DE202009018134U1

DE202009018134U1 - Thermometer (II)

Info

Publication number: DE202009018134U1
Application number: DE202009018134U
Authority: DE
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2019-09-02

Abstract

Thermometer mit mindestens einem am Ende eines Trägerkörpers (1) angeordneten Temperatursensor (2) zur Umsetzung einer Temperatur in ein elektrisches Messsignal, das durch elektrische Anschlussleitungen abgreifbar ist, die an einen Messumformer (3) geführt sind, der am entgegengesetzten Ende des Trägerkörpers (1) angeordnet ist, wobei der Trägerkörper (1) teilweise mit seinem sensortragenden Ende durch eine Gefäßwand (8) in ein Prozessgefäß (5) hineinragt, während der den Messumformer (3) tragende Teil aus dem Prozessgefäß (5) heraussteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoelektrischer Generator (7) mit einem entlang des Trägerkörpers (1) verlaufenden thermischen Kurzschlusselement (9) verbunden ist, das zwischen einer örtlichen ersten Zone und einer örtlichen zweiten Zone angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Thermometer mit mindestens einem auf einem Trägerkörper angeordneten thermischen Messelement zur Umsetzung einer Temperatur in ein elektrisches Messsignal, das durch elektrische Anschlussleitungen abgreifbar ist.
Derartige Thermometer weisen mindestens einen Temperatursensor auf, welcher als Messeffekt vor allem die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes bestimmter Materialien nutzen, werden in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt. So finden sich Temperatursensoren der hier interessierenden Art unter anderem in der Lüftungs- und Klimatechnik oder in der Verfahrenstechnik zur Messung der Temperatur strömender Fluide. Hier werden Temperatursensoren mit Schutzrohr vor allem im Behälter- und Rohrleitungsbau eingesetzt.
Eine steuerungstechnische Anbindung wird meist über Bussysteme, wie FOUNDATION Field Bus, PROFIBUS PA oder HART durchgeführt. Neben den am meisten verbreiteten Widerstandselementen als thermische Messelemente existieren auch andere Thermoelemente, welche die Temperatur in ein elektrisches Signal umsetzen. Üblicherweise wird das elektrische Signal des thermischen Messelementes in einen Transmitter durch elektronische Mittel in ein Normsignal transformiert und an die übergeordnete Steuerung weitergeleitet.
Aus der DE 38 12 195 A1 geht ein gattungsgemäßer Temperatursensor hervor. Ein rohrförmiger Trägerkörper ist von einer Folie umgeben, auf welcher in Umfangsrichtung mäanderförmig eine Leiterbahn aufgedruckt ist. Während der rohrförmige Trägerkörper aus Keramik besteht, ist die aufgedruckte Leiterbahn aus Platin. Die Leiterbahnstruktur ist durch eine elektrisch isolierende Glasur geschützt. Der rohrförmige Trägerkörper mit dem thermischen Messelement ist in einem rohrförmigen Gehäuse über Abstandhalter zur Innenwandung desselben geschützt untergebracht. Die Temperatur eines das thermische Messelement umströmenden Mediums wird hierauf übertragen. Diese Temperatur wird durch Messen des Widerstandes der Leiterbahn ermittelt.
Für den Betrieb eines derartigen Temperatursensors wird eine elektrische Spannungsversorgung benötigt. Ist der Temperatursensor an einem Datenbus angeschlossen, so kann diese Spannungsversorgung über die eingesetzten Messleitungen per Datenbus erfolgen. Ansonsten sind separate Spannungsversorgungsmodule, welche mit einem externen elektrischen Stromnetz verbunden sind, erforderlich. Ist ein autonomer Betrieb des Temperatursensors gewünscht, so kommen hierfür meist wiederaufladbare Batterien zum Einsatz.
Nachteilig bei einer Spannungsversorgung über Messleitungen eines Datenbusses ist der hiermit verbundene Verkabelungsaufwand und insbesondere ist die entnehmbare Leistung bei herkömmlichen Datenbussen auf nur einige Milliwatt beschränkt. Wird einen Verkabelungsaufwand vermeidend stattdessen auf lokale Batterien zurückgegriffen, so erweist sich eine begrenzte Batteriekapazität und der Aufwand für die Überwachung und Austausch gebrauchter Batterien als hinderlich.
In der DE 10 2005 059 759 A1 ist ein Energiegenerator als Alarmsensor beschrieben, bei dem ein Temperatursensor unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts zur Energieerzeugung verwendet wird, wobei der Energiegenerator den Messwandler selbst darstellt und die erzeugte Energie ein Maß für die Messgröße ist.
Aus der DE 10 2006 005 596 B4 ist ein Dünnschicht-Thermoelement bekannt, das aus einer Mehrzahl von Thermopaaren aufgebaut und zur thermoelektrischen Energiewandlung in Thermogeneratoren geeignet ist.
Der DE 696 10 516 T2 ist ein thermoelektrischer Leistungsgenerator entnehmbar, der eine Vielzahl von Thermoelementen in Serienschaltung aufweist.
In der US 3,751,798 ist ein Herstellungsverfahren für eine Thermosäule auf Folien verschiedener Materialien beschrieben, die unter Berücksichtigung von Ausschnitten zusammengefügt werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Thermometer mit einem Temperatursensor für industrielle Anwendungen zu schaffen, welcher in technisch einfacher Weise mit einer zuverlässigen autonomen Spannungsversorgung ausgestattet ist.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Thermometer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung geht aus von einem für sich bekannten Thermometer mit mindestens einem am Ende eines Trägerkörpers angeordneten Temperatursensor zur Umsetzung einer Temperatur in ein elektrisches Messsignal, das durch elektrische Anschlussleitungen abgreifbar ist. Die Anschlussleitungen sind an einen Messumformer geführt, der am entgegengesetzten Ende des Trägerkörpers angeordnet ist. Der Trägerkörper ragt teilweise, mit seinem sensortragenden Ende durch eine Gefäßwand in ein Prozessgefäß hinein, während der den Messumformer tragende Teil aus dem Prozessgefäß heraussteht.
Erfindungsgemäß weist das Thermometer zu seiner Spannungsversorgung einen für sich bekannten thermoelektrischen Generator zum Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie auf, der mit einem sich entlang des Trägerkörpers erstreckenden thermischen Kurzschlusselement verbunden ist. Ein thermoelektrischer Generator wandelt Wärme direkt in elektrische Energie um. Das thermische Kurzschlusselement ist in Längsrichtung des Trägerkörpers zwischen einer örtlichen ersten Zone und einer örtlichen zweiten Zone angeordnet, zwischen denen eine den Energieumwandlungseffekt bewirkende Temperaturdifferenz herrscht. Je höher die hierdurch erzielbare Temperaturdifferenz ist, umso höher ist der Wirkungsgrad einer elektrischen Spannungserzeugung.
Derartige thermoelektrische Generatoren nutzen den sogenannten Seebeck-Effekt, bei welchem eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters zwischen diesen eine elektrische Spannung hervorruft, oder das Thermotunneling-Verfahren, bei dem zwei Metalle durch einen minimalen luftleeren Spalt voneinander getrennt werden. Dabei ist der Vakuum-Spalt jedoch nur so breit, dass einzelne Elektronen über diesen Spalt quantenmechanisch „tunneln” können, wobei die Wärmeleitung über Gitterschwingungen vollständig unterbunden wird.
Mit Vorteil sind handelsübliche thermoelektrische Generatoren auf der Basis von Halbleitern verwendbar. Grundlage hierbei ist der Kontakt von zwei Halbleitern, die ein unterschiedliches Energieniveau der Leitungsbänder besitzen. Zwischen zwei Punkten, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, entsteht durch Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung, welche durch Thermodiffusionsströme entsteht.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, dass die zum Betrieb des Temperatursensors benötigte elektrische Leistung aus der Umgebung selbst generiert wird. Im Fall autonomer Temperatursensoren können anfällige und wartungsaufwendige Batterielösungen entfallen. Außerdem können durch die Kombination einer Versorgungseinheit aus der Umgebungsenergie mit einer herkömmlichen Versorgung, beispielsweise über Datenbus, mögliche Leistungsengpässe überwunden werden. Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich zu dem platzsparend bei Temperatursensoren herkömmlicher Bauform integrieren.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der thermoelektrische Generator messumformernah außerhalb des Prozessgefäßes angeordnet und das zugeordnete thermische Kurzschlusselement ragt mit dem dem thermoelektrischen Generator abgewandten Ende in das Prozessgefäß hinein. Dadurch wird das gesamte Temperaturgefälle zwischen dem prozessmedial geprägten Inneren des Prozessgefäßes und der Umgebung energetisch an dem thermoelektrischen Generator wirksam. An dem thermoelektrischen Generator wird eine Spannung abgegriffen, aus der der Messumformer sowie der Temperatursensor gespeist werden.
Der Trägerkörper bildet mit dem Messumformer, dem Temperatursensor, dem thermoelektrischen Generator und dem thermische Kurzschlusselement einen wechselbaren Messeinsatz.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Messeinsatz in einem Schutzrohr untergebracht, das den Messeinsatz von dem Prozessmedium in dem Prozessgefäß trennt.
Vorteilhafterweise gestattet die kompakte Bauform einen einfachen Austausch des Messeinsatzes während des Betriebes.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das thermische Kurzschlusselement rohrförmig, den Trägerkörper umgreifend ausgebildet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das thermische Kurzschlusselement mit einer thermischen Isolierschicht umgeben. Diese kann aus einem Kunststoffmaterial bestehen, welches das thermische Kurzschlusselement schlauchförmig umgibt. Hierdurch wird eine Verbesserung des Energieumwandlungseffekts erzielt.
Eine weitere Verbesserung des Messeffekts lässt sich dadurch erzielen, dass der thermoelektrische Generator seitens des Messkopfes mit einem vorzugsweise gerippten Kühlkörper aus Metall bestückt wird. Hierdurch wird die erste Zone der kleineren Temperatur, welche durch die Umgebung gebildet wird, unterstützt.
Während der Messkopf des Temperatursensors dem elektrischen Anschluss des elektrischen Messelements und vorteilhafterweise auch einer Signalaufbereitung dient, ist der Messkörper als ein von dem zu messenden Medium umströmtes Messrohr aus Metall ausgebildet, welches sich vom Messkopf aus vorzugsweise in eine Leitung oder in einen Behälter hinein erstreckt.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt. In der einzigen Figur ist ein Thermometer dargestellt, das im Wesentlichen aus einem rohrförmigen Trägerkörper 1 besteht, der in ein Schutzrohr 10 eintaucht, das durch eine Gefäßwand 8 in ein Prozessgefäß 5 hineinragt. An dem in das Prozessgefäß 5 hineinragenden Ende des Trägerkörpers 1 ist ein Temperatursensor 2 angebracht und mit nicht dargestellten Anschlussleitungen an einen Messumformer 3 angeschlossen, der sich am entgegengesetzten Ende des Trägerkörpers 1 außerhalb des Prozessgefäßes 5 befindet.
Der Messumformer 3 dient der elektrischen Signalaufbereitung und -weiterleitung und enthält insoweit eine – nicht weiter dargestellte – Elektronikeinheit zur Erfüllung dieser Funktion. Innerhalb des Messumformers 3 sorgt die hierin integrierte Elektronikeinheit für die Umwandlung des Messsignals des Temperatursensors 2 in ein Normsignal, das von außen abgreifbar ist.
Zur Energieversorgung des Messumformers 3 und des angeschlossenen Temperatursensors 2 ist ein thermoelektrischer Generator – bevorzugt auf der Basis von Halbleitern – auf dem Trägerkörper 1 angeordnet.
Der thermoelektrische Generator 7 ist nahe dem Messumformer 3 auf einer flanschartigen Erweiterung des Trägerkörpers 1 außerhalb des Prozessgefäßes 5 angeordnet. Die dem Trägerkörper 1 gegenüberliegende Seite des thermoelektrische Generator 7 ist mit thermischen Kurzschlusselement 9 verbunden. Das thermische Kurzschlusselement 9 erstreckt sich in Längsrichtung des Trägerkörpers 1 in das Innere des Prozessgefäßes 5 hinein. Das dem thermoelektrische Generator 7 zugewandte Ende des thermischen Kurzschlußelements 9 ist flanschartig erweitert und liegt flächig auf dem thermoelektrischen Generator 7 auf.
Auf diese Weise verbindet das thermische Kurzschlusselement 9 in Längsrichtung des Trägerkörpers 1 eine örtliche erste Zone, die benachbart zum Messumformer 3 angeordnet ist, mit einer örtlichen zweiten Zone, welche innerhalb des Prozessgefäßes 5 angeordnet ist. Zwischen den beiden Zonen besteht eine Temperaturdifferenz, da die erste Zone ortsnah zum Messumformer 3 angeordnet ist, welcher sich außerhalb des Messmediums befindet, wogegen die zweiten Zone sich im zu messenden Medium befindet, welches eine demgegenüber höhere Temperatur aufweist.
Zur Erhöhung der gewünschten Temperaturdifferenz zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone ist seitens des Messumformers 3 ein aus Leichtmetall bestehender gerippter Kühlkörper 6 aufgebracht.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist das thermische Kurzschlusselement 9 rohrförmig ausgebildet und umgreifend auf dem Trägerkörper 1 befestigt. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann eine thermische Isolationsschicht 11 zwischen dem Trägerkörper 1 und dem thermischen Kurzschlusselement 9 vorgesehen sein, die beide Elemente thermisch voneinander entkoppelt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das thermische Kurzschlusselement 9 teilweise von einer thermischen Isolationsschicht 4 aus Kunststoff überzogen, so dass die beidseitigen Enden frei bleiben und an diesen Stellen die Temperaturdifferenz zwischen dem Messmedium und der Umgebungstemperatur einwirkt.
Bezugszeichenliste

1: Trägerkörper
2: Temperatursensor
3: Messumformer
4, 11: Isolationsschicht
5: Prozessgefäß
6: Kühlkörper
7: Thermoelektrischer Generator
8: Gefäßwand
9: Thermisches Kurzschlusselement
10: Schutzrohr

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3812195 A1 [0004]
DE 102005059759 A1 [0007]
DE 102006005596 B4 [0008]
DE 69610516 T2 [0009]
US 3751798 [0010]

Claims

Thermometer mit mindestens einem am Ende eines Trägerkörpers (1) angeordneten Temperatursensor (2) zur Umsetzung einer Temperatur in ein elektrisches Messsignal, das durch elektrische Anschlussleitungen abgreifbar ist, die an einen Messumformer (3) geführt sind, der am entgegengesetzten Ende des Trägerkörpers (1) angeordnet ist, wobei der Trägerkörper (1) teilweise mit seinem sensortragenden Ende durch eine Gefäßwand (8) in ein Prozessgefäß (5) hineinragt, während der den Messumformer (3) tragende Teil aus dem Prozessgefäß (5) heraussteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoelektrischer Generator (7) mit einem entlang des Trägerkörpers (1) verlaufenden thermischen Kurzschlusselement (9) verbunden ist, das zwischen einer örtlichen ersten Zone und einer örtlichen zweiten Zone angeordnet ist.
Thermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste örtliche Zone außerhalb des Prozessgefäßes (5) und die zweite örtliche Zone innerhalb des Prozessgefäßes (5) angeordnet ist.
Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der thermoelektrische Generator (7) messumformernah in der ersten örtlichen Zone außerhalb des Prozessgefäßes (5) angeordnet ist.
Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass thermische Kurzschlusselement (9) mit dem dem thermoelektrischen Generator (7) abgewandten Ende in das Prozessgefäß (5) hineinragt.
Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrischen Generator (7) zur Spannungsversorgung des Messumformer (3) sowie des Temperatursensors (2) vorgesehen ist.
Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (1) mit dem Messumformer (3), dem Temperatursensor (2) dem thermoelektrischen Generator (7) und dem thermischen Kurzschlusselement (9) einen wechselbaren Messeinsatz bildet.
Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messeinsatz in einem Schutzrohr (10) untergebracht ist, das den Messeinsatz von dem Prozessmedium in dem Prozessgefäß (5) trennt.
Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Kurzschlusselement (9) rohrförmig, den Trägerkörper (1) umgreifend ausgebildet ist.
Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Kurzschlusselement (9) zumindest teilweise mit einer thermischen Isolationsschicht (4) umgeben ist.
Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Kurzschlusselement (9) durch eine thermischen Isolationsschicht (11) von dem Trägerkörper (1) separiert ist.
Thermometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das messumformerseitige Ende des Trägerkörpers (1) mit einem gerippten Kühlkörper (6) aus Metall versehen ist.