阅读说明：本技术 用于非侵入式测定流过导管区段的流体的温度的方法 (Method for non-invasively determining the temperature of a fluid flowing through a conduit section ) 是由 J·格布哈特 G·佐萨莱 A·德克 W·达克 J·霍斯特科特 P·乌德 P·萨斯 U· 于 2019-03-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于测定流过导管区段(11)的流体(12)的温度的方法,其中：-确定导管区段(11)的温度,-以与导管区段(11)的表面(14)的间距(13)检测参考温度,-根据流体(12)的状态参量的至少一个值和/或至少一个物质特性测定在导管区段(11)的内壁处流体(12)的边界层(15)的传热性能、尤其热阻,并且-根据边界层(15)的传热性能、导管区段(11)的传热性能、尤其热阻、导管区段(11)的温度和参考温度测定流体(12)的温度。(The invention relates to a method for determining the temperature of a fluid (12) flowing through a conduit section (11), wherein: -determining the temperature of the conduit section (11), -detecting a reference temperature at a distance (13) from a surface (14) of the conduit section (11), -determining a heat transfer property, in particular a thermal resistance, of a boundary layer (15) of the fluid (12) at an inner wall of the conduit section (11) depending on at least one value of a state parameter of the fluid (12) and/or at least one material property, and-determining the temperature of the fluid (12) depending on the heat transfer property of the boundary layer (15), the heat transfer property, in particular the thermal resistance, of the conduit section (11), the temperature of the conduit section (11) and the reference temperature.)

用于非侵入式测定流过导管区段的流体的温度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测定流过导管区段(Leitungsabschnitt)的流体的温度的方法。流体至少但是非结束性地被理解成液体、气体和松散物料(Schuettgut)。

背景技术

一种这样的方法例如从文件WO 2017/131546 A1已知。其中所描述的方法特征在于如下，在测量周围环境温度的点与测量导管区段的外表面的表面温度的点之间布置有柄，由其已知热阻。借助于已知的热阻和这两个所测量的温度按照公开内容应来计算通过柄的热流且根据该热流来计算流体的温度。所描述的方法然而具有严重的缺点，即未考虑流体边界层的最终导热能力。在公开内容中所描述的方法相应地首先仅提供对于在导管内壁处的温度的估计值。

对于大量流体和实践相关的应用场景，该估计值然而明显不同于平均流体温度。

在许多实践相关的情况中，流体边界层的热阻明显高于导管区段、例如管壁的热阻。

该缺点尤其应利用本发明来克服。

在文件DE 10 2014 019 365 A1中描述了一种用于确定在容器中或在导管中的介质的温度的测量装置。该测量装置包括至少一个在外部布置在容器或导管的壁部处的温度感测器，其带有用于由其记录的温度的输出部。该测量装置考虑容器或导管的壁部在传递函数(利用其，介质的温度的变化传送到由温度感测器记录的温度上)中良好近似地用作PT1环节。由此，测量装置可比根据现有技术显著更精确地确定真实的温度-时间变化过程。技术教导的目的是容器或导管外部温度的尽可能精确的且快速响应的估计。

由文件DE 10 2016 10 949 A1已知一种非侵入式温度测量装置，用于测量在过程工业的设备的至少部分隔热的管中的流体温度。在其中公开了非侵入式温度传感器，利用其可在不损害管的隔热的情况下测定流体温度。对此，测量设备具有传感器电子设备，其带有温度传感器和与处理单元的连接电子设备。传感器电子装置布置在包围管的热隔绝层内而连接电子装置布置在该隔绝层外。测量装置设置成由传感器电子设备将温度测量值无线地传递到连接电子设备。该技术教导的目的也仅是获得针对导管表面温度的良好的测量值。

发明内容

由此出发，本发明的目的是将这种类型的用于测定流过导管区段的流体的温度的方法进一步改进成使得在估计实际的平均流体温度时获得较高的精度。

该目的利用带有权利要求1的特征的方法和带有权利要求17的特征的系统来实现。该方法的有利的设计方案是从属权利要求的内容。

以该方法测定的流体的温度可被视为流体的在导管区段的横截面上平均的温度(参看[4])。在此，涉及平均温度的定义的横截面形式上在导管壁的内侧处结束。

T_m通过在导管中的对流热流来定义，而热容的局部流被用作用于形成平均值的权重函数：

。

在此，A是在导管区段中流体的横截面面积，v是取决于位置的流动速度。c _P 表示每质量流体的可能同样取决于位置的比热容，ρ表示取决于位置的密度。

在不可压缩的流动(ρ = const)和恒定的热容c _P 的情况中，平均温度非常简单地与对流热流

、质量流和体积流相联系：

。

边界层能够以层叠的边界层、湍流的边界层或具有层叠和/或湍流的边界层的性能的过渡层的形式存在。可能地，边界层具有粘性的下层。所提出的方法的优点在于，边界层的传热性能(Waermeuebertragungsverhalten)、尤其边界层的热阻一起进入流体的温度的计算中且由此可更精确地来确定流体的温度。

导管区段的温度优选地是表面温度，其可在导管区段的外表面或内表面处来测量。导管区段可以是带有绝缘部(例如以矿棉或聚乙烯泡沫绝缘部的形式)的管的区段。此外，导管区段的内壁可覆层。如果导管区段的温度不是在导管区段的外表面处、而是在内部中、例如在绝缘部的内部中、然而在真正的流体导管的外壁处来测量，是有利的。最简单地，导管区段的温度的测量是在外表面处，因为外表面可容易接近。

参考温度与检测导管区段的温度的点有间距地来测量，从而在该点与测量参考温度的另一点之间构造周围环境的热阻R_F。周围环境的热阻可例如通过空气和/或通过固体(如杆或导管区段的隔绝层的部分层)来形成。

流体的物质特性(Stoffeingenschaft)可以是流体的密度ρ、动态粘度η_f、导热能力λ_f、比热容c_p、普朗特数Pr和/或相状态。流体的状态参量(Zustandsgroesse)可以是压力p或速度v。

边界层的传热性能优选地经由取决于导管区段中的流体的速度的传热系数α和流体的导热能力的计算来计算。

接下来描述了用于计算流体的温度的可能的变体。物理原理基本上已知，例如从参考文献[1-5]中，且通常例如从热交换的热动力学中。在此，在第一步骤中根据如下公式，以导管区段的内部液力直径作为为被除数与乘积作为除数的商的形式来计算边界层的热阻R_bl。该乘积由用于描述导管区段中的流体的流动状态的努塞尔数与流体的导热能力相乘得出。

, 。

在第二步骤中，根据上述公式来计算导管区段、例如管壁的热阻R_w。导管区段的热阻涉及在导管区段的内表面与外表面之间的导管区段的壁部段。代替上面示出的取决于导管区段的内半径r₁和外半径r₂的对数计算，导管区段的传热性能可借助于以在导管区段的外半径与内半径之间的差的形式的线性近似来执行。如果导管区段的热阻然而借助于对数函数以由外直径r₂和内直径r₁构成的商作为自变量(Argument)来计算，则可更精确地来近似计算在导管区段内的热分布，如在[4]中所描述的那样。

努塞尔数Nu可在针对流体以湍流流动在导管区段中流动的情况的近似中例如如下来计算：

,

其中，Re是雷诺数而Pr是普朗特数，其中，普朗特数Pr和雷诺数Re如下来计算：

, ,

其中动态粘度η_f、比热容c_p、流体的导热能力λ_f、流体在导管区段中的速度U_f、流体的密度ρ_f和特征性的长度l。长度l可有利地是流体横截面的直径，例如液力直径d=4A/U。在此，A是流体横截面面积而U是由流体润湿的导管周缘的长度。在文献中，还可找到针对在湍流流动的范围中的函数关系Nu(Re, Pr, l, L)的另外的近似公式，其中，l表示液力导管直径而L表示在测量点之前直线进入段的大致长度。

在层叠流动的情况中，即当近似适用：Re < 2300时，可针对努塞尔数来描述：Nu≈ 3.66，只要在导体件(Leiterstueck)的外罩处可近似采取均匀温度作为边界条件(Dirichlet边界条件)。如果在层叠流动情况中边界条件更确切地说是恒定的热流(von-Neumann边界条件)，则适用Nu ≈ 4.364。

对于在过渡范围2300<Re<10⁴中的流动的情况，有利地例如使用在针对层叠努塞尔数的以上面说明的方式设定的值与从针对湍流区域设定的公式得出的努塞尔数之间的线性插值(Interpolation)，在Re=10⁴的情形中：

Nu_trans ≈ (1-x) ⋅ Nu_lam + x ⋅ Nu_turb(10⁴) , x≔(Re-2300)/(10⁴-2300)。

在第三步骤中，流体的温度T _M 可根据如下公式来计算：

，

其中，T_wa是导管区段的温度，T_e是参考温度而R_F是周围环境的热阻。周围环境在测量参考温度的另一点与测量导管区段的温度的点之间延伸。根据在哪里测量导管区段的温度，周围环境的热阻R_F可不同地来计算。如果导管区段的温度例如在导管区段的表面与导管区段的隔绝层的外表面之间来测量，则隔绝层的隔绝材料的热阻一起引入热阻R_F的计算中。

在另一变体中也来可测定从导管区段的表面流动至其处测量参考温度的点的热流I。热流I可如下来计算：

。

热流I可被用作用于计算流体的温度的中间结果。备选地，热流也可通过估计来测定，如其在文件DE 10 2017 122 422.4中所描述的那样。

借助于努塞尔数的计算边界层的传热性能的优点在于，努塞尔数与流体的速度u_f、流体的密度及动态粘度η_f和普朗特数的关联性通过过去数十年的大量科学试验来研究且通过使用努塞尔数间接追溯于这些试验的结果。因此，当努塞尔数一起引入流体的温度的计算中时，流体的温度可更精确地来确定。

为了确定针对层叠区域的最佳的努塞尔数，可有利地来估计应用情况是相应于更确切地说Dirichlet边界条件或更确切地说Neumann边界条件还是特殊的阻抗边界条件或Robin边界条件。取决于此，对于测量值修正有利地设置层叠的努塞尔数。

该方法的一优选的设计方案设置成，流体的物质特性通过至少一个测量来确定。如此例如可通过测量来确定在导管区段上游流体的导热能力。这具有如下优点，不必手动地将物质特性引入用于计算流体的温度的系统。此外，可借助于该测量更精确地来确定物质特性，因为流体具有随温度变化的物质特性。有利地，物质特性借助于在安装导管区段的设备中的测量仪器在导管区段上游来测量。利用该测量仪器例如可检测流体的雷诺数或压力，由此间接可近似计算物质特性。

根据另一设计方案，导管区段的传热性能根据导管区段的材料特性(Materialeigenschaft)来确定，其中，导管区段的物质特性、例如导管区段的导热能力λ_w通过至少一个测量来测定。

一特别有利的设计方案设置成，流体的物质特性和/或导管区段的材料特性借助于系统的第一输入接口来检测。该设计方案的优点在于，用户可在不同设备处且以不同流体实施所提出的用于测定流体的温度的方法。由此该方法或执行该方法的系统非常灵活地设计。物质特性可以是流体的上面提到的物质特性，如密度、动态粘度、导热能力、比热容等。

该方法的另一改进方案可设置成，借助于第一或第二输入接口来检测影响导管区段的传热性能的参量的值。

该参量可以是导管区段的直径、尤其液力直径(其借助于导管区段的横截面几何形状的数据来获得，如果导管区段不是圆的)、导管区段的壁的厚度、导管区段的导热能力λ_w、导管区段的材料的比热容、导管区段的覆层的厚度、覆层的导热能力和/或比热容、隔绝层的厚度、隔绝层的导热能力和/或比热容、摩擦系数、尤其Darcy-Moody-Weisbach摩擦系数(其可根据[3,4]来计算)或者导管区段的内壁的粗糙度因子(其根据Nikuradse-Sand来计算[5])。

此外可有利地设置成，应用流体作为介质的过程的过程参量的值借助于第一、第二或第三输入接口来检测且流体的温度借助于过程参量的值来计算。在此，过程参量可以是通过流体形成的流动的雷诺数、普朗特数或努塞尔数。

在使用过程参量的情形中的优点是，例如用于计算边界层的传热性能的模型可具有过程参量的值作为输入参量。在此，过程参量的值可代替影响导管区段的传热性能的参量和/或流体的物质特性的多个值。由此可减少模型的待检测的输入值的数量，由此减少了由参数如流体的物质特性和影响导管区段的传热性能的参量形成的参数空间的尺度。参数空间的较小的尺度简化了生成模型和利用该模型执行边界层的传热性能的近似。

一有利的改进方案设置成，检测导管区段的斜度且取决于斜度对用户输出警告。该警告包含关于流体的所测定的温度的精度的信息。这使能够向用户提供决定基础，流体的所测定的温度是否不精确地来测定。

在另一变体中可设置成，检测用于使流体典型化的说明(Angabe)且流体的物质特性借助于该说明来测定。该说明例如可以是流体的类型。如此可借助于输入接口或第四输入接口来读入词例如“油”，这可以是用于典型化的说明。在该情况中有利地从数据库中读出油的全部物质特性，由此可简单地提供用于测定流体的物质特性的信息。

特别有利地，流体的物质特性取决于温度来确定，由此可获得较高的精度。

根据该方法的一改进方案，流体的物质特性可取决于流体的所估计的温度、尤其根据导管区段的温度来测定且流体的温度首先取决于所估计的温度来确定。所估计的温度优选地取决于估计函数(Schaetzfunktion)(其具有导管区段的温度和/或参考温度作为自变量)来测定。

流体的温度利用根据所估计的温度所确定的流体的物质特性按照上面提到的变体来测定。这样测定的流体的温度接着可被用于根据流体的所计算的该温度重新计算物质特性。利用流体的这样新确定的物质特性，可重新来测定流体的温度。有利地，在流体的重新测定的温度与流体的之前测定的温度之间的差借助于输出单元来输出。

优选地，流体的温度的测定经由通过边界层和导管区段的壁的热流的之前的确定而实现。

该方法的一特别精确的变体设置成，测定描述流体的流动的雷诺数的值，并且取决于雷诺数的值将至少两个不同的模型中的一个用于计算努赛尔数。雷诺数在此可如上面所描述的那样来计算。

有利地，对于小于约2300的雷诺数的值应用第一模型用于计算在层叠流动的情形中的努塞尔数，对于大约在2300与10000之间的雷诺数的值应用第二模型用于计算对于在过渡范围中的流动的努塞尔数而对于大于约10000的雷诺数的值应用第三模型用于计算对于湍流流动的努塞尔数。为了对于不同的应用情况选出至少两个不同模型中的适配模型，有利地设置成执行不同的模型也就是说第一、第二和第三模型的试验校准。借助于Fuzzy逻辑的方法，不同模型中的至少两个的结果也可一起引入努塞尔数的计算中。

导管区段的温度有利地利用温度传感器来测量。在此，可使用在文件DE 10 2014012 086 A1中所描述的进给温度感测器装置(Anlegertemperaturfuehlervorrichtung)，在其中实现减少贴靠在导管区段处的温度传感器的抽取面(Anzapfflaeche)的热交换。此外，可使用在文件DE 10 2017 122 442.4中描述的双重传感器用于导管区段的温度的精确测量。

另一变体可设置成借助于温度模型使导管区段的温度模型化。在此可有利地取用数据库。数据库优选地取决于设备(导管区段布置在其中)的不同的运行点说明导管区段的温度。参考温度优选地是借助于布置在评估单元的壳体中或在自由的周围环境中的传感器测量的周围环境温度。

为了实现该目的，此外提出了一种用于测定流过导管区段的流体的温度的系统。该系统具有评估单元和第一温度传感器，其中，评估单元设立成检测导管区段的温度、检测借助于第一温度传感器与导管区段的表面有间距地测量的参考温度、根据流体的状态参量的至少一个值和至少一个物质特性测定流体在导管区段的内壁处的边界层的传热性能尤其热阻并且根据边界层的传热性能、导管区段的传热性能尤其热阻、导管区段的温度和参考温度测定流体的温度。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和细节从接下来的描述以及根据附图得出。在此多次使用的参考符号表示相同的部件。附图示意性地示出：

图1示出了用于确定流过导管区段的流体的温度的方法的步骤，

图2示出了导管区段、带有在导管区段的内壁处的边界层的流体，

图3示出了带有根据图2的边界层的热阻的热网络，

图4示出了用于确定根据图2的流体的温度的评估单元，

图5示出了用于取决于所估计的温度确定根据图2的流体的至少一个物质特性的模型，

图6示出了用于取决于根据图2的流体的温度确定根据图5的流体的至少一个物质特性的模型。

具体实施方式

图1示出了用于测定流过在图2中示出的导管区段11的流体12的温度T_M的方法的步骤。在第一步骤1中，确定导管区段11的温度T_wa。在第二步骤2中，与导管区段11的表面14有间距地检测参考温度T_e。在第三步骤3中根据流体12的状态参量的至少一个值和至少一个物质特性测定在导管区段11的内壁16处流体12的边界层15的传热性能、尤其热阻。

在第四步骤4中，根据边界层15的传热性能、导管区段11的传热性能尤其热阻、导管区段的温度T_wa和参考温度T_e测定流体12的温度T_M。参考温度T_e优选地借助于第一温度传感器17而导管区段11的温度T_wa借助于第二温度传感器18来测量。第一温度传感器17以与第二温度传感器18成间距13布置。利用第一温度传感器17和第二温度传感器18测量的温度值被传递到评估单元19处。评估单元18、第一温度传感器17、第二温度传感器18构造用于测定流体12的温度的系统22。

在图3中简化地示出了热网络，其在存在流体的温度T_M的位置与测量参考温度T_e的位置之间延伸。从存在流体12的温度T_M的位置出发，热流流过边界层15、流过导管区段11的壁20、优选地流过隔绝层21、且流过在测量导管区段11的温度T_wa的位置与测量参考温度T_e的位置之间延伸的介质朝向检测参考温度T_e的位置。在此，相应地，边界层15构造边界层15的热阻R_bl，壁20和隔绝层21构造导管区段11的热阻R_w，而在隔绝层21与检测参考温度T_e的位置之间延伸的介质构造周围环境的热阻R_F。

热流I可根据上面所描述的公式来计算。可能的是，不同于在图2中示出的变体，导管区段11的温度T_wa在壁20内或在隔绝层21内来检测。在该情况中，导管区段的热阻R_w和周围环境(其在检测导管区段11的温度T_wa的位置与检测参考温度T_e的位置之间延伸)的热阻R_F相应地以其他方式来计算。流体12的温度T_M优选地根据上面的公式中的一个来测定。

图4示出了评估单元19的一实施例，其至少根据所检测的温度T_e和T_wa测定流体12的温度T_M。优选地，评估单元19具有接口41，其读入至少一个输入参量的至少一个值。有利地，接口41读入相应多个输入参量的多个值。

输入参量可包括导管区段11的液力直径D_H、壁20的厚度s_w、壁20的导热能力λ_w、壁20的比热容C_pw、在内壁16上在图2中未示出的覆层的厚度s_b、覆层的导热能力λ_b、覆层的比热容C_pb、隔绝层21的厚度s_i、隔绝层21的导热能力λ_i、隔绝层21的比热容C_pi、内壁16的表面的粗糙系数、流体12的密度ρ_f、流体12的速度v_f、流体12的动态粘度η_f、流体12的导热能力λ_f、流体12的比热容C_pf、流体12的压力p_f、流体12的普朗特数Pr_f、在测量导管区段11的温度T_wa的位置与流体进入具有导管区段11的管中的位置之间的间距I、围绕导管区段11流动的空气的速度v_L、参考温度T_e和/或导管区段11的温度T_wa。

评估单元19优选地具有用于计算热阻R_bl的第一模型42、用于计算热阻R_w的第二模型43和用于计算热阻R_F的第三模型44。

接口41对第一、第二和第三模型42,43,44提供用于计算相应的热阻的输入参量。如此，例如第一模型42取决于液力直径D_H、粗糙系数

、流体的密度ρ_f、流体的速度v_f、动态粘度η_f、导热能力λ_f、比热容C_pf、普朗特数Pr_f、间距I和优选地压力p_f计算边界层15的热阻R_bl。

第二模型43优选地取决于壁的厚度s_w、导热能力λ_w、比热容C_pw、覆层的厚度s_b、覆层的导热能力λ_b、覆层的比热容C_pb、隔绝层的厚度s_i、隔绝层的导热能力λ_i及隔绝层21的比热容C_pi计算热阻R_w。第三模型44优选地取决于间距13、空气的速度v_L、参考温度T_e计算热阻R_F。取决于热阻R_bl,R_w,R_F和所检测的温度T_wa及T_e，评估单元19的计算模块45优选地根据上述公式算出流体12的温度T_M。

为了计算边界层15的热阻R_bl，第一模型42可有利地作为输入参量具有利用第四模型46计算的努塞尔数47。努塞尔数47可借助于第四模型46还在一特别优选的变体中取决于利用第五模型49计算的雷诺数48来计算。第四模型46优选地取决于所计算的雷诺数48的值设置情况区分。根据雷诺数48的值，在此第四模型46可使用上面提到的第一、第二和/或第三模型的计算结果用于计算努塞尔数。

接口41的在图4中示出的输入参量可在第一变体中借助于输入接口31手动地来输入。在第二变体中，接口41的输入参量的大部分可根据与评估单元19相连接的数据库32来计算。所提出的方法的特殊的变体设置成，借助于输入接口31来检测用于使流体12典型化的说明51且流体12的物质特性中的至少一个借助于说明51来确定。以有利的方式，流体的物质特性此外取决于流体12的所估计的温度T_g来测定。在此，所估计的温度T_g可等于导管区段11的所测量的温度T_wa。

图5示出了一变体，在其中评估单元19的第六模型52取决于所估计的温度T_g和说明51计算流体12的密度ρ_f、动态粘度η_f、比热容C_pf和导热能力λ_f。对于该计算可使用在现有技术中已知的表格。所提出的方法的特别精确的形式设置成，首先至少一个物质特性取决于所估计的温度T_g来计算且紧接于此流体12的温度T_M取决于该物质特性根据上述方法来测定。紧接于此，改善的方法设置成根据流体12的所测定的温度T_M重新计算流体12的至少一个物质特性。根据温度计算流体12的物质特性可根据[1]实现。

图6示出了，第六模型52取决于流体12的所计算的温度T_M如何重新计算流体的密度ρ_f、动态粘度η_f、比热容C_pf和导热能力λ_f。取决于流体12的该重新计算的物质特性，可重新借助于上述方法来计算流体12的温度T_M。流体12的温度T_M的该重复的计算可迭代地一直执行直到流体12的温度T_M的改变处于规定的阈值之下。用于典型化的说明51例如可构造成串(String)的形式、例如“油”。输入接口31这样评估说明51，使得相应的公式被用于计算借助于说明51来详细化的流体的物质特性、被用于计算流体12的从物质数据库读出且用于计算的物质特性。

参考文献

[1] Volker Gnielinski. New equations for heat and mass transfer inturbulent pipe and channel flow. International chemical engineering, AIAAJournal, 16(2):359–368, April 1976.

[2] Volker Gnielinski. Ein neues Berechnungsverfahren für die Wärmeübertragung im Übergangsbereich zwischen laminarer und turbulenter Strömung.Forschung im Ingenieurwesen-Engineering Research, 61(9):240–248, 1995.

[3] VDI-Wärmeatlas. Druckverlust in durchströmten Rohren (section Lab1).Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 2006

[4] Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, and Frank P. Incropera.Fundamentals of Heat and Mass Transfer. John Wiley & Sons, 7th edition, 2011.

[5] Strömungsgesetze in rauhen Rohren, Nikuradse, Forschung auf demGebiet des Ingenieurwesens, 1933, NACA Technical Memorandum 1292.

参考符号列表

1 第一步骤

2 第二步骤

3 第三步骤

4 第四步骤

11 导管区段

12 流体

13 间距

14 表面

15 边界层

16 导管区段的内壁

17 第一温度传感器

18 第二温度传感器

19 评估单元

20 壁

21 隔绝层

22 系统

31 输入接口

32 数据库

41 接口

42 第一模型

43 第二模型

44 第三模型

45 计算模块

46 第四模型

47 努塞尔数

48 雷诺数

49 第五模型

51 说明

52 第六模型。