具有改进的测量精度的温度计的制作方法

本发明涉及一种用于至少确定和/或监测容器中的介质的温度、流量(例如体积或质量流率)或流速的设备，例如用于自动化技术中的应用。容器可以是例如罐或管道。

背景技术：

1、温度计在现有技术中的各种实施例中是已知的。因此，存在一些温度计，它们用于测量温度，使用具有已知膨胀系数的液体、气体或固体等的膨胀，该膨胀将材料的电导率或由其导出的变量与温度(例如电阻元件应用中的电阻或热电偶情况下的热电效应)相关联。相反，在辐射温度计，尤其是高温计的情况下，利用物质的热辐射来确定其温度。这些测量装置的测量原理在大量出版物中进一步详细描述。

2、在电阻元件形式的温度传感器的情况下，尤其存在所谓的薄膜和厚膜传感器以及所谓的热导体(也称为ntc热敏电阻器)。在薄膜传感器，尤其是电阻温度检测器(rtd)的情况下，例如，使用配备有连接线并施加在基板上的传感器元件，其中支撑基板的背面通常涂覆有金属。用作传感器元件的是所谓的电阻元件，例如以铂元件的形式，其可在商业上以名称pt10、pt100和pt1000获得。

3、在热电偶形式的温度传感器的情况下，温度又由热电压确定，该热电压发生在不同材料的单侧连接的热电偶线之间。作为用于温度测量的温度检测器应用的通常是din标准iec584的热电偶，例如k、j、n、s、r、b、t或e型热电偶。然而，其他材料对也是可能的，尤其是具有可测量的塞贝克效应的材料对。

4、温度测量的精度敏感地取决于特定热接触和每种情况下存在的热传导。热量在介质、介质所在的容器、温度计和工艺环境之间流动，起到决定的作用。为了可靠的温度确定，重要的是温度传感器和介质至少在记录温度所需的特定时间内基本上处于热平衡。温度计用来反应温度变化的时间也称为温度计的响应时间。

5、尤其当温度传感器浸没在所关注的介质中时，可以实现高精度的测量。因此，已知许多温度计，在这种情况下，温度传感器或多或少地直接接触所关注的介质。以这种方式，可以实现介质与温度传感器之间的相对良好的耦合，并且介质的温度与紧邻温度传感器的温度之间的温度梯度相对较小。

6、然而，对于各种工艺和许多容器，尤其是小罐或管道，温度的非侵入式确定是有利的。因此，同样存在一些温度计，它们可以固定在容器上，介质位于该容器中，并且在这种情况下，温度传感器仅间接地接触介质。例如，在de102014118206a1或de102015113237a1中公开了这种装置，也被称为表面温度计或接触传感器。为了确保良好的热耦合，则必须考虑各种附加方面，诸如例如良好的机械特性以及罐和温度计之间的热接触。在接触不足的情况下，精确的温度确定是不可能的。非侵入式温度确定的中心问题通常是从工艺到环境的热传导。在给定的情况下，这导致比将温度传感器直接引入到工艺中的情况下显著更大的测量误差。

7、例如，对于用于确定管道中的介质的流量或流速的基于热测量原理的流量测量装置的情况，也产生类似的问题。这种现场装置通常包括具有至少一个温度传感器和至少一个加热元件或可加热温度传感器的至少两个传感器元件。这些传感器元件既可以引入到管道中，也可以集成在测量管中或测量管上(非侵入式构造)。

技术实现思路

1、从所描述的关于温度传感器的测量精度的热传导问题开始，本发明的目的是提供通过高精度测量来区分的温度确定设备和方法，尤其是用于确定流量或流速的温度计和测量装置。

2、该目的通过一种用于至少确定和/或监测容器中的介质的温度的设备来实现，该设备包括用于记录温度的第一温度传感器和用于加热/冷却设备的可预定区域的加热/冷却元件，至少第一温度传感器位于该可预定区域中。

3、根据本发明，布置第一温度传感器和加热/冷却元件，使得在设备布置在容器上/设备布置在容器中的状态中，第一温度传感器与容器的中心之间的距离小于加热/冷却元件与中心之间的距离。因此，加热/冷却元件布置成比温度传感器更靠近环境。容器例如是罐或管道。取决于容器的实施例，中心可以是容器的中点，例如在罐的情况下，或者是容器中的中心轴线，例如在管道的情况下。

4、设备可以可选地进一步包括电子器件，例如发射器。可替代地，电子器件也可以是能够与设备连接的单独部件。一种选项尤其是使用具有4-20ma电子器件的本发明设备，例如4-20ma发射器。该设备也可以对应地实施为双导体现场装置。

5、此外，取决于实施例，该设备还可以包括其他部件，例如，用于将各个部件固定到容器的壁的固定装置，或者在侵入式温度计的情况下，包括保护管。可能的特别是本发明的设备的使用

6、通过加热/冷却元件，介质和环境之间的热传导效应，因此产生的温度梯度，可以被衰减或最小化。当介质的温度不同于设备的环境温度时，尤其是第一温度传感器的环境温度时，发生温度梯度。这两个温度之间的差值越大，温度梯度越陡，并且所得测量误差越大。通过加热/冷却元件，可以消除在温度传感器的区域中产生的温度梯度。

7、防止这些所谓的热传导误差是工业温度确定领域中的基本目标，这独立于是否涉及温度计或者流量测量装置。在这种连接的侵入式温度计的情况下，通常使用工艺最小浸没深度，其通常等于温度计直径的至少10倍。在热接触退化的情况下，例如，通过使用保护管，最小浸没深度应达到甚至大于10倍的温度计直径。在块校准器的情况下，最小浸没深度通常等于用于校准的参考温度计的直径的十五倍。相反，在非侵入式温度确定的情况下，必须应用其他措施来确保传感器元件的均匀温度情况。然而，这是因为在这种测量的情况下非常不均匀的热输入，比在侵入式温度确定的情况下明显更复杂。

8、本发明的设备可以涉及侵入式或非侵入式设备。在侵入式设备的情况下，在第一温度传感器浸没在介质中的情况下，加热/冷却元件优选地布置成与第一温度传感器相距可预定距离，并且其位置与容器的壁相距较小的距离。在非侵入式设备的情况下，第一温度传感器优选地布置成设备固定在容器在该容器和加热/冷却元件之间的状态。第一温度传感器优选地布置在容器的壁上。

9、一个实施例规定，第一温度传感器是电阻元件、热电偶或热导体。

10、另一实施例规定加热/冷却元件是电阻元件、珀尔帖元件、膜加热元件或感应加热元件。

11、另外，有利的是，该设备包括至少一个参考元件，用于至少第一温度传感器的原位校准和/或验证，特别是固定在支撑元件上并且至少部分地由至少一种材料组成的参考元件，该至少一种材料至少在用于校准第一温度传感器的相关温度范围内，在至少一个预定相变温度下经历至少一个相变，其中在相变的情况下，材料保持固态。在这方面，全面参考ep02612122b1。

12、在该设备的实施例中，第一温度传感器和加热/冷却元件布置在共享测量探针中。优选地，在这种情况下，第一温度传感器布置在测量探针的端部区域中。加热/冷却元件优选地布置在测量探针的中间区域中。优选地，至少第一温度传感器位于端部区域和加热/冷却元件之间。

13、然而，至少第一温度传感器和加热/冷却元件的布置的许多其他实施例也提供了选项，它们同样落入本发明的范围内。例如，本发明的设备的替代实施例提供，第一温度传感器布置在测量探针中，并且加热/冷却元件布置在测量探针的外部，尤其是可牢固地布置在测量探针或保护管的外部，测量探针可引入到该保护管中。因此，第一温度传感器被放置在测量探针中，特别是根据现有技术的测量探针中。加热/冷却元件布置在测量探针的外部。例如，加热-冷却元件可以在外部施加在测量探针上。然而，它可以放置在设备的保护管中，测量探针可引入到该保护管中。

14、另外，有利的是，至少加热/冷却元件布置在壳体中。壳体可以是例如可固定在测量探针上的套箍，或可固定在用于接纳加热/冷却元件的附加测量探针上。

15、在另外的实施例中，该设备包括第二温度传感器，该第二温度传感器布置在距第一温度传感器的可预定距离处。第二温度传感器优选地用于确定由从工艺到环境(反之亦然)的热传导产生的温度梯度。基于通过两个温度传感器确定的温度之间的差，可以确定第一温度传感器的区域中的温度梯度。

16、在给定情况下，第一温度传感器和第二温度传感器可以与加热/冷却元件一起布置在测量探针中。然而，同样的选择是，温度传感器和/或加热/冷却元件至少部分地彼此分开布置。在加热/冷却元件例如布置在壳体中的情况下，第二温度传感器例如也可以布置在壳体中、在用于第一温度传感器的测量探针中或与第一温度传感器和壳体分开。

17、一个实施例规定了第一温度传感器包括温度敏感传感器元件，该温度敏感传感器元件经由至少第一连接线和第二连接线电接触，其中第一连接线被分成第一区段和第二区段，其中靠近传感器元件的第一区段由第一材料构成，并且其中远离传感器元件的第二区段由不同于第一材料的第二材料构成，其中第二连接线由第二材料构成，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热电偶形式的温差传感器。在这方面，全面参考de102018116309a1。利用温度传感器的这样的实施例，温度传感器的区域中的热传导可以被直接且立即地记录。热传导的确切知识进一步改进了设备的测量精度。

18、此外，本发明的设备的实施例包括控制单元，该控制单元用于通过可设定的加热/冷却信号来控制加热/冷却单元。控制单元可以是例如电子器件的一部分或设备的单独部件。

19、在另外的实施例中，该设备包括单元，该单元至少部分地包括具有各向异性热导率的材料，该单元特别地以至少部分地围绕至少第一温度传感器的方式布置和/或实施。在这方面，全面参考de102017100267a1。

20、同样有利地，该设备可以包括用于固定到容器的联接元件。联接元件包括具有接触区域的基本主体，实施该接触区域，使得基本主体可以经由接触区域齐平地施加在容器上，其中基本主体包括用于接纳至少第一温度传感器的孔，并且其中孔的纵向轴线与接触区域相切地延伸。关于联接元件，全面参考在本技术的最早提交日期未公开的de102021109410.0。

21、关于联接元件，本发明的设备的实施例规定加热/冷却元件至少部分地引入到或集成在联接元件中。优选地，加热/冷却元件被引入到联接元件的区域中，该区域在容器上的联接元件的状态下具有比第一温度传感器更大的距容器的距离。

22、此外，本发明的目的是通过利用本发明的设备确定和/或监测温度的方法来实现的，包括如下方法步骤：

23、-通过第一温度传感器记录介质的温度，以及

24、-通过加热/冷却单元加热或冷却设备的可预定区域，至少第一温度传感器位于该可预定区域中。

25、在本发明的方法的一个实施例中，选择用于加热/冷却元件的加热/冷却信号，使得在可预定区域中使温度梯度最小化。尤其涉及由介质和环境的不同温度产生的温度梯度。优选地，选择加热/冷却信号，使得在可预定区域中基本上是恒定的温度。

26、有利地，加热/冷却元件通过可设定的加热/冷却信号来控制。这涉及可设定的加热/冷却信号，其尤其适用于设备环境中的不同情况。

27、另外，有利的是，加热/冷却信号被设置为通过第一温度传感器和第二温度传感器或通过温差传感器确定的温差值的函数。温差值可以是绝对温差或相对温差。

28、最后，同样有利的是，加热/冷却信号被设置成使得通过第一温度传感器和第二温度传感器或通过温差传感器确定的温差值被最小化，因此，温差值特别是接近零或基本上为零。

29、该设备可以是例如温度计或热流量计。在热流量计的情况下，一方面，加热/冷却元件还可以用于确定流量，该流量可以表示为体积流量或质量流量或流速。然而，可替代地，该设备还可以具有补充加热元件，该补充加热元件可以用于确定流量或流速。

30、在热流量计的情况下，可以以两种不同的方式确定流量或流速。根据第一测量原理，加热传感器元件，使得其温度保持基本恒定。在介质的已知特性和至少有时恒定特性的情况下，例如介质的温度、其密度或组成，可以基于将温度保持在恒定值所需的加热功率来确定介质通过管道的质量流量。在这种情况下，介质的温度是在没有来自加热元件的额外热量输入的情况下该介质具有的温度。相反，在第二测量原理中，加热元件以恒定加热功率以及在加热元件下游测量的介质温度来操作。在这种情况下，介质的测量温度导出质量流。还有其他测量原理，例如所谓的瞬态方法，在这种情况下，加热功率或温度被调制。

31、此处应注意，结合本发明的设备描述的实施例可加以必要的变更应用于本发明的方法，且反之亦然。