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Die Erfindung betrifft eine Temperaturmessvorrichtung zur Messung der Temperatur eines in einer Rohrleitung befindlichen Mediums mit mindestens einem über eine Sensorzuleitung kontaktierten Temperatursensor zur Wandlung von Temperatur in eine elektrische Größe und mit einem Sensorträger zur Aufnahme des Temperatursensors und zur Anordnung an der Rohrleitung. Dabei ist der Sensorträger zwischen einem ersten und einem zweiten Flansch einer Flanschverbindung der Rohrleitung anordenbar und mit dem ersten und dem zweiten Flansch verbindbar. Weiterhin stehen der Sensorträger und der Temperatursensor mittelbar über den Sensorträger mit dem Medium in Kontakt. Zudem ist der Temperatursensor in einer Sensorausnehmung im Sensorträger angeordnet.
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In einer Vielzahl von Anwendungen stellen die Temperaturen von in Rohrleitungen befindlichen Medien eine kontinuierlich zu überwachende Prozessgröße dar. Als Beispiele seien hier der die Dampfturbinen in Kraftwerken antreibende hochgespannte Dampf und flüssige und gasförmige Medien in der chemischen- und petrochemischen Industrie genannt. Die Anforderungen an die Messqualität der Temperaturmessvorrichtungen sind ein geringer systematischer Temperaturmessfehler und eine geringe Messverzögerungszeit. Der systematische Temperaturmessfehler ist der Unterschied zwischen der Temperatur des Mediums und der Temperatur des Temperatursensors, der durch den Wärmewiderstand zwischen dem Medium und dem Temperatursensor verursacht ist. Die Messverzögerungszeit ist die Verzögerungszeit zwischen einer Temperaturänderung des Mediums und der daraus folgenden Temperaturänderung des Temperatursensors, die durch die Wärmekapazität zwischen dem Medium und dem Temperatursensor verursacht ist.
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Aus dem Stand der Technik sind zwei Arten der eingangs erwähnten Temperaturmessvorrichtungen bekannt, die sich grundlegend voneinander unterscheiden. Bei der ersten Art Temperaturmessvorrichtung ist der Sensorträger ein an einem Ende geschlossenes Hüllrohr, in dem der Temperatursensor in der Nähe des geschlossenen Endes angeordnet ist. Zur Installation des Hüllrohrs ist in der Wandung der Rohrleitung eine Öffnung zum Durchführen des Hüllrohrs, eine Dichtvorrichtung zur Abdichtung zwischen dem Hüllrohr und der Öffnung gegen ein Austreten des Mediums und an der Öffnung eine Befestigungsvorrichtung zur mechanischen Fixierung des Hüllrohrs vorgesehen. Das Hüllrohr ragt durch die Öffnung in den Innenraum der Rohrleitung, so dass es zumindest mit dem geshlossenen Ende mit dem Medium in Kontakt steht und wird von diesem umströmt wird. Das Umströmen ist einerseits vorteilhaft für die Temperaturmessung, bedeutet aber auch eine Erhöhung des Strömungswiderstands des Mediums in der Rohrleitung. Für gewöhnlich ist das Hüllrohr aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt und weist eine geringe Wandungsstärke auf, um den Wärmewiderstand und die Wärmekapazität zu minimieren. Daneben ist der Temperatursensor für gewöhnlich dort in Kontakt mit dem Hüllrohr, wo auch das Hüllrohr mit dem Medium in Kontakt ist und der Kontakt zwischen dem Temperatursensor und dem Hüllrohr ist durch ein Medium mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt.
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Bei der zweiten Art Temperaturmessvorrichtung ist der mit dem Temperatursensor versehene Sensorträger auf der Außenseite der Rohrleitung angeordnet. Vorzugsweise ist der Temperatursensor mittelbar über ein Medium mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Kontakt mit der Rohrleitung, um den Wärmewiderstand zwischen der Außenseite der Rohrleitung und dem Temperatursensor möglichst gering zu halten. Die Fixierung des Sensorträgers auf der Rohrleitung kann beispielsweise durch einen Kleber oder durch eine auf der Rohrleitung vorgesehene Befestigungsvorrichtung erfolgen. Weist die Außenseite der Rohrleitung eine thermische Isolation auf, ist diese zu entfernen, damit der Sensorträger auf der Außenseite der Rohrleitung angeordnet werden kann. Eine Anordnung des Sensorträgers auf der thermischen Isolation würde zu einem beträchtlichen Wärmewiderstand zwischen der Außenseite der Rohrleitung und dem Temperatursensor führen.
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Für gewöhnlich sind der systematische Temperaturmessfehler und die Messverzögerungszeit der zweiten Axt Temperaturmessvorrichtung höher als die der ersten Art Temperaturmessvorrichtung, da der Wärmewiderstand und die Wärmekapazität der zweiten Art Temperaturmessvorrichtung größer als die der ersten Art Temperaturmessvorrichtung sind. Ursache hierfür ist die im Vergleich zur Wandungsstärke des Hüllrohrs größere Wandungsstärke der Rohrleitung, die aufgrund der mechanischen Beanspruchung der Rohrleitung erforderlich ist. Hinzu kommt, dass insbesondere die mechanischen Beanspruchungen der Rohrleitung bei der Auswahl des Materials für die Rohrleitung zu berücksichtigen sind, weshalb das Material eine Kompromiss unter anderen zwischen mechanischen und thermischen Eigenschaften ist, wobei den mechanischen Eigenschaften für gewöhnlich die höhere Bedeutung zugesprochen wird.
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Der Aufwand und die Kosten, die Rohrleitung für die Installation der Temperaturmessvorrichtung der ersten Art vorzubereiten, übersteigen den Aufwand und die Kosten, die Rohrleitung für die Installation, der Temperaturmessvorrichtung der zweiten Art vorzubereiten, deutlich, da für die Temperaturmessvorrichtung der ersten Art die Rohrleitung sowohl mit einer Öffnung zum Durchführen des Hüllrohrs als auch mit einer Dichtungsvorrichtung und mit einer Befestigungsvorrichtung an der Öffnung zur mechanischen Fixierung des Hüllrohrs zu versehen ist.
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Eine gattungsgemäße Temperaturmessvorrichtung beschreibt die
DE 600 24 283 T2 . Dabei wird eine Durchflussplatte zur Aufnahme eines Temperatursensors verwendet, die eine kreisförmige Verengung der Rohrleitung bewirkt. Hierdurch ergeben sich als Nachteil eine Beeinflussung des zu messenden Mediums und eine Erhöhung des Strömungswiderstands.
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Die Patentschrift
DE 33 28 844 C2 offenbart eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines in einer Rohrleitung strömenden Mediums, wobei ein Thermoelement auf dem trichterförmigen Teil eines den Durchmesser der Rohrleitung verengenden Körpers liegt. Der Sensorträger ragt daher ebenfalls in die Rohrleitung hinein und das Thermoelement ist direkt dem Medium ausgesetzt.
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Eine Anordnung, bei der ein von einer Isolierung umgebenes Temperaturmesselement auf der Außenseite eines Rohrstücks befestigt ist, zeigt die Offenlegungsschrift
DE 26 45 626 A1 .
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Der Offenlegungsschrift
WO 2008/003280 A1 lassen sich zwei unterschiedliche Ausgestaltungen von Temperaturmessvorrichtungen entnehmen. Vorgesehen ist jeweils ein Rohrstück, in das ein Fühlkopf eingelassen ist und das dazu ausgestaltet ist, zwischen zwei Rohrleitungen eingefügt zu werden. In einer Ausgestaltung ist der Fühlkopf in einer Hervorhebung eingebettet, die in das Medium hineinragt. In einer alternativen Ausgestaltung ist der Fühlkopf vollständig in der Rohrwandung eingeschlossen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Angabe einer Temperaturmessvorrichtung mit im Vergleich zur ersten Art Temperaturmessvorrichtung geringerem Installationsaufwand und geringeren Installationskosten und gleichzeitig im Vergleich zur zweiten Art Temperaturmessvorrichtung geringerem systematischen Temperaturmessfehler und geringerer Messverzögerungszeit.
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Die erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung, bei der die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger ringförmig ist, dass der Innenquerschnitt des Sensorträgers größer oder gleich dem Innenquerschnitt der Rohrleitung ist, dass mehrere in Sensorausnehmungen angeordnete und jeweils über eine Sensorzuleitung kontaktierte Temperatursensoren vorgesehen sind, dass im Sensorträger eine Zuleitungsausnehmung zur Aufnahme der Sensorzuleitungen vorgesehen ist, dass die Zuleitungsausnehmung eine konzentrische Nut um den Mittelpunkt des ringförmigen Sensorträgers ist und dass die Zuleitungsausnehmung die Sensorausnehmungen schneidet. Zur Installation der erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung ist es lediglich erforderlich, die bestehende Flanschverbindung zu lösen, die erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung zwischen dem ersten Flansch und dem zweiten Flansch anzuordnen und die Flanschverbindung wieder zu schließen. Im Gegensatz dazu ist der Installationsaufwand der aus dem Stand der Technik bekannten sowohl ersten Art als auch zweiten Art Temperaturmessvorrichtung wesentlich aufwendiger.
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Indem der Sensorträger mit dem Medium in Kontakt steht und die Temperatursensoren mittelbar über den Sensorträger in Kontakt mit dem Medium stehen, sind sowohl der Wärmewiderstand als auch die Wärmkapazität zwischen den Temperatursensoren und dem Medium gering. Infolge dessen sind der systematische Temperaturmessfehler und die Messverzögerungszeit geringer als bei der aus dem Stand der Technik bekannten zweiten Art Temperaturmessvorrichtung. Die erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung vereint demnach die im Stand der Technik unvereinbaren Vorteile der ersten Art Temperaturmessvorrichtung und der zweiten Art Temperaturmessvorrichtung.
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Für gewöhnlich ist zwischen dem ersten Flansch und dem zweiten Flansch der Flanschverbindung eine Flanschdichtung angeordnet, welche im verbundenen Zustand der Flanschverbindung durch den ersten Flansch und den zweiten Flansch zusammengepresst ist und auf diese Weise die Dichtwirkung entsteht. In einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht die Breite des Sensorträgers der Breite der Flanschdichtung und der Sensorträger dichtet sowohl zum ersten Flansch als auch zum zweiten Flansch im verbundenen Zustand des Sensorträgers mit dem ersten Flansch und dem zweiten Flansch ab. Mit diesem Sensorträger ist es möglich, auf einfache Weise Temperaturmessvorrichtungen in bestehenden Rohrleitungssystemen, die über Flanschverbindungen verfügen, kostengünstig nachzurüsten. Es ist lediglich die Flanschverbindung zu lösen, die Flanschdichtung gegen eine erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung auszutauschen und die Flanschverbindung wieder zu schließen. Ein derart einfaches Nachrüsten mit aus dem genannten Stand der Technik bekannten Temperaturmessvorrichtungen ist nicht möglich.
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Die Sensorausnehmungen im Sensorträger können z. B. gefräste Nuten sein, in welche die Temperatursensoren eingebracht sind, oder die Sensorausnehmungen können gebohrte Löcher sein, in welche die Temperatursensoren eingeführt sind. Als Temperatursensor bietet sich ein elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert eine Funktion der Temperatur ist, oder ein Thermoelement an. Zur Verringerung des Wärmwiderstands zwischen Sensorträger und Temperatursensor können die Temperatursensoren mit dem Sensorträger vergossen sein. Dafür bietet sich eine Vergussmasse mit einer guten Wärmeleitfähigkeit an. Weiterhin bietet es sich an, die Temperatursensoren im Sensorträger zur Reduktion von Wärmekapazität und Wärmewiderstand in unmittelbarer Nähe zum Medium anzuordnen. Die Wärmekapazität und der Wärmewiderstand in diesem Zusammenhang beziehen sich auf den Bereich zwischen Temperatursensor und dem Medium, dessen Temperatur zu messen ist. So können die Bohrung oder die Nut in dem Sensorträger unmittelbar vor der Fläche des Sensorträgers enden, die in Kontakt mit dem Medium steht. Eine weitere Reduktion des Wärmewiderstands ist möglich, indem das Material des Sensorträgers zumindest zwischen Temperatursensor und Medium eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Z. B. können die Nut oder die Bohrung bis zum Medium durchgeführt sein und dann durch einen Stopfen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, wieder in unmittelbarer Nähe zum Medium verschlossen sein. Die Anordnung des Temperatursensors empfiehlt sich dann auf diesem Stopfen. Der Verguss kann nicht nur zur Reduktion des thermischen Widerstandes, sondern auch zur mechanischen Fixierung des Temperatursensors im Sensorträger eingesetzt sein.
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Die Zuleitungsausnehmung im Sensorträger kann beispielsweise eine gefräste Nut sein. Für gewöhnlich wird zunächst jeweils der Temperatursensor in der Sensorausnehmung und anschließend die Sensorzuleitung in der Zuleitungsausnehmung angeordnet. Zur mechanischen Fixierung der Sensorzuleitung und zur Abdeckung der Zuleitungsausnehmung kann eine Zuleitungsabdeckung vorgesehen und an der Zuleitungsausnehmung angeordnet sein. Die mechanische Fixierung der Sensorzuleitung vereinfacht die Handhabung der Temperaturmessvorrichtung und die Abdeckung der Sensorzuleitung verhindert ein Eindringen von Verunreinigungen in die Zuleitungsausnehmung und eine Beschädigung der Sensorzuleitung durch mechanische Einwirkungen. Auf besonders vorteilhafte Weise kann die mechanische Fixierung der Sensorzuleitung durch die Zuleitungsabdeckung erfolgen, indem die Zuleitungsabdeckung durch einen der beiden Flansche im verbundenen Zustand der Flanschverbindung in die Zuleitungsausnehmung gepresst ist.
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Indem der Innenquerschnitt des Sensorträgers größer oder gleich dem Innenquerschnitt der Rohrleitung ist, wird der Strömungswiderstand des Mediums in der Rohrleitung durch den Sensorträger nicht negativ beeinflusst. Das steht im Gegensatz zur aus dem Stand der Technik bekannten ersten Art Temperaturmessvorrichtung, bei der das Hüllrohr in das Medium ragt und auf diese Weise den Strömungswiderstand vergrößert.
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In einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung umfassen die Materialien des Sensorträgers Kupfer und/oder Aluminium und/oder Teflon. Sowohl Kupfer als auch Aluminium zeichnen sich durch eine vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit aus, wobei sich Aluminium noch durch eine einfache Bearbeitbarkeit auszeichnet. Zur Abdichtung des Sensorträgers zum ersten Flansch und zum zweiten Flansch können zwei ringförmige Dichtungen auf dem Sensorträger angeordnet sein. Dabei ist eine ringförmige Dichtung zwischen dem Sensorträger und dem ersten Flansch und eine ringförmige Dichtung zwischen dem Sensorträger und dem zweiten Flansch angeordnet.
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Im Einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung weiterzubilden und auszugestalten. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung zeigen
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1 die Temperaturmessvorrichtung zwischen einem ersten Flansch und einem zweiten Flansch einer Rohrleitung angeordnet,
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2 die Temperaturmessvorrichtung aus 1 in perspektivischer Darstellung und
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3 die Temperaturmessvorrichtung aus 2 in geschnittener Aufsicht.
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1 zeigt eine Temperaturmessvorrichtung 1, welche die Temperatur des in einer Rohrleitung 2 befindlichen Mediums misst. Die Temperatur ist über vier Sensorzuleitungen 3 auslesbar, wobei jede Sensorzuleitung 3 mit einem Temperatursensor 4 elektrisch kontaktiert ist, siehe 2 und 3. Die Temperatursensoren 4 und die Sensorzuleitungen 3 sind in einem aus Aluminium bestehenden Sensorträger 5 angeordnet, wobei es sich bei den Temperatursensoren 4 um elektrische Widerstände handelt, deren Widerstand abhängig von der Temperatur ist.
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Die Rohrleitung 2 weist einen ersten Flansch 6 und einen zweiten Flansch 7 auf, die Teil einer Flanschverbindung 8 sind. Die Verbindung des ersten Flansches 6 und des zweiten Flansches 7 erfolgt durch Schraubverbindungen. Für die Schraubverbindungen sind in dem ersten Flansch 6 und in dem zweiten Flansch 7 mehrere deckungsgleiche Bohrungen vorgesehen. In die Bohrungen werden Schrauben eingeführt und mit Muttern festgezogen, wobei weder Schrauben noch Muttern in 1 eingezeichnet sind.
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Die Grundform des Sensorträgers 5 ist kreisringförmig und der Sensorträger 5 weist zwei planparallele Seiten auf, siehe 2. Der Innendurchmesser des Sensorträgers 5 entspricht dem Innendurchmesser der Rohrleitung 2. Durch die gleichen Innnendurchmesser der Rohrleitung 2 und des Sensorträgers 5 wird der Strömungswiderstand des Mediums in der Rohrleitung 2 durch die Temperaturmessvorrichtung 1 nicht vergrößert. Der Sensorträger 5 ist mit den planparallelen Seiten zwischen dem ersten Flansch 6 und dem zweiten Flansch 7 der Rohrleitung 2 angeordnet, siehe 1. Verdeckt durch den ersten Flansch 6 und den zweiten Flansch 7 sind zwei ringförmige Dichtungen zur Abdichtung des Sensorträgers 5 mit dem ersten Flansch 6 und zur Abdichtung des Sensorträgers 5 mit dem zweiten Flansch 7. Der Sensorträger 5 weist zur Befestigung Bohrungen auf, die deckungsgleich mit den Bohrungen in dem ersten Flansch 6 und dem zweiten Flansch 7 sind. Die Schrauben werden nun durch die Bohrungen in dem ersten Flansch 6, dem Sensorträger 5 und dem zweiten Flansch 7 geführt. Durch das Festziehen der Schrauben entsteht die in Bezug auf das Medium dichte Verbindung des erstens Flansches 6 mit der Temperaturmessvorrichtung 1 und des zweiten Flansches 7 mit der Temperaturmessvorrichtung 1. An der Flanschverbindung 8 selbst sind demnach zur Installation der Temperaturmessvorrichtung 1 keine Änderungen erforderlich. Der Außendurchmesser des Sensorträgers 5 ist gleich dem Durchmesser der Flansche 6, 7.
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3 zeigt die in den Sensorausnehmungen 9 angeordneten Temperatursensoren 4. Die Sensorausnehmungen 9 sind konzentrische Bohrungen in Richtung auf das Zentrum des Sensorträgers 5, wobei die Temperatursensoren 4 an den Enden der Bohrungen angeordnet sind. Die Sensorausnehmungen 9 enden unmittelbar vor der Fläche des Sensorträgers 5, welche an das Medium grenzt. Die zum Medium verbleibende Materialstärke des Sensorträgers 5 ist derart bemessen, dass das Material den wirkenden Belastungen, zum Beispiel dem Druck des Mediums in der Rohrleitung, dauerhaft standhält. Auf diese Weise sind die Temperatursensoren 4 in unmittelbarer Nähe zum Medium angeordnet, wodurch die Wärmekapazität und der Wärmewiderstand zwischen Temperatursensoren 4 und dem Medium minimal sind. Die Temperatursensoren 4 sind in den Sensorausnehmungen 9 zur mechanischen Fixierung und zur Reduktion des Wärmewiderstandes vergossen, wobei die Vergussmasse nicht sichtbar ist.
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Zur Aufnahme der Sensorzuleitungen 3 ist in dem Sensorträger 5 eine um den Mittelpunkt des ringförmigen Sensorträgers 5 konzentrische Nut als Zuleitungsausnehmung 10 vorgesehen, siehe 2. Die Zuleitungsausnehmung 10 schneidet dabei die als Sensorausnehmungen 9 dienenden Bohrungen. Die Sensorzuleitungen 3 sind zunächst aus den Sensorausnehmungen 9 herausgeführt, siehe 3, und dann weitergeführt durch die Zuleitungsausnehmung 10 hin zu weiteren Öffnungen in dem Sensorträger 5 zum Herausführen aus der Temperaturmessvorrichtung 1, siehe 2. Die Zuleitungsausnehmung 10 ist durch eine ringförmige und förmlich an die Nut angepasste elastische Zuleitungsabdeckung 11 abgedeckt, welche auch die Sensorzuleitungen 3 in der Zuleitungsausnehmung 10 mechanisch fixiert. Die mechanische Fixierung erfolgt dabei durch das Pressen der Zuleitungsabdeckung 11 in die Zuleitungsausnehmung 10 bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Sensorträgers 5 zwischen dem ersten Flansch 6 und dem zweiten Flansch 7. Dabei ist die Kraft auf die Sensorzuleitungen 3 durch die Elastizität der Zuleitungsabdeckung 11 begrenzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperaturmessvorrichtung
- 2
- Rohrleitung
- 3
- Sensorzuleitung
- 4
- Temperatursensor
- 5
- Sensorträger
- 6
- erster Flansch
- 7
- zweiter Flansch
- 8
- Flanschverbindung
- 9
- Sensorausnehmung
- 10
- Zuleitungsausnehmung
- 11
- Zuleitungsabdeckung