DE102011101338B4 - Temperatursensor mit mindestens einem Thermoelement und Mitteln zur in-situ Kalibrierung desselben - Google Patents

Abstract

Temperatursensor mit mindestens einem von einem Sensorgehäuse (1) umschlossenen Sensorelement (3), das mit benachbart hierzu im Sensorgehäuse (1) angeordneten Mitteln zur in-situ Kalibrierung zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur in-situ Kalibrierung eine sich im thermischen Kontakt mit dem Sensorelement (3) befindliche und ein Material mit einem definierten Schmelzpunkt (TM) enthaltene Referenzzelle (6) umfassen, wobei das Sensorelement (3) als ein Heizmittel zum Aufheizen der Referenzzelle (6) ausgebildet ist und durch eine Steuereinheit (5) von einem Messmodus in ein Kalibrierungsmodus überführbar ist, bei dem sich die Referenzzelle (6) durch Zuführung elektrischer Energie zumindest bis zum Schmelzpunkt (TM) als Referenztemperatur für die Kalibrierung aufheizt und dass die Referenzzelle (6) im thermischen Pfad zwischen dem Sensorelement (3) und dem Sensorgehäuse (1) angeordnet ist, wobei der thermische Widerstand (R1) zwischen Sensorelement (3) und Sensorgehäuse (1) um ein Vielfaches größer ist als der thermische Widerstand (R3) zwischen der Referenzzelle (6) und dem Sensorgehäuse (1), welcher...

Description

• Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit mindestens einem von einem Sensorgehäuse umschlossenen Sensorelement, das mit benachbart hierzu im Sensorgehäuse angeordneten Mitteln zur in-situ Kalibrierung zusammenwirkt.
• Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf industrielle und labortechnische Anwendungen, bei denen eine präzise Temperaturmessung erforderlich ist. In diesem Anwendungsfeld kommen gewöhnlich Temperatursensoren zum Einsatz, welche insbesondere als Widerstandsthermometer oder Thermoelemente ausgebildet sind.
• Widerstandsthermometer sind elektrische Bauelemente, welche die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Leitern zur Messung der Temperatur ausnutzen.
• Thermoelemente beruhen auf der gegenseitigen Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und nutzen meist den Seebeck-Effekt, nach dem in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern bei einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen eine kleine elektrische Spannung entsteht.
• Derartige Sensorelemente gestatten eine präzise Temperaturmessung bei geringem Messaufwand. Eine generelle Problemstellung bei einer solchen Temperaturmessung hoher Präzision ist oftmals der Drift und die Alterung der Sensorelemente. Durch die Einwirkung hoher Temperaturen, mechanischer Schwingungen, aggressiver Medien oder radioaktiver Strahlung können sich die Materialeigenschaften des Sensorelements ändern. Insbesondere Festkörpersensoren, der hier interessierenden Art sind auch empfindlich hinsichtlich Alterung. Diese Einflüsse wirken sich auf die Langzeitgenauigkeit der Sensorelemente aus, so dass diese in periodischen Zeitabständen regelmäßig zu kalibrieren sind, um eine hohe Messgenauigkeit zu erhalten.
• Gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik wird ein Sensorelement zur Kalibrierung normalerweise demontiert und mit Hilfe einer speziellen Kalibrierungseinheit neu eingestellt. Die Kalibrierungseinheit umfasst ein temperaturgesteuertes Heizbad und das Ausgangssignal des zu kalibrierenden Sensorelements wird verglichen mit der Temperatur des Heizbades. Infolge des Messergebnisses wird eine neue Kalibrierungskurve für das Sensorelement ermittelt, welche signalverarbeitungstechnisch zur Messwertkompensation bei der weiteren Nutzung des Sensorelements genutzt wird.
• Eine derartige Kalibrierungsprozedur ist recht aufwändig, da zum Kalibrieren eine Entfernung des Sensorelements vom Einsatzort erforderlich ist. Oftmals ist der gesamte Produktionsprozess während der Kalibrierung des Sensorelements zu unterbrechen, was zu Produktionsausfällen führt. Daher ist es wünschenswert, eine sogenannte in-situ Kalibrierung des Sensorelements vorzunehmen, bei welcher eine Demontage des Sensorelements entfallen kann.
• Aus der US 3,499,310 A geht ein spezieller Temperatursensor hervor, der mit technischen Mitteln zur in-situ Kalibrierung ausgestattet ist. Hierfür wird das sich innerhalb des Sensorgehäuses befindliche Sensorelement mit einem benachbarten Heizelement versehen. Im Bereich zwischen Heizelement und Sensorelement befindet sich ein Material mit einem spezifischen Schmelzpunkt. Das Sensorelement ist dabei in thermischem Kontakt sowohl mit der Umgebung des Sensorgehäuses als auch mit dem Heizelement und dem diesen umgebenden speziellen Material. Während des normalen Messbetriebs wird die Temperatur durch das Sensorelement in an sich bekannter Weise ermittelt. Zum Zweck der Kalibrierung des Sensorelements erhöht das Heizelement die Temperatur des Sensorelements über den Schmelzpunkt des speziellen Materials. Während des Aufheizens des Sensorelements steigt die gemessene Temperatur kontinuierlich an, bis der Schmelzpunkt des das Sensorelement umgebenden Materials erreicht ist. Wenn das Material beginnt zu schmelzen, wird die Wärmeenergie des Heizelements verbraucht, um das Material zu schmelzen, woraus sich ein verzögerter Temperaturanstieg ergibt. Diese Verzögerung lässt sich außerhalb des Zeitverlaufs der Temperaturmessung bestimmen und wird für die Kalibrierung des Sensorelements genutzt. Daneben kann auch das Erstarren des Materials für die Kalibrierung in analoger Weise genutzt werden. Hierdurch lässt sich eine in-situ-Kalibrierung des Temperatursensors ohne eine Demontage des Sensors am Einsatzort durchführen.
• Nachteilhaft ist jedoch das Erfordernis eines zusätzlichen Heizelements, das innerhalb des Sensorgehäuses unterzubringen ist. Hierfür ist ein zusätzlicher Platzbedarf im Sensorgehäuse erforderlich, was gewöhnlich die geometrischen Abmessungen des Sensorgehäuses nachteilhaft vergrößert. Dies führt zu Gebrauchseinschränkungen derartiger Temperatursensoren. Außerdem erhöht das zusätzliche Heizelement und dessen Verdrahtung sowie zusätzlich erforderliche thermische Isoliermittel das Gewicht des Temperatursensors und kann den thermischen Widerstand zwischen dem Sensorelement und der Umgebung beeinträchtigen, was die Ansprechzeit des Temperatursensors auf zu messende Temperaturwechsel reduziert.
• Zwar wird bei dem besagten Stand der Technik auch vorgeschlagen, die Anschlussdrähte des Sensorelements als Heizelemente zu nutzen, jedoch erfordert dies Anschlussdrähte eines höheren elektrischen Widerstandes, was wiederum negative Einflüsse auf die Messgenauigkeit des Temperatursensors im Messbetrieb haben kann.
• In der DE 27 58 084 A1 wird eine andere Lösung für eine in-situ Kalibrierung vorgeschlagen, bei welcher anstelle eines aktiven Heizelements innerhalb des Sensorgehäuses die extern des Temperatursensors im Messmedium vorhandenen Temperaturwechsel genutzt werden. Hierbei ist jedoch der Schmelzpunkt des sich im Sensorgehäuse befindlichen Referenzmaterials an die Temperaturwechsel anzupassen, die bei normalen Betriebsbedingungen des Temperatursensors auftreten. Bei dieser Lösung ist die Kalibrierung abhängig von den externen Temperaturwechseln und eine Kalibrierung kann nur dann durchgeführt werden, wenn die externe Temperatur einen Bereich oberhalb des Schmelzpunkts des Referenzmaterials erreicht. Eine planmäßige Kalibrierung in festgelegten Zeitabständen ist hiermit also nicht möglich. Weiterhin wird der Wechsel des Aggregatzustands des Referenzmaterials auch die Ansprechzeit des Temperatursensors vermindern. Somit werden die Messeigenschaften des Temperatursensors während des normalen Messbetriebs mit dieser Lösung beeinträchtigt.
• Aus der DE 199 41 731 A1 ist eine Fixpunktzelle zur automatisierbaren in-situ-Kalibrierung von Temperatursensoren bekannt, die einen zusätzlichen Heizer zum Aufheizen der Referenzzelle aufweist.
• Der US 34 99 310 A ist ein selbstkalibrierender Temperatursensor entnehmbar, bei dem das Aufheizen der Referenzzelle durch die Zuleitungen zum Sensorelement erfolgt, wobei die eingebrachte Heizleistung auf die Referenzzelle gerichtet ist.
• Schliesslich ist aus der WO 2004/045 656 A2 ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Temperatursensors bekannt, dessen Referenzzelle eigen- oder fremdbeheizt sein kann. Dabei liegen die Fixpunkte der Fixpunktzelle nahe der Arbeitstemperatur (Sterilisationstemperatur) der Einrichtung, so dass die thermische Beeinflussung der Einrichtung durch die Kalibrierung bedeutungslos ist. Für alle Einrichtungen, bei denen die Arbeitstemperatur deutlich von der Fixpunkttemperatur abweicht oder die Temperaturdifferenz unbekannt ist, ist dieses Verfahren daher ungeeignet.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Temperatursensor mit Mitteln zur in-situ Kalibrierung zu schaffen, bei welchem zu planbaren Zeitpunkten eine Kalibrierung mit geringem technischem Aufwand durchführbar ist.
• Die Aufgabe wird ausgehend von einem Temperatursensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wider.
• Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Mittel zur in-situ-Kalibrierung eines sich im thermischen Kontakt mit dem Sensorelement befindliche und das Material mit einem definierten Schmelzpunkt T_S enthaltende Referenzzelle umfassen, wobei das Sensorelement selbst als ein Heizmittel zum Aufheizen der Referenzzelle ausgebildet ist und durch eine Steuereinheit von einem Messmodus in einen Kalibrierungsmodus überführbar ist, bei welchem sich die Referenzzelle durch Zuführung höherer elektrischer Energie zum Sensorelement zumindest bis zum Schmelzpunkt T_M als Referenztemperatur für die Kalibrierung aufheizt.
• Mit anderen Worten wird eine spezielle Referenzzelle genutzt, die im Kalibriermodus durch das Sensorelement aufgeheizt wird, indem eine höhere elektrische Energie zugeführt wird, als im normalen Messmodus. Somit ist ein zusätzliches Heizelement entbehrlich und eine Kalibrierung kann zu jedem gewünschten Zeitpunkt durch Umschalten der elektronischen Steuereinheit vom Messmodus in den Kalibriermodus durchgeführt werden.
• Vorzugsweise sollte die Referenzzeile im thermischen Pfad zwischen dem Sensorelement und dem Sensorgehäuse angeordnet sein. Hierdurch wird in einfacher Weise ein thermischer Einfluss des Messmediums auf die Kalibrierung reduziert. Durch diese Maßnahme erreicht die Aufheizung der Referenzzelle während der Kalibrierung hauptsächlich auch nur die Referenzzelle selbst und der Anteil hieran, welcher das Sensorgehäuse und die Umgebung erreicht, wird signifikant reduziert. Dadurch wird auch eine Überhitzung des das Sensorgehäuse umgebenden Messmediums verhindert.
• Dieser Aspekt lässt sich weiter verbessern, indem die Steuereinheit das Aufheizen der Referenzzelle vorzugsweise dann stoppt, sobald eine dem Schmelzpunkt T_M oder einem anderen Referenzpunkt entsprechende Referenztemperatur erreicht ist. Denn durch diese enge zeitliche Begrenzung auf die erforderliche Aufheizdauer wird eine unerwünschte Wärmeausbreitung über die Referenzzelle hinaus weiter begrenzt. Durch die kurze Aufheizdauer wird also vornehmlich die Referenzzelle durch das Sensorelement aufgeheizt und nur ein sehr geringer Anteil der Wärme erreicht das Sensorgehäuse.
• Das zur Ausführung der erfindungsgemäßen Aufheizzusatzfunktion einsetzbare Sensorelement kann verschiedenartig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Sensorelement nach Art eines elektrischen Widerstandsthermometers ausgeführt, umfasst also einen Widerstandsdraht, dessen elektrischer Widerstand signifikant von der Temperatur abhängt. Ein solches Widerstandsthermometer kann beispielsweise als marküblicher Typ PT100, PT1000, NTC oder dergleichen ausgebildet sein. Daneben ist es auch möglich, das Sensorelement aus zwei unterschiedlichen Metallen unter Nutzung des Seebeck-Effekts zu gestalten. Auch bei dieser Art von Sensorelementen lässt sich durch eine Erhöhung der zugeführten elektrischen Energie ein Aufheizeffekt erzielen. Daneben ist es auch denkbar, andere Sensorelemente zu verwenden, sofern diese den gewünschten Aufheizeffekt zu liefern in der Lage sind.
• Die im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung zum Einsatz kommende Referenzzelle beinhaltet vorzugsweise ein Material mit einem geeigneten Schmelzpunkt, so dass das verzögerte Ansprechverhalten des Sensorelements aufgrund des Phasenwechsels des Materials von fest zu flüssig oder umgekehrt zur Kalibrierung in an sich bekannter Weise genutzt werden kann. Daneben ist es jedoch auch möglich, den Siedepunkt eines Materials als Referenztemperatur zu nutzen. Ebenfalls denkbar sind andere Referenztemperaturen, bei denen sich beispielsweise die optischen Eigenschaften eines Materials bei einer definierten Temperatur ändern, so dass sich das Erreichen der Referenztemperatur durch optische Sensormittel auslesen lässt. Möglich ist im Prinzip jede Referenztemperatur, welche in das Sensorgehäuse eines Temperatursensors integrierbar ist und durch die Sensorelektronik auslesbar ist. Der Höhe nach kann die Referenztemperatur der Referenzzelle auch jeden Wert annehmen, der innerhalb der Temperaturgrenzen des Temperatursensors liegt. Es ist jedoch ratsam, eine Referenztemperatur außerhalb des normalen Messbereichs des Temperatursensors zu wählen, um eine Beeinflussung des Messmodus durch eine Kalibrierung zu vermeiden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, als Material innerhalb der Referenzzelle Indium oder eine Indiumlegierung zu wählen, wobei der Messmodus einen Messbereich zwischen 0° und 120°C abdeckt und im Kalibriermodus ein Aufheizen oberhalb 156°C erfolgt, also überhalb des Schmelzpunktes von Indium.
• Hierdurch ist sichergestellt, dass während des normalen Messmodus des Temperatursensors kein Phasenwechsel des Materials der Referenzzelle entsteht und der Temperatursensor wird direkt auf externe Temperaturwechsel im Messemedium innerhalb normaler Ansprechzeiten reagieren. Zum Kalibrieren ist der Sensor dann auf eine Temperatur überhalb 156°C aufzuheizen und während des Schmelzvorgangs oder auch des anschließenden Erstrarrungsvorgangs des Indiums beim Abkühlen kann die Kalibrierung durchgeführt werden.
• Zur Bereitstellung der für den Kalibriermodus erforderlichen höheren elektrischen Energie relativ zum Messmodus wird vorgeschlagen, dass für den Kalibriermodus eine zusätzliche Kalibrierungsstromversorgung in Reihe zur Messstromversorgung des Sensorelements geschaltet wird. Die Stromversorgung erfolgt dabei außerhalb des Sensorgehäuses und kann vorzugsweise in der externen Steuereinheit untergebracht werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, zur Erzeugung der elektrischen Energie für den Kalibrierungsmodus eine einzige Stromversorgung des Sensorelements mit unterschiedlichen Stromniveaus vorzusehen. Auch hier kann durch Umschalten von dem niedrigen Energieniveau für den normalen Messmodus auf das viel höhere Energieniveau für den Kalibriermodus das Aufheizen für die Kalibrierung eingeleitet werden.
• Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung sei darauf hingewiesen, dass die Steuereinheit auch mehrere Referenztemperaturen zur Kalibrierung nutzen kann. Hierdurch können beispielsweise Offset- und Messbereichsdrifts kalibriert werden. Von besonderem Interesse ist es diesbezüglich, wenn eine Referenztemperatur oberhalb und eine andere Referenztemperatur unterhalb des normalen Temperaturmessbereichs des Temperatursensors liegt, was beispielsweise bei einem Sensorelement mit Nutzung des Seebeck-Effekts durch Aufheizen bzw. Kühlen erzielbar ist.
• Gemäß einer weiteren die Erfindung hinsichtlich eines kurzen Ansprechverhaltens verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Referenzzelle von einem vom Sensorgehäuse beabstandet angeordneten eigenen Zellengehäuse umschlossen ist, um ein Aufheizen des Sensorgehäuses beim Kalibrieren zu vermeiden. Vorzugsweise sollte das Sensorelement direkt außen an dem Zellengehäuse angebracht sein, um wiederum möglichst gezielt die Referenzzelle aufheizen zu können, nicht jedoch die weitere Umgebung. Als Material für ein solches Zellengehäuse kommt beispielsweise Glas oder Keramik in Frage. Der Zwischenraum zwischen dem Sensorelement und dem Sensorgehäuse kann beispielsweise mit Luft oder einem anderen Füllgas ausgefüllt sein, um einen möglichst hohen thermischen Isoliereffekt zu erzielen.
• Eine besonders vorteilhafte Konfiguration ergibt sich, wenn der thermische Widerstand R₁ zwischen dem Sensorelement und dem Sensorgehäuse um ein Vielfaches größer ist als der thermische Widerstand R₃ zwischen der Referenzzelle und dem Sensorgehäuse, welcher wiederum größer sein sollte als der thermische Widerstand R₂ zwischen dem Sensorelement und der Referenzzelle. Hierdurch lässt sich prinzipiell eine präzise Temperaturmessung mit recht geringem Ansprechverhalten durchführen.
• Im Übrigen wird vorgeschlagen, dass das Sensorgehäuse aus einem Metall bestehend rohrförmig mit einem geschlossenen Bodenbereich ausgebildet ist. Hierdurch wird eine zuverlässige Abdichtung gegenüber dem außenliegenden Messmedium erzielt und die erfindungsgegenständlichen Einzelbauteile lassen sich in einem derart gestalteten Sensorgehäuse in einfacher Weise platzsparend unterbringen.
• Unabhängig von der jeweiligen baulichen Ausprägung des Temperatursensor wird das Sensorelement kurzzeitig mit so hoher Heizleistung erwärmt wird, dass die Referenztemperatur an der nahen Referenzzelle erreicht wird bevor die Wärme in weiter entfernten Breichen des Sensorgehäuse entweicht.
• Dadurch gelingt es, die Kalibrierzeiten gering zu halten und Beeinträchtigungen des Messmediums durch den den Kalibriervorgang zu vermeiden.
• In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zeitkonstante des Aufheizvorganges t etwa gleich der Zeitkonstanten von Sensorelement und Referenzzelle L 2 / r/a ist, mit a = λ/σ/c, wobei λ für die Wärmeleitfähigkeit, σ für die Dichte, c für die spezifische Wärmekapazität stehen und Lr für den Abstand zwischen dem heizenden Sensorelement und der Referenzzelle stehen.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zeitkonstante des Aufheizvorganges t viel größer ist als die Zeitkonstante des gesamten Temperaturfühlers t >> L 2 / r/a ist, wobei L_t der Abstand zwischen Sensorelement und Temperaturfühlergehäuse ist.
• Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
• 1 eine schematische Seitenansicht eines Temperatursensors in einer ersten Ausführungsform,
• 2 eine graphische Darstellung des Temperatur-Zeit-Verlaufs während der Kalibrierung des Temperatursensors gemäß 1,
• 3 eine schematische Seitendarstellung eines Temperatursensors nach einer zweiten Ausführungsform mit elektrischer Energiezuführung in einer ersten Variante,
• 4 ein Schaltbild für eine zu 3 geltende Energiezuführung in einer zweiten Variante,
• 5 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Temperatursensors mit einer hieran angepassten Energieversorgung in einer dritten Variante,
• 6 eine schematische Seitenansicht eines Temperatursensors in einer vierten Ausführungsform, und
• 7 eine schematische Darstellung eines Temperatursensors mit Verdeutlichung der Bauteilbeabstandungen.
• Gemäß 1 besitzt der Temperatursensor ein rohrförmiges Sensorgehäuse 1 aus Metall, das einen geschlossenen Bodenbereich 2 aufweist. Geschützt innerhalb des Sensorgehäuses 1 ist ein Sensorelement 3 angeordnet. Außerhalb des Sensorgehäuses 1 befindet sich ein – nicht weiter dargestelltes – Messmedium, dessen Temperatur durch den Temperatursensor zu ermitteln ist. Das Sensorelement 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein elektrisches Widerstandsthermometer ausgebildet, das mit einer zweipoligen Anschlussleitung 4 an einer Steuereinheit 5 zur Messwerterfassung angeschlossen ist.
• Der Temperatursensor umfasst außerdem technische Mittel zur in-situ Kalibrierung des Thermoelements 3, das zu diesem Zweck mit einer Referenzzelle 6 zusammenwirkt. Die Referenzzelle 6 umgibt das Sensorelement 3 teilweise, um einen wirksamen thermischen Kontakt zwischen den beiden Bauteilen herzustellen. Innerhalb der Referenzzelle 6 befindet sich ein Material mit einem definierten Schmelzpunkt T_M, welcher oberhalb des normalen Messbereichs des Temperatursensors liegt. Das Sensorelement 3 dient auch als ein Heizmittel zum Aufheizen der Referenzzelle 6. Um ein solches Aufheizen der Referenzzelle 6 durchzuführen, ist die Steuereinheit 5 von dem normalen Messmodus zur Temperaturmessung in einen speziellen Kalibrierungsmodus überführbar. Im Kalibrierungsmodus wird dem Sensorelement 3 eine vergleichsweise viel höhere elektrische Energie zugeführt, die zum Aufheizen des Sensorelements 3 und infolge dessen auch zum Aufheizen der hiermit in thermischem Kontakt stehenden Referenzzelle 6 führt, um den vorstehend erwähnten Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunktes T_M des Materials innerhalb der Referenzzelle 6 zu erreichen.
• Um ein ungewolltes Aufheizen des Sensorgehäuses 1 zu vermeiden, umgibt die Referenzzelle 6 das Sensorelement 3 teilweise. Somit liegt die Referenzzelle 6 im thermischen Pfad zwischen dem Sensorelement 3 und dem Sensorgehäuse 1, welches höchstens noch mit einer Restwärme beaufschlagt wird. Zudem stoppt die Steuereinheit 5 das Aufheizen der Referenzzelle 6, sobald der Schmelzpunkt T_M des Materials innerhalb der Referenzzelle 6 erreicht ist, was der Referenztemperatur für die Kalibrierung entspricht.
• Gemäß 2 steigt die Temperatur zum Beginn des Aufheizens der Referenzzelle zügig bis zum Schmelzpunkt T_M an. Ab Beginn des Schmelzens ist kein weiterer Temperaturanstieg zu verzeichnen, bis das Material innerhalb der Referenzzelle vollständig geschmolzen ist, so dass die während des Schmelzvorgangs konstant bleibende Schmelztemperatur T_M als Referenztemperatur zum Kalibrieren herangezogen werden kann. Nach dem vollständigen Schmelzen ist noch ein weiterer Temperaturanstieg zu verzeichnen. Nach dem Abschalten der für das Aufheizen erforderlichen höheren Energiezufuhr zum Sensorelement erfolgt ein Abkühlen der Referenzzelle. Während der Phase des Erstarrens des Materials innerhalb der Referenzzelle verharrt die Temperaturkurve über eine gewisse Zeitdauer im Bereich der Erstarrungstemperatur T_S. Dieser Bereich kann ebenfalls zur Kalibrierung herangezogen werden. Anschließend erfolgt das weitere Abkühlen bis auf normales Umgebungstemperaturniveau.
• Gemäß 3 ist das innerhalb des Sensorgehäuses 1 im Bereich der Referenzzelle 6 angeordnete Sensorelement 3' nach Art eines elektrischen Widerstandsthermometers ausgeführt und wird von einer innerhalb der Steuereinheit 5 angeordneten Stromversorgung nach Maßgabe des Messmodus sowie des Kalibrierungsmodus mit der jeweils passenden elektrischen Energie beaufschlagt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zur Erzeugung der elektrischen Energie für den Kalibriermodus eine zuschaltbare zusätzliche Kalibrierungsstromversorgung U₁ in Reihe zur Messstromversorgung U₂ für das Sensorelement 3' geschaltet. Die Umschaltung erfolgt über einen hier schematisch angedeuteten Schalter 7. Die Messstromversorgung U₁ ist viel kleiner als die Kalibrierstromversorgung U₂, welche mit der entsprechend höheren elektrischen Energie für das Aufheizen des Sensorelements 3' sorgt.
• Die 4 illustriert eine alternative Stromversorgung für das – nicht weiter dargestellte – Sensorelement 3', welche unterschiedliche Stromlevels mittels Verstellmitteln liefern kann.
• Nach der in 5 dargestellten anderen Ausführungsform des Temperatursensors besteht das Sensorelement 3'' aus einem Pärchen zweier unterschiedlicher Metalle 8 und 9, welche eine Temperaturerfassung unter Nutzung des Seebeck-Effekts ermöglichen. Zur Kalibrierung wird das Sensorelement 3'' mit einer elektrischen Energie beaufschlagt, welche einen das Aufheizen bewirkenden Stromfluss durch die Übergangsstellen des Sensorelements 3'' erzeugt. Das Sensorelement 3'' ist direkt mit der Stromversorgung verbunden. Mit dem Sensorelement 3'' wird die Temperatur normalerweise über den Seebeck-Effekt dadurch ermittelt, dass die Temperaturdifferenz an den Übergangsstellen zwischen den zwei unterschiedlichen Metallen 8 und 9 eine kennzeichnende Spannung erzeugt. Einer der Übergangsstellen am Metall 7 wird dabei als Sensorelement 3'' genutzt, während die Übergangsstelle am anderen Metall 8 außerhalb dessen zur Ermittlung der Referenztemperatur angeordnet ist. Dieser Vorgang kann umgedreht werden durch Nutzung des Peltier-Effekts und durch Beaufschlagung der Leitungen mit einem Strom, wobei eine Kontaktstelle 11 aufgewärmt wird, während die andere Kontaktstelle 12 je nach Stromrichtung abgekühlt wird. Hierdurch kann das Sensorelement 3 entweder aufgeheizt oder abgekühlt werden, um die Referenzzelle 6 entweder überhalb oder unterhalb des normalen Messtemperaturbereichs zu bringen, so dass durch das gesteuerte Aufheizen oder Abkühlen die Kalibrierung durchführbar ist.
• 6 zeigt eine Anordnung eines Temperaturfühlers mit Referenzzelle, welche in Richtung eines geringen Wärmeeintrages in das den Temperaturfühler umgebende Medium optimiert ist. Die Referenzzelle 6 befindet sich in einem eigenen Zellengehäuse 10, welches in das Sensorgehäuse 1 eingesetzt ist. Die Referenzzelle 6 steht damit ueber das Zellengehäuse 10 mit dem Sensorgehaeuse 1 und damit mit dem umgebenden Medium in thermischen Kontakt. Das Sensorelement 3 ist direkt an das Zellengehäuse 10 derart angebracht, dass ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen Sensorelement 3 und Referenzzelle 6 besteht. Vorteilhafterweise ist das Zellengehäuse 10 aus Keramik oder Glas gefertigt und das Sensorelement 3 mit Hilfe eines Glas- oder Keramikklebers in das Zellengehäuse 10 eingeklebt. Das Sensorelement 3 steht dagegen aber in keinem direkten Kontakt mit dem Sensorgehäuse 1. Der Zwischenraum zwischen dem Sensorelement 3 und dem Sensorgehäuse 1 ist mit Luft oder Gas oder einem anderen gut isolierendem Material gefüllt, um hier einen hohen thermischen Widerstand zwischen Sensorelement 3 und Zellengehäuse zu erreichen.
• 7 illustriert anhand der thermischen Widerstände schematisch die zur Erzielung eines akkuraten Messergebnisses oben beschriebene Anordnung der Bauteile innerhalb des Sensorgehäuses 1. Der thermische Widerstand R1 zwischen dem Sensorelement 3 und dem Sensorgehäuse 1 ist dabei um ein vielfaches größer als der thermische Widerstand R3 zwischen der Referenzzelle 6 und dem Sensorgehäuse 1. Der thermische Widerstand R3 ist wiederum auch größer als der thermische Widerstand R2 zwischen dem Sensorelement 3 und der Referenzzelle 6, welcher zur Erzielung eines guenstigen Wärmeübergangs möglichst klein ausfallen sollte. Die thermischen Widerstaende sind derart ausgelegt, dass der Hauptwärmefluss zwischen Senorlement 3 und der Umgebung über die Referenzzelle erfolgt.
• Während des normalen Messmodus gelangt die Wärme aus der Umgebung durch die Referenzzelle 6 zum Sensorelement 3 und wird das Sensorelement 3 auf eine ähnliche Temperatur wie die Umgebung bringen. Wenn das Sensorelement 3 im Kalibriermodus aufgeheizt wird, so wird die Wärme während des direkten Kontakts zuerst in die Referenzzelle 3 dringen, um das hierin befindliche Material mit der definierten Referenztemperatur aufzuheizen. Erst in einer späteren Phase des Aufheizens wird sich auch das Gehäuse der Referenzzelle und das Sensorgehäuse aufheizen. Der Widerstand R3 sollte dabei so gewählt werden, dass während des normalen Messmodus durch den geringen statischen Waermefluss durch den Widerstand R3 der Temperaturabfall über R3 geringer als die zu erzielende Messgenauigkeit ist. Auf der anderen Seite sollte der Widerstand R3 dagegen aber so gross sein, dass er während des Kalibriermodus und die hierbei entstehenden hohen Wärmeflüsse einen hohen Temperaturabfall erzeugt und somit die Temperaturbelastung des Mediums reduziert wird. Von weiterem Vorteil ist, wenn der thermische Widerstand bzgl. seiner dynamischen Eigenschaften eine geringe Temperaturleitfähigkeit a = lambda/(rhoc) (lambda: Wärmeleitfähigkeit, rho: Dichte, c: Wärmekapazität) aufweist. Hierdurch wird im Falle des kurzen Aufheizens während des Kalibriermodus ein schnelles Ausbreiten der eingebrachten Wärmemenge verringert und kurzfristig ein hoher Temperaturabfall zwischen Referenzzelle und Umgebung erreicht. Im Falle des normalen Messmodus mit seinen langsameren Temperaturänderungen tritt dagegen dann ein deutlich geringerer Temperaturabfall auf.
• Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, das Aufheizen des Sensorgehäuses 1 durch eine Minimierung der Aufheizdauer für das Sensorelement 3 zu begrenzen.
• Bezugszeichenliste

1

Sensorgehäuse

2

Bodenbereich

3

Sensorelement

4

Leitung

5

Steuereinheit

6

Referenzzelle

7

Schalter

8

erstes Metall

9

zweites Metall

10

Zellengehäuse

R₁

erster thermischer Widerstand

R₂

zweiter thermischer Widerstand

R₃

dritter thermischer Widerstand

T_M

Schmelztemperatur

T_S

Erstarrungstemperatur

T_B

Siedetemperatur

U₁

Messstromversorgung

U₂

Kalibrierungsstromversorgung

Claims (12)

1. Temperatursensor mit mindestens einem von einem Sensorgehäuse (1) umschlossenen Sensorelement (3), das mit benachbart hierzu im Sensorgehäuse (1) angeordneten Mitteln zur in-situ Kalibrierung zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur in-situ Kalibrierung eine sich im thermischen Kontakt mit dem Sensorelement (3) befindliche und ein Material mit einem definierten Schmelzpunkt (T_M) enthaltene Referenzzelle (6) umfassen, wobei das Sensorelement (3) als ein Heizmittel zum Aufheizen der Referenzzelle (6) ausgebildet ist und durch eine Steuereinheit (5) von einem Messmodus in ein Kalibrierungsmodus überführbar ist, bei dem sich die Referenzzelle (6) durch Zuführung elektrischer Energie zumindest bis zum Schmelzpunkt (T_M) als Referenztemperatur für die Kalibrierung aufheizt und dass die Referenzzelle (6) im thermischen Pfad zwischen dem Sensorelement (3) und dem Sensorgehäuse (1) angeordnet ist, wobei der thermische Widerstand (R₁) zwischen Sensorelement (3) und Sensorgehäuse (1) um ein Vielfaches größer ist als der thermische Widerstand (R₃) zwischen der Referenzzelle (6) und dem Sensorgehäuse (1), welcher wiederum größer ist als der thermische Widerstand (R₂) zwischen dem Sensorelement (3) und der Referenzzelle (6).
2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) das Aufheizen der Referenzzelle (6) stoppt, sobald eine dem Schmelzpunkt (T_M) entsprechende Referenztemperatur erreicht ist.
3. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) ein elektrisches Widerstandsthermometer ist.
4. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material innerhalb der Referenzzelle (6) Indium oder eine Indiumlegierung ist, wobei der Messmodus einen Messbereich zwischen 0°C bis 120°C aufweist und im Kalibriermodus ein Aufheizen über 156°C erfolgt.
5. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) die Kalibrierung anhand eines Aufheizens der Referenzzelle (6) bis zum Siedepunkt (T_B) des darin enthaltenen Materials durchführt.
6. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der elektrischer Energie für den Kalibrierungsmodus eine zuschaltbare zusätzliche Kalibrierungsstromversorgung (U₂) in Reihe zur Messstromversorgung (U₁) des Sensorelements (3') geschaltet ist.
7. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der elektrischer Energie für den Kalibrierungsmodus eine einzige Stromversorgung (U₁, U₂) des Sensorelements (3') unterschiedlichen Stromlevels vorgesehen ist.
8. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3'') aus zwei unterschiedlichen Metallen (8, 9) unter Nutzung des Seebeck-Effekts besteht.
9. Temperatursensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung das Sensorelement (3'') mit einer elektrischen Energie beaufschlagt wird, welche einen das Aufheizen bewirkenden Stromfluss durch die Übergangsstellen des Sensorelements (3'') erzeugt.
10. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) mehrere Referenztemperaturen (T_M, T_S, T_B) zur Kalibrierung nutzt.
11. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzzelle (6) von einem vom Sensorgehäuse (1) beabstandet angeordnete Zellengehäuse (10) umschlossen ist, um ein Aufheizen des Sensorgehäuses (3) beim Kalibrieren zu vermeiden, wobei das Sensorelement (3) außen am Zellengehäuse (10) angebracht ist.
12. Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (1) aus einem Metall bestehend rohrförmig mit einem geschlossenen Bodenbereich (1) ausgebildet ist.

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