ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2018 года по МПК G01K7/02 G01K7/16 G01K1/20 G01K15/00 

Изобретение относится к термочувствительному элементу, термометру, способу эксплуатации термометра и к использованию термочувствительного элемента, термометра и способа.

Из уровня техники из описания изобретения к патенту DE 69733138 T2 известен температурный датчик с самотестированием. В этой публикации представлен датчик с самотестированием с первой термопарой и второй термопарой, отличающийся тем, что зависимый от температуры элемент выполнен в виде импедансного элемента, который содержит первый конец и второй конец, причем первая термопара соединена с первым концом, а вторая термопара соединена со вторым концом, и термоэлемент, который соединен с зависимым от температуры элементом между первым и вторым концами.

Термометры в автоматизации процессов должны измерять температуру технологической среды. На практике элемент с датчиком отделен от технологической среды несколькими последовательно включенными термическими сопротивлениями (защитная труба, соединение защитной трубы с измерительным наконечником, оболочка измерительного наконечника, порошок или заливка вокруг датчика). Базируясь на полученных опытным путем величинах, геометрическую длину защитной трубы выбирают таким образом, что происходит комплексная термическая компенсация между датчиком и технологической средой.

Если термометр является слишком коротким для комплексной термической компенсации (примечание: правильная длина зависит от многих факторов, например, разности между температурой процесса и температурой окружающей среды, теплопроводности материалов термометра, соединения измерительного наконечника с защитной трубой, теплопроводности технологической среды, скорости протекания потока технологической среды), то на последних сантиметрах в направлении острия датчика существует относительно высокий температурный градиент.

В литературе указаны методы определения истинной технологической величины, среди прочего, с тремя равноудаленными температурными датчиками (Клаус Иррганг, Лотар Михаловски: «Практика измерения температур», ISBN-13: 978380272204). В практических условиях они трудоемки как в отношении конструкции датчиков, так и в отношении оценки их сигналов. При этом конструкция термометра является весьма требовательной в отношении рабочих характеристик.

Наряду с термометрами, выполненными со слишком короткой геометрической длиной, в практических условиях также и термометры, осуществляющие при первоначальном монтаже корректное измерение, с течением времени не могут более корректно измерять температуру процесса, если, например, технологическая среда образует на защитной трубе слои отложений (налипание) или если ухудшено термическое соединение измерительного наконечника с защитной трубой.

Последующее изобретение обеспечивает возможность несложной реализации (применительно как к конструкции датчика, так и к оценке сигналов) соответствующей диагностики термометров сопротивления, будь то случай, когда в области острия датчика происходит термическая компенсация или когда существует «подозрительный» температурный градиент, который указывает на одну из упомянутых выше проблем измерения: в случае резистивного датчика по схеме четырех проводников, на каждом из четырех присоединительных проводов, которые все вместе расположены на малом удалении от датчика, часть присоединительной линии заменяют другим материалом (см. фиг. 1), так что между присоединительными линиями 1 и 2 в соответствии с эффектом Зеебека может быть измерено термическое напряжение, как только вдоль «красного провода» возникает температурный градиент. Несмотря на то, что для корректного измерения разности должна была бы быть также известна температура в позиции а, при выборе пар материала, электродвижущая сила которого является относительно неизменной в отношении температуры, в качестве замены достаточно использовать температуры резистивного датчика МЕ для приблизительного определения разности температур. Если в общей области острия датчика, в которой находится также участок a-b, происходит термическая компенсация, то и термическое напряжение равно нулю и оценка термоэлемента не является более необходимой.

В принципе, могла бы быть произведена замена также провода справа в аналогичной форме и в идеальном случае, однако, лишь с половиной длины. Так, мог быть сделан относительно точный «прогноз» о том, насколько высока ошибка отвода и определена «истинная температура процесса».

Температурный градиент (ошибку теплоотвода) вдоль погружного тела, в котором расположен измерительный элемент, измеряют дополнительно встроенным термоэлементом. При этом термоэлемент интегрирован в одну или несколько из присоединительных линий измерительного элемента.

Это изобретение можно использовать при известных измерительных элементах и термометрах, так как в качестве присоединительных линий уже используют плечи весьма хорошо пригодного термоэлемента типа К. Измерение разности температур можно проводить с помощью второго канала передатчика (измерительного преобразователя) или также, однако, с помощью простого мультиметра. Специальная функция в описании устройства, например, DTM (режим передачи данных), или встроенное программное обеспечение термометра могут служить для осуществления контроля или для определения того, указывает ли измеренная величина разности температур на «проблему при измерении», среди прочего со вспомогательным привлечением других величин, таких как измеренная величина измерительного элемента, например, RTD (термометра сопротивления), информации о защитной трубе, температура окружающей среды и информации о технологической среде.

Также исторические записи тенденций температурных градиентов могут дать указания на ухудшение качества измерения. Эти диагностики можно было бы использовать (возможно, совместно с другими, уже существующими диагностиками).

В одной форме исполнения термочувствительный элемент содержит зависимый от температуры измерительный элемент, который может контактировать через по меньшей мере одну первую соединительную линию и по меньшей мере одну вторую соединительную линию, причем первая соединительная линия содержит первый и второй участки и причем первый и второй участки состоят из различных материалов.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента первый и второй участки первой соединительной линии образуют термоэлемент.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента второй участок расположен между измерительным элементом и первым участком.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента вторая соединительная линия состоит из того же материала, что и первый участок первой соединительной линии.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента первая соединительная линия соединена через измерительный элемент со второй соединительной линией.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента вторая соединительная линия непосредственно соединена с первой соединительной линией.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента первый участок первой соединительной линии, с которой граничит второй участок первой соединительной линии, и второй участок первой соединительной линии, с которым граничит вторая соединительная линия, предпочтительно непосредственно соединены между собой электрически.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента первая и вторая соединительные линии проходят вдоль участка встраивания до измерительного элемента, причем первый участок первой соединительной линии проходит вдоль первой части этого участка встраивания и второй участок проходит вдоль второй части участка встраивания, а первая и вторая части не соединены внахлестку.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента второй участок проходит вдоль части участка встраивания, который расположен между измерительным элементом и первым участком первой соединительной линии.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента вторая соединительная линия проходит вдоль участка встраивания до измерительного элемента или контактного средства измерительного элемента.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента измерительный элемент содержит первое контактное средство и второе контактное средство, например, в виде провода или места пайки, причем первая и вторая соединительные линии подключены к первому контактному средству.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента третья соединительная линия подключена ко второму контактному средству.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента четвертая соединительная линия подключена ко второму контактному средству.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента третья соединительная линия выполнена из того же материала, что и первый участок первой соединительной линии и/или из того же материала, что и вторая соединительная линия.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента четвертая соединительная линия выполнена из того же материала, что и первый участок первой соединительной линии и/или из того же материала, что и вторая соединительная линия и/или из того же материала, что и третья соединительная линия.

В следующей форме исполнения термочувствительного элемента в случае измерительного элемента речь идет о зависимом от температуры сопротивлении, например, типа РТ100.

В одной форме исполнения термометр содержит термочувствительный элемент в соответствии с одной из перечисленных форм исполнения и, далее, измерительный преобразователь, который (электрически) соединен с первой соединительной линией и второй соединительной линией, в частности, с проксимальным концом первой или второй соединительных линий.

В следующей форме исполнения термометра измерительный преобразователь служит для распознавания напряжения между первой и второй соединительными линиями, в частности, между проксимальным концом первой соединительной линии или второй соединительной линии.

В следующей форме исполнения термометра измерительный преобразователь соединен, далее, с третьей и/или четвертой соединительной линией, предпочтительно с проксимальным концом третьей или четвертой соединительными линиями.

В следующей форме исполнения термометра измерительный преобразовать служит, далее, для распознавания напряжения между третьей и четвертой соединительными линиями.

В следующей форме исполнения термометра измерительный преобразователь служит, далее, для распознавания напряжения между второй и третьей соединительными линиями.

В следующей форме исполнения термометра измерительный преобразователь служит, далее, для распознавания напряжения между второй и четвертой соединительными линиями.

В следующей форме исполнения термометра в измерительный преобразователь, например, в блок памяти измерительного преобразователя, записано сравнительное значение для сравнения присутствующего между первой и второй соединительными линиями напряжения со сравнительным значением и в зависимости от сравнения для выработки сообщения, которое указывает, не превысило ли напряжение между первой и второй соединительными линиями сравнительное значение.

В следующей форме исполнения термометра измерительный преобразователь оснащен интерфейсом связи для предпочтительно цифровой связи, который служит для предпочтительно регулярной или зависимой от события передачи этого сообщения, например, на полевую шину, к которой может быть подключен термометр.

В следующей форме исполнения термометра сообщение служит для определения теплоотвода или ошибки теплоотвода вдоль прохождения соединительных линий, то есть участка встраивания измерительного элемента.

В следующей форме исполнения термометра измерительный преобразователь служит для определения величины измерения на основании сигнала измерительного элемента.

В следующей форме исполнения термометра измерительный преобразователь служит, далее, для корректировки величины измерения в зависимости от напряжения, присутствующего между первой и второй соединительными линиями.

В одной форме исполнения способ служит для контроля термометра в соответствии с одной из перечисленных выше форм исполнения, для контроля термочувствительного элемента в соответствии с одной из перечисленных выше форм исполнения, в частности, термометра с термочувствительным элементом в соответствии с одной из перечисленных выше форм исполнения.

В одной форме осуществления способа производят распознавание напряжения между первой и второй соединительными линиями.

В одной форме осуществления способа распознанное между первой и второй присоединительными линиями напряжение сравнивают со сравнительным значением, например, сравнительным напряжением.

В одной форме исполнения использования для определения теплоотвода или ошибки теплоотвода используют термочувствительный элемент, термометр или способ по меньшей мере по одной из предшествующих форм исполнения.

Изобретение поясняется более подробно на основании приведенных ниже чертежей. Фигуры показывают:

фиг. 1 - схематическое изображение одной формы исполнения термочувствительного элемента;

фиг. 2 - схематическое изображение следующей формы исполнения термочувствительного элемента, расположенного в гильзе, такой как, например, погружное тело, например, в форме защитной трубы.

Фиг. 1 показывает термочувствительный элемент, который работает по принципу техники четырех проводников или измерения в четырех точках. При этом предусмотрены первая, вторая, третья и четвертая соединительные линии. Эти соединительные линии проходят вдоль участка встраивания до измерительного элемента МЕ. Первая соединительная линия содержит первый участок Т1, проходящий вдоль первой части участка встраивания, и вторую часть Т2, проходящую на протяжении подключаемой к ней части участка встраивания. Первый участок выполнен из первого материала, а вторая часть выполнена из отличного от него материала. При этом спаривание материалов выбирают таким образом, что возникает термоэлектрический эффект на основании разности температур между точками а и b, если такая разность температур между точками а и b вообще существует. В точке а первый участок первой соединительной линии соединен со вторым участком. В точке b второй участок соединен со второй соединительной линией и/или с контактным средством измерительного элемента.

К следующему контактному средству измерительного элемента, в случае которого речь идет, например, о зависимом от температуры сопротивлении, подключены третья и четвертая соединительные линии. Соединительные линии образуют различные измерительные каналы, через которые может быть определено термическое напряжение первой соединительной линии или, например, между концами первой и второй соединительных линий. Далее, может быть предусмотрен следующий измерительный канал между второй и третьей соединительными линиями, который служит для снятия сигнала измерения при помощи измерительного элемента, который соответствует определенной температуре.

Вследствие расположения первого места а соединения и второго места b соединения вдоль различных высот участка встраивания может быть определена разность температур, то есть температурный градиент между высотой, на которой расположена точка а, и высотой, на которой расположена точка b.

Фиг. 2 показывает термочувствительный элемент, используемый, например, в измерительном наконечнике. Такой измерительный наконечник либо непосредственно погружают в технологическую среду, либо располагают в защитной трубе, которая защищает измерительный наконечник от действия технологической среды, температура которой подлежит измерению.

Измерительный наконечник содержит, например, металлическую гильзу Н, в которой расположен заполнитель V, например, заливка, например, из керамического материала, и в этот заполнитель V снова внедрен термочувствительный элемент, в частности, измерительный элемент МЕ вместе с соединительными линиями 1, 2.

В данном случае измерительный элемент соединен с помощью двух соединительных линий 1, 2. Альтернативно может быть выбрана также конструкция с тремя или четырьмя соединительными линиями, как показано на фиг. 1.

Первая соединительная линия 1 по фиг. 2 содержит первый участок, который через место а соединения соединен со вторым участком. При этом участки различаются материалами, из которых они изготовлены. Через место b соединения второй участок соединен с измерительным элементом. Вторая соединительная линия 2 также соединена с измерительным элементом МЕ. При этом первая соединительная линия 1 через измерительный элемент соединена со второй измерительной линией 2. Как упоминалось выше, термическое напряжение может возникать на основании различных пар материалов в месте а и b соединения. Это термическое напряжение может быть определено между соединительными линиями 1, 2 и использовано для определения ошибки теплоотвода.

При этом участок между местами а, b соединения может быть выбран таким образом, что он при встроенном состоянии расположен в полости резервуара, в которой также находится технологическая среда. При этом термочувствительный элемент вместе с гильзой может непосредственно подвергаться воздействию технологической среды или быть защищенным от нее с помощью защитной трубы. Предпочтительно участок между местами соединения существенно короче остального участка соединительной линии, например, участок между а и b меньше половины, предпочтительно меньше трети или шестой части или седьмой части или восьмой части общей длины Т1, Т2 соединительной линии 1.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры технологической среды. Предложен термочувствительный элемент (10), содержащий зависимый от температуры измерительный элемент (МЕ), который может контактировать через по меньшей мере одну первую соединительную линию (1) и по меньшей мере одну вторую соединительную линию (2), причем первая соединительная линия (1) содержит первый и второй участки (Т1, Т2), состоящие из различных материалов. Технический результат – повышение точности получаемых данных. 7 н. и 23 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термочувствительный элемент (10), содержащий зависимый от температуры измерительный элемент (МЕ), установленный с возможностью контактирования через по меньшей мере одну первую соединительную линию (1) и по меньшей мере одну вторую соединительную линию (2), причем первая соединительная линия (1) содержит первый и второй участки (Т1, Т2), при этом второй участок (Т2) расположен между измерительным элементом (МЕ) и первым участком (Т1), причем первая и вторая соединительные линии (1, 2) проходят вдоль участка встраивания до измерительного элемента (МЕ), причем первый участок (Т1) первой соединительной линии проходит вдоль первой части этого участка встраивания и второй участок (Т2) проходит вдоль второй части участка встраивания, при этом первая и вторая части не соединены внахлестку, причем первый и второй участки (Т1, Т2) первой соединительной линии (1) состоят из различных материалов и образуют термоэлемент.

2. Термочувствительный элемент (10) по п. 1, в котором вторая соединительная линия (2) состоит из того же материала, что и первый участок (Т1) первой соединительной линии (1).

3. Термочувствительный элемент (10) по п. 1 или 2, в котором первая соединительная линия (1) через измерительный элемент (МЕ) соединена со второй соединительной линией (2).

4. Термочувствительный элемент (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором вторая соединительная линия (2) непосредственно соединена с первой соединительной линией (1).

5. Термочувствительный элемент (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором первый участок (Т1) первой соединительной линии (1) граничит со вторым участком (Т2) первой соединительной линии (1), а второй участок (Т2) первой соединительной линии (1) граничит со второй соединительной линией (2) и предпочтительно соответственно непосредственно электрически соединены друг с другом.

6. Термочувствительный элемент (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором второй участок (Т2) проходит вдоль части участка встраивания, расположенной между измерительным элементом (МЕ) и первым участком (Т1) первой соединительной линии (1).

7. Термочувствительный элемент (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором вторая соединительная линия (2) проходит вдоль участка встраивания до измерительного элемента (МЕ) или контактного средства (К1, К2) измерительного элемента.

8. Термочувствительный элемент (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором измерительный элемент (МЕ) содержит первое контактное средство (К1) и второе контактное средство (К2), например, в виде провода или места пайки,

причем первая и вторая соединительные линии (1, 2) подключены к первому контактному средству (К1).

9. Термочувствительный элемент (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором ко второму контактному средству (К2) подключена третья соединительная линия (3).

10. Термочувствительный элемент (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором ко второму контактному средству (К2) подключена четвертая соединительная линия (4).

11. Термочувствительный элемент (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором третья соединительная линия (3) состоит из того же материала, что и первый участок (Т1) первой соединительной линии (1) и/или из того же материала, что и вторая соединительная линия (2).

12. Термочувствительный элемент (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором четвертая соединительная линия (4) состоит из того же материала, что и первый участок (Т1) первой соединительной линии и/или из того же материала, что и вторая соединительная линия (2) и/или из того же материала, что и третья соединительная линия (3).

13. Термочувствительный элемент (10) по любому из предшествующих пунктов, в котором в случае измерительного элемента речь идет о зависимом от температуры сопротивлении, например, типа РТ100.

14. Термометр с термочувствительным элементом (10) по любому из пп. 1-13, содержащий измерительный преобразователь, электрически соединенный с первой соединительной линией (1) и второй соединительной линией (2), в частности с проксимальным концом первой или второй соединительной линии.

15. Термометр по п. 14, в котором измерительный преобразователь служит для распознавания напряжения между первой и второй соединительными линиями (1, 2), в частности проксимальным концом первой соединительной линии или второй соединительной линии.

16. Термометр по п. 14 или 15, в котором измерительный преобразователь соединен, далее, с третьей и/или четвертой соединительными линиями (3, 4), предпочтительно с проксимальным концом третьей или четвертой соединительной линии, причем измерительный преобразователь служит для распознавания напряжения между третьей и четвертой соединительными линиями (3, 4).

17. Термометр по любому из пп. 14-16, в котором измерительный преобразователь служит для распознавания напряжения между второй и третьей соединительными линиями (2, 3).

18. Термометр по любому из пп. 14-17, в котором измерительный преобразователь служит для распознавания напряжения между второй и четвертой соединительными линиями (2, 4).

19. Термометр по любому из пп. 14-18, в котором в измерительный преобразователь записано сравнительное значение для сравнения присутствующего между первой и второй соединительными линиями (1, 2) напряжения со сравнительным значением и в зависимости от сравнения для выработки сообщения, которое указывает, не превысило ли напряжение между первой и второй соединительными линиями (1, 2) сравнительное значение.

20. Термометр по любому из пп. 14-19, в котором измерительный преобразователь содержит коммуникационный интерфейс, который служит, например, в случае возможности подключения полевой шины к термометру, предпочтительно для передачи этого сообщения регулярно или в зависимости от события.

21. Термометр по любому из пунктов 14-20, в котором сообщение служит для констатации теплоотвода или ошибки теплоотвода вдоль прохождения соединительных линий, то есть участка встраивания измерительного элемента (МЕ).

22. Термометр по любому из пп. 14-21, в котором измерительный преобразователь служит для определения величины измерения на основании измерительного сигнала измерительного элемента (МЕ).

23. Термометр по любому из пп. 14-22, в котором измерительный преобразователь служит, далее, для корректировки величины измерения в зависимости от напряжения, присутствующего между первой и второй соединительными линиями (1, 2).

24. Способ контроля термочувствительного элемента (10) по любому из пп. 1-13.

25. Способ по п. 24, в котором распознают напряжение между первой и второй соединительными линиями (1, 2).

26. Способ по п. 24 или 25, в котором распознанное между первой и второй соединительными линиями (1, 2) напряжение сравнивают со сравнительным значением или со сравнительным напряжением.

27. Способ контроля термометра с термочувствительным элементом по любому из пп. 1-13.

28. Применение термочувствительного элемента (10) по любому из пп. 1-13 для определения теплоотвода или ошибки теплоотвода.

29. Применение термометра по любому из пп. 14-23 для определения теплоотвода или ошибки теплоотвода.

30. Применение способа по любому из пп. 24-27 для определения теплоотвода или ошибки теплоотвода.