DE19927841A1

DE19927841A1 - Temperaturmeßgerät

Info

Publication number: DE19927841A1
Application number: DE1999127841
Authority: DE
Inventors: Dietmar Tubbesing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2000-12-21

Abstract

Temperaturmeßgerät mit einem Meßfühler (10) und einem mit diesem verbundenen Kapillarrohr (12), das ein geringes Volumen eines Meßgases enthält, wobei die vom Meßfühler gemessene Temperaturänderung eine proportionale Druckänderung des Meßgases bewirkt und diese Druckänderung gemessen und gegebenenfalls angezeigt wird, wobei die Druckänderung mittels eines piezo-resistiven Drucksensors (14) gemessen wird, der ein der Druckänderung proportionales elektrisches Signal erzeugt, wobei das Meßgas einen Druck bei Raumtemperatur aufweist, der kleiner als 1 bar ist. Vorteilhafterweise kann der Meßdruck etwa zwischen 50 mbar und 500 mbar, beispielsweise 200 mbar, betragen. Besonderes geeignet für das erfindungsgemäße Temperaturmeßgerät ist ein Absolutdrucksensor, bei dem als Referenzdruck ein Vakuum verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperaturmeßgerät, insbesondere ein Temperaturmeßgerät mit einem Meßfühler und einem mit diesem verbundenen Kapillarrohr, das ein geringes Volumen eines Meßgases enthält, wobei die vom Meßfühler gemessene Temperaturänderung eine proportionale Druckänderung des Meßgases bewirkt und diese Druckänderung gemessen und gegebenenfalls angezeigt wird, wobei die Druckänderung mittels eines piezo-resistiven Drucksensors gemessen wird, der ein der Druckänderung proportionales elektrisches Signal erzeugt.

Ein Temperaturmeßgerät der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 24 142 A1 bekannt. Der darin beschriebene piezo-resistive Drucksensor zeigt ein über weite Temperaturbereiche etwa lineares Ansprechverhalten und somit ein zur Druckänderung etwa proportionales elektrisches Ausgangssignal. Ein großer Nachteil derartiger piezo-resistiver Drucksensoren ist, daß der piezo-resistive Effekt ausgesprochen temperaturabhängig ist. Aufgrund der Tatsache, daß ein Teil des piezo-resistiven Drucksensors mit dem unter einem hohen Druck befindlichen Meßgas beaufschlagt ist, das andererseits wiederum innerhalb des Meßfühlers einer unter Umständen hohen Temperatur von beispielsweise 1000°C ausgesetzt ist, ist eine Erwärmung des piezo-resistiven Drucksensors nicht immer zu vermeiden. Dies führt zu einem sehr großen Meßfehler, der bereits kurz nach Beginn der Messung völlig unzuverläßliche Meßwerte hervorruft.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Weiterentwicklung eines Temperaturmeßgeräts der eingangs genannten Art dahingehend, daß die temperaturbedingten Meßfehler reduziert werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Meßgas einen Druck bei Raumtemperatur aufweist, der kleiner als 1 bar ist. Der Druck kann beispielsweise zwischen 10 mbar und 1 bar, vorzugsweise zwischen 50 mbar und 500 mbar und insbesondere etwa 200 mbar betragen. Durch die Verwendung eines gegenüber dem Stand der Technik etwa um einen Faktor 1000 kleineren Meßdrucks verringert sich im gleichen Maße die thermische Leitfähigkeit des Meßgases. Dadurch wird der durch die Übertragung von Wärmeenergie von dem Meßfühler auf den Drucksensor hervorgerufene Meßfehler wesentlich verkleinert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Drucksensor als Absolutdrucksensor ausgeführt, bei dem als Referenzdruck ein Vakuum verwendet wird. Aufgrund der Tatsache, daß der Druck gegenüber einem Vakuum gemessen wird, ist der Drucksensor auch noch bei kleinen Meßdrücken empfindlich genug, um die gewünschte Meßgenauigkeit zu erzielen.

Vorteilhafterweise umfaßt der Drucksensor weiterhin einen Temperaturfühler, mit dem die Temperatur des Drucksensors bestimmt werden kann. Durch den Temperaturfühler können die trotz des geringen Meßdrucks auftretenden kleinen Meßfehler aufgrund einer Temperaturerhöhung des piezo-resistiven Drucksensors zusätzlich weiter reduziert werden. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die von dem Temperaturfühler ausgelesene Temperatur über eine in einem Auswerterechner gespeicherte Temperaturkennlinie des piezo resistiven Drucksensors berücksichtigt wird.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Temperaturmeßgerätes im teilweisen Längsschnitt;

Fig. 2 eine vergrößerte schematische Ansicht eines piezo resistiven Drucksensors.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist ein erfindungsgemäßes Temperaturmeßgerät in an sich bekannter Weise einen Meßfühler 10 eines Gasthermometers auf, der in das Medium eingebracht wird, dessen Temperatur bestimmt werden soll. An den Meßfühler schließt sich das Kapillarrohr 12 an, das das Meßgas, beispielsweise Helium, unter einem Druck von beispielsweise 200 mbar enthält. Bei einem Druck von beispielsweise 200 mbar bei Raumtemperatur ergibt sich bei einer Meßtemperatur von 1200°C ein Druck des Meßgases von etwa 1 bar, so daß das Temperaturmeßgerät über weite Temperaturbereiche mit einem Unterdruck betrieben werden kann. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, das Temperaturmeßgerät mit einem geringeren Druck wie beispielsweise 10 mbar bis 100 mbar zu betreiben. Das dem Meßfühler 10 zugewandte Ende des Kapillarrohres 12 ist von einer Schutzfeder 11 umgeben.

Das andere Ende des Kapillarrohres 20 ist mechanisch mit einem piezo-resistiven Drucksensor 14 verbunden. Das Ende 20 des Kapillarrohres 12 kann dabei in einem Hohlraum 21 enden, der mit der Meßseite des Drucksensors 14 in Verbindung steht, wobei aber dieser Hohlraum 21 gegen die Außenluft gasdicht verschlossen ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist das Ende 20 zur Befestigung des Kapillarrohres von mehreren Klemmscheiben 24 umgeben, die in der axialen Bohrung der Mutter 13 aufgenommen sind, wobei eine Überwurfmutter 23 auf das Außengewinde der Mutter 13 geschraubt wird. Durch die zusammengepreßten Klemmscheiben wird das Ende 20 des Kapillarrohres somit in der Mutter 13 gasdicht befestigt. Sämtliche vorgenannten Schraub- und Preßverbindungen können nach der Montage gasdicht verschweißt bzw. verlötet werden.

Die Innenbohrung 22 des Kapillarrohres 12, die das Meßgas enthält, ist dabei in Richtung auf den Hohlraum 21 hin offen. Der Drucksensor 14 kann an seinem Meßende ein Außengewinde 16 aufweisen, auf das eine Mutter 13 mit Innengewinde aufgeschraubt ist. In dieser Mutter 13 befindet sich eine radiale Bohrung 15, in die ein Rückschlagventil 17 (Einwegventil) eingesetzt ist. Vor der Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Temperaturmeßgerätes wird das Meßgas über das Rückschlagventil 17 eingefüllt. Die Einfüllbohrung wird nach dem Befüllen zugeschweißt bzw. zugelötet.

Nach dem Einfüllen befindet sich das Meßgas im Inneren 22 des Kapillarrohres, in dem Hohlraum 21, der sich bis zu einem Meßelement in den Drucksensor 14 erstreckt unter dem gewünschten Druck kleiner als 1 bar und das erfindungsgemäße Temperaturmeßgerät kann geeicht werden. Das Gasvolumen des Meßgases ist klein, woraus die Meßgenauigkeit resultiert. Durch den relativ geringen Meßdruck wird der durch Temperaturerhöhung des Drucksensors 14 erzeugte Meßfehler verkleinert. Der piezo-resistive Drucksensor 14 erzeugt ein elektrisches Signal, das zum Beispiel zu einer digitalen Anzeige geleitet werden kann oder ausgelesen werden kann. An seinem dem Kapillarrohr 12 abgewandten Ende kann der Drucksensor 14 zum Beispiel über einen Gerätestecker 18 und ein elektrisches Anschlußkabel 19 mit einem Anzeigegerät oder dergleichen verbunden werden.

Ein beispielhafter schematischer Aufbau des piezo-resistiven Drucksensors 14 ist aus Fig. 2 ersichtlich. Der darin abgebildete piezo-resistive Drucksensor ist ein sogenannter Absolutdrucksensor, weil als Referenzdruck ein in dem Hohlraum 27 befindliches Vakuum verwendet wird. Als eigentliches Meßelement des piezo-resistiven Drucksensors 14 wird ein druckempfindlicher Chip 28 genutzt der beispielsweise aus Silizium bestehen kann. Der druckempfindliche Chip 28 weist eine mit einer Seite dem Vakuum im Hohlraum 27 zugewandte membranähnliche Fläche 29 auf, deren andere Seite mit dem Meßdruck beaufschlagt wird. Dies in Fig. 2 schematisch dadurch angedeutet, daß die Innenbohrung 22 des Kapillarrohres 12 in einem Hohlraum 30 endet, der im Innern des druckempfindlichen Chips 28 ausgebildet ist. Auf der Oberfläche der membranähnlichen Flächen 29 derartiger druckempfindlicher Chips 28 sind beispielsweise p-Si-Leiterbahnen ausgebildet, deren Widerstand sich ähnlich einem Dehnungsmeßstreifen durch Dehnung oder Stauchung ändert. Somit sind kleinste durch Änderungen eines relativ kleinen Meßdrucks von beispielsweise 200 mbar ausgelöste Durchbiegungen der membranähnlichen Fläche detektierbar. Der Hohlraum 27 kann über eine Kapillare 35 evakuiert werden, die nach dem Evakuieren dicht verschweißt wird.

In Fig. 2 ist die elektrische Kontaktierung 31 dieser Dehnungsmeßstreifen ähnlichen eindiffundierten Leiterbahnen angedeutet. Das damit detektierte Signal kann beispielsweise über eine Datenleitung 32 ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Zusätzlich ist in dem Hohlraum 27 weiterhin ein kleiner Siliziumtemperaturfühler 33 untergebracht, der Temperaturdaten an die Datenleitung 32 weitergeben kann, weil der piezo-resistive Effekt in Silizium stark temperaturabhängig ist. Hierdurch kann der durch den relativ kleinen Meßdruck kleine Meßfehler weiter gesenkt werden.

Claims

1. Temperaturmeßgerät mit einem Meßfühler (10) und einem mit diesem verbundenen Kapillarrohr (12), das ein geringes Volumen eines Meßgases enthält, wobei die vom Meßfühler gemessene Temperaturänderung eine proportionale Druckänderung des Meßgases bewirkt und diese Druckänderung gemessen und gegebenenfalls angezeigt wird, wobei die Druckänderung mittels eines piezo-resistiven Drucksensors (14) gemessen wird, der ein der Druckänderung proportionales elektrisches Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgas einen Druck bei Raumtemperatur aufweist, der kleiner als 1 bar ist.

2. Temperaturmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgas bei Raumtemperatur einen Druck zwischen 10 mbar und 1 bar aufweist.

3. Temperaturmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät bei Raumtemperatur einen Druck zwischen 50 mbar und 500 mbar aufweist.

4. Temperaturmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät bei Raumtemperatur einen Druck von etwa 200 mbar aufweist.

5. Temperaturmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (14) als Absolutdrucksensor ausgeführt ist, bei dem als Referenzdruck ein Vakuum verwendet wird.

6. Temperaturmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (14) einen Temperaturfühler (33) umfaßt, mit dem die Temperatur des Drucksensors (14) bestimmt werden kann.