具有诊断功能的温度计的制作方法

1.本发明涉及温度计的状态监测。


背景技术：

2.在各种实施例中，温度计是从现有技术中已知的。因此，有温度计使用具有已知膨胀系数的液体、气体或固体的膨胀来测量温度，或者也有其它温度计使材料的电导率或由此衍生的变量与温度相关，所述变量诸如使用电阻元件时的电阻，或在热电偶的情况下的热电效应。另一方面，辐射温度计，特别是高温计使用物质的热辐射来确定物质温度。基本的测量原理已经在各种出版物中进行描述。
3.在呈电阻元件形式的温度传感器的情况下，已知在其他传感器中所谓的薄膜和厚膜传感器以及所谓的热敏电阻(也称为ntc热敏电阻)。在薄膜传感器，特别是电阻温度检测器(rtd)的情况下，例如，使用配备有连接导线并且安装在载体基板上的传感器元件，其中载体基板的背面通常具有金属涂层。例如，将呈铂元件形式的所谓的电阻元件用作传感器元件，此外这些电阻元件也可以在市面上以pt10、pt100和pt1000的名称买到。
4.然而，在呈热电偶形式的温度传感器的情况下，温度由在由不同材料制成的单面连接的热导线之间产生的热电压来确定。根据din标准iec584的热电偶，例如k、j、n、s、r、b、t或e型热电偶通常用作用于温度测量的温度传感器。然而，其它材料对，特别是具有可测量塞贝克效应的那些材料也是可能的。
5.过程自动化中温度计的任务是可靠地并且尽可能准确地确定介质或过程介质的温度。实际上，存在以下问题：在每种情况下使用的温度传感器通过多个热电阻与介质分开。例如，由于温度计的各个组件以及可能由于介质所在的容器(例如，储液罐或管道)而产生这种热电阻。通常，温度传感器是所谓的测量插入件的一部分，所述测量插入件包括外壳元件，所述外壳元件围绕填料和嵌入其中的温度传感器。在这种情况下，例如由于外壳和填料而产生串联热电阻。
6.如果温度计还包括例如保护管，则由于保护管本身以及保护管与测量插入件之间的热耦合而产生另外的串联热电阻。保护管和测量插入件长度的选择对于实现过程介质与环境或温度计之间的热平衡起着决定性的作用。如果保护管和/或测量插入件太短，则可能在温度传感器的区域中出现温度梯度。这种温度梯度一方面取决于介质温度或过程温度(视情况而定)和环境温度的差异。然而，另一方面，温度计的分别使用的组件的热导率、各个组件之间的热耦合以及诸如过程介质的流率等不同过程参数也起着决定性的作用。
7.在温度传感器的区域中出现温度梯度的另一个原因是在温度计上，例如在保护管或测量插入件上，特别是在温度传感器的区域中形成沉积层和/或腐蚀。沉积物的形成或腐蚀的发生导致介质与分别与介质接触的温度计的组件(例如，保护管或外壳元件)之间的热耦合的变化，特别是劣化。
8.在温度计是应用到容器壁的非侵入式温度计的情况下，先前的考虑也类似地适用。
9.无论温度计的实施例如何，在温度传感器的区域中出现的不希望的温度梯度能够导致测量值的显著失真，而与确切原因无关。
10.为了避免测量值的这种失真，例如已知使用三个等距温度传感器来确定真实温度值(klaus irrgang，lothar michalowsky：temperaturespraxis《温度测量实践([temperature measurement practice)》，isbn-13：978380272204)。然而，这种方法需要相对复杂的构造和信号评估。
[0011]
de102014119593a1公开了一种能够沿着连接线来检测温度梯度的温度计。所谓的4导体电路中的电阻元件用作温度传感器。在一条连接导线上，一段连接线由另一种材料代替，使得差分热电偶由此连接线和另一连接线形成。一旦在由两种元件或两种材料组成的连接导线上出现温度梯度，就会产生一个热电压，所述热电压提供关于沿着连接导线的温度梯度的信息。然而，此温度梯度仅与连接导线的延伸方向有关。不能直接说明在温度传感器的区域中直接出现的任何温度梯度。
[0012]
先前未公布的专利申请文件102018116309.6公开了一种温度计，所述温度计包括温度传感器，所述温度传感器具有经由至少第一和第二连接线电接触的温度敏感传感器元件。第一连接线分成第一区段和第二区段，其中面向传感器元件的第一区段由第一材料组成，并且其中背向传感器元件的第二区段由不同于第一材料的第二材料组成，而第二连接线同样由第二材料组成。然后，第一连接线的第一区段和第二连接线的至少一部分形成呈热电偶形式的第一温差传感器，所述第一温差传感器是根据热电原理的热流传感器。以此方式，能够检测在温度传感器的位置处的温度梯度或热流。以下全文参考此申请。


技术实现要素：

[0013]
从在温度传感器区域中的不希望的温度梯度的问题出发，本发明的目的是指定一种具有尽可能高的测量性能，特别是具有高测量精度的温度计。
[0014]
该目的通过根据权利要求1所述的方法实现。有利的实施例分别在从属权利要求中指定。
[0015]
根据本发明的方法是用于通过具有至少一个温度传感器的温度计来确定和/或监测介质温度的方法，所述方法包括以下方法步骤：
[0016]
通过温度传感器来确定介质温度的测量值，
[0017]
确定温度传感器区域中的热流，特别是散热，或与热流相关的变量，以及
[0018]
基于温度传感器区域中的散热模型来确定温度测量值的测量值偏差。
[0019]
因此，根据本发明的方法允许在每种情况下关于能够出现在温度传感器区域中的不希望的温度梯度对通过温度传感器确定的测量值进行校正、调整和/或补偿。在这种情况下，可以在每种情况下输出介质温度的补偿值。关于补偿，能够将具有相反符号的所确定的测量值偏差添加到针对温度而确定的测量值。为了确定测量值偏差，确定温度传感器区域中的热流或与该热流相关的变量，例如从热流导出的变量或表示热流的变量(例如电压)，并且基于合适的模型从其中来确定温度测量值的测量值偏差。能够通过单独的装置或通过用于确定和/或监测温度的温度计来确定热流。
[0020]
在方法的一个实施例中，基于所确定的测量值偏差来确定温度计的状态指示符。因此，在这种情况下，这是一种同样用于监测用于确定和/或监测温度的装置的状态的方
法。状态指示符是关于装置状态(例如，装置区域中的缺陷)的说明。
[0021]
在另外的实施例中，温度计包括具有经由至少第一连接线和第二连接线电接触的温度敏感传感器元件的温度传感器，其中第一连接线分成第一区段和第二区段，其中面向传感器元件的第一区段由第一材料组成，并且其中背向传感器元件的第二区段由不同于第一材料的第二材料组成，其中第二连接线由第二材料组成，并且其中第一连接线的第一区段和第二连接线的至少一部分形成呈热电偶形式的第一温差传感器。因此，方法例如能够通过如先前提到的德国专利申请文件102018116309.6中描述的装置来执行。
[0022]
在这方面，如果热流通过温差传感器来确定则是有利的。在这方面，应指出，在存在多于两条连接线的情况下，对应装置也能够具有多个温差传感器，并且在这种情况下，能够使用一个或多个温差传感器来确定热流。
[0023]
在方法的一个实施例中，通过将所确定的测量值偏差与测量值偏差的参考值相比较来确定状态指示符。例如，参考值能够指测量值偏差的值，其与在温度传感器区域中的结构相关的温度梯度有关。然后，测量值偏差与极限值的偏差允许得出关于在过程中温度计运行期间随时间出现的这种梯度的结论。
[0024]
因此，在这种情况下，优选地当在过程中将温度计投入运行时，如果使用过程、特别地通过实验来确定测量值偏差的参考值则是有利的。
[0025]
如果在所确定的测量值偏差与参考值之间的差超过或低于可预定义的极限值的情况下，做出关于装置状态的说明也是有利的。例如，能够推断过程条件和/或测量条件中的变化。
[0026]
在方法的一个实施例中，在侵入式温度确定和/或监测的情况下，状态指示符是关于安装条件、腐蚀发生或沉积物形成的说明，并且在非侵入式温度确定和/或监测的情况下，状态指示符是关于温度计与包含介质的容器之间的热耦合的说明。
[0027]
然而，还可以设想状态指示符是关于介质的变化或交换、介质流率的变化，或者在已知环境温度的情况下，温度传感器区域中的自热误差的说明。
[0028]
针对装置状态的相应说明可能需要关于过程或过程环境的附加信息。在这方面，例如，了解相应过程的温度区间，即了解过程温度的预期变化、环境温度或另一环境参数、温度计的安装条件(具体来说隔热材料的存在、容器的类型和材料)的变化、具体来说介质的物理和/或化学特性、相应介质类型或相应介质的变化，或介质流率的变化是有用的。
[0029]
对于全面的状态监测，存在多个温差传感器也是有利的，通过这些温差传感器可以对装置区域中的热流进行空间分辨的确定。这也能够特别有助于区分出现温度梯度的多种可能的原因。
[0030]
在一个实施例中，模型是参数模型，所述参数模型具体地包括用于确定测量值偏差的至少一个静态项和一个动态项。
[0031]
另一实施例涉及通过模型，特别地基于模型的至少一个系数，容器上的温度计的至少一个安装条件或装配条件、使用温度计的过程的过程条件、与温度计相关的参数或另一特征变量、介质的另一过程变量，特别是流率、环境条件，特别是环境温度或对温度计的环境影响，或关于介质的信息，特别是介质的物理和/或化学特性被考虑。
[0032]
在另一实施例中，通过分析或数值来确定模型的至少一个系数。例如，能够为相应系数存储适当的公式。为了确定该系数，可能需要输入至少一个测量值，所述测量值也能够
通过用于相应过程的其它测量装置来确定。然而，也能够通过回归或模拟来确定系数的值。
[0033]
在一个实施例中，基于通过参考介质中的参考装置进行的参考测量来确定至少一个系数。在这种情况下，具体来说，能够确定与参考值的偏差。
附图说明
[0034]
基于以下附图更详细地解释本发明。下文示出：
[0035]
图1：根据现有技术的具有呈电阻元件形式的温度传感器的温度计的示意性表示，以及
[0036]
图2：具有用于确定热流的温差传感器的温度计的示例性实施例。
[0037]
在图中，相同的特征使用相同的附图标记来识别。
具体实施方式
[0038]
图1示出了根据现有技术的具有浸渍体2(例如保护管)、测量插入件3和电子模块4的温度计1的示意性表示。测量插入件3被引入到浸渍体2中并且包括在当前情况下包括呈电阻元件形式的温度敏感元件的温度传感器5。温度传感器经由连接线6电接触并且连接到电子模块4。在其它实施例中，电子模块4也能够与测量插入件3和浸渍体2分开布置。另外，传感器元件5不一定是电阻元件，使用的连接线6的数目也不一定是两条。相反，能够根据使用的测量原理和使用的温度传感器适当地选择连接线6的数目。
[0039]
如已经解释的，温度计1的测量精度在很大程度上取决于相应的材料和特别是在温度传感器5的区域中的接触构件，特别是热接触构件。温度传感器5间接地，即经由浸渍体2与介质m热接触。因此，温度传感器5通过多个热电阻与介质m分开。取决于过程条件和/或温度计的相应结构设计，因此，可能至少暂时地和/或部分地在介质m与温度计之间不存在热平衡。由于不存在热平衡，温度梯度δt1或δt2可能例如出现在温度传感器5的区域中或者也可能沿着连接线6出现，由于所产生的热流，所述温度梯度使在每种情况下通过温度传感器5测量的温度值失真。
[0040]
在这种情况下，在温度传感器5的区域中的温度梯度δt1特别重要。因此，本发明能够检测此类温度梯度。这导致温度计的测量精度显著地提高。
[0041]
相同的考虑类似地适用于用于非侵入式确定和/或监测温度的温度计。
[0042]
图2示出了具有用于确定热流的温差传感器t2的温度计的可能示例性实施例。应用于基板8的呈电阻元件7形式的温度传感器t1用于确定和/或监测介质m的温度t。温度传感器t1通过两条连接线9和10电接触，并且因此在所谓的双导体电路中操作。在当前情况下，连接线9和10都直接地附接到电阻元件7。然而，此时应注意，本领域技术人员已知的所有接触方式原则上都可以用于将温度传感器t1连接到连接线9和10。
[0043]
第一连接线9被分成第一区段9a和第二区段9b。第一区段9a由第一材料组成，并且第二区段9b和第二连接线10由不同于第一材料的第二材料组成。以此方式，第一连接线9的第一区段9a和第二连接线10的至少一部分t形成呈热电偶形式的第一温差传感器t2。用于第一连接线9的第一区段9a和第一连接线的第二区段9b以及用于第二连接线10的两种材料以某种方式进行选择，使得由于点a与b之间的温差以及由于热电效应而在区段9a与t中相应地形成的不同热电压，能够通过t2来检测热电压。
[0044]
与第一连接线9的总长度相比，第一连接线9的第一区段9a优选地较短；例如，第一连接线9的第一区段9a的长度在几毫米或几厘米的范围内。以此方式，能够确保通过第一温差传感器t2确定的值尽可能的反映在温度传感器t1的区域中的温度梯度δt1。
[0045]
在图2a所示的实例中，第一连接线9和第二连接线10单独地附接到电阻元件。因此，第一连接线9的第一区段9a和第二连接线10的部分t经由电阻元件7间接地连接。然而，在另一实施例中，第一连接线9的第一区段9a和第二连接线10的部分t还可以直接地彼此连接，然后附接到温度传感器t1。当然，也可以使用本领域技术人员公知的其它温度传感器，而不是此处对于所有附图通过实例示出的具有呈电阻元件7形式的传感器元件的温度传感器t1。
[0046]
在图2b所示的实施例中，第二连接线10也分成第一区段10a和第二区段10b。在这种情况下，通过第一连接线9和第二连接线10的第一区段9a和10a形成第一温差传感器t2。根据图2b，但非必要的，两条连接线9和10的两个第一区段9a和10a具有相同的长度。在这种情况下，第一连接线9和第二连接线10的第二区段9b和10b是延伸导线，优选地是类似设计的延伸导线。然而，在根据图2a的实施例的情况下，如果第一连接线9和第二连接线10的第二区段9b具有类似设计，则也是有利的。
[0047]
通过根据本发明所述的方法，现在通过温差传感器t2来确定热流w，并且提供用于散热的合适模型mod，能够通过所述模型基于温度梯度δt来确定测量值偏差δt。通过测量值偏差δt，能够校正和/或调整由温度传感器t1确定的测量值，即能够补偿测量误差和/或能够执行温度计1的状态监测。
[0048]
对应模型的一种可能性由参数模型给出，其中介质的补偿温度t
ks
由多项组成，例如：
[0049][0050]
此处，k
1-k3是例如能够通过数值、分析或实验确定的模型mod的系数。通过模型mod，能够通过回归∑(t
ks-tm)2→
0来实现静态热测量值偏差和动态热测量值偏差，其中tm对应于介质m的温度，而不受温度传感器区域中的温度梯度的影响。
[0051]
合适模型mod的替代方案是例如其中考虑测量值偏差δt随时间的变化的模型，例如：
[0052][0053]
应指出，除了此处指示的两个示例性模型之外，还能够形成也属于本发明的范围的许多其它模型mod。例如，除了热流之外，表示热流的不同变量，特别是测量到的变量(例如电压)也能够用于模型mod。
[0054]
参考标记列表
[0055]
1温度计
[0056]
2浸渍体
[0057]
3测量插入件
[0058]
4电子模块
[0059]
5传感器元件
[0060]
6连接导线
[0061]
7电阻元件
[0062]
8基板
[0063]9–
10第一、第二连接线
[0064]
9a
–
10a连接线的第一区段
[0065]
9b
–
10b连接线的第二区段
[0066]
m介质
[0067]
t温度
[0068]
t1温度传感器
[0069]
δt1温度梯度
[0070]
t2温差传感器
[0071]
δt测量值偏差
[0072]
tm不具有温度梯度的温度介质m
[0073]
t
ks
补偿温度
[0074]
mod散热模型
[0075]
k,k
1-k3模型mod的系数