WO2021008806A1 - Temperaturmessgerät - Google Patents

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WO2021008806A1
WO2021008806A1 PCT/EP2020/066965 EP2020066965W WO2021008806A1 WO 2021008806 A1 WO2021008806 A1 WO 2021008806A1 EP 2020066965 W EP2020066965 W EP 2020066965W WO 2021008806 A1 WO2021008806 A1 WO 2021008806A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
unit
rod
resonator
shaped element
acoustic
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/066965
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Pavo Vrdoljak
Benjamin Scherer
Marc Schalles
Adnan Yousaf
Original Assignee
Endress+Hauser Wetzer Gmbh+Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Wetzer Gmbh+Co. Kg filed Critical Endress+Hauser Wetzer Gmbh+Co. Kg
Publication of WO2021008806A1 publication Critical patent/WO2021008806A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/32—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using change of resonant frequency of a crystal

Definitions

  • the invention relates to a temperature measuring device for determining and / or monitoring the temperature of a process medium.
  • Temperature measuring devices are used in automation technology as field devices for determining and / or monitoring the temperature of a process medium, in particular in a process.
  • the process medium is, for example, a fluid (i.e. a liquid or gaseous) or a flowable, granular process medium.
  • the process medium is usually located in a container, such as a tank or a pipeline.
  • all measuring devices for determining and / or monitoring process variables that are used close to the process and deliver or process process-relevant information are referred to as field devices.
  • Field devices often have a sensor unit which is in contact with a process medium, in particular at least temporarily and / or at least in sections, which serves to generate a signal that is dependent on the process variable.
  • Such field devices, in particular temperature measuring devices are manufactured and sold by the applicant in a wide variety of configurations.
  • Temperature measuring devices in which the sensor unit has a resistance element connected to a conductor loop made of a thermally conductive or cold conductive material (also: NTC or PTC or thermistor) and / or a thermocouple are widespread in process automation.
  • a thermally conductive or cold conductive material also: NTC or PTC or thermistor
  • Automation technology however, has process and / or environmental conditions, for example in the high temperature range (T> 250 ° C.), for which the sensor unit of the temperature measuring devices mentioned above is not designed.
  • Another disadvantage of the above-mentioned sensor units is their comparatively high maintenance effort. This is due to the fact that the sensor unit itself and / or the conductor loop connected to it experiences a drift and therefore regular calibration, verification and / or adjustment is necessary. This is already disadvantageous because it is often necessary to remove the sensor unit and / or the conductor loop.
  • Passive measuring means in the context of this application that the sensor unit is essentially free of, in particular electrical, (supply) connections for supplying the sensor unit with the energy and / or (transmission) required for its operation. Connections for transmitting a measurement signal generated by the sensor unit is. Since metallic containers are often used in process automation, many of the non-invasive methods known from the prior art are
  • Temperature measurement for example methods based on induction and / or on electromagnetic waves (radar, laser, etc.) for an application in the
  • US Pat. No. 4,676,663 discloses an ultrasound-based temperature measuring device with a single ultrasound transducer
  • a rod-shaped waveguide serving as an ultrasonic waveguide, a resonator excited by torsional ultrasonic waves and having a temperature-dependent resonance frequency
  • the temperature measuring device determines the temperature based on the resonance frequency of the resonator excited in resonance. Because of the loose coupling, the
  • Temperature measuring device has a low energy efficiency.
  • US Patent 4,676,663 discloses a temperature measuring device with
  • the temperature can be determined using the transit time difference of the ultrasonic waves reflected at the spaced-apart reflection points.
  • the accuracy of the time-of-flight (TOF) method is essentially determined by the distance between the reflection points, the simultaneous achievement of a sufficiently high spatial resolution and sufficient accuracy of the temperature measurement is practically impossible. For example, if there is a small distance of a few cm between the reflection points an accuracy of
  • the resonator is in the air by means of the between the converter units
  • the temperature measuring device presented in the scientific article has a low sensitivity.
  • a temperature measuring device For use in industrial process measurement technology, a temperature measuring device with a sufficiently high level of sensitivity and energy efficiency is desired.
  • the invention is therefore based on the object of specifying such a temperature measuring device with a passively measuring sensor unit.
  • a temperature measuring device for determining and / or monitoring the temperature of a process medium or a surface temperature of a container or pipe, having:
  • control / evaluation unit designed to generate, transmit, receive, regulate and / or evaluate electrical signals
  • the converter unit and the second converter unit are designed for converting electrical signals into acoustic signals and for converting acoustic signals into electrical signals,
  • Converter unit is configured, wherein a first end portion of the rod-shaped element is connected to the first converter unit and a first end portion in
  • a substantially opposite second end section of the rod-shaped element is connected to the second transducer unit, and - one in determining and / or monitoring the temperature of a
  • control / evaluation unit being connected to the first transducer unit
  • the second transducer unit being connected to the sensor unit and the resonator being excitable to a resonant oscillation by means of an electrical signal transmitted from the second transducer unit to the sensor unit
  • the temperature of the process medium can be determined by the control / evaluation unit on the basis of the resonance frequency of the resonator excited in resonance.
  • the temperature measuring device has both high sensitivity and high energy efficiency compared to the solutions known from the prior art.
  • the temperature measuring device can be very easily inserted into a container for the process medium via a process connection
  • the temperature measuring device can be designed without regard to the electrical connection lines used for signal transmission which are customary in the prior art and are now obsolete in the case of the temperature measuring device according to the invention.
  • the latter cause a measurement error due to the heat dissipation caused by them.
  • the systematic measurement error caused by heat dissipation represents a significant source of error in temperature measurements in the prior art, which can be minimized within the scope of the invention.
  • the temperature measuring device requires little installation and / or maintenance effort.
  • the temperature measuring device is preferably a temperature measuring device for determining and / or monitoring the temperature of a process medium with a sensor unit introduced into the process medium.
  • the temperature measuring device is designed in such a way that when determining and / or monitoring the temperature
  • control / evaluation unit generates and sends out an electrical transmission signal, which the first transducer unit converts into an acoustic transmission signal, the rod-shaped element the acoustic transmission signal to the second
  • the second converter unit converts the acoustic transmission signal into an electrical excitation signal, excites the resonator to vibrate with the electrical excitation signal, receives the vibrations of the resonator as an electrical reception signal and converts it into an acoustic reception signal, the rod-shaped element sends the acoustic reception signal to the first
  • the first converter unit converts the acoustic received signal into an electrical received signal and transfers this to the control / evaluation unit, and the control / evaluation unit controls the electrical transmission signal as a function of the electrical reception signal in such a way that the resonator is excited in a resonant oscillation, and
  • control / evaluation unit determines the temperature of the process medium based on the resonance frequency of the resonant oscillation of the resonator.
  • the acoustic received and transmitted signals transmitted by means of the rod-shaped element are acoustic oscillations with a frequency from the ultrasonic range.
  • the acoustic vibrations or ultrasonic waves can be
  • the rod-shaped element is a solid rod or a hollow rod and the rod-shaped element comprises a metal, preferably a stainless steel.
  • the ultrasonic waves can also be transmitted in the hollow space of the hollow rod.
  • the rod-shaped element can have an elliptical, round or polygonal, for example rectangular, cross-sectional area.
  • the rod-shaped element protrudes over one when determining and / or monitoring the temperature of the process medium
  • a second section of the rod-shaped element adjoining the first converter unit, the first converter unit and the control / evaluation unit are arranged on the side of the process connection facing away from the process medium and thus outside the process container or the process line.
  • control / evaluation unit which has appropriately designed electronic and / or electrical components for generating, transmitting, receiving, regulating and / or evaluating electrical signals, is arranged outside the process connection and thus outside the process container or the process line .
  • the sensor unit can be supplied with the energy required by the sensor unit to excite the resonant oscillation of the resonator by means of the acoustic signals transmitted via the rod-shaped element,
  • the sensor unit is connected to the control / evaluation unit exclusively by means of the rod-shaped element and the first converter unit and second converter unit.
  • the sensor unit is therefore free of any further connections to a wired or wired energy supply and / or data line. It is therefore in particular a sensor unit that measures passively and can be addressed wirelessly or wirelessly.
  • the resonator is excited to resonant oscillations by the excitation signal transferred to it by the second transducer unit.
  • the resonator is a resonator with acoustic oscillations, especially about surface acoustic waves (SAW) of the resonator,
  • SAW surface acoustic waves
  • the resonator is a resonator with electrical oscillations, in particular a quartz oscillator.
  • the sensor unit has an adaptation element for adapting the electrical impedance of the second converter unit and the resonator.
  • the resonator is a resonator with mechanical vibrations
  • the sensor unit has a third converter unit for converting the electrical excitation signal into a mechanical excitation signal for exciting the mechanical vibrations and for converting received mechanical vibrations into the electrical received signal, and in particular the third converter unit is designed as a coil and / or a piezo element.
  • the sensor unit has a media-tight encapsulation, in the interior of which the resonator is arranged.
  • the second converter unit can also be inside the second converter unit
  • Encapsulation be arranged. In a further embodiment of the temperature measuring device, this has a
  • a protective tube closed off by a protective tube base, which essentially completely surrounds at least the first section of the rod-shaped element protruding into the process medium, the second converter unit and the sensor unit.
  • Thermowells are widely used in temperature measurement technology.
  • a heat conducting film is attached to the inner surface of the protective tube base facing away from the process medium.
  • first, second, second partial section of the rod-shaped element protruding from the process container or tube can also be arranged completely in the interior of the protective tube.
  • the protective tube represents an addition or an alternative to that in the previous one
  • Embodiment disclosed encapsulation of the sensor unit.
  • the resonator has quartz.
  • a first coupling layer is arranged between the first transducer unit and the first end section of the rod-shaped element and a second coupling layer is arranged between the second end section of the rod-shaped element and the second transducer unit, the first coupling layer being used to match the acoustic impedance between the first Transducer unit and the first end section of the rod-shaped element and / or wherein the second coupling layer serves to match the acoustic impedance between the second transducer unit and the second end section of the rod-shaped element,
  • first coupling layer and the second coupling layer are designed to be essentially identical.
  • the coupling layer is in particular applied to an end face on the first / second end section of the rod-shaped element.
  • the specific configuration of the (first / second) coupling layer depends on the specific configuration of the (first / second) transducer unit and the rod-shaped element. The skilled person would optimize the design of the coupling layer (material of the
  • Coupling layer, layer thickness, ...) with regard to a sufficient adaptation of the acoustic impedance between (first / second) transducer unit and rod-shaped element.
  • the rod-shaped element has a coating which is used to focus the acoustic signal in the rod-shaped element.
  • the first transducer unit and / or the second transducer unit comprises / comprise a piezoceramic, in particular a piezoceramic having lead-zirconate-titanate (PZT).
  • PZT lead-zirconate-titanate
  • the quality of the resonator is at least 10,000, in particular at least 50,000, preferably at least 80,000. It is therefore in particular a resonator with high quality and correspondingly high energy efficiency.
  • the sensor unit has a microcontroller that can be supplied with the energy required for its operation by means of the acoustic signals transmitted via the rod-shaped element.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the temperature measuring device according to the invention.
  • a control / evaluation unit 1 (English: Reader Unit), which is used to generate, to
  • Sending, receiving and regulating and / or evaluating electrical signals transfers an electrical transmission signal to a first transducer unit 2a, here designed as a PZT piezoceramic, in a measuring mode. From the electrical transmission signal, the first transducer unit 2a generates ultrasonic waves as an acoustic transmission signal.
  • the first converter unit 2a By connecting the first converter unit 2a to a first end section 31 of a rod-shaped element 3, the
  • Ultrasonic waves then passed to the rod-shaped element and above forwarded.
  • the ultrasonic waves are then transferred to the second converter unit 2b via a connection of a second end section 32 of the rod-shaped element 3 with a second converter unit 2b (here also a PZT piezoceramic).
  • the second converter unit 2b converts the acoustic transmission signal back into an electrical transmission signal.
  • Converter unit 2b connected resonator 4 of a sensor unit 5 excited to resonant oscillations with the resonance frequency Rf of the resonator.
  • the resonance frequency Rf of the resonator 4 depends on the temperature.
  • the sensor unit 5 is in contact with the process medium in such a way that at least the resonator 4 is in thermal equilibrium with the process medium.
  • the resonator 4 is controlled to its resonance frequency Rf by the control / evaluation unit 1.
  • the oscillations of the resonator 4 to be controlled for the resonant oscillation are sent to the control / evaluation unit 1 via the second
  • Converter unit 2b, the rod-shaped element 3 and the second converter unit 2a are returned or transmitted again.
  • the ultrasonic waves transmitted via the rod-shaped element 3 are, in one embodiment, longitudinal ultrasonic waves. Investigations of the
  • the rod-shaped element 3 is a metallic, solid rod.
  • the rod-shaped element preferably has a length less than 1 m and one
  • outside diameter ie for the hollow rod with cavity
  • 3mm to 15mm are common in temperature measurement technology.
  • the ratio d / L lies between the diameter of the entire hollow rod and the wall thickness L of the hollow rod
  • Fig. 2 a further embodiment of the temperature measuring device according to the invention is shown. In addition to the components already shown in Fig. 2 ,
  • Temperature measuring device introduced into the process medium here via a process connection 7 (e.g. from a wall of a process container or a pipe for the process medium), namely at least the sensor unit 5 and a first section 61 of the rod-shaped element 3 adjoining the second transducer unit 2b.
  • a process connection 7 e.g. from a wall of a process container or a pipe for the process medium
  • a second subsection 62 which adjoins the first converter unit 2a, as well as the first converter unit 2a and the control / evaluation unit 1 are located on the
  • the temperature measuring device in the embodiment shown here comprises a protective tube 10 which surrounds at least the first partial section 61 and thus the section of the rod-shaped element 3 protruding into the process medium.
  • Fig. 2 also shows the first 91 and second coupling layer 92 for matching the acoustic impedance between the respective transducer unit 2a, 2b and the respective end section 31, 32 of the rod-shaped element 3, of course the
  • the configuration with the coupling layer (s) 91, 92 is not limited to the configuration in connection with the protective tube 10 shown in FIG. 2.
  • FIGS. 3a to 3b different variants of the resonator 4 of the sensor unit 5 are shown, the sensor unit 5 shown in each case in the dashed section of the temperature measuring device being shown in a detailed view.
  • the resonator 4 it is always advantageous if the resonator 4 has a high quality, especially greater than 80,000. This ensures that the temperature measuring device is particularly energy efficient.
  • the resonator 4 is designed as a mechanically oscillatable unit 13, so that the resonant oscillations are mechanical oscillations.
  • the sensor unit 5 comprises an additional, third converter unit 8b, which is designed to convert between mechanical and electrical (excitation / reception) signals, for example a coil drive and / or a piezo drive.
  • the sensor unit 5 in this embodiment has a media-tight encapsulation 11. This ensures that the mechanically oscillatable unit 13 is not in direct contact (but only in thermal equilibrium) with the process medium. This eliminates, for example, an undesired influence of the density of the process medium on the resonance frequency Rf of the mechanically oscillatable unit 13.
  • the mechanically oscillatable unit 13 is shown here as an oscillating fork, preferably made of quartz.
  • Other mechanically oscillatable units are of course possible within the scope of the invention, including, for example, membrane oscillators, rod oscillators, or a MEMS Wineglass oscillator.
  • the resonator 4 is designed as an acoustically oscillatable unit 14 so that the resonant oscillations are acoustic oscillations, for example SAW oscillations.
  • the sensor unit 5 comprises an additional, third converter unit 8a, which is designed for converting between acoustic and electrical signals.
  • the acoustic oscillatable unit 14 comprises quartz.
  • the sensor unit comprises a microcontroller 12 and possibly a memory unit that is not explicitly shown and assigned to the microcontroller 12.
  • the microcontroller 12 is transmitted exclusively by means of the from the second converter unit 2b to the
  • Sensor unit 5 supplied electrical signals with the energy required for its operation.
  • the communication of the microcontroller 12 with the control / evaluation unit 1 also takes place exclusively by means of the ultrasonic waves transmitted via the rod-shaped element 3.
  • the microcontroller 12 is designed for bidirectional communication with the control / evaluation unit 1 and can be used, for example, as a limit value transmitter. This, for example, by triggering a specific signal precisely when the resonance frequency Rf or the associated temperature exceeds and / or falls below a predetermined limit value.
  • a limit value transmitter for example, by triggering a specific signal precisely when the resonance frequency Rf or the associated temperature exceeds and / or falls below a predetermined limit value.
  • Embodiment of the invention with the microcontroller 12 does not apply to the variant of the Temperature measuring device with the acoustically oscillatable unit 14, but can also be combined, for example, with the variant of a mechanically oscillatable unit 13 or an electrically oscillatable unit 15 shown in FIG. 3a or 3c.
  • the resonator 4 is an electrically oscillatable unit 15, see FIG. 3c.
  • the sensor unit 5 preferably comprises an electrical impedance matching unit 16 for matching the electrical impedance between the second converter unit 2b and the electrically oscillatable unit 15.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Temperaturmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Prozessmediums, aufweisend: - eine Regel-/Auswerteeinheit (1), die zur Erzeugung, zum Aussenden, zum Empfangen sowie zur Regelung und/oder Auswertung von elektrischen Signalen ausgestaltet ist, -eine erste Wandlereinheit (2a) und eine zweite Wandlereinheit (2b), wobei die erste Wandlereinheit (2a) und die zweite Wandlereinheit (2b) zur Wandlung von elektrischen in akustische Signale und zur Wandlung von akustischen in elektrische Signale ausgestaltet ist, - ein als akustischer Wellenleiter dienendes stabförmiges Element (3), das zur Übertragung von akustischen Signalen zwischen der ersten Wandlereinheit (2a) und der zweiten Wandlereinheit (2b) ausgestaltet ist, wobei ein erster Endabschnitt (31) des stabförmigen Elements (3) mit der ersten Wandlereinheit (2a) verbunden ist und ein dem ersten Endabschnitt (31) in Längsrichtung des stabförmigen Elements (3) im Wesentlichen gegenüberliegender zweiter Endabschnitt (32) des stabförmigen Elements (3) mit der zweiten Wandlereinheit (2b) verbunden ist, und - eine bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Prozessmediums in das Prozessmedium eingebrachte Sensoreinheit (5) mit einem Resonator (4), wobei die Regel-/Auswerteeinheit (1) mit der ersten Wandlereinheit (2a) verbunden ist, wobei die zweite Wandlereinheit (2b) mit der Sensoreinheit (5) verbunden ist und der Resonator (4) mittels eines von der zweiten Wandlereinheit (2b) an die Sensoreinheit (5) übertragenen elektrischen Signals zu einer resonanten Schwingung anregbar ist, und wobei von der Regel-/Auswerteeinheit (1) die Temperatur des Prozessmediums anhand der Resonanzfrequenz (fres) des in Resonanz angeregten Resonators (4) bestimmbar ist.

Description

Temperaturmessgerät
Die Erfindung betrifft ein Temperaturmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung der T emperatur eines Prozessmediums.
Temperaturmessgeräte werden in der Automatisierungstechnik als Feldgeräte zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines sich insb. in einem Prozess befindlichen Prozessmediums eingesetzt. Bei dem Prozessmedium handelt es sich beispielsweise um ein fluides (d.h. ein flüssiges oder gasförmiges) oder auch um ein fließfähiges, körniges Prozessmedium. Das Prozessmedium befindet sich üblicherweise in einem Behältnis, etwa einem Tank oder einer Rohrleitung. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Messgeräte zur Bestimmung und/oder Überwachung von Prozessgrößen bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Feldgeräte weisen oftmals eine, insbesondere zumindest zeitweise und/oder zumindest abschnittsweise mit einem Prozessmedium in Kontakt stehende Sensoreinheit auf, welche der Erzeugung eines von der Prozessgröße abhängigen Signals dient. Derartige Feldgeräte, insb. Temperaturmessgeräte, werden von der Anmelderin in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen hergestellt und vertrieben.
Weit verbreitet in der Prozessautomatisierung sind Temperaturmessgeräte, bei denen die Sensoreinheit ein an eine Leiterschleife angeschlossenes Widerstandselement aus einem warmleitenden oder kaltleitendem Material (auch: NTC bzw. PTC oder Thermistor) und/oder ein Thermoelement aufweist. In vielen Anwendungen der
Automatisierungstechnik liegen jedoch Prozess- und/oder Umgebungsbedingungen vor, bspw. im Hochtemperaturbereich (T > 250°C), für die die Sensoreinheit der vorstehend genannten Temperaturmessgeräte nicht ausgelegt ist. Weiterhin nachteilig an den o.g. Sensoreinheiten ist deren vergleichsweiser hoher Wartungsaufwand. Dieser ist dadurch bedingt, dass die Sensoreinheit selbst und/oder die daran angeschlossene Leiterschleife eine Drift erfahren/erfährt und daher eine regelmäßige Kalibrierung, Verifizierung und/oder Justierung erforderlich ist. Dies ist schon deshalb nachteilig, da hierbei oftmals ein Ausbau der Sensoreinheit und/oder der Leiterschleife erforderlich ist.
Es besteht daher zunehmend der Wunsch nach einem in der Prozessautomatisierung einsetzbaren Temperaturmessgerät mit einer nicht-invasiven oder zumindest im
Wesentlichen passiv messenden Sensoreinheit.„Passiv messend“ bedeutet im Rahmen dieser Anmeldung, dass die Sensoreinheit im Wesentlichen frei von, insb. elektrischen, (Versorgung-)Anschlüssen zur Versorgung der Sensoreinheit mit der zu ihrem Betrieb benötigten Energie und/oder (Übertragungs-)Anschlüssen zur Übertragung eines von der Sensoreinheit erzeugten Messsignals, ist. Da in der Prozessautomatisierung oftmals metallische Behältnisse zum Einsatz kommen, sind viele aus dem Stand der Technik bekannte nicht-invasive Methoden der
Temperaturmessung (bspw. auf Induktion und/oder auf elektromagnetischen Wellen (Radar, Laser, etc. ) basierende Methoden) für eine Anwendung in der
Prozessautomatisierung ungeeignet.
Im Stand der Technik sind im Wesentlichen passiv messende Temperaturmessgeräte bekannt geworden, die Ultraschallwellen verwenden.
So offenbart das US Patent 4,676,663 ein Ultraschall-basiertes Temperaturmessgerät mit einem einzigen Ultraschallwandler und
einen als Ultraschallwellenleiter dienenden stabförmigen Wellenleiter einem mit Torsionsultraschallwellen in Resonanz angeregten Resonator mit einer temperarturabhängigen Resonanzfrequenz und
einem Entkopplungselement zwischen dem Resonator und dem stabförmigen Element,
Das Temperaturmessgerät bestimmt die Temperatur anhand der Resonanzfrequenz des in Resonanz angeregten Resonators. Aufgrund der losen Kopplung weist das
Temperaturmessgerät eine geringe Energieeffizienz auf.
Ferner offenbart das US Patent 4,676,663 ein Temperaturmessgerät mit
einem einzigen Ultraschallwandler und
einen als Wellenleiter dienenden Hohlstab,
mit zwei voneinander beabstandeten Reflexionsstellen, an denen Ultraschallwellen reflektiert werden. Da das die Ultraschallwellengeschwindigkeit in dem Wellenleiter bestimmende Young’sche Modul des Wellenleiters abhängig von der Temperatur ist, ist anhand der Laufzeitdifferenz der an den voneinander beabstandeten Reflexionsstellen reflektierten Ultraschallwellen die Temperatur bestimmbar.
Eine Weiterentwicklung dieser Lösung ist in der Patentanmeldung WO 201 1/088393 A2 offenbart, die ein Ultraschallwellen-basiertes TOF-Temperaturmessgerät mit einem Wandlereinheit und einen stabförmigen Wellenleiter zur Übertagung akustischer Wellen beschreibt. Anhand einer Vielzahl von Reflexionsstellen an dem Wellenleiter ist ein Temperaturprofil entlang des Wellenleiters bestimmbar.
Da die Genauigkeit der Laufzeitmethode (time-of-flight, TOF) im Wesentlichen durch den Abstand der Reflexionsstellen zueinander bestimmt wird, ist das gleichzeitige Erreichen einer ausreichend hohen räumlichen Auflösung und ausreichenden Genauigkeit des Temperaturmessung praktisch ausgeschlossen. Bspw. wird bei einem kleinen Abstand von einigen wenigen cm zwischen den Reflexionsstellen eine Genauigkeit der
Temperaturmessung von nur 2°C erreicht.
Kürzlich wurde in dem wissenschaftlichen Artikel„Ultrasonic Coupled Passiv Wireless Oscillating Sensor System“ von T. Aftab et. al, Proceeding of the Eurosensors 2017 Conference (Proceedings 2017, 1 , 574; doi: 10.3390/proceedingsl 040574) die
Verwendung einer passiv messenden Sensoreinheit zur Temperaturmessung diskutiert. Der wissenschaftliche Artikel offenbart ein Temperaturmessgerät umfassend
eine Regel-/Auswerteeinheit;
eine Sensoreinheit mit einem Resonator mit einer temperaturabhängigen
Resonanzfrequenz, und
zwei Wandlereinheiten, zwischen denen Ultraschallsignale in Luft übertragen werden.
Der Resonator wird dabei mittels der zwischen den Wandlereinheiten in Luft
übertragenen Ultraschallwellen in Resonanz angeregt und aus der Resonanzfrequenz die Temperatur ermittelt. Aufgrund der Übertragung der Ultraschallwellen in Luft weist das in wissenschaftlichen Artikel vorgestellte Temperaturmessgerät eine geringe Sensitivität auf.
Für den Einsatz in der industriellen Prozessmesstechnik ist ein Temperaturmessgerät mit einer gleichzeitig ausreichend hohen Sensitivität und Energieeffizienz gewünscht. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Temperaturmessgerät mit einer passiv messenden Sensoreinheit anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Temperaturmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Prozessmediums oder einer Oberflächentemperatur eines Behälters oder Rohres, aufweisend:
- eine Regel-/Auswerteeinheit, die zur Erzeugung, zum Aussenden, zum Empfangen sowie zur Regelung und/oder Auswertung von elektrischen Signalen ausgestaltet ist,
-eine erste Wandlereinheit und eine zweite Wandlereinheit, wobei die erste
Wandlereinheit und die zweite Wandlereinheit zur Wandlung von elektrischen in akustische Signale und zur Wandlung von akustischen in elektrische Signale ausgestaltet sind,
- ein als akustischer Wellenleiter dienendes stabförmiges Element, das zur Übertragung von akustischen Signalen zwischen der ersten Wandlereinheit und der zweiten
Wandlereinheit ausgestaltet ist, wobei ein erster Endabschnitt des stabförmigen Elements mit der ersten Wandlereinheit verbunden ist und ein dem ersten Endabschnitt in
Längsrichtung des stabförmigen Elements im Wesentlichen gegenüberliegender zweiter Endabschnitt des stabförmigen Elements mit der zweiten Wandlereinheit verbunden ist, und - eine bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines
Prozessmediums in das Prozessmedium eingebrachte oder an dem Behälter oder Rohr anliegende Sensoreinheit mit einem Resonator,
wobei die Regel-/Auswerteeinheit mit der ersten Wandlereinheit verbunden ist, wobei die zweite Wandlereinheit mit der Sensoreinheit verbunden ist und der Resonator mittels eines von der zweiten Wandlereinheit an die Sensoreinheit übertragenen elektrischen Signals zu einer resonanten Schwingung anregbar ist,
und wobei von der Regel-/Auswerteeinheit die Temperatur des Prozessmediums anhand der Resonanzfrequenz des in Resonanz angeregten Resonators bestimmbar ist.
Die Vorteile der Erfindung sind die folgenden:
Durch die gleichzeitige Verwendung des stabförmigen Elements und den beiden mit den beiden gegenüberliegenden Endabschnitten verbundenen
Wandlereinheiten weist das Temperaturmessgerät sowohl eine hohe Sensitivität, als auch eine hohe Energieeffizienz im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen auf.
Es besteht eine große Freiheit an die genaue Wahl des Messpunkts. Dieser wird durch die Position des in Resonanz angeregten Resonators der Sensoreinheit bestimmt. Durch die Vermeidung der im Stand der Technik an dezidierten Stellen eines stabförmigen Elements anzuordnen Reflexions- und/oder
Entkopplungsstellen herrschen im Wesentlichen keine Einschränkungen an die spezielle Ausgestaltung (Form, Länge,...) des stabförmigen Elements.
Mittels des stabförmigen Elements ist das Temperaturmessgerät sehr einfach über einen Prozessanschluss in ein Behältnis für das Prozessmedium
einbringbar.
Das Temperaturmessgeräts kann ohne Rücksicht auf die im Stand der Technik üblichen und beim erfindungsgemäßen Temperaturmessgerät nun obsoleten, der Signalübertragung dienenden elektrischen Anschlussleitungen designt werden. Letztere bewirken aufgrund der durch sie verursachte Wärmeableitung einen Messfehler. Der durch Wärmeableitung bedingte, systematische Messfehler stellt im Stand der Technik eine signifikante Fehlerquelle bei Temperaturmessungen dar, welcher im Rahmen der Erfindung minimiert werden kann.
Das Temperaturmessgerät erfordert einen geringen Installations- und/oder Wartungsaufwand.
Bevorzugt handelt es sich beim dem Temperaturmessgerät um ein Temperaturmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Prozessmediums mit einer in das Prozessmedium eingebrachten Sensoreinheit. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Temperaturmessgerät derart ausgestaltet, dass bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur
die Regel-/Auswerteeinheit ein elektrisches Sendesignal erzeugt und aussendet, das die erste Wandlereinheit in ein akustisches Sendesignal wandelt, das stabförmige Element das akustische Sendesignal an die zweite
Wandlereinheit weiterleitet,
die zweite Wandlereinheit das akustische Sendesignal in ein elektrisches Anregesignal wandelt, den Resonator mit dem elektrischen Anregesignal zu Schwingungen anregt, die Schwingungen des Resonators als elektrisches Empfangssignal empfängt und in ein akustisches Empfangssignal wandelt, das stabförmige Element das akustisches Empfangssignal an die erste
Wandlereinheit weiterleitet,
die erste Wandlereinheit das akustische Empfangssignal in ein elektrisches Empfangssignal wandelt und dieses an die Regel-/Auswerteeinheit übergibt, und die Regel-/Auswerteeinheit das elektrische Sendesignal in Abhängigkeit von dem elektrischen Empfangssignal derart regelt, dass der Resonator in einer resonanten Schwingung angeregt ist, und
die Regel-/Auswerteeinheit die Temperatur des Prozessmediums anhand der Resonanzfrequenz der resonanten Schwingung des Resonators bestimmt.
In einer Ausgestaltung des Temperaturmessgeräts handelt es sich bei den mittels des stabförmigen Elements übertragenen akustischen Empfangs- und Sendesignalen um akustische Schwingungen mit einer Frequenz aus dem Ultraschallbereich.
Bei den akustischen Schwingungen bzw. Ultraschallwellen kann es sich um
Körperschallwellen oder Oberflächenwellen (englisch: Surface Acoustic Wave; kurz SAW) handeln.
In einer weiteren Ausgestaltung des Temperaturmessgeräts handelt sich bei dem stabförmigen Element um einen massiven Stab oder einen Hohlstab handelt und das stabförmige Element weist ein Metall, vorzugsweise einen Edelstahl, auf.
Für den Fall eines Hohlstabs können die Ultraschallwellen auch im Hohlraum des Hohlstabs übertragen werden.
Das stabförmige Element kann eine elliptische, runde oder vieleckige, bspw. rechteckige, Querschnittsfläche aufweisen.
In einer Weiterbildung des Temperaturmessgerät ragt das stabförmige Element bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur des Prozessmediums über einen an einer Wandung eines Prozessbehältnisses oder einer Prozessleitung angeordneten Prozessanschluss derart abschnittsweise in das Prozessmedium hinein, dass
ein an die zweite Wandlereinheit angrenzender erster T eilabschnitt des stabförmigen Elements, die zweite Wandlereinheit und die Sensoreinheit in das Prozessmedium hineinragt, und
ein an die erste Wandlereinheit angrenzender zweiter Teilabschnitt des stabförmigen Elements, die erste Wandlereinheit und die Regel-/Auswerteeinheit auf der dem Prozessmedium abgewandten Seite des Prozessanschlusses und damit außerhalb des Prozessbehältnisses oder der Prozessleitung angeordnet sind.
Bevorzugt sind dadurch nur der erste Teilabschnitt, die zweite Wandlereinheit und die Sensoreinheit den durch das Prozessmedium bestimmten Bedingungen (Temperatur, Druck, etc.) ausgesetzt. Insbesondere ist vorteilhaft die Regel-/Auswerteeinheit, die zur Erzeugung, zum Aussenden, zum Empfangen sowie zur Regelung und/oder Auswertung von elektrischen Signalen entsprechend ausgestaltete elektronische und/oder elektrische Bauelemente aufweist, außerhalb des Prozessanschlusses und damit außerhalb des Prozessbehältnisses oder der Prozessleitung angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung des Temperaturmessgeräts ist
die Sensoreinheit mittels der über das stabförmige Element übertragenen akustischen Signale mit der von der Sensoreinheit zur Anregung der resonanten Schwingung des Resonators benötigten Energie versorgbar,
wobei insbesondere die Sensoreinheit ausschließlich mittels des stabförmigen Elements und der ersten Wandlereinheit und zweiten Wandlereinheit mit der Regel- /Auswerteeinheit verbunden ist.
Insbesondere ist die Sensoreinheit also frei von jeglichen weiteren Anschlüssen an eine draht- bzw. kabelgebundene Energieversorgung und/oder Datenleitung. Es handelt sich also insbesondere um eine passiv messende und draht- bzw. kabellos ansprechbare Sensoreinheit.
Der Resonator wird über das von der zweiten Wandlereinheit an ihn übergebene Anregesignal zu resonanten Schwingungen angeregt. In Bezug auf die genaue
Ausgestaltung des Resonators sind insbesondere die im folgenden erläuterte Varianten bevorzugt.
In einer ersten Variante des Temperaturmessgeräts handelt es sich bei dem Resonator um einen Resonator mit akustischen Schwingungen, insbesondere um akustische Oberflächenwellen (SAW) des Resonators,
wobei die Sensoreinheit eine dritte Wandlereinheit zur Wandlung des elektrischen Anregesignals in ein akustisches Anregesignal zur Anregung der akustischen
Schwingungen und zur Wandlung von empfangenen akustischen Schwingungen in das elektrische Empfangssignal aufweist, und wobei insbesondere die dritte Wandlereinheit als ein Piezoelement ausgebildet ist.
In einer zweiten Variante des Temperaturmessgeräts handelt es sich bei dem Resonator um einen Resonator mit elektrischen Schwingungen, insb. um einen Schwingquarz.
In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die Sensoreinheit ein Anpassungselement zur Anpassung der elektrischen Impedanz der zweiten Wandlereinheit und des Resonators aufweist.
In einer dritten Variante des Temperaturmessgeräts handelt es sich bei dem Resonator um einen Resonator mit mechanischen Schwingungen,
wobei die Sensoreinheit eine dritte Wandlereinheit zur Wandlung des elektrischen Anregesignals in ein mechanisches Anregesignal zur Anregung der mechanischen Schwingungen und zur Wandlung von empfangenen mechanischen Schwingungen in das elektrische Empfangssignal aufweist, und wobei insbesondere die dritte Wandlereinheit als eine Spule und/oder ein Piezoelement ausgebildet ist.
In einer Weiterbildung weist die Sensoreinheit eine mediendichte Verkapselung auf, in dessen Inneren der Resonator angeordnet ist.
Diese Weiterbildung ist insbesondere von Vorteil im Zusammenhang mit der vorstehend erwähnten Variante des Resonators mit mechanischen Schwingungen (d.h. einer mechanisch schwingfähigen Einheit wie etwa einer Schwinggabel, schwingenden Membran, Schwingstab, etc.), dessen Resonanzfrequenz nicht nur von der Temperatur, sondern z.B. auch von dem Bedeckungszustand der mechanisch schwingfähigen Einheit und/oder weiteren Mediumsparametern (Viskosität, Dichte, ...) abhängt. Mittels der mediendichten Verkapselung der Sensoreinheit ist sichergestellt, dass die mechanisch schwingfähige Einheit nicht-medienberührend und unbedeckt ist. Dadurch ist ein ungewünschter Einfluss auf die Resonanzfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit der weiteren Mediumsparametern eliminiert. Die Verkapselung ist dabei insb. als wärmeleitend ausgelegt.
Dabei kann selbstverständlich auch die zweite Wandlereinheit im Inneren der
Verkapselung angeordnet sein. In einer weiteren Ausgestaltung des Temperaturmessgeräts weist dieses ein
durch einen Schutzrohrboden abgeschlossenes Schutzrohr auf, das zumindest den in das Prozessmedium hineinragenden ersten Teilabschnitt des stabförmigen Elements, die zweite Wandlereinheit und die Sensoreinheit im Wesentlichen vollständig umgibt.
Schutzrohre sind in der Temperaturmesstechnik weit verbreitet. Zur Verbesserung der Wärmeleitung ist bspw. eine Wärmeleitfolie auf der innenliegenden, dem Prozessmedium abgewandten Oberfläche des Schutzrohrbodens angebracht.
Selbstverständlich kann auch der erste zweite, aus dem Prozessbehältnis oder -rohr herausragende zweite Teilabschnitt des stabförmigen Elements vollständig im Inneren des Schutzrohrs angeordnet sein.
Das Schutzrohr stellt einen Zusatz oder eine Alternative zu der in der vorherigen
Ausgestaltung offenbarten Verkapslung der Sensoreinheit dar.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Resonator Quarz auf.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Temperaturmessgeräts ist zwischen der ersten Wandlereinheit und dem ersten Endabschnitt des stabförmigen Elements eine erste Kopplungsschicht und zwischen dem zweiten Endabschnitt des stabförmigen Elements und der zweiten Wandlereinheit eine zweite Kopplungsschicht angeordnet, wobei die erste Koppelungsschicht der Anpassung der akustischen Impedanz zwischen der ersten Wandlereinheit und dem ersten Endabschnitt des stabförmigen Elements und/oder wobei die zweite Koppelungsschicht der Anpassung der akustischen Impedanz zwischen der zweiten Wandlereinheit und dem zweiten Endabschnitt des stabförmigen Elements dient,
Insbesondere sind die erste Kopplungsschicht und die zweite Kopplungsschicht im Wesentlichen identisch ausgestaltet.
Die Kopplungsschicht ist dabei insbesondere jeweils an einer Stirnfläche an dem ersten/zweiten Endabschnitt des stabförmigen Elements aufgebracht.
Die spezielle Ausgestaltung der (ersten/zweiten) Kopplungsschicht hängt von der speziellen Ausgestaltungen der (ersten/zweiten) Wandlereinheit und des stabförmigen Elements ab. Die fachkundige Person würde hierbei durch entsprechende Testreihen eine Optimierung der Ausgestaltung der Kopplungsschicht (Material der
Kopplungsschicht, Schichtstärke,...) im Hinblick auf eine ausreichende Anpassung der akustischen Impedanz zwischen (erster/zweiter) Wandlereinheit und stabförmigen Element vornehmen. In einer weiteren Weiterbildung des Temperaturmessgeräts weist das stabförmige Element eine Beschichtung auf, die einer Fokussierung des akustischen Signals in das stabförmige Element dient.
In einer weiteren Ausgestaltung des Temperaturmessgeräts umfasst/umfassen die erste Wandlereinheit und/oder die zweite Wandlereinheit eine Piezokeramik, insbesondere eine Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) aufweisende Piezokeramik.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Temperaturmessgeräts beträgt die Güte des Resonators zumindest 10 000, insbesondere zumindest 50 000, vorzugsweise zumindest 80 000. Es handelt sich also insbesondere um einen Resonator mit hoher Güte und entsprechend hoher Energieeffizienz.
In einer weiteren Weiterbildung weist Sensoreinheit einen Microcontroller auf, der mittels der über das stabförmige Element übertragenen akustischen Signale mit der zu seinem Betrieb benötigten Energie versorgbar ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen. Wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet.
Es zeigen:
Fig. 1 : Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts;
Fig. 2a: Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts;
Fig. 3a bis 3b: Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts mit jeweils unterschiedlichen ausgestalten Resonatoren.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts. Eine Regel-/Auswerteeinheit 1 (englisch: Reader Unit), die zur Erzeugung, zum
Aussenden, zum Empfangen sowie zur Regelung und/oder Auswertung von elektrischen Signalen ausgestaltet ist übergibt in einem Messbetrieb ein elektrisches Sendesignal an eine erste, hier als PZT Piezokeramik ausgestaltete Wandlereinheit 2a. Aus dem elektrischen Sendesignal werden von der ersten Wandlereinheit 2a als akustisches Sendesignal Ultraschallwellen erzeugt. Über eine Verbindung der ersten Wandlereinheit 2a mit einem ersten Endabschnitt 31 eines stabförmigen Elements 3 werden die
Ultraschallwellen dann an das stabförmigen Element übergeben und darüber weitergeleitet. Anschließend werden die Ultraschallwellen über eine Verbindung eines zweiten Endabschnitts 32 des stabförmigen Elements 3 mit einer zweiten Wandlereinheit 2b (hier auch eine PZT Piezokeramik) an die zweite Wandlereinheit 2b übergeben. Die zweite Wandlereinheit 2b wandelt das akustische Sendesignal wieder in ein elektrisches Sendesignal. Mittels des elektrischen Sendesignals wird ein mit der zweiten
Wandlereinheit 2b verbundener Resonator 4 einer Sensoreinheit 5 zu resonanten Schwingungen mit der Resonanzfrequenz Rf des Resonators angeregt. Die
Resonanzfrequenz Rf des Resonators 4 hängt von der Temperatur ab. Im Messbetrieb steht dabei die Sensoreinheit 5 derart im Kontakt mit dem Prozessmedium, dass sich zumindest der Resonator 4 im thermischen Gleichgewicht mit dem Prozessmedium befindet.
Dabei erfolgt eine Regelung des Resonators 4 auf seine Resonanzfrequenz Rf durch die Regel-/Auswerteeinheit 1. An die Regel-/Auswerteeinheit 1 werden die auf die resonante Schwingung zu regelndem Schwingungen des Resonators 4 über die zweite
Wandlereinheit 2b, das stabförmige Element 3 und die zweite Wandlereinheit 2a wieder zurückgeleitet bzw. übermittelt.
Vorteilhaft liegt außer dem stabförmigen Element 3, mittels welchem eine ausschließlich akustische, nämlich Ultraschallwellen-leitende, Verbindung zwischen der prozessnahen Sensoreinheit 5 und der prozessfernen Regel-/Auswerteeinheit 1 hergestellt ist, kein weiterer Anschluss zur Verbindung der Sensoreinheit 5 vor, wie etwa Kabelanschlüsse. Sämtliche Energie zur Anregung der Sensoreinheit 5 bzw. das zur Regelung des Resonator 4 auf seine Resonanzfrequenz Rf erforderliche Empfangssignal, wird mittels der Ultraschallwellen über das stabförmige Element 3 übertragen. Es handelt sich also um ein Temperaturmessgerät mit einer im Wesentlichen passiv messenden Sensoreinheit 5. Das Temperaturmessgerät weist eine hohe Energieeffizienz auf und ist besonders einfach installierbar.
Bei den über das stabförmige Element 3 übertragenen Ultraschallwellen handelt es sich in einer Ausgestaltung um longitudinale Ultraschallwellen. Untersuchungen der
Anmelderin zeigen, dass sich damit insbesondere im Hochtemperaturbereich eine hohe Energieeffizienz ergibt.
Das stabförmige Element 3 ist in dieser Ausgestaltung ein metallischer, massiver Stab.
Das stabförmige Element weist bevorzugt eine Länge kleiner als 1 m und einen
Außendurchmesser (d.h. für den Hohlstab mit Hohlraum) zwischen 2mm bis 100 mm auf. Üblich sind beispielsweise 3mm bis 15mm in der Tempertaturmesstechnik. Für den Fall eines Hohlstabs liegt das Verhältnis d/L zwischen dem Durchmesser des gesamten Hohlstabs und der Wandstärke L des Hohlstabs
insbesondere zwischen 2 und 30, d.h. 2 < d/L < 30, bevorzugt 5 < d/L <15.
In Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperaturmessgeräts dargestellt. Zusätzlich zu den schon in Fig.1 gezeigten Komponenten ist das
Temperaturmessgerät hier über einen Prozessanschluss 7 (bspw. von einer Wandung eines Prozessbehältnisses oder einer Rohrleitung für das Prozessmedium) in das Prozessmedium eingebracht, nämlich zumindest die Sensoreinheit 5 und ein an die zweite Wandlereinheit 2b angrenzender erster Teilabschnitt 61 des stabförmige Elements 3.
Ein zweiter Teilabschnitt 62, der an die erste Wandlereinheit 2a grenzt sowie die erste Wandlereinheit 2a und die Regel-/Auswerteeinheit 1 sind dabei auf der dem
Prozessmedium abgewandten Seite des Prozessanschlusses 7 (d.h. außerhalb des Prozessbehältnisses wie dem Tank oder der Rohrleitung) angeordnet. Ferner umfasst das Temperaturmessgerät in der hier gezeigten Ausgestaltung ein Schutzrohr 10, welches zumindest den ersten Teilabschnitt 61 und damit den in das Prozessmedium hineinragenden Abschnitt des stabförmigen Elements 3 umgibt.
Fig. 2 zeigt zudem noch die erste 91 und zweite Kopplungsschicht 92 zur Anpassung der akustischen Impedanz zwischen der jeweiligen Wandlereinheit 2a, 2b und dem jeweiligen Endabschnitt 31 ,32 des stabförmigen Elements 3, wobei selbstverständlich die
Ausgestaltung mit der/den Kopplungsschicht/en 91 ,92 nicht auf die Ausgestaltung im Zusammenhang mit dem in Fig. 2 gezeigten Schutzrohr 10 beschränkt ist.
Je nach Ausgestaltung kann, auch ohne dass das Temperaturmessgerät ein zusätzliches Schutzrohr aufweist, dessen technische Funktion durch andere Komponenten des Temperaturmessgeräts bewirkt werden. Bspw. können in der Ausgestaltung des
Temperaturmessgeräts mit der Verkapselung 5 die Kombination von letzterer mit dem stabförmigen Element 3 eine zu den aus dem Stand der Technik bekannten Schutzrohren vergleichbare Funktion übernehmen.„Vergleichbare Funktion“ bezieht sich nur auf die mechanischen Eigenschaften und/oder die Verwendung von Designs für aus dem Stand der Technik bekannten Schutzrohren, da anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schutzrohren das stabförmige Element 3 insbesondere frei von darin angeordneten Komponenten ist.
In Fig. 3a bis 3b sind verschiedene Varianten des Resonators 4 der Sensoreinheit 5 dargestellt, wobei die jeweils in dem gestrichelten Abschnitt des Temperaturmessgeräts gezeigte Sensoreinheit 5 in einer Detailansicht dargestellt sind. Unabhängig von der speziellen Variante des Resonators 4 ist es in jedem Fall von Vorteil, wenn der Resonator 4 eine hohe Güte, insb. größer als 80 000, aufweist. Dadurch ist eine besonders hohe Energieeffizienz des Temperaturmessgeräts gewährleistet.
In einer ersten Ausgestaltung ist der Resonator 4 als eine mechanisch schwingfähige Einheit 13 ausgestaltet, so dass es sich bei den resonanten Schwingungen um mechanische Schwingungen handelt. In diesem Fall umfasst die Sensoreinheit 5 eine zusätzliche, dritte Wandlereinheit 8b, die zur Wandlung zwischen mechanischen und elektrischen (Anrege-/Empfangs)Signalen ausgestaltet ist, bspw. einen Spulenantrieb und/oder einen Piezoantrieb. Zusätzlich oder alternativ zu dem in Fig. 3a gezeigten Schutzrohr 10 weist die Sensoreinheit 5 in dieser Ausgestaltung eine mediendichte Verkapslung 1 1 auf. Damit ist sichergestellt, dass die mechanisch schwingfähige Einheit 13 nicht im unmittelbaren Kontakt (sondern nur im thermischen Gleichgewicht) mit dem Prozessmedium steht. Dadurch ist z.B. ein ungewünschter Einfluss der Dichte des Prozessmediums auf die Resonanzfrequenz Rf der mechanisch schwingfähige Einheit 13 eliminiert.
Die mechanisch schwingfähige Einheit 13 ist hier als eine Schwinggabel gezeigt, bevorzugt aus Quarz. Andere mechanisch schwingfähige Einheiten sind im Rahmen der Erfindung selbstverständlich möglich, darunter z.B. Membranschwinger, Stabschwinger, oder ein MEMS-Wineglass Schwinger.
In einer in Fig. 3b gezeigten zweiten Ausgestaltung ist der Resonator 4 als eine akustische schwingfähige Einheit 14 ausgebildet, so dass es sich bei den resonanten Schwingungen um akustische Schwingungen handelt, bspw. SAW-Schwingungen. In diesem Fall umfasst die Sensoreinheit 5 eine zusätzliche, dritte Wandlereinheit 8a, die zur Wandlung zwischen akustischen und elektrischen Signalen ausgestaltet ist. Auch in dieser Ausgestaltung umfasst die akustische schwingfähige Einheit 14 Quarz.
Ferner umfasst die Sensoreinheit einen Microcontroller 12 und ggf. eine nicht explizit gezeigte, dem Microcontroller 12 zugeordnete Speichereinheit. Der Microcontroller 12 wird dabei ausschließlich mittels der von der zweiten Wandlereinheit 2b an die
Sensoreinheit 5 übergebenen elektrischen Signale mit der zu seinem Betrieb benötigten Energie versorgt. Auch die Kommunikation des Microcontrollers 12 mit der Regel- /Auswerteeinheit 1 erfolgt ausschließlich mittels der über das stabförmige Element 3 übertragenen Ultraschallwellen. Der Microcontroller 12 ist zu einer bidirektionalen Kommunikation mit der Regel-/Auswerteeinheit 1 ausgestaltet und ist bspw. als ein Grenzwertgeber einsetzbar. Dies, indem er bspw. ein bestimmtes Signal auslöst genau dann wenn die Resonanzfrequenz Rf bzw. die dazugehörige Temperatur einen vorgegeben Grenzwert über- und/oder unterschreitet. Selbstverständlich ist die
Ausgestaltung der Erfindung mit dem Microcontroller 12 nicht auf die Variante des Temperaturmessgeräts mit der akustisch schwingfähigen Einheit 14 beschränkt, sondern z.B. auch mit der in Fig. 3a oder 3c gezeigten Variante einer mechanisch schwingfähigen Einheit 13 oder einer elektrisch schwingfähigen Einheit 15 kombinierbar. In einer dritten Variante ist der Resonator 4 eine elektrisch schwingfähige Einheit 15, siehe Fig. 3c. In diesem Fall wird keine weitere Wandlereinheit benötigt. Bevorzugt umfasst die Sensoreinheit 5 in diesem Fall ein elektrische Impedanzanpassungseinheit 16 zur Anpassung der elektrischen Impedanz zwischen der zweiten Wandlereinheit 2b und der elektrisch schwingfähigen Einheit 15.
Bezugszeichen und Symbole
1 Regel-/Auswerteeinheit
2a, 2b erste, zweite Wandlereinheit 3 stabförmiges Element
31 ,32 erster, zweiter Endabschnitt von 3
4 Resonator
5 Sensoreinheit
61 erster Teilabschnitt
62 zweiter T eilabschnitt
7 Prozessanschluss
8a, 8b dritte Wandlereinheit 91 ,92 erste, zweite Kopplungsschicht 10 Schutzrohr
1 1 Verkapselung
12 Microcontroller
13 mechanisch schwingfähige Einheit
14 akustisch schwingfähige Einheit
15 elektrisch schwingfähige Einheit
16 elektrische Impedanzanpassungseinheit
fres Resonanzfrequenz

Claims

Ansprüche
1. Temperaturmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Prozessmediums oder einer Oberflächentemperatur eines Behälters oder Rohrs, aufweisend:
- eine Regel-/Auswerteeinheit (1), die zur Erzeugung, zum Aussenden, zum Empfangen sowie zur Regelung und/oder Auswertung von elektrischen Signalen ausgestaltet ist,
-eine erste Wandlereinheit (2a) und eine zweite Wandlereinheit (2b), wobei die erste Wandlereinheit (2a) und die zweite Wandlereinheit (2b) zur Wandlung von elektrischen in akustische Signale und zur Wandlung von akustischen in elektrische Signale ausgestaltet sind,
- ein als akustischer Wellenleiter dienendes stabförmiges Element (3), das zur
Übertragung von akustischen Signalen zwischen der ersten Wandlereinheit (2a) und der zweiten Wandlereinheit (2b) ausgestaltet ist, wobei ein erster Endabschnitt (31) des stabförmigen Elements (3) mit der ersten Wandlereinheit (2a) verbunden ist und ein dem ersten Endabschnitt (31 ) in Längsrichtung des stabförmigen Elements (3) im
Wesentlichen gegenüberliegender zweiter Endabschnitt (32) des stabförmigen Elements (3) mit der zweiten Wandlereinheit (2b) verbunden ist, und
- eine bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines
Prozessmediums in das Prozessmedium eingebrachte oder an dem Behälter oder Rohr anliegende Sensoreinheit (5) mit einem Resonator (4),
wobei die Regel-/Auswerteeinheit (1) mit der ersten Wandlereinheit (2a) verbunden ist, wobei die zweite Wandlereinheit (2b) mit der Sensoreinheit (5) verbunden ist und der Resonator (4) mittels eines von der zweiten Wandlereinheit (2b) an die Sensoreinheit (5) übertragenen elektrischen Signals zu einer resonanten Schwingung anregbar ist, und wobei von der Regel-/Auswerteeinheit (1) die Temperatur des Prozessmediums anhand der Resonanzfrequenz (fres) des in Resonanz angeregten Resonators (4) bestimmbar ist.
2. Temperaturmessgerät nach Anspruch 1 ,
wobei bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur
die Regel-/Auswerteeinheit (1) ein elektrisches Sendesignal erzeugt und aussendet, das die erste Wandlereinheit (2a) in ein akustisches Sendesignal wandelt,
das stabförmige Element (3) das akustisches Sendesignal an die zweite
Wandlereinheit (2b) weiterleitet,
die zweite Wandlereinheit (2b) das akustische Sendesignal in ein elektrisches Anregesignal wandelt, den Resonator (4) mit dem elektrischen Anregesignal zu Schwingungen anregt, die Schwingungen des Resonators (4) als elektrisches Empfangssignal empfängt und in ein akustisches Empfangssignal wandelt, das stabförmige Element (3) das akustische Empfangssignal an die erste Wandlereinheit (2a) weiterleitet,
die erste Wandlereinheit (2a) das akustische Empfangssignal in ein elektrisches Empfangssignal wandelt und dieses an die Regel-/Auswerteeinheit (1) übergibt, und
die Regel-/Auswerteeinheit (1) das elektrische Sendesignal in Abhängigkeit von dem elektrischen Empfangssignal derart regelt, dass der Resonator (4) in einer resonanten Schwingung angeregt ist, und
die Regel-/Auswerteeinheit (1 ) die Temperatur des Prozessmediums anhand der Resonanzfrequenz (fres) der resonanten Schwingung des Resonators (4) bestimmt.
3. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei den mittels des stabförmigen Elements (3) übertragenen akustischen Empfangs- und Sendesignalen um akustische Schwingungen mit einer Frequenz aus dem
Ultraschallbereich handelt.
4. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem stabförmigen Element (3) um einen massiven Stab oder einen Hohlstab handelt und das stabförmige Element (3) ein Metall, vorzugsweise einen Edelstahl, aufweist.
5. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das stabförmige Element (3) bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur des Prozessmediums über einen an einer Wandung eines
Prozessbehältnisses oder einer Prozessleitung angeordneten Prozessanschluss (7) derart abschnittsweise in das Prozessmedium hineinragt, dass
ein an die zweite Wandlereinheit (2b) angrenzender erster Teilabschnitt (61) des stabförmigen Elements (3), die zweite Wandlereinheit (2b) und die Sensoreinheit (5) in das Prozessmedium hineinragt, und
ein an die erste Wandlereinheit (2a) angrenzender zweiter T eilabschnitt (62) des stabförmigen Elements (3), die erste Wandlereinheit (2a) und die Regel- /Auswerteeinheit (1) auf der dem Prozessmedium abgewandten Seite des Prozessanschlusses (7) und damit außerhalb des Prozessbehältnisses oder der Prozessleitung angeordnet sind.
6. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Sensoreinheit (5) mittels der über das stabförmige Element (3) übertragenen akustischen Signale mit der von der Sensoreinheit (5) zur Anregung der resonanten Schwingung des Resonators (4) benötigten Energie versorgbar ist, und wobei insbesondere die Sensoreinheit (5) ausschließlich mittels des stabförmigen Elements (3) und der ersten Wandlereinheit (2a) und zweiten Wandlereinheit (2b) mit der Regel-/Auswerteeinheit (1) verbunden ist.
7. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei es sich bei dem Resonator (4) um einen Resonator (4) mit akustischen
Schwingungen handelt,
insbesondere um akustische Oberflächenwellen (SAW) des Resonators (4),
und wobei die Sensoreinheit (5) eine dritte Wandlereinheit (8a) zur Wandlung des elektrischen Anregesignals in ein akustisches Anregesignal zur Anregung der akustischen Schwingungen und zur Wandlung von empfangenen akustischen Schwingungen in das elektrische Empfangssignal aufweist, und wobei insbesondere die dritte Wandlereinheit (8a) als ein Piezoelement ausgebildet ist.
8. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei es sich wobei es sich bei dem Resonator (4) um einen Resonator (4) mit elektrischen Schwingungen, insb. um einen Schwingquarz, handelt.
9. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei es sich bei dem Resonator (4) um einen Resonator (4) mit mechanischen
Schwingungen handelt,
und wobei die Sensoreinheit (5) eine dritte Wandlereinheit (8b) zur Wandlung des elektrischen Anregesignals in ein mechanisches Anregesignal zur Anregung der mechanischen Schwingungen und zur Wandlung von empfangenen mechanischen Schwingungen in das elektrische Empfangssignal aufweist, und wobei insbesondere die dritte Wandlereinheit (8b) als eine Spule und/oder ein Piezoelement ausgebildet ist.
10. Temperaturmessgerät nach Anspruch 9,
wobei die Sensoreinheit (5) eine mediendichte Verkapselung (11) aufweist, in dessen Inneren der Resonator (4) angeordnet ist.
1 1. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend ein durch einen Schutzrohrboden abgeschlossenes Schutzrohr (10), das zumindest den in das Prozessmedium hineinragenden ersten Teilabschnitt (61) des stabförmigen Elements (3), die zweite Wandlereinheit (2b) und die Sensoreinheit (5) im Wesentlichen vollständig umgibt.
12. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen der ersten Wandlereinheit (2a) und dem ersten Endabschnitt (31) des stabförmigen Elements (3) eine erste Kopplungsschicht (91) und zwischen dem zweiten Endabschnitt (32) des stabförmigen Elements (3) und der zweiten Wandlereinheit (2b) eine zweite Kopplungsschicht (92) angeordnet ist,
wobei die erste Koppelungsschicht (91) der Anpassung der akustischen Impedanz zwischen der ersten Wandlereinheit (2a) und dem ersten Endabschnitt (31 ) des stabförmigen Elements (3) und/oder wobei die zweite Koppelungsschicht (92) der
Anpassung der akustischen Impedanz zwischen der zweiten Wandlereinheit (2b) und dem zweiten Endabschnitt (32) des stabförmigen Elements (3) dient,
und wobei insbesondere die erste Kopplungsschicht (91 ) und die zweite
Kopplungsschicht (92) im Wesentlichen identisch ausgestaltet sind.
13. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Wandlereinheit (2a) und/oder die zweite Wandlereinheit (2b) eine Piezokeramik, insbesondere eine Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) aufweisende Piezokeramik, umfasst/umfassen.
14. Temperaturmessgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Güte des Resonators (4) zumindest 10 000, insbesondere zumindest 50 000, vorzugsweise zumindest 80 000 beträgt.
15. T emperaturmessgerät nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (5) einen Microcontroller (12) aufweist, der mittels der über das stabförmige Element (3) übertragenen akustischen Signale mit der zu seinem Betrieb benötigten Energie versorgbar ist.
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