WO2021047880A1 - Nicht invasives thermometer - Google Patents

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WO2021047880A1
WO2021047880A1 PCT/EP2020/073388 EP2020073388W WO2021047880A1 WO 2021047880 A1 WO2021047880 A1 WO 2021047880A1 EP 2020073388 W EP2020073388 W EP 2020073388W WO 2021047880 A1 WO2021047880 A1 WO 2021047880A1
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WO
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core
wire
temperature sensor
facing away
temperature
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/073388
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Koch
Marc Schalles
Harald Bründl
Stephan Wiedemann
Peter Wiedemann
Torsten Iselt
Christian Peuker
Pavo Vrdoljak
Georg Wolf
Christian Kallweit
Markus Mornhinweg
Alfred Umkehrer
Original Assignee
Endress+Hauser Wetzer Gmbh+Co. Kg
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Wetzer Gmbh+Co. Kg filed Critical Endress+Hauser Wetzer Gmbh+Co. Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/14—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations
    • G01K1/143—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations for measuring surface temperatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/08—Protective devices, e.g. casings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01K1/16—Special arrangements for conducting heat from the object to the sensitive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • 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
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements

Definitions

  • thermometer Non-invasive thermometer
  • the invention relates to a thermometer for determining and / or monitoring the temperature of a medium in automation technology, as well as a method for producing a device according to the invention.
  • thermometers which use the expansion of a liquid, a gas or a solid with a known expansion coefficient to measure the temperature, or those which relate the electrical conductivity of a material or a quantity derived from it to the temperature, such as the electrical resistance when using resistance elements or the thermoelectric effect in the case of thermocouples.
  • radiation thermometers especially pyrometers, the thermal radiation of a substance is used to determine the temperature.
  • NTC thermistors also known as NTC thermistors
  • a sensor element provided with connection wires and applied to a carrier substrate is used, for example, the rear side of the carrier substrate usually being coated with metal.
  • resistance elements which are given for example by platinum elements, which are also commercially available under the names PT10, PT100 and PT1000, are used as sensor elements.
  • thermocouples With temperature sensors in the form of thermocouples, on the other hand, the temperature is determined by a thermal voltage that is created between the thermo-wires made of different materials that are connected on one side.
  • Thermocouples according to DIN standard IEC584, e.g. thermocouples of type K, J, N, S, R, B, T or E, are usually used as temperature sensors for temperature measurement.
  • other pairs of materials in particular those with a measurable Seebeck effect, are also possible.
  • the accuracy of the temperature measurement depends sensitively on the respective thermal contacts and the prevailing heat conduction.
  • Role For a reliable temperature determination, it is important that the respective temperature sensor and the medium are essentially in thermal equilibrium, at least for a certain time, which is required to detect the temperature.
  • the time it takes for a thermometer to respond to a change in temperature is also known as the thermometer's response time.
  • a high measurement accuracy can be achieved in particular when the temperature sensor is immersed in the respective medium.
  • Numerous thermometers have become known in which the temperature sensor is more or less directly brought into contact with the respective medium. In this way, a comparatively good coupling between the medium and the temperature sensor can be achieved.
  • thermometers also called surface thermometers or contact sensors
  • the temperature sensors are not in direct contact with the respective process. This requires that various additional aspects must be taken into account in order to ensure a good thermal coupling. For example, the mechanical and thus also the thermal contact between the container and the thermometer is decisive for the achievable measurement accuracy. If there is insufficient contact, an exact temperature determination is not possible.
  • thermocouples which are welded directly to the outer surface or skin of the pipe or container, are often used as surface or skin point thermometers.
  • replacing the thermocouples can become a time-consuming and costly process, particularly as replacing them may require a temporary shutdown of the process and / or application.
  • designs of corresponding thermometers have become known for example from US5382093 or the previously unpublished European patent application with the file number 18198608.4, which allow a simple exchange of the temperature sensors.
  • thermometers for non-invasive temperature measurement have become known, for example in FIGS Documents US2016 / 0047697A1, DE102005040699B3, EP3230704B1 or EP2038625B1.
  • a central problem with non-invasive temperature determination is the dissipation of heat from the process to the environment. This ensures a significantly higher measurement error than in the case of direct introduction of the respective temperature sensor into the process.
  • thermometer for invasive temperature measurement which is characterized by a high level of measurement accuracy.
  • the object on which the invention is based is achieved by a device for determining and / or monitoring a temperature of a medium in a container, comprising a temperature sensor for detecting the temperature and a sleeve in which the sensor element is arranged.
  • the sleeve is made at least in a first section from a sheath wire, which sheath wire has a core made of a first material and a sheath made of a second material, the core protruding from the sheath in a first end region facing away from the temperature sensor and the temperature sensor in a region facing away from the first end region is attached to the core of the sheathed wire.
  • the temperature sensor is located in particular in an inner volume of the sleeve.
  • the receptacle is, for example, a container, a container or a pipeline.
  • the device is brought into thermal contact from an outer region of the container with the container.
  • the temperature of the medium is therefore determined indirectly via a wall of the container.
  • the device can optionally also have electronics.
  • the electronics can also be a separate component that can be connected to the device.
  • the temperature sensor is advantageously assigned at least one connection wire for electrical contacting, which, for example, can also be passed through the sleeve at least in sections.
  • One embodiment of the present invention includes that the temperature sensor is connected to the core by adhesive bonding or soldering. In this way, a mechanically stable connection between the core, which preferably comes into contact with the container, in particular the wall of the container, can be ensured.
  • thermocouple Another embodiment includes that the temperature sensor is a resistance element or a thermocouple.
  • a particularly preferred embodiment includes that the core consists of a thermally conductive material, in particular a material with high thermal conductivity and low thermal capacity, preferably silver, copper, aluminum or an alloy comprising at least one of the materials mentioned.
  • the core serves to conduct heat from the container carrying the medium to the temperature sensor.
  • a high thermal conductivity leads in particular to a fast response time of the thermometer.
  • the sheath has a lower thermal conductivity than the core, in particular wherein the thermal conductivity of the sheath is at least a factor of 5, preferably a factor of 10, smaller than that of the core, and the sheath is preferably is made of stainless steel.
  • the jacket is then used for thermal insulation.
  • Another particularly preferred embodiment includes that there is a media-tight connection between the casing and the core. This can be achieved, for example, if the sleeve is produced by a drawing process.
  • the sleeve consists in a first section of the sheathed wire and in a second section facing away from the first end area of the sheathed wire, of a tubular connecting element, which is attached in a second end area of the sheathed wire facing away from the first end area the sheath of the sheathed wire is attached.
  • the connection element thus represents an extension of the casing of the sleeve.
  • the connection element can, for example, be welded to the casing.
  • the sheathed wire is free of cores along its longitudinal axis in a partial area facing away from the first end area.
  • the core therefore extends only in a portion of the device facing the container.
  • the temperature sensor is then preferably fastened to the core in an inner volume of the casing in such a way that the temperature sensor is surrounded by the casing.
  • the core is adapted to the geometry of the container in the first end region.
  • the device can be attached to the container in a particularly simple manner and any air gaps between the container and the device can be avoided.
  • the device comprises fastening means for fastening the device to the container, in particular in a detachable or cohesive manner.
  • fasteners customary and suitable for those skilled in the art, such as pipe clamps, are contemplated and fall within the scope of the present invention.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for producing a device for determining and / or monitoring a temperature of a medium in a container, comprising the following method steps: providing a temperature sensor for detecting the temperature, providing a sheathed wire, which sheathed wire has a core from a having first material and a sheath made of a second material, and which core protrudes from the sheath in a first end region facing away from the temperature sensor, providing a sleeve which consists of the sheathed wire in at least a first section, and fastening the temperature sensor to the core of the sheathed wire in an area facing away from the first end area.
  • the temperature sensor is located in an interior volume of the sleeve.
  • the sleeve and / or the arrangement of the temperature sensor relative to the sleeve can be selected to be suitable.
  • the casing is removed in the first end region.
  • a sheathed wire with a core and sheathing is therefore first provided and the sheathing is then subsequently removed in the first end area.
  • the sleeve is made in a first section from the sheathed wire and in a second section facing away from the first end area of the sheathed wire from a tubular connection element and if the tubular connection element is attached to the second end area of the sheathed wire facing away from the first end area Sheath of the sheathed wire is attached.
  • a welding process is suitable here, for example.
  • other processes familiar to the person skilled in the art for producing a connection, in particular a materially bonded connection are also conceivable and fall under the present invention.
  • an inner volume of the clad wire, in particular the core or the core and part of the cladding, is removed from the clad wire.
  • the temperature sensor in particular is then attached in this area.
  • the temperature sensor is soldered or glued onto the core, in particular on the side of the core opposite the first end region.
  • thermometer 1 a thermometer for non-invasive temperature measurement according to the prior art
  • thermometer 2 a sheathed wire for a thermometer according to the invention
  • thermometer 3 a first embodiment for a thermometer according to the invention with a sleeve made from a sheathed wire;
  • thermometer 4 shows a second embodiment for a thermometer according to the invention, the sleeve having a connection element
  • thermometer 5 a third embodiment for a thermometer according to the invention, the sleeve being free of core in sections.
  • thermometer 1 shows a schematic illustration of a thermometer 1 according to the prior art with a measuring insert 3 and electronics 4.
  • the thermometer 1 is used to detect the temperature T of a medium M, which is in a container 2, here in the form of a pipeline.
  • the thermometer 1 does not protrude into the pipeline 2, but rather is placed on a wall W of the pipeline 2 from the outside for non-invasive temperature determination.
  • the measuring insert 3 comprises a temperature sensor 5, which in the present case comprises a temperature-sensitive element in the form of a resistance element.
  • the temperature sensor 5 is electrically contacted via the connection lines 6a, 6b and connected to the electronics 4. While the thermometer 1 shown has a compact design with integrated electronics 4, in other thermometers 1 the electronics 4 can also be arranged separately from the measuring insert 3.
  • the temperature sensor 5 also does not necessarily have to be a resistance element and the number of connection lines 6 used does not necessarily have to be two. Rather, the number of connecting lines 6 can be selected appropriately depending on the measuring principle used and the temperature sensor 5 used.
  • thermometer 1 the measuring accuracy of such a thermometer 1 depends to a large extent on the respective materials and, in particular thermal, contacts, in particular in the area of the temperature sensor 5.
  • the temperature sensor 5 is in thermal contact with the medium M indirectly, i.e. via the measuring insert 2 and via the wall W.
  • the measurement accuracy depends crucially on the thermal contacts and the heat dissipation from the medium M to the environment.
  • a sheathed wire 7 is used in the context of the present invention, as shown in isolation in FIG. 2.
  • the sheathed wire has a core 8 made of a first material and a sheath 9 made of a second material.
  • thermometer 1 A first embodiment of a thermometer 1 according to the invention for determining and / or monitoring the temperature T of a medium M in a container 2 is shown in FIG. 3.
  • the container 2 is a pipeline. It should be noted, however, that numerous different receptacles, including containers or containers, can be used within the scope of the present invention. The invention is in no way restricted to use with pipelines.
  • the thermometer 1 from FIG. 3 has a sleeve 10, which here is made entirely from a sheathed wire 7.
  • the core 8 protrudes from the casing 9.
  • the core 8 here comes into direct contact with the wall W of the container 2.
  • the core 8 can optionally be adapted to the contours of the wall W of the container.
  • the temperature sensor 5 is attached to the core 8 in an area B facing away from the first end area Ei.
  • the temperature sensor 5 can be soldered or glued onto the core 8.
  • the core 8 ensures good heat conduction from the medium M to the temperature sensor 5, while the casing 9 prevents heat from being dissipated to the environment.
  • the temperature sensor 5 preferably does not come into contact with the casing 9.
  • the sleeve is made from clad wire 7 in a first section Ai and from a connection element 11 in a second section A2.
  • the connection element 11 is fastened to the sheathing 9 of the sheathed wire 7, in particular welded on.
  • the temperature sensor 5 is located in an inner volume of the sleeve 10.
  • the casing 9 and the connection element 11 can be made of the same material as well as of different materials.
  • FIG. 4 also has fastening means 12 fastening the device 1 to the container 2.
  • a pipe clamp is shown as an example.
  • fastening means 12 can also be provided for all other configurations of the invention.
  • the sheathed wire (7) is free of cores in the partial area T facing away from the first end area Ei along its longitudinal axis L.
  • the sleeve can be made entirely from the sheathed wire 7 and the core 8 and, if necessary, a part of the sheathing 9 can be subsequently removed, for example by a Turning process.
  • the temperature sensor 5 is located in an inner volume of the sleeve 10.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Temperatur (T) eines Mediums (M) in einem Behältnis (2) sowie ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1). Die Vorrichtung umfasst einen Temperatursensor (5) zur Erfassung der Temperatur (T) und eine Hülse (10), in welcher das Sensorelement angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist die Hülse zumindest in einem ersten Abschnitt aus einem Manteldraht (7) hergestellt, welcher Manteldraht (7) einen Kern (8) aus einem ersten Material und eine Ummantelung (9) aus einem zweiten Material aufweist, der Kern (8) ragt in einem dem Temperatursensor (5) abgewandten ersten Endbereich (E1) aus der Ummantelung (9) heraus, und der Temperatursensor (5) ist in einem dem ersten Endbereich (E1) abgewandten Bereich (B) am Kern (8) des Manteldrahtes (7) befestigt.

Description

Nicht invasives Thermometer
Die Erfindung betrifft ein Thermometer zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums in der Automatisierungstechnik, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Thermometer sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt geworden. So gibt es Thermometer, welche zur Messung der Temperatur die Ausdehnung einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Festkörpers mit bekanntem Ausdehnungskoeffizienten heranziehen, oder auch solche, welche die elektrische Leitfähigkeit eines Materials oder eine davon abgeleitete Größe mit der Temperatur in Zusammenhang bringen, wie beispielsweise den elektrischen Widerstand bei Verwendung von Wderstandselementen oder den thermoelektrischen Effekt im Falle von Thermoelementen. Dagegen wird bei Strahlungsthermometern, insb. Pyrometern, zur Bestimmung der Temperatur einer Substanz deren Wärmestrahlung ausgenutzt. Die jeweils zugrundeliegenden Messprinzipien sind jeweils in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschrieben worden.
Bei einem Temperatursensor in Form eines Wderstandselements sind unter anderem sogenannte Dünnschicht- und Dickschicht-Sensoren sowie sogenannte Heißleiter (auch als NTC-Thermistoren bezeichnet) bekannt geworden. Bei einem Dünnschicht-Sensor, insbesondere einem Resistance Temperature Detector (RTD), kommt beispielsweise ein mit Anschlussdrähten versehenes und auf ein Trägersubstrat aufgebrachtes Sensorelement zum Einsatz, wobei die Rückseite des Trägersubstrats in der Regel metallisch beschichtet ist. Als Sensorelemente werden sogenannte Wderstandselemente, welche beispielsweise durch Platinelemente gegeben sind, verwendet, die unter anderem unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich sind.
Bei Temperatursensoren in Form von Thermoelementen wiederum wird die Temperatur durch eine Thermospannung bestimmt, die zwischen den einseitig angeschlossenen Thermodrähten aus unterschiedlichen Materialien entsteht. Zur Temperaturmessung werden üblicherweise Thermoelemente nach DIN-Norm IEC584, z.B. Thermoelemente vom Typ K, J, N, S, R, B, T oder E, als Temperaturfühler eingesetzt. Aber auch andere Materialpaare, insbesondere solche mit einem messbaren Seebeck-Effekt, sind möglich.
Die Genauigkeit der Temperaturmessung hängt empfindlich von den jeweiligen thermischen Kontakten und der jeweils vorherrschenden Wärmeleitung ab. Die Wärmeströme zwischen dem Medium, dem Behältnis, in welchem sich das Mediums befindet, dem Thermometer und der Prozessumgebung spielen hier eine entscheidende Rolle. Für eine zuverlässige Temperaturbestimmung ist es wichtig, dass der jeweilige Temperatursensor und das Medium sich zumindest für eine bestimmte Zeit, welche zur Erfassung der Temperatur erforderlich ist, im Wesentlichen im thermischen Gleichgewicht befinden. Die Zeit für eine Reaktion eines Thermometers auf eine Temperaturänderung wird auch als Ansprechzeit des Thermometers bezeichnet.
Eine hohe Messgenauigkeit lässt sich insbesondere dann erzielen, wenn der Temperatursensor in das jeweilige Medium eintaucht. So sind zahlreiche Thermometer bekannt geworden, bei denen der Temperatursensor mehr oder weniger direkt mit dem jeweiligen Medium in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise lässt sich eine vergleichsweise gute Kopplung zwischen dem Medium und dem Temperatursensor erzielen.
Für verschiedene Prozesse und für viele Behältnisses, insbesondere kleine Behälter oder Rohrleitungen, ist jedoch eine invasive Bestimmung der Temperatur vorteilhafter. So sind ebenfalls Thermometer bekannt geworden, die von außen/innen an dem jeweiligen Behältnis, in dem sich das Medium befindet, befestigt werden können. Solche Geräte, auch Oberflächenthermometer oder Anlegefühler genannt, sind beispielsweise aus Dokumenten wie der DE102014118206A1 oder DE102015113237A1 bekannt geworden. Bei derartigen Messgeräten sind die Temperatursensoren nicht in direktem Kontakt mit dem jeweiligen Prozess. Dies erfordert, dass zur Sicherstellung einer guten thermischen Kopplung verschiedene zusätzliche Aspekte berücksichtigt werden müssen. So ist beispielsweise der mechanische und damit auch der thermische Kontakt zwischen Behälter und Thermometer entscheidend für die erreichbare Messgenauigkeit. Bei unzureichendem Kontakt ist eine genaue Temperaturbestimmung nicht möglich.
Als Oberflächen- oder Hautpunktthermometer werden häufig Messeinsätze mit Temperatursensoren in Form von Thermoelementen verwendet, die direkt an die Außenfläche oder Haut des Rohres oder Behälters angeschweißt werden. In solchen Fällen kann der Austausch der Thermoelemente jedoch zu einem zeitaufwändigen und kostspieligen Prozess werden, insbesondere weil ein Austausch eine vorübergehende Abschaltung des Prozesses und/oder der Anwendung erfordern kann. Um diese Nachteile zu überwinden, sind beispielsweise aus der US5382093 oder der bisher unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 18198608.4 jeweils Ausgestaltungen entsprechender Thermometer bekannt geworden, die einen einfachen Austausch der Temperatursensoren ermöglichen.
Darüber hinaus sind zahlreiche, unterschiedliche Ausgestaltungen von Thermometern zur nicht invasiven Temperaturmessung bekannt geworden, wie beispielsweise in den Dokumenten US2016/0047697A1 , DE102005040699B3, EP3230704B1 oder EP2038625B1 beschrieben.
Eine zentrale Problematik bei der nicht invasiven Temperaturbestimmung stellt die Wärmeableitung vom Prozess an die Umgebung dar. Diese sorgt für einen deutlich höheren Messfehler als im Falle einer direkten Einbringung des jeweiligen Temperatursensors in den Prozess.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe, ein Thermometer zur invasiven Temperaturmessung bereitzustellen, welches sich durch eine hohe Messgenauigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 11.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Temperatur eines Mediums in einem Behältnis, umfassend einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur und eine Hülse, in welcher das Sensorelement angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist die Hülse zumindest in einem ersten Abschnitt aus einem Manteldraht hergestellt, welcher Manteldraht einen Kern aus einem ersten Material und eine Ummantelung aus einem zweiten Material aufweist, wobei der Kern in einem dem Temperatursensor abgewandten ersten Endbereich aus der Ummantelung herausragt und wobei der Temperatursensor in einem dem ersten Endbereich abgewandten Bereich am Kern des Manteldrahtes befestigt ist. Der Temperatursensor befindet sich insbesondere in einem Innenvolumen der Hülse.
Bei dem Behältnis handelt es sich beispielsweise um einen Behälter, Container oder um eine Rohrleitung. Die Vorrichtung wird von einem äußeren Bereich des Behältnisses mit dem Behältnis in thermischen Kontakt gebracht.
Die Temperatur des Mediums wird demnach über eine Wandung des Behältnisses indirekt bestimmt.
Die Vorrichtung kann optional weiterhin eine Elektronik verfügen. Alternativ kann die Elektronik auch eine separate, mit der Vorrichtung verbindbare, Komponente sein. Dem Temperatursensor ist vorteilhaft zumindest ein Anschlussdraht zur elektrischen Kontaktierung zugeordnet, welcher beispielsweise ebenfalls zumindest abschnittsweise durch die Hülse geführt sein kann. Durch die Verwendung einer Hülse in Form eines Manteldrahts, bei der der Kern aus einem ersten und die Ummantelung aus einem zweiten, vom ersten verschiedenen Material besteht, kann eine besonders gute Wärmeankopplung an den jeweiligen Prozess erzielt werden. Darüber hinaus zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen besonders einfachen konstruktiven Aufbau aus.
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet, dass der Temperatursensor mit dem Kern durch eine Klebung oder Lötung verbunden ist. Auf diese Weise kann eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Kern, welcher vorzugsweise mit dem Behältnis, insbesondere der Wandung des Behältnisses, in Kontakt kommt, gewährleistet werden.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem Temperatursensor um ein Widerstandselement oder um ein Thermoelement handelt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass der Kern aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger Wärmekapazität, vorzugsweise Silber, Kupfer, Aluminium oder eine Legierung umfassend zumindest einen der genannten Werkstoffe, besteht. Der Kern dient der Wärmeleitung von dem das Medium führenden Behältnis zum Temperatursensor. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit führt insbesondere zu einer schnellen Ansprechzeit des Thermometers.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung beinhaltet, dass die Ummantelung eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Kern, insbesondere wobei die Wärmeleitfähigkeit der Ummantelung zumindest um den Faktor 5, bevorzugt um den Faktor 10, kleiner ist als die des Kerns, und wobei die Ummantelung vorzugsweise aus Edelstahl besteht. Die Ummantelung dient dann der Wärmeisolierung.
Sie verhindert bzw. reduziert eine ungewünschte Wärmeableitung vom Kern der Hülse an die Umgebung, welche Wärmeableitung die jeweils mittels des Temperatursensors erfasste Temperatur beeinflusst.
Noch eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass zwischen der Ummantelung und dem Kern eine mediendichte Verbindung besteht. Eine solche kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Hülse durch einen Ziehprozess hergestellt ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung besteht die Hülse in einem ersten Abschnitt aus dem Manteldraht und in einem dem ersten Endbereich des Manteldrahts abgewandten, zweiten Abschnitt aus einem rohrförmigen Anschlusselement, welches in einem dem ersten Endbereich abgewandten zweiten Endbereich des Manteldrahtes an der Ummantelung des Manteldrahtes befestigt ist. Das Anschlusselement stellt somit eine Verlängerung der Ummantelung der Hülse dar. Das Anschlusselement kann beispielsweise an die Ummantelung angeschweißt sein.
Gemäß einerweiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Manteldraht in einem dem ersten Endbereich abgewandten Teilbereich entlang seiner Längsachse kernfrei. Der Kern erstreckt sich also nur in einem dem Behältnis zugewandten Teilbereich der Vorrichtung. Der Temperatursensor ist dann vorzugsweise in einem Innenvolumen der Ummantelung an dem Kern befestigt derart, dass der Temperatursensor von der Ummantelung umgeben ist.
Gemäß noch einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Kern in dem ersten Endbereich an die Geometrie des Behältnisses angepasst. Auf diese Weise kann die Vorrichtung besonders einfach an das Behältnis angebracht werden und etwaige Luftspalte zwischen dem Behältnis und der Vorrichtung können vermieden werden.
In einerweiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung Befestigungsmittel zur, insbesondere lösbaren oder stoffschlüssigen, Befestigung der Vorrichtung an dem Behältnis. In dieser Hinsicht kommen alle dem Fachmann üblichen und geeigneten Befestigungsmittel, wie z.B. Rohrschellen, in Betracht und fallen unter die vorliegende Erfindung.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Temperatur eines Mediums in einem Behältnis umfassend folgende Verfahrensschritte: Bereitstellen eines Temperatursensors zur Erfassung der Temperatur, Bereitstellen eines Manteldrahts, welcher Manteldraht einen Kern aus einem ersten Material und eine Ummantelung aus einem zweiten Material aufweist, und welcher Kern in einem dem Temperatursensor abgewandten ersten Endbereich aus der Ummantelung herausragt, Bereitstellen einer Hülse, welche zumindest in einem ersten Abschnitt aus dem Manteldraht besteht, und Befestigen des Temperatursensors am Kern des Manteldrahtes in einem dem ersten Endbereich abgewandten Bereich. Insbesondere befindet sich der Temperatursensor in einem Innenvolumen der Hülse. Hierzu können die Hülse und/oder die Anordnung des Temperatursensors relativ zur Hülse passend gewählt werden.
Hinsichtlich des Verfahrens ist es von Vorteil, wenn in dem ersten Endbereich die Ummantelung entfernt wird. Es wird also zuerst ein Manteldraht mit Kern und Ummantelung bereitgestellt und die Ummantelung dann nachträglich im ersten Endbereich entfernt. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Hülse in einem ersten Abschnitt aus dem Manteldraht und in einem dem ersten Endbereich des Manteldrahts abgewandten, zweiten Abschnitt aus einem rohrförmigen Anschlusselement hergestellt wird und wenn das rohrförmige Anschlusselement im dem ersten Endbereich abgewandten zweiten Endbereich des Manteldrahtes an der Ummantelung des Manteldrahts befestigt wird. Hier eignet sich beispielsweise ein Schweißverfahren. Aber auch andere dem Fachmann geläufige Verfahren zur Herstellung einer, insbesondere stoffschlüssigen, Verbindung sind denkbar und fallen unter die vorliegende Erfindung.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem dem ersten Endbereich abgewandten Teilbereich des Manteldrahts ein Innenvolumen des Manteldrahts, insbesondere der Kern oder der Kern und ein Teil der Ummantelung, aus dem Manteldraht entfernt. In diesem Bereich wird dann insbesondere der Temperatursensor befestigt.
In einerweiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Temperatursensor auf den Kern aufgelötet oder aufgeklebt, insbesondere auf der dem ersten Endbereich gegenüberliegenden Seite des Kerns.
Es sei darauf verwiesen, dass sich die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Ausgestaltung mutatis mutandis auch auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar sind und umgekehrt.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : ein Thermometer zur nicht invasiven Temperaturmessung nach Stand der Technik;
Fig. 2: einen Manteldraht für ein erfindungsgemäßes Thermometer;
Fig. 3: eine erste Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Thermometer mit einer aus einem Manteldraht gefertigten Hülse;
Fig. 4: eine zweite Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Thermometer, wobei die Hülse ein Anschlusselement aufweist; und
Fig. 5: eine dritte Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Thermometer, wobei die Hülse abschnittsweise kernfrei ist.
In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen. In Fig.1 ist eine schematische Abbildung eines Thermometers 1 gemäß Stand der Technik mit einem Messeinsatz 3 und einer Elektronik 4 gezeigt. Das Thermometer 1 dient der Erfassung der Temperatur T eines Mediums M, welches sich in einem Behältnis 2, hier in Form einer Rohrleitung, befindet. Zu diesem Zweck ragt das Thermometer 1 nicht in die Rohrleitung 2 hinein, sondern ist vielmehr zur nicht invasiven Temperaturbestimmung von außen auf eine Wandung Wder Rohrleitung 2 aufgesetzt.
Der Messeinsatz 3 umfasst einen Temperatursensor 5, welcher im vorliegenden Fall ein temperatursensitives Element in Form eines Widerstandselements umfasst. Der Temperatursensor 5 ist über die Anschlussleitungen 6a, 6b elektrisch kontaktiert und mit der Elektronik 4 verbunden. Während das gezeigte Thermometer 1 in kompakter Bauweise mit integrierter Elektronik 4 ausgeführt ist, kann bei anderen Thermometern 1 die Elektronik 4 auch separat von dem Messeinsatz 3 angeordnet sein. Auch muss es sich bei dem Temperatursensor 5 nicht notwendigerweise um ein Widerstandselement handeln und die Anzahl der verwendeten Anschlussleitungen 6 muss nicht notwendigerweise zwei betragen. Vielmehr kann die Anzahl der Anschlussleitungen 6 je nach angewendetem Messprinzip und verwendetem Temperatursensor 5 passend gewählt werden.
Wie bereits dargelegt, hängt die Messgenauigkeit eines solchen Thermometers 1 in hohem Maße von den jeweiligen Materialien und, insbesondere thermischen, Kontaktierungen, insbesondere im Bereich des Temperatursensors 5 ab. Der Temperatursensor 5 steht mittelbar, d.h. über den Messeinsatz 2 und über die Wandung W, mit dem Medium M in thermischem Kontakt. Die Messgenauigkeit hängt in diesem Falle entscheidend von den thermischen Kontakten sowie von der Wärmeableitung vom Medium M an die Umgebung ab.
Um diesen Problematiken geeignet zu begegnen, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Manteldraht 7 verwendet, wie er in Fig. 2 isoliert gezeigt ist. Der Manteldraht weist einen Kern 8 aus einem ersten Material und eine Ummantelung 9 aus einem zweiten Material auf. Bevorzugt besteht zwischen dem Kern 8 und der Ummantelung 9 eine mediendichte Verbindung. Eine solche kann insbesondere gewährleistet werden, wenn der Manteldraht 7 durch einen Ziehprozess hergestellt wird.
Es ist von Vorteil, wenn der Kern 8 aus einem wärmeleitfähigen Material und die Ummantelung 9 aus einem wärmeisolierenden Material besteht. Beispielsweise kann der Kern 8 aus Silber und die Ummantelung 9 aus Edelstahl bestehen. Aber auch andere Materialien und Materialkombinationen sind denkbar und fallen unter die vorliegende Erfindung. Eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Thermometers 1 zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur T eines Mediums M in einem Behältnis 2 ist in Fig. 3 gezeigt. Wie bei Fig. 1 handelt es sich bei dem Behältnis 2 um eine Rohrleitung. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung zahlreiche unterschiedliche Behältnisse, unter anderem auch Behälter oder Container, verwendet werden können. Die Erfindung ist keineswegs auf eine Verwendung mit Rohrleitungen beschränkt.
Das Thermometer 1 aus Fig. 3 weist eine Hülse 10 auf, welche hier vollständig aus einem Manteldraht 7 gefertigt ist. In einem ersten, dem Behältnis 2 zugewandten, Endbereich Ei ragt der Kern 8 aus der Ummantelung 9 hinaus. Der Kern 8 kommt hier mit der Wandung W des Behältnisses 2 in direkten Kontakt. Im Bereich einer Kontaktfläche kann der Kern 8 optional an die Konturen der Wandung W des Behältnisses angepasst sein. Der Temperatursensor 5 ist in einem dem ersten Endbereich Ei abgewandten Bereich B an dem Kern 8 befestigt. Beispielsweise kann der Temperatursensor 5 auf den Kern 8 aufgelötet oder aufgeklebt sein.
Der Kern 8 sorgt für eine gute Wärmeleitung vom Medium M zum Temperatursensor 5, während die Ummantelung 9 eine Wärmeableitung an die Umgebung verhindert. Der Temperatursensor 5 kommt vorzugsweise nicht mit der Ummantelung 9 in Berührung.
Für die in Fig. 4 gezeigte Ausgestaltung ist die Hülse in einem ersten Abschnitt Ai aus Manteldraht 7 und in einem zweiten Abschnitt A2 aus einem Anschlusselement 11 hergestellt. Das Anschlusselement 11 ist an der Ummantelung 9 des Manteldrahts 7 befestigt, insbesondere angeschweißt. Der Temperatursensor 5 befindet sich in einem Innenvolumen der Hülse 10. Die Ummantelung 9 und das Anschlusselement 11 können sowohl aus dem gleichen Material als auch aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführung weist ferner Befestigungsmittel 12 Befestigung der Vorrichtung 1 an dem Behältnis 2. Hier ist beispielhaft eine Rohrschelle dargestellt. Es kommen jedoch alle dem Fachmann bekannten Mittel zur Befestigung 12 in Frage und fallen ebenfalls unter die vorliegende Erfindung. Auch können für alle anderen Ausgestaltungen der Erfindung ebenfalls Befestigungsmittel 12 vorgesehen sein.
Eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist Gegenstand von Fig. 5. Für diese Ausgestaltung ist der Manteldraht (7) im dem ersten Endbereich Ei abgewandten Teilbereich T entlang seiner Längsachse L kernfrei. Beispielsweise kann die Hülse vollständig aus dem Manteldraht 7 gefertigt sein und der Kern 8 sowie ggf. ein Teil der Ummantelung 9 können nachträglich entfernt werden, beispielsweise durch ein Drehverfahren. Auch in der hier gezeigten Ausgestaltung befindet sich der Temperatursensor 5 in einem Innenvolumen der Hülse 10.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Behältnis
3 Messeinsatz
4 Elektronik
5 Temperatursensor
6 Anschlussdrähte
7 Manteldraht
8 Kern
9 Ummantelung
10 Hülse
11 Anschlusselement
12 Befestigungsmittel
M Medium
T Temperatur
L Längsachse
W Wandung des Behältnisses
EI,E2 Endbereiche
Ai ,A2 Abschnitte
B Bereich, in welchem der Temperatursensor angeordnet ist
T Teilbereich

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Temperatur (T) eines Mediums (M) in einem Behältnis (2), umfassend: einen Temperatursensor (5) zur Erfassung der Temperatur (T), und eine Hülse (10), in welcher das Sensorelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet. dass die Hülse zumindest in einem ersten Abschnitt aus einem Manteldraht (7) hergestellt ist, welcher Manteldraht (7) einen Kern (8) aus einem ersten Material und eine Ummantelung (9) aus einem zweiten Material aufweist, dass der Kern (8) in einem dem Temperatursensor (5) abgewandten ersten
Endbereich (Ei) aus der Ummantelung (9) herausragt, und dass der Temperatursensor (5) in einem dem ersten Endbereich (Ei) abgewandten Bereich (B) am Kern (8) des Manteldrahtes (7) befestigt ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , wobei der Temperatursensor (5) mit dem Kern (8) durch eine Klebung oder Lötung verbunden ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem Temperatursensor (5) um ein Widerstandselement oder um ein Thermoelement handelt.
4. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kern (8) aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger Wärmekapazität, vorzugsweise Silber, Kupfer, Aluminium oder eine Legierung umfassend zumindest einen der genannten Werkstoffe, besteht.
5. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ummantelung (9) eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Kern (8), insbesondere wobei die Wärmeleitfähigkeit der Ummantelung (9) zumindest um den Faktor 5, bevorzugt um den Faktor 10, kleiner ist als die des Kerns (8), und wobei die Ummantelung (9) vorzugsweise aus Edelstahl besteht.
6. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen der Ummantelung (9) und dem Kern (8) eine mediendichte Verbindung besteht.
7. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hülse (10) in einem ersten Abschnitt (Ai) aus dem Manteldraht (7) besteht und wobei die Hülse (10) in einem dem ersten Endbereich (E1) des Manteldrahts (7) abgewandten, zweiten Abschnitt (A2) aus einem rohrförmigen Anschlusselement (11) besteht, welches in einem dem ersten Endbereich (Ei) abgewandten zweiten Endbereich (E2) des Manteldrahtes (7) an der Ummantelung (9) des Manteldrahtes (7) befestigt ist.
8. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Manteldraht (7) in einem dem ersten Endbereich (Ei) abgewandten Teilbereich (T) entlang seiner Längsachse (L) kernfrei ist.
9. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kern (8) in dem ersten Endbereich (Ei) an die Geometrie des Behältnisses (2) angepasst ist.
10. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend Befestigungsmittel (12) zur, insbesondere lösbaren oder stoffschlüssigen, Befestigung der Vorrichtung (1) an dem Behältnis (2).
11 . Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Temperatur (T) eines Mediums (M) in einem Behältnis (2) umfassend folgende Verfahrensschritte:
Bereitstellen eines Temperatursensors (5) zur Erfassung der Temperatur (T), Bereitstellen eines Manteldrahts (7), welcher Manteldraht (7) einen Kern (8) aus einem ersten Material und eine Ummantelung (9) aus einem zweiten Material aufweist, und welcher Kern (8) in einem dem Temperatursensor (T) abgewandten ersten Endbereich (Ei) aus der Ummantelung (9) herausragt,
Bereitstellen einer Hülse (10), welche zumindest in einem ersten Abschnitt (Ai) aus dem Manteldraht (7) besteht, und
Befestigen des Temperatursensors (5) am Kern (8) des Manteldrahtes (7) in einem dem ersten Endbereich (Ei) abgewandten Bereich.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei in dem ersten Endbereich (Ei) die Ummantelung (9) entfernt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Hülse (10) in einem ersten Abschnitt (Ai) aus dem Manteldraht (7) und in einem dem ersten Endbereich (Ei) des Manteldrahts (7) abgewandten, zweiten Abschnitt (A2) aus einem rohrförmigen Anschlusselement (11) hergestellt wird, und wobei das rohrförmige Anschlusselement (11) im dem ersten Endbereich (Ei) abgewandten zweiten Endbereich (E2) des Manteldrahtes (7) an der Ummantelung (9) des Manteldrahts (7) befestigt wird.
14. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 11-13, wobei in einem dem ersten Endbereich (Ei) abgewandten Teilbereich (T) des Manteldrahts (7) ein Innenvolumen des Manteldrahts (7), insbesondere der Kern (8) oder der Kern (8) und ein Teil der Ummantelung (9), aus dem Manteldraht (7) entfernt wird.
15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 11-14, wobei der Temperatursensor (5) auf den Kern (8) aufgelötet oder aufgeklebt wird.
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