用于非侵入式温度测量仪器的测试方法

摘要

一种用于测试温度测量仪器(1)的方法，其中，所述仪器(1)包括至少一个传感器(2a‑2c)，所述至少一个传感器(2a‑2c)响应于被暴露于温度T中的变化而改变其电阻R和/或其产生的电压U，并且其中仪器(1)配置成耦合到感兴趣的对象(3)，该方法包括：通过下列方式来将至少一个传感器(2a‑2c)的温度T改变(110)在给定至少一个传感器(2a‑2c)的测量分辨率dT的情况下可检测的量：驱动电操纵电流IM经过这个传感器(2a‑2c)；从至少一个传感器(2a‑2c)来得到(120)一个或多个测量值(4)；以及从一个或多个测量值(4)来评估(130)测量仪器(1)的状态(5a)、其传感器(2a‑2c)的一个或多个的状态(5b)和/或与感兴趣的对象(3)的耦合的状态(5c)。

说明书

技术领域

本发明涉及非侵入式温度测量仪器，所述非侵入式温度测量仪器尤其可用来测量工业工厂中的管道和其他容器的表面温度。

背景技术

在工业工厂中，管道或其他容器中的介质的温度属于在工业过程的进程（course）中将被监测的最重要参数。非侵入式温度测量仪器是被附连到容器的外侧表面并且采用一个或多个传感器局部测量这个外侧表面上的温度的仪器。通过适当评估所测量温度，可得出容器内部的温度。

与直接插入到容器内部的介质中的侵入式测量仪器相比，非侵入式测量仪器没有阻碍介质的流动，并且不会受到化学侵蚀性介质攻击。此外，添加和去除这类仪器不要求工厂的临时停工。

非侵入式测量仪器与容器的外壁之间的热接触以及因此仪器与介质之间的热接触可随时间推移而降级。因此，德国专利DE 102015105819 B4公开一种用于测试这类仪器的方法。热量通过临时热源被局部施加到容器的外壁，并且评估这对于从传感器所得到的测量值的影响，以检查仪器的校准是否仍然正确。

发明目的

本发明的目的是要进一步促进非侵入式温度测量仪器的所述测试并且增加测试结果的精度。

这些目的通过按照相应独立权利要求所述的测试方法、温度测量仪器和计算机程序来实现。在相应从属权利要求中详述另外的有利实施例。

发明内容

本发明人已经开发一种用于测试温度测量仪器的方法。这个仪器包括至少一个传感器，所述至少一个传感器响应于被暴露于温度T中的变化而改变它的电阻R和/或它产生的电压U。在一个示例中，传感器可以是电阻传感器，其具有灵敏地取决于温度T的欧姆电阻R。在另一个示例中，传感器可呈现塞贝克热电效应，其将温度T中的变化直接转换成传感器的端子之间的电压U中的变化。

仪器配置成耦合到感兴趣的对象。例如，它可以是非侵入式温度测量仪器，其具有可被附连到管道、容器或其他感兴趣的对象的外侧表面的表面。根据所述外侧表面上测量的温度T，可评估感兴趣的对象内部的温度，因为这是本领域对这类仪器的惯例。

按照测试方法，至少一个传感器的温度T通过下列方式来改变在给定所述至少一个传感器的测量分辨率dT的情况下可检测的量：驱动电操纵电流I

当测量电阻传感器的欧姆电阻，这通常通过驱动小探测电流I

该测试方法可故意使用自热效应作为用于测试的热源，所述自热效应在现有技术中被视为不必要效应。在示范实施例中，至少一个传感器的温度T可被改变了至少2开尔文的量。至少2开尔文的温度增加远远超过对于按照现有技术的探测将被认为是可接受的温度增加。在Pt100传感器的所述示例中，可施加大约30 mA的电操纵电流IM，从而引起90 mW的功率耗散以及大约36 K的局部温度增加。

测量值从至少一个传感器(所述至少一个传感器可以是其温度T被改变的相同传感器)或者从配备有多个传感器的测量仪器的不同传感器来得到。根据测量值，评估来自一个或多个测量值的测量仪器的状态、其传感器的一个或多个的状态和/或与感兴趣的对象的耦合的状态。

本发明人已经发现，通过施加电操纵电流I

而且，改进测试测量的精度。在监测管道或其他容器中的介质的温度T的所述用例中，测试的主要目的是要检查传感器与介质之间的热路是否仍然处于作为用于仪器的校准的基础的状态或者这个热路是否已经改变。例如，将仪器固定到管道的夹具可因管道的振动而随时间推移松动。传感器与介质之间的热路也可通过容器内部的沉积物的积聚(例如污垢、结垢或钙化)而受损。通过利用自热效应，用于测试的热量尤其可被发送到在仪器的正常操作期间用于温度感测的极热路径上。

尤其在容器中的沉积物的所述情况下，这使得使用传感器的自热比使用另一个热源更加准确。这类沉积物通常积聚在特定位置，即，沉积物可存在于其中测量仪器被安装在外壁上的位置中的内壁上，但是不存在于其中附加热源被施加于外壁上的位置中。

虽然被附连到管道、容器或其他感兴趣的对象的外壁的非侵入式测量仪器是重要用例，但是该方法并不局限于这个用例。即，测量仪器也可以是侵入式仪器，该仪器配置成测量管道或容器内部的温度。如果沉积物积聚在伸入到管道或容器中的测量仪器的部分上，则这也可借助于该方法来检测。

而且，虽然测量仪器配置成被耦合到感兴趣的对象，但是该方法的使用并不局限于其中已经执行这个耦合的状态。该方法而是还可用来指导测量仪器的安装过程。例如，在安装期间，可监测测量值，以便查找测量仪器与感兴趣的对象之间的最佳热接触。

例如，如果测量仪器借助于需要被夹紧的夹具或其他固定装置来固定到感兴趣的对象，则最佳热耦合可要求以正确的力量来夹紧夹具或其他固定装置。如果施加过小的力，则空气隙可在测量仪器与感兴趣的对象之间形成。如果施加过大的力，则测量仪器可能倾斜或倾翻，使得其表面的小部分与感兴趣的对象进行良好接触，但是其表面的很大一部分脱离与感兴趣的对象的接触。

可通过改变至少一个传感器的温度T来生成和评估不同类型的温度场。可考虑瞬态场发展和/或大时间的极限中的温度T的静态空间分布。从温度场和/或其时间相关进程(例如衰变曲线)，可得出关于测量仪器周围的实际边界条件的结论。有利地，可执行新得到的数据与来自先前测试的历史数据之间的比较。例如，历史数据可表示最佳状态的“指纹”，其中测量仪器被正确地耦合到感兴趣的对象并且处于正确工作状态中。

在特别有利的实施例中，其温度T被改变的传感器也是根据其得到测量值的传感器。这个实施例还可用于仅具有一个单传感器的测量仪器上。例如，这类仪器可用于其中仅存在极小空间来安装测量仪器并且因此将难以添加另一个临时热源的位置中。

优选地，在下列条件下得到测量值：至多探测电流I

还可从与其温度T被改变的传感器不同的一个或多个传感器来得到测量值。按照这种方式，可研究测量仪器内的热量的分布。为此，在另外的特别有利的实施例中，从与其温度T被改变的传感器不同的至少两个这类传感器来得到测量值。

例如，评估则可包括拟合用于其温度T被改变的传感器与根据其得到测量值的传感器之间的热传输的参数化模型，使得该模型匹配测量值。特别是，这可包括调整模型的参数，使得它对根据其得到测量值的传感器的位置处的测量值的预测匹配从这些传感器实际得到的测量值。

如果从若干传感器得到测量值，则这可用来检测与测量仪器的适当工作状态的更广泛偏差。例如，除了测量仪器与感兴趣的对象之间的不恰当接触之外，还可检测其温度T被改变的传感器与根据其得到测量值的传感器之间的热泄漏。而且，可检测测量仪器的壳体与这些传感器中的一个传感器之间的热泄漏。

在另外的特别有利的实施例中，至少一个传感器被选择成呈现塞贝克热电效应，和/或被选择为珀耳帖元件。使用塞贝克效应来测量温度产生电压信号，并且测量这个电压信号没有引起任何自热。而且，如果传感器是珀耳帖元件，则电操纵电流I

在另外的特别有利的实施例中，电操纵电流I

例如，脉冲可以是矩形脉冲或高斯脉冲。脉冲然后可采取对应脉冲形式被传递给根据其得到测量值的传感器。可从测量值来评估的示范关键性能指示符为：

在另外的特别有利的实施例中，电操纵电流I

在另外的特别有利的实施例中，以至少两个不同角频率ω

所述受损以及还有其他受损的另外的可能矫正是要在利用其处理测量值的算法中应用适当校正。如上所述，当最终目标是要测量管道或其他容器内部的介质的温度时，这样的算法通常在适当位置（in place）以便从由测量仪器的不同传感器所观测的温度T来估计介质的预期温度T。可例如借助于校正项在这种算法中考虑适当识别和/或量化的任何受损。所述物理矫正(例如从管道中清洁沉积物或者重新夹紧热接触)则可被推迟一直到其中由校正项对受损的近似计算不再足够准确的时间点或者被推迟一直到其中测量操作因某个其他原因而不再令人满意的时间点。例如，管道或其他容器的内部上的沉积物的持续积聚可过度延迟温度变化从容器内部的介质到容器外部的测量仪器的传播。

因此，在另外的特别有利的实施例中，评估包括基于在两个不同角频率ω

通过施加电操纵电流I

例如，测量仪器可处于4-20 mA电流环路上，使得它可通过它从该环路所吸取的电流量来传递测量值。这具有下列优点：甚至在很长的缆线上，测量值在运送中也未被改变。但是在其中电流环路还用作测量仪器的功率供应的最常见情况下，整个仪器必须能够甚至在其中它从电流环路仅吸取4 mA的状态中也起作用。在Pt100传感器的所述示范情况下，这将不足以供应总共30 mA的预期电操纵电流I

但是另一方面，借助于上述方法的测试是不需要不断运行的功能性。测试而是通常在首次安装测量仪器时执行，并且然后以周期间隔或者按需重复进行，以检查是否已经改变任何方面。

因此，本发明还提供一种温度测量仪器。这个测量仪器包括至少一个传感器，所述至少一个传感器响应于被暴露于温度T中的变化而改变它的电阻R和/或它产生的电压U。该仪器还包括能量源和/或能量连接器，其配置成在上述方法的进程中至少为一个或多个测量值的得到供电。能量连接器例如可以是接口，该接口将测量仪器连接到它所附连的现场总线，例如4-20 mA电流环路。

测量值的评估仍然是上述方法的组成部分，但是这不需要在测量仪器本身内执行。这而是可使用通过现场总线或者任何其他适当通信部件从仪器所得到的测量值、远离测量仪器地进行。

仪器还包括能量存储装置，该能量存储装置配置成输送用于改变至少一个传感器的温度的电操纵电流I

按照这种方式，少量能量可从能量源和/或能量连接器来吸取，并且被“储存”在能量存储装置中以供下一次测试方法需要被执行。例如，如果测量仪器由所述4-20 mA电流环路来供电，则能量存储装置的充电可被协调成在其中仪器吸取更高电流以发信号通知关于更高测量值的时间段期间进行。

能量存储装置例如可以是电池或电容器，这取决于多少能量需要在哪一个时间段内被存储。

以上所述的方法可以是计算机实现的，并且通过软件来体现，该软件可致动一个或多个温度测量仪器，使得改变至少一个传感器的温度，得到测量值，并且评估所得测量值。因此，本发明还提供一种计算机程序，该计算机程序包括机器可读指令，所述指令在由与至少一个温度测量仪器通信耦合的一个或多个计算机执行时使所述一个或多个计算机执行上述方法。

计算机程序可在非暂时机器可读存储介质上和/或采取可通过网络输送的下载产品形式被体现和销售。本发明还提供一种计算机，该计算机配备有计算机程序和/或存储介质和/或下载产品。

附图说明

下面使用附图来图示本发明，而没有用来限制本发明的范围的任何意图。附图示出：

图1：方法100的示范实施例；

图2：温度测量仪器1的示范实施例。

具体实施方式

图1是测试温度测量仪器1的方法100的示范实施例的流程图。在步骤110中，测量仪器1的至少一个传感器2a-2c的温度T通过驱动电操纵电流I

在框110内给出施加电操纵电流I

在步骤120中，从至少一个传感器2a-2c来得到一个或多个测量值4。

在框120内给出得到测量值4的示范方式，其可单独或者组合地被采用。按照框121，在得到期间，经过传感器2a-2c的探测电流I

在步骤130中，评估测量值4。因此，得到测量仪器1的状态5a、其传感器的一个或多个的状态5b和/或测量仪器1与感兴趣的对象3的耦合的状态5c。如前面所述，测量仪器1与感兴趣的对象3的所述耦合可包括与用作感兴趣的对象3的管道或其他容器内部的介质的热耦合。这个热耦合可通过容器内部的沉积物的积聚而受损，所述沉积物将介质与容器壁热绝缘。

在框130内给出从测量值4来评估预期状态5a-5c的示范方式，其可单独或者组合地被采用。按照框132，测量值对用于施加电操纵电流的频率ω

图2示出其中被附连到用作感兴趣的对象3的管道的外壁的状态中的测量仪器1的示范实施例。为了清楚起见，图2中已经省略用于附连的部件(例如夹具)。

测量仪器1包括三个传感器2a-2c。最靠近与管道3的接触表面的传感器2a配置成通过电操纵电流I

测量仪器1通过接口6来连接到4-20 mA电流环路10，该接口6还用作能量连接器，以用于采用从电流环路10所吸取的电流为测量仪器1供电。测量仪器1进一步包括能量存储装置7。这个能量存储装置7累积从接口6所接收的能量，并且在测量仪器1被测试时将电操纵电流I

由被加热传感器2a所生成的热场9基本上具有在不同方向上传播的两个分量9a、9b。分量9a在测量仪器1内部传播到传感器2b，并且然后向前传播到传感器2c。分量9b传播至管道3的壁中并且传播至其中包含的介质3a中。在图2中所示的示例中，后面的热流被管道3的内壁上的沉积物3b的积聚阻碍，因为这些沉积物3b热绝缘。由于传感器2a中耗散的总加热功率量是固定的，因此这使在测量仪器1内传播的将由传感器2b和2c所拾取的热场的第一分量9a增加。

参考符号列表

1 温度测量仪器

2a-2c 测量仪器1中的传感器

3 感兴趣的对象，例如管道或其他容器

3a 感兴趣的对象3中的介质

3b 感兴趣的对象3中的沉积物

4 测量值

5a 测量仪器1的状态

5b 一个或多个传感器2a-2c的状态

5c 仪器1与感兴趣的对象3的耦合的状态

6 仪器1的能量源/能量连接器

7 用于输送操纵电流IM的能量存储装置

9 通过改变传感器2a-2c的温度所生成的热场

9a、9b 热场9的分量

10 电流环路

100 用于测试测量仪器1的方法

110 改变传感器2a-2c的温度

111 施加作为脉冲的操纵电流I

112 施加具有频率ω的周期操纵电流I

112a 使用至少两个不同频率ω

120 从传感器2a-2c来得到测量值4

121 在得到120期间限制探测电流I

122 从测量信号中过滤周期分量

123 从至少两个不同传感器2a-2c来得到值4

130 从测量值4来评估状态5a-5c

132 使用值4的频率ω依赖性来区别影响

133 将用于热传输的模型拟合到测量值4

dT 传感器2a-2c的测量分辨率

I

I

ω、ω