DE102008052127A1

DE102008052127A1 - Temperaturmesseinrichtung und Verfahren zur Temperaturmessung

Info

Publication number: DE102008052127A1
Application number: DE102008052127A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Hoenicka; Manfred Wagner; Norbert Reindl; Axel Seikowsky
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-01-28
Also published as: WO2010006590A1

Abstract

Eine Temperaturmesseinrichtung umfasst mindestens zwei Festkörper unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten, wobei die Festkörper einen Fixpunkt haben und sich bei Temperaturänderung gegenüber dem Fixpunkt unterschiedlich ausdehnen. Des Weiteren ist mindestens ein Sensor zur Ermittlung der Längenänderung der Festkörper im Temperaturverlauf vorgesehen, wobei mittels Prozessor über die Differenz in der Längenausdehnung auf die jeweilige Temperatur rückgeschlossen wird. Ein Verfahren ist entsprechend ausgelegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmesseinrichtung und ein Verfahren zur Temperaturmessung.
Herkömmliche Temperaturfühler basieren auf NTC oder PTC. Diese Sensoren sind mittlerweile weit entwickelt. Für höchstauflösende Temperaturmessungen unter 1 mK ist das Eigenrauschen dieser Sensoren nicht zu vernachlässigen. Ein weiterer Nachteil: Die Widerstände verändern sich über ihre Lebensdauer im Absolutwert. Die typische Drift bei sehr guten Elementen liegt derzeit bei ca. 20 mK/a, die Auflösung bei einigen mK.
Andere Temperaturmesseinrichtungen nutzen auch bereits die thermische Ausdehnung von Materialien.
Eine typische Anwendung, bei der die Materialausdehnung ausgewertet wird, sind mechanische Temperaturregler, die mittels einer Bimetallfeder temperaturabhängig einen Kontakt schließen oder öffnen. Darin sind zwei Metalle mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten fest miteinander verbunden. Bei Temperaturänderung dehnt sich ein Metall stärker als das andere, wodurch eine Biegung des Bimetallstreifens auftritt, die einen mechanischen Schalter betätigt (typischerweise in Bügeleisen oder in Kochplatten). In einer anderen Ausführung treibt die Bimetallfeder eine Welle mit einem daran befindlichen Zeiger an, wodurch eine kontinuierliche Temperaturanzeige möglich ist. Nachteilig bei diesen Temperatursensoren ist, dass durch die rein mechanische Ausführung sehr große Toleranzen (typisch bis zu 10%) auftreten und diese für sehr genaue Messungen nicht geeignet sind.
Der unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizient zweier Materialien kann auch zur Temperaturmessung genutzt werden, wenn diese nicht flächig miteinander verbunden sind, sondern indem eine Längendifferenz ausgewertet wird. Gemäß US 7,119,654 B2 ist ein Temperatursensor beschrieben, der aus einem Rohr eines Materials und einem Stab eines anderen Materials besteht, der sich innerhalb des Rohrs befindet. Die Materialien von Rohr und Stab sind so gewählt, dass bei Temperaturänderung eine relative Längenänderung auftritt, die einen Schalter betätigt. Nachteilig bei diesem Sensor ist, dass er nur als Schalter wirkt und eine genaue Temperaturmessung über einen größeren Bereich nicht möglich ist.
Eine andere Art der Temperaturmessung nutzt die Temperaturausdehnung von Stoffen innerhalb eines Plattenkondensators. Gemäß US2007/0237204A1 ist ein solcher Sensor beschrieben, in dem zwei Platten in festem Abstand zueinander angeordnet sind, zwischen denen sich Materialien mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten befinden. Bei Temperaturänderung ändert sich das Volumen-Verhältnis der im Messspalt befindlichen Materialien. Dort werden im Wesentlichen ein Teil Luft und ein oder zwei Teile Medium verwendet. Das eingebrachte Medium verändert über die Temperatur sein Volumen und verändert so die Gesamtkapazität des Messkondensators. Bei dieser Anordnung ist aber die Lage des sich verändernden Mediums wichtig. Ein quer zu den Kondensatorplatten geschichtetes Dielektrikum kommt einer Parallelschaltung der Einzelkondensatoren gleich, ein parallel zu den Platten geschichtetes Dielektrikum entspricht einer Reihenschaltung von Kapazitäten.
Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass das verwendete dielektrische Material, das den Abstand der Kondensatorplatten definiert, selbst eine Temperaturausdehnung erfährt und damit den Messwert verfälscht.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmesseinrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine sehr genaue, reproduzierbare Temperaturmessung über eine lange Lebensdauer der Einrichtung hinweg möglich ist. Ein entsprechendes Verfahren soll angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach umfasst die erfindungsgemäße Temperaturmesseinrichtung mindestens zwei Festkörper unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten, wobei die Festkörper einen Fixpunkt haben und sich bei Temperaturänderung gegenüber dem Fixpunkt unterschiedlich ausdehnen. Des Weiteren ist mindestens ein Sensor zur Ermittlung der Längenänderung der Festkörper im Temperaturverlauf vorgesehen, wobei mittels Prozessor/Elektronik über die Differenz der Längenausdehnung auf die jeweilige Temperatur rückgeschlossen wird.
Eine Eigenschaft von Werkstoffen ist die Temperaturausdehnung über die Temperatur. Diese Ausdehnung ist eine weitestgehend konstante bzw. bekannte Werkstoffeigenschaft, die zur Temperaturmessung genutzt werden kann.
Definiert man eine Null-Linie oder einen Verbindungspunkt von zwei unterschiedlichen Materialien, so dehnen sich diese bei Temperaturerhöhung in eine Richtung relativ zueinander aus. Je nach Ausdehnungskoeffizient ergibt sich ein Unterschied in der Länge. Als Materialien können alle Kombinationen verwendet werden, die eine unterschiedliche Temperaturausdehnung besitzen. Vorteilhaft ist beispielsweise die Verwendung eines Materials 1 mit sehr geringer Ausdehnung, wie z. B. Zerodur (Keramik) oder Invar (Metall) und eines anderen Materials 2 mit großer Ausdehnung wie z. B. Aluminium. Damit ist die relative Längenänderung sehr groß und kann leicht detektiert werden. Die Differenz in der Längenausdehnung kann mit einem hochauflösenden Sensor sehr genau ermittelt werden und damit auf die Temperaturänderung zurückgeschlossen werden. Besonders geeignet dafür sind kapazitive Wegsensoren, die eine sehr hohe Auflösung von wenigen Zehntel Nanometer in der Messung von Abständen bieten.
Idealerweise sind die beiden Materialien in Stabform oder als Rohr ausgebildete. An die Spitze dieser beiden Teile wird ein kapazitiver Sensor gesetzt, der genau diesen Unterschied in der Ausdehnung misst. Gemäß 1 ist das Sensormodul beispielsweise an Material 1 montiert, die Gegenfläche an Material 2. Dabei kann sowohl Material 1 als auch Material 2 die höhere Ausdehnung aufweisen. Dabei ist letztlich nur entscheidend, ob sich der Messspalt über die Temperatur verringert oder vergrößert. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Sensors ist beispielsweise die Anordnung zweier Rohre unterschiedlicher Metalle, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Beide Rohre sind an einem Ende fest miteinander verbunden. Bei Temperaturänderung dehnen sich beide Rohre entsprechend ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Am anderen Ende tritt durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten eine relative Längenänderung der Rohre auf.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei den Festkörpern um Festkörper beliebiger geeigneter Materialien und beliebiger Geometrie/Konstruktion handeln kann. So lassen sich beispielsweise auch mehrere ineinander geschachtelte Rohre oder nebeneinander liegende Stäbe mit unterschiedlichen Ausdehnungsko effizienten verwenden. Dies hat den Vorteil, dass sich die absolute Längenänderung deutlich erhöht, wodurch eine größere Empfindlichkeit und Auflösung der Anordnung erreicht werden kann. Eine Erhöhung der Längenänderung lässt sich beispielsweise auch durch zwei entsprechend lange Rohre erreichen.
Die zuvor genannte Ausführung hat jedoch den Vorteil der kompakten Bauform, nämlich im Rahmen einer „teleskopartigen Verkürzung” der hier möglichen Bauform.
Am Inneren der beiden Rohre kann die Messelektrode des kapazitiven Sensors befestigt werden. Am äußeren Rohr wird ein Deckel befestigt, der die Gegenelektrode des kapazitiven Sensors bildet. Der kapazitive Sensor misst damit immer gegen dieselbe Gegenelektrode, was sich vorteilhaft auf die Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität auswirkt. Diese Ausgestaltung bietet darüber hinaus den weiteren Vorteil, dass der Sensor vollständig gekapselt ist und keinerlei störende Substanzen in den Sensor eindringen können. Weiterhin kann der Sensor aus Materialien hergestellt sein, die einer bestimmten Umgebung widerstehen müssen, z. B. hoch legierter Edelstahl für raue Umgebung bzw. Schadatmosphäre.
Bei vollständiger Kapselung kann es vorkommen, dass der Sensor abhängig ist von Druckänderungen, wenn sich der Deckel aufgrund des Umgebungsdruckes durchbiegt. Durch eine Durchbiegung könnte eine Temperaturänderung vorgetäuscht werden. Dies kann dadurch vermieden werden, dass ein Druckausgleich hergestellt wird, indem z. B. eine druckdichte, biegsame Membran in das äußere Rohr eingebracht wird.
Die erzielbare Auflösung ist durch den Messbereich (Temperatur bzw. Abstand), die Ausdehnungskoeffizienten und die Auswerteelektronik definiert. Werden die Rohre so dimensioniert, dass für einen gewünschten Temperaturbereich, etwa ΔT = 50°C, eine Längenänderung von Δx = 50 μm erreicht wird, so kann diese Längenänderung mit geeigneten kapazitiven Sensoren mit einer Auflösung von δx = 0,15 nm gemessen werden. Die entsprechende Auflösung in der Temperaturmessung ergibt sich aus der Gleichung δT / δx = ΔT / Δx durch Umformen: δT = ΔTΔx ·δx = 50 K50 μm ·0,15 nm = 0,15 mK.
Für einen derartigen Sensor ist somit problemlos eine Auflösung von ca. 0,15 mK realisierbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung für höchste Präzision kann erreicht werden, indem der Messkondensator im Sensor immer mit einem Referenzkondensator verglichen wird. Der Referenzkondensator könnte ein mechanisch identischer Sensor sein, der jedoch nicht aus zwei unterschiedlichen Materialien, sondern aus identischen Materialien aufgebaut ist. Damit kann es keine relative Ländenänderung geben, weil die Temperaturausdehnungskoeffizienten identisch sind. Damit wird der Referenzkondensator nur durch die Umgebung beeinflusst, nicht jedoch durch die Temperaturänderung. Damit ist eine Kompensation der Umgebungseinflüsse auf den Messkondensator realisiert.
Geeignet ist diese Lösung für langsame Temperaturmessungen, die auch über lange Zeit nicht driften dürfen. Da kapazitive Sensoren sehr langzeitstabil sind, ist eine hochgenaue Messung über lange Zeiträume möglich.
Vorteile der Erfindung:

– sehr hohe Temperaturauflösung durch Verwendung höchstauflösender kapazitiver Wegsensoren,
– lineare Messung aufgrund des linearen Ausdehnungskoeffizienten,
– vollständig gekapselter Sensor, robust gegen Umgebungsbedingungen,
– keine mechanisch bewegten Teile,
– keine Alterung, kein Eigenrauschen,
– sehr präzise Fertigung möglich durch einfache Drehteile im Gegensatz zu sehr ungenauen Bimetall-Federn.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Temperaturmesseinrichtung. Dort sind Rohre teleskopartig ineinander geschachtelt, und zwar mit abwechselnd hohem und niedrigem Ausdehnungskoeffizient.
Die nach „rechts” gerichtete Ausdehnung von Material 1 mit hohem Ausdehnungskoeffizienten summiert sich, da die nach „links” gerichtete Ausdehnung von Material 2 mit geringem Ausdehnungskoeffizienten deutlich geringer ist. Damit bewegt sich der Sensor um eine größere Strecke in Richtung Messfläche als bei einer Aufführung mit nur 2 Rohren aus Material 1 und 2. Der Vorteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, dass die effektive Ausdehnung, d. h. die relative Längenänderung zwischen Sensor und Messfläche, je nach Anzahl der verwendeten Rohre um ein Mehrfaches größer ist, als bei zwei solcher Doppelrohranordnungen, z. B. um den Faktor zwei. Dadurch erhöht sich die Empfindlichkeit entsprechend.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 7119654 B2 [0005]
- US 2007/0237204 A1 [0006]

Claims

Temperaturmesseinrichtung mit mindestens zwei Festkörpern unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten, wobei die Festkörper einen Fixpunkt haben und sich bei Temperaturänderung gegenüber dem Fixpunkt unterschiedlich ausdehnen, und mit mindestens einem Sensor zur Ermittlung der Längenänderung der Festkörper im Temperaturverlauf, wobei mittels Prozessor/Elektronik über die Differenz in der Längenausdehnung auf die jeweilige Temperatur rückgeschlossen wird.
Temperaturmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je Festkörper ein Sensor oder ein Sensorteil vorgesehen ist.
Temperaturmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als kontaktlos arbeitender Wegmesssensor ausgeführt ist.
Temperaturmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als kapazitiver Wegmesssensor ausgeführt ist.
Temperaturmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Festkörper stab- oder röhrenförmig ausgeführt sind.
Temperaturmesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Festkörper als Rohr und der andere Festkörper als vorzugsweise konzentrisch darin angeordneter Stab oder als Rohr ausgeführt ist.
Temperaturmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörper an einem Ende fest miteinander verbunden sind und dass am anderen Ende die unterschiedliche Längenausdehnung gemessen wird.
Temperaturmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren gegen eine Stirnseite der Festkörper messen.
Temperaturmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder die Sensoren bzw. die Sensorteile gegeneinander oder gegen einen Fixpunkt messen.
Temperaturmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Merkmalskombination mit einem oder mehreren konstruktiven Merkmal/Merkmalen aus der Beschreibung und/oder der Figur.
Verfahren zur Temperaturmessung, mit zwei Festkörpern unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten, wobei die Festkörper einen gemeinsamen Fixpunkt haben und sich bei Temperaturänderung gegenüber dem Fixpunkt unterschiedlich ausdehnen, wobei mit mindestens einem Sensor die Längenänderung der Festkörper im Temperaturverlauf ermittelt wird, und wobei über die Differenz in der Längenausdehnung auf die jeweilige Temperatur rückgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Merkmalskombination mit einem oder mehreren verfahrensmäßigen Merkmal/Merkmalen aus der Beschreibung und/oder der Figur.