DE102009056699A1

DE102009056699A1 - Autonomer Temperaturtransmitter

Info

Publication number: DE102009056699A1
Application number: DE102009056699A
Authority: DE
Inventors: Holger Kaul; Manfred Dr. Wetzko; Marco Dr. Ulrich; Peter Dr.-Ing. Krippner; Philipp Dr. Nenninger; Yannick Dr. Maret
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-03
Also published as: US8827553B2; DE102009056699B4; US20110162736A1; CN102088260A

Abstract

Die Erfindung betrifft einem autonomen Temperaturtransmitter zum Einsatz verfahrenstechnischen Anlagen. Zur Speisung seiner Elektronikkomponente (11) ist ein thermoelektrischer Wandler (32) mit mindestens einem thermischen Leitelement (33) zwischen einem inneren thermischen Koppelelement (31) und einem äußeren thermischen Koppelelement (34) in thermischer Wirkverbindung stehend angeordnet, wobei das innere thermische Koppelelement (31) thermisch an das Prozeßmedium (21) angekoppelt ist und das äußere thermische Koppelelement (34) von der Umgebungsluft umspült ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen autonomen Temperaturtransmitter zum Einsatz in verfahrenstechnischen Anlagen.
Derartige autonome Temperaturtransmitter sind dadurch gekennzeichnet, dass Daten und Informationen drahtlos versendet werden können und die nötige Energie zur Versorgung des Feldgerätes ohne Drahtverbindung zu einer Einspeisestelle zur Verfügung steht. Während für die drahtlose Kommunikation die für sich bekannte Funknetz-Technologie zur Verfügung steht, ist die autonome Energieversorgung unter industriellen Anforderungen problematisch. Das trifft auch auf in der Industrie in großem Umfang eingesetzte Temperaturtransmitter zu. Stand der Technik ist der Einsatz von Batterien, um eine autonome Energieversorgung zu ermöglichen. Dies erfordert jedoch eine regelmäßige Überwachung. Der Austausch verbrauchter Batterien ist aufwendig und oft auch kostenintensiv und wird daher von den Betreibern nicht akzeptiert.
Darüber hinaus sind aus den DE 10 2007 051 672 A1 und DE 10 2008 038 980 A1 Einrichtungen zur Energieversorgung von Mess- und Sendeeinrichtungen bekannt, die den Energiegehalt des Mediums, dessen Temperatur gemessen werden soll, ausnutzen. Dabei wird die benötigte elektrische Energie für die Elektronik durch einen thermoelektrischen Generator (TEG) aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Medium und der Umgebung erzeugt. Dabei kommen neben konventionellen TEGs auch Dünnschicht-TEGs, beispielsweise in Folienform, oder Mikro-TEGs zum Einsatz.
Der Einsatz der bekannten Lösungen stößt jedoch in einem industriellen Umfang schnell an ihre Grenzen. Der zur Verfügung stehende Bauraum ist begrenzt, die Funktionssicherheit muss auch in explosionsgefährdeter Umgebung oder in Gegenwart aggressiver Gase gewährleistet sein. Die bislang bekannten Konstruktionen bieten hierfür noch keine Möglichkeit. Vor allem modulare Anklemm-Lösungen, wie sie aus der WO 2008/042073 A2 bekannt sind, sind unzureichend im eigentlichen Messgerät oder Feldinstrument integriert.
Schließlich ist aus der DE 10 2007 056 150 A1 ein Sensorsystem mit einem thermoelektrischen Wandler zu seiner Speisung bekannt, der bei Einwirken eines Temperaturgefälles eine elektrische Spannung erzeugt, mit einem Trägerelement, das einen Wärmeleitkern aufweist, der den Sensor und den thermoelektrische Wandler thermisch an das die Messgröße darstellende Prozeßmedium koppelt. Die Bauform dieses Prüfmittels genügt nachteiligerweise nicht den Anforderungen an die Messgenauigkeit und die Ansprechzeiten im industriellen Bereich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Speiseeinrichtung für einen autonomen Temperaturtransmitter anzugeben, die bei hoher Energieausbeute den rauhen Umgebungsbedingungen im industriellen Umfeld standhält.
Die Erfindung geht von einem Temperaturtransmitter aus, der teilweise in ein Prozeßgefäß hineinragt, in dem ein Prozeßmedium eingeschlossen ist, dessen Temperatur gemessen werden soll, und dessen aus dem Prozeßgefäß herausragender Teil eine Elektronikkomponente aufnimmt.
Erfindungsgemäß ist zur Speisung der Elektronikkomponente ein thermoelektrischer Wandler mit mindestens einem thermischen Leitelement zwischen einem inneren thermischen Koppelelement und einem äußeren thermischen Koppelelement in thermischer Wirkverbindung stehend angeordnet, wobei das innere thermische Koppelelement thermisch an die physikalische Größe Temperatur des Prozeßmediums angekoppelt ist und das äußere thermische Koppelelement von der Umgebungsluft umspült ist und an deren physikalische Größe Temperatur ankoppelt. Dabei nimmt die Temperatur jedes Koppelements etwa die Temperatur des jeweils umgebenden Mediums an.
Durch die intensive thermische Kopplung an die Umgebungsluft einerseits und das Prozeßmedium andererseits wird am thermoelektrischen Wandler ein hoher Temperaturgradient und damit eine hohe Energieausbeute erreicht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das äußere thermische Koppelelement von dem Prozeßgefäß beabstandet. Dadurch wird der Wärmeaustausch zwischen dem Prozeßgefäß und dem äußeren thermischen Koppelelement durch Wärmeleitung und/oder Konvektion und/oder Strahlung vermindert und der Temperaturgradient erhöht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind der thermoelektrische Wandler und alle thermischen Leitelemente in einem rohrförmigen Gehäuse untergebracht. Vorteilhafterweise ist der thermoelektrische Wandler gegenüber den rauhen Umgebungsbedingungen im industriellen Umfeld geschützt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Temperaturtransmitters mit einem gefäßnahen thermoelektrischen Wandler
2 eine Prinzipdarstellung eines Temperaturtransmitters mit einem gefäßfernen thermoelektrischen Wandler
3 eine Prinzipdarstellung eines Temperaturtransmitters mit einem thermoelektrischen Wandler zwischen beidseitig angeordneten thermischen Leitelementen
In der 1 ist ein Temperaturtransmitter mit einem gefäßnahen thermoelektrischen Wandler im Umfang der erfindungswesentlichen Mittel teilweise geschnitten dargestellt. Der Temperaturtransmitter umfasst ein nach außen offenes Schutzrohr 13, das in ein Prozeßgefäß 20 hineinragt, in dem ein Prozeßmedium 21 eingeschlossen ist. Der Temperaturtransmitter umfasst ferner einen Kopf 10, in dem eine Elektronikkomponente 11 untergebracht ist. Die Elektronikkomponente 11 ist mit einem Sensor 14 verbunden, der im Inneren des Schutzrohres 13 an dessen geschlossenen Ende angeordnet ist.
Die Elektronikkomponente 11 ist von einem thermoelektrischen Wandler 32 gespeist. Der thermoelektrischen Wandler 32 ist mit einem thermischen Leitelement 33 zwischen einem inneren thermischen Koppelelement 31 und einem äußeren thermischen Koppelelement 34 in thermischer Wirkverbindung stehend angeordnet.
Das innere thermische Koppelelement 31 ist als massives Einpressteil aus thermisch gut leitfähigem Material, insbesondere Aluminium oder Kupfer, ausgeführt und in das Prozeßgefäß 20 hineinragend thermisch an die physikalische Größe Temperatur des Prozeßmediums 21 angekoppelt.
Das äußere thermische Koppelelement 34 ist als gerippter Kühlkörper ausgebildet von der Umgebungsluft umspült und somit an deren physikalische Größe Temperatur ankoppelt. Der Kühlkörper ist um die Länge des Halsrohres 12 von dem Prozeßgefäß 20 beabstandet.
Der thermoelektrische Wandler 32 weist eine dem Kopf 10 zugewandte Kopfseite und eine dem Prozeßgefäß 20 zugewandte Gefäßseite auf.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung liegt die Gefäßseite des thermoelektrischen Wandlers 32 unmittelbar auf dem inneren thermischen Koppelelement 31 und die Kopfseite ist über thermische Leitelemente 33 mit dem äußeren thermischen Koppelelement 34 verbunden. Die thermischen Leitelemente 33 sind vorzugsweise als für sich bekannte Wärmeleitrohre oder sogenannte Heatpipes ausgebildet. Dabei sind die Temperatur der Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers 32 etwa gleich der Umgebungstemperatur des Kühlkörpers und die Temperatur der Gefäßseite etwa gleich der Temperatur des Prozeßmediums 21.
Der thermoelektrische Wandler 32 und die thermischen Leitelemente 33 sind in einem für sich bekannten Halsrohr 12 untergebracht. Das Halsrohr 12 ist mit dem Schutzrohr 13 und dem Kühlkörper 34 gegenüber der Umgebung abgedichtet, so dass in seinem Inneren ein geschützter Raum gegenüber den rauhen Umgebungsbedingungen im industriellen Umfeld entsteht.
In besonders vorteilhafter Weise macht die Erfindung von den vorhandenen Mitteln eines Temperaturtransmitters für den Hochtemperaturbereich Gebrauch. Bei diesen Temperaturtransmittern ist der Kopf 10 stets über ein Halsrohr 12 mit dem Schutzrohr 13 verbunden, um die Elektronikkomponente 11 vor der Temperatur des Prozeßgefäßes 20 zu schützen. Bei kopfnaher Montage des Kühlkörpers 34 am kopfseitigen Ende des Halsrohres 12 ist steigert die dabei auftretende Temperaturdifferenz zum Prozeßgefäß 20 sowie dem Prozeßmediums 21 die Energieausbeute des thermoelektrischen Wandlers 32.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel in 2 ist ein Temperaturtransmitter mit einem kopfnahen thermoelektrischen Wandler 32 im Umfang der erfindungswesentlichen Mittel teilweise geschnitten dargestellt. Dabei ist die Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers 32 unmittelbar mit dem als Kühlkörper ausgebildeten äußeren thermischen Koppelelement 34 verbunden, während die Gefäßseite des thermoelektrischen Wandlers 32 über thermische Leitelemente 33 mit dem inneren thermischen Koppelelement 31 verbunden ist. Die thermischen Leitelemente 33 sind vorzugsweise als für sich bekannte Wärmeleitrohre oder sogenannte Heatpipes ausgebildet. Dabei sind die Temperatur der Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers 32 etwa gleich der Umgebungstemperatur des Kühlkörpers und die Temperatur der Gefäßseite etwa gleich der Temperatur des Prozeßmediums 21.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel in 3 ist ein Temperaturtransmitter mit einem kopfnahen thermoelektrischen Wandler 32 im Umfang der erfindungswesentlichen Mittel teilweise geschnitten dargestellt. Dabei ist sowohl die Gefäßseite als auch die Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers 32 über thermische Leitelemente 33 mit dem zugehörigen thermischen Koppelelement 31 oder 34 verbunden. So ist die Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers 32 über thermische Leitelemente 33 mit dem als Kühlkörper ausgebildeten äußeren thermischen Koppelelement 34 verbunden, während die Gefäßseite des thermoelektrischen Wandlers 32 über thermische Leitelemente 33 mit dem inneren thermischen Koppelelement 31 verbunden ist. Die thermischen Leitelemente 33 sind vorzugsweise als für sich bekannte Wärmeleitrohre oder sogenannte Heatpipes ausgebildet. Dabei sind die Temperatur der Kopfseite des thermoelektrischen Wandlers 32 etwa gleich der Umgebungstemperatur des Kühlkörpers und die Temperatur der Gefäßseite etwa gleich der Temperatur des Prozeßmediums 21.
Bezugszeichenliste

10: Kopf
11: Elektronikkomponente
12: Halsrohr
13: Schutzrohr
14: Sensor
20: Prozeßgefäß
21: Prozeßmedium
31: inneres thermisches Koppelelement
32: thermoelektrischer Wandler
33: thermisches Leitelement
34: äußeres thermisches Koppelelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007051672 A1 [0003]
DE 102008038980 A1 [0003]
WO 2008/042073 A2 [0004]
DE 102007056150 A1 [0005]

Claims

Autonomer Temperaturtransmitter, der teilweise in ein Prozeßgefäß (20) hineinragt, in dem ein Prozeßmedium (21) eingeschlossen ist, dessen Temperatur gemessen werden soll, und dessen aus dem Prozeßgefäß (20) herausragender Teil (10) eine Elektronikkomponente (11) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speisung der Elektronikkomponente (11) ein thermoelektrischer Wandler (32) mit mindestens einem thermischen Leitelement (33) zwischen einem inneren thermischen Koppelelement (31) und einem äußeren thermischen Koppelelement (34) in thermischer Wirkverbindung stehend angeordnet ist, wobei das innere thermische Koppelelement (31) thermisch an das Prozeßmedium (21) angekoppelt ist und das äußere thermische Koppelelement (34) von der Umgebungsluft umspült ist.
Autonomer Temperaturtransmitter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das äußere thermische Koppelelement (34) von dem Prozeßgefäß (20) beabstandet ist.
Autonomer Temperaturtransmitter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Wandler (32) und alle thermischen Leitelemente (33) in einem rohrförmigen Gehäuse (12) untergebracht sind.