EP4720611A1 - Temperatursensor, mikrowellensensor und magnetisch-induktives durchflussmessgerät - Google Patents
Temperatursensor, mikrowellensensor und magnetisch-induktives durchflussmessgerätInfo
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- EP4720611A1 EP4720611A1 EP24729258.4A EP24729258A EP4720611A1 EP 4720611 A1 EP4720611 A1 EP 4720611A1 EP 24729258 A EP24729258 A EP 24729258A EP 4720611 A1 EP4720611 A1 EP 4720611A1
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor (1) zum Ermitteln einer Temperatur eines Messstoffes, umfassend: - einen, insbesondere metallischen, Fühlerkörper (2), welcher Fühlerkörper (2) umfasst: -- eine, insbesondere zumindest abschnittsweise konisch ausgebildete, Messspitze (3), welche dazu eingerichtet ist, in Kontakt mit dem Messstoff gebracht zu werden; -- eine erste Fühleraufnahme (4), wobei sich die erste Fühleraufnahme (4) bis in einen Frontabschnitt (6) der Messspitze (3) hinein erstreckt; -- eine zweite Fühleraufnahme (5), die sich ausschließlich in einem Endabschnitt (7) des Fühlerkörpers (2) befindet, - ein erster Temperaturfühler (11), welcher in der ersten Fühleraufnahme (4) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist einen erste Messwert zu bestimmen, wobei bei dem ersten Messwert ein Beitrag durch eine aktuelle Temperatur des Frontabschnittes überwiegt; und - einen zweiten Temperaturfühler (12), welcher in der zweiten Fühleraufnahme (5) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist eine zweiten Messwert zu bestimmen, wobei bei dem zweiten Messwert ein Beitrag durch eine aktuelle Temperatur des Endabschnittes (7) überwiegt. Weiterhin umfasst die Erfindung einen Mikrowellensensor und ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
Description
Temperatursensor, Mikrowellensensor und magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor zum Ermitteln einer Temperatur eines Messstoffes, einen Mikrowellensensor zum Bestimmen eines Feststoffanteils 8 eines Feststoffes in einem fließfähigen, insbesondere wässrigen, Messstoffes und ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße eines fließfähigen, insbesondere leitfähigen, Messstoffes.
Mittels Mikrowellen lassen sich die physikalischen Größen Permittivität, sowie Verlustfaktor eines Mediums in einer Prozessleitung ermitteln. Aus diesen beiden Größen - gemessen entweder bei einer oder über viele unter-schiedliche Frequenzen - lassen sich Rückschlüsse auf anwendungsspezifische Parameter ziehen, beispielsweise auf den Anteil von Wasser in einem Gemisch aus Wasser und anderen nicht oder wenig polaren Komponenten oder einen Feststoffanteil in einem flüssigen Medium.
Die etablierte Transmissions-ZReflexionsmessung ist beschrieben in L.F. Chen, C.K. Ong, C.P. Neo, V.V. Varadan, V. K. Varadan - “Microwave Electronics, Measurement and Materials Characterization”, John Wiley & Sons Ltd., 2004. Hierfür wird das Mikrowellensignal an zwei unterschiedlichen Positionen an das Medium in einem Behälter bzw. Messrohr angekoppelt, die Streuparameter (Transmission und ggfs. Reflexion) zwischen diesen Ankoppelstrukturen gemessen und aus den gemessenen Streuparametern auf die genannten physikalischen Eigenschaften des Mediums zurückgerechnet.
Die WO 2018/121927 A1 lehrt eine Messanordnung zur Analyse von Eigenschaften eines strömenden Mediums mittels Mikrowellen. Dabei weist die Messanordnung zusätzlich zu den Mikrowellenantennen eine elektrisch isolierende Auskleidungsschicht an der inneren Mantelfläche des Messrohres auf. Diese Auskleidungsschicht bildet einen dielektrischen Wellenleiter über den ein Mikrowellensignal zumindest anteilig von einer ersten Mikrowellenantenne zu einer zweiten Mikrowellenantenne gelangen kann. Eine Anwendung für eine derartige Messanordnung ist die Bestimmung von Feststoffanteilen im zu führenden flüssigen Medium. In der WO 2021/099152 A1 wird eine Mikrowellenantenne gelehrt, welche einen messstoffberührenden Frontabschnitt aufweist über den das Erregersignal in das Medium ausgestrahlt wird. Für die Ermittlung des Feststoffanteils sind aufwendige Modelle notwendig, die von der tatsächlichen Temperatur des Messstoffes abhängen. Dafür ist eine genaue Temperatur-Messung notwendig.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen werden zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses eines fließenden Mediums in einer Rohrleitung eingesetzt. Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät weist eine magnetfelderzeugende Vorrichtung auf, welches ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des fließenden Mediums erzeugt. Dafür werden üblicherweise einzelne Spulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und angebracht, dass die
Magnetfeldlinien über den gesamten Rohrquerschnitt im Wesentlichen senkrecht zur Querachse bzw. parallel zur Vertikalachse des Messrohres verlaufen. Zudem weist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ein Messrohr auf, auf das die magnetfelderzeugende Vorrichtung angeordnet ist. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes bzw. in Messelektrodenöffnungen im Messrohr angeordnetes Messelektrodenpaar greift eine senkrecht zur Flussrichtung und zum Magnetfeld anliegende elektrische Messspannung bzw. Potentialdifferenz ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Flussrichtung fließt. Da die abgegriffene Messspannung laut Faraday’schem Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der gemessenen induzierten Messspannung die Durchflussgeschwindigkeit und - mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts - der Volumendurchfluss ermittelt werden.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen finden vielfach Anwendung in der Prozess- und Automatisierungstechnik für Fluide ab einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5 pS/cm. Entsprechende Durchflussmessvorrichtungen werden von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausführungsformen für verschiedene Anwendungsbereiche beispielsweise unter der Bezeichnung PROMAG vertrieben. Für spezielle Anwendungen sind zusätzlich zum Volumendurchfluss, Informationen bezüglich der Temperatur des Messstoffes und/oder der Leitfähigkeit, die stark temperaturabhängig ist, erwünscht.
Aus der DE102012109308A1 ist ein Füllstandsüberwachungssystem für ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einer Elektrode zur Überwachung des Füllstandes eines fließenden Mediums in einem Rohr bekannt, die einen integrierten Temperatursensor aufweist. Nachteilig an der Lösung ist die thermische Kopplung der Elektrode mit dem Gehäuseinneren, was zu einer Verfälschung der Temperaturmessung führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte Temperaturbestimmung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Temperatursensor, den Mikrowellensensor und das magnetischinduktive Durchflussmessgerät.
Der erfindungsgemäße Temperatursensor zum Ermitteln einer Temperatur eines Messstoffes, umfassend:
- einen, insbesondere metallischen, Fühlerkörper umfasst:
- eine, insbesondere zumindest abschnittsweise konisch ausgebildete, Messspitze bis in einen Frontabschnitt der Messspitze hinein erstreckt;
- eine zweite Fühleraufnahme des Fühlerkörpers befindet,
- ein erster Temperaturfühler angeordnet ist und dazu eingerichtet ist einen erste Messwert zu bestimmen, wobei bei dem ersten Messwert ein Beitrag durch eine aktuelle Temperatur des Frontabschnittes überwiegt; und
- einen zweiten Temperaturfühler angeordnet ist und dazu eingerichtet ist eine zweiten Messwert zu bestimmen, wobei bei dem zweiten Messwert ein Beitrag durch eine aktuelle Temperatur des Endabschnittes überwiegt.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperatursensor, insbesondere der Fühlerkörper weiterhin umfasst:
- eine Dichtmittelaufnahme zur Aufnahme eines Dichtmittels zwischen Frontabschnitt und Endabschnitt positioniert ist, wobei sich die zweite Fühleraufnahme bis maximal zur Dichtmittelaufnahme erstreckt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Fühleraufnahme und/oder die zweite Fühleraufnahme zumindest teilweise mit einer Wärmeleitpaste mit vier Pins jeweils über einen elektrischen Leiter verbunden sind, wobei zwei weitere Pins elektrisch mit dem zweiten Temperaturfühler jeweils über einen elektrischen Leiter verbunden sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperaturfühler, insbesondere der Fühlerkörper weiterhin umfasst:
- eine Kontaktfläche zwischen Frontabschnitt und Endabschnitt positioniert ist, wobei sich die zweite Fühleraufnahme bis maximal zur Kontaktfläche erstreckt.
Der erfindungsgemäße Mikrowellensensor zum Bestimmen eines Feststoffanteils 8 eines Feststoffes in einem fließfähigen, insbesondere wässrigen, Messstoffes, umfassend:
- ein Messrohr zum Führen des Messstoffes;
- eine Sendeantenne zum Erzeugen eines den Messstoff durchlaufenden Mikrowellensignales;
- eine Empfangsantenne zum Empfangen des den Messstoff durchlaufenen Mikrowellensignal;
- ein Gehäuse überwiegt;
- eine Auswerte-Elektronik weiterhin dazu eingerichtet ist, den Feststoffanteil 8 in Abhängigkeit des ersten Messwerte und des zweiten Messwertes zu ermitteln.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Temperaturfühler und der zweite Temperaturfühler Teil des erfindungsgemäßen Temperatursensors sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerte-Elektronik dazu eingerichtet ist, eine kompensierte Temperatur des Messstoffes in Abhängigkeit des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes zu ermitteln.
Das erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessgerät zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen, insbesondere leitfähigen, Messstoffes, umfassend:
- ein Messrohr zum Führen des Messstoffes;
- ein Gehäuse zum Ermitteln einer im Messstoff induzierten Messspannung;
- eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines das Messrohr durchsetzenden Magnetfeldes;
- den erfindungsgemäßen Temperatursensor zumindest abschnittsweise in der magnetfelderzeugenden Vorrichtung angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperatursensor als Messelektrode, Füllstandsüberwachungselektrode oder Referenzelektrode ausgebildet ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Temperatursensor;
Fig. 2: eine perspektivische Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Mikrowellensensor;
Fig. 3: einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrowellensensors; und
Fig. 4: einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Temperatursensor 1 zum Ermitteln einer Temperatur eines Messstoffes. Der Temperatursensor 1 umfasst einen Fühlerkörper 2. Dieser kann metallisch ausgebildet sein. Der Fühlerkörper 2 ist vorzugsweise aus einem Material gebildet, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit, d.h. > 1 W/(mK) aufweist. Ein geeignetes Material wäre
beispielsweise Stahl. Der abgebildete Fühlerkörper 2 ist zumindest abschnittsweise, d.h. im Frontabschnitt, rotationssymmetrisch ausgebildet.
In der abgebildeten Ausgestaltung weist der Fühlerkörper 2 eine Messspitze 3 auf, die abschnittsweise konisch ausgebildet ist. Alternativ kann die Messspitze 3 auch eine andere Form, wie z.B. eine zylindrische Form, annehmen. Die Messspitze 3 ist dazu eingerichtet, in Kontakt mit dem zu überwachenden Messstoff gebracht zu werden. Gerade für Anwendungen mit Feststoffanteilen im Messstoff ist es wichtig eine stabile Messpitze 3 und dennoch einen guten thermischen Kontakt zwischen Messstoff und Temperaturfühler aufzuweisen. Dafür weist die abgebildete Lösung eine Mindeststärke von 0,5 Millimeter, insbesondere von mindestens 1 Millimeter und maximal 10 Millimeter auf.
Der Fühlerkörper 2 weist eine erste Fühleraufnahme 4 auf, die sich bis in einen Frontabschnitt 6 der Messspitze 3 hinein erstreckt. Der Frontabschnitt 6 ist bei Anwendung des Temperatursensors 1 messstoffberührend und umfasst den Mittelpunkt der Messspitze 3 zu dem sich der abgebildete Fühlerkörper 2 zuspitzt.
In der ersten Fühleraufnahme 4 angeordnet ist ein erster Temperaturfühler 11. Bei dem Temperaturfühler 11 kann es sich um ein Widerstandsthermometer (PT 100 oder PT 1000) oder ein Thermoelement handeln. Der erste Temperaturfühler 11 ist dazu eingerichtet, einen ersten Messwert zu bestimmen und bereitzustellen. Bei dem ersten Messwert handelt es sich um eine aktuelle am Temperaturfühler vorliegende Temperatur oder eine dazu proportionale Größe (z.B. elektrische Widerstand). Die ermittelte aktuelle Temperatur setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen. Der erste Temperaturfühler 11 ist dabei so positioniert, dass der Beitrag durch eine aktuelle Temperatur des Frontabschnittes und somit - bei Anwendung des Temperatursensors - des mit dem Frontabschnitt im thermischen Kontakt stehenden Messstoffes auf den ersten Messwert überwiegt.
Weiterhin weist der Fühlerkörper 2 eine zweite Fühleraufnahme 5 auf, die sich ausschließlich in einem Endabschnitt 7 des Fühlerkörpers 2 befindet. Der Endabschnitt 7 kommt nicht in Kontakt mit dem Messstoff und befindet sich bei Installation des Temperatursensors 1 an einem Behälter oder eine Rohrleitung außerhalb des Teils des Behälters oder der Rohrleitung in dem sich der Messstoff befindet. Das heißt dass die zweite Fühleraufnahme 5 zu ersten Fühleraufnahme 4 in Längsrichtung des Fühlerkörpers 2 beabstandet ist. Während die Längsachse des Fühlerkörpers 2 durch die erste Fühleraufnahme 4 verläuft, ist die zweite Fühleraufnahme 6 in radialer Richtung zur Längsachse des Fühlerkörpers 2 versetzt angeordnet.
Ein zweiter Temperaturfühler 12 ist in der zweiten Fühleraufnahme 5 angeordnet und dazu eingerichtet einen zweiten Messwert zu bestimmen. Bei dem zweiten Messwert handelt es sich ebenfalls um eine aktuelle am Temperaturfühler vorliegende Temperatur oder eine dazu proportionale Größe (z.B. elektrische Widerstand). Dieser setzt sich ebenfalls aus mehreren
Beiträgen zusammen. Dabei überwiegt der Beitrag durch eine aktuelle Temperatur des Endabschnittes 7.
Mit Hilfe des zweiten Messwertes lässt sich die aus dem ersten Messwert ermittelte Temperatur des Messstoffes korrigieren. Gerade wenn sich die Umgebungstemperatur der Messstelle von der Temperatur des Mediums unterscheidet, unterscheidet sich der ermittelte Temperaturwert von der tatsächlichen Temperatur des Messstoffes.
Ist die Umgebungstemperatur und somit auch die Temperatur, welche der zweite Temperaturfühler 12 ausgesetzt deutlich geringer als die Temperatur des Messstoffes, so ist auch der mit dem ersten Temperaturfühler 11 ermittelte Temperaturwert deutlich geringer als die tatsächliche Temperatur des Messstoffes.
Ist die Umgebungstemperatur und somit auch die Temperatur, welche der zweite Temperaturfühler 12 ausgesetzt deutlich höher als die Temperatur des Messstoffes, so ist auch der mit dem ersten Temperaturfühler 11 ermittelte Temperaturwert deutlich höher als die tatsächliche Temperatur des Messstoffes.
Dies liegt daran, dass der erste Temperaturfühler 11 nicht vollständig thermisch von der Umgebung entkoppelt ist. Der Einsatz des zweiten Temperaturfühlers 12 hat somit den Vorteil, dass die Einflüsse der Umgebungstemperatur, die zu der fehlerhaften Messung führen gemessen werden können und der mit dem ersten Temperaturfühler 11 ermittelte Temperaturwert um den ermittelten Einfluss korrigiert werden kann.
Bei den zuvor genannten Fällen handelt es sich um statische Fälle. Der Einsatz eines zweiten Temperaturfühlers 12 hat jedoch auch in einem dynamischen Fall einen Vorteil. Ändert sich die Temperatur des Messstoffes, wird dies durch den ersten Temperaturfühler 11 im Frontabschnitt gemessen. Die Wärmekapazität der Umgebung hat noch nicht die Temperatur des Messstoffes angenommen und beeinflusst somit den Messwert des ersten Temperaturfühlers 11 leicht. Dies führt so zu einen Messfehler. Der zweite Temperaturfühler 12 im Endabschnitt misst ebenfalls fehlerbehaftet auf Grund der Temperaturänderung. Dies ist jedoch stärker verzögert im Vergleich zur Messung mit dem ersten Temperaturfühler aufgrund einer geringerer thermischen Kopplung mit dem Messstoff. Es entsteht während des Temperaturanstiegs also eine Differenz zwischen den an den beiden Temperaturfühlern gemessenen Messwerten. Die sich daraus ergebende Differenz kann zur Korrektur genutzt werden.
Der abgebildete Temperatursensor 1 bzw. der Fühlerkörper 2 weist eine Dichtmittelaufnahme 10 zur Aufnahme eines Dichtmittels 9 auf. In der abgebildeten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Dichtmittel 9 um einen Dichtring. Es sind jedoch auch andere Dichtmittel - wie z.B. ein flüssig applizierte Dichtflüssigkeit - geeignet. Als Dichtmittel 9 eignen sich speziell für die vorgesehene Anwendung genormte Dichtungen. Die Dichtmittelaufnahme 10 ist zwischen Frontabschnitt e und
Endabschnitt 7 positioniert. Im Einsatz kommt das Dichtmittel 9 in Kontakt mit der Wandung des Behälters oder der Rohrleitung, in die der Temperatursensor 1 eingesetzt wird. Um den Einfluss der Umgebung auf die Messung der Temperatur detektieren zu können, ist es wichtig, dass die beiden Temperaturfühler möglichst weit beabstandet sind bzw. dass der zweite Temperatur möglichst weit von der Messspitze beabstandet ist. In der abgebildeten Ausgestaltung erstreckt sich die zweite Fühleraufnahme 5 bis maximal zur Dichtmittelaufnahme 10. Die Dichtmittelaufnahme 10 selbst ist als Nut ausgebildet die sich in Umfangsrichtung um den Fühlerkörper 2 erstreckt.
Um eine optimale thermische Kopplung zwischen den Temperaturfühlern 11 , 12 und dem jeweiligen zu überwachenden Abschnitt zu erreichen sind die erste Fühleraufnahme 4 und die zweite Fühleraufnahme 5 zumindest teilweise mit einer Wärmeleitpaste 8, insbesondere eine Silikonpaste gefüllt.
Der Fühlerkörper 2 ist mit einer Schutzkappe 13 versehen, die das Innere des Fühlerkörpers 2 verdeckt. Die Schutzkappe 2 weist vier Pins 14 auf (abgebildet sind auf Grund der Perspektive nur 2 Pins). Dabei sind zwei Pins elektrisch mit dem ersten Temperaturfühler 11 jeweils über einen elektrischen Leiter verbunden und die beiden weiteren zwei Pins sind elektrisch mit dem zweiten Temperaturfühler 12 jeweils über einen elektrischen Leiter verbunden. Die Schutzkappe 13 ist stoffschlüssig mit dem Fühlerkörper 2 im Endabschnitt 7 verbunden. Dies kann beispielsweise mittels eines Schweißverfahrens erfolgen. Alternativ kann die Verbindung zwischen Schutzkappe 13 und Fühlerkörper 2 auch durch eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung realisiert sein.
Der Temperatursensor 1 bzw. der Fühlerkörper 2 weist in der abgebildeten Ausgestaltung oder in Ausgestaltungen in denen explizit auf ein Dichtmittel verzichtet wird eine Kontaktfläche 15 auf, die dazu eingerichtet ist als Anschlag zu dienen. Ist der Fühlerkörper 2 aus einem Metall gebildet und das Behältnis oder die Rohrleitung ebenfalls metallisch so kann durch geeignete Wahl der Kontaktfläche 15 (z.B. konisch) eine ausreichende Dichtung auch ohne Dichtmittel realisieren. In dem Fall ist die Kontaktfläche 15 zwischen Frontabschnitt 6 und Endabschnitt 7 positioniert und die zweite Fühleraufnahme 5 erstreckt sich bis maximal zur Kontaktfläche 15.
Die abgebildete Ausgestaltung des Fühlerkörpers 2 weist ein Außengewinde 20 auf mit dem der Temperatursensor 1 in eine Öffnung mit einem Innengewinde einschraubbar ist. Weiterhin weist das der Fühlerkörper einen als Sechskant ausgebildeten Abschnitt auf, der Teil des Endabschnittes 7 ist.
Die beiden elektrischen Verbinder, welche die jeweiligen Temperaturfühler mit den Pins verbinden, weisen jeweils eine Keramikhülse 30 auf die verhindert, dass diese in Kontakt mit der Wärmeleitpaste 8 gelangt.
Die Schutzkappe 13 weist einen elektrischen Isolator 40 auf, in dem die vier Pins angeordnet sind. Ein Frontabschnitt der jeweiligen Pins befindet sich in einer durch die Schutzkappe 13 und den Fühlerkörper 2 gebildeten Kammer. Ein Endabschnitt der der jeweiligen Pins zeigt von dem Fühlerkörper 2 weg. Die Pins 14 sind über die Endabschnitte mit Hilfe von elektrischen Leitern (z.B.
verdrillte Kabel) mit einer Auswerte-Elektronik verbunden, so dass eine elektrische Verbindung zwischen den zwei Temperaturfühlern 11 , 12 und der Auswerte-Elektronik realisiert ist. Die vier Pins 14 sind mit einem elektrisch isolierendes Vergussmittel 50 vergossen. Dies dient zum zur Bildung einer Zugentlastung des elektrischen Leiters gegenüber der Drähte, mit denen die zwei Temperaturfühler kontaktiert sind.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Mikrowellensensor 100. Der Mikrowellensensor 100 dient zum Bestimmen eines Feststoffanteils 8 eines Feststoffes in einem fließfähigen, insbesondere wässrigen Messstoffes. Der Messstoff wird in der Anwendung des Mikrowellensensors 100 in einer Prozessleitung durch ein Messrohr 101 geführt.
Der abgebildete Mikrowellensensor 100 selbst umfasst eine Sendeantenne 116 zum Erzeugen eines - bei Anwesenheit eines Messstoffes in dem Messrohr 101 - das Medium durchlaufenden Mikro- wellensignales. Die Sendeantenne 116 ist dabei in einer Öffnung des Messrohres 101 angeordnet. Eine geeignete Sendeantenne 116 wird in der Patentschrift DE 10 2020 134 320 A1 offenbart, auf welche vollumfänglich verwiesen wird.
Des Weiteren umfasst der Mikrowellensensor 100 eine Empfangsantenne 118 zum Empfangen des von der Sendeantenne 116 erzeugten und - bei Anwesenheit eines Mediums in dem Messrohr 101 - das Medium durchlaufenen Mikrowellensignals. Eine geeignete Empfangsantenne 118 wird ebenfalls in der Patentschrift DE 10 2020 134 320 A1 offenbart, auf welche vollumfänglich verwiesen wird.
Alternativ kann der Mikrowellensensor 100 ausschließlich eine Antenne aufweisen, bei der es sich um eine Empfangsantenne 118 und gleichzeitig auch um eine Sendeantenne 116 handelt. In dem Fall wird das Mikrowellensignal durch die Antenne erzeugt und ebenfalls gemessen. Dafür wird das Mikrowellensignal mindestens einmal an einer inneren Mantelfläche des Messrohres wieder zurück in Richtung der sendenden Antenne reflektiert.
Die Elektronikkomponenten zum Verbinden der Empfangsantenne 118 und der Sendeantenne mit der Auswerte-Elektronik 102 sind üblicherweise durch ein Gehäuse (nicht abgebildet) vor äußere Einflüsse geschützt.
Der Mikrowellensensor 100 weist zudem einen ersten Temperaturfühler 111 auf, welcher dazu eingerichtet ist einen ersten Messwert zu bestimmen und diesen an die Auswerte-Elektronik bereitzustellen. Der erste Temperaturfühler 111 ist derart am oder im Messrohr 101 positioniert, dass eine thermische Kopplung zwischen Messstoff und dem ersten Temperaturfühler 111 realisiert wird. Dadurch überwiegt bei dem gemessenen ersten Messwert der Beitrag, welcher sich aus der aktuellen Temperatur des Messstoffes ergibt.
Der Mikrowellensensor 100 weist erfindungsgemäß einen weiteren, zweiten Temperaturfühler 112 auf, welcher dazu eingerichtet ist einen zweiten Messwert zu bestimmen. Der zweite Temperaturfühler 112 ist deutlich entfernt vom Messrohr 101 angeordnet, so dass der überwiegende Beitrag auf den zweiten Messwert durch eine aktuelle Temperatur im Gehäuse hervorgerufen ist.
Eine Auswerte-Elektronik 102, die ebenfalls im Gehäuse oder aber auch in einem externen Transmittergehäuse angeordnet sein kann, ist dazu eingerichtet, den Feststoffanteil 8 in Abhängigkeit einer bereitgestellten Laufzeit und/oder Absorption des empfangenen Mikro- wellensignales zu ermitteln. Um den Feststoffanteil 8 möglichst genau zu ermitteln, muss bei der Ermittlung ebendiesen die Temperaturabhängigkeit der Permittivität von Wasser mit berücksichtigt werden. Dafür ist die Auswerte-Elektronik 102 erfindungsgemäß dazu eingerichtet, den Feststoffanteil 8 in Abhängigkeit des ersten Messwerte und des zweiten Messwertes zu ermitteln.
Die kompensierte Temperatur des Messstoffes kann nicht nur relevant für die Erhöhung der Messgenauigkeit des Feststoffanteils, sondern kann auch dem Kunden - beispielsweise auf einem Display - ausgegeben werden. Dafür ist die Auswerte-Elektronik 102 dazu eingerichtet, eine kompensierte Temperatur des Messstoffes in Abhängigkeit des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes zu ermitteln.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrowellensensors 100. Die abgebildete Ausgestaltung weist den erfindungsgemäßen Temperatursensor 1 auf, der in einer dafür vorgesehenen Öffnung im Messrohr 101 angeordnet, insbesondere eingeschraubt ist. Ebenfalls in einer jeweiligen Öffnung im Messrohr 101 angeordnet sind eine Sendeantenne 116 zum Erzeugen eines den Messstoff durchlaufenden Mikrowellen- signales und eine Empfangsantenne 118 zum Empfangen des den Messstoff durchlaufenen Mikrowellensignal. Der Temperatursensor 1 , die Sendeantenne 116 und die Empfangsantenne 118 sind in einem Gehäuse 120 angeordnet, welches dazu eingerichtet ist diese vor äußeren Einwirkungen zu schützen. Wird Messstoff durch das Messrohr 101 geführt und ist der Temperatursensor 1 in Kontakt mit dem Messstoff, so überwiegt bei dem mit dem ersten Temperaturfühler ermittelte erste Messwert ein Beitrag durch eine aktuelle Temperatur des Messstoffes. Die Temperatur im Gehäuse 120 beeinflusst zwar ebenfalls den ersten Temperaturwert, jedoch ist dieser Beitrag deutlich geringer als der Beitrag des Messstoffes. Der mittels des zweiten Temperaturfühlers 112 ermittelte zweite Messwert wird durch die aktuelle Temperatur im Gehäuse 120 dominiert. Gerade bei hohen Temperaturdifferenzen trägt auch die Temperatur des Messstoffes merklich bei, da diese das Gehäuseinnere erwärmt bzw. abkühlt.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 200. Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 200 sind grundsätzlich bekannt. Durch ein Messrohr 202 wird ein fließfähiger Messstoff (oder Medium) geleitet, welches eine ausreichend große elektrische Leitfähigkeit aufweist. Das Messrohr 202 umfasst ein Trägerrohr 203, welches üblicherweise aus Stahl, Keramik, Kunststoff
oder Glas gebildet ist oder eines der genannten Materialien zumindest umfasst. Um das Ableiten der im Medium induzierten Messspannung über das elektrisch leitfähige Trägerrohr 203 zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material, beispielsweise einem (Kunststoff-)Liner 204 oder Keramikfliesen ausgekleidet.
Eine magnetfelderzeugende Vorrichtung 205 ist so am Trägerrohr 203 angeordnet, dass sich die Magnetfeldlinien im Wesentlichen senkrecht zu einer durch eine Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Die magnetfelderzeugende Vorrichtung 205 umfasst in der Regel mindestens eine Sattelspule oder mindestens eine Spule 213 mit einem Spulenkern 214. In der abgebildeten Ausgestaltung der Fig. 4 weist das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät 200 zwei diametral angeordnete Spulen 213 auf, die jeweils einen Spulenkern 214 und einen Polschuh aufweisen. Die zwei Spulenkerne 214 sind über eine Feldrückführung 222 miteinander, insbesondere magnetisch, verbunden. Die Feldrückführung 222 verbindet die jeweils voneinander abgewandten Seiten der Spulenkerne 214 miteinander. Es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte 200 mit genau einer Spule 213, mit genau einem Spulenkern 214 und ohne Feldrückführung 222 bekannt. Weiterhin sind auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte 200 bekannt, die Sattelspulen aufweisen, in denen kein Spulenkern angeordnet ist. Die Spule 213 ist mit einer Betriebsschaltung 207 verbunden, welche die Spule 213 mit einem Betriebssignal betreibt.
Das Betriebssignal kann eine Spannung mit einem zeitlich veränderlichen Verlauf sein und ist durch Betriebssignalparameter charakterisiert, wobei mindestens einer der Betriebssignalparameter regelbar ist. Das durch die magnetfelderzeugende Vorrichtung 205 aufgebaute Magnetfeld wird durch einen mittels einer Betriebsschaltung 207 getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch elektrochemische Störungen. Die zwei Spulen 213 können separat mit der Betriebsschaltung 207 verbunden oder in Reihe bzw. parallel zueinander geschaltet sein.
Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr 202 eine durchflussabhängige Potentialverteilung, welche sich beispielsweise in Form einer induzierten Messspannung erfassen lässt. Eine Vorrichtung zum Abgreifen der induzierten Messspannung ist am Messrohr 2 angeordnet. In der abgebildeten Ausgestaltung ist die Vorrichtung zum Abgreifen der induzierten Messspannung durch zwei gegenüberliegend angeordnete Messelektroden 217, 218 zum Bilden eines galvanischen Kontaktes mit dem Medium gebildet, welche jeweils in einer Elektrodenöffnung angeordnet sind. Es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte 200 bekannt, die an der Außenwandung des Trägerrohres 203 angeordnete kapazitive Messelektroden aufweisen, die nicht messstoffberührend sind. In der Regel sind die Messelektroden 217, 218 diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse bzw. werden durch eine Querachse geschnitten, die senkrecht zu den Magnetfeldlinien und der Längsachse des Messrohres 202 verläuft. Es sind aber auch Vorrichtungen zum Abgreifen der induzierten Messspannung bekannt, welche mehr als zwei Messelektrode aufweisen. Anhand der gemessenen Messspannung kann die
strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße bestimmt werden. Die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße umfasst die Durchflussgeschwindigkeit, den Volumendurchfluss und/oder den Massedurchfluss des Mediums. Eine Auswerte-Elektronik 207 ist dazu eingerichtet, die an den Messelektroden 217, 218 anliegende, induzierte Messspannung zu erfassen und die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße in Abhängigkeit von der gemessenen Messpannung zu ermitteln. Die abgebildeten Messelektroden 217, 218 sind nur vereinfacht dargestellt. Erfindungsgemäß ist die Auswerte-Elektronik 207 dazu eingerichtet, eine korrigierte Temperatur des Messstoffes und/oder eine Leitfähigkeit in Abhängigkeit des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes zu ermitteln.
Handelsübliche magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte weisen zusätzlich zu den Messelektroden 217, 218 zwei weitere Elektroden auf. Zum einen dient eine optimalerweise am höchsten Punkt im Messrohr 202 angebrachte Füllstandsüberwachungselektrode dazu, eine Teilbefüllung des Messrohres 202 zu detektieren, und ist dazu eingerichtet diese Information an den Nutzer weiterzuleiten und/oder den Füllstand bei der Ermittlung des Volumendurchflusses zu berücksichtigen. Des Weiteren dient eine Bezugselektrode 233, die üblicherweise diametral zur Füllstandsüber- wachungselektrode bzw. am untersten Punkt des Messrohrquerschnittes angebracht ist, dazu, ein kontrolliertes, elektrisches Potential im Medium einzustellen. In der Regel wird die Referenzelektrode 233 zum Verbinden des fließenden Mediums mit einem Erdpotential eingesetzt.
Erfindungsgemäß weist das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät einen Temperatursensor 1 , welcher in einer seitlichen Öffnung in der Mantelfläche des Messrohrs angeordnet ist. In der abgebildeten Ausgestaltung ist der Temperatursensor 1 zumindest abschnittsweise in der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 205 angeordnet und dient zusätzlich als Füllstandsüber- wachungselektrode. Alternativ kann der Temperatursensor 1 aber auch in Fließrichtung versetzt zur magnetfelderzeugenden Vorrichtung 205 und zu der Messebene in der die Messelektroden 217, 218 liegen angeordnet sein. Der Temperatursensor 1 kann alternativ als Messelektrode oder Referenzelektrode ausgebildet sein.
Claims
1. Temperatursensor (1) zum Ermitteln einer Temperatur eines Messstoffes, umfassend:
- einen, insbesondere metallischen, Fühlerkörper (2), welcher Fühlerkörper (2) umfasst:
- eine, insbesondere zumindest abschnittsweise konisch ausgebildete, Messspitze (3), welche dazu eingerichtet ist, in Kontakt mit dem Messstoff gebracht zu werden;
- eine erste Fühleraufnahme (4), wobei sich die erste Fühleraufnahme (4) bis in einen Frontabschnitt (6) der Messspitze (3) hinein erstreckt;
- eine zweite Fühleraufnahme (5), die sich ausschließlich in einem Endabschnitt (7) des Fühlerkörpers (2) befindet,
- ein erster Temperaturfühler (11), welcher in der ersten Fühleraufnahme (4) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist einen erste Messwert zu bestimmen, wobei bei dem ersten Messwert ein Beitrag durch eine aktuelle Temperatur des Frontabschnittes überwiegt; und
- einen zweiten Temperaturfühler (12), welcher in der zweiten Fühleraufnahme (5) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist eine zweiten Messwert zu bestimmen, wobei bei dem zweiten Messwert ein Beitrag durch eine aktuelle Temperatur des Endabschnittes (7) überwiegt.
2. Temperatursensor (1) nach Anspruch 1 , weiterhin umfassend:
- eine Dichtmittelaufnahme (10) zur Aufnahme eines Dichtmittels (9), insbesondere eines Dichtrings, wobei die Dichtmittelaufnahme (10) zwischen Frontabschnitt (6) und Endabschnitt (7) positioniert ist, wobei sich die zweite Fühleraufnahme (5) bis maximal zur Dichtmittelaufnahme (10) erstreckt.
3. Temperatursensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Fühleraufnahme (4) und/oder die zweite Fühleraufnahme (5) zumindest teilweise mit einer Wärmeleitpaste (8), insbesondere eine Silikonpaste und bevorzugt einem Silikonkautschuk gefüllt ist bzw. sind.
4. Temperatursensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin umfassend:
- einen Schutzkappe (13) mit vier Pins (14), wobei zwei Pins elektrisch mit dem ersten Temperaturfühler (11) jeweils über einen elektrischen Leiter verbunden sind, wobei zwei weitere Pins elektrisch mit dem zweiten Temperaturfühler (12) jeweils über einen elektrischen Leiter verbunden sind.
5. Temperatursensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin umfassend:
- eine Kontaktfläche (15), die dazu eingerichtet ist als Anschlag zu dienen, wobei die Kontaktfläche (15) zwischen Frontabschnitt (6) und Endabschnitt (7) positioniert ist, wobei sich die zweite Fühleraufnahme (5) bis maximal zur Kontaktfläche (15) erstreckt.
6. Mikrowellensensor (100) zum Bestimmen eines Feststoffanteils 8 eines Feststoffes in einem fließfähigen, insbesondere wässrigen, Messstoffes, umfassend:
- ein Messrohr (101) zum Führen des Messstoffes;
- eine Sendeantenne (116) zum Erzeugen eines den Messstoff durchlaufenden Mikrowellensignales;
- eine Empfangsantenne (118) zum Empfangen des den Messstoff durchlaufenen Mikrowellensignal;
- ein Gehäuse (120);
- einen ersten Temperaturfühler (111), welcher dazu eingerichtet ist einen ersten Messwert zu bestimmen,
wobei bei dem ersten Messwert ein Beitrag durch eine aktuelle Temperatur des Messstoffes überwiegt;
- einen zweiten Temperaturfühler (112), welcher dazu eingerichtet ist einen zweiten Messwert zu bestimmen, wobei bei dem zweiten Messwert ein Beitrag durch eine aktuelle Temperatur im Gehäuse (120) überwiegt;
- eine Auswerte-Elektronik (102), welche dazu eingerichtet ist, den Feststoffanteil 8 in Abhängigkeit einer bereitgestellten Laufzeit und/oder Absorption des empfangenen Mikrowellensignales zu ermitteln, wobei die Auswerte-Elektronik (102) weiterhin dazu eingerichtet ist, den Feststoffanteil 8 in Abhängigkeit des ersten Messwerte und des zweiten Messwertes zu ermitteln.
7. Mikrowellensensor (100) nach Anspruch 6, wobei der erste Temperaturfühler (11 , 111) und der zweite Temperaturfühler (12, 112) Teil eines Temperatursensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 sind.
8. Mikrowellensensor (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Auswerte-Elektronik (102) dazu eingerichtet ist, eine kompensierte Temperatur des Messstoffes in Abhängigkeit des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes zu ermitteln.
9. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (200) zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen, insbesondere leitfähigen, Messstoffes, umfassend:
- ein Messrohr (202) zum Führen des Messstoffes;
- ein Gehäuse (220);
- mindestens zwei Messelektroden (217, 218) zum Ermitteln einer im Messstoff induzierten Messspannung;
- eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (205) zum Erzeugen eines das Messrohr (202) durchsetzenden Magnetfeldes;
- einen Temperatursensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5;
- eine Auswerte-Elektronik (207), die dazu eingerichtet ist eine korrigierte Temperatur des Messstoffes und/oder eine Leitfähigkeit in Abhängigkeit des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes zu ermitteln.
10. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 9, wobei der Temperatursensor (1) zumindest abschnittsweise in der magnetfelderzeugenden Vorrichtung (205) angeordnet ist.
11. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Temperatursensor (1) als Messelektrode, Füllstandsüberwachungselektrode oder Referenzelektrode ausgebildet ist.
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