DE102017120684A1

DE102017120684A1 - Zustandsüberwachung eines Temperatursensors

Info

Publication number: DE102017120684A1
Application number: DE102017120684.1A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Saecker
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße (T) eines Mediums (5) umfassend zumindest ein Sensorelement (7) mit zumindest einem ersten Temperatursensor (8), umfassend folgende Verfahrensschritte:
- Beaufschlagen des ersten Temperatursensors (8) mit einem vorgebbaren Diagnose-Anregesignal (I_A) in Form eines elektrischen Stromsignals,
- Aufzeichnen zumindest eines Diagnose-Empfangssignals (T_E) von dem ersten Temperatursensor (8), und
- Ermitteln zumindest eines Zustandsindikators anhand des von dem ersten Temperatursensor (8) empfangenen Diagnose-Empfangssignals (T_E).
Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltete Vorrichtung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums sowie auf eine entsprechende Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Sensorelement mit zumindest einem Temperatursensor. Das Medium befindet sich dabei in einem Behältnis, beispielsweise ein Behälter oder eine Rohrleitung und die Vorrichtung ist beispielsweise in das Behältnis einbringbar oder an das Behältnis anbringbar.
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 mit der Temperatur in Zusammenhang bringen, wie beispielsweise bei Verwendung von Widerstandselementen oder Thermoelementen. Dagegen wird bei 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 sogenannten Dünnschicht-Sensors, insbesondere eines Resistance Temperature Detectors (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.
Im Falle eines Thermoelements aus zumindest zwei an einem Ende miteinander verbundenen, aus verschiedenen Materialien bestehenden Thermodrähten wird die Temperatur anhand einer zwischen den Thermodrähten auftretenden Thermospannung bestimmt. Als Temperatursensoren werden insbesondere Thermoelemente nach der DIN Norm IES584, beispielsweise Thermoelement des Typs K, J, N, S, R, B, T, oder E, verwendet. Aber auch andere Materialpaare, insbesondere solche, die einen messbaren Seebeck-Effekt aufweisen, sind möglich.
Die Messgenauigkeit eines Thermometers weist eine empfindliche Abhängigkeit von thermischen Kopplungen zwischen dem jeweiligen Medium, der Prozessumgebung und/oder dem Thermometer ab. Hierbei spielen insbesondere die jeweils vorherrschenden Wärmeströme eine entscheidende Rolle. Eine zuverlässige Bestimmung der Temperatur setzt voraus, dass das Thermometer und das Medium zumindest für einen für die Ermittlung der Temperatur benötigten Zeitraum im thermischen Gleichgewicht sind. Die Temperatur des Thermometers und die des Mediums sind zumindest für diesen Zeitraum also idealerweise im Wesentlichen gleich. Die Reaktion eines Thermometers auf eine Temperaturänderung des Mediums, also die sogenannte Ansprechzeit des Thermometers, spielen hierbei eine entscheidende Rolle, insbesondere wenn die Temperatur des Mediums sich im Wesentlichen fortlaufend ändert. Je nach der konkreten Ausgestaltung des Thermometers und in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung können in dieser Hinsicht verschiedenste Probleme auftreten.
Es sind einerseits Thermometer bekannt, bei denen das Sensorelement direkt in Kontakt mit dem jeweiligen Medium gebracht wird. Diese weisen eine vergleichsweise gute Kopplung zwischen dem Medium und dem Sensorelement auf. Alternativ werden Thermometer aber häufig auch derart ausgestaltet, dass sie von außen an das jeweilige Behältnis anbringbar sind, in welchem sich das Medium. Solche, auch als Oberflächenthermometer bezeichnete, Geräte sind beispielsweise aus den Dokumenten DE102014118206A1 oder DE102015113237A1 bekannt geworden. Bei derartigen Thermometern sind die Sensorelemente vorteilhaft nicht prozessberührend. Allerdings müssen für eine gute thermische Kopplung verschiedene zusätzliche Aspekte berücksichtigt werden. Beispielsweise ist der mechanische, und damit einhergehend auch der thermische Kontakt, zwischen dem Behälter und dem Thermometer für die erzielbare Messgenauigkeit entscheidend. Liegt kein ausreichender Kontakt vor, so ist eine genaue Temperaturbestimmung nicht möglich.
Im Falle der Oberflächen-Thermometer ist es zur Verbesserung der thermischen Kopplung zum Medium beispielsweise üblich, eine sogenannte Wärmeleitpaste zwischen dem Thermometer und dem Behältnis, in welchem sich das Medium befindet, aufzutragen. Solche Pasten haben allerdings den Nachteil, dass sie mit der Zeit austrocknen, wodurch sich die thermische Kopplung zum Medium deutlich verschlechtert. Dabei ist der Zeitpunkt, zu welchem eine ausreichende Kopplung nicht mehr garantiert werden kann, unter anderem von den jeweiligen Umgebungsbedingungen abhängig. Der Zeitpunkt, zudem die Wärmeleitpaste erneuert werden sollte, ist entsprechend nicht immer bekannt bzw. eine Verschlechterung der thermischen Kopplung und damit einhergehend eine verschlechterte Messperformance des Thermometers nicht immer sofort ersichtlich.
Insbesondere in der Chemie, in Zusammenhang mit Öl oder Kraftwerken, sind auch solche Thermometer bekannt geworden, bei denen das jeweilige Sensorelement in einem Schutzrohr, auch als Eintauchkörper bezeichnet, angeordnet ist. Üblicherweise ist das Schutzrohr in ein Behältnis, beispielsweise einen Behälter oder einen Tank eingesetzt, in welchem sich das jeweilige, insbesondere abrasive oder korrosive, Medium befindet, und trennt somit das Sensorelement vom jeweiligen Prozess. Eine Voraussetzung für eine hohe Messgenauigkeit betrifft hier den mechanischen bzw. thermischen Kontakt des jeweiligen Sensorelements mit dem Schutzrohr und damit einhergehend die Wärmeleitung vom Prozess zum Sensorelement. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Kopplung zwischen dem mediumsberührenden Schutzrohr und dem Sensorelement ist es aus dem Stand der Technik bekannt geworden, die Spitze des Messeinsatzes von Federn gegen den Schutzrohrboden zu drücken. Der zur Verfügung stehende Federweg beträgt dabei beispielsweise. ca. 8-10 mm. Entsprechende Anordnungen sind beispielsweise aus der DE102013114140A1 oder der DE102014101968A1 bekannt geworden.
Die Qualität der Ankopplung zwischen dem Sensorelement und Schutzrohr kann dennoch von Fall zu Fall variieren. Dies kann durch nicht vermeidbare Fertigungstoleranzen zustande kommen, oder auch durch die Verwendung verschiedener Schutzrohre mit verschiedenen Sensorelementen, insbesondere von verschiedenen Herstellern. Durch eine unpassende Auslegung von Messeinsatz- zu Schutzrohrlänge, unpassende Dichtungen oder auch eine fehlerhafte Installation, kann es dazu kommen, dass der Federweg nicht ausreicht, um den Messeinsatz gegen das Schutzrohr, üblicherweise den Boden des Schutzrohres, zu pressen. Durch den fehlenden metallischen Kontakt entsteht wiederum eine erhebliche Verlängerung der Ansprechzeit und besonders bei kurzen Schutzrohren kann es darüber hinaus zu dauerhaften Messfehlern kommen.
Eine Möglichkeit zur Überprüfung der Messperformance eines Thermometers wäre somit wünschenswert.
Hiervon ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, die Messperformance eines Thermometers zu überprüfen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 15.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums umfassend zumindest ein Sensorelement mit zumindest einem ersten Temperatursensor. Das Verfahren umfasst dabei folgende Verfahrensschritte:

- Beaufschlagen des ersten Temperatursensors mit einem vorgebbaren Diagnose-Anregesignal in Form eines elektrischen Stromsignals,
- Aufzeichnen zumindest eines Diagnose-Empfangssignals von dem ersten Temperatursensor, und
- Ermitteln zumindest eines Zustandsindikators zumindest anhand des von dem ersten Temperatursensor empfangenen Diagnose-Empfangssignals.

Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um eine Temperatur des Mediums in dem Behältnis oder auch um einen Massen-, oder Volumendurchfluss oder eine Durchflussgeschwindigkeit des Mediums. Entsprechend kann es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einerseits um ein Thermometer, wie in der Einleitung beschrieben, handeln. Ebenso ist eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens aber auch für ein thermisches oder auch kalorimetrisches Durchflussmessgerät denkbar. Die Solche Messgeräte umfassen zumindest einen beheizbaren Temperatursensor, welcher in vielen Fällen in einem, in den Prozess hineinragend positionierbaren, Sensorkopf angeordnet ist. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausgestaltungen hergestellt unter beispielsweise unter den Bezeichnungen t-switch, t-trend, t-mass, oder Flowphant vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Im Falle eines Thermometers kann es sich bei der Vorrichtung beispielsweise um ein Thermometer, bei welchem das Sensorelement zumindest teilweise innerhalb eines Schutzrohres angeordnet ist, handeln. Alternativ kann es sich aber auch um ein sogenanntes Oberflächen-Thermometer handeln, welches zur Bestimmung der Temperatur des jeweiligen Mediums nicht in das jeweilige Behältnis in welchen sich das Medium befindet, eingebracht werden muss.
Es sei darauf verwiesen, dass die vorliegende Erfindung jedoch keineswegs auf Thermometer und Durchflussmessgeräte beschränkt ist. Vielmehr ist sie auf alle Vorrichtungen anwendbar, die ein Sensorelement mit zumindest einem ersten Temperatursensor aufweisen und welche Vorrichtungen zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eingesetzt werden.
Bei dem zumindest einen Temperatursensor handelt es sich beispielsweise um ein Widerstandselement. Beispielsweise können sogenannte RTD-Widerstandselemente (Resistance Temperature Detector), insbesondere Platinelemente, eingesetzt werden, wie sie unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich ist. Zumindest der erste Temperatursensor ist derart ausgestaltet, dass er beheizbar ist. Der Temperatursensor dient also einer Temperaturerfassung und/oder als Heizelement. Insbesondere bei Temperatursensoren in Form von Widerstandselementen ist grundsätzlich sowohl eine Funktion als Temperatursensor als auch als Heizelement möglich.
Im fortlaufenden Messbetrieb wird der erste Temperatursensor mit einem Mess-Anregesignal beaufschlagt und anhand eines von dem ersten Temperatursensors empfangenen Mess-Empfangssignals kann die jeweilige Prozessgröße bestimmt und/oder überwacht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zustandsüberwachung kann einerseits in einer Elektronikeinheit der Vorrichtung implementiert sein. Im Falle eines Thermometers kann es sich dabei beispielsweise um einen Transmitter handeln. Es kann aber ebenso in einer Regeleinheit, oder auch in einem Registriergerät, insbesondere einem Registriergerät mit einer Steuerfunktion, oder einer externen Einheit, wie beispielsweise einem an das Messgerät anschließbaren Computer, oder eine übergeordnete Einheit, wie ein Prozessleitsystem, implementiert sein.
Einerseits ist es denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren durch eine Bedienperson zu vorgebbaren Zeitpunkten manuell zu initiieren. Alternativ kann aber auch in vorgebbaren Zeitintervallen der Messbetrieb unterbrochen und ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden. Auch eine gleichzeitige Ausführung des Messbetriebs und einer erfindungsgemäßen Zustandsüberwachung ist denkbar. Der Zustandsindikator beispielsweise ebenfalls bei Inbetriebnahme der Vorrichtung in einem bestimmten Prozess ermittelt werden und dann im fortlaufenden Betrieb Abweichungen von einem Anfangswert für den Zustandsindikator ermittelt werden. Auf diese Weise lassen sich, insbesondere wenn die jeweiligen Ergebnisse für den jeweiligen Zustandsindikator ebenfalls als Funktion der Zeit aufgezeichnet werden, auf zeitabhängige Verschlechterungen der Messperformance der Vorrichtung oder eine Verschlechterung von damit einhergehenden Größen rückgeschlossen werden.
Anhand des Diagnose-Empfangssignals lässt sich die Reaktion der Vorrichtung auf das Diagnose-Anregesignal, mittels welchem eine vorgebbare Wärmemenge in die jeweilige Vorrichtung eingebracht wird, auswerten. So kann erfindungsgemäß vorteilhaft auf die Qualität der Wärmekopplung der Vorrichtung und damit einhergehend auf die Messperformance der Vorrichtung rückgeschlossen werden. Dies betrifft insbesondere dauerhaft auftretende Messfehler, wie im Falle einer mangelhaften thermischen Kopplung zwischen dem Medium, Prozess und/oder der jeweiligen Prozessumgebung. Aber auch gegenüber dem Normalfall verschlechterte Ansprechzeiten, welche ebenfalls zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen können, können erkannt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt also eine qualitative Überprüfung der Messgenauigkeit und/oder der Funktionsfähigkeit des jeweiligen Thermometers.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass das Sensorelement zumindest einen ersten und einen zweiten Temperatursensor aufweist. In diesem Fall umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:

- Beaufschlagen des ersten Temperatursensors mit einem vorgebbaren Diagnose-Anregesignal in Form eines elektrischen Stromsignals,
- Aufzeichnen zumindest eines Diagnose-Empfangssignals von dem zweiten Temperatursensor, und
- Ermitteln zumindest eines Zustandsindikators zumindest anhand des von dem zweiten Temperatursensor empfangenen Diagnose-Empfangssignals.

Auch in diesem Falle ist sowohl eine Anwendung für ein Thermometer, als auch für ein thermisches oder kalorimetrisches Durchflussmessgerät denkbar. Der zweite Temperatursensor muss nicht notwendigerweise beheizbar ausgestaltet sein. Es reicht, wenn zumindest einer der Temperatursensoren beheizbar ist. Es ist von Vorteil, wenn die beiden Temperatursensoren gemeinsam angeordnet sind, beispielsweise in einem Sensorkopf oder im gleichen Schutzrohr integriert sind.
In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem Diagnose-Anregesignal um ein Stromsignal, insbesondere um ein Signal in Form eines einzigen oder mehrerer aufeinander folgender Strompulse, oder um ein zumindest für ein vorgebbares Zeitintervall konstantes Signal. Im Falle der Verwendung von Widerstandselementen für die Temperatursensoren werden diese dann beispielsweise über die Umsetzung von ihnen zugeführter elektrischer Leistung, z. B. in Folge einer erhöhten Stromzufuhr, erwärmt.
Im Falle eines Diagnose-Anregesignals in Form eines oder mehrerer Strompulse lässt sich beispielsweise eine Sprungantwort der Vorrichtung in Reaktion auf die mittels des Diagnose-Anregesignals eingebrachte Wärmemenge ermitteln. Eine solche Sprungantwort lässt sich besonders einfach hinsichtlich des jeweiligen Zustandsindikators auswerten, da in unmittelbarer Folge auf den Strompuls das thermische Verhalten des Thermometers durch die mittels des Strompulses eingebrachte Wärmemenge dominiert wird. Im Falle eines Diagnose-Anregesignals in Form eines zumindest für ein vorgebbares Zeitintervall konstanten Signals dagegen kann beispielsweise die Zeitdauer ermittelt werden, welche die Vorrichtung braucht um eine vorgebbare Temperatur zu erreichen.
Gemäß einer Ausgestaltung wird eine zumindest einem der Temperatursensoren zugeführte Leistung ermittelt.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn das Diagnose-Empfangssignal als Funktion der Zeit aufgezeichnet wird. Anhand des zeitlichen Verlaufs des Diagnose-Empfangssignals lassen sich zusätzliche Informationen über die Vorrichtung ermitteln. Die jeweils innerhalb der Vorrichtung stattfinden Wärmeströmungen haben nämlich unterschiedliche charakteristische Zeitdauern. Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird anhand des Diagnose-Empfangssignals eine Abkühlkurve oder eine Erwärmungskurve der Vorrichtung in Reaktion auf das Diagnose-Anregesignal ermittelt. Es wird also im Prinzip das Erwärmungsverhalten oder das Abkühlverhalten des Sensorelements in Reaktion auf die Beaufschlagung mit einem Diagnose-Anregesignal ermittelt.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass eine Maximaltemperatur der Vorrichtung in Reaktion auf das Diagnose-Anregesignal, oder eine, insbesondere maximale, Amplitude des Diagnose-Empfangssignals ermittelt wird.
Es ist außerdem von Vorteil, wenn eine Abkühlgeschwindigkeit oder Aufwärmgeschwindigkeit, oder eine Abkühlrate oder Aufwärmrate der Vorrichtung, oder ein Zeitdauer, nach welcher die Vorrichtung eine vorgebbare Temperatur erreicht, ermittelt wird.
Ebenso ist es aber auch denkbar, eine Frequenz des Diagnose-Empfangssignals zu bestimmen. Im Zuge dieser Ausgestaltung wird beispielsweise für das Diagnose-Anregesignal eine Leistung oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes gewählt, mit welchem der erste Temperatursensor für eine vorgebbare Zeitdauer beaufschlagt wird, beispielsweise bis eine vorgebare Temperatur oder Temperaturänderung der Vorrichtung erreicht wird. Der Schwellenwert wird dabei üblich höher gewählt, als eine Leistung eines Anregesignals für den Temperatursensor im fortlaufenden Messbetrieb. Insbesondere im Falle einer mangelhaften thermischen Kopplung innerhalb der Vorrichtung und/oder zwischen der Vorrichtung und dem Medium, treten im Diagnose-Empfangssignal dann Schwingungen auf, deren Frequenz beispielsweise anhand einer Fourier-Analyse bestimmt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über die Qualität eines, insbesondere thermischen, Kontaktes innerhalb des Sensorelements, zwischen dem Sensorelement und einem Schutzrohr oder Sensorkopf, in welchem das Sensorelement zumindest teilweise angeordnet ist. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also die Qualität einer Kopplung des Sensorelements und eines Schutzrohres oder Sensorkopfes ermittelt werden. Daran lässt sich insbesondere auch überprüfen, ob das Sensorelement korrekt in das Schutzrohr oder in den Sensorkopf eingesetzt bzw. in dem Schutzrohr oder in dem Sensorkopf positioniert ist.
Alternativ handelt es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über die Qualität eines Kontaktes zwischen der Vorrichtung und einem Behältnis, in welchem sich das Medium befindet. Hieraus kann beispielsweise auf eine Ansprechzeit der Vorrichtung auf eine Temperaturänderung des Mediums rückgeschlossen werden und damit einhergehend eine Aussage über die Messperformance der Vorrichtung gemacht werden. Die Ansprechzeit der Vorrichtung kann dabei insbesondere im Falle eines Oberflächen-Thermometers von Behältnis zu Behältnis oder von Prozess zu Prozess variieren.
Schließlich kann es sich bei dem Zustandsindikator ebenfalls über eine Aussage über zumindest einen Wärmestrom innerhalb der Vorrichtung handeln. Auf diese Weise wird ebenfalls ein Rückschluss auf elektrische und/oder thermische Kontaktierungen, insbesondere innerhalb des Sensorelements, möglich.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass zumindest ein Referenzwert für das Diagnose-Empfangssignal und/oder eine Referenzkurve für das Diagnose-Empfangssignal mit mehreren Referenzwerten als Funktion der Zeit ermittelt wird. Der jeweilige Referenzwert bzw. die Referenzkurve entspricht in diesem Fall einem Sollwert, welcher im Falle einer guten mechanischen und thermischen Kontaktierungen zwischen dem Thermometer, Prozess und/oder der jeweiligen Prozessumgebung erreicht werden kann. In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn der Zustandsindikator anhand eines Vergleichs zwischen dem Diagnose-Empfangssignal und dem Referenzwert und/oder der Referenzkurve ermittelt wird. Beispielsweise kann auf eine mangelhafte Kontaktierung geschlossen werden, wenn die Differenz eines Referenzwertes und der korrespondierende Wert des Diagnose-Empfangssignals einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Analoges gilt für den Fall einer zumindest teilweisen Abweichung zwischen der Referenzkurve und Abkühlkurve. Somit ist es ebenfalls von Vorteil, wenn im Falle, dass eine Abweichung zwischen dem Diagnose-Empfangssignal und dem Referenzwert oder der Referenzkurve einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, eine Meldung generiert wird.
Bezüglich der Vorrichtung wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums umfassend zumindest ein Sensorelement mit zumindest einem ersten oder zumindest einem ersten und einem zweiten Temperatursensor, welche Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.
Es sei darauf verwiesen, dass sich die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Ausgestaltungen mutatis mutandis auch auf die vorgeschlagene Vorrichtung anwenden lassen und umgekehrt.
Anhand der nachfolgendend beschriebenen Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Skizze eines Thermometers mit Schutzrohr gemäß Stand der Technik,
2 eine schematische Zeichnung eines Oberflächen-Thermometers gemäß Stand der Technik,
3 (a) eine Illustration der Wärmeströme in einer Vorrichtung gemäß 1 und (b) eine schematische Darstellung eines Diagnose-Anregesignals in Form eines Strompulses sowie dem dazugehörigen Diagnose-Empfangssignals als Funktion der Zeit,
4 das Diagnose-Empfangssignal als Funktion der Zeit für (a) ein Thermometer mit guter thermischer Kopplung und (b) mit schlechter thermischer Kopplung in Folge eines Diagnose-Anregesignals in Form eines einzelnen Strompulses, und
5 das Diagnose-Empfangssignal als Funktion der Zeit für (a) ein Thermometer mit guter thermischer Kopplung, und (b) mit schlechter thermischer Kopplung in Folge eines Diagnose-Anregesignals mit einer Leistung oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes, und
6 das Diagnose-Empfangssignal in Folge eines Diagnose-Anregesignals in Form von Strompulsen mit einer Leistung oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes.

In der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit beziehen sich die nachfolgenden Figuren auf Thermometer. Die jeweiligen Überlegungen lassen sich direkt auf thermische bzw. kalorimetrische Durchflussmessgeräte oder auch andere erfindungsgemäße Vorrichtungen übertragen.
In 1 ist eine schematische Abbildung eines Thermometers 1 mit einem Schutzrohr 2 und einer Elektronikeinheit 3 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Das Schutzrohr ist in ein Behältnis 4 in Form eines Behälters eingelassen, in welchem sich das Medium 5 befindet. Das Sensorelement 7 ist mittels des Prozessanschlusses 6 in das Schutzrohr 2 eingelassen und mit dem Boden des Schutzrohres 2a in mechanischen und somit auch in thermischem Kontakt. Eine Änderung der Temperatur T des Mediums 5 führt zu einer Änderung der Temperatur des Schutzrohres 2 und des Sensorelements 6, welches einen ersten Temperatursensor 8, hier beispielhaft in Form eines Widerstandselements, und zwei Anschlussdrähte 8a, 8b zur elektrischen Kontaktierung mit der Elektronikeinheit 4, umfasst. Die Kontaktierung des Sensorelements 7 mit dem Boden 2a des Schutzrohres 2 ist dabei von essentieller Bedeutung für die erzielbare Messgenauigkeit. Im Falle einer mangelhaften Kontaktierung kommt es einerseits zu einer verschlechterten Ansprechzeit des Thermometers 1 auf eine Temperaturänderung des Mediums. Darüber hinaus kann es auch zu dauerhaften Messfehlern kommen, welche beispielsweise durch erhebliche Wärmeableitfehler verursacht werden können.
Eine ähnliche Situation tritt beispielsweise auch im Falle eines sogenannten Oberflächen-Thermometers auf, wie in 2 gezeigt. Das Sensorelement 7 ist identisch zu dem in 1 gezeigten. Im Gegensatz zu 1 ist das Thermometer 1 im Falle der 2 allerdings nicht in einem Schutzrohr angeordnet, und wird auch nicht in das Behältnis 4, hier in Form einer Rohrleitung, eingebracht. Das Sensorelement 7 wird im hier gezeigten Beispiel von außen auf die Rohrleitung 7 aufgesetzt, um die Temperatur des die Rohrleitung durchströmenden Mediums 5 zu ermitteln. Für diesen Fall hängt die erzielbare Messgenauigkeit insbesondere von der Kontaktierung des Sensorelements 7 mit der Rohrleitung 4 ab.
Es versteht sich von selbst, dass auch für hier nicht gezeigte Beispiele die thermischen Kopplungen zwischen dem jeweiligen Medium, 5 der Prozessumgebung und/oder dem Thermometer 1, bzw. der jeweils involvierten, insbesondere mechanischen, Kontaktierungen von zentraler Bedeutung für die jeweilige Temperaturbestimmung sind.
Insbesondere im Falle der Anordnung des Thermometers 1 in einem Schutzrohr 2 ist es erschwerend von außen nicht immer erkennbar, ob das Sensorelement 7 korrekt innerhalb des Schutzrohres 2 angeordnet ist, insbesondere, ob das Sensorelement 7 ausreichend mit dem Boden 2a des Schutzrohres 2 kontaktiert ist. In Folge kann es dazu kommen, dass zu hohe Temperaturen des Mediums 5 nicht rechtzeitig oder überhaupt nicht erkannt werden oder dass die für bestimmte Prozessschritte notwendigen Temperaturen nicht immer vorherrschen. Ähnlich hängt die Messgenauigkeit bzw. die Ansprechzeit eines Oberflächen-Thermometers 1 entscheidend von der Kopplung zwischen dem Thermometer 1 und dem jeweiligen Behältnis 4 ab. Auch diese Kopplung kann von Anwendung zu Anwendung je nach den für das Thermometer 1 und den Behälter 4 verwendeten Materialien sowie von deren Zuständen abhängen.
3 illustriert ohne Beschränkung der Allgemeinheit mögliche Wärmeströme innerhalb einer Vorrichtung, ähnlich wie in 1. Im Gegensatz zu 1 umfasst die Vorrichtung 1 gemäß 3a neben dem ersten 8 einen zweiten Temperatursensor 9, welcher ebenfalls mittels zweier Anschlussdrähte 9a,9b kontaktiert ist. Der zweite Temperatursensor 9 dient hier der Erfassung der Temperatur der Vorrichtung 1 und/oder des Mediums 5. Ähnliche Überlegungen gelten beispielsweise für ein Oberflächen-Thermometer wie in 2 gezeigt. Die Wärmeströme sind in 3a illustriert. Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Sensorelement 7 mittels eines Diagnose-Anregesignals I_A in Form eines Stromsignals I_A in Form eines Strompulses beaufschlagt, wie im oberen Diagramm in 3b dargestellt. Auf diese Weise wird dem Sensorelement 7 eine vorgebbare Wärmemenge zugeführt, welche durch die dem Sensorelement 7 zugeführte Leistung P_zu ausgedrückt werden kann.
Die Reaktion des Thermometers 1 auf das Diagnose-Anregesignal I_A kann anhand des mittels des ersten Temperatursensors 8 gemessenen Diagnose-Empfangssignals T_E ermittelt werden, welches im unteren Diagramm in 3b beispielhaft in Form der gemessenen Temperatur als Funktion der Zeit dargestellt ist. Die Temperatur T_E steigt in Folge des Strompulses I_A zuerst auf einen Maximalwert T_E,max an, bevor die Temperatur kontinuierlich abfällt. Ebenfalls kann anhand des Diagnose-Empfangssignals T_E eine Abkühlkurve, oder eine Abkühlgeschwindigkeit v [nicht eingezeichnet] ermittelt werden. Auch kann das gemessene Empfangssignal T_E oder ein daraus ermittelbare Größe mit einem oder mehreren Referenzwerten oder einer Referenzkurve verglichen werden. Aber auch andere dem Fachmann geläufige Auswerte-Methoden können zur Bewertung des jeweils gemessenen Diagnose-Empfangssignals T_E, welches beispielsweise auch in Form eines Stroms oder einer Spannung erfassbar ist, können zum Einsatz kommen und fallen gleichermaßen unter die vorliegende Erfindung.
In einem einfachen Modell setzt sich der Wärmetransport vom Temperatursensor 8 zum Medium 5 und/oder zum zweiten Temperatursensor 9 wie folgt zusammen: Eine erste Wärmemenge Q₁ dient der Erwärmung des Sensorelements 7 und damit einhergehend auch des zweiten Temperatursensors 9, eine zweite Wärmemenge Q₂ fließt vom Sensorelement 7 zum Schutzrohr 2 und eine dritte Wärmemenge Q₃ fließt in den Prozess oder in die Umgebung der Vorrichtung 1. Die Wärmeströme infolge einer Änderung der Temperatur des Mediums 5, welche im Zuge einer Temperaturmessung der Vorrichtung detektiert werden sollen, verlaufen analog in die umgekehrten Richtungen der Wärmeströmungen Q₁ -Q₃ .
Das Verhältnis der drei Wärmemengen Q₁ -Q₃ , bzw. der Beitrag jeder der Wärmemengen zur gesamten Wärmemenge Q_ges hängt dabei von der thermischen Kopplung innerhalb des Sensorelements 7, von der thermischen Kopplung zwischen Sensorelement und Schutzrohr 2 und von der thermischen Kopplung zwischen dem Schutzrohr und dem Medium 5 ab.
In 4 ist das Diagnose-Empfangssignal T_E(t) als Funktion der Zeit in Folge eines Diagnose-Anregesignals I_A in Form eines einzelnen Strompulses [nicht gezeigt] dargestellt. In 4a besteht eine gute thermische Kopplung, in 4b dagegen eine schlechte thermische Kopplung. In diesem Fall erlaubt die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine qualitative Aussage über den Zustand der Vorrichtung. Vergleicht man die beiden Diagnose-Anregesignale T_E,a(t) und T_E,b(t) miteinander, so kann man leicht sehen, dass die Amplitude A_a des Diagnose-Empfangssignals T_E,a(t) größer ist als die Amplitude A_b des Diagnose-Empfangssignals T_E,b(t). Aus einer Änderung der Amplitude A des Diagnose-Empfangssignals T_E(t), insbesondere in Folge eines Diagnose-Anregesignals I_A in Form eines Strompulses, kann also eine Aussage über den Zustand der Vorrichtung, beispielsweise hinsichtlich der Qualität der thermischen Kopplungen, gewonnen werden. Desto kleiner die Amplitude A, desto besser der Wärmetransport von der Vorrichtung 1 zum Medium 5 oder umgekehrt.
Ebenfalls in 4 ersichtlich ist, dass eine Zeitdauer Δt_a des Diagnose-Empfangssignals T_E,a(t) zum Erreichen einer Ausgangstemperatur T_1,a deutlich geringer ist als eine Zeitdauer Δt_b des Diagnose-Empfangssignals T_E,b(t) zum Erreichen einer Ausgangstemperatur T_1,b. Aus einer Änderung der Zeitdauer Δt zum Erreichen einer Ausgangstemperatur T der Vorrichtung kann also ebenfalls auf eine Aussage über den Zustand der Vorrichtung, beispielsweise hinsichtlich der Qualität der thermischen Kopplungen, gewonnen werden. Desto kleiner Δt, desto besser der Wärmetransport von der Vorrichtung 1 zum Medium 5 oder umgekehrt.
Ähnliche Überlegungen gelten auch wenn anhand des Diagnose-Empfangssignals T_E eine Abkühlgeschwindigkeit oder eine Abkühlrate bestimmt wird, oder wenn ein Aufwärmprozess betrachtet wird.
In 5 ist das Diagnose-Empfangssignal T_E(t) als Funktion der Zeit in Folge eines Diagnose-Anregesignals I_A mit einer Leistung oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes, mittels welchem der erste Temperatursensor 8 für eine vorgebbare Zeitdauer beaufschlagt wird, dargestellt. Im Falle einer Vorrichtung 1 mit guter thermischer Kopplung, wie in 5a, sorgt das Diagnose-Anregesignals l_A für eine Erhöhung der Temperatur der Vorrichtung 1 von T₁ nach T₂. Nach Abschalten des Diagnose-Anregesignals I_A fällt die Temperatur wieder auf ihren Ausgangswert T₁ zurück. Im Falle einer mangelhaften thermischen Kopplung hingegen, wie in 5b, kommt es zu einer Schwingung des Diagnose-Empfangssignal T_E(t). Anhand des Auftretens einer Schwingung kann entsprechend eine Aussage über den Zustand der Vorrichtung 1 gemacht werden. Das Auftreten einer Schwingung deutet auf eine mangelhafte thermische Kopplung im Bereich der Vorrichtung 1 oder zwischen der Vorrichtung 1 und dem Medium 5 hin. Das Auftreten von Schwingungen im Diagnose-Empfangssignal T_E(t) kann beispielsweise anhand der Frequenz f der Schwingungen detektiert werden, welche wiederum beispielsweise anhand einer Fourier-Analyse ermittelbar ist.
Ein Zahlenwert für den Schwellenwert lässt sich beispielsweise experimentell bestimmen. Üblicherweise wird der vorgebbare Schwellenwert für die zugeführte Leistung P_zu höher als eine Leistung eines Anregesignals für den ersten Temperatursensor 8 im fortlaufenden Messbetrieb gewählt. Desto geringer die Leistung, ab welcher eine Schwingung im Diagnose-Empfangssignal T_E(t) auftritt, desto schlechter ist der Wärmetransport von der Vorrichtung 1 zum Medium 5 oder umgekehrt.
Derartige Schwingungen können aber auch vorsätzlich erzeugt werden, indem der erste Temperatursensor 8 mit einem Diagnose-Anregesignals I_A(t) (gestrichelte Linie) in Form unterschiedlich langer oder in unterschiedlich langen Zeitabständen aufeinander folgenden Strompulsen beaufschlagt wird, wie in 6 illustriert. Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Strompulsen nimmt hier beispielsweise mit zunehmender Zeit zu. Zur Auswertung des zugehörigen Diagnose-Empfangssignals T_E(t) [durchgezogene Linie] kann beispielsweise die Frequenz f der Schwingungen anhand einer Fourier-Analyse bestimmt werden. Anhand einer Änderung der Frequenz f kann schließlich ebenfalls eine Aussage über den Zustand der Vorrichtung 1 getätigt werden, beispielsweise über eine Ansprechzeit der Vorrichtung 1. Beispielsweise kann hierzu auch das Diagnose-Empfangssignals T_E(t) mit dem Diagnose-Anregesignal I_A(t) verglichen werden.
Im Falle, dass das erfindungsgemäße Verfahren in vorgebbaren Zeitabständen wiederholt wird, lässt sich nicht nur eine qualitative Aussage über den Zustand der Vorrichtung, bzw. des Messsystems aus der Vorrichtung, dem Behältnis 4 und dem Medium 5 tätigen, sondern es lassen sich vielmehr auch Trends über eine Veränderung des Zustands der Vorrichtung 1 ermitteln. Beispielsweise können hierfür die Maximaltemperatur T_E,max der Vorrichtung, die Amplitude A des Diagnose-Empfangssignals T_E(t), eine Abkühlgeschwindigkeit oder Aufwärmgeschwindigkeit, oder eine Abkühlrate oder Aufwärmrate der Vorrichtung 1, eine Zeitdauer Δt, nach welcher die Vorrichtung eine vorgebbare Temperatur, z. B. die Ausgangstemperatur T₁, erreicht, oder auch ein Frequenz f auftretender Schwingungen im Diagnose-Empfangssignals T_E(t) in Reaktion auf das Diagnose-Anregesignal I_A , als Funktion der Zeit aufgezeichnet werden.
Bezugszeichenliste

1: Thermometer
2: Schutzrohre
2a: Boden des Schutzrohres
3: Elektronikeinheit
4: Behälter
5: Medium
6: Prozessanschluss
7: Sensorelement
8: Erster Temperatursensor
8a,8b: Anschlussleitungen des ersten Temperatursensors
9: Zweiter Temperatursensor
9a,9b: Anschlussleitungen des zweiten Temperatursensors
I_A: Diagnose-Anregesignal
T_E: Diagnose-Empfangssignal
P_zu: Zugeführte Leistung
Q₁-Q₃: Wärmemengen
Q_ges: Gesamte Wärmemenge
T: Temperatur
T_E,max: Maximale Temperatur
t: Zeit
A: Amplitude des Diagnose-Empfangssignals
v: Abkühlgeschwindigkeit
f: Frequenz
Δt: Zeitdauer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014118206 A1 [0006]
DE 102015113237 A1 [0006]
DE 102013114140 A1 [0008]
DE 102014101968 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN Norm IES584 [0004]

Claims

Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße (T), umfassend zumindest ein Sensorelement (7) mit zumindest einem ersten Temperatursensor (8), umfassend folgende Verfahrensschritte: - Beaufschlagen des ersten Temperatursensors (8) mit einem vorgebbaren Diagnose-Anregesignal (I_A) in Form eines elektrischen Stromsignals, - Aufzeichnen zumindest eines Diagnose-Empfangssignals (T_E) von dem ersten Temperatursensor (8), und - Ermitteln zumindest eines Zustandsindikators zumindest anhand des von dem ersten Temperatursensor (8) empfangenen Diagnose-Empfangssignals (T_E).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement (7) zumindest einen ersten (8) und einen zweiten Temperatursensor (9) aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte: - Beaufschlagen des ersten Temperatursensors (8) mit einem vorgebbaren Diagnose-Anregesignal (I_A) in Form eines elektrischen Stromsignals, - Aufzeichnen zumindest eines Diagnose-Empfangssignals (T_E) von dem zweiten Temperatursensor (9), und - Ermitteln zumindest eines Zustandsindikators zumindest anhand des von dem zweiten Temperatursensor (9) empfangenen Diagnose-Empfangssignals (T_E).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem Diagnose-Anregesignal (I_A) um ein Stromsignal handelt, insbesondere um ein Signal in Form eines einzigen oder mehrerer aufeinander folgender Strompulse, oder um ein zumindest für ein vorgebbares Zeitintervall konstantes Signal.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine zumindest einem der Temperatursensoren (8,9) zugeführte Leistung (P_zu) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Diagnose-Anregesignal (I_A) und/oder das Diagnose-Empfangssignal (T_E) als Funktion der Zeit (t) aufgezeichnet wird/werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei anhand des Diagnose-Empfangssignals (T_E) eine Abkühlkurve oder eine Erwärmungskurve der Vorrichtung (1) in Reaktion auf das Diagnose-Anregesignal (I_A) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei eine Maximaltemperatur (T_e,max) der Vorrichtung (1) in Reaktion auf das Diagnose-Anregesignal (I_A), oder eine, insbesondere maximale, Amplitude (A) des Diagnose-Empfangssignals (T_E) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei eine Abkühlgeschwindigkeit (v) oder Aufwärmgeschwindigkeit, oder eine Abkühlrate oder Aufwärmrate der Vorrichtung (1), oder eine Zeitdauer (Δt), nach welcher die Vorrichtung (1) eine vorgebbare Temperatur (T₁) erreicht, ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei eine Frequenz (f) des Diagnose-Empfangssignals (T_E) bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über die Qualität eines, insbesondere thermischen, Kontaktes innerhalb des Sensorelements (7), zwischen dem Sensorelement (7) und einem Schutzrohr (2) oder Sensorkopf, in welchem das Sensorelement (7) zumindest teilweise angeordnet ist, handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über die Qualität eines Kontaktes zwischen der Vorrichtung (1) und einem Behältnis (4), in welchem sich das Medium (5) befindet, handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über zumindest einen Wärmestrom innerhalb der Vorrichtung (1) handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Referenzwert oder eine Referenzkurve für das Diagnose-Empfangssignal (T_E) ermittelt wird, und wobei der Zustandsindikator anhand eines Vergleichs zwischen dem Diagnose-Empfangssignal (T_E) und dem Referenzwert und/oder der Referenzkurve ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei für den Zustandsindikator ein vorgebbarer Grenzwert definiert wird, und wobei im Falle, dass der Zustandsindikator den vorgebbaren Grenzwert überschreitet, eine Meldung oder Warnung generiert und/oder ausgegeben wird.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (5) umfassend zumindest ein Sensorelement (7) mit zumindest einem ersten (8) oder zumindest einem ersten (8) und einem zweiten Temperatursensor (9), welche Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche ausgestaltet ist.