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Anwendungsgebiet
und Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Temperatursensor sowie eine damit versehene
Heizeinrichtung, wobei der Temperatursensor als Widerstandssensor
ausgebildet ist für
die Bestimmung der Temperatur aus einem temperaturabhängigen elektrischen
Widerstand.
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Derartige
Temperatursensoren werden vielfach eingesetzt, beispielsweise auch
in Haushaltsgeräte wie
Kochfeldern, welche Strahlungsheizeinrichtungen aufweisen. Ein sehr
häufiger
Sensor, da er sehr genaue Messungen ermöglicht, ist ein Sensor mit
Platin, insbesondere auch ein sogenannter PT1000-Sensor. Nachteilig
dabei sind jedoch die hohen Kosten von Platin.
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Aufgabe und
Lösung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Temperatursensor
sowie eine damit versehene Heizeinrichtung zu schaffen, mit denen
Probleme des Standes der Technik vermieden wer den können, insbesondere
auf kostengünstige
Widerstandsmaterialien zugegriffen werden kann oder auf häufig verwendete
oder standardmäßig aus
anderen Gründen
vorgesehene Widerstandsmaterialien.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch einen Temperatursensor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie eine Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
11. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden
näher erläutert. Der
Wortlaut der Ansprüche
wird durch ausdrückliche
Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass ein Temperatursensor mehrere separate elektrische Widerstände bzw.
Teil-Widerstände
aufweist, die jeweils einen unterschiedlichen temperaturabhängigen Widerstand besitzen.
Vorteilhaft sind die Kennlinien ihres Widerstands in einem weiten
Bereich im wesentlichen linear, insbesondere in einem geplanten
Einsatzbereich oder insgesamt. Diese Widerstände zusammengeschaltet oder verschaltet.
Das Widerstandsmaterial, die jeweiligen absoluten Widerstandswerte
sowie die Art der Zusammenschaltung der Widerstände wird derart ausgewählt, dass
eine daraus resultierende Widerstandskennlinie des gesamten Temperatursensors
in einem gewünschten
Bereich bestimmt bzw. eingestellt werden kann. Insbesondere wird
dabei versucht, die resultierende Widerstandskennlinie der Kennlinie
eines bestimmten Ziel-Widerstands oder Ziel-Widerstandsmaterials,
wie beispielsweise dem vorgenannten Platin, anzupassen bzw. anzunähern. Besonders
vorteilhaft wird hierbei versucht, einen Temperatursensor zu erhalten,
der einem Platin-Widerstand, insbesondere einem PT1000-Widerstand, entspricht.
Zumindest sollte dies in seinem Einsatzbereich bzw. dem bevorzugten
Anwendungsbereich gelten. Vorteilhaft wird eine resultierende Widerstandskennlinie
erzeugt, die im wesentlichen linear ist, zumindest in dem Einsatz-Temperaturbereich.
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Es
ist auch möglich,
beide Widerstände
aus demselben Widerstandsmaterial auszubilden, beispielsweise Wolfram.
Dann wird nur durch die unterschiedliche Gewichtung zueinander die
Platin-Kennlinie oder eine ähnliche
nachgebildet.
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Auf
diese Weise ist es mit dem vorgeschlagenen Temperatursensor möglich, leicht
verarbeitbare, günstig
verfügbare
oder bereits in anderem Zusammenhang vorhandene Widerstände zu kombinieren,
um insgesamt einen neuen Widerstand mit bestimmten Eigenschaften
zu erreichen bzw. einen anderen Widerstand nachzubilden. Insbesondere
kann dabei auf teure Widerstandsmaterialien wie das vorgenannte
Platin verzichtet werden, was erhebliche Kosteneinsparungen ermöglichen
kann. Weitere Vorteile werden im folgenden noch näher ausgeführt.
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Mit
einem Ersatz für
Platin-Sensoren ist es nicht nur allgemein möglich, auf derartige Sensoren
zu verzichten. Es kann insbesondere eine direkte Kompatibilität erreicht
werden, da in machen Bereichen diese Platin-Sensoren sozusagen einen Standard bilden,
insbesondere auch was ihre Kennlinie und somit ihre Ansteuerung
betrifft. Kann nun ein erfindungsgemäßer Temperatursensor diese
Kennlinie nachbilden, so kann er direkt anstelle eines Platin-Sensors
eingesetzt werden ohne die Notwendigkeit von aufwendigen Anpassungen oder
dergleichen.
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Hinsichtlich
der einzelnen Teil-Widerstände
kann vorgesehen sein, dass mindestens einer von ihnen einen Temperaturkoeffizienten
aufweist, der höher
ist als der derjenige des Ziel-Widerstands bzw. höher als derjenige
von Platin. Somit kann die Kennlinie angehoben werden. In weiterer
Ausgestaltung weist mindestens einer der Teil-Widerstände einen
Temperaturkoeffizienten auf, der niedriger ist als beim Ziel-Widerstand
bzw. Platin. Dadurch kann die Kennlinie abgesenkt werden. Durch
die jeweilige Gewichtung der einzelnen Teil-Widerstände kann
die Kennlinie eingestellt werden. Hierbei ist es eben, wie zuvor
beschrieben, von Vorteil, wenn die Kennlinien der Teil-Widerstände sowie
auch des Ziel-Widerstands linear sind. So wird ein großer Temperaturbereich
abgedeckt und die Anpassung besonders genau vorgenommen.
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Allgemein
wird es als besonders vorteilhaft angesehen, alle oder zumindest
mehrere Teil-Widerstände seriell
zusammenzuschalten. So ist es leicht möglich, ihre Widerstandskennlinien
aufzuaddieren.
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Als
Widerstandsmaterial kann unter anderem Wolfram verwendet werden.
Dieses weist einen Temperaturkoeffizienten auf, der etwa doppelt
so hoch ist wie derjenige von Platin. Ein weiteres Widerstandsmaterial ist
beispielsweise eine FeNiCr3020-Legierung, wie sie auch als Heizleitermaterial
für Strahlungsheizeinrichtungen
verwendet wird. Dieses Widerstandsmaterial hat einen Temperaturkoeffizienten
von 0,25/1000K und liegt somit bei etwa einem Drittel von demjenigen
von Platin. Eine Kombination der Widerstandsmaterialien Wolfram
und FeNiCr3020 kann in einer Reihenschaltung bereits einigermaßen genau
die Widerstandskennlinie von Platin nachbilden. Dabei wird die FeNiCr3020-Widerstand
etwas stärker
gewichtet als das Wolfram, insbesondere mit einem Verhältnis von
0,562 zu 0,438 haben sich gute Werte ergeben. Es können auch
andere Widerstandsmaterialien mit einer linearen Widerstandskennlinie
verwendet werden.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere, insbesondere alle,
Widerstände
oder Teil-Widerstände
sehr nahe beieinander angeordnet bzw. direkt nebeneinander oder
aneinander anschließend.
Dazu können
sie beispielsweise Widerstandsbahnen auf einem gemeinsamen Träger sein.
Untereinander können sie
entweder durch Kontaktfelder mit möglichst geringem Widerstand
verbunden sein. Alternativ können
sie einander überlappen
und so direkt zusammengeschaltet sein.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens einer der
Teil-Widerstände
entfernt von dem anderen Teil-Widerstand bzw. an einer anderen Stelle
angeordnet. Insbesondere kann dies bei einer Heizeinrichtung so
vorgesehen sein, dass ein Teil-Widerstand sehr viel näher an einem
Heizleiter angeordnet ist oder sogar von dem Heizleiter gebildet
wird, während
der andere Teil-Widerstand beispielsweise oberhalb der Heizeinrichtung
bzw. im Wirkungsfeld der Heizeinrichtung angeordnet ist. Auf diese
Art und Weise ist es beispielsweise möglich, durch die Verwendung
des Heizleiters selber als Teil-Widerstand extrem schnelle Reaktionszeiten
zu erreichen, da tatsächlich
ohne Verfälschung
die Temperatur des Heizleiters über
seinen Widerstand gemessen wird. Des weiteren kann so das ohnehin
vorhandene Heizleiter-Material als Teil-Widerstand genutzt werden,
solange sich seine Widerstandskennlinie hierfür eignet.
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Beide
Widerstände
können
als Heizleiter bzw. zur Beheizung ausgebildet sein. Dabei sind sie
vorteilhaft für
verschiedene Arten von Beheizung ausgebildet sind, beispielsweise
einerseits als Strahlungsheizkörper
mit einem glühenden
Heizleiter aus FeNiCr3020 unter freier Atmosphäre mit Temperaturen von ca.
1050°C und
andererseits als Strahlungsheizkörper
mit einem Wolfram-Heizleiter unter Schutzgasatmosphäre entsprechend
einer Halogen-Beheizung mit Temperaturen von über 2000°C. Insbesondere sind beide Widerstände bzw.
Heizleiter in derselben Kochstelle eingebaut sind und können gleichzeitig
betrieben werden. Dabei kann die Halogen-Beheizung den anderen Strahlungsheizkörper umgeben.
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Für entfernt
voneinander, aber auch für
nahe beieinander, angeordnete Teil-Widerstände kann vorgesehen sein, dass
einzelne Teil-Widerstände
separat und getrennt von den anderen abgefragt werden. Hierdurch
eröffnet
sich die Möglichkeit,
neben der Nachbildung, beispielsweise eines Platinsensors, noch
weitere Informationen an einem Teil-Widerstand ab zufragen, die in
dieser Form von dem gesamten Widerstand nicht gewonnen werden können. Zu
diesem Zweck der getrennten Abfrage ist eine entsprechende Verschaltung
mit entsprechenden Kontaktierungen an die Teil-Widerstände vorzusehen.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer
aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für
sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
einer Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können,
für die
hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in
einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die
unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und
werden im folgenden näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
bekannte Ansteuerung eines PT1000-Widerstands an einer Beheizung
gemäß dem Stand der
Technik,
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2 das
Diagramm des Widerstands über
der Temperatur für
den PT1000-Widerstand aus 1,
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3 eine
erfindungsgemäße Kombination
zweier Einzelwiderstände
mit Ansteuerung an einer Heizung,
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4 ein
Diagramm ähnlich 1 mit
den Kurven für
die einzelnen Widerstände
aus 3 und dem daraus resultierenden addierten Gesamtwiderstand
sowie der Temperaturdifferenz zu der Kurve aus 2,
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5 eine
Abwandlung von 3 mit Einzelwiderständen an
unterschiedlichen Bereichen eines Kochfeldes und
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6 eine
weitere Abwandlung von 3, bei der ein Einzelwiderstand
ein separater Messwiderstand ist und der andere Einzelwiderstand
der Heizleiter einer Strahlungsheizung ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
dargestellt, wie gemäß dem Stand
der Technik ein Messwiderstand 11 in Form eines sogenannten
PT1000-Widerstands an eine Steuerung 13 angeschlossen ist.
Dieser Anschluss kann auch über eine
bestimmte Entfernung mit elektrischen Leitungen wie Kabeln oder
dergleichen erfolgen. Der Messwiderstand 11 ist der Heizwirkung
einer Heizung 15 ausgesetzt. Die Art der Heizung 15,
die dadurch erzeugte Temperatur sowie der Abstand zwischen Heizung 15 und
Messwiderstand 11 können
in weiten Grenzen unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die
Heizung 15 ein Strahlungsheizkörper sein mit einer Betriebstemperatur
von über
1000°C und
der Messwiderstand 11 relativ nahe daran und in der direkten
Bestrahlung angeordnet sein.
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In 2 ist
das T-R-Diagramm des elektrischen Widerstands über der Temperatur für den PT1000-Widerstand
aus 1 dargestellt. Es ist zu erkennen, wie die bekannte
Kennlinie sehr linear verläuft.
Dies ermöglicht
eine besonders gute Auswertung der von dem Messwiderstand 11 erfassten
Temperatur anhand des gemessenen Widerstands R durch die Steuerung 13.
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In
der erfindungsgemäßen Anordnung
nach 3 sind zwei Messwiderstände 11a und 11b in
Reihe geschaltet, sozusagen als Aufteilung des Messwiderstands 11 nach 1.
Sie sind ebenfalls der Heizwirkung der Heizung 15 ausgesetzt.
Dazu kann es vorgesehen sein, sie sehr nahe beieinander auszubilden,
insbesondere auch mit gutem thermischem Kontakt. So wird gewährleistet,
dass beide Widerstände
dieselbe Temperatur erfassen.
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Der
Messwiderstand 11a besteht aus einem Material mit einem
Temperaturkoeffizienten, der größer ist
als derjenige von Platin, beispielsweise Wolfram mit einem Temperaturkoeffizienten
von 7,0/1000K. Platin nach 1 und 2 weist
einen Wert von 3,8/1000K auf.
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Demzufolge
weist der zweite Messwiderstand 11b ein Material mit einem
Temperaturkoeffizienten auf, der niedriger ist als bei Platin. Dies
ist hier die Legierung NiCr3020 mit einem Temperaturkoeffizienten
von 0,25/1000K, also sehr viel niedriger als bei Platin.
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Die
Messwiderstände 11a und 11b aus
den genannten Materialien werden mit solchen Absolutwerten hergestellt,
dass sie im Verhältnis
W:NiCr 0,527:0,473 zueinander stehen. Dies bedeutet, dass der Absolutwert von
Messwiderstand 11a aus Wolfram 52,7% des Gesamtwiderstands
ausmacht, während
der Messwiderstand 11b 47,3% ausmacht.
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In
4 sind
die entsprechenden Kurven dargestellt, wobei diejenige des Messwiderstands
11a strichpunktiert
und diejenige des Messwiderstands
11b strichliert dargestellt
ist. Durch die vorgenannte Gewichtung ergibt sich die durchgezogen
dargestellte Kurve für
den Gesamtwiderstand. Wegen der schwierigen maßstäblichen Darstellung kann diese
nicht direkt im selben Diagramm im Vergleich zu derjenigen aus
2 dargestellt
werden. Selbst bei Temperaturen von 1100°C beträgt die Differenz zwischen der
Platin-Kurve aus
2 und derjenigen der Zusammenschaltung
nach
3 nur knapp 8 Ohm, was einen Fehler von etwa 0,16 %
bedeutet. Die Widerstandswerte in Ohm ergeben sich aus der nachfolgenden
Tabelle:
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Eine
noch bessere Annäherung
erhält
man, wenn der Messwiderstand 11a zu 52,6% und der Messwiderstand 11b zu
47,4% gewichtet wird. In diesem Fall ergibt sich eine messtechnisch
nicht mehr signifikante Differenz.
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Durch
die Darstellung in 3 soll auch veranschaulicht
werden, wie der Verbund der beiden Messwiderstände 11b und 11a an
dieselbe Steuerung 13 wie der PT1000 nach 1 angeschlossen
werden kann. Da auch die Absolutwerte der einzelnen Messwiderstände sowie
ihrer Zusammenschaltung so ausgelegt sind, ersetzt diese Reihenschaltung
von 11a und 11b einen PT1000-Messwiderstand im
wesentlichen gleichwertig, also ohne weitere Anpassungen.
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Für alternative
Ausbildungen ist es möglich,
wie 5 zeigt, die Messwiderstände 111a und 111b an unterschiedlichen
Orten bzw. zumindest mit einem Abstand zueinander vorzusehen. Dadurch
ist es beispielswei se möglich,
Temperatureinflüsse
in bestimmten Bereichen, wie sie insbesondere in einem dargestellten Kochfeld 117 bzw.
einer Mulde oder alternativ auch in einem Backofen vorkommen, stärker zu
gewichten als andere. So können
Temperaturdifferenzen bzw. unterschiedliche Temperaturen, welche
beispielsweise an einem Punkt kritischer sein können als an einem anderen,
stärker
in die Gesamterfassung einbezogen werden. Gerade an kritischen Stellen
kann man so eine Überhitzung
vermeiden.
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Das
Kochfeld 117 weist eine Glaskeramikplatte 119 auf,
die auf einer Blechwanne 121 aufliegt und diese abschließt. Das
entspricht einem üblichen
Aufbau. In der Blechwanne 121 sind die Heizungen 115 angeordnet,
insbesondere Strahlungsheizungen. Sie beheizen einen auf die Glaskeramikplatte 119 gestellten
Topf.
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Über der
linken Heizung 115 ist ein Messwiderstand 111a an
der Unterseite der Glaskeramikplatte 119 angeordnet. Er
dient zur Erfassung der Temperatur der Glaskeramikplatte 119 und
ist auf nicht dargestellte Art gegen die direkte Beheizung durch
die Heizeinrichtung abgeschirmt.
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Ein
weiterer Messwiderstand 111b ist direkt an der Blechwanne 121 angeordnet,
beispielsweise zwischen den Heizungen. Er dient zur Erfassung der
Temperatur des Kochfeldes 117 insgesamt, so dass kontrolliert
werden kann, ob die nach außen
abgegebene Wärme
nicht zu viel wird.
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Die
beiden Messwiderstände 111 sind
an eine Steuerung 113 angeschlossen, die die Auswertung
vornimmt. Dabei sind sie so angeschlossen, dass eine Auswertung
sowohl einzeln als auch auf vorbeschriebene Art und Weise gemeinsam
bzw. in der Zusammenschaltung mit bestimmter Gewichtung vorgenommen
werden kann. Allgemein kann eine Steuerung bzw. Abfrage von Sensoren
entweder kontinuierlich oder in Intervallen erfolgen.
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So
ist es beispielsweise möglich,
beim Einsatz über
Strahlungsheizungen 115 in dem Glaskeramik-Kochfeld 117 den
Messwiderstand 111a, insbesondere nahe am Strahlungsheizkörper, aus
Wolfram auszubilden. Er kann dazu verwendet werden, die Glaskeramikplatte
vor Überhitzung
zu schützen
sowie eventuell eine Topferkennung durch Überwachung des Ansteigens der
Temperatur aufzubauen. Der andere Messwiderstand 111b kann
beispielsweise auch ein Wolfram-Widerstand sein, wobei allerdings
das Verhältnis
von dem ersten zum zweiten von 42,9% zu 57,1% gewählt wird.
Dabei sind also beide Messwiderstände aus demselben Material
gefertigt. Der zweite Messwiderstand 111b ist etwas außerhalb
des direkten Beheizungsbereichs des Strahlungsheizkörpers angeordnet
und soll vor allem gewährleisten,
dass in einer Mulde um die Strahlungs-Heizeinrichtung herum keine
zu hohe Temperatur auftritt, insbesondere eine Temperatur von 200°C nicht signifikant überstiegen
wird.
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Insgesamt
ergibt die Serienschaltung der beiden Wolfram-Messwiderstände jedoch
eine Kennlinie, die derjenigen eines PT1000-Widerstands angepasst
ist. Zusammen ergibt sich also eine PT1000-Regelung. Gleichzeitig
alles abzufragen ist möglicherweise
nicht unbedingt sinnvoll. Es könnte
sich jedoch sehr vorteilhaft auswirken, wenn eine Baugruppe an mehrere
verschiedene Kunden gehen kann, von denen jeder eigene Vorstellungen
hat, was er mit dem Sensor bzw. den Teilsensoren messen will. Für einen
kann die erreichbare PT1000-Kennlinie bedeutsam sein, für einen
anderen kann etwas anderes bedeutsam sein. Die Temperaturen der
Mulden beispielsweise, welche zulässig sind, hängen teilweise
auch noch von unterschiedlichen länderspezifischen Normen ab.
Ein Vorteil ergibt sich hierbei daraus, dass die diversen Forderungen
mit nur einem Bauteil erfüllbar
sind.
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Gemäß 6 ist
es auch möglich,
wegen des relativ linearen Widerstandsverhaltens des Materials FeNiCr,
aus welchem insbesondere ein Strahlungsheizkörper 215 für den sichtbaren
Strahlungsbereich besteht, dieses als Teil-Widerstand bzw. einzelnen
Messwiderstand zu verwenden. Hier kann an die Steuerung 213 bzw.
eine entsprechend angepasste Steuerung ein Heizwiderstand 211a des
Strahlungsheizkörpers 215 mit
einem zweiten Messwiderstand 211b in Reihe geschaltet sein,
welcher beispielsweise aus Wolfram besteht. Hier kann wieder durch
entsprechende Gewichtung, wie zuvor beschrieben, abhängig von
den einzelnen Widerstandswerten der Messwiderstände 211a und 211b,
eine lineare Kennlinie erreicht werden, welche derjenigen eines
Platin- oder PT1000-Widerstands entspricht.
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Zwar
ist die absolute Widerstandsänderung
bei einer solchen Heizleiter-Legierung
im Vergleich zu Wolfram relativ gering. Allerdings spricht dieser
Messwiderstand sehr schnell auf Temperaturänderungen an, da er ja selber
der Heizleiter ist und sozusagen jegliche Temperaturänderung
zuerst erfährt.
Eine Widerstandsmessung kann durch Anlegen eines Gleichstroms zu
einer Serienschaltung mit dem Messwiderstand 211b auch
während
des Heizbetriebs erfolgen. Vorteilhaft jedoch wird der Heizleiterbetrieb
für kurze
Zeiten, insbesondere im Bereich von Millisekunden bis wenige Sekunden,
unterbrochen und die Reihenschaltung ähnlich 3 hergestellt,
um eine separate Messung durchzuführen. Es ist als weitere Variante
auch möglich,
den Messstrom durch verschiedene Messspannungen zu erzeugen.
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In 6 ist
auch zu erkennen, wie es durch die Beschaltung der Messwiderstände 211a und 211b möglich ist,
diese einzeln auszuwerten. Das kann für einzelne Messungen noch vorteilhaft
sein. Es ist bei der Darstellung in 5 auch möglich.