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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums oder eines Objekts, mit einem Messabschnitt zum Einbringen in das Medium oder Aufbringen auf das Objekt, mit einem temperatursensitiven Sensorelement, welches in dem Messabschnitt angeordnet ist, mit einem Heizelement, welches außerhalb des Messabschnittes angeordnet ist, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit.
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Zur Bestimmung der Temperatur eines Objekts oder eines flüssigen oder gasförmigen Mediums sind eine Reihe unterschiedlicher Temperatursensoren bekannt. Beispielsweise sind dies Kontaktthermometer mit flüssigem Quecksilber, Thermoelemente oder Widerstandsthermometer mit einem gewickelten Draht oder einer metallischen Schicht als temperatursensitivem Element. Häufig sind Thermometer als Stabthermometer ausgeführt, wobei nur ein Endbereich mit dem Messobjekt oder Messmedium in Kontakt gebracht wird. Der restliche Bereich des Thermometers steht in Kontakt mit der Umgebung, bei welcher es sich meist um Luft handelt.
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Ein Kontaktthermometer übernimmt selten genau die Temperatur des zu messenden Objekts. Ein Stabthermometer leitet die Wärme aus dem Medium hinaus bzw. hinein, wobei dies vom Temperaturunterschied zwischen dem Medium und der Umgebung, von der Eintauchtiefe des Thermometers in das Medium und auch von der thermischen Leitfähigkeit des Stabs selbst abhängig ist. Misst das Thermometer die Oberflächentemperatur eines Objekts, so ist diese Temperatur vom Thermometer selbst beeinflusst. Dabei hängt der Messfehler von der konkreten Anordnung ab, sowie auch von der Wahl der Materialien, Geometrie usw. Es gibt somit viele Einflussgrößen, die der exakten Temperaturmessung hinderlich sind bzw. eine solche beeinflussen.
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Insbesondere bei kurzen Thermometern wird die Messgenauigkeit durch Wärmeabfuhr stark beeinflusst. Die Verwendung eines langen Thermometers ist jedoch häufig nicht praktikabel.
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Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Messgenauigkeit eines Thermometers besteht darin, für das jeweilige Temperaturmessgerät in einer Referenzmessung die Abweichung des Messwertes vom tatsächlichen Wert zu ermitteln und gegebenenfalls durch eine Kalibrierung zu korrigieren. Während der Kalibrierung wird beispielsweise das Temperaturverhalten des Sensorelements ausgemessen und die passenden Kalibrierungswerte werden in einem Speicher hinterlegt.
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Eine Möglichkeit die Messgenauigkeit eines Stabthermometers mit einem Thermoelement zu erhöhen besteht darin, einen Heizdraht um den Stab zu wickeln und diesen so lange zu erhitzen, bis sich der Stab auf Mediumstemperatur befindet. Hierzu wird mit einem zweiten Thermoelement der Temperaturgradient zwischen Medium und Thermometer ermittelt und an Hand des ermittelten Wertes die Heizleistung geregelt (J. P. Tavener et al., Isothermal Technology Ltd: „Industrial Measurements with very short immersion"). Nachteilig hierbei ist, dass die Vorrichtung für die beiden Temperatursensoren und das Heizelement jeweils mindestens zwei Anschlussleitungen benötigt, sodass insgesamt zumindest sechs Anschlussleitungen anzuschließen sind. Der Aufbau ist entsprechend aufwendig und groß. Jede Anschlussleitung führt darüber hinaus zu einer Verringerung der Messgenauigkeit, sodass die insgesamt erzielte Messgenauigkeit für hochpräzise Anwendungen nicht ausreicht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kompakte Vorrichtung zur Temperaturmessung vorzuschlagen, bei welcher die Messgenauigkeit gegenüber bekannten Temperaturmessgeräten weiter erhöht ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Sensorelement und das Heizelement als temperaturabhängige Widerstandselemente ausgestaltet sind, und dass die Regel-/Auswerteeinheit das Heizelement derart steuert, dass ein Temperaturgradient zwischen dem Heizelement und dem Sensorelement minimiert ist.
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Das selbsterwärmende Heizelement erhitzt die nähere Umgebung der Vorrichtung, insbesondere die im Kontakt mit dem Heizelement stehende Umgebung, sowie die Vorrichtung selbst, zumindest im Bereich des Heizelements. Hierdurch wird vermieden, dass der nicht mit dem Messmedium oder Messobjekt in Kontakt stehende Bereich des Thermometers von der Umgebung gekühlt wird und das Thermometer dem Medium ständig Wärme entzieht, was den Messwert verfälschen würde.
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Das Heizelement wird kontrolliert geheizt, sodass es und seine unmittelbare Umgebung die Temperatur des Sensorelements und somit die Temperatur des Mediums oder Objekts, mit welchem das Sensorelement in Kontakt steht, erreicht. Da es in diesem Zustand keinen Temperaturgradienten zwischen dem Abschnitt mit dem Sensorelement und dem dahinter liegenden Bereich der Vorrichtung, sowie zwischen der Vorrichtung und der Umgebung gibt, fließt von dem Sensorelement keine Wärme weg und es setzt sich ins thermodynamische Gleichgewicht mit dem Medium. Die in der Anwendung auftretenden Temperaturmessfehler werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einfach eliminiert.
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Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Sensorelement und dem Heizelement um im Wesentlichen identische Bauteile. Im Wesentlichen identisch bedeutet, dass es sich um gleiche Bauteile handelt, deren elektrische Eigenschaften sich allenfalls durch Fertigungstoleranzen voneinander unterscheiden. Als temperaturabhängige Widerstandselemente sind insbesondere Platinstrukturen geeignet.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das Sensorelement und das Heizelement auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sind. Vorzugsweise besteht das Substrat aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid. Über das Substrat sind Sensorelement und Heizelement über einen Bereich mit homogener Wärmeleitfähigkeit verbunden. Vorzugsweise ist auch die Regel-/Auswerteeinheit auf demselben Substrat aufgebracht. Die Auftragung bzw. Anbringung der einzelnen Elemente der Vorrichtung auf einem gemeinsamen Substrat ermöglicht einen miniaturisierten Aufbau und stellt einen weiten Einsatzbereich der Vorrichtung zur Temperaturbestimmung bzw. -überwachung sicher.
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In einer Ausgestaltung sind das Sensorelement und das Heizelement in einer Halbbrücke angeordnet. Eine derartige Anordnung ermöglicht einen einfachen Vergleich der aktuellen ohmschen Widerstandswerte des Sensorelements und des Heizelements. Die Differenz der Widerstandswerte gibt die zwischen den beiden Elementen bestehende Temperaturdifferenz wieder.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Heizelement derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass es in thermischem Kontakt zu einer unmittelbaren Umgebung der Vorrichtung steht. Durch die thermische Ankopplung an die Umgebung, bei welcher es sich in der Regel um Luft handelt, kann das Heizelement direkt und gezielt Wärme an die Umgebung abgeben.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Regel-/Auswerteeinheit mindestens eine erste Spannungsquelle zur Beaufschlagung des Sensorelements und des Heizelements mit einer Messspannung und eine zweite Spannungsquelle, welche mit dem Heizelement alternativ zu der ersten Spannungsquelle verbindbar ist, auf.
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In einer Ausgestaltung stellt die zweite Spannungsquelle eine variierbare Spannung bereit. Die Steuerung und Einstellung der Spannung erfolgt über die Regel-/Auswerteeinheit. Über die zweite Spannungsquelle ist das Heizelement mit einer variierbaren Spannung zum Erhalt einer bestimmten Heizleistung und Selbsterwärmung beaufschlagbar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das Sensorelement und das Heizelement über Zuleitungen mit der ersten Spannungsquelle und/oder der zweiten Spannungsquelle verbunden, welche im Wesentlichen den gleichen elektrischen Widerstand besitzen. Eine Zuleitung liefert in diesem Fall stets den gleichen Beitrag zum Gesamtwiderstand eines Stromkreises.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Regel-/Auswerteeinheit sequentiell zwischen einer Messphase und einer Heizphase umschaltet, wobei die Regel-/Auswerteeinheit das Heizelement und das Sensorelement während der Messphase mit einer gemeinsamen Spannung versorgt, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit während der Heizphase das Heizelement mit einer variierbaren Spannung versorgt. Beispielsweise ist ein bestimmter Takt vorgegeben, mit welchem zwischen den beiden Phasen gewechselt wird, oder die Phasen sind variabel initialisierbar. Vorzugsweise findet ein schnelles Umschalten zwischen den beiden Phasen statt, sodass keine großen Temperaturschwankungen bei einer Unterbrechung der Heizung auftreten.
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In einer hiermit verbundenen Ausgestaltung detektiert die Regel-/Auswerteeinheit während der Messphase eine Differenz in den Widerstandswerten des Sensorelements und des Heizelements und speist das Heizelement während der Heizphase mit einer von der Differenz abhängigen Heizleistung. Während der Messphase wird ein Temperaturgradient zwischen Sensorelement und Heizelement detektiert und vorzugsweise auch quantifiziert. Die Heizleistung ist dann für die Heizphase derart einstellbar, dass eine Erwärmung auf einen gewünschten Wert oder um einen bestimmten Betrag erfolgt. Die Steuerung der Heizleistung ist bei einer Anordnung von Sensorelement und Heizelement in einer Halbbrücke besonders einfach.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung führt die Regel-/Auswerteeinheit zur Bestimmung der Temperatur zumindest die folgenden Schritte durch:
- – Ermitteln eines Wertes für den Gesamtwiderstand bei Versorgung des Sensorelements und des Heizelements mit der gemeinsamen Spannung
- – Ermitteln eines Wertes für den Gesamtwiderstand bei Versorgung des Heizelements mit der variierbaren Spannung
- – Differenzbildung der ermittelten Werte für den Gesamtwiderstand
- – Bestimmung der Temperatur aus der gebildeten Differenz mittels eines hinterlegten Zusammenhangs.
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Vorteilhaft ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit während der Messphase den Gesamtwiderstand, welcher sich aus dem Widerstandswert des Heizelements, des Sensorelements, und den beiden Zuleitungen, welche das Heizelement und das Sensorelement mit der gemeinsamen Spannungsquelle verbinden, zusammensetzt. Während einer Heizphase wird entsprechend der sich aus dem Widerstandswert des Heizelements und der beiden das Heizelement mit der Spannungsquelle verbindenden Zuleitungen ermittelt. Eine Differenzbildung liefert den Widerstandswert des Sensorelements, aus welchem die Regel-/Auswerteeinheit über eine hinterlegte Abhängigkeit den Messwert für die zu ermittelnde Temperatur bestimmt. Durch die Differenzbildung wird der Zuleitungswiderstand kompensiert, sodass der Widerstand der Zuleitungen zu keinen Einbußen in der Messgenauigkeit führt. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Ausgestaltung der Zuleitungen mit gleichen Zuleitungswiderständen, da die Zuleitungswiderstände in diesem Fall vollständig kompensiert werden. Hierdurch ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die unverfälschte Temperatur ermittelbar.
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Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Teile. Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder der Überwachung der Temperatur;
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2a: ein Blockschaltbild der Vorrichtung in einem ersten Betriebsmodus;
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2b: ein Blockschaltbild der Vorrichtung in einem zweiten Betriebsmodus.
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In der 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums oder eines Objekts dargestellt. Die Temperatur ist dabei beispielsweise die eigentlich interessierende Größe oder sie dient der Bestimmung einer weiteren Größe. Beispielsweise ist über die Temperatur der Durchfluss eines Mediums überwachbar und/oder bestimmbar. Insbesondere handelt es sich bei der Vorrichtung um ein Kontaktthermometer, welches mit einem Abschnitt 11 in direktem Kontakt mit dem Objekt oder Medium steht, dessen Temperatur es zu messen gilt.
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Die Bestimmung der Temperatur erfolgt mittels des Sensorelements 1, welches in dem Messabschnitt 11 angeordnet ist. Das Sensorelement 1 ist als temperaturabhängiges Widerstandselement in Form einer in einem Dünnschicht- oder Dickschichtverfahren auf das Substrat 4 aufgebrachten metallischen Schicht ausgestaltet. Vorzugsweise handelt es sich um eine mäanderförmige Platinschicht. Der elektrische Widerstand des Sensorelements 1 ist von dessen Temperatur abhängig. Diese Abhängigkeit ist als Kennlinie in der Regel-/Auswerteeinheit 3 hinterlegt, sodass jedem Messwert die entsprechende Temperatur zuordenbar ist. Bei der Regel-/Auswerteeinheit 3 handelt es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller. Nicht dargestellt ist ein Gehäuse, in welches der Aufbau fakultativ eingebracht sein kann.
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Zwischen dem Messabschnitt, welcher mit dem Messmedium oder Messobjekt in Kontakt zu bringen ist und in welchem sich das Sensorelement 1 zur Temperaturmessung befindet, und dem anderen Thermometerende, an welchem sich die Regel-/Auswerteeinheit 3 befindet, ist das Heizelement 2 angeordnet. Bei dem Heizelement 2 handelt es sich ebenfalls um ein elektrisches Widerstandselement. Das Sensorelement 1 und das Heizelement 2 sind baugleich, d. h. sie besitzen die gleiche Widerstandskennlinie. Die spezielle Ausgestaltung von Sensorelement 1 und Heizelement 2, beispielsweise bezüglich Material, Geometrie und relativer Anordnung auf dem Substrat 4, hängt vor allem von dem in der Anwendung entstehenden Temperaturgradient ab.
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Während das Sensorelement 1 nur der Messung der Temperatur dient, dient das Heizelement 2 weiterhin der Erwärmung der Vorrichtung und der unmittelbaren Umgebung der Vorrichtung auf eine vorgegebene Temperatur. Der von dem Heizelement 2 erwärmte Bereich hängt hierbei von der Ausgestaltung des Heizelements 2 ab. Die vorgegebene Temperatur entspricht der Temperatur des Mediums oder Objekts, dessen Temperatur zu bestimmen ist. Befinden sich alle Elemente der Vorrichtung und die mit der Vorrichtung unmittelbar in Kontakt stehende Umgebung auf der gleichen Temperatur, tritt kein Temperaturgradient auf, sodass kein Wärmeabtransport stattfindet und das Sensorelement 1 die Temperatur des Messmediums oder Messobjekts exakt bestimmen kann. Dieser Zustand wird durch die gezielte Selbsterwärmung des Heizelements 2 zumindest in einem Bereich zwischen Messabschnitt 11 und zweitem Endbereich des Substrats 4 erreicht. Dies ist ausreichend für eine deutliche Verbesserung der Messgenauigkeit.
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2a und 2b zeigen ein Blockschaltbild einer vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung während zweier unterschiedlicher Betriebsphasen. Das Sensorelement 1 und das Heizelement 2 sind in einer Halbbrücke angeordnet.
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In 2a ist die Messphase illustriert. Sensorelement 1 und Heizelement 2 sind in Reihe geschaltet und über die elektrischen Zuleitungen 51, 53 mit der ersten Spannungsquelle 6 verbunden. Diese stellt eine symmetrische Spannung bereit; beispielsweise ±5 V. Das Heizelement 2 ist weiterhin über die Zuleitung 53 und eine weitere Zuleitung 52 mit der zweiten Spannungsquelle 7 verbindbar. Hierfür sind zwei Schaltelemente 81, 82 vorgesehen. Diese sind beispielsweise als FETs ausgestaltet. Die Zuleitungen 51, 52, 53 besitzen jeweils einen bestimmten Zuleitungswiderstand RZ. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung sind die drei Zuleitungswiderstände RZ jeweils gleich.
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In die Zuleitung 52 ist ein Spannungsmesser 9 eingefügt, welcher die Spannung dieses Punktes gegen Masse misst. Alternativ ist ein Strommesser in die Zuleitung 52 einbringbar. Besitzen das Sensorelement 1 und das Heizelement 2 den gleichen ohmschen Widerstand, ist die von dem Spannungsmesser 9 gemessene Spannung Null. Der Gesamtwiderstand des Stromkreises entspricht in diesem Fall der Summe aus den Zuleitungswiderständen der Zuleitungen 51, 53, dem Widerstand des Sensorelements 1 und dem Widerstand des Heizelements 2.
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Befinden sich das Sensorelement 1 und das Heizelement 2 auf unterschiedlichen Temperaturen, weichen die beiden Widerstandswerte voneinander ab und der Spannungsmesser 9 misst eine entsprechend hohe Spannung. Um das Heizelement 2 auf die Temperatur des Sensorelements 1 zu erwärmen, wird das Heizelement 2 an die zweite Spannungsquelle 7 angeschlossen.
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Dieser Fall ist in 2b dargestellt. Die Schaltelemente 81, 82 sind geschlossen und verbinden die zweite Spannungsquelle 7 mit dem Heizelement 2. Die Spannung der zweiten Spannungsquelle 7 ist variierbar, sodass das Heizelement 2 mittels der zweiten Spannungsquelle 7 mit einem Heizpuls einstellbarer Höhe und Dauer versorgbar ist. Vorzugsweise wird der Heizpuls in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen Heizelement 2 und Sensorelement 1 bzw. der mit dem Spannungsmesser 9 gemessenen Spannung erzeugt. Mit anderen Worten ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit 3 während einer Messphase auf der Basis der zu erreichenden Temperaturerhöhung die Heizleistung, mit welcher sie in einer Heizphase das Heizelement 2 erhitzt. Da der Spannungsmesser 9 eine große Impedanz aufweist, ist der Spannungsmesser 9 in dieser Phase durch die Überbrückung 83 überbrückt. Als Alternative zu einer Überbrückung 83 ist die Position der zweiten Spannungsquelle 7 veränderbar. Hierzu ist das erste Schaltelement 81 zwischen Heizelement 2 und Spannungsmesser 9 positioniert, sodass der Spannungsmesser 9 außerhalb des Stromkreises liegt, wenn die zweite Spannungsquelle 7 angeschlossen ist.
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Der Gesamtwiderstand des Stromkreises bei Anschluss der zweiten Spannungsquelle 7 setzt sich aus den Widerständen der Zuleitungen 52, 53 und dem Widerstand des Heizelements 2 zusammen.
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Vorzugsweise wird so lange zwischen Messphasen und Heizphasen gewechselt, bis die von dem Spannungsmesser 9 gemessene Spannung Null ist, d. h. die beiden Widerstände von Sensorelement 1 und Heizelement 2 gleich sind. In diesem Zustand befinden sich das Sensorelement 1 und das Heizelement 2 auf der gleichen Temperatur und das Sensorelement 1 steht im thermodynamischen Gleichgewicht mit dem Messmedium bzw. Messobjekt.
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Die Bestimmung eines Messwertes für die Temperatur erfolgt vorzugsweise bei Erreichen dieses Gleichgewichtszustandes, indem jeweils der Gesamtwiderstand bei Anschluss der ersten Spannungsquelle 6 und bei Anschluss der zweiten Spannungsquelle 7 bestimmt wird, und die beiden Werte des Gesamtwiderstands voneinander subtrahiert werden. Da die drei Zuleitungswiderstände RZ gleich sind, fallen diese bei der Subtraktion heraus und die sich ergebende Differenz gibt direkt den ohmschen Widerstand des Sensorelements 1 an. Über einen in der Regel-/Auswerteeinheit 3 hinterlegten oder bekannten Zusammenhang ist aus diesem Widerstand die zugehörige Temperatur ermittelbar. Sind die Zuleitungswiderstände RZ nicht gleich, müssen die Widerstandswerte bekannt sein, um aus der Differenz der Gesamtwiderstände den ohmschen Widerstand des Sensorelements 1 bestimmen zu können.
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Die Temperatur ist auf diese Weise auch dann ermittelbar, wenn das Heizelement 2 und das Sensorelement 1 nicht den gleichen Widerstand aufweisen, d. h. sich nicht auf der gleichen Temperatur befinden. Der Fehler bei der Temperaturbestimmung ist in diesem Fall entsprechend größer.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Temperaturbestimmung mit einer Genauigkeit von bis zu einem Hundertstel Grad Celsius. Vergleichbare Temperaturmessgeräte aus dem Stand der Technik erreichen lediglich eine Genauigkeit von einem Zehntel Grad. Bezugszeichenliste
| 1 | Temperatursensitives Sensorelement |
| 11 | Messabschnitt |
| 2 | Heizelement |
| 3 | Regel-/Auswerteeinheit |
| 4 | Substrat |
| 51, 52, 53 | Zuleitung |
| 6 | Erste Spannungsquelle |
| 7 | Zweite Spannungsquelle |
| 81, 82 | Schaltelement |
| 83 | Überbrückung |
| 9 | Spannungsmesser |
| RZ | Zuleitungswiderstand |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. P. Tavener et al., Isothermal Technology Ltd: „Industrial Measurements with very short immersion” [0006]