用于低温应用的温度计的制作方法

1.本发明涉及一种用于将温度计固定在管的接头中的固定插入件，以及一种用于确定和/或监测容器中的介质的温度的装置。


背景技术：

2.在现有技术中，温度计在各种实施例中是已知的，并且它们的基本测量原理在文献中同样已经详细描述。因此，存在利用已知膨胀系数的液体、气体或固体的膨胀来测量温度等的温度计，或者诸如例如在应用电阻元件或热电偶的情况下将材料的电导率与温度相关联来测量温度的温度计。相比之下，在辐射温度计，尤其是高温计的情况下，利用物质的热辐射来确定物质的温度。
3.在所谓的薄膜传感器形式的温度传感器，尤其是例如电阻式温度检测器(rtd)的情况下，使用配备有连接线缆并且施加在衬底上的传感器元件，其中支撑衬底的背面通常涂覆有金属。在这种情况下，用作传感器元件的是所谓的电阻元件，例如，以铂元件的形式，其可以在商业上可获得，例如，刻有型号pt10、pt100和pt1000。
4.在热电偶形式的温度传感器的情况下，温度继而由热电压确定，该热电压出现在不同材料的单侧连接的热电偶线缆之间。对于温度测量，通常应用din标准iec584的热电偶作为温度传感器，例如k、j、n、s、r、b、t或e型的热电偶。然而，也可能使用其它材料对，尤其是具有可测量的塞贝克效应的材料对。
5.温度传感器通常是测量插入件的一部分，该测量插入件可以例如引入到浸入体或保护管中，从而延伸到介质中。因此，保护管原则上实现了壳体的功能，该壳体保护测量插入件免受过程中的环境的影响，例如侵蚀性介质、过大的力和/或高压和/或高温。保护管继而通常被引入到容器或管的接头中。
6.管道中的温度计被暴露于介质的流动，由此能够导致各种问题。在这种情况下，除了其它之外，特定安装起作用。温度计，例如，通常以温度计的纵向轴线基本上垂直于介质的流动方向延伸的方式被安装在管道的直段中。替代地，也可能将温度计布置在管道的弯曲部中。在任一情况下，介质的流动都是作用在温度计上的不同机械力(例如诸如剪切力的力，或者由涡旋脱落引起的力)的原因。涡旋脱落能够引起温度计的振荡。
7.流体流中的涡旋形成能够是“k
á
rm
á
n vortex street(卡门涡街)”的形式。这涉及沿不同方向回旋的涡流的重复模式，该重复模式由围绕本体的介质流的不连续分离引起，并且导致该本体的振荡。振荡频率越接近介质流动围绕的本体的本征频率，所引起的振荡就越大。振荡的频率例如由工艺参数确定，诸如介质的物理性质、流速和温度计的形状。
8.这些涡旋的脱落在最坏的情况下能够损坏温度计。至少，温度计的寿命被降低。因此，在开发用于流动介质的温度计时必须充分考虑涡旋形成的可能性。目前，存在定义温度计的不同设计规则的标准方法，诸如asme ptc 19.3tw-2010或din43772。使用这些方法，能够检查温度计的设计对涡旋形成的敏感性。然而，可用方法限于特定温度计形式和/或工艺条件。
9.基本上，人们努力将温度计的本征频率和涡旋脱落的本征频率彼此分离。这样，温度计的共振、涡旋感应振荡的危险情况发生的可能性能够被最小化。例如，为了实现频率的这种分离，能够变化温度计的几何形状，例如通过减小温度计的长度、通过增加直径和/或通过使用相对大厚度的保护管。
10.替代地，当功能限制不许可温度计的尺寸的特定改变时，有时也使用机械支撑件或阻尼器，以便减小温度计对涡旋脱落的敏感性。这些机械支撑件或阻尼器通常被安装在接头或管与温度计的外部之间的间隙中。支撑件或阻尼器通过减小温度计的自由长度来增加温度计的本征频率。然而，安装支撑件或阻尼器以能够实现高程度的耦合以及随之的期望效果被证明是困难的。另一个问题是，由于温度计的不同部件的不同热膨胀系数，不能确保支撑件或阻尼器在该过程中的固定位置。为此，目前，具有支撑件或阻尼器的温度计的对应实施例，例如，不满足标准asme ptc 19.3 tw-2010的要求。
11.因此，对于在低温下使用的低温应用，就温度计的热特性及其测量精度而言，为了减少热传导误差，有利的是使温度计尽可能长且直径尽可能小。此外，有利的是，使保护管的壁尽可能薄。然而，这种结构，诸如上面所述，对于温度计的涡旋感应振荡是特别不利的。


技术实现要素：

12.本发明的目的是解决这组问题，并且提供一种也特别适于记录流动介质的低温的温度计。
13.该目的通过如权利要求1所限定的固定插入件以及如权利要求14所限定的装置实现，有利的实施例在从属权利要求中阐述。
14.关于固定插入件，本发明的目的通过一种用于将温度计固定在管的接头中的固定插入件实现，该固定插入件包括用于将温度计固定到固定插入件的保持元件和被实现为防止相对于管的转动移动的止挡件。根据本发明，固定插入件的至少一个部件被实现和/或布置成使得固定插入件沿接头的纵向轴线的方向可移动。
15.固定插入件平行于纵向轴线的可移动性能够补偿由不同膨胀系数引起的温度效应。同时，保持元件与温度计刚性连接，使得有效用于减小涡旋感应振荡的可能性的机械耦合总是存在。本发明的优点在于，能够利用同时补偿产生的温度效应来实现固定插入件的足够稳定性。因此，使用本发明的固定插入件许可在其热特性方面优化温度计。例如，温度计能够是长的，而保护管能够具有薄壁。因此，固定插入件优选地可用于低温领域，即低温。
16.在实施例中，固定插入件还包括具有用于接收温度计的通道的基体，其中基体的外部与接头的内部的几何尺寸适配。基体实际上用作接头和固定插入件的至少一个附加部件之间的适配器。
17.优选地，基体以使得其可引入在相对于接头的内部的限定位置中的方式被实现。有利地，基体可以通过力，例如摩擦、固定和/或通过材料结合，与容纳接头连接。例如，基体能够借助于焊接等方式固定到接头的内部。
18.此外，有利的是，基体以中空圆柱体的形式被实现。这样，能够匹配通常同样为圆柱形的接头的对称性。
19.在实施例中，固定插入件包括圆形的弹簧元件，该弹簧元件能够插入、尤其是能够释放地插入到接头或基体中。弹簧元件的尺寸尤其设计成使得其能够以可预先确定的弹簧
应力插入到接头或基体中。因此，弹簧元件能够适应于固定插入件、温度计和/或接头的各种部件根据温度条件的不同膨胀或收缩，并且相应地补偿由于不同热膨胀系数而引起的不同部件的各种机械膨胀或收缩。
20.在固定插入件的另一实施方式中，止挡件包括延长的导向元件，该导向元件被固定到接管或基体的壁，并且止挡件在固定插入件引入到接管中时接合在固定插入件的部件中。优选地，止挡件通过力，例如摩擦、固定和/或材料结合，与接头或基体的壁连接，例如，止挡件被焊接到壁。
21.被引入到接管中或基体中的固定插入件的至少一个部件然后包括，例如，在插入固定插入件时止挡件接合在其中的空腔、槽或支座。
22.因此，在本发明的实施例中，有利的是，弹簧元件包括延长的槽，其中，当弹簧元件被布置在接管或基体中时，导向元件以使得导向元件接合在槽中的方式被固定到接管或基体的壁。优选地，导向元件以使得导向元件的纵向轴线平行于接头的纵向轴线延伸的方式被固定在接头或基体中。作为温度变化的结果，导向元件的长度尤其适合于不同部件的热膨胀系数和/或预期机械膨胀和/或收缩。
23.替代实施例包括，止挡件包括螺纹螺栓。该螺纹螺栓至少包括用于固定到基体或接头的具有螺纹的第一部分和缺乏螺纹的第二部分。优选地，螺纹螺栓平行于接头的纵向轴线定向。然而，螺纹螺栓还能够附加地可选地包括同样设置有螺纹的第三部分。优选地，第一部分和第三部分然后被布置在螺纹螺栓的两个端部区域中。
24.至少固定插入件的被实现和/或布置成使得固定插入件沿接头的纵向轴线的方向可移动的部件然后包括通道，螺纹螺栓穿过该通道并且该通道布置在螺纹螺栓的第二部分上。
25.在具有包括螺纹螺栓的止挡件的实施例中，基体具有圆形底板，在该底板上安装具有用于接收螺纹螺栓的内螺纹的管。在这种情况下，螺纹螺栓例如与第一部分一起被拧入内螺纹管中。在该实施例中，借助于与基体的螺纹连接，止挡件有效阻止温度计的旋转移动。
26.在固定插入件的实施例中，保持元件包括温度计可固定在其中的圆形元件。
27.为了将温度计固定在圆形元件中，可以使用本领域技术人员本身已知的所有固定件，例如，具有相互对应螺纹的螺纹连接或使用固定螺钉。
28.在固定插入件的替代的实施方式中，保持元件以具有温度计可固定在其中的尤其是中心的第一通道的圆柱形元件的形式被实现，并且其中圆柱形元件的外径与接头或基体的内径适配。第一通道尤其是圆柱形元件的截面区域的中心通道，并且其内径与温度计的外径适配。
29.在保持元件呈圆柱形元件的形式的实施例的情况下，有利地，保持元件包括用于在管的内部容积和温度计的内部容积之间产生流体接触的至少第二通道。第二通道是圆柱形元件的截面区域的偏心通道。
30.另一实施例包括，保持元件通过力固定，例如摩擦固定和/或通过材料结合，与接头、基体或圆形弹簧元件连接。在这方面，能够使用可释放或不可释放的连接。
31.对于其中固定插入件包括圆形弹簧元件的情况，实施例提供，保持元件包括连接保持元件和弹簧元件的支柱。在该实施例中，保持元件和弹簧元件优选地通过材料结合刚
性连接在一起。例如，支柱能够借助于两个焊接节点与弹簧元件和保持元件连接。
32.对于其中固定插入件具有基体并且保持元件具有圆柱形元件的形式的情况，替代实施例包括基体和保持元件借助于螺纹连接彼此可连接，特别地，保持元件具有至少第三通道，其中保持元件和基体借助于止挡件的螺纹螺栓、借助于螺钉或借助于附加螺纹螺栓彼此可连接。
33.此外，本发明的目的通过一种用于确定和/或监测容器中的介质的温度的装置来实现，该装置包括：具有用于确定和/或监测介质的温度的温度传感器的测量插入件；以及用于接收测量插入件的保护管。根据本发明，该装置还包括根据所描述的实施例中的至少一个的本发明的固定插入件。
34.在实施例中，该装置包括压力取出接头。此外，经由该压力取出接头，可能确定在管中的介质的压力。尤其是对于低温应用的情况，可能以这种方式避免通过在存在的给定情况下的管的真空隔离提供到工艺的附加连接，否则在附加测量点的情况下需要该附加连接。
35.在这里应注意，结合本发明的固定插入件描述的实施例也能够以必要的变更而被应用于本发明的装置，反之亦然。
附图说明
36.现在将基于附图更详细地解释本发明及其有利实施例，附图示出如下：
37.图1示出涡旋感应振荡的来源，
38.图2示出具有保护管和机械支撑件的温度计，
39.图3示出具有本发明的固定插入件的温度计的第一实施例，以及
40.图4示出具有本发明的固定插入件的温度计的第二实施例。
41.在附图中，相同的元件被提供相同的附图标记。
具体实施方式
42.图1示出了涡旋w如何从暴露于在管2中流动的介质m的圆柱形、圆锥形逐渐变细的温度计1脱落。管2在这里通过其壁示出。沿温度计1后面的介质m的流动方向v形成流动剖面的梳状图案。根据介质m的流速v，这能够导致涡旋脱落，其继而能够导致温度计1振荡。
43.振动主要由作用在温度计1上的以下两个力引起：沿y方向的剪切力和沿x方向的提升力，它们相加形成流量确定的总力f
flow
。剪切力引起频率为fs的振荡，而提升力引起频率为2fs的振荡。频率fs取决于介质m的流速v和介质m的各种物理或化学性质，诸如其粘度和密度，以及温度计1的几何形状，诸如其直径、其长度和保护管的壁的厚度。频率fs越接近温度计1的本征频率并且介质m的流速v越高，产生由此产生的力的振荡越大。温度计1能够由于这些力的作用和涡旋脱落的发生而损坏。在最坏的情况下，温度计1能够发生完全故障。这被称为所谓的谐振条件。
44.为了降低温度计对这种涡旋形成的敏感性，诸如如上所述，能够修改保护管的设计。然而，用于优化温度计1关于涡旋脱落的几何形状的动作以及用于在温度效应，尤其是由不期望的排热所引起的温度效应，方面优化温度计1的动作基本上沿相反方向运行。
45.防止温度计1的涡旋感应振荡的另一种方式是使用机械支撑件4，诸如图2所示。支
撑件4被引入到管2的接头3中，并且通过减小温度计1的自由长度来增加温度计1的本征频率。
46.然而，在这种机械支撑件4的情况下存在的问题是不能一直确保与温度计1的有效机械耦合。尤其是，由于不同热膨胀系数而在温度变化时发生的装置的不同部件的机械膨胀使得这种解决方案在这个时间点上不可靠。
47.本发明使用固定插入件6解决了这个问题，该固定插入件平行于接头3的纵向轴线l是可移动的。由于沿纵向轴线的方向的这种移动，能够补偿温度效应，而不影响与温度计1的机械耦合。
48.图3和4示出了本发明的固定插入件6和本发明的装置7的两个特别优选的实施例。管2和接头3在每种情况下都例如被实现用于低温t的应用，并且例如在这种情况下包括真空绝缘(未分开地示出)。
49.在图3的实施例的情况下，固定插入件6包括延长的导向元件形式的止挡件8，该止挡件被焊接到接头3的内部，例如如图3a所示。固定插入件6还包括圆形弹簧元件9，其几何尺寸同样与接头3的尺寸适配。弹簧元件9具有当弹簧元件9布置在接头3中时止挡件8接合在其中的槽9a。弹簧元件9还经由支柱10与用于固定温度计1的圆形保持元件11连接。止挡件8阻止固定插入件6在接头中的转动移动。
50.相反，沿接头的纵向轴线l的方向的移动s
therm
是可能的，并且用于补偿温度效应，其形式为以其他方式作用在温度计1和固定插入件6上的热感应力f
therm
。这在图3b中被图示。作为温度变化的结果，力f
therm
由不同部件的不同膨胀系数以及相关不同机械膨胀产生。由接头3的壁和弹簧元件产生的力f
hold
用于将保持元件11固定在温度计1上，以便温度计1继而经受对由流动引起的力f
flow
的降低的敏感性，例如上面结合图1所述。
51.本发明的固定插入件6和本发明的装置7的特别优选实施例的第二示例在图4中以相对于彼此旋转90
°
的视图示出。如图4a所示，固定插入件包括中空圆柱体的形式的基体13，其被固定在接头3中。例如，基体13被焊接到接头3。基体13还具有其中安装有用于接收作为止挡件8的一部分的螺纹螺栓16的内螺纹管15的圆形底板14。借助于螺纹螺栓16，基体13通过力固定(例如摩擦固定)与保持元件11连接，其在这种情况下以圆柱形元件的形式被实现。如图4b所示，保持元件11具有用于接收温度计1的第一通道12a、用于在管2的内部容积和温度计1的内部容积之间产生流体接触的第二通道12b、以及用于借助于螺纹螺栓15将保持元件11与基体13固定的第三通道12c。
52.同样对于固定插入件的第二变型，沿接头3的纵向的移动是可能的，而旋转移动被止挡件8阻止。相应地，如在图3的实施例的情况下，由温度效应产生的力f
therm
和流动相关力f
flow
能够被补偿。
53.在图4的实施例中，装置7还包括用于测量介质m的压力的压力取出接头17。这通过管2的内部容积与温度计1的内部容积之间的流体接触来实现，对于所示的情况，这由第二通道12b保证。
54.附图标记
55.1 温度计
56.2 管
57.3 接头
58.4 机械支撑件
59.5 真空绝缘
60.6 固定插入件
61.7 装置
62.8 止挡件
63.9 弹簧元件
64.10 支柱
65.11 保持元件
66.12 通道
67.13 基体
68.14 基体的底板
69.15 管
70.16 螺纹螺栓
71.17 压力取出接头