Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Temperaturbestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer Mediumstemperatur über die Temperatur einer das Medium umschließenden

Oberfläche, umfassend einen in der Umgebung der Oberfläche angeordneten

Umgebungstemperatursensor, zur Messung einer Umgebungstemperatur, und einen auf der Oberfläche aufliegenden Oberflächentemperatursensor, zur Messung einer zwischen der Mediumstemperatur und der Umgebungstemperatur liegenden

Mischtemperatur. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kalibrierung der Temperaturbestimmungseinrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Mediumstemperatur.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf

Temperaturbestimmungseinrichtungen, bei denen ein Oberflächentemperatursensor auf einer Oberfläche aufliegt, um die Temperatur eines darunter bzw. dahinter liegenden Mediums zu bestimmen. Idealerweise sollte ein solcher Sensor die

Temperatur des Mediums annehmen, welches von der Oberfläche umschlossen wird. Ist der Temperatursensor beispielsweise als elektrisches Thermoelement ausgebildet, so kann durch Messung der Thermospannung auf die Temperatur des Sensors und somit auf die Temperatur des Mediums geschlossen werden, sofern sich beide im thermischen Gleichgewicht befinden, also die gleiche Temperatur aufweisen. Nachteilhaft aus dieser, aus dem allgemein bekannten Stand der Technik bekannten, Vorgehensweise ist, dass der Oberflächentemperatursensor thermisch nicht nur mit der Oberfläche sondern auch mit seiner Umgebung, beispielsweise der umgebenden Luft, wechselwirkt. Aufgrund dessen misst der Oberflächentemperatursensor in der Praxis weder die Temperatur des Mediums, noch der Oberfläche, sondern eine Mischtemperatur, die zwischen der Temperatur des Mediums und der

Umgebungstemperatur liegt.

Aus der DD 87 677 B1 ist eine Temperaturbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Temperatur von flüssigen und zähflüssigen Massen bekannt, welche neben einem Sensor in der Spitze eines in das Medium eintauchenden stabförmigen

Temperaturfühlers einen zweiten Sensor im Schaft des Fühlers umfasst. Die

Einrichtung weist eine Recheneinheit mit darauf elektronisch hinterlegter

Naherungsformel zur Errechnung einer Mediumstemperaturnäherung auf, wobei die Näherungsformel als Summe aus der Mischtemperatur und einem Produkt aus zwei Faktoren, der eine Faktor sich aus der Differenz von der Mischtemperatur und der Umgebungstemperatur ergebend und der zweite Faktor ein Kalibrierungsfaktor darstellend, hinterlegt ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren auf eine nicht-invasive Messung einer Mediumstemperaturen durch eine das Medium umgebende

Gehäusewand, eine Temperaturbestimmungseinrichtung sowie Verfahren zur Kalibrierung und zum Betrieb derselben zu schaffen, bei denen ein systematischer Messfehler, der durch den Einfluss der Umgebungstemperatur eingeführt wird, möglichst einfach vermieden wird.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Temperaturbestimmungseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Mit der Erfindung zusammenhängende Verfahren werden in den Ansprüchen 3 und 5 vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils in rückbezogenen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass eine

Temperaturbestimmungseinrichtung neben einem Oberflächentemperatursensor auch einen Umgebungstemperatursensor umfasst, welcher die Umgebungstemperatur des die Oberfläche umgebenden Mediums, beispielsweise Luft, misst, wobei eine Recheneinheit vorgesehen ist, welche über eine darauf elektronisch hinterlegte Näherungsformel verfügt, wobei diese Näherungsformel einen Näherungswert der Mediumstemperatur liefert und als Summe aus der durch den

Oberflächentemperatursensor gemessenen Mischtemperatur und einem Produkt aus zwei Faktoren hinterlegt ist, wobei der erste Faktor sich aus der Differenz von der Mischtemperatur und der Umgebungstemperatur ergibt und der zweite Faktor sich aus einem Verhältnis eines Dividenden zu einem Quotienten ergibt, wobei der Dividend sich als Differenz von einer zuvor hinterlegten Kalibrierungsmedientemperatur und einer ebenfalls zuvor hinterlegten Kalibrierungsmischtemperatur ergibt, und der Divisor sich aus der Differenz von der Kalibrierungsmischtemperatur und einer zuvor hinterlegten Kalibrierungsumgebungstemperatur ergibt.

Der Kerngedanke dieser technischen Lösung baut darauf auf, dass die

Mischtemperatur, die der Oberflächentemperatursensor misst und liefert, der durch die Umgebungstemperatur verfälschten Mediumstemperatur entspricht. In einer ersten Näherung, angelehnt beispielsweise an die erste Ordnung einer Taylor-Entwicklung, ist die Verfälschung beziehungsweise die Abweichung der eigentlichen

Mediumstemperatur durch die Umgebungstemperatur linear. Erfindungsgemäß ist auf der Recheneinheit eine diesen linearen Zusammenhang charakterisierende

Temperaturenkonstellation hinterlegt, bestehend aus den drei miteinander thermisch verknüpften Temperaturen in Form einer Kalibrierungsmischtemperatur, einer

Kalibrierungsumgebungstemperatur, und einer Kalibrierungsmediumstemperatur. Diese Temperaturen können beispielsweise während eines Kalibrierungsvorgangs aufgenommen werden oder durch numerische Simulationen unter Zuhilfenahme von bekannten Prozessparametern und/oder bekannten Materialeigenschaften errechnet werden. Der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Mischtemperatur des

Oberflächentemperatursensors hängt dabei unter anderem von der Existenz und der Form und beispielsweise der Wärmekapazität eines Gehäuses des

Oberflächensensors ab sowie der Ausgestaltung der das Medium umschließenden Oberfläche (Material, Wandstärke, etc.) und des Mediums selbst.

Die erfindungsgemäße vorgesehene elektronisch hinterlegte Näherungsformel ist derart gestaltet, dass die folgenden, wesentlichen Kriterien erfüllt sind: Ein erstes Kriterium sieht vor, dass, wenn die Mischtemperatur der Umgebungstemperatur entspricht, der zu

errechnendeMediumstemperaturnäherungswert genau der gemessenen

Umgebungstemperatur entspricht. Würde nämlich hingegen die Mediumstemperatur von der Umgebungstemperatur abweichen, so würde sich als Mischtemperatur ein Wert zwischen diesen beiden Temperaturen bilden, und nicht einer, der exakt der Umgebungstemperatur entspricht.

Ein zweites Kriterium sieht vor, dass, wenn gleichzeitig die gemessene

Mischtemperatur genau der Kalibrierungsmischtemperatur entspricht und die gemessene Umgebungstemperatur genau der Kalibrierungsumgebungstemperatur entspricht, die zu errechnende Mediumstemperaturnäherung auch genau der

Kalibrierungsmediumstemperatur entsprechen muss. Dies wird entsprechend der Definition der Näherungsformel derart gelöst, dass sich in diesem Fall alle Teile der Gleichung bis auf die Kalibrierungsmediumstemperatur wegkürzen beziehungsweise wegsubtrahieren.

Als letzteres Kriterium ist die Gleichung linear gestaltet, beschreibt also einen linearen Zusammenhang zwischen der Abweichung der Mischtemperatur von der

Mediumstemperatur und der Differenz zwischen Mischtemperatur und

Umgebungstemperatur. Vorteilhaft hieran ist eine besonders einfache Modellierung eines thermisch relativ komplexen Systems, die in der Praxis sehr genaue

Vorhersagen über die Mediumstemperatur anhand der gemessenen Mischtemperatur und Umgebungstemperatur liefert. Der Proportionalitätsfaktor, der die lineare

Gleichung charakterisiert, ist dabei von den thermischen Eigenschaften der verwendeten Materialen und der Art von deren Zusammenbringung abhängig und kann beispielsweise durch Kalbrierung bestimmt werden oder - im Falle von hinreichend bekannten Eigenschaften - durch Simulation.

Infolgedessen dient diese Näherungsformel also dazu, zwischen zwei bekannten Zuständen linear zu interpolieren beziehungsweise außerhalb davon linear zu extrapolieren, wobei der erste Zustand derjenige ist, in dem die Mischtemperatur zwischen der Umgebungstemperatur und der Kalibrierungsmischtemperatur liegt und der zweite Zustand derjenige ist, bei dem die Mischtemperatur kleiner als die

Umgebungstemperatur ist oder größer als die Kalibrierungsmischtemperatur. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Näherungsformel hinterlegt ist als TMEDN = TM + (TM - TU) ^* ((TOKAL - TMKAL) / (TMKAL - TUKAL)) mit der Mediumstemperaturnäherung TMEDN, der Mischtemperatur TM, der

Umgebungstemperatur TU, der Kalibrierungsmediumstemperatur TMEDKAL, der Kalibrierungsmischtemperatur TMKAL und der Kalibrierungsumgebungstemperatur TUKAL. Die drei oben genannten Kriterien sind durch diese Gleichung jeweils erfüllt.

Gemäß einem die Erfindung betreffenden Verfahren wird die Temperatur eines Mediums dadurch bestimmt, dass eine Mischtemperatur zwischen der

Mediumstemperatur und einer Umgebungstemperatur gemessen wird, und zusätzlich die Umgebungstemperatur gemessen wird, und im Anschluss ein Näherungswert für die Mediumstemperatur errechnet wird, wobei die Näherungsformel zur Errechnung dieses Näherungswertes auf einem zuvor beschriebenen linearen Zusammenhang beruht und einer Kalibrierungsumgebungstemperatur des

Umgebungstemperatursensors, einer Kalibrierungsmediumstemperatur, und einer Kalibrierungsmischtemperatur des Oberflächensensors zugrundeliegt.

Vorteilhafterweise ist die Näherungsformel dabei wie zuvor dargelegt hinterlegt.

Zur Kalibrierung einer Temperaturbestimmungseinrichtung wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem in einem Kalibrierungsszenario, in dem sich die Mediumstemperatur von der Umgebungstemperatur unterscheidet, eine

Kalibrierungsmischtemperatur durch den Oberflächensensor aufgenommen wird. Der Betrag dieser Kalibrierungsmischtemperatur ist dann abhängig von der Existenz, Form, und beispielsweise der Wärmekapazität von dem Gehäuse des Oberflächensensors und sonstigen thermisch relevanten Aspekten. In zwei weiteren Schritten wird eine Kalibrierungsmischtemperatur und eine Kalibrierungsumgebungstemperatur aufgenommen, und zusätzlich durch ein von der Umgebungstemperatur unabhängige, also unverfälschte, Werte lieferndes Messinstrument auch die

Kalibrierungsmediumstemperatur exakt gemessen. Durch Kenntnis von

Kalibrierungsmischtemperatur, Kalibrierungsumgebungstemperatur und

Kalibrierungsmediumstemperatur wird eine wie oben dargelegt definierte

Näherungsformel hinterlegt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die

Kalibrierungsmediumstemperatur berührungslos und insbesondere mit Hilfe eines Infrarotthermometers unter thermischer Isolation zur Umgebung der das Medium umschließenden Oberfläche gemessen. Dadurch ist es insbesondere möglich, die Mediumstemperatur ohne Beeinflussung durch die Umgebungstemperatur zu erfassen.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen

Figur 1 das Schema einer erfindungsgemäßen Temperaturbestimmungseinrichtung,

Figur 2 das Schema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung und zum

Betrieb einer Temperaturbestimmungseinrichtung, und

Figur 3 eine grafische Repräsentation von gemessenen Temperaturen und einer errechneten Temperatur.

Gemäß Figur 1 umfasst eine erfindungsgemäße Temperaturbestimmungseinrichtung 19 einen auf der Oberfläche 1 eines Rohres 2 angebrachten, eine Mischtemperatur 3 aufweisenden, Oberflächentemperatursensor 4, der von einem Gehäuse 5 umgeben ist. Das Gehäuse 5 wiederum ist von der Luft in seiner Umgebung 6 umgeben. In der Nähe des Gehäuses 5 ist ein Umgebungstemperatursensor 7 angeordnet, der die Umgebungstemperatur 8 der dort angeordneten Luft misst. Die Mediumstemperatur 9 und die Temperatur der Oberfläche 1 ist höher als die Umgebungstemperatur 8 der umgebenden Luft. Dadurch ergibt sich eine Mischtemperatur 3 des im Gehäuse 5 angeordneten Oberflächentemperatursensors 4, die zwischen der Mediumstemperatur 9 und der Umgebungstemperatur 8 liegt.

Eine Recheneinheit 10 ist mit dem Oberflächentemperatursensor 4 und dem

Umgebungstemperatursensor 7 verbunden und errechnet eine

Mediumstemperaturnäherung 11 die linear abhängig ist von der Differenz von der Umgebungstemperatur 8 und der gemessenen Mischtemperatur 3. Der

Proportionalitätsfaktor ist dabei abhängig von Kalibrierungswerten, die zuvor beispielsweise durch Kalibrierung 12 oder durch nummerische Simulation definiert worden sind.

Gemäß Figur 2 wird einmalig die Kalibrierung 12 einer

Temperaturbestimmungseinrichtung durchgeführt, indem eine

Kalibrierungsmediumstemperatur 13 durch ein nicht dargestelltes Infrarotthermometer, eine Kalibrierungsumgebungstemperatur 14 durch einen Umgebungstemperatursensor 7 und eine Kalibrierungsmischtemperatur 15 durch einen Mediumstemperatursensor 4 aufgenommen wird, und in einer Recheneinheit 10 elektronisch hinterlegt wird, und zur Definition einer Näherungsformel 16 verwendet wird.

Im Anschluss wird in Schritten, die beliebig oft wiederholt werden können, in einem Messschritt 17 eine Umgebungstemperatur 8 und eine Mischtemperatur 3 gemessen und in einem zweiten Schritt 18 durch eine Recheneinheit 10 unter Verwendung der Näherungsformel 16 eine Mediumstemperaturnäherung 11 errechnet. Es wird im Vergleich zur Kalibrierung 12 also eine Messung und somit ein Messinstrument weniger benötigt.

Figur 3 zeigt in einem Koordinatensystem, das die Temperatur T in Grad Celsius über der Zeit t aufträgt, eine graphische Repräsentation von einer gemessenen

Umgebungstemperatur 8 (gestrichelt-gepunktete Linie), einer gemessenen

Mischtemperatur 3 (durchgezogene Linie), einer mit dem erfindungsgemäßen

Verfahren errechneten Mediumstemperaturnäherung 11 (gepunktete Linie) und der tatsächlich vorhandenen Mediumstemperatur 9 (gestrichelte Linie). Zu erkennen ist vor allem zum einen der Einfluss der Umgebungstemperatur 8 auf die Mischtemperatur 3 und die sehr genaue Kompensation dieses Einflusses durch das beschriebene

Verfahren. Erkennbar ist dies vor allem daran, dass die Mediumstemperatur 9 und die Mediumstemperaturnäherung 11 nahezu deckungsgleich aufeinanderliegen.

Abweichungen betreffen vor allem hochfrequente Oszillationen, die beispielsweise durch die Trägheit des Oberflächentemperatursensors 4, des

Umgebungstemperatursensors 7 oder durch die Wärmekapazität des

Oberflächensensors 4 oder seines Gehäuses 5 erklärbar sind.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche von den nachfolgenden Ansprüchen mit umfasst sind. Es ist beispielsweise auch denkbar, dass mehr als ein Oberflächentemperatursensor oder mehr als ein Umgebungstemperatursensor vorgesehen sind, oder dass der Oberflächensensor nicht von einem Gehäuse umgeben ist.

BezugszeichenSiste

1 Oberfläche

2 Rohr

3 Mischtemperatur (TM)

4 Oberflächentemperatursensor

5 Gehäuse

6 Umgebung

7 Umgebungstemperatursensor

8 Umgebungstemperatur (TU)

9 Mediumstemperatur (TMED)

10 Recheneinheit

1 1 Mediumstemperaturnäherung (TMEDN)

12 Kalibrierung

13 Kalibrierungsmediumstemperatur (TMEDKAL)

14 Kalibrierungsumgebungstemperatur (TUKAL)

15 Kalibrierungsmischtemperatur (TMKAL)

16 Näherungsformel

17 Messschritt

18 zweiter Schritt

19 Temperaturbestimmungseinrichtung