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DE19707844A1 - Thermometer with measurement error compensation - Google Patents

Thermometer with measurement error compensation

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DE19707844A1
DE19707844A1 DE1997107844 DE19707844A DE19707844A1 DE 19707844 A1 DE19707844 A1 DE 19707844A1 DE 1997107844 DE1997107844 DE 1997107844 DE 19707844 A DE19707844 A DE 19707844A DE 19707844 A1 DE19707844 A1 DE 19707844A1
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temperature
heating
cooling
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Walther Dr Menhardt
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01K1/20Compensating for effects of temperature changes other than those to be measured, e.g. changes in ambient temperature

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Abstract

The thermometer includes a temperature sensor (2) with constructional elements especially lead wires (3) for which heating and cooling facilities (4) are provided. Preferably, the heating or cooling elements can function at the same time as temperature sensors for the heating or cooling system. The functions of heating, cooling and internal temperature measurement can be accomplished by a contact zone between two materials with different contact potentials. The temperature control for the constructional elements can consist of non automatically controlled cooling and automatically controlled heating so that temperature can be set at levels both below and above the ambient temperature level.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden und die Messung zu beschleunigen.The invention relates to a thermometer in which the temperature of the Construction elements surrounding temperature sensors, in particular the Lead wires, is influenced specifically to avoid measurement errors and the Accelerate measurement.

Bei der Temperaturmessung mit Hilfe von Meßfühlern, die an den zu prüfenden Gegenstand angelegt oder in das zu prüfende Medium eingebracht werden, ergeben sich systematische Meßfehler, insbesondere durch die Wärme, die zwischen dem zu messenden Medium und dem Fühler ausgetauscht wird, durch den Wärmeübergangswiderstand zwischen Medium und Fühler und durch Wärmewiderstände innerhalb der Fühlerkonstruktion. Des weiteren ist in vielen Anwendungsfällen die Ansprechzeit wegen hoher Wärmeübergangswiderstände zu lang, insbesondere bei der Temperaturmessung von Gasen.When measuring temperature with the help of sensors connected to the test items Object or placed in the medium to be tested, result systematic measurement errors, in particular due to the heat between the measuring medium and the sensor is replaced by the Heat transfer resistance between medium and sensor and through Thermal resistances within the sensor construction. Furthermore, in many Applications increase the response time due to high heat transfer resistance long, especially when measuring the temperature of gases.

Es gibt Thermometer mit einer Temperatursteuerung der den Fühler umgebenden Konstruktionselemente (z. B. Firmenbroschüre der Firma ISOTECH, Deutschland), bei denen in Nähe des Temperaturfühlers eine Heizwicklung und ein weiterer Temperaturfühler angebracht sind und die mit Hilfe eines Steuersystems die Fühlertemperatur an die Temperatur des Meßpunktes heranführen. Diese bekannten Thermometer haben jedoch keine Kühlmöglichkeit vorgesehen, so daß der Ausgleich der Meßfehler bei Objekttemperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur bzw. der Temperatur der Konstruktionselemente des Thermometers nicht möglich ist. Des weiteren ist die bekannte Konstruktion dadurch träge und von weiteren Fehlern behaftet, daß die Heizwicklung einerseits und der Temperaturfühler, der die Temperatur in der Nähe der Heizwicklung mißt, andererseits zwei getrennte Konstruktionselemente darstellen. Die örtliche Trennung von Wärmequelle und internem Temperaturfühler bedingt Einschwingvorgänge, die im Regelsystem berücksichtigt werden müssen, was nicht für alle Betriebszustände in gleicher Weise möglich ist, und der Wärmewiderstand zwischen Wärmequelle und internem Temperaturfühler bedingt Temperaturdifferenzen, die ebenfalls von den Betriebsbedingungen abhängen.There are thermometers with a temperature control of those surrounding the sensor Construction elements (e.g. company brochure from ISOTECH, Germany), at those near the temperature sensor have a heating coil and another Temperature sensors are attached and which with the help of a control system Bring the sensor temperature up to the temperature of the measuring point. These well-known However, thermometers have no cooling facility, so that the compensation the measurement error at object temperatures below the ambient temperature or the Temperature of the construction elements of the thermometer is not possible. Of further the known construction is thereby sluggish and of further errors afflicted that the heating winding on the one hand and the temperature sensor which the Measures temperature near the heating winding, on the other hand two separate ones Represent construction elements. The local separation of heat source and internal temperature sensor causes transient processes that occur in the control system must be taken into account, which is not the same for all operating states is possible, and the thermal resistance between the heat source and internal  Temperature sensors cause temperature differences, which are also affected by the Depend on operating conditions.

Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Konstruktion dadurch aufgehoben, daß außer einer Heizmöglichkeit auch eine Kühlmöglichkeit vorgesehen ist und daß die heizenden oder kühlenden Elemente gleichzeitig auch als Temperaturfühler für den Heiz- und Kühlkomplex fungieren.According to the invention, the disadvantages of the known construction are thereby canceled that in addition to a heating facility, a cooling facility is also provided is and that the heating or cooling elements at the same time as Temperature sensors act for the heating and cooling complex.

In einem ersten Ausführungsbeispiel dient als Element, das die Funktionen der Heizung, der Kühlung und der internen Temperaturmessung vereinigt, die Verbindungszone zweier Materialien mit unterschiedlichen Kontaktpotentialen, etwa ein Thermoelement oder eine Halbleiter-Sperrschicht. Je nach der Richtung des zugeführten Stromes heizt sich die Kontaktzone auf oder kühlt sich ab. Die Thermospannung, die eventuell in Pausen des Heiz- oder Kühlstromes gemessen wird, dient als Temperatursignal.In a first embodiment serves as an element that functions as Heating, cooling and internal temperature measurement combined Connection zone of two materials with different contact potentials, for example a thermocouple or a semiconductor junction. Depending on the direction of the supplied current heats up or cools down. The Thermal voltage, which may be measured during breaks in the heating or cooling current is used as a temperature signal.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Funktionen der externen Temperaturmessung, der Heizung und Kühlung sowie der internen Temperaturmessung durch eine dreilagige Kombination unterschiedlicher Materialien realisiert.In a second embodiment, the functions of the external Temperature measurement, heating and cooling as well as internal Temperature measurement through a three-layer combination of different materials realized.

In einem dritten Ausführungsbeispiel ist eine nicht geregelte Kühlung vorgesehen, die die Elemente der Fühlerkonstruktion bei abgeschalteter Heizung auf eine Temperatur unterhalb des angestrebten Meßbereiches abkühlt. Die gewünschte Temperatur wird in diesem Ausführungsbeispiel durch eine als Heizkörper dienende NTC-Pille, deren Heizleistung durch das Steuersystem geregelt wird, eingestellt. Der elektrische Widerstand der NTC-Pille ändert sich mit der Temperatur, so daß während durch die NTC-Pille ein Heizstrom fließt, aus Spannung und Strom die Temperatur errechnet werden kann. Werden die Zuleitungsdrähte des externen Fühlers des Thermometers wärmetechnisch gut mit der NTC-Pille in Verbindung gebracht, etwa indem sie elektrisch isoliert durch sie hindurch geführt werden, so ist die Temperatur der Zuleitungsdrähte an dieser Stelle gut bekannt, und die Differenz der Temperaturen des externen Fühlers und der Temperatur der NTC-Pille stellt ein zuverlässiges Steuersignal dar.In a third exemplary embodiment, non-regulated cooling is provided, which the elements of the sensor construction to a temperature when the heating is switched off cools below the desired measuring range. The desired temperature will be in this embodiment by an NTC pill serving as a radiator, the Heating power is regulated by the control system. The electric one Resistance of the NTC pill changes with temperature, so while through that NTC pill a heating current flows, the temperature is calculated from voltage and current can be. Be the lead wires of the external sensor of the thermometer thermally well associated with the NTC pill, for example by using it are electrically insulated through them, so is the temperature of the  Lead wires at this point are well known, and the difference in temperatures of the external sensor and the temperature of the NTC pill provides a reliable Control signal.

In einem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermometers bestehen sowohl externer Temperaturfühler als Heizelement aus NTC-Pillen. Sie sind thermisch eng verbunden, beispielsweise miteinander verlötet, wodurch sich sehr kurze Zeitkonstanten ergeben.In a fourth embodiment of the thermometer according to the invention Both external temperature sensors and heating elements consist of NTC pills. they are thermally closely connected, for example soldered to each other, which is very result in short time constants.

In einem fünften Ausführungsbeispiel sind die als externer Temperaturfühler bzw. als Heizung verwendeten NTC-Elemente in einer einzigen NTC-Keramik realisiert.In a fifth exemplary embodiment, they are used as external temperature sensors or as Heating used NTC elements realized in a single NTC ceramic.

Die Steuerung des Heizungs- und Kühlungssystem kann beispielsweise so erfolgen, daß der jeweilige Meßwert des äußeren Fühlers, mit den für die konkrete Konstruktion notwendigen Korrekturen, als Sollwert für die Temperatur der Heiz- bzw. Kühlelemente vorgegeben wird. Mißt beispielsweise der externe Fühler einen Gegenstand, der höhere Temperatur hat als die Konstruktionselemente des Thermometers, so wird er zunächst wegen der kälteren Zuleitungsdrähte eine zu niedrige Temperatur anzeigen. Durch das geschilderte Steuersystem werden die Zuleitungsdrähte jedoch zunehmend geheizt und die Temperatur des externen Meßfühlers wird schrittweise an die wahre Temperatur herangeführt.The heating and cooling system can be controlled, for example, that the respective measured value of the external sensor, with that for the concrete construction necessary corrections, as setpoint for the temperature of the heating or Cooling elements is specified. For example, the external sensor measures one Object that has a higher temperature than the construction elements of the Thermometer, so it becomes one because of the colder lead wires Show low temperature. Through the described tax system, the Lead wires, however, are increasingly heated and the temperature of the external Sensor is gradually brought up to the real temperature.

In einer anderen Ausführung des Steuersystems, die insbesondere bei schnellen Temperaturänderungen zur Anwendung kommt, wird aus der Geschwindigkeit der Änderung der Temperaturdifferenz zwischen externem Fühler und internem Fühler auf die wahrscheinliche Endtemperatur geschlossen und das Heiz- bzw. Kühlsystem sofort in die Nähe der zu erwartenden Endtemperatur gebracht. Diese Art der Steuerung ermöglicht eine besonders schnelle Temperaturmessung.In another version of the control system, particularly in the case of fast Temperature changes that are used will depend on the speed of the Change in the temperature difference between the external sensor and the internal sensor the likely end temperature and the heating or cooling system immediately brought close to the expected final temperature. That kind of Control enables a particularly quick temperature measurement.

Die Erfindung wird nun anhand von lediglich Ausführungsvarianten darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt den Prinzipaufbau des Thermometers. Der externe Meßfühler 2 liegt am Objekt 1, dessen Temperatur zu bestimmen ist, an. Die Zuleitungen 3 des externen Meßfühlers haben thermischen Kontakt mit dem Heiz- und Kühlblock 4. Die Temperatur des Heiz- und Kühlblocks wird über die Leitungen 5 zum Steuersystem übermittelt. Das Temperatursignal des externen Fühlers gelangt über die Leitungen 3b ebenfalls zum Steuersystem. Die Temperatur des Heiz- und Kühlblocks wird über die Leitungen 6 eingestellt. Über die Anschlüsse 3a gelangt das Temperatursignal des externen Fühlers zur Signalaufbereitung und Anzeige.The invention will now be explained in more detail on the basis of drawings which only show embodiment variants. Fig. 1 shows the basic structure of the thermometer. The external sensor 2 is on object 1 , the temperature of which is to be determined. The leads 3 of the external sensor have thermal contact with the heating and cooling block 4 . The temperature of the heating and cooling block is transmitted via lines 5 to the control system. The temperature signal of the external sensor passes through lines 3 also b to the control system. The temperature of the heating and cooling block is set via lines 6 . Via the terminals 3 a reaches the temperature signal of the external sensor for signal processing and display.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Funktionen der Heizung, der Kühlung und der internen Temperaturmessung durch die Kombination von zwei Materialien unterschiedlichen Kontaktpotentials 9, 10 realisiert werden. Der Körper 8 stellt guten Wärmekontakt zwischen den Zuleitungsdrähten des externen Fühlers und den Körpern 9, 10 des Heiz- und Kühlsystems her. Es sind lediglich zwei Zuleitungen 11 für dieses System erforderlich. Fig. 2 shows an embodiment in which the functions of heating, cooling, and the internal temperature measured by the combination of two materials of different contact potential 9 can be realized 10th The body 8 makes good thermal contact between the lead wires of the external sensor and the bodies 9 , 10 of the heating and cooling system. Only two feed lines 11 are required for this system.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung, bei der eine Kombination von drei Materialien mit unterschiedlichem Kontaktpotential, Ziffern 12, 13, 14, die Funktionen des externen Temperaturfühlers, der Heizung, der Kühlung und des internen Temperaturfühlers erfüllt. Ziffer 1a bezeichnet eine gut wärmeleitende Platte oder eine auf eine Kunststoffolie aufgebrachte Metallfolie, die wegen ihrer relativ großen Abmessungen guten Wärmekontakt zu Gasen hat. Fig. 3 shows an embodiment met when a combination of three materials having different contact potential, numerals 12, 13, 14, the functions of the external temperature sensor, the heating, cooling and internal temperature probe. Number 1 a denotes a good heat-conducting plate or a metal foil applied to a plastic film, which has good thermal contact with gases due to its relatively large dimensions.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit einem gekühlten Substrat. Es bezeichnet 1 wiederum das Objekt, dessen Temperatur gemessen werden soll, 2 den externen Temperaturfühler, 3 die Zuleitungen zu diesem Fühler. Die Ziffer 4a deutet das gekühlte Substrat an, 4b die geregelte Heizung. Fig. 4 shows an arrangement with a cooled substrate. It in turn designates 1 the object whose temperature is to be measured, 2 the external temperature sensor, 3 the supply lines to this sensor. The number 4 a indicates the cooled substrate, 4 b the regulated heating.

In Fig. 5 ist die Kombination zweier NTC-Pillen dargestellt. Es bedeutet 1b einen gut wärmeleitenden Kontaktstift zum Meßobjekt, 15 die als externer Fühler dienende NTC-Pille, 16 die als Heizung dienende NTC-Pille und 17 die Zuleitungen für die aneinandergelöteten NTC-Pillen. In FIG. 5, the combination of two NTC pills is illustrated. It means 1 b a good heat-conducting contact pin to the test object, 15 the NTC pill serving as an external sensor, 16 the NTC pill serving as a heater and 17 the leads for the NTC pills soldered together.

In Fig. 6 ist eine NTC-Keramik 18 dargestellt, die zwei Funktionen in sich vereint: die Funktion des Temperaturfühlers und die der Heizung. Die NTC-Keramik ist auf einer Seite ganzflächig, auf der anderen in zwei getrennten Flächen kontaktiert und mit den Zuleitungen 19 versehen.In FIG. 6 is an NTC ceramic 18 is shown, combines the two functions: the function of the temperature sensor and the heater. The NTC ceramic is in contact with the entire surface on one side, in two separate surfaces on the other and is provided with the feed lines 19 .

Claims (9)

1. Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Heiz- als auch Kühlmöglichkeiten für die den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente vorgesehen sind.1. Thermometer, in which the temperature of the construction elements surrounding the temperature sensor, in particular the supply wires, is specifically influenced in order to avoid measurement errors, characterized in that both heating and cooling possibilities are provided for the construction elements surrounding the temperature sensor. 2. Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß die heizenden oder kühlenden Elemente gleichzeitig als Temperaturfühler für den Heiz- bzw. Kühlkomplex fungieren.2. Thermometer, at which the temperature of the temperature sensor surrounding construction elements, especially the lead wires is influenced in order to avoid measurement errors, characterized in that that the heating or cooling elements simultaneously as a temperature sensor for the Heating or cooling complex act. 3. Thermometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen der Heizung, der Kühlung und der internen Temperaturmessung in Form einer Kontaktzone zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Kontaktpotentialen realisiert sind.3. Thermometer according to claim 1 and 2, characterized in that the functions of heating, cooling and internal temperature measurement in the form of a contact zone between two materials with different Contact potentials are realized. 4. Thermometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Temperaturmessung durch eine Kontaktzone zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichem Kontaktpotential realisiert wird und daß die Funktionen der Heizung, Kühlung und internen Temperaturmessung durch eine weitere solche Kontaktzone realisiert werden. 4. Thermometer according to claim 1 and 2, characterized in that the external temperature measurement through a contact zone between two Materials with different contact potential is realized and that the Functions of heating, cooling and internal temperature measurement by one further such contact zones can be realized.   5. Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß für die den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere die Zuleitungsdrähte, eine Temperatursteuerung vorgesehen ist, die aus einer nicht geregelten Kühlung und einer geregelten Heizung besteht, so daß Temperaturen sowohl unter als über der Umgebungstemperatur eingestellt werden können.5. Thermometer, at which the temperature of the temperature sensor surrounding construction elements, especially the lead wires is influenced in order to avoid measurement errors, characterized in that that for the construction elements surrounding the temperature sensor, in particular the lead wires, a temperature control is provided that does not consist of a controlled cooling and heating, so that temperatures can be set both below and above the ambient temperature. 6. Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Temperaturfühler als das Heizelement durch NTC-Pillen realisiert sind.6. Thermometer, at which the temperature of the temperature sensor surrounding construction elements, especially the lead wires is influenced in order to avoid measurement errors, characterized in that that both the temperature sensor and the heating element are realized by NTC pills are. 7. Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen des Temperaturfühlers und des Heizelementes in einer einzigen NTC-Keramik realisiert sind.7. Thermometer, at which the temperature of the temperature sensor surrounding construction elements, especially the lead wires is influenced in order to avoid measurement errors, characterized in that that the functions of the temperature sensor and the heating element in a single NTC ceramics are realized. 8. Thermometer nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige, gut wärmeleitende Konstruktionselement, das die Temperatur des Meßobjektes dem Temperaturfühler vermittelt, aus einer auf einen Kunststoffträger aufgebrachten Metallfolie besteht. 8. Thermometer according to claims 1-7, characterized in that the flat, good heat-conducting structural element that the temperature of the Object to be conveyed to the temperature sensor, from one to a plastic carrier applied metal foil.   9. Thermometer nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem aus der Änderungsgeschwindigkeit der Temperaturdifferenz zwischen externem Fühler und internem Fühler die wahrscheinliche Endtemperatur errechnet und das Meßsystem schnell in die Nähe dieser erwarteten Endtemperatur bringt.9. Thermometer according to claims 1-8, characterized in that the control system from the rate of change of temperature difference the probable final temperature between the external sensor and the internal sensor calculated and the measuring system quickly in the vicinity of this expected final temperature brings.
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