WO2023280448A1 - Thermometer mit verbesserter messgenauigkeit - Google Patents

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WO2023280448A1
WO2023280448A1 PCT/EP2022/057113 EP2022057113W WO2023280448A1 WO 2023280448 A1 WO2023280448 A1 WO 2023280448A1 EP 2022057113 W EP2022057113 W EP 2022057113W WO 2023280448 A1 WO2023280448 A1 WO 2023280448A1
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WO
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temperature sensor
heating
temperature
cooling
cooling element
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Application number
PCT/EP2022/057113
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Koch
Christian Peuker
Dietmar Saecker
Original Assignee
Endress+Hauser Wetzer Gmbh+Co. Kg
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Publication date
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Priority to CN202280047700.9A priority patent/CN117616257A/zh
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Classifications

    • 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
    • G01K1/14—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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for determining and/or monitoring at least the temperature, the flow rate or the flow rate of a medium in a container, for example in automation technology.
  • the container is, for example, a container or a pipeline.
  • thermometers that use the expansion of a liquid, a gas or a solid with a known coefficient of expansion to measure the temperature, or those that 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, use the thermal radiation of a substance to determine its temperature. The measurement principles on which they are based have each been described in a large number of publications.
  • thermistors In the case of a temperature sensor in the form of a resistance element, so-called thin-film and thick-film sensors and so-called thermistors (also referred to as NTC thermistors) have become known, among other things.
  • a thin-film sensor in particular a resistance temperature detector (RTD)
  • RTD resistance temperature detector
  • a sensor element provided with connecting wires and applied to a carrier substrate is used, for example, with the rear side of the carrier substrate usually being metallically coated.
  • So-called resistance elements which are provided for example by platinum elements, are used as sensor elements, which are also commercially available under the designations PT10, PT100 and PT1000, among others.
  • thermocouples In the case of temperature sensors in the form of thermocouples, on the other hand, the temperature is determined by a thermal voltage that arises between the thermowires made of different materials and 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.
  • 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 brought into contact more or less directly with the respective medium. In this way, a comparatively good coupling between the medium and the temperature sensor can be achieved, and temperature gradients between the temperature of the medium and the temperature in the immediate vicinity of the temperature sensor are comparatively small.
  • thermometers have also become known which can be attached to the respective container in which the medium is located and in which the temperature sensor only comes into indirect contact with the medium.
  • Such devices also known as surface thermometers or contact sensors, are disclosed, for example, in DE102014118206A1 or DE102015113237A1.
  • various additional aspects must then be taken into account, such as good mechanical and therefore also thermal contact between the container and the thermometer. If there is insufficient contact, an accurate temperature determination is not possible.
  • a central problem in non-invasive temperature determination is therefore generally the heat dissipation from the process to the environment. This may result in a significantly higher measurement error than in the case of a direct introduction of the respective temperature sensor into the process.
  • a similar set of problems also arises, for example, in the case of a flow meter based on the thermal measurement principle for determining a flow rate or a flow rate of a medium in a pipeline.
  • Such field devices typically include at least two sensor elements with at least one temperature sensor and at least one heating element or heatable temperature sensor.
  • the sensor elements can be introduced into the respective pipeline as well as integrated into or onto a measuring tube (non-invasive construction).
  • the invention is based on the object of providing a possibility for temperature determination, in particular for thermometers and measuring devices for determining a flow rate or a flow rate, which is characterized by high measurement accuracy.
  • the device for determining and/or monitoring at least the temperature of a medium in a container comprising a first temperature sensor for detecting the temperature, and a heating/cooling element for heating/cooling a predetermined area of the device in which Area is at least the first temperature sensor.
  • the first temperature sensor and the heating/cooling element are arranged such that when the device is arranged on/in the container, the distance between the first temperature sensor and a center of the container is smaller than the distance between the heating/cooling element and the center.
  • the heating/cooling element is therefore arranged closer to the environment than the temperature sensor.
  • the container is, for example, a container or a pipeline.
  • the center can either be a center point of the container, for example in the case of a container, or a central axis in the container, for example in the case of a pipeline.
  • the device can optionally also have electronics, for example a transmitter.
  • the electronics can also be a separate component that can be connected to the device.
  • the device can also include other components, for example fastening means for fastening individual components to a wall of the container, or in the case of an invasive thermometer, a protective tube.
  • fastening means for fastening individual components to a wall of the container, or in the case of an invasive thermometer, a protective tube.
  • a device according to the invention it is also possible to use a device according to the invention
  • the heating/cooling element By means of the heating/cooling element, the effects of heat conduction between the medium and the environment, ie a temperature gradient that occurs, can be weakened or minimized.
  • a temperature gradient always occurs when the temperature of the medium differs from the temperature of the environment surrounding the device, in particular the first temperature sensor. The greater the difference between these two temperatures, the steeper the temperature gradient and the larger the resulting measurement error.
  • a temperature gradient occurring in the region of the temperature sensor can be compensated for by means of the heating/cooling element.
  • the avoidance of so-called heat conduction errors is a fundamental endeavor in the field of industrial temperature determination, regardless of whether a thermometer or a flow meter is used.
  • the so-called minimum immersion depth in the respective process is often mentioned in this context, which should usually be at least ten times the diameter of the thermometer. If the thermal contact has deteriorated, for example through the use of a protective tube, the minimum immersion depth should be more than ten times the diameter of the thermometer. In the case of block calibrators, the minimum immersion depth is usually fifteen times the diameter of the reference thermometer used for calibration. In the case of non-invasive temperature determination, on the other hand, other measures must be taken to ensure homogeneous temperature control of the respective sensor element. However, due to the very inhomogeneous heat input in such a measurement, this is significantly more complex than in the case of an invasive temperature determination.
  • the device according to the invention can be either an invasive or a non-invasive device.
  • the heating/cooling element is preferably arranged at a definable distance from the first temperature sensor and its position has a smaller distance or a smaller distance from a wall of the container.
  • the first temperature sensor is preferably arranged between the container and the heating/cooling element when the device is in a state attached to the container, and the first temperature sensor is preferably arranged on the wall of the container.
  • One configuration includes that the first temperature sensor is a resistance element, a thermocouple or a thermistor.
  • a further configuration includes that the heating/cooling element is a resistance element, a Peltier element, a foil heating element or an inductive heating element.
  • the device comprises at least one reference element for in situ calibration and/or validation of at least the first temperature sensor, which is attached in particular to a carrier element, and which Reference element consists at least partially of at least one material, for which material at least one phase transition occurs at least in the temperature range relevant for calibrating the first temperature sensor at least at a predetermined phase transition temperature, for which phase transition the material remains in the solid phase.
  • Reference element for in situ calibration and/or validation of at least the first temperature sensor, which is attached in particular to a carrier element, and which Reference element consists at least partially of at least one material, for which material at least one phase transition occurs at least in the temperature range relevant for calibrating the first temperature sensor at least at a predetermined phase transition temperature, for which phase transition the material remains in the solid phase.
  • the first temperature sensor and the heating/cooling element are arranged in a common measuring insert.
  • the first temperature sensor is preferably arranged in an end region of the measuring insert.
  • the heating/cooling element is preferably arranged in a central area of the measuring insert.
  • At least the first temperature sensor is preferably located between the end region and the heating/cooling element.
  • numerous other configurations for the arrangement of at least the first temperature sensor and the heating/cooling element are also conceivable, which also fall under the present invention.
  • an alternative configuration for a device includes that the first temperature sensor is arranged in a measuring insert and that the heating/cooling element is arranged outside of the measuring insert, in particular from the outside on the measuring insert or on a protective tube into which the measuring insert can be inserted. attachable, is.
  • the first temperature sensor is accordingly placed in a measuring insert, in particular a measuring insert according to the prior art.
  • the heating/cooling element is arranged outside of the measuring insert.
  • the heating/cooling element can be applied to the measuring insert from the outside.
  • it can also be placed in a protective tube of the device, into which the measuring insert can be introduced.
  • the housing can be, for example, a sleeve that can be fastened to the measuring insert, or an additional measuring insert for accommodating the heating/cooling element.
  • the device comprises a second temperature sensor which is arranged at a definable distance from the first temperature sensor.
  • the second temperature sensor is preferably used
  • a temperature gradient in the region of the first temperature sensor can therefore preferably be determined on the basis of a difference between the temperatures determined by means of the two temperature sensors.
  • the first and second temperature sensors can be arranged together in a measuring insert, possibly also together with the heating/cooling element. However, it is also conceivable for the temperature sensors and/or the heating/cooling element to be arranged at least partially separately from one another. If the heating/cooling element is arranged in a housing, for example, the second temperature sensor can also be arranged in the housing, in a measuring insert for the first temperature sensor, or separately from the first temperature sensor and the housing.
  • the first temperature sensor comprises a temperature-sensitive sensor element, which is electrically contacted via at least a first and a second connection line, wherein the first connection line is divided into a first and a second section, the first section facing the sensor element consisting of a first material, and wherein the second section facing away from the sensor element consists of a second material that differs from the first material, the second connection line consists of the second material, and the first section of the first connection line and at least part of the second connection line have a difference -Form temperature sensor in the form of a thermocouple.
  • DE102018116309A1 to which reference is also made in full within the scope of the present application.
  • the device according to the invention comprises a regulation/control unit for regulating or controlling the heating/cooling unit by means of an adjustable heating/cooling signal.
  • the regulation/control unit can, for example, be part of the electronics or also a separate component of the device.
  • the device comprises a unit comprising at least partially a material with anisotropic thermal conductivity, which is arranged and/or designed in particular in such a way that it at least partially surrounds at least the first temperature sensor.
  • a material with anisotropic thermal conductivity which is arranged and/or designed in particular in such a way that it at least partially surrounds at least the first temperature sensor.
  • the device includes or has a coupling element for attachment to the container.
  • the coupling element comprises a base body with a contact surface, which is designed such that the base body by means of Contact surface can be placed flat against the container, wherein the base body has a bore for receiving at least the first temperature sensor, and wherein a longitudinal axis of the bore runs tangentially to the contact surface.
  • one embodiment of the device according to the invention includes that the heating/cooling element is at least partially introduced or integrated into the coupling element.
  • the heating/cooling element is preferably introduced into an area of the coupling element which, when the coupling element is in the state attached to the container, is at a greater distance from the container than the first temperature sensor.
  • a heating/cooling signal for the heating/cooling element is selected in such a way that a temperature gradient in the predefinable range is minimized.
  • a temperature gradient that occurs due to different temperatures of the medium and the environment.
  • the heating/cooling signal is preferably selected in such a way that an essentially constant temperature prevails in the predefinable range.
  • the heating/cooling element is regulated or controlled by means of an adjustable heating/cooling signal.
  • an adjustable heating/cooling signal that can be adapted in particular to the respective conditions in the environment of the device.
  • the heating/cooling signal is set as a function of a differential temperature value determined by means of the first and second temperature sensors or by means of the differential temperature sensor.
  • the differential temperature value can be either an absolute or a relative temperature difference.
  • the heating/cooling signal is adjusted in such a way that the differential temperature value determined by means of the first and second temperature sensors or by means of the differential temperature sensor is minimized, ie in particular approaches zero or is essentially zero.
  • the device can be, for example, a thermometer or a thermal flow meter.
  • the heating/cooling element can also be used to determine the flow, which can be either a volume flow or a mass flow.
  • the device can also have an additional heating element, which can be used to determine the flow or the flow rate.
  • the flow or the flow rate can in principle be determined in two different ways.
  • a sensor element is heated in such a way that its temperature remains essentially constant. If the medium properties are known and at least temporarily constant, such as the medium temperature, its density or composition, the mass flow rate of the medium through the pipeline can be determined using the heating power required to keep the temperature at the constant value.
  • the temperature of the medium is understood to mean that temperature which the medium has without an additional heat input from a heating element.
  • the heating element is operated with constant heating power and the temperature of the medium is measured downstream of the heating element. In this case, the measured temperature of the medium provides information about the mass flow.
  • thermometer 1 shows a thermometer for (a) non-invasive temperature measurement, (b) a schematic representation of the heat dissipation that occurs, and a thermometer for (c) invasive temperature measurement according to the prior art
  • thermometer 2 preferred configurations for a thermometer according to the present invention with a first temperature sensor and a heating/cooling element, with (a) the first temperature sensor and the heating/cooling element being arranged together in a measuring insert and (b) being arranged separately from one another;
  • thermometer 3 shows preferred configurations for a thermometer according to the invention with two temperature sensors, with (a) the first temperature sensor and the heating/cooling element being arranged together in a measuring insert and (b) being arranged separately from one another; 4: exemplary embodiment of a thermometer with a differential temperature sensor for determining the heat flow; and
  • thermometers without loss of generality.
  • the respective considerations can easily be transferred to other types of field devices, such as thermal flowmeters.
  • thermometer 1a shows a schematic representation of a thermometer 1 according to the prior art for detecting the temperature T of a medium M in a container 2 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 thermometer 1 includes a measuring insert 4 and electronics 7.
  • the measuring insert includes a temperature sensor 6, which in the present case is provided by a temperature-sensitive element in the form of a resistance element.
  • the temperature sensor 5 is electrically contacted via the connection lines 4 and connected to the electronics 7 . While the thermometer 1 shown is designed in a compact design with integrated electronics 7, in other thermometers 1, the
  • Electronics 7 can also be arranged separately from the measuring insert 4.
  • the temperature sensor 6 does not necessarily have to be a resistance element and the number of connection lines 4 used does not necessarily have to be two. Rather, the number of connecting lines 4 depending be selected appropriately according to the applied measuring principle and the temperature sensor 6 used.
  • thermometer 1 the measuring accuracy of such a thermometer 1 depends to a large extent on the heat conduction effects and possibly existing temperature gradients DT between the medium M and an environment of the thermometer 1 .
  • the occurrence of such temperature gradients AT(d) is illustrated as an example in FIG. 1b as a function of the distance d from the medium M.
  • the medium M has the temperature TM, which is higher than the ambient temperature Tu for the analysis carried out the temperature of the medium TM.
  • a heat loss also typically occurs between the wall and the thermometer 1 , which continues up to the electronics 7 .
  • the temperature T recorded by means of a contact sensor 1 is usually lower than the actual temperature of the medium TM.
  • thermometer 1 for temperature determination
  • FIG. 1c which, in contrast to the thermometer 1 shown in FIG. 1a, also has an optional protective tube 3 protruding into the medium M for receiving the measuring insert 4 has.
  • thermometer 1 In order to counteract these problems in a suitable manner, a heating/cooling element 8 is additionally integrated within the scope of the present invention.
  • Two preferred configurations for a thermometer 1 according to the invention are illustrated in FIG. In addition to the thermometer 1 shown in FIG. 1a, the thermometer 1 according to FIG.
  • the first temperature sensor 6 thus has a first distance di from a center Z in the form of a central axis (longitudinal axis through the pipeline 2 through a center point of its cross-sectional area, which is circular in this case), which is less than a distance d2 of the heating/cooling element from the center Z.
  • a predeterminable area B of the device 1, in which at least the first temperature sensor 6 is located can be suitably heated/cooled by means of the heating/cooling element 8, such that a temperature gradient DT in this area B is reduced or eliminated can.
  • the heating/cooling element is arranged outside of the measuring insert 4.
  • the heating / cooling element 8 in a housing 18a in the form of a sleeve, which the measuring insert 4 can be fastened around, and thus surrounds the measuring insert 4.
  • a distance d2 of the heating/cooling element 8 from the center Z is greater than a distance di from the first temperature sensor 6 from the center.
  • the heating/cooling element 8 can also be attached to an inner wall of the protective tube 3, for example, or it can be arranged in a completely different way.
  • the heating / cooling unit 8 can have the same electronics? be contacted like the first temperature sensor 6 or separate electronics [not shown].
  • a longitudinal axis of the device 1 in particular of the measuring insert 3 , can also be aligned at an angle other than 90°, in particular parallel, to the wall of the container 2 or the longitudinal axis through the container 2 .
  • the device 1 additionally includes a second temperature sensor 10, which is also contacted via two connecting lines 11, for example, and which is arranged above and at a definable distance d ß from the first temperature sensor 6, i.e. in the When the device 1 is arranged in the container, it is at a greater distance from the center Z than the first temperature sensor 6.
  • a second temperature sensor 10 which is also contacted via two connecting lines 11, for example, and which is arranged above and at a definable distance d ß from the first temperature sensor 6, i.e. in the When the device 1 is arranged in the container, it is at a greater distance from the center Z than the first temperature sensor 6.
  • the distances of the heating/cooling element 8 and the second temperature sensor 10 from the center Z are essentially the same.
  • the two temperature sensors 6, 10 and the heating/cooling element 8 can also be arranged differently relative to one another.
  • the second temperature sensor 10 and the heating/cooling element 8 are arranged outside of the measuring insert 4 for the first temperature sensor 6 .
  • the second temperature sensor 8 and the heating/cooling element 8 are also located in a housing 18b, here in the form of a further measuring insert.
  • a housing 18b here in the form of a further measuring insert.
  • an arrangement analogous to the configuration according to FIG. 2b is also possible here.
  • connection lines 5a and 5b electrically contacted and is thus operated in the so-called two-wire circuit. In the present case, both connection lines 5a and 5b are attached directly to the resistance element 13. FIG. However, it should be pointed out at this point that in principle all contacts known to those skilled in the art are possible for connecting the temperature sensor 6 to the connecting lines 5 .
  • the first connection line 5a is divided into a first section I and a second section II.
  • the first section I consists of a first material
  • the second section II and the second connection line 5b consist of a second material that differs from the first.
  • the first section I of the first connecting line 5a and at least part t of the second connecting line 5b form a first differential temperature sensor 14 in the form of a thermocouple.
  • the two materials for the first section I of the first connecting line 5a and the second section II of the first connecting line 5a and for the second connecting line 5b are selected in such a way that due to a temperature difference between points a and b and the corresponding due to the thermoelectric effect in the sections t forming different thermal voltages, by means of the differential temperature sensor 14, a thermal voltage can be detected.
  • the first section I of the first connecting line 5a is preferably short compared to the overall length of the first connecting line 5a, for example the length of the first section I of the first connecting line 5a is in the range of a few millimeters or centimeters. In this way it can be ensured that the values determined by means of the first differential temperature sensor 14 reflect a temperature gradient DTi in the region of the temperature sensor 6 as far as possible.
  • the first 5a and second connection line 5b are attached separately to the resistance element 13.
  • FIG. 4a The first section I of the first connection line 5a and the part t of the second connection line 5b are therefore connected indirectly via the resistance element 13 .
  • the first section I of the first connection line 5a and the part t of the second connection line 5b could also be connected directly to one another and then attached to the temperature sensor 6 .
  • the second connection line 5b is also divided into a first III and a second section IV.
  • the first differential temperature sensor 14 is formed by the first sections I and III of the first 5a and second 5b connection lines.
  • the two first sections I and III of the two connection lines 4a and 4b are of the same length.
  • extension wires are preferably of the same design.
  • the second section II of the first connecting line 5a and the second connecting line 5b are configured in the same way.
  • a heat flow W in the area of the temperature sensor 6 can be determined by means of the differential temperature sensor 14, which is directly related to an occurring temperature gradient DT.
  • occurring temperature gradients in the definable range B can accordingly be determined experimentally directly.
  • a heating/cooling signal for the heating/cooling element 8 can be appropriately controlled so that these temperature gradients DT are reduced or eliminated. This procedure improves the measuring accuracy of the device considerably.
  • FIG. 5 relates to two devices 1 according to the invention in the form of thermal flowmeters.
  • FIG. 5a shows a thermal flow measuring device 1 which, analogously to the device 1 in the form of a thermometer from FIG. the number can vary from configuration to configuration], a heating/cooling element 8 with connection lines 9 .
  • a heating unit 15 is also provided, which is electrically contacted via the connecting lines 16 .
  • the heating/cooling element 8 is used to reduce or eliminate the influence of undesired heat conduction, while the heating unit 15 can be determined to determine the flow rate or a flow rate according to the thermal measurement principle already explained. Even if FIG.
  • the device 1 can also have thermal insulation 16, which thermally shields the device 1, at least the first temperature sensor 6 and the heating unit 15, from the environment.
  • a longitudinal axis Lv of the device 1 runs perpendicularly to a longitudinal axis LB of the container 2
  • the longitudinal axis Lv of the device 1 is aligned parallel to the longitudinal axis LB of the container 2 .
  • Devices 1 in the form of thermal flow meters can also have a second temperature sensor 10 or a differential
  • Temperature sensor 14 have. It is then advantageous if a heating signal for the heating/cooling element remains constant during the acquisition of measured values for determining the flow or the flow rate. In particular, it is advantageous if a suitable heating/cooling signal for the heating/cooling element is determined in a first operating mode, for example as a function of a differential temperature value determined by means of first 6 and second temperature sensors 10 or by means of differential temperature sensor 14. In this regard, it is particularly advantageous if the heating unit 16 remains unheated during the first operating mode. In a second operating mode, the heating/cooling signal for the heating/cooling element is then preferably kept constant.
  • the device according to the invention can be used to ensure that only little heat is dissipated to the environment via the measuring insert 4 .
  • the definable area B in which at least the first temperature sensor 6 and at least a section of the connecting lines 5 and, if applicable, the heating element 15 and a section of the connecting lines 16 are located, is suitably heated/cooled, in particular in such a way that a temperature gradient DT in this Area is reduced or minimized, measurement errors caused by this due to heat dissipation can be minimized.
  • a simple control circuit can be provided, by means of which a heating/cooling signal for the heating/cooling element is generated depending on a differential temperature of the differential temperature sensor 14 or a temperature difference between the first 6 and second temperature sensor 10 can be adjusted.
  • insulation 18 housing for heating/cooling element; 18a in the form of a cuff; 18b in the form of a further measuring insert

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest der Temperatur (T) eines Mediums (M) in einem Behältnis (2), umfassend einen ersten Temperatursensor (6) zur Erfassung der Temperatur (T), und ein Heiz-/Kühlelement (8) zum Heizen/Kühlen eines vorgebbaren Bereichs (B) der Vorrichtung (1), in welchem Bereich (B) sich insbesondere zumindest der erste Temperatursensor (6) befindet. Erfindungsgemäß sind der erste Temperatursensor (6) und das Heiz-/Kühlelement (8) derart angeordnet, dass im an/in dem Behältnis angeordneten Zustand der Vorrichtung (1) ein Abstand (d1) des ersten Temperatursensors (6) von einem Zentrum (Z) des Behältnisses (2) kleiner ist als ein Abstand (d2) des Heiz-/Kühlelements (8) von dem Zentrum (Z).

Description

Thermometer mit verbesserter Messgenauigkeit
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest der Temperatur, des Durchflusses, oder der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums in einem Behältnis, beispielsweise in der Automatisierungstechnik. Bei dem Behältnis handelt es sich beispielsweise um einen Behälter oder um eine Rohrleitung.
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 Widerstandselemente, 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 Medium befindet, dem Thermometer und der Prozessumgebung spielen hier eine entscheidende Rolle. Für eine zuverlässige Temperaturbestimmung ist es wichtig, dass der 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 und Temperaturgradienten zwischen der Temperatur des Mediums und der Temperatur in unmittelbarer Umgebung des Temperatursensors sind vergleichsweise gering.
Für verschiedene Prozesse und für viele Behältnisse, insbesondere kleine Behälter oder Rohrleitungen, ist jedoch eine nicht-invasive Bestimmung der Temperatur vorteilhaft. So sind ebenfalls Thermometer bekannt geworden, die an dem jeweiligen Behältnis, in dem sich das Medium befindet, befestigt werden können und bei denen der Temperatursensor nur indirekt mit dem Medium in Kontakt kommt. Solche Geräte, auch Oberflächenthermometer oder Anlegefühler genannt, sind beispielsweise in DE102014118206A1 oder DE102015113237A1 offenbart. Zur Sicherstellung einer guten thermischen Kopplung müssen dann verschiedene zusätzliche Aspekte berücksichtigt werden, wie beispielsweise ein guter mechanischer und damit auch thermischer Kontakt zwischen Behälter und Thermometer. Bei unzureichendem Kontakt ist eine genaue Temperaturbestimmung nicht möglich. Eine zentrale Problematik bei der nicht-invasiven Temperaturbestimmung stellt somit generell die Wärmeableitung vom Prozess an die Umgebung dar. Diese sorgt ggf. für einen deutlich höheren Messfehler als im Falle einer direkten Einbringung des jeweiligen Temperatursensors in den Prozess.
Eine ähnliche Problematik ergibt sich beispielsweise auch für den Fall eines auf dem thermischen Messprinzips beruhenden Durchflussmessgeräts zur Bestimmung eines Durchflusses oder einer Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums in einer Rohrleitung. Derartige Feldgeräte umfassen typischerweise zumindest zwei Sensorelemente mit zumindest einem Temperatursensor und zumindest einem Heizelement oder beheizbaren Temperatursensor. Die Sensorelemente können sowohl in die jeweilige Rohrleitung eingebracht werden, als auch in oder an ein Messrohr integriert werden (nicht-invasiver Aufbau). Ausgehend von der beschriebenen Problematik der Wärmeableitung bei der Messgenauigkeit von Temperatursensoren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Temperaturbestimmung, insbesondere für Thermometer und Messgeräte zur Bestimmung eines Durchflusses oder einer Strömungsgeschwindigkeit, bereitzustellen, welche sich durch eine hohe Messgenauigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest der Temperatur, eines Mediums in einem Behältnis, umfassend einen ersten Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur, und ein Heiz-/Kühlelement zum Heizen/Kühlen eines vorgebbaren Bereichs der Vorrichtung, in welchem Bereich sich zumindest der erste Temperatursensor befindet.
Erfindungsgemäß sind der erste Temperatursensor und das Heiz-/Kühlelement derart angeordnet, dass im an/in dem Behältnis angeordneten Zustand der Vorrichtung ein Abstand des ersten Temperatursensors von einem Zentrum des Behältnisses kleiner ist als ein Abstand des Heiz-/Kühlelements von dem Zentrum. Das Heiz-/Kühlelement ist also näher zur Umgebung angeordnet als der Temperatursensor. Bei dem Behältnis handelt es sich beispielsweise um einen Behälter oder um eine Rohrleitung. Das Zentrum kann je nach Ausgestaltung des Behälters entweder ein Mittelpunkt des Behältnisses, beispielsweise bei einem Behälter, oder eine zentrale Achse in dem Behältnis, beispielsweise bei einer Rohrleitung, sein.
Die Vorrichtung kann optional weiterhin über eine Elektronik, beispielsweise einen Transmitter, verfügen. Alternativ kann die Elektronik auch eine separate, mit der Vorrichtung verbindbare, Komponente sein. Möglich ist insbesondere auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer 4-20mA Elektronik bzw. einem 4-20mA-Transmitter. Die Vorrichtung kann entsprechend auch als Zwei-Leiter- Feldgerät ausgeführt werden.
Außerdem kann die Vorrichtung je nach Ausgestaltung auch noch weitere Komponenten, beispielsweise Befestigungsmittel zur Befestigung einzelner Komponenten an einer Wandung des Behältnisses, oder im Falle eines invasiven Thermometers ein Schutzrohr, umfassen. Möglich ist insbesondere auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
Mittels des Heiz-/Kühlelements können die Effekte einer Wärmeleitung zwischen Medium und Umgebung, also einem entstehenden Temperaturgradienten abgeschwächt oder minimiert werden. Ein Temperaturgradient entsteht immer dann, wenn die Temperatur des Mediums sich von der Temperatur der Umgebung der Vorrichtung, insbesondere des ersten Temperatursensors, unterscheidet. Je größer der Unterschied dieser beiden Temperaturen, je steiler ist der Temperaturgradient und je größer ist der resultierende Messfehler. Mittels des Heiz-/Kühlelements kann ein im Bereich des Temperatursensors auftretender Temperaturgradient ausgeglichen werden. Die Vermeidung von sogenannten Wärmeableitfehlern ist ein grundsätzliches Bestreben im Bereich der industriellen Temperaturbestimmung, unabhängig davon, ob jeweils ein Thermometer oder ein Durchflussmessgerät verwendet wird. Im Falle von invasiven Thermometern ist in diesem Zusammenhang vielfach von der sogenannten minimalen Eintauchtiefe in den jeweiligen Prozess die Rede, welche üblicherweise mindestens das Zehnfache des Thermometerdurchmessers betragen sollte. Bei einem beispielsweise durch die Verwendung eines Schutzrohrs verschlechterten thermischen Kontakt sollte die minimale Eintauchtiefe sogar mehr als das Zehnfache des Thermometerdurchmessers betragen. Im Falle von Blockkalibratoren beträgt die minimale Eintauchtiefe üblicherweise das fünfzehnfache des Durchmessers des zur Kalibration verwendeten Referenzthermometers. Im Falle einer nicht-invasiven Temperaturbestimmung müssen dagegen andere Maßnahmen zur Gewährleistung einer homogenen Temperierung des jeweiligen Sensorelements ergriffen werden. Dies ist allerdings aufgrund des sehr inhomogenen Wärmeeintrags bei einer derartigen Messung deutlich komplexer als im Falle einer invasiven Temperaturbestimmung.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es sich sowohl um eine invasiv als auch um eine nicht-invasiv arbeitende Vorrichtung handeln. Bei einer invasiven Vorrichtung, bei welcher der erste Temperatursensor in das Medium eintaucht, ist das Heiz-/Kühlelement vorzugsweise in einem vorgebbaren Abstand zum ersten Temperatursensor angeordnet und dessen Position weist eine geringere Distanz bzw. einen geringeren Abstand zu einer Wandung des Behältnisses auf. Bei einer nicht-invasiven Vorrichtung ist der erste Temperatursensor vorzugsweise in einem an dem Behältnis befestigten Zustand der Vorrichtung zwischen dem Behältnis und dem Heiz-/Kühlelement angeordnet, und der erste Temperatursensor ist vorzugsweise an der Wandung des Behältnisses angeordnet.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem ersten Temperatursensor um ein Widerstandselement, ein Thermoelement oder einen Heißleiter handelt.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem Heiz-/Kühlelement um ein Widerstandselement, ein Peltier-Element, ein Folien-Heizelement oder ein induktives Heizelement handelt.
Es ist zudem von Vorteil, wenn die Vorrichtung zumindest ein Referenzelement zur in situ Kalibrierung und/oder Validierung zumindest des ersten Temperatursensors umfasst, welches insbesondere auf einem T rägerelement befestigt ist, und welches Referenzelement zumindest teilweise aus zumindest einem Material besteht, für welches Material zumindest im zur Kalibrierung des ersten Temperatursensors relevanten Temperaturbereich zumindest ein Phasenübergang bei zumindest einer vorgegebenen Phasenübergangstemperatur auftritt, für welchen Phasenübergang das Material in der festen Phase verbleibt. In dieser Hinsicht sei auf die EP02612122B1 verwiesen, auf welche vollumfänglich Bezug genommen wird.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung sind der erste Temperatursensor und das Heiz- /Kühlelement in einem gemeinsamen Messeinsatz angeordnet. Vorzugsweise ist in diesem Fall der erste Temperatursensor in einem Endbereich des Messeinsatzes angeordnet. Das Heiz-/Kühlelement ist vorzugsweise in einem mittleren Bereich des Messeinsatzes angeordnet. Vorzugsweise befindet sich zumindest der erste Temperatursensor zwischen dem Endbereich und dem Heiz-/Kühlelement. Es sind aber auch zahlreiche andere Ausgestaltung für die Anordnung zumindest des ersten Temperatursensors und des Heiz-/Kühlelements denkbar, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen. Beispielsweise beinhaltet eine alternative Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, dass der erste Temperatursensor in einem Messeinsatzangeordnet ist, und dass das Heiz-/Kühlelement außerhalb von dem Messeinsatz angeordnet, insbesondere von außen an dem Messeinsatz oder an einem Schutzrohr, in welches der Messeinsatz einbringbar ist, befestigbar, ist. Der erste Temperatursensor ist demnach in einem Messeinsatz, insbesondere einem Messeinsatz gemäß Stand der Technik, eingebracht. Das Heiz-/Kühlelement ist außerhalb von dem Messeinsatz angeordnet. Beispielsweise kann das Heiz-Kühlelement von außen auf den Messeinsatz aufgebracht sein. Es kann aber auch in ein Schutzrohr der Vorrichtung, in welches der Messeinsatz einbringbar ist eingebracht sein.
Es ist ferner von Vorteil, wenn zumindest das Heiz-Kühlelement in einem Gehäuse angeordnet ist. Bei dem Gehäuse kann es sich beispielswese um eine Manschette handeln, welche an dem Messeinsatz befestigbar ist, oder um einen weiteren Messeinsatz zur Aufnahme des Heiz-Kühlelements handeln.
In einerweiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen zweiten Temperatursensor, welcher in einem vorgebbaren Abstand von dem ersten Temperatursensor angeordnet ist. Der zweite Temperatursensor dient bevorzugt der
Ermittlung eines Temperaturgradienten, welcher durch Wärmeleitung vom Prozess an die Umgebung oder umgekehrt verursacht wird. Anhand einer Differenz der mittels der beiden Temperatursensoren bestimmten Temperaturen lässt sich demnach vorzugsweise ein Temperaturgradient im Bereich des ersten Temperatursensors ermitteln. Der erste und zweite Temperatursensor können gemeinsam in einem Messeinsatz, ggf. auch zusammen mit dem Heiz-/Kühlelement angeordnet sein. Es ist aber ebenfalls denkbar, dass die Temperatursensoren und/oder das Heiz-Kühlelement zumindest teilweise getrennt voneinander angeordnet sind. Im Falle, dass das Heiz-Kühlelement beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet ist, kann der zweite Temperatursensor beispielsweise auch in dem Gehäuse, in einem Messeinsatz für den ersten Temperatursensor oder separat von dem ersten Temperatursensor und dem Gehäuse angeordnet sein.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der erste Temperatursensor ein temperaturempfindliches Sensorelement, welches über zumindest eine erste und eine zweite Anschlussleitung elektrisch kontaktiert ist, umfasst, wobei die erste Anschlussleitung in einen ersten und einen zweiten Abschnitt unterteilt ist, wobei der erste dem Sensorelement zugewandte Abschnitt aus einem ersten Material besteht, und wobei der zweite dem Sensorelement abgewandte Abschnitt aus einem zweiten sich von dem ersten unterscheidenden Material besteht, wobei die zweite Anschlussleitung aus dem zweiten Material besteht, und wobei der erste Abschnitt der ersten Anschlussleitung und zumindest ein Teil der zweiten Anschlussleitung einen Differenz-Temperatursensor in Form eines Thermoelements bilden. In diesem Zusammenhang sei auf die DE102018116309A1 verwiesen, auf welche im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ebenfalls vollumfänglich Bezug genommen wird. Mit einer derartigen Ausgestaltung des Temperatursensors ist es möglich, eine Wärmeableitung im Bereich des Temperatursensors direkt und unmittelbarzu erfassen. Eine genaue Kenntnis der Wärmeableitung erhöht weiter die Messgenauigkeit der Vorrichtung.
Ferner umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ausgestaltung eine Regel- /Steuereinheit zur Regelung oder Steuerung der Heiz-/Kühleinheit mittels eines einstellbaren Heiz-/Kühlsignals. Die Regel-/Steuereinheit kann beispielsweise Teil der Elektronik oder auch eine separate Komponente der Vorrichtung sein.
In einerweiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Einheit umfassend zumindest teilweise ein Material mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit, welches insbesondere derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass es zumindest den ersten Temperatursensor zumindest teilweise umgibt. In diesem Zusammenhang sei auf die deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE102017100267A1 verwiesen, auf welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung vollumfänglich Bezug genommen wird.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung ein Koppelelement zur Befestigung an dem Behältnis umfasst bzw. aufweist. Das Koppelelement umfasst einen Grundkörper mit einer Kontaktfläche, welche derart ausgestaltet ist, dass der Grundkörper vermittels der Kontaktfläche flächig an das Behältnis anlegbar ist, wobei der Grundkörper eine Bohrung zur Aufnahme zumindest des ersten Temperatursensors aufweist, und wobei eine Längsachse der Bohrung tangential zu der Kontaktfläche verläuft. Hinsichtlich des Koppelelements sei wiederum auf die bisher unveröffentlichte, deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102021109410.0 verwiesen. Auch auf diese Patentanmeldung wird vollumfänglich Bezug genommen.
Hinsichtlich des Koppelelements beinhaltet eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass das Heiz-/Kühlelement zumindest teilweise in das Koppelelement eingebracht bzw. integriert ist. Vorzugsweise ist das Heiz-Kühlelement in einen Bereich des Koppelelements eingebracht, welcher im an dem Behältnis angebrachten Zustand des Koppelelements eine größere Distanz zum Behältnis aufweist als der erste Temperatursensor. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassend folgende Verfahrensschritte:
Erfassen einer Temperatur des Mediums mittels eines ersten Temperatursensors, und - Heizen oder Kühlen eines vorgebbaren Bereichs der Vorrichtung, in welchem
Bereich sich zumindest der erste Temperatursensor befindet mittels einer Heiz-/Kühleinheit.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Heiz-/Kühlsignal für das Heiz-/Kühlelement derart gewählt, dass ein Temperaturgradient in dem vorgebbaren Bereich minimiert wird. Insbesondere handelt es sich um einen Temperaturgradienten, welcher aufgrund unterschiedlicher Temperaturen des Mediums und der Umgebung zustande kommt. Vorzugsweise wird das Heiz-Kühlsignal derart gewählt, dass eine im Wesentlichen konstante Temperatur in dem vorgebbaren Bereich vorherrscht.
Es ist von Vorteil, wenn das Heiz-/Kühlelement mittels eines einstellbaren Heiz- /Kühlsignals geregelt oder gesteuert wird. In diesem Falle handelt es sich um ein einstellbares Heiz-Kühlsignal, welches insbesondere an die jeweiligen Gegebenheiten in der Umgebung der Vorrichtung anpassbar ist.
Es ist ferner von Vorteil, wenn das Heiz-/Kühlsignal in Abhängigkeit eines mittels des ersten und zweiten Temperatursensors oder mittels des Differenz-Temperatursensors ermittelten Differenz-Temperaturwerts eingestellt wird. Bei dem Differenz-Temperaturwert kann es sich sowohl um eine absolute oder auch um eine relative Temperaturdifferenz handeln. Es ist schließlich ebenfalls von Vorteil, wenn das Heiz-/Kühlsignal so eingestellt wird, dass der mittels des ersten und zweiten Temperatursensors oder mittels des Differenz- Temperatursensors ermittelte Differenz-Temperaturwert minimiert wird, also insbesondere gegen null geht oder im Wesentlichen null ist.
Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um ein Thermometer oder um ein thermisches Durchflussmessgerät handeln. Im Falle eines thermischen Durchflussmessgeräts kann einerseits das Heiz-/Kühlelement auch zur Bestimmung des Durchflusses, welcher sowohl ein Volumendurchfluss also auch ein Massedurchfluss sein kann, dienen. Alternativ kann die Vorrichtung aber auch über ein zusätzliches Heizelement verfügen, welches für die Bestimmung des Durchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit verwendbar ist.
Bei thermischen Durchflussmessgeräten kann der Durchfluss oder auch die Durchflussgeschwindigkeit im Prinzip auf zwei unterschiedliche Arten bestimmt werden. Gemäß einem ersten Messprinzip wird ein Sensorelement derart beheizt, dass seine Temperatur im Wesentlichen konstant bleibt. Bei bekannten, und zumindest zeitweise konstanten Mediumseigenschaften, wie der Mediumstemperatur, dessen Dichte oder auch Zusammensetzung, kann anhand der zum Halten der Temperatur auf den konstanten Wert notwendigen Heizleistung der Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung ermittelt werden. Unter der Mediumstemperatur sei dabei jene Temperatur verstanden, welche das Medium ohne einen zusätzlichen Wärmeeintrag eines Heizelements aufweist. Bei dem zweiten Messprinzip wird dagegen das Heizelement mit konstanter Heizleistung betrieben und die Temperatur des Mediums stromabwärts des Heizelements gemessen. In diesem Falle gibt die gemessene Temperatur des Mediums Aufschluss über den Massedurchfluss. Darüber hinaus sind aber auch noch andere Messprinzipien bekannt geworden, beispielsweise sogenannte transiente Verfahren, bei welchen die Heizleistung oder die Temperatur moduliert werden. Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf das erfindungsgemäße Verfahren anwenden lassen und umgekehrt.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : ein Thermometer zur (a) nicht invasiven Temperaturmessung, (b) eine schematische Darstellung der auftretenden Wärmeableitung, und ein Thermometer zur (c) invasiven Temperaturmessung gemäß Stand der Technik; Fig. 2: bevorzugte Ausgestaltungen für ein Thermometer gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem ersten Temperatursensor und einem Heiz-/Kühlelement, wobei (a) der erste Temperatursensor und das Heiz-/Kühlelement gemeinsam in einem Messeinsatz und (b) getrennt voneinander angeordnet sind;
Fig. 3: bevorzugte Ausgestaltungen für ein erfindungsgemäßes Thermometer mit zwei Temperatursensoren, wobei (a) der erste Temperatursensor und das Heiz-/Kühlelement gemeinsam in einem Messeinsatz und (b) getrennt voneinander angeordnet sind; Fig. 4: beispielhafte Ausgestaltung eines Thermometers mit einem Differenz- Temperatursensor zur Bestimmung des Wärmestroms; und
Fig. 5: bevorzugte Ausgestaltungen für eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Form eines thermischen Durchflussmessgeräts.
In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
Die Ausgestaltungen aus den verschiedenen Figuren sind ferner beliebig miteinander kombinierbar. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf Thermometer. Auf andere Arten von Feldgeräten, wie thermische Durchflussmessgeräte, lassen sich die jeweiligen Überlegungen ohne Weiteres übertragen.
In Fig.1a ist eine schematische Abbildung eines Thermometers 1 gemäß Stand der Technik zur Erfassung der Temperatur T eines Mediums M in einem Behältnis 2 in Form einer Rohrleitung gezeigt. Vorliegend ragt das Thermometer 1 nicht in die Rohrleitung 2 hinein, sondern ist vielmehr zur nicht invasiven Temperaturbestimmung von außen auf eine Wandung W der Rohrleitung 2 aufgesetzt. Das Thermometer 1 umfasst einen Messeinsatz 4 und eine Elektronik 7. Der Messeinsatz umfasst einen Temperatursensor 6, welcher im vorliegenden Fall durch ein temperatursensitives Element in Form eines Widerstandselements gegeben ist. Der Temperatursensor 5 ist über die Anschlussleitungen 4 elektrisch kontaktiert und mit der Elektronik 7 verbunden. Während das gezeigte Thermometer 1 in kompakter Bauweise mit integrierter Elektronik 7 ausgeführt ist, kann bei anderen Thermometern 1 die
Elektronik 7 auch separat von dem Messeinsatz 4 angeordnet sein. Auch muss es sich bei dem Temperatursensor 6 nicht notwendigerweise um ein Widerstandselement handeln und die Anzahl der verwendeten Anschlussleitungen 4 muss nicht notwendigerweise zwei betragen. Vielmehr kann die Anzahl der Anschlussleitungen 4 je nach angewendetem Messprinzip und verwendetem Temperatursensor 6 passend gewählt werden.
Wie bereits dargelegt, hängt die Messgenauigkeit eines solchen Thermometers 1 in hohem Maße von den Wärmeleitungseffekten und möglicherweise vorhandenen Temperaturgradienten DT zwischen dem Medium M und einer Umgebung des Thermometers 1 ab. Das Auftreten derartiger Temperaturgradienten AT(d) ist beispielhaft in Fig. 1b in Abhängigkeit der Distanz d vom Medium M illustriert.
Das Medium M hat die Temperatur TM, die für die durchgeführte Betrachtung größer ist als die Umgebungstemperatur Tu. Ein Teil der Wärme des Mediums M wird über die Behälterwandung W abgeführt, so dass die im Bereich der Wandung W des Behältnisses 2 erfasste Temperatur Twgeringer ist als die Temperatur des Mediums TM. Auch zwischen der Wandung Wund dem Thermometer 1 findet typischerweise ein Wärmeverlust statt, welcher sich bis zur Elektronik 7 fortsetzt. So ist die mittels eines Anlegefühlers 1 erfasste Temperatur T üblicherweise geringer als die wirkliche Temperatur des Mediums TM.
Ähnliche Probleme können sich auch für invasiv arbeitende Vorrichtungen 1 zur Temperaturbestimmung ergeben, wie bei der in Fig. 1c skizzierten, welche im Gegensatz zu dem in Fig. 1a gezeigten Thermometer 1 zusätzlich ein optionales, in das Medium M hineinragendes Schutzrohr 3 zur Aufnahme des Messeinsatzes 4 aufweist.
Um diesen Problematiken geeignet zu begegnen, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusätzlich ein Heiz-Kühlelement 8 integriert. Zwei bevorzugte Ausgestaltungen für ein erfindungsgemäßes Thermometer 1 ist in Fig. 2 illustriert. Zusätzlich zu dem in Fig. 1a gezeigten Thermometer 1 umfasst das Thermometer 1 gemäß Fig. 2a zusätzlich ein oberhalb des Temperatursensors 6 angeordnetes Heiz-/Kühlelement 8, welches für das gezeigte Beispiel ebenfalls über zwei Anschlussleitungen 9 kontaktiert ist.
Der erste Temperatursensor 6 weist damit einen ersten Abstand di von einem Zentrum Z in Form einer zentralen Achse (Längsachse durch die Rohrleitung 2 durch einen Mittelpunkt von deren, hier kreisförmigen, Querschnittsfläche), welcher geringer ist als ein Abstand d2 des Heiz-/Kühlelements von dem Zentrum Z. Auf diese Weise kann mittels des Heiz-Kühlelements 8 ein vorgebbarer Bereich B der Vorrichtung 1 , in welchem sich zumindest der erste Temperatursensor 6 befindet geeignet geheizt/gekühlt werden, derart dass ein Temperaturgradient DT in diesem Bereich B reduziert oder eliminiert werden kann. Bei der in Fig. 2b dargestellten Ausführung ist im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß Fig. 2a das Heiz-/Kühlelement außerhalb des Messeinsatzes 4 angeordnet. Hier ist das Heiz-/Kühlelement 8 in ein Gehäuse 18a in Form einer Manschette, welches um den Messeinsatz 4 herum befestigbar ist, angeordnet und umgibt somit den Messeinsatz 4. Auch hier ist ein Abstand d2 des Heiz-/Kühlelements 8 vom Zentrum Z größer als ein Abstand di vom ersten Temperatursensor 6 vom Zentrum. Alternativ kann das Heiz- Kühlelement 8 beispielsweise auch an einer Innenwandung des Schutzrohrs 3 befestigt oder auch auf ganz andere Weise angeordnet sein. Die Heiz-/Kühleinheit 8 kann über dieselbe Elektronik ? wie der erste Temperatursensor 6 oder eine separate Elektronik [nicht dargestellt] kontaktiert sein.
Es sei darauf verwiesen, dass neben den hier dargestellten Ausgestaltungen auch andere Ausgestaltungen der Vorrichtung 1 sowie relative Anordnungen der Vorrichtung 1 zu dem Behältnis 2 möglich sind und unter die Erfindung fallen. Insbesondere kann eine Längsachse des Vorrichtung 1 , insbesondere des Messeinsatzes 3, auch in einem anderen Winkel als 90°, insbesondere parallel, zur Wandung des Behältnisses 2 oder Längsachse durch das Behältnis 2 ausgerichtet sein.
Bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 3 umfasst die Vorrichtung 1 zusätzlich einen zweiten Temperatursensor 10, welcher ebenfalls beispielhaft über zwei Anschlussleitungen 11 kontaktiert ist, und welcher oberhalb von und in einem vorgebbaren Abstand dß zu dem ersten Temperatursensor 6 angeordnet ist, also im an dem Behältnis angeordneten Zustand der Vorrichtung 1 einen größeren Abstand zum Zentrum Z aufweist als der erste Temperatursensor 6. Für die in Fig. 3a gezeigte beispielhafte Ausgestaltung, bei welcher beide Temperatursensoren 6, 10 und das Heiz-/Kühlelement 8 gemeinsam in einem Messeinsatz 4 angeordnet sind, sind die Abstände des Heiz-Kühlelements 8 und des zweiten Temperatursensors 10 vom Zentrum Z im Wesentlichen gleich. In anderen Ausgestaltungen können die beiden Temperatursensoren 6, 10 und das Heiz- /Kühlelement 8 aber auch anders relativ zueinander angeordnet sein.
Bei der in Fig. 3b gezeigten Ausgestaltung sind der zweite Temperatursensor 10 und das Heiz-/Kühlelement 8 außerhalb des Messeinsatzes 4 für den ersten Temperatursensor 6 angeordnet. Für die hier gezeigte Variante befinden sich der zweite Temperatursensor 8 und das Heiz-/Kühlelement 8 ebenfalls in einem Gehäuse 18b, hier in Form eines weiteren Messeinsatzes. Alternativ ist beispielsweise auch hier eine Anordnung analog zu der Ausgestaltung gemäß Fig. 2b möglich.
Zusätzlich oder alternativ ist es ferner auch denkbar, den ersten 6 und/oder zweiten Temperatursensor 10 so auszugestalten, dass mittels der Anschlussleitungen ein Differenz-Temperatursensor gebildet wird, wie in Fig. 4 anhand zweier möglicher Ausgestaltungen illustriert. Ein Temperatursensor 6 in Form eines auf ein Substrat 12 aufgebrachten Widerstandselements 13 dient der Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur T des Mediums M. Der Temperatursensor 6 ist mittels der beiden Anschlussleitungen 5a und 5b elektrisch kontaktiert und wird somit in der sogenannten Zweileiter-Schaltung betrieben. Im vorliegenden Falle sind beide Anschlussleitungen 5a und 5b direkt an das Widerstandselement 13 angebracht. Es sei aber an dieser Stelle darauf verwiesen, dass grundsätzlich alle dem Fachmann bekannten Kontaktierungen zur Verbindung des Temperatursensors 6 mit den Anschlussleitungen 5 möglich sind.
Die erste Anschlussleitung 5a ist in einen ersten I und einen zweiten Abschnitt II unterteilt. Der erste Abschnitt I besteht dabei aus einem ersten Material, und der zweite Abschnitt II sowie die zweite Anschlussleitung 5b bestehen aus einem zweiten sich vom ersten unterscheidenden Material. Auf diese Weise bilden der erste Abschnitt I der ersten Anschlussleitung 5a und zumindest ein Teil t der zweiten Anschlussleitung 5b einen ersten Differenz-Temperatursensor 14 in Form eines Thermoelements. Die beiden Materialien für den ersten Abschnitt I der ersten Anschlussleitung 5a und den zweiten Abschnitt II der ersten Anschlussleitung 5a sowie für die zweite Anschlussleitung 5b werden derart gewählt, dass aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen den Punkten a und b, und den sich entsprechend aufgrund des thermoelektrischen Effekts in den Abschnitten t ausbildenden unterschiedlichen Thermospannungen, mittels des Differenz- Temperatursensors 14 eine Thermospannung detektierbar ist. Der erste Abschnitt I der ersten Anschlussleitung 5a ist bevorzugt kurz im Vergleich zur Gesamtlänge der ersten Anschlussleitung 5a, beispielsweise liegt die Länge des ersten Abschnitts I der ersten Anschlussleitung 5a im Bereich von wenigen Millimetern oder Zentimetern. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die mittels des ersten Differenz-Temperatursensors 14 ermittelten Werte möglichst einen Temperaturgradienten DTi im Bereich des Temperatursensors 6 wiederspiegeln.
Bei dem in Fig. 4a gezeigten Beispiel sind die erste 5a und zweite Anschlussleitung 5b separat an das Wderstandselement 13 angebracht. Der erste Abschnitt I der ersten Anschlussleitung 5a und der Teil t der zweiten Anschlussleitung 5b sind also mittelbar über das Wderstandselement 13 verbunden. In einer anderen Ausgestaltung könnte der erste Abschnitt I der ersten Anschlussleitung 5a und der Teil t der zweiten Anschlussleitung 5b aber auch direkt miteinander verbunden und dann an den Temperatursensor 6 angebracht sein. In der in Fig. 4b gezeigten Ausgestaltung ist auch die zweite Anschlussleitung 5b in einen ersten III und einen zweiten Abschnitt IV unterteilt. Der erste Differenz-Temperatursensor 14 ist in diesem Fall durch die ersten Abschnitte I und III der ersten 5a und zweiten 5b Anschlussleitungen gebildet. Gemäß Fig. 4b, aber nicht notwendigerweise, sind die beiden ersten Abschnitte I und III der beiden Anschlussleitungen 4a und 4b gleich lang. Bei den zweiten Abschnitten II und IV der ersten 4a und zweiten 4b Anschlussleitungen handelt es sich in diesem Fall um, vorzugsweise gleichartig ausgestaltete, Verlängerungsdrähte. Aber auch im Falle der Ausgestaltung gemäß Fig. 4a ist es von Vorteil, wenn der zweite Abschnitt II der ersten Anschlussleitung 5a und die zweite Anschlussleitung 5b gleichartig ausgestaltet sind.
Mittels des Differenz-Temperatursensors 14 kann ein Wärmestrom W im Bereich des Temperatursensors 6 ermittelt werden, welcher in direktem Zusammenhang mit einem auftretenden Temperaturgradienten DT steht. Sowohl mittels Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zumindest einem zweiten Temperatursensor 10 als auch mit einem Differenz-Temperatursensor 14 lassen sich auftretende Temperaturgradienten im vorgebbaren Bereich B demnach unmittelbar experimentell bestimmen. In diesem Falle kann ein Heiz-/Kühlsignal für das Heiz-/Kühlelement 8 passend gesteuert werden, so dass diese Temperaturgradienten DT reduziert oder eliminiert werden. Dieses Vorgehen verbessert die Messgenauigkeit der Vorrichtung erheblich. Alternativ ist es aber auch möglich, den Temperaturgradienten anhand einer Formel oder hinterlegter Referenzkurven zu ermitteln oder abzuschätzen.
Fig. 5 betrifft schließlich zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen 1 in Form von thermischen Durchflussmessgeräten. In Fig. 5a ist ein thermisches Durchflussmessgerät 1 gezeigt, welches analog zu der Vorrichtung 1 in Form eines Thermometers aus Fig. 2 einen ersten Temperatursensor 6 mit Anschlussleitungen 5 [hier beispielhaft zwei Anschlussleitungen; die Anzahl kann von Ausgestaltung zu Ausgestaltung variieren], ein Heiz-/Kühlelement 8 mit Anschlussleitungen 9 umfasst. Darüber hinaus ist zudem eine Heizeinheit 15 vorgesehen, welcher über die Anschlussleitungen 16 elektrische kontaktiert ist. Das Heiz-/Kühlelement 8 dient zu Reduzierung bzw. Eliminierung des Einflusses von unerwünschter Wärmeleitung, während die Heizeinheit 15 zur Bestimmung des Durchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit gemäß des bereits erläuterten thermischen Messprinzips ermittelbar ist. Auch wenn Fig. 5a eine nicht- invasive Ausgestaltung der Vorrichtung 1 betrifft, kann eine derartige Ausgestaltung sowohl für eine invasive als auch eine nicht-invasive Bestimmung des Durchflusses, insbesondere eines Volumen- oder Massedurchflusses, oder der Durchflussgeschwindigkeit dienen. Optional kann die Vorrichtung 1 zudem über eine thermische Isolation 16 verfügen, welche eine thermische Abschirmung der Vorrichtung 1 , zumindest des ersten Temperatursensors 6 und der Heizeinheit 15, gegenüber der Umgebung bewirkt.
Während bei der in Fig. 5a gezeigten Ausgestaltung eine Längsachse Lv der Vorrichtung 1 senkrecht zu einer Längsachse LB des Behältnisses 2 verläuft, ist im Falle von Fig. 5b die Längsachse Lv der Vorrichtung 1 parallel zur Längsachse LB des Behältnisses 2 ausgerichtet.
Auch Vorrichtungen 1 in Form von thermischen Durchflussmessgeräten können zusätzlich über einen zweiten Temperatursensor 10 oder einen Differenz-
Temperatursensor 14 verfügen. Dann ist es von Vorteil, wenn ein Heizsignal für das Heiz- /Kühlelement während der Erfassung von Messwerten zur Bestimmung des Durchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit konstant bleibt. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn in einem ersten Betriebsmodus ein geeignetes Heiz-/Kühlsignal für das Heiz- /Kühlelement ermittelt wird, beispielsweise in Abhängigkeit eines mittels des ersten 6 und zweiten Temperatursensors 10 oder mittels des Differenz-Temperatursensors 14 ermittelten Differenz-Temperaturwerts. In dieser Hinsicht ist es insbesondere von Vorteil, wenn während des ersten Betriebsmodus die Heizeinheit 16 unbeheizt bleibt. In einem zweiten Betriebsmodus wird dann vorzugsweise das Heiz-/Kühlsignal für das Heiz- /Kühlelement konstant gehalten.
Zusammenfassend kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden, dass nur wenig Wärme über den Messeinsatz 4 an die Umgebung abgeführt wird. Indem der vorgebbare Bereich B, in welchem sich zumindest der erste Temperatursensor 6 und zumindest ein Abschnitt der Anschlussleitungen 5 und ggf. das Heizelement 15 und ein Abschnitt der Anschlussleitungen 16 befinden, geeignet geheizt/gekühlt wird, insbesondere derart, dass ein Temperaturgradient DT in diesem Bereich reduziert bzw. minimiert wird, können hierdurch bedingte Messfehler aufgrund der Wärmeableitung minimiert werden.
Im Falle der Verwendung eines zweiten Temperatursensors 10 oder eines Differenz- Temperatursensors 14 kann ein einfacher Regelkreis bereitgestellt werden, mittels welchem ein Heiz-Kühlsignal für das Heiz-/Kühlelement in Abhängigkeit einer Differenztemperatur des Differenz-Temperatursensors 14 oder einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten 6 und zweiten Temperatursensor 10 eingestellt werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Behältnis 3 Schutzrohr
4 Messeinsatz
5 Anschlussleitungen erster Temperatursensor
6 Erster Temperatursensor
7 Elektronik 8 Heiz-/Kühlelement
9 Anschlussleitungen Heiz-/Kühlelement
10 Zweiter Temperatursensor
11 Anschlussleitungen zweiter Temperatursensor
12 Substrat 13 Widerstandselement
14 Differenz-Temperatursensor
15 Heizeinheit
16 Anschlussleitungen Heiz-/Kühlelement
17 Isolation 18 Gehäuse für Heiz-/Kühlelement; 18a in Form einer Manschette; 18b in Form eines weiteren Messeinsatzes
M Medium
T Temperatur W Wandung des Behältnisses
B vorgebbarer Bereich der Vorrichtung
Z Zentrum des Behältnisses d Abstände zwischen den Temperatursensoren, dem Heiz-/Kühlelement und dem
Zentrum DT Temperaturgradient l,ll Abschnitte der Anschlussleitungen
L Längsachse

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest der Temperatur (T) eines Mediums (M) in einem Behältnis (2), umfassend: einen ersten Temperatursensor (6) zur Erfassung der Temperatur (T), und ein Heiz-/Kühlelement (8) zum Heizen/Kühlen eines vorgebbaren Bereichs (B) der Vorrichtung (1), in welchem Bereich (B) sich insbesondere zumindest der erste Temperatursensor (6) befindet; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperatursensor (6) und das Heiz-/Kühlelement (8) derart angeordnet sind, dass im an/in dem Behältnis angeordneten Zustand der Vorrichtung (1) ein Abstand (di) des ersten Temperatursensors (6) von einem Zentrum (Z) des Behältnisses (2) kleiner ist als ein Abstand (d2) des Heiz- /Kühlelements (8) von dem Zentrum (Z).
2. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zumindest ein Referenzelement zur in situ Kalibrierung und/oder Validierung zumindest des ersten Temperatursensors (6), welches insbesondere auf dem T rägerelement befestigt ist, und welches Referenzelement zumindest teilweise aus zumindest einem Material besteht, für welches Material zumindest im zur Kalibrierung des ersten Temperatursensors (6) relevanten Temperaturbereich zumindest ein Phasenübergang bei zumindest einer vorgegebenen Phasenübergangstemperatur auftritt, für welchen Phasenübergang das Material in der festen Phase verbleibt.
3. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Temperatursensor (6) und das Heiz-/Kühlelement (8) in einem gemeinsamen Messeinsatz (4) angeordnet sind.
4. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche, wobei der erste Temperatursensor (6) in einem Messeinsatz (4) angeordnet ist, und wobei das Heiz-/Kühlelement (8) außerhalb von dem Messeinsatz (4) angeordnet, insbesondere von außen an dem Messeinsatz (4) oder an einem Schutzrohr, in welches der Messeinsatz (4) einbringbar ist, befestigbar, ist.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei zumindest das Heiz-Kühlelement in einem Gehäuse angeordnet ist.
6. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen zweiten Temperatursensor (10), welcher in einem vorgebbaren Abstand (dß) von dem ersten Temperatursensor (6) angeordnet ist.
7. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Temperatursensor (6) ein temperaturempfindliches Sensorelement (13), welches über zumindest eine erste (5a) und eine zweite (5b) Anschlussleitung elektrisch kontaktiert ist, umfasst, wobei die erste Anschlussleitung (5a) in einen ersten und einen zweiten Abschnitt unterteilt ist, wobei der erste dem Sensorelement (13) zugewandte Abschnitt aus einem ersten Material besteht, und wobei der zweite dem Sensorelement (13) abgewandte Abschnitt aus einem zweiten sich von dem ersten unterscheidenden Material besteht, wobei die zweite Anschlussleitung (5b) aus dem zweiten Material besteht, und wobei der erste Abschnitt der ersten Anschlussleitung (5a) und zumindest ein Teil der zweiten Anschlussleitung (5b) einen Differenz-Temperatursensor (14) in Form eines Thermoelements bilden.
8. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Regel-/Steuereinheit (15) zur Regelung oder Steuerung des Heiz-/Kühlelements (8) mittels eines einstellbaren Heiz-/Kühlsignals.
9. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Einheit umfassend zumindest teilweise ein Material mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit, welches insbesondere derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass es zumindest den ersten Temperatursensor (6) zumindest teilweise umgibt.
10. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend ein Koppelelement zur Befestigung an dem Behältnis (2), umfassend einen Grundkörper mit einer Kontaktfläche, welche derart ausgestaltet ist, dass der Grundkörper vermittels der Kontaktfläche flächig an das Behältnis anlegbar ist, wobei der Grundkörper eine Bohrung zur Aufnahme zumindest des Temperatursensors (6) aufweist, und wobei eine Längsachse der Bohrung tangential zu der Kontaktfläche verläuft.
11. Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur (T) mittels einer Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche umfassend folgende Verfahrensschritte: Erfassen einer Temperatur (T) des Mediums (M) mittels eines ersten Temperatursensors (6), und
Heizen oder Kühlen eines vorgebbaren Bereichs (B) der Vorrichtung (1), in welchem Bereich sich zumindest der erste Temperatursensor (6) befindet mittels einer Heiz-/Kühleinheit (8).
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei ein Heiz-/Kühlsignal für das Heiz-/Kühlelement (8) derart gewählt wird, dass ein Temperaturgradient (DT) in dem vorgebbaren Bereich (B) minimiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei das Heiz-/Kühlelement (8) mittels eines einstellbaren Heiz-/Kühlsignals geregelt oder gesteuert wird.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Heiz-/Kühlsignal in Abhängigkeit eines mittels des ersten (6) und zweiten Temperatursensors (10) oder mittels des Differenz-Temperatursensors (14) ermittelten Differenz-Temperaturwerts eingestellt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Heiz-/Kühlsignal so eingestellt wird, dass der mittels des ersten (6) und zweiten Temperatursensors (10) oder mittels des Differenz-Temperatursensors (14) ermittelte Differenz-Temperaturwerts minimiert wird.
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