Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums mit einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur und einer Elektronik, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden, insbesondere erfindungsgemäßen, Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur.

Thermometer sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt geworden. So gibt es Thermometer, welche zur Messung der Temperatur die Ausdehnung einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Festkörpers mit bekanntem Ausdehnungskoeffizienten heranziehen, oder auch solche, welche die elektrische Leitfähigkeit eines Materials oder eine davon abgeleitete Größe mit der Temperatur in Zusammenhang bringen, wie beispielsweise den elektrischen Widerstand bei Verwendung von Widerstandselementen, oder den thermoelektrischen Effekt im Falle von Thermoelementen. Ähnlich wird im Falle von Temperatursensoren in Form von pn-Dioden oder Transistoren die Temperaturabhängigkeit des jeweiligen Innenwiderstands ausgenutzt und die Temperatur beispielswese anhand des Sperrstroms oder der Durchlassspannung ermittelt. Dagegen wird bei Strahlungsthermometern, insb. Pyrometern, zur Bestimmung der Temperatur einer Substanz deren Wärmestrahlung ausgenutzt. Die jeweils zugrundeliegenden Messprinzipien sind jeweils in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschrieben worden.

Bei einem Temperatursensor in Form eines Widerstandselements sind unter anderem sogenannte Dünnschicht- und Dickschicht-Sensoren sowie sogenannte Heißleiter (auch als NTC-Thermistoren bezeichnet) bekannt geworden. Bei einem Dünnschicht-Sensor, insbesondere einem Resistance Temperature Detector (RTD), kommt beispielsweise ein mit Anschlussdrähten versehenes und auf ein Trägersubstrat aufgebrachtes Sensorelement zum Einsatz, wobei die Rückseite des Trägersubstrats in der Regel metallisch beschichtet ist. Als Sensorelemente werden sogenannte Widerstandselemente, welche beispielsweise durch Platinelemente gegeben sind, verwendet, die unter anderem unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich sind.

Bei Temperatursensoren in Form von Thermoelementen wiederum wird die Temperatur durch eine Thermospannung bestimmt, die zwischen den einseitig angeschlossenen Thermodrähten aus unterschiedlichen Materialien entsteht. Zur Temperaturmessung werden üblicherweise Thermoelemente nach DIN-Norm IEC584, z.B. Thermoelemente vom Typ K, J, N, S, R, B, T oder E, als Temperaturfühler eingesetzt. Aber auch andere Materialpaare, insbesondere solche mit einem messbaren Seebeck-Effekt, sind möglich. Die Aufgabe von Thermometern in der Prozessautomatisierung besteht grundsätzlich darin, die Temperatur eines Mediums, bzw. eines Prozessmediums, zuverlässig und möglichst genau zu bestimmen. In der Praxis besteht hierbei das Problem, dass der jeweils verwendete Temperatursensor durch mehrere thermische Widerstände vom Medium getrennt ist. Diese kommen beispielsweise durch die einzelnen Komponenten des Thermometers, sowie ggf. durch das Behältnis, in welchen sich das Medium befindet, beispielsweise ein Behälter oder eine Rohrleitung, zustande. Häufig ist der Temperatursensor Teil eines sog. Messeinsatzes mit einem Mantelelement umfasst, welches mit einem Füllstoff gefüllt ist, in welchen der jeweilige Temperatursensor eingebettet ist. In diesem Falle ergeben sich relevante, serielle thermische Widerstände beispielsweise auch durch den Mantel und den Füllstoff.

Umfasst das Thermometer ferner beispielsweise ein Schutzrohr, so kommen weitere serielle thermische Widerstände durch das Schutzrohr selbst, sowie die thermische Kopplung zwischen dem Schutzrohr und dem Messeinsatz zustande. Eine entscheidende Rolle hinsichtlich des Erreichens eines thermischen Ausgleichs zwischen dem Prozessmedium und der Umgebung bzw. dem Thermometer spielt in diesem Zusammenhang beispielswiese die Wahl der Länge des Schutzrohrs und des Messeinsatzes. Ist/sind das Schutzrohr und/oder der Messeinsatz zu kurz, so kann es dazu kommen, dass im Bereich des Temperatursensors ein Temperaturgradient auftritt. Ein solcher Temperaturgradient hängt einerseits von der Differenz der Temperatur des Mediums bzw. der Prozesstemperatur und der Umgebungstemperatur ab. Andererseits spielen aber auch die Wärmeleitfähigkeiten der jeweils verwendeten Komponenten des Thermometers, der thermischen Kopplungen zwischen den einzelnen Komponenten sowie unterschiedliche Prozessparameter, wie beispielsweise eine Durchflussgeschwindigkeit des Prozessmediums o. ä. eine entscheidende Rolle.

Eine weitere Ursache für das Auftreten von Temperaturgradienten im Bereich des Temperatursensors, also einer unerwünschten Wärmeleitung, also einer Wärmezuleitung und/oder Wärmeableitung, liegt in der Bildung von Ablagerungsschichten und/oder Korrosion am Thermometer, beispielsweise am Schutzrohr oder Messeinsatz, insbesondere im Bereich des Temperatursensors. Das Bilden von Ablagerungen oder das Auftreten von Korrosion führt zu einer Veränderung, insbesondere einer Verschlechterung, der thermischen Kopplung zwischen dem Medium und der jeweils mit dem Medium in Kontakt kommenden Komponente des Thermometers, beispielsweise dem Schutzrohr oder Mantelelement.

Die vorangegangenen Überlegungen beschreiben das Phänomen der Wärmeleitung bei im Wesentlichen konstanten Temperaturen des Mediums und der Umgebung und betreffen damit eine statische Messwertabweichung. Im Falle von beispielsweise variabler Mediums- und/oder Umgebungstemperatur oder zur Wärmeleitung beitragenden thermischen Widerständen, welche von veränderlichen Prozess- oder Umgebungsparametern abhängen, können darüber hinaus auch dynamische Messwertabweichungen von Bedeutung sein. Solche dynamischen Messwertabweichungen können unabhängig von oder zusätzlich zu statischen Messabweichungen auftreten. Zudem können sich die zu statischen und dynamischen Messwertabweichungen führenden Faktoren gegenseitig beeinflussen.

Diese Überlegungen gelten analog auch für den Fall, dass es sich bei dem Thermometer um ein nicht-invasives Thermometer handelt, welches an einer Wandung des Behältnisses angebracht wird.

Unabhängig von der Ausgestaltung des Thermometers können auftretende, unerwünschte Temperaturgradienten im Bereich des Temperatursensors unabhängig von der exakten Ursache zu erheblichen Messwertverfälschungen führen.

Um derartige Messwertverfälschungen zu vermeiden, ist es beispielsweise bekannt geworden, anhand von drei äquidistanten Temperatursensoren den wahren Temperaturwert zu bestimmen (Klaus Irrgang, Lothar Michalowsky: Temperaturmesspraxis, ISBN-13: 978380272204). Dieses Vorgehen erfordert allerdings eine vergleichsweise komplexe Konstruktion und Signalauswertung.

Aus der DE102014119593A1 ist ein Thermometer bekannt geworden, dass die Detektion eines Temperaturgradienten entlang der Anschlussleitungen ermöglicht. Als Temperatursensor kommt ein Widerstandselement in der sog. 4-Leiterschaltung zum Einsatz. An einem der Anschlussdrähte wird ein Stück der Anschlussleitung durch ein anderes Material ersetzt, so dass aus dieser und einerweiteren Anschlussleitung ein Differenzthermoelement gebildet wird. Sobald an dem aus zwei Elementen bzw. zwei Materialien bestehenden Anschlussdraht ein Temperaturgradient auftritt, entsteht eine Thermospannung, die Aufschluss über den Temperaturgradienten entlang der Anschlussdrähte gibt. Dieser Temperaturgradient betrifft aber lediglich den Verlauf der Anschlussdrähte. Über etwaige direkt im Bereich des Temperatursensors auftretende Temperaturgradienten können keine direkten Aussagen getätigt werden.

Die DE102018116309A1 offenbart ein Thermometer, welches einen Temperatursensor mit einem temperaturempfindlichen Sensorelement, welches über zumindest eine erste und eine zweite Anschlussleitung elektrisch kontaktiert ist aufweist. Die erste Anschlussleitung ist in einen ersten und einen zweiten Abschnitt unterteilt, wobei der erste dem Sensorelement zugewandte Abschnitt aus einem ersten Material besteht, und wobei der zweite dem Sensorelement abgewandte Abschnitt aus einem zweiten sich von dem ersten unterscheidenden Material besteht, während die zweite Anschlussleitung ebenfalls aus dem zweiten Material besteht. Der erste Abschnitt der ersten Anschlussleitung und zumindest ein Teil der zweiten Anschlussleitung bilden dann einen ersten Differenz-Temperatursensor in Form eines Thermoelements, bei welchem es sich um einen Wärmestromsensor nach dem thermoelektrischen Prinzip handelt. Auf diese Weise ist ein Temperaturgradient bzw. Wärmestrom am Ort des Temperatursensors erfassbar. Auf diese Anmeldung wird im Folgenden vollumfänglich Bezug genommen.

Ausgehend von der Problematik unerwünschter Temperaturgradienten im Bereich des Temperatursensors liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Thermometer mit möglichst hoher Messperformance, insbesondere mit hoher Messgenauigkeit, anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums umfasst einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur und eine Elektronik, wobei der Temperatursensor ein temperaturempfindliches Sensorelement, welches über zumindest eine Anschlussleitung elektrisch mit der Elektronik kontaktiert ist, umfasst. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zudem eine Diagnose-Einheit, welche eine Einrichtung zur zeitlichen Variation einer Leistung eines Eingangssignal, mittels welchem der Temperatursensor oder zumindest eine Komponente der Vorrichtung beaufschlagbar ist, aufweist, und welche Diagnose-Einheit dazu ausgestaltet ist, anhand eines Ausgangssignals des Temperatursensors in Reaktion auf das Eingangssignal eine Aussage über eine thermische Kopplung der Vorrichtung, insbesondere des Temperatursensors, an das Medium zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist demnach dazu ausgestaltet, eine Aussage über eine thermische Kopplung der Vorrichtung an das Medium zu ermitteln. Auf diese Weise ist eine Korrektur der mittels des Temperatursensor erfassten Temperatur mit Hinblick auf mögliche Wärmeleitungseffekte (Wärmezuleitung und/oder Wärmeableitung) bzw. auf Temperaturgradienten zwischen dem Medium du dem Temperatursensor möglich. Grundsätzlich können sowohl statische als auch dynamische Messwertabweichungen erfasst werden. Die Diagnose-Einheit umfasst beispielsweise eine Recheneinheit, welche eine separate Einheit bilden, oder Teil der Elektronik der Vorrichtung sein kann. vorteilhaft kann die Aussage über die thermische Kopplung empirisch direkt am Ort der Vorrichtung ermittelt werden und bezieht sich damit immer auf den konkreten, aktuellen Anwendungsfall. Die Wärmeleitung ist grundsätzlich von vielen unterschiedlichen Faktoren, wie der Thermometergeometrie, der Konfiguration der Messstelle, den Umgebungsbedingungen und den Medieneigenschaften abhängig. Sämtlicher dieser Faktoren werden durch die empirische, lokale Bestimmung stets berücksichtigt. Zur Bestimmung der thermischen Kopplung oder Wärmeleitung sind demnach vorteilhaft keine weiteren Temperaturmesswerte von weiteren Thermometern oder die Kenntnis geometrischer oder anderer Parameter erforderlich. Auch Änderungen der thermischen Kopplung als Funktion der zeit können erfindungsgemäß berücksichtigt werden. Die thermische Kopplung und die Wärmetransportsituation können also auch kontinuierlich überwacht werden.

In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen Messeinsatz, in welchem der Temperatursensor angeordnet ist, oder einen Messeinsatz und einen Eintauchkörper zur Aufnahme des Messeinsatzes auf. Alternativ beinhaltet eine weitere Ausgestaltung, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass zumindest der Temperatursensor mittelbar oder unmittelbar an einer äußeren Wandung eines Behältnisses befestigbar ist. Der Temperatursensor kann demnach einerseits direkt an der Wandung des Behälters sein. Ebenso kann er aber auch mittelbar angebracht sein, beispielsweise wenn er Teil eines Messeinsatzes ist, oder wenn eine Montageeinrichtung oder ähnliches verwendet wird, welche teilweise zwischen der Wandung und dem Temperatursensor angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf invasive und nicht invasive Thermometer.

Das Thermometer kann ebenfalls entsprechend einer der in der DE102014119593A1 beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet sein. Ebenso beinhaltet eine vorteilhafte Ausgestaltung, dass der Temperatursensor über zumindest eine erste und eine zweite Anschlussleitung elektrisch kontaktiert, wobei die erste Anschlussleitung in einen ersten und einen zweiten Abschnitt unterteilt ist, wobei der erste dem Sensorelement zugewandte Abschnitt aus einem ersten Material besteht, und wobei der zweite dem Sensorelement abgewandte Abschnitt aus einem zweiten sich von dem ersten unterscheidenden Material besteht, wobei die zweite Anschlussleitung aus dem zweiten Material besteht, und wobei der erste Abschnitt der ersten Anschlussleitung und zumindest ein Teil der zweiten Anschlussleitung einen ersten Differenz-Temperatursensor in Form eines Thermoelements bilden. Es ist demnach auch eine der Lehre der bereits erwähnten DE102018116309A1 entsprechende Ausgestaltung denkbar.

Infolge der Variation der Leistung des Eingangssignals kommt es zu Erwärmungen und/oder Abkühlungen im Bereich des Temperatursensors als Funktion des Eingangssignals bzw. der zeitlichen Variation der Leistung. Dabei kann einerseits der Temperatursensor selbst mit dem Emgangssignal variabler Leistung beaufschlagt werden. Dies ist insbesondere im Falle eines Temperatursensors in Form eines Widerstandselements von Vorteil. Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung beinhaltet jedoch, dass die Vorrichtung eine Heizeinheit zum Heizen eines den Temperatursensor umgebenden Bereichs umfasst, wobei die Diagnose-Einheit dazu ausgestaltet ist, die Heizeinheit mit dem Eingangssignal variabler Leistung zu beaufschlagen und aus dem Ausgangssignal des Temperatursensors die Aussage über eine thermische Kopplung der Vorrichtung an das Medium zu ermitteln. Im Falle, dass die Vorrichtung eine Heizeinheit beinhaltet, ist es demnach möglich, die Heizeinheit mit variabler Leistung zu betreiben und die Antwort des Temperatursensors auszuwerten.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Diagnose-Einheit einen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator oder einen Akku, umfasst. Auf diese Weise kann stets ausreichend Energie zum Generieren des Eingangssignals variabler Leistung garantiert werden, auch wenn die Vorrichtung nur über eine begrenzte Leistungsaufnahme verfügt, wie beispielsweise bei einer Ausgestaltung der Vorrichtung als Zweidraht-Messgerät.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums umfassend einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur eines Mediums und eine Elektronik, insbesondere einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Leistung eines Eingangssignals, mittels welchem der Temperatursensor oder zumindest eine Komponente der Vorrichtung beaufschlagbar ist, zeitlich variiert, und anhand eines Ausgangssignals des Temperatursensors in Reaktion auf das Eingangssignal eine Aussage über eine thermische Kopplung der Vorrichtung an das Medium ermittelt.

Bei dem Eingangssignal handelt es sich vorzugsweise um ein Wechselsignal, beispielsweise ein Sinus-, Rechteck-, oder Dreieck-Signal. Eine Ausgestaltung beinhaltet weiterhin, dass für das Eingangssignal ein mittelwertfreies Signal verwendet wird, derart, dass die mittlere Leistung als Funktion der zeit konstant ist. Möglich ist ebenfalls die Verwendung eines Rauschsignals als Eingangssignals, insbesondere entsprechend einem weißen Rauschen.

Es ist vorteilhaft möglich, anhand der ermittelten Aussage über die thermische Kopplung auch einen Zustandsindikator für das Thermometer zu bestimmen. In diesem Fall handelt es sich um ein Verfahren, welches ebenfalls der Zustandsüberwachung der zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur verwendeten Vorrichtung dient. Bei dem Zustandsindikator handelt es sich beispielsweise um eine Aussage über einen thermischen oder mechanischen Kontakt im Bereich des Messsystems umfassend die Vorrichtung und das Behältnis mit dem Medium. Im Falle einer invasiven Temperaturbestimmung und/oder -Überwachung kann zudem eine Aussage über das Auftreten von Korrosion, oder einer Belagsbildung getätigt werden.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Heizeinheit zum Heizen eines den Temperatursensor umgebenden Bereichs mit dem Eingangssignal beaufschlagt, und aus dem Ausgangssignal des Temperatursensors die Aussage über eine thermische Kopplung der Vorrichtung an das Medium ermittelt wird.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass zur zeitlichen Variation der Leistung des Eingangssignals eine Frequenz- oder Amplitudenmodulation durchgeführt wird. Alternativ beinhaltet eine Ausgestaltung, dass ein gepulstes Eingangssignal verwendet wird, insbesondere dass einzelne Pulse zumindest hinsichtlich einer charakteristischen Größe, beispielsweise Frequenz oder Amplitude, variiert werden. Im Falle eines gepulsten Eingangssignals kann anhand zumindest zweier Pulse eine Interpolation und eine Nullpunktbestimmung vorgenommen werden, die die zusätzliche Durchführung eines Eigenerwärmungstests der Vorrichtung ermöglicht.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass in einem Messbetriebsmodus die Temperatur des Mediums bestimmt wird, dass in einem Diagnosebetriebsmodus die Aussage über eine thermische Kopplung der Vorrichtung an das Medium ermittelt wird, und dass der Messbetriebsmodus und der Diagnosebetriebsmodus gleichzeitig oder abwechselnd ausgeführt werden, oder wobei der Diagnosebetriebsmodus auf Bedarf durch einen Benutzer derVorrichtung initialisiert wird. Die Ergebnisse des Diagnosebetriebsmodus können dann umgehend im Messbetriebsmodus bei der Bestimmung der Temperatur des Mediums berücksichtigt werden. Auch eine Ausgabe des Ergebnisses der Diagnose ist denkbar.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zum Ermitteln der zumindest einen Aussage über eine thermische Kopplung der Vorrichtung an das Medium ein Aufheizverhalten, ein Abkühlverhalten, eine Ansprechzeit oder eine von zumindest einer dieser Größen abgeleitete Größe des Temperatursensors herangezogen. Es sei darauf verwiesen, dass diese Aufzählung der Möglichkeiten zur Auswertung des Ausgangssignals des Temperatursensors hinsichtlich der thermischen Kopplung an das Medium keineswegs abschießend ist. Vielmehr sind zahlreiche, weitere Auswertungsarten denkbar, wie beispielsweise eine Fourier-Analyse, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen. Bei den hier explizit genannten Möglichkeiten handelt es sich lediglich um besonders bevorzugte Varianten. In diesem Zusammenhang ist es von vorteil, wenn em zeitlicher Verlauf des Aufheizverhaltens, des Abkühlverhaltens, der Ansprechzeit oder der abgeleiteten Größe des Temperatursensors betrachtet wird, und wobei anhand einer Änderung des Aufheizverhaltens, des Abkühlverhaltens, der Ansprechzeit oder der abgeleiteten Größe eine Änderung der thermischen Kopplung festgestellt wird. In dieser Hinsicht ist es beispielsweise denkbar, Aufheiz- und/oder Abklingkonstanten, bestimmte Endwerte eines Aufheiz- oder Abkühlvorgangs infolge einer Änderung der Leistung des Eingangssignals oder einer davon abgeleiteten Größe, oder auch Vergleiche mit, insbesondere hinterlegten, Grenzwerten durchzuführen.

Im Falle, dass das Medium bekannt ist, ist es außerdem von Vorteil, eine Strömungsgeschwindigkeit des Mediums anhand des Ausgangssignals des Temperatursensors zu ermitteln.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass es sich bei der zumindest einen Aussage über die thermische Kopplung um eine Aussage über einen Wärmeübergangskoeffizienten, einen Wärmetransportwiderstand, einen Wärmeleitwiderstand und/oder einen Wärmedurchgangswert im Bereich der Vorrichtung, insbesondere im Bereich des Temperatursensors, oder eines Übergangs zwischen der Vorrichtung und einem das Medium enthaltenden Behältnisses, handelt, oder dass es sich um eine Änderung eines mechanischen bzw. thermischen Kontakts von zumindest zwei Komponenten der Vorrichtung oder der Vorrichtung und dem Behältnis handelt. Im Prinzip können alle für die genaue Temperaturbestimmung relevanten thermischen Widerstände berücksichtigt werden.

Anhand der Aussage über die thermische Kopplung der Vorrichtung an das Medium kann eine Korrektur der mittels des Temperatursensors erfassten Temperatur vorgenommen werden. Hierzu kann beispielsweise ein Korrekturwert, beispielsweise in der Diagnose- Einheit oder in der Elektronik, ermittelt und dem Messwert für die Temperatur vom Temperatursensors hinzugefügt werden. Es ist also auch eine Korrektur, Justage und/oder Kompensation von den jeweils mittels des Temperatursensors ermittelten Messwerten in Bezug auf unerwünschte Temperaturgradienten, die im Bereich des Temperatursensors auftreten können, möglich.

In diesem Zusammenhang beinhaltet eine Ausgestaltung des Verfahrens, dass anhand des Empfangssignals ein Messwert für die Temperatur des Mediums ermittelt wird, dass ein Wärmestrom, insbesondere eine Wärmeleitung, oder eine mit dem Wärmestrom in Verbindung stehende Größe, im Bereich des Temperatursensors ermittelt wird, dass eine Messwertabweichung für den Messwert für die Temperatur anhand eines Modells für einen Wärmestrom im Bereich des Temperatursensors bestimmt wird, und dass der Messwert für die Temperatur mittels der Messwertabweichung korrigiert wird. In diesem Zusammenhang sei auf die bisher unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102019134603.7 verwiesen, auf welche im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ebenfalls vollumfänglich Bezug genommen wird. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ist ferner bevorzugt im Zusammenhang mit einer Vorrichtung mit einem Differenz-Temperatursensor, wie in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, verwendbar. Der Differenz-Temperatursensor kann dann vorteilhaft zur Ermittlung des Wärmestroms dienen.

Zur Bestimmung der Messwertabweichung wird gemäß dieser Ausgestaltung ein Wärmestrom im Bereich des Temperatursensors oder eine mit diesem Wärmestrom in Zusammenhang stehende Größe, beispielsweise eine vom Wärmestrom abgeleitete Größe, oder eine den Wärmestrom repräsentierende Größe, beispielsweise eine Spannung, ermittelt und anhand eines geeigneten Modells hieraus eine Messwertabweichung für die Temperaturmesswerte bestimmt. Der Wärmestrom kann mittels einer separaten Vorrichtung oder mittels des für die Temperaturbestimmung und/oder -Überwachung verwendeten Thermometers ermittelt werden.

Bei dem Modell handelt es sich vorzugsweise um ein parametrisches Modell, welches insbesondere zumindest einen statischen und einen dynamischen Term zur Bestimmung der Messwertabweichung aufweist.

In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn zumindest ein Parameterwert eines Parameters bzw. ein Koeffizientenwert eines Koeffizienten des Modells anhand der Aussage über die thermische Kopplung der Vorrichtung an das Medium bestimmt wird.

Es ist ferner von Vorteil, wenn für zumindest einen Parameter des Modells eine Vielzahl an Parameterwerten in Abhängigkeit der thermischen Kopplung der Vorrichtung vorgegeben oder hinterlegt sind, und wobei in Abhängigkeit der ermittelten Aussage über die Kopplung ein Parameterwert für den Parameter ausgewählt wird. Alternativ ist es von Vorteil, wenn der Parameterwert anhand der Aussage über die Kopplung ermittelt wird.

Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Ausgestaltungen mutatis mutandis auch auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar sind und umgekehrt.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : (a) eine schematische Darstellung eines invasiven Thermometers mit einem Temperatursensor in Form eines Widerstandselements, einer Heizeinheit und einer erfindungsgemäßen Diagnose-Einheit, und (b) eine schematische Darstellung eines nicht invasiven Thermometers mit einem Temperatursensor in Form eines Widerstandselements und einer Diagnose-Einheit, und

Fig. 2: beispielhafte Ausgestaltung eines Thermometers mit einem Differenz- Temperatursensor zur Bestimmung des Wärmestroms.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Fig.1a ist eine schematische Abbildung eines invasiven Thermometers 1 mit einem Eintauchkörper 2, beispielsweise einem Schutzrohr, einem Messeinsatz 3, und einer Elektronik 4 gemäß Stand der T echnik gezeigt. Der Messeinsatz 3 ist in den Eintauchkörper 2 eingebracht und umfasst einen Temperatursensor 5, welcher im vorliegenden Fall ein temperatursensitives Element in Form eines Widerstandselements aufweist, und ein Heizelement 7. Der Temperatursensor 5 und das Heizelement e können in einen in dem Messeinsatz 3 angeordneten, hier nicht eingezeichneten, Füllstoff eingebettet sein. Der Temperatursensor 5 ist über die Anschlussleitungen 6 und das Heizelement 7 über die Anschlussleitungen 8 elektrisch kontaktiert und jeweils mit der Elektronik 4 verbunden. Die Elektronik 4 umfasst für die hier beispielhaft gezeigte Ausgestaltung auch die erfindungsgemäße Diagnose-Einheit 9 mit einer Einrichtung 9a zur Erzeugung eines Eingangssignals variabler Leistung. In anderen Ausgestaltungen kann die Elektronik 4 auch separat vom Messeinsatz 3 und Eintauchkörper 2 angeordnet und/oder die Diagnose-Einheit 9 separat von der Elektronik 4 und/oder dem Messeinsatz 3 und Eintauchkörper 2 angeordnet sein. Auch muss es sich bei dem Sensorelement 5 nicht notwendigerweise um ein Widerstandselement handeln, oder die Anzahl der jeweils verwendeten Anschlussleitungen 6,8 muss nicht notwendigerweise zwei betragen. Vielmehr kann die Anzahl der Anschlussleitungen 6,8 je nach angewendetem Messprinzip und verwendetem Temperatursensor 5 bzw. verwendeter Heizeinheit 7 passend gewählt werden. Auch sei darauf verwiesen, dass die Verwendung einer zusätzlichen Heizeinheit 7 grundsätzlich optional ist. Zudem sind zahlreiche Varianten für die Anordnung der Heizeinheit 7 relativ zum Temperatursensor 5 denkbar.

Alternativ kann es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aber auch um ein nicht invasives Thermometer handeln, wie in Fig. 1 b illustriert. In diesem Falle ist das Thermometer 1 von außen an einer Wandung W eines das Medium M führenden Behältnisses 10 angeordnet und ragt nicht ins Medium M hinein, wie im Falle der Ausgestaltung gemäß Fig. 1a. Auch für diese Ausgestaltung ist der Temperatursensor 5 beispielhaft in Form eines Widerstandselements ausgestaltet. Eine Heizeinheit 7 ist dagegen für diese Ausgestaltung nicht vorhanden, wäre aber zusätzlich möglich. Auch hier ist der Temperatursensor 5 zusammen mit den Anschlussleitungen 6 in einem Messeinsatz 3 angeordnet. Der Temperatursensor 5 ist entsprechend vermittels des Messeinsatzes 3, also mittelbar, an der Wandung W des Behältnisses 10 angeordnet. In anderen Ausgestaltungen kann auch eine unmittelbare Anordnung oder eine mittelbare Anordnung vermittels einer Montageeinrichtung vorgenommen werden. Auch die hier gezeigte kompakte Bauweise mit integrierter Elektronik 4 ist nicht zwingend. Dasselbe gilt für die gezeigte Orientierung des Messeinsatzes 3, welcher nicht zwingend vertikal ausgerichtet sein muss, sondern in anderen Ausgestaltungen auch andere Orientierungen aufweisen kann. Beispielsweise ist auch eine tangentiale Anordnung, in weicher eine Längsachse L des Messeinsatzes 3 parallel zur Wandung W des Behältnisses 10 angeordnet ist, denkbar. Ebenso ist die Verwendung eines Messeinsatzes 3 für ein nicht invasives Thermometer 1 nicht notwendigerweise erforderlich. Vielmehr sind, wie im Falle der Fig. 1 a, zahlreiche weitere Ausgestaltungen möglich, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen.

Wie bereits dargelegt, hängt die Messgenauigkeit eines Thermometers 1 in hohem Maße von den jeweiligen Materialien und, insbesondere thermischen, Kontaktierungen, insbesondere im Bereich des Temperatursensors 5 ab. Der Temperatursensor 5 steht mittelbar, d.h. beispielsweise über den Eintauchkörper 2, Messeinsatz 3 und/oder die Wandung W des Behältnisses 10, mit dem Medium M in thermischem Kontakt. Der Temperatursensor 5 ist also durch mehrere, thermische Widerstände vom Medium M getrennt. Es kann deshalb je nach Prozessbedingungen und/oder der jeweiligen konstruktiven Ausgestaltung des Thermometers 1 dazu kommen, dass zwischen dem Medium M und dem Thermometer zumindest zeitweise und/oder teilweise kein thermisches Gleichgewicht herrscht. In Folge des Fehlens eines thermischen Gleichgewichts können beispielsweise im Bereich des Temperatursensors 5 oder auch entlang der Anschlussleitungen 6 Temperaturgradienten ATi oder AT2 entstehen, die aufgrund resultierender Wärmeströme die jeweils mit dem Temperatursensor 5 gemessenen Temperaturwerte verfälschen. Dies ist beispielhaft in Fig. 1a eingezeichnet. Darüber hinaus können sich auch solche thermischen Widerstände ändern, welche sich nicht in unmittelbarer Nähe zum Temperatursensor 5 bzw. Medium M befinden. Auch eine Änderung dieser thermischen Widerstände führt zu einer geänderten Kopplung an das Medium M. Im Falle eines nicht invasiven Thermometers 1 kann es sich in diesem Zusammenhang beispielsweise um eine außerhalb des Behältnisses 10 angeordnete thermische Isolation für den Temperatursensor 5 handeln.

Mit der erfindungsgemäßen Diagnose-Einheit kann nun, je nach Ausgestaltung des Thermometers 1 , der Temperatursensor 5 oder die Heizeinheit 7 mit einem Eingangssignal variabler Leistung beaufschlagt werden und das jeweilige Ausgangssignal des Temperatursensors 5 hinsichtlich der thermischen Kopplung an das Medium M ausgewertet werden. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit der Vorrichtung 1 deutlich erhöht werden.

Besondere Relevanz haben Temperaturgradienten ATi im Bereich des Temperatursensors 5. Eine Ausgestaltung der Vorrichtung 1 umfassend einen Differenz- Temperatursensor kann demnach eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit herbeiführen.

In Fig. 2 sind deshalb beispielhaft mögliche Ausgestaltungen eines Thermometers 1 mit einem Differenz-Temperatursensor 11 zur Bestimmung des Wärmestroms gezeigt. Ein Temperatursensor 5 in Form eines auf ein Substrat 12 aufgebrachten Widerstandselements 13 dient der Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur T des Mediums M. Der Temperatursensor 5 ist mittels der beiden Anschlussleitungen 6a und 6b elektrisch kontaktiert und wird somit in der sogenannten Zweileiter-Schaltung betrieben. Im vorliegenden Falle sind beide Anschlussleitungen 6a und 6b direkt an das Widerstandselement 13 angebracht. Es sei aber an dieser Stelle darauf verwiesen, dass grundsätzlich alle dem Fachmann bekannten Kontaktierungen zur Verbindung des Temperatursensors 5 mit den Anschlussleitungen 6 möglich sind.

Die erste Anschlussleitung 6a ist in einen ersten I und einen zweiten Abschnitt II unterteilt. Der erste Abschnitt I besteht dabei aus einem ersten Material, und der zweite Abschnitt II sowie die zweite Anschlussleitung 6b bestehen aus einem zweiten sich vom ersten unterscheidenden Material. Auf diese Weise bilden der erste Abschnitt I der ersten Anschlussleitung 6a und zumindest ein Teil t der zweiten Anschlussleitung 6b einen ersten Differenz-Temperatursensor 11 in Form eines Thermoelements. Die beiden Materialien für den ersten Abschnitt I der ersten Anschlussleitung 6a und den zweiten Abschnitt II der ersten Anschlussleitung 6a sowie für die zweite Anschlussleitung 6b werden derart gewählt, dass aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen den Punkten a und b, und den sich entsprechend aufgrund des thermoelektrischen Effekts in den Abschnitten 9a und t ausbildenden unterschiedlichen Thermospannungen, mittels des Differenz-Temperatursensors 11 eine Thermospannung detektierbar ist.

Der erste Abschnitt I der ersten Anschlussleitung 6a ist bevorzugt kurz im Vergleich zur Gesamtlänge der ersten Anschlussleitung 6a, beispielsweise liegt die Länge des ersten Abschnitts I der ersten Anschlussleitung 6a im Bereich von wenigen Millimetern oder Zentimetern. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die mittels des ersten Differenz-Temperatursensors 11 ermittelten Werte möglichst einen Temperaturgradienten ATi im Bereich des Temperatursensors 5 wiederspiegeln. Bei dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel sind die erste 6a und zweite Anschlussleitung 6b separat an das Widerstandselement 13 angebracht. Der erste Abschnitt I der ersten Anschlussleitung 6a und der Teil t der zweiten Anschlussleitung 6b sind also mittelbar über das Widerstandselement 13 verbunden. In einer anderen Ausgestaltung könnte der erste Abschnitt I der ersten Anschlussleitung 6a und der Teil t der zweiten Anschlussleitung 6b aber auch direkt miteinander verbunden und dann an den Temperatursensor 5 angebracht sein.

In der in Fig. 2b gezeigten Ausgestaltung ist auch die zweite Anschlussleitung 6b in einen ersten III und einen zweiten Abschnitt IV unterteilt. Der erste Differenz-Temperatursensor 11 ist in diesem Fall durch die ersten Abschnitte I und III der ersten 6a und zweiten 6b Anschlussleitungen gebildet. Gemäß Fig. 2b, aber nicht notwendigerweise, sind die beiden ersten Abschnitte I und III der beiden Anschlussleitungen 6a und 6b gleich lang. Bei den zweiten Abschnitten II und IV der ersten 6a und zweiten 6b Anschlussleitungen handelt es sich in diesem Fall um, vorzugsweise gleichartig ausgestaltete, Verlängerungsdrähte. Aber auch im Falle der Ausgestaltung gemäß Fig. 2a ist es von Vorteil, wenn der zweite Abschnitt II der ersten Anschlussleitung 6a und die zweite Anschlussleitung 6b gleichartig ausgestaltet sind.

Mittels des Differenz-Temperatursensors 11 kann ein Wärmestrom W ermittelt und ein geeignetes Modell MOD für die Wärmeleitung bereitgestellt werden, mittels welchem eine Messwertabweichung ÖT bestimmbar ist. Mittels der Messwertabweichung ÖT lassen sich die mittels des Temperatursensors 5 ermittelten Messwerte korrigieren und/oder justieren, also Messfehler kompensieren und/oder es kann eine Zustandsüberwachung des Thermometers 1 durchgeführt werden.

Die Erfindung ist in diesem Zusammenhang jedoch keineswegs auf derart ausgestaltete Kombinationen der Temperatursensoren 5 und zumindest einem zusätzlichen Thermoelement begrenzt. In anderen Ausgestaltungen, in welchen neben einem Temperatursensor 5 ein zusätzliches Thermoelement vermittels der Anschlussleitungen 6 gebildet wird, können dagegen beispielsweise auch jeweils dem Temperatursensor 5 zugewandte Abschnitte der Anschlussleitungen 6 gleich und dem Temperatursensor 5 abgewandte Abschnitte unterschiedlich ausgestaltet sein. Wie bereits erwähnt, ist auch eine Ausgestaltung entsprechend der Lehre der DE102014119593A1 möglich.

Fig. 3 illustriert eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 3a zeigt ein Eingangssignal E variabler Leitung P als Funktion der Zeit t, welches für das gezeigte Beispiel in Form eines gepulsten Signals vorliegt. Dargestellt sind zwei Pulse API=P2-PI und AP2=PS-PI mit unterschiedlicher Amplitude. Neben einer Variation der Amplitude können auch andere charakteristische Größen, wie beispielsweise der Frequenz, oder auch mehrere charakteristische Größen variiert werden, welche eine Änderung der Leitung P des Eingangssignals E hervorrufen. Das Ausgangssignal A des Temperatursensors 5 ist in Reaktion auf das Eingangssignal E aus Fig. 3a ist in Fig. 3b illustriert. Dargestellt ist die Temperaturantwort des Temperatursensors 5 infolge des gepulsten Eingangssignals E aus Fig. 3a. Die Amplitude T des Ausgangssignals A ändert sich zum einen mit der Leistung P. So weist die Temperaturantwort ATPI auf den ersten Leistungspuls APi eine kleinere Amplitude auf als die hier nur angedeutete Temperaturantwort ATP2 auf den ersten Leistungspuls AP2.

Zudem sind aber die Amplitude T und auch eine Zeitkonstante ö der Sprungantwort des Temperatursensors 5 infolge des Leitungspulses AP1 von der Kopplung an das Medium M abhängig, wie im Folgenden am Beispiel der Antwort auf den ersten Leistungspuls AP1 näher erläutert. Die mit K1 bezeichnete Kurve betrifft eine im Vergleich zu der mit K2 bezeichneten Kurve eine schlechte Kopplung an das Medium M und K2 eine vergleichsweise gute Kopplung an das Medium M. Im Falle der vergleichsweise schlechten Kopplung K1 weist das Antwortsignal A infolge des Leistungspulses AP1 eine höhere Amplitude TKI und eine größere Zeitkonstante ÖKI . Die Reaktion auf den Leitungspuls AP1 ist somit deutlich träger, während die Amplitude der Antwort höher ist. Im Falle der guten Kopplung K2 dagegen weist das Antwortsignal A infolge des Leistungspulses AP1 eine geringere Amplitude TK2 und eine geringere Zeitkonstante ÖK2. Die Reaktion auf den Leitungspuls AP1 ist somit deutlich schneller, während die Amplitude der Antwort geringer ist. Die Amplitude des Ausgangssignals A in Reaktion auf das Eingangssignal E variabler Leistung P sinkt also mit der Güte der Kopplung, während die Zeitkonstante ö mit zunehmender Güte der Kopplung steigt. Diese Überlegungen lassen sich unmittelbar auf die ebenfalls in Fig. 3b dargestellte Antwort auf den zweiten Leistungspuls AP2 des Eingangssignals E übertragen. Es versteht sich von selbst, dass neben der hier beschriebenen Auswertung der Amplitude T und Zeitkonstante ö auch eine oder mehrere andere charakteristische Größen des Ausgangssignals A oder von zumindest einer charakteristischen Größe des Ausgangssignals A abgeleitete Größen zur Ermittlung einer Aussage über die Kopplung an das Medium M herangezogen werden können, wie beispielsweise Verhältnisse der Amplituden, Zeitprozentkennwerte, Verhältnisse der Temperaturänderungen nach bestimmten festgelegten Zeitintervallen und viele weitere.

Zudem ist es möglich, für unterschiedliche Leistungspulse AP die Amplitude TK des Antwortsignals A zu ermitteln. Dies erlaubt auch einen Rückschluss auf einen Zusammenhang zwischen der Leistung P des Eingangssignals und der gemessenen Temperatur T und damit eine Extrapolation auf eine Temperatur T im Falle von P=0. Es ist somit die Durchführung eines Eigenerwärmungstests möglich, wie in Fig. 3c illustriert. In diesem Zusammenhang ist es jedoch wünschenswert, wenn sich die Temperatur T des Mediums M für den zur Extrapolation benötigten Zeitraum nicht oder nur unwesentlich ändert.

Bezugszeichenliste

1 Thermometer

2 Eintauchkörper

3 Messeinsatz

4 Elektronik

5 Sensorelement

6, 6a, 6b Anschlussleitung l-IV Abschnitte der Anschlussleitungen

7 Heizelement

8 Anschlussdrähte

9 Diagnose-Einheit

9a Einrichtung

10 Behältnis

11 Differenz-Temperatursensor

M Medium

T Temperatur

E Eingangssignal

A Ausgangssignal

P, Pi, P ₂ , P ₃ Leistung

AP, API, AP ₂ Leistungspulse

ATPI , ATp2 Temperatur infolge unterschiedler Leistungspulse

K, Ki, K ₂ Kopplungen an das Medium

TK1 , TK2 Temperatur infolge unterschiedlicher Kopplung

ÖK1 , ÖK2 Zeitkonstante infolge eines Leistungspulses

AT, ATi Temperaturgradient

ÖT Messwertabweichung

MOD Modell für die Wärmeleitung t Teil des zweiten Anschlussleitung