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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.
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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 Widerstandselementen 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.
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Bei einem Temperatursensor in Form eines Widerstandselements 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.
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Bei Temperatursensoren in Form von Thermoelementen wiederum wird die Temperatur durch eine Thermospannung bestimmt, die zwischen den einseitig angeschlossenen Thermodrähten aus unterschiedlichen Materialien entsteht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Daher liegt der Erfindung die Aufgabe, ein Thermometer zur invasiven Temperaturmessung bereitzustellen, welches sich durch eine hohe Messgenauigkeit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 11.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem Temperatursensor um ein Widerstandselement oder um ein Thermoelement handelt.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß einer weiteren 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.
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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.
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In einer weiteren 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.
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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.
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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.
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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.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Temperatursensor auf den Kern aufgelötet oder aufgeklebt, insbesondere auf der dem ersten Endbereich gegenüberliegenden Seite des Kerns.
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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.
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Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: ein Thermometer zur nicht invasiven Temperaturmessung nach Stand der Technik;
- 2: einen Manteldraht für ein erfindungsgemäßes Thermometer;
- 3: eine erste Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Thermometer mit einer aus einem Manteldraht gefertigten Hülse;
- 4: eine zweite Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Thermometer, wobei die Hülse ein Anschlusselement aufweist; und
- 5: eine dritte Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Thermometer, wobei die Hülse abschnittsweise kernfrei ist.
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In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
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In 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 W der Rohrleitung 2 aufgesetzt.
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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.
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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.
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Um diesen Problematiken geeignet zu begegnen, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Manteldraht 7 verwendet, wie er in 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.
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Eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Thermometers 1 zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur T eines Mediums M in einem Behältnis 2 ist in 3 gezeigt. Wie bei 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.
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Das Thermometer 1 aus 3 weist eine Hülse 10 auf, welche hier vollständig aus einem Manteldraht 7 gefertigt ist. In einem ersten, dem Behältnis 2 zugewandten, Endbereich E1 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 E1 abgewandten Bereich B an dem Kern 8 befestigt. Beispielsweise kann der Temperatursensor 5 auf den Kern 8 aufgelötet oder aufgeklebt sein.
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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.
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Für die in 4 gezeigte Ausgestaltung ist die Hülse in einem ersten Abschnitt A1 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.
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Die in 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.
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Eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist Gegenstand von 5. Für diese Ausgestaltung ist der Manteldraht (7) im dem ersten Endbereich E1 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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- E1, E2
- Endbereiche
- A1, A2
- Abschnitte
- B
- Bereich, in welchem der Temperatursensor angeordnet ist
- T
- Teilbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014118206 A1 [0008]
- DE 102015113237 A1 [0008]
- US 5382093 [0009]
- US 2016/0047697 A1 [0010]
- DE 102005040699 B3 [0010]
- EP 3230704 B1 [0010]
- EP 2038625 B1 [0010]