils an einer beliebigen Stelle oder in einem beliebigen Bereich einer Meßstrecke z.B. jeweils unterhalb oder oberhalb des Flüssigkeitsspiegels zu messen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß entlang der Meßstrecke im Abstand voneinander eine Viel­ zahl elektrischer Temperaturmeßgeber angeordnet sind, daß die Temperaturmeßgeber jeweils in Reihe mit einem Schalter in Parallelschaltung an entlang der Meßstrecke verlaufen­ de Leiterbahnen einer Auswerteeinheit angeschlossen sind und daß entlang der Meßstrecke bewegbare Betätigungsmittel vorgesehen sind, durch die ein Schalter oder mehrere un­ mittelbar benachbarte Schalter betätigbar sind.

Mit der Erfindung wird eine Temperaturmeßsonde geschaffen, die vertikal in einem Behälter oder Tank angeordnet werden kann und die, beispielsweise durch einen Schwimmer, je­ weils in dem Bereich aktiviert wird, in dem sich die Ober­ flächenschicht der Flüssigkeit befindet. Auf diese Weise kann die Temperatur der Oberflächenschicht einer in dem Behälter oder Tank gelagerten Flüssigkeit gemessen werden, gleichgültig in welcher Höhe sich die Flüssigkeitsoberfläche gerade befindet. Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Temperaturmeßsonde die Erfassung der mittleren Temperatur eines Bereiches der Meßstrecke. Die erfindungsgemäße Tem­ peraturmeßsonde ist einfach herzustellen und kann in ana­ loger Weise wie bekannte Niveaumeßsonden in einem Schutzrohr angeordnet sein, das den Tank ober Behälter durchdringt.

Eine besonders einfach herzustellende Ausgestaltung der Temperaturmeßsonde wird dadurch erreicht, daß die Schalter als monostabile Schutzgasschalter ausgebildet sind, die durch einen entlang der Sonde bewegbaren Permanentmag­ neten betätigbar sind. Die Temperaturmeßgeber sind vor­ zugsweise als Thermoelemente ausgebildet. Thermoelemente haben die Eigenschaft, eine der Temperaturhöhe entsprechen­ de elektrische Spannung hervorzurufen, die von einer Aus­ werteeinheit verstärkt und angezeigt werden kann. Da die Thermoelemente parallel geschaltet sind, ist die hervor­ gerufene Meßspannung unabhängig davon, ob nur ein Thermo­ element oder mehrere Thermoelemente geschaltet sind, wenn die geschalteten Thermoelemente gleiche Temperatur haben.

ln einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Temperaturmeßsonde auch bistabile, magnetisch schaltbare Schutzgasschalter aufweisen, die jeweils in Reihe mit einem Temperaturmeßgeber geschaltet sind. Die bistabilen Schutz­ gasschalter werden durch eine Bewegung eines Permanentmag­ neten in einer Betätigungsrichtung geschlossen, wobei sie in ihrer Schließstellung verharren, bis der Betätigungs­ magnet an den Schaltern entgegen der Betätigungsrichtung erneut vorbeibewegt wird. Bei der mit bistabilen Schutz­ gasschaltern versehenen Temperaturmeßsonde werden somit alle Temperaturmeßgeber, die der Betätigungsmagnet in einer Richtung passiert hat, geschaltet, so daß der erfaßte Temperaturmeßwert die mittlere Temperatur des Bereichs der Meßstrecke repräsentiert, dessen Schalter ge­ schlossen wurden. Wird die beschriebene Temperaturmeßsonde beispielsweise in einem Flüssigkeitsbehälter angeordnet und durch einen magnetischen Schwimmer geschaltet, so kann die mittlere Temperatur des Mediums angezeigt werden, von dem der Schwimmer getragen wird.

Die Erfindung kann auch dadurch verwirklicht werden, daß als Temperaturmeßgeber temperaturabhängige Widerstände vorge­ sehen sind. Hierbei wird die Auswerteeinheit so ausgelegt, daß Sprünge der Widerstandswerte kompensiert werden, die sich durch gleichzeitiges Schalten von zwei oder drei Wider­ ständen ergeben.

Vorzugsweise sind die Temperaturmeßgeber, die Schalter und die Leiterbahnen auf einem flexiblen Isolierträger angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß die Temperatur­ meßsonde zum Transport aufgewickelt werden kann. Besonders zweckmäßig ist eine Ausgestaltung, bei der der flexible Isolierträger die Form einer Rinne hat, die in ihrer Hohl­ kehle die Schalter aufnimmt und auf ihrer Außenseite die Thermoelemente trägt. Diese Form des Isolierträgers er­ möglicht eine geschützte und bruchsichere Anordnung der Schalter in der Hohlkehle und gleichzeitig eine exponierte und für die Temperaturmessung günstige Lage der Thermoele­ mente auf der nach außen gewölbten Oberfläche des Isolier­ trägers. Die Rinne kann dabei durch ein halbiertes Rohr aus isolierendem Kunststoff gebildet sein, wobei an den Rändern Schlitze vorgesehen sind, in die die zu den Schal­ tern führenden Leiter eingelegt sind. Die Thermoelemente werden dabei vorteilhaft dadurch gebildet, daß die aus den Schlitzen nach außen hervorstehenden Leiter der Schalter mit einem durchgehenden Leiter aus einem geeigneten Kombi­ nationswerkstoff verlötet sind. Beispielsweise können zur Bildung geeigneter Thermoelemente die Leiter aus Kupfer oder Nickel-Kupfer und die mit ihnen verlötete Leiterbahn aus Konstanten oder Nickel-Konstanten bestehen.

Eine größere Stabilität der Temperaturmeßsonde kann weiter­ hin dadurch erreicht werden, daß die Schutzgasschalter auf einer flexiblen Trägerleiste angeordnet sind und ihre An­ schlußdrähte mit auf die Trägerleiste aufgebrachten Leiter­ bahnen verlötet sind. Eine solche Trägerleiste kann auch als Isolierträger für die Temperaturmeßgeber dienen. Der mit den Schaltern und Thermoelementen bestückte, fle­ xible Isolierträger kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung von einem Schlauch aus schrumpfbarem Kunststoff umhüllt sein. Hierdurch wird die Temperaturmeßsonde auf einfache Weise mit einer isolierenden Schutzhülle ver­ sehen, die zusätzlich einen Halt für die Schalter in der Hohlkehle bietet. Die vom Schrumpfschlauch umhüllte Meßsonde läßt sich auf einen geeigneten Durchmesser auf­ wickeln und zur Montage transportieren. Der Hohlraum innerhalb des Schlauches kann mit Silikonkautschuk oder einem vergleichbaren Material ausgegossen sein. Die Montage erfolgt in der Regel durch Einführen der Temperaturmeßsonde in ein Meßrohr aus Edelstahl, das an dem zu überwachenden Behälter oder Tank angebracht und von der Flüssigkeit um­ spült ist. Dabei ist der Permanentmagnet zur Betätigung der Schalter vorzugsweise in einem von der Flüssigkeit ge­ tragenen Schwimmer angeordnet, der an dem Edelstahlrohr geführt ist.

Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß die Temperaturmeß­ sonde gemeinsam mit einem magnetisch betätigbaren Poten­ tiometer eines Niveau-Meßwertgebers in einem Meßrohr eines Behälters oder Tanks angeordnet ist. Durch diese Kombi­ nation läßt sich mit einem einzigen Meßrohr und einem einzigen Magnetschwimmer sowohl die Temperatur im Behälter, insbesondere in bestimmten Behälterzonen als auch der jewei­ lige Füllstand des Behälters überwachen. Temperaturmeßsonde und Potentiometer können auch auf einem gemeinsamen Isolier­ träger angeordnet sein, um auf diese Weise den Bauaufwand zu verringern.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann eine er­ findungsgemäße Temperaturmeßsonde, die bistabile Schutz­ gasschalter und temperaturabhängige Widerstände als Tem­ peraturmeßgeber aufweist, mit einem magnetisch betätig­ baren Potentiometer kombiniert sein, wobei durch einen Ver­ gleich der geschalteten temperaturabhängigen Widerstände mit dem durch das Potentiometer gemessenen Niveau der Temperaturwert ermittelt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schaltplan einer mit Thermoelementen und mono­ stabilen Schaltern versehenen Temperaturmeßsonde,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt einer Temperaturmeßsonde nach dem Schaltplan gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Temperaturmeßsonde gemäß Fig. 2.

Die in Fig. 1 gezeigte Temperaturmeßsonde weist entlang einer Meßstrecke 1 in gleichmäßigem Abstand angeordnete Thermoelemente 2, 2 a auf, die durch eine Leiterbahn 3 in Reihe miteinander verbunden und an einer Auswerteeinheit 4 ange­ schlossen sind. Jedes Thermoelement 2, 2 a ist in Reihe mit einem elektromagnetisch betätigbaren Schalter 5, 5 a an eine zweite Leiterbahn 6 angeschlossen, die ebenfalls zur Aus­ werteeinheit 4 führt. Die Schalter 5, 5 a sind als monostabile Arbeitskontakte ausgebildet und werden durch einen entlang der Meßstrecke 1 bewegbaren Permanentmagneten 7 geschlossen, wenn dessen Magnetfeld die Schalter erreicht. Um zu gewähr­ leisten, daß der Permanentmagnet 7 in jeder beliebigen Stel­ lung wenigstens einen Schalter 5, 5 a schließt, ist seine Aus­ dehnung in Richtung der Meßstrecke 1 so bemessen, daß bei dem gegebenen Abstand der Schalter 5, 5 a zwei benachbarte Schalter durch das Magnetfeld geschlossen werden, wenn sich der Permanentmagnet 7 etwa in einer Mittelstellung zwischen den beiden Schaltern befindet. Ist der Permanentmagnet 7 einem Schalter näher als einem anderen, so wird nur dieser Schalter allein geschlossen. Je nach Position des Permanent­ magneten 7 sind somit entweder ein einziger oder zwei be­ nachbarte Schalter 5, 5 a geschlossen.

Durch die beschriebene Anordnung erfaßt die Auswerteeinheit jeweils nur die Meßspannung des oder der Thermoelemente 2, 2 a, deren zugeordneter Schalter 5, 5 a geschlossen ist und dadurch eine Verbindung zur Leiterbahn 6 herstellt. In Fig. 1 ist dies das Thermoelement 2 a, das sich innerhalb des Permanent­ magneten 7 befindet, und dessen zugeordneter Schalter 5 a geschlossen ist. Die Auswerteeinheit 4 wertet die Meßspan­ nung des Thermoelements 2 a aus und zeigt die gemessene Temperatur an einem Anzeigeinstrument 8 an. Ist die Tem­ peraturmeßsonde in einem Behälter oder Tank zur Lagerung einer Flüssigkeit im wesentlichen senkrecht angeordnet, und wird der Permanentmagnet 7 von einem Schwimmer getragen, so schaltet der Permanentmagnet 7 jeweils das oder die Thermo­ elemente 2, 2 a an die Auswerteeinheit 4, die sich unmittel­ bar unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit befinden. Auf diese Weise wird unabhängig vom jeweiligen Flüssigkeits­ stand in dem Behälter immer die Temperatur der Oberflächen­ schicht ermittelt. In analoger Weise kann mit der erfindungs­ gemäßen Temperaturmeßsonde auch die Sprungschichttemperatur zwischen zwei übereinander gelagerten Flüssigkeiten unter­ schiedlicher Dichte ermittelt werden. Der Schwimmer wird dann so ausgelegt, daß er in der leichteren Flüssigkeit ver­ sinkt und von der schwereren Flüssigkeit getragen wird. Die Temperaturmessung erfolgt auf diese Weise unmittelbar im Bereich der Grenzschicht zwischen beiden Flüssigkeiten.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine besonders vorteilhafte, kon­ struktive Ausgestaltung einer Temperaturmeßsonde für einen Behälter oder Tank zur Lagerung einer Flüssigkeit nach dem in Fig. 1 gezeigten Schaltplan. Die Temperaturmeßsonde ist geschützt in einem Rohr 9 aus antimagnetischem Edelstahl an­ geordnet. Auf dem Rohr 9 ist ein ringförmiger Schwimmer 10 axial verschiebbar gelagert, der einen ringförmigen Perma­ nentmagneten 11 enthält. Die Temperaturmeßsonde besteht aus einer flexiblen Trägerleiste 12 aus einem isolierenden Ma­ terial, vorzugsweise Kunststoff, die auf einer Seite mit Leiterbahnen 13, 14 beschichtet ist. Auf ihrer in der Zeichnung nach oben weisenden, unbeschichteten Seite sind auf der Trägerleiste 12 in gleichmäßigem Abstand monostabile Schutz­ gasschalter 15 angeordnet, deren Anschlußdrähte 16 mit der Leiterbahn 13 und deren Anschlußdrähte 17 jeweils mit einer Leiterbahn 14 verlötet sind. Die Schutzgasschalter 15 be­ stehen aus einem zylindrischen Glasröhrchen, in das die An­ schlußdrähte 16, 17 eingeschmolzen sind, und das im Innern einen magnetisch betätigbaren, monostabilen Schalter auf­ weist.

Die bestückte Trägerleiste 12 ist in der Hohlkehle eines Isolierträgers 18 angeordnet, der die Form eines halbierten, zylindrischen Rohres hat und ebenfalls flexibel ist. Ein Seitenrand 19 des Isolierträgers 18 weist im Abstand der Leiterbahnen 14 Schlitze 20 auf, in die Anschlußdrähte 21 von auf der Außenmantelfläche des Isolierträgers 18 ange­ ordneten Thermoelementen 22 eingelegt sind. Die Enden der An­ schlußdrähte 21 sind mit den Leiterbahnen 14 auf der Träger­ leiste 12 verlötet. Die Thermoelemente 22 werden durch einen längs der Mantelfläche des Isolierträgers 18 verlaufenden Lei­ ter, der aus einer Nickelchromlegierung oder aus Konstan­ ten besteht, und den mit diesem Leiter 23 verlöteten An­ schlußdrähten 21 gebildet, die aus Kupfer oder einer Nickel­ kupferlegierung bestehen. Zur zusätzlichen Isolierung und Stabilisierung ist die Hohlkehle des Isolierträgers 18 mit einer elastischen Masse 24, beispielsweise Silikonkautschuk ausgegossen, wobei die elastische Masse 24 die bestückte Trägerleiste 12 und die Anschlußdrähte 21 vollständig um­ schließt. Von außen ist der Isolierträger 18 zusammen mit den Thermoelementen 22 und dem Leiter 23 von einem Schlauch 25 aus isolierendem, schrumpfbaren Kunststoff um­ geben, der auch bei elastischer Verformung die Temperatur­ meßsonde zusätzlich stabilisiert und die notwendige Isolierung der auf der Außenseite des Isolierträgers 18 liegenden Thermoelemente 22 und des Leiters 23 bildet. Auf der den Thermoelementen 22 entgegengesetzten Seite des Iso­ lierträgers 18 ist auf dem Schlauch 25 ein Band 26 aus ela­ stischem Material, beispielsweise Schaumstoff angeordnet, durch das die Temperaturmeßsonde mit den Thermoelementen 22 gegen die lnnenwand des Rohrs 9 gedrückt wird, um auf diese Weise einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten und Meßabweichungen möglichst klein zu halten.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen, nimmt die beschriebene Tempera­ turmeßsonde aufgrund ihrer im wesentlichen halbzylindrischen Querschnittsform nur etwa die Hälfte des in dem Rohr 9 zur Verfügung stehenden Einbauraums in Anspruch. In dem freien Raum 27 kann somit eine zweite Meßsonde eingebaut werden. Hier­ bei kann es sich beispielsweise um eine weitere Temperatur­ meßsonde mit bistabilen Schutzgasschaltern handeln, wobei die Schutzgasschalter dieser Temperaturmeßsonde ebenfalls durch den Permanentmagneten 11 betätigt werden. Mittels der beiden Temperaturmeßsonden läßt sich dann sowohl die Grenzschichttemperatur im Bereich des Schwimmers als auch die mittlere Temperatur des Mediums unterhalb oder oberhalb des Schwimmers erfassen. Es ist auch möglich, zwei Tempera­ turmeßsonden mit gegensinnig wirkenden bistabilen Schutzgas­ schaltern miteinander zu kombinieren, um beispielsweise die mittlere Medientemperatur zweier übereinander gelagerter Medien zu erfassen, wobei ein Schwimmer von dem unteren Medium und der andere Schwimmer vom oberen Medium getragen wird. Ebenso läßt sich in dem Freiraum 27 des Rohres 9 neben der Temperaturmeßsonde eine zweite Meßsonde zur Füllstands­ anzeige unterbringen. Beide Sonden können auch in einem rohrförmigen Isolierträger untergebracht sein, der aus zwei längsgeteilten Rohrhälften besteht, die beispielsweise durch einen äußeren Schlauch 25 zusammengehalten werden. Selbstver­ ständlich können der Isolierträger 18 und die Trägerleiste 12 auch aus starrem Isoliermaterial bestehen, wenn dies bei einem Anwendungsfall zweckmäßig ist.

Claims (16)

1. Temperaturmeßsonde zum Messen der Temperatur an einer beliebigen Stelle einer Meßstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Meßstrecke (1) im Abstand voneinander eine Vielzahl elektrischer Temperaturmeßgeber (2, 2 a, 22) angeordnet sind, daß die Temperaturmeßgeber (2, 2 a, 22) jeweils in Reihe mit einem Schalter (5, 5 a, 15) an entlang der Meßstrecke (1) verlaufende Leiterbahnen (3, 6, 23, 13) angeschlossen sind und daß entlang der Meß­ strecke (1) bewegbare Betätigungsmittel (7, 11) vorge­ sehen sind, durch die ein Schalter (5 a, 15) oder meh­ rere unmittelbar benachbarte Schalter betätigbar sind.

2. Temperaturmeßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßgeber (2, 2 a) und Schalter (5, 5 a) in Parallelschaltung an die Leiterbahnen (3, 6) einer Auswerteeinheit (4) angeschlossen sind.

3. Temperaturmeßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (5, 5 a) als monostabile oder bistabile Schutzgasschalter ausgebildet sind, die durch einen ent­ lang der Meßstrecke (1) bewegbaren Permanentmagneten (7) betätigbar sind.

4. Temperaturmeßsonde nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßgeber als Thermoelemente (2, 22) ausgebildet sind.

5. Temperaturmeßsonde nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturmeßgeber (2) temperaturabhängige Widerstände vorgesehen sind.

6. Temperaturmeßsonde nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßgeber (22), die Schalter (15) und die Leiterbahnen (13, 14, 23) auf einem flexiblen oder starren Isolierträger (12, 18) angeordnet sind.

7. Temperaturmeßsonde nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierträger (18) die Form einer Rinne hat, die in ihrer Hohlkehle die Schalter (15) aufnimmt und auf ihrer Außenseite die Thermoelemente (22) trägt.

8. Temperaturmeßsonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne durch ein in Längsrichtung halbiertes, zylindrisches Rohr (18) aus einem isolierenden Kunst­ stoff gebildet ist.

9. Temperaturmeßsonde nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rand der Rinne (18) Schlitze aufweist, in die die zu den Schaltern (15) führenden Leiter (21) der Thermoelemente (22) eingelegt sind.

10. Temperaturmeßsonde nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Thermoelemente (22) an die Schal­ ter (15) angeschlossene Leiter (21) mit einem durchge­ henden Leiter (23) aus einem geeigneten Kombinations­ werkstoff verlötet sind.

11. Temperaturmeßsonde nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasschalter (15) auf einer flexiblen oder starren Trägerleiste angeordnet sind und ihre Anschluß­ drähte (16, 17) mit auf der Trägerleiste angebrachten Leiterbahnen (13, 14) verlötet sind.

12. Temperaturmeßsonde nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Schaltern (15) und den Temperaturmeß­ gebern (22) bestückte Isolierträger (18) von einem Schlauch (25), vorzugsweise aus einem schrumpfbaren Kunststoff, umhüllt ist.

13. Temperaturmeßsonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum innerhalb des Schlauches (25) mit einer elastischen Isoliermasse, vorzugsweise mit Si­ likonkautschuk ausgegossen ist.

14. Temperaturmeßsonde nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß sie gemeinsam mit einem magnetisch betätigbaren Potentiometer eines Niveau-Meßwertgebers in einem Gleitrohr und durch ein entlang der Meßstrecke beweg­ bares Betätigungsmittel (7, 11) schaltbar sind.

15. Temperaturmeßsonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Isolierträger (12, 18) die Widerstände und Schalter eines Potentiometers zur Anzeige der Position des Betätigungsmittels (7, 11) angeordnet sind.

16. Temperaturmeßsonde nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß bistabile Schutzgasschalter und temperaturabhängige Widerstände mit einem magnetisch betätigbaren Potentio­ meter zur Niveauanzeige derart kombiniert sind, daß durch einen Vergleich der geschalteten, temperatur­ abhängigen Widerstände mit dem durch das Potentiometer gemessenen Niveau der Temperaturwert ermittelt wird.