具有诊断功能的温度计

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质的温度的设备。

背景技术

从现有技术在很多种实施例中已知温度计。因此，存在使用具有已知膨胀系数的液体、气体或固体的膨胀以便测量温度的温度计，或者还存在将材料的电导率或由其导出的量与温度相关联的其它温度计，诸如当使用例如电阻元件时的电阻，或者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其温度。基本的测量原理各自已经在出版物被描述。

在电阻元件形式的温度传感器的情况下，所谓的薄膜和厚膜传感器以及所谓的热敏电阻器(也称为NTC热敏电阻器)等已经是已知的。在薄膜传感器的情况下，特别是电阻温度检测器(RTD)的情况下，例如，设置有连接导线并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。作为传感器元件，使用所谓的电阻元件，例如铂元件形式的电阻元件，除了别的以外，这些电阻元件也可以在商业上以名称PT10、PT100和PT1000获得。

然而，在热电偶形式的温度传感器的情况下，温度通过不同材料制成的单侧连接的热导线之间产生的热电压来确定。符合DIN标准IEC584的热电偶，例如K、J、N、S、R、B、T或E型热电偶，通常用作温度测量的温度传感器。然而，其它材料对，特别是那些具有可测量的塞贝克效应的材料，也是可能的。

在过程自动化中温度计的任务是可靠地且尽可能准确地确定介质或过程介质的温度。在实践中，存在的问题是，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离。例如，这种热电阻来自温度计的单个部件的结果，也可能来自介质所在的容器，例如储器或管道的结果。通常，温度传感器是所谓的测量插件的一部分，该测量插件包括包围填充物的外壳元件和嵌入其中的温度传感器。在这种情况下，例如，由于外壳和填充物的原因，导致串联热电阻。

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和测量插件之间的热耦合，产生更多的串联热电阻。保护管的长度和测量插件的长度的选择对实现过程介质和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/或测量插件太短，温度传感器区域可能出现温度梯度。这种温度梯度一方面视情况而定取决于介质温度或过程温度与环境温度之间的差异。然而，另一方面，分别使用的温度计部件的热导率、各个部件之间的热耦合以及不同的过程参数，诸如过程介质的流速等也起着决定性的作用。

在温度传感器区域中出现温度梯度的另一原因是在温度计上，例如在保护管或测量插件上，特别是在温度传感器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和分别与介质接触的温度计部件，例如保护管或外壳元件之间的热耦合的变化，特别是恶化。

由于温度传感器区域中的这种温度梯度，测量值的相当大的伪造可能独立于梯度的确切原因而发生。

以便避免测量值的这种伪造，使用三个等距的温度传感器来确定真实的温度值，例如温度测量实践(Klaus Irrgang、Lothar Michalowsky，Temperaturmesspraxis，ISBN-13：978380272204)是已知的。然而，这种方法需要相对复杂的结构和信号评估。

DE102014119593A1公开了一种能够沿着连接线检测温度梯度的温度计。所谓的4-导体电路中的电阻元件被用作温度传感器。在连接线中的一条连接线上，该连接线的一段被另一种材料代替，使得由该连接线和另一条连接线形成差分热电偶。一旦在由两个元件或两种材料构成的连接线上出现温度梯度，就会产生热电压，该热电压给出了关于沿着连接线的温度梯度的信息。然而，该温度梯度仅与连接线的延伸方向有关。不能对温度传感器区域内直接出现的任何温度梯度进行直接陈述。

发明内容

因此，本发明的目的是指定一种具有最高可能测量性能，特别是具有高测量准确性的温度计。

该目的通过根据权利要求1的设备来实现。有利的实施例分别在从属权利要求中指定。

本发明的目的通过一种用于确定和/或监测介质的温度的设备来实现，该设备包括具有温度敏感传感器元件的温度传感器，该温度传感器元件经由至少第一连接线和第二连接线电接触。第一连接线被分成第一段和第二段，其中面向传感器元件的第一段由第一材料构成，并且其中背离传感器元件的第二段由不同于第一材料的第二材料构成，而第二连接线同样由第二材料构成。第一连接线的第一段和第二连接线的至少一部分形成热电偶形式的第一温度差传感器。

根据本发明，第一温度差传感器原则上是根据热电原理的热流传感器，通过该热流传感器可以检测温度传感器位置处的温度梯度或热流。如果在温度传感器的区域中出现温度梯度，则出现通过温度传感器确定的温度值的测量值伪造。在这种情况下，可以通过第一温度差传感器来检测热电压。有利的是，温度梯度因此可以在温度传感器的位置，即在确定和/或监测温度的位置被直接检测。一方面，第一连接线和第二连接线的两个第一段可以彼此直接连接并共同附接到温度传感器。在这种情况下，热电偶形式的第一温度传感器尤其合适。第一连接线和第二连接线也可以单独附接到温度传感器。在第二种情况下，第一连接线的第一段和第二连接线的第一段于是可以通过例如温度传感器彼此电连接。

两条连接线一方面用于接触温度传感器。第一连接线的至少第一段和第二连接线的至少一部分同时形成第一温度差传感器，通过该第一温度差传感器可以检测温度传感器区域中的热流。

在一个实施例中，温度传感器的温度敏感传感器元件是电阻元件。取决于电阻元件的类型和设计，第一连接线和第二连接线或者第一连接线的第一段和第二连接线的第一段然后可以例如直接附接到电阻元件或者也直接附接到其上布置有电阻元件的基板。因此，接触可以例如经由传感器元件和经由其上布置有传感器元件的基板来进行。同样可以在基板上布置至少一条连接线的至少部分区域，特别是至少一条连接线的第一部分。在电阻元件作为薄膜或厚膜传感器的实施例的情况下，至少一条连接线的布置在基板上的至少一个部分区域可以有利地与传感器元件一起以薄膜或厚膜方法制造。

在该设备的另一实施例中，第二连接线被分成面向传感器元件的第一段和背离传感器元件的第二段。在这种情况下，第一温度差传感器由第一连接线的第一段和第二连接线的第一段形成。相反，第一连接线的第二段和第二连接线的第二段可以是所谓的延伸导线，其可以连接到两条连接线的第一段。

特别优选的实施例包括第一连接线的第一段和第二连接线的第一段或者第二连接线的至少一部分以如下的方式设定尺寸，特别是其中长度、横截面积和/或材料以如下的方式被选择：使得通过第一连接线的第一段和/或通过第一连接线的第一热流的值和通过第二连接线的第一段、第二连接线的一部分和/或第二连接线的第二热流的值基本上相等。

通过适当地设定连接线或连接线的段的尺寸，可以实现沿着两条连接线的热流基本上相同。这样，可以显著减少第一温度差传感器对测量值的伪造。例如，由第二材料构成的连接线的段，特别是第二连接线的段和第一连接线的第二段，可以被相同地设计，同时第一连接线的第一段被适当地设定尺寸。然而，在将第二连接线分成第一段和第二段的情况下，第一段和第二段也可以例如具有不同的尺寸，而第一连接线的第二段和第二连接线的第二段被设定成相同的尺寸。在这方面，可以想到许多不同的变型，所有这些都落入本发明内。

如果第一连接线的第一段和第二连接线的第一段具有基本相同的长度是有利的。这尤其允许连接线的第一段以简单的方式连接到形成延伸导线的第二段。

另一优选实施例包括：该设备包括用于电接触温度传感器的至少一个第三连接线。这里可以想到许多不同的实施例，所有这些都落入本发明内。第二连接线和第三连接线都可以例如与第一连接线一起形成第一温度差传感器。也可以想到在所谓的两导体电路或三导体电路中操作温度传感器。

关于具有三条连接线的实施例，如果第三连接线被分成面向传感器元件的第一段和背离传感器元件的第二段是有利的，其中第三连接线的第一段由第一材料和第三材料构成，其中第三连接线的第二段由第二材料构成，并且其中第三连接线的第一段和第二连接线的至少一部分形成热电偶形式的第二温度差传感器。第二温度差传感器也可以用于检测热流，特别是在温度传感器的区域中。一方面，第一温度差传感器和第二温度差传感器可以相同地设计。然而，也可以想到不同地设计两个温度差传感器。为此目的，例如，第一连接线的第一段和第三连接线的第一段可以设定成不同的尺寸，例如关于在每种情况下使用的长度、横截面或材料。

在另一特别优选的实施例中，该设备包括用于电接触温度传感器的至少第四连接线。在这方面，许多不同的实施例也是可以想到的，所有这些都落入本发明内。例如，第二连接线、第三连接线或第四连接线可以与第一连接线形成第一温度差传感器。同样想到适用于可选存在的第二温度差传感器。也可以设想在所谓的双导体、三导体或四导体电路中操作温度传感器。

如果第四连接线被分成面向传感器元件的第一段和背离传感器元件的第二段是有利的，其中第四连接线的第一段由第一材料、第三材料或第四材料构成，其中第四连接线的第二段由第二材料构成，并且其中第四连接线的第一段和第二连接线或第三连接线的至少一部分形成热电偶形式的第三温度差传感器。第三温度差传感器也可以用于检测热流，特别是在温度传感器的区域中。一方面，第一温度差传感器、第二温度差传感器和/或第三温度差传感器可以相同地设计。然而，也可以想到不同地设计至少三个温度差传感器中的至少两个。为此，第一连接线的第一段、第三连接线的第一段和/或第四连接线的第一段可以被例如不同地设定，例如关于在每种情况下使用的长度、横截面或材料。

优选实施例包括：例如，第三连接线和/或第四连接线的第一段的长度不同于第一连接线的第一段的长度。

在一个实施例中，根据本发明的设备包括电子模块，该电子模块被设计成检测在第一温度差传感器、第二温度差传感器和/或第三温度差传感器处下降的第一热电压、第二热电压和/或第三热电压。

在这方面，如果电子模块被设计成基于第一热电压、第二热电压和/或第三热电压来确定温度传感器的热流，特别是散热则是有利的。例如，如果在第一温度差传感器、第二温度差传感器和/或第三温度差传感器处没有出现热电压，则可以得出结论，在温度传感器的区域中没有出现温度梯度。因此，可以排除由于温度传感器区域中的热流而对通过温度传感器获得的介质温度测量值的伪造。

如果电子模块被设计成基于第一热电压、第二热电压和/或第三热电压来检测温度计的介质接触部件，特别是保护管上的沉积物也是有利的。如果在连续操作中温度计上形成沉积物，这可能对温度计的热特性有相当大的影响，特别是对介质和温度计之间的热耦合有相当大的影响，因此可能是温度传感器区域出现温度梯度的原因。

此外，如果电子模块被设计成基于第一热电压、第二热电压和/或第三热电压来确定关于介质的物理性质和/或化学性质的陈述，例如介质的流率、流速或比热容、或传热系数、热流或介质成分的变化，则是有利的。同样在这种情况下，这些变量中的一个的变化导致介质和温度计之间的热耦合的变化，并且因此可能是在温度传感器的区域中出现温度梯度的原因。

附图说明

基于以下附图更详细地解释本发明。如下所示：

图1：根据现有技术的温度计的示意图，其具有电阻元件形式的温度传感器；

图2：根据本发明的温度计的示意图，在不同的实施例中具有两条连接线；

图3：根据本发明的温度计的示意图，在不同的实施例中具有三条连接线；以及

图4：根据本发明的温度计的示意图，在不同的实施例中具有四条连接线。

在附图中，相同的特征用相同的附图标记来标识。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的温度计1的示意图，该温度计1具有浸没体2例如保护管、测量插件3和电子模块4。测量插件3被引入浸没体2中，并且包括温度传感器5，在当前情况下，温度传感器5包括电阻元件形式的温度敏感元件。温度传感器经由连接线6电接触并连接到电子模块4。在其它实施例中，电子模块4也可以与测量插件3和浸没体2分开布置。此外，传感器元件5不必一定是电阻元件，所使用的连接线6的数量也不必一定是两条。相反，连接线6的数量可以取决于所使用的测量原理和所使用的温度传感器来适当选择。

如已经解释的，温度计1的测量准确性在很大程度上取决于相应的材料和接触装置，特别是热接触装置，特别是在温度传感器5的区域中的热接触装置。温度传感器5间接地，即经由浸没体2与介质M热接触。温度传感器5因此通过多个热电阻与介质M分离。取决于温度计的过程条件和/或相应结构设计，介质M和温度计之间可能因此至少暂时和/或部分地不存在热平衡。由于缺乏热平衡，温度梯度ΔT

在这种情况下，温度传感器5的区域中的温度梯度ΔT

图2示出了根据本发明的温度计的第一实施例。应用于基板8的电阻元件7形式的温度传感器T

第一连接线9被分成第一段9a和第二段9b。第一段9a由第一材料构成，并且第二段9b和第二连接线10由不同于第一材料的第二材料构成。这样，第一连接线9的第一段9a和第二连接线10的至少一部分t形成热电偶形式的第一温度差传感器T

第一连接线9的第一段9a优选地相比第一连接线9的总长度是短的；例如，第一连接线9的第一段9a的长度在几毫米或几厘米的范围内。这样，可以确保通过第一温度差传感器T

在图2a所示的示例中，第一连接线9和第二连接线10分别附接到电阻元件。因此，第一连接线9的第一段9a和第二连接线10的部分t经由电阻元件7间接连接。然而，在另一实施例中，第一连接线9的第一段9a和第二连接线10的部分t也可以彼此直接连接，然后附接到温度传感器T

在图2b所示的实施例中，第二连接线10也被分成第一段10a和第二段10b。在这种情况下，第一温度差传感器T

图3通过示例示出了根据本发明的设备1的两个不同实施例，其中温度传感器T

根据图3a，温度传感器T

图3b示出了根据本发明的具有三条连接线9-11的设备1的另一示例性实施例。与图3a相比，形成第一温度差传感器T

图4中最后示出了根据本发明的温度计1的四个不同实施例，其同样被理解为示例性的，其具有4条连接线9-12。图4a所示的变型在很大程度上对应于图3a所示的变型。因此，这里不再讨论已经解释过的元件。除了图3a之外，根据图4b的实施例包括第四连接线12。通过使用四条连接线9-12，温度传感器T

图4b示出了另一可能的实施例。关于第一连接线9和第二连接线10，该实施例对应于图3b所示的实施例。这里，第四连接线12与其它连接线9-11一样被分成第一段12a和第二段12b。第三连接线11和第四连接线12被设计成类似于第一连接线9和第二连接线10，其中第三连接线11和第四连接线12的第一段11a和12a形成第二温度差传感器T

对于根据图4b的实施例，通过示例假设第一连接线9的第二段9b的材料、第二连接线10的材料、第三连接线11的第二段11a的材料和第四连接线12的材料相同，而第一连接线9和第三连接线11的第一段9a和11a不同。在这种情况下，第一段9a和11a的材料也可以再次分别相同或不同。

原则上，类似于图3的情况，第一温度差传感器T

另一示例性实施例是图4d的主题。关于第一连接线9和第二连接线10，该实施例同样对应于图3b所示的实施例。第三连接线11和第四连接线12也分别被分成两段11a和11b以及12a和12b，但是分别连接到电阻元件7。第一连接线9、第三连接线11和第四连接线12的这种第一段9a、11a和12a具有不同的长度，并且各自形成第一温度差传感器T

对于图4d中的实施例，通过示例假设第一连接线9、第三连接线11和第四连接线12的第二段9b、11b和12b的材料以及第二连接线10的材料相同，而第一连接线9、第三连接线11和第四连接线12的第一段9a、11a和12a与此不同。在这种情况下，第一段9a、11a和12a的材料在每种情况下也可以相同或至少部分不同。

需要指出的是，结合各个图描述的各个实施例可以根据需要彼此组合，并且这里未示出的本发明的许多其它实施例同样是可能的。

参考符号列表

1 设备

2 浸没体

3 测量插件

4 电子模块

5 传感器元件

6 连接导线

7 电阻元件

8 基板

9–12 第一至第四连接线

9a–12a 连接线的第一段

9b–12b 连接线的第二段

M 介质

T 温度

T

ΔT