本发明涉及一种用于确定在容器内或在管内的介质的温度的测量设备。
背景技术：
在测量在容器内或在管内的介质的温度时，经常出现对于测量不能接近容器或管的内部的问题。介质例如可能是腐蚀性的或者处于高压下，使得在容器内或在管内的传感器损坏。因此，在这样的情况下，利用设置在容器或管的壁外部的温度感测器来测量温度。
然而，恰好在腐蚀性介质或高压的情况下，一定的最小壁厚是必需的，该壁厚阻碍了热穿透至设置在壁外部的传感器。因此，测量结果经常是不精确的。
技术实现要素：
因此，本发明的任务在于，提供一种测量设备，该测量设备能够利用设置在容器或管的壁外部的温度感测器与现有技术相比更精确地测量在容器内或在管内的介质的温度。
根据本发明，该任务通过按照本发明的测量设备得以解决。在本发明的范围内，研发了一种用于确定在容器内或在管内的介质的温度的测量设备。该测量设备包括至少一个设置在容器或管的壁外部的温度感测器，该温度感测器包括由该温度传感器记录的温度的输出端。所述测量设备还具有用于由该测量设备确定的测量结果的输出端。
根据本发明，在所述温度感测器的输出端和所述测量设备的输出端之间接入
·至少一个第一微分器，所述第一微分器能够确定由所述温度感测器记录的温度的时间曲线的至少一个一阶导数，
·至少一个第一乘法器，所述第一乘法器用于将所述导数与第一因子相乘，该第一因子是用于热传递通过壁的时间常数的量度，以及
·至少一个加法器。
在此，所述加法器的第一输入端与所述乘法器的输出端连接。所述加法器的第二输入端与此无关地与所述温度感测器的输出端连接。所述加法器的输出端提供所述测量设备的测量结果并且因此与用于所述测量结果的输出端连接。
已知的是：容器或管的壁在传递函数中以良好近似地作为PT1元件 (PT1-Glied)起作用，介质温度的变化以该传递函数传播给由温度感测器记录的温度。在介质的温度上升时，在温度感测器也记录变热之前，首先壁升温并且由此能量储存在壁中。如果介质的温度突然下降，则相反地，在温度感测器记录冷却之前，首先壁从内向外冷却并且又释放一部分所存储的能量。因此，壁近似是具有一阶延时的、而无放大的能量存储器。
这导致：在介质的温度变化快速的情况下，由温度感测器记录的温度滞后于该温度变化一个数值，该数值与在温度感测器上记录的温度的变化率成正比。比例常数是热传递通过壁的时间常数。对于由温度感测器和壁构成的现有布置结构，该时间常数固定。该时间常数必须仅被确定一次，以便此后利用根据本发明的电路修正其来自温度时间曲线的影响，并且由此能够显著地改善温度测量的阶跃响应。
精度还可以得到进一步改善，其方式是，按照本发明的一个特别有利的构造方案，在所述第一微分器的输出端与所述加法器的第三输入端之间接入由第二微分器和第二乘法器构成的串联电路。该第二乘法器与第二因子相乘，该第二因子是用于所述温度感测器的温度变化的时间常数的量度。
对此考虑：除了壁之外，温度感测器本身也具有热容量并且由此作为蓄能器起作用。两个独立的蓄能器的串联电路在传递函数中作为具有二阶延时的PT2元件(PT2-Glied)起作用，介质的温度变化以该传递函数传播给由温度感测器记录的温度。因为传感器本身的热容量与巨大的壁的热容量相比小得多，所以大约在一阶延时中仅壁的热容量是决定性的。传感器的热容量在二阶中作为附加修正项出现。试验已经证实：根据测试设备的结构，一阶导数和二阶导数可以在动态修正中起作用。更高阶的导数可能被忽略。
有利地，至少一个微分器、加法器和/或乘法器构造为模拟的构造元件。这样的构造元件在不利的环境条件下也是可靠且稳定的。此外，它们是特别快速的。
替代地或与此组合地，设置有分析处理单元，在该分析处理单元中，至少一个微分器、加法器和/或乘法器实施为数字的处理步骤。该分析处理单元特别可以是计算机或数字信号处理器 (DSP)。这种分析处理单元虽然耗费，但为此与纯模拟电路相比也灵活得多。
在本发明的一个特别有利的构造方案中，在所述温度感测器的输出端与至少一个微分器的输入端之间接入修正装置，以用于抑制在容器或管的外部存在的环境温度的影响。温度感测器通常不能够完全屏蔽周围环境并且因此记录由壁的表面处的温度和环境温度构成的混合温度。通过修正该干扰影响的方式，测量精度得以进一步提高。
在此，修正装置特别是可以包括至少一个环境温度传感器以及计算单元，以用于确定用于在所述温度感测器位置处的壁的温度的近似值。于是，计算单元特别是可以集成到分析处理单元中。
用于乘法器的因子取决于温度感测器的结构、该温度感测器的周围环境和该温度感测器与周围环境的耦联。特别是取决于温度感测器相对于周围环境隔离的情况如何。原则上对于同类的感测器或者说感测器结构，相同的因子被视为是最佳的。这意味着，这种配置结构能够配置有一最佳组的因子。
该最佳组的因子可以在试验中分别根据经验借助对温度阶跃的阶跃响应来确定。用于因子的过高值能通过如下方式识别：由测量设备提供的测量结果的时间曲线开始波动。
附图说明
下面借助附图解释本发明的技术方案，但本发明的技术方案不限制于此。附图中：
图1示出根据本发明的测量设备的方块图，
图2示出用于确定用于乘法器的因子的测量结构，
图3示出根据本发明的测量设备的改善的阶跃响应，
图4示出根据本发明的测量设备与根据现有技术的测量设备以真实的温度时间曲线为例的比较。
具体实施方式
图1是根据本发明的测量设备1的实施例的方块图。要测量的是在管3中沿箭头方向流动的介质2的温度。在该管3的壁 3a上设置有温度感测器4。该温度感测器的输出端4a与计算单元10的输入端连接，该计算单元从由感测器4提供的温度值TF 结合由传感器9测量的环境温度确定在温度感测器4位置处的壁 3a的温度的近似值。环境温度传感器9和计算单元10共同构成修正装置11。壁温度的近似值供应给微分器5。由微分器确定的时间导数通过乘法器6与因子F1相乘，该因子是用于热传递通过壁3a的时间常数的量度。该结果被供应给加法器7的第一输入端。由微分器5确定的时间导数由第二微分器5a重新对时间求导。该结果通过第二乘法器6a与因子F2相乘并且供应给加法器7的第二输入端。最后，用于壁的温度的由计算单元10确定的近似值也直接供应给加法器7的第三输入端。计算单元10、微分器5和5a、乘法器6和6a以及加法器7组合成分析处理单元8。加法器7的输出端在测量设备的输出端1a处提供测量设备的测量结果TM。
图2a示意性地示出用于确定用于乘法器6和6a的因子的测量结构。管3的测试件置于检验池20中，在该检验池中存在介质2。管3的内部没有介质2。在该内部中，温度感测器4耦联于管3的壁3a的内侧。为了控制介质2的真实温度，在介质2 的内部接近壁3a设置PT100类型的由铂制成的与温度相关的电阻作为附加的参考温度感测器4b。
该结构背后的主旨是，从介质2通过壁3a到温度感测器4 的热传导的时间常数与该传导的方向无关。亦即温度感测器4 按照与根据图1的结构相同的方式对介质2的温度阶跃起作出反应。但更困难的是，考虑按照图1的结构用于确定时间常数，因为管3的内部不仅以介质2加载，而且必须包含附加的参考温度感测器4b。
为了确定因子，首先将冰水作为介质2注入检验池20中并且等待，直至发生热平衡。接着，通过设置在检验池20下面的外部的加热板21将介质2加热到在50℃和70℃之间的温度。并行地确定介质2的通过温度感测器4生成的测量结果TM的时间曲线和通过参考温度感测器4b记录的真实温度的时间曲线。用于乘法器6和6a的因子被优化为拟合参数，以便在两个时间曲线中建立尽可能好的一致性。
为了所述试验使用测量设备1，其中，微分器5和5a、乘法器6和6a以及加法器7组合成紧凑的可编程的头式传送器，该头式发送器与温度感测器4连接。
在图2b至2e中，对于乘法器6和6a的不同因子F1和F2 分别表示随时间t变化的测量结果TM(点状线)和介质2的真实温度T(虚线)。图2b至2e示出借助不同试验确定的示例性曲线；因此，以加热板21施加的温度阶跃在图2b至2e中在不同的时间点发生并且也是不同大小的。
测量值分别在等间隔的离散时间点上被记录下来。因此，在时间轴上表示这些等间隔测量点的连续的编号n。因此，两个时间导数分别通过差分商来近似。因此，测量结果的第n个值TM[n] 由温度感测器4提供的温度值TF按照以下公式确定：
TM[n]＝TF[n]+F1*(TF[n]-TF[n-1])+F2*(TF[n-1]-TF[n-2])
在图2b中，两个因子是零。亦即两个乘法器6和6a不对测量结果TM起作用。因此，图2b示出测量结果TM的时间曲线，如该时间曲线按照至今的现有技术是可获得的。测量结果TM仅非常缓慢地接近真实温度T；通过加热板21预定的急剧的温度阶跃不再能本身定性地看出。
在图2c中，通过将两个因子设定到第一起始值30(在任意单位中)，测量结果TM的时间曲线已经可以与真实温度T的时间曲线明显更好地取得一致。在真实温度T中的急剧阶跃在测量结果TM中本身定性地示出。但是，测量结果TM在阶跃开始时稍微超前于真实温度T并且接着又滞后于真实温度，并且在阶跃后长时间地在TM与T之间还存在剩余偏差。
图2d示出：试验失败，这由于将两个因子进一步提高到50。 TM不是仅在阶跃结束时执行关于T的强超越量而是还在阶跃之前和之后分别以T的名义上的恒定值波动。
在试验中发现：由温度感测器4记录的温度TF的时间曲线中存在的噪声(Rauschen)以放大形式传递到测量结果TM的时间曲线中。因此，在图2e中使测量值平缓，其方式是，相应一个平均值通过5个连续的测量值构成。对此，使因子F1和F2 匹配，F1置于30，F2置于10。
图2b至2e说明：对于由具体的管3和具体的温度感测器4 构成的新布置结构，技术人员能够在合理数目的试验中确定用于乘法器6和6a的因子F1和F2。一方面，探索空间规模明确。另一方面，技术人员在开始失败时也至少获得了必须向哪个方向前进的定性信息。
在图3中，对根据本发明的测量设备的阶跃响应与按照至今的现有技术的测量设备的阶跃响应进行比较。在时间轴t上又示出等间隔的测量点的编号n。
分别示出的是：当被检查的介质2将其温度突然从0℃改变到80℃时，相应的传感器在时间t的进程中记录何种温度 TM。曲线a示出温度TM的时间曲线，尽可能好地耦联于介质 2的传感器记录所述温度。该传感器设置在介质2的内部中。对于利用设置在管3的外壁上的温度感测器的测量，曲线a通常是不能实现的理想情况，借助该理想情况能够评估测量的质量。
曲线b示出温度TM的时间曲线，如其按照至今的现有技术的温度感测器4记录的那样。忽略差的阶跃响应，温度在之后的进程中也绝对过低。
当利用修正装置11修正环境温度的影响时(曲线c)，已经发生明显改善。至少在稳定状态下，测量结果接近理想值。同时，阶跃响应已经明显改善。
根据本发明对在热传递中的时间延迟的修正(曲线d)特别地在紧邻在温度阶跃之后的时间段上再一次发生精度的明显提高。在曲线b和c中本身完全不能看到的温度阶跃被定性地描绘。温度的绝对值也快得多地接近在曲线A中示出的理想情况。
图4a借助真实试验示出不同传感器的复杂的温度时间曲线。在时间轴t上再次示出等间隔的测量时间点的编号n。
类似于图3，曲线a示出温度TM的时间曲线，该时间曲线利用设置在介质2的流中的传感器测量。在真实应用中，恰好该测量不可行或仅以不合理的耗费可行，从而曲线a是理想情况，对此指出在管3的外侧进行测量的努力方向。
曲线b示出：按照现有技术的设置在管3的壁3a外部的温度感测器4的温度时间曲线如何再现。所述测量值仅通过平均值构成得以平缓。忽略了温度始终绝对过低，温度时间曲线中的大多数特征(Features)被消除。仅还能看到真实的温度时间曲线的模糊情况。
温度始终过低地测量的主要原因在于，不考虑环境温度。这点借助曲线d说明，在该曲线中修正环境温度的影响，该环境温度的时间曲线在曲线c中示出。曲线d是按照曲线a的理想情况在时间上强烈弄平的型式，并且在稳定状态下使其与理想情况实际上一致。由此，环境温度越高，曲线b向下的偏差就越大。用于环境温度的测量值也通过平均值构成得以平缓。
曲线e示出：根据本发明的测量系统的温度时间曲线如何再现，其中，不仅修正环境温度的影响，而且修正在热传递通过壁 3a时的时间延迟。按照曲线a的理想情况几乎完全被再现。仅在温度非常突然的变化的范围内还存在小偏差。
图4b以对温度标度的放大比例尺表明通过根据本发明对时间延迟的修正而对阶跃响应的改善。图4b 中的曲线a表示图4a 中的曲线d与a之间的差ΔT。图4b 中的曲线b表示图4a 中的曲线e与a之间的差ΔT。可明显看到的是，突然的温度变化利用根据本发明的测量设备与单独利用对环境温度的修正相比细节精确得多地表示。
为了更好地区分：通过对环境温度的静态修正发生何种改善和通过对时间常数的动态修正发生何种改善，在图4c中省略静态修正。图4c中的曲线a类似于图4a中的曲线a示出温度TM 的时间曲线，该时间曲线利用设置在介质2的流中的传感器测量。曲线b类似于图4a中的曲线b示出按照现有技术的由设置在管3的壁3a外部的温度感测器4再现的温度时间曲线。所述测量值仅通过平均值构成得以平缓。曲线c示出通过根据本发明的不对环境温度进行修正的测量设备测量的温度TM的时间曲线。
即使所测量的温度现在始终过低，仅具有对环境温度的动态修正而没有附加修正也已经显示出相对于现有技术的显著进步。又显示了在曲线a中示出的时间曲线的重要的定性细节，所述定性细节按照现有技术(曲线b)完全缺少。对时间曲线的定性认识能够足以用于许多应用。
附图标记列表
1 测量设备
1a 测量设备1的用于测量结果TM的输出端
2 介质
3 容器或管
3a 容器或管3的壁
4 温度感测器
4a 温度感测器4的输出端
4b 附加的参考温度感测器
5,5a 微分器
6,6a 乘法器
7 加法器
8 分析处理单元
9 周围温度传感器
10 计算单元
11 修正装置
20 检验池
21 加热板
F1 乘法器6的因子
F2 乘法器6a的因子
TF 由温度感测器4记录的温度
TM 测量设备1的测量结果
ΔT 温度差