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Berührungstemperaturaufnehmer mit Fixpunkt
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Berührungstemperaturaufnehmer
hoher Meßgenauigkeit.
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Genaue Messungen erfordern eine Kalibrierung der Meßanordnung, das
heißt, eine experimentelle Ermittlung des Zusammenhangs zwischen dem Wert des Ausgangssignals
und dem Wert der Meßgröße. Dazu wird der Eingang der Meßkette mit einer bekannten
Meßgröße beaufschlagt und der zugeordnete, am Ausgang ausgegebene Meßwert ermittelt.
Eine aus mehreren Gliedern bestehende Meßkette kann abschnittsweise kalibriert und
aus den gewonnenen Ergebnissen die Kalibrierung der gesamten Meßkette berechnet
werden. Die gesamte Meßkette kann aber auch in einem Vorgang direkt kalibriert werden.
Zur vollständigen Kalibrierung einer Meßanordnung, das heißt zur Aufnahme einer
Kennkurve, wird die Eingangsgröße stufenweise vergrößert oder verkleinert. Im Sinne
einer Vereinfachung des Kalibriervorganges kann oft auf eine komplette Kalibrierreihe
mit stufenweise geänderten Eingangswerten zugunsten weniger oder auch nur eines
einzigen Kalibrierwertes verzichtet werden.
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Der praktische Einsatz einer Meßanordnung erfolgt oft unter der Annahme,
daß die durch Kalibrierung gewonnene Kennkurve unabhängig von Zeit und Ort gültig
ist. Tatsächlich gilt diese Annahme nur angenähert. Zum Beispiel ändert sich die
Kennkurve einer Meßanordnung mit der Zeit; die Meßanordnung muß deshalb in bestimmten
Zeitintervallen nachkalibriert werden.
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Eine Anderung der Kennkurve kann auch während des Meßvorgangs entweder
durch Einwirken der Meßgrdße auf den Aufnehmer oder auch durch Einwirken der Umgebungsparameter
auf die gesamte MeRanordnung verursacht werden. Während der Messung entstandene
bleibende
Anderungen der Kennkurve können durch je eine Kalibrierung
vor und nach der Messung erkannt werden.
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Die bisher für Messungen allgemein entwickelten Oberlegungen gelten
entsprechend auch für Temperaturmessungen mit Berührungstemperaturaufnehmern (nachfolgend
BTA genannt). Auch BTA müssen vor der Messung kalibriert werden und gerade bei ihnen
können während der Messung bleibende Änderungen der Kennkurve auftreten, die eine
Kalibrierung vor und nach der Messung wünschenswert machen. Bei der Verwendung üblicher
Temperaturaufnehmer besonders störend sind Anderungen der Kennkurve, die während
der Messung auftreten, nach Abschluß der Messung aber wieder verschwinden.
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Ein derartiger Effekt tritt insbesondere bei der Temperaturmessung
an heißen Objekten mittels BTA auf, weil hier häufig auch die Umgebungstemperatur
so hoch ist, daß die Eigenschaften temperaturempfindlicher Teile der Meßkette (z.B.
Zuleitungen, Baugruppen wie Verstärker, Gleichrichter, Analõg/Digital-Umsetzer,
Digital/ Analog-Umsetzer, Versorgungsspannungseinrichtungen u.a.) wesentlich verändert
werden. So können bei BTA, die als Meßeffekt die Änderung eines Widerstandes, einer
Induktivität, einer Kapazität, der Eigenfrequenz oder eine Thermospannung benutzen,
Änderungen des Längswiderstandes und des Querwiderstandes oder der Querkapazität
der Zuleitungen oder auch Thermospannungen in den Zuleitungen auftreten und so systematische
Meßfehler verursachen, die durch ein Kalibrieren vor und nach der Messung nicht
erfaßbar sind.
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Die nur während der Messung auftretenden, vor allem durch den Umgebungsparameter
Temperatur verursachten Kennlinien-Änderungen und die dadurch bedingten systematischen
Meßfehler können auch nur durch eine während des Meßvorganges erfolgende Kalibrierung
der gesamten Meßkette erkannt und korrigiert werden.
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Bekanntlich kann bei elektrischen BTA ein indirektes Kalibrieren während
der Messung derart erfolgen, daß ein elektrisches Meßsignal bekannter Größe auf
den Eingang der Meßkette gegeben wird.
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Bei Temperatur-Meßwiderständen kann beispielsweise das Kalibriersignal
durch die Parallel- oder Serienschaltung eines bekannten Widerstandes erzeugt werden.
Bei Thermoelementen kann das Kalibriersignal eine bekannte Spannung sein. Der prinzipielle
Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es sich um ein indirektes Verfahren
handelt. Es wird ja nicht eine bekannte Meßgröße an den Aufnehmer gelegt, sondern
statt dessen ein elektrisches Kalibriersignal auf die Meßkette geschaltet. Das Verfahren
ist außerdem umständlich, da es besondere Umschaltvorrichtungen erfordert. Falls
der BTA und seine Zuleitung während der Messung nicht zugänglich sind, kann es überhaupt
nicht angewandt werden beziehungsweise erfaßt es zumindest nicht die im BTA oder
in der Zuleitung entstehenden Fehler.
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Bekannt sind ferner BTA, die zur Erzielung eines Kalibrierpunktes
während der Messung die "Drahtmethode" [1,2 anwenden. Der BTA ist ein Thermoelement,
dessen Hauptlötstelle durchschnitten und die Verbindung durch Zwischenschalten eines
etwa 5 mm langen Drahtes aus einem Fixpunkt-Material, das heißt einem Metall, dessen
Schmelzpunkt als Temperaturfixpunkt benutzt werden soll, hergestellt ist. Mit der
Temperatur des Meßobjektes steigt auch die Temperatur des Thermoelementes und damit
seine Thermospannung so lange an, bis die Schmelztemperatur des Verbindungsdrahtes
erreicht ist. Der Verbindungsdraht beginnt zu schmelzen und zieht sich infolge der
Oberflächenspannung zu einer kleinen Kugel an den Schenkelenden zusammen. Während
des Schmelzvorganges bleibt die Temperatur konstant. Nachteilig ist, daß der Schmelzvorgang
wegen der geringen Menge FixpunktmMaterials nur wenige Sekunden dauert und von Ungenauigkeiten
des Temperaturanstiegs leicht überdeckt werden kann, so daß zur besseren Erkennbarkeit
des Schmelzpunktes ein zweites Thermoelement ohne Fixpunkt Material gleichzeitig
erwärmt und beobachtet werden muß.
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Die nachstehend beschriebene Erfindung vermeidet diese Nachteile.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen BTA hoher Genauigkeit
zu bauen, der während der Messung wenigstens einen Kalibrierpunkt liefert.
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Erfindungsgemäß wird daher der temperaturempfindliche Teil des BTA
gemeinsam mit einem Fixpunkt-Material so angeordnet, daß der Wärmewiderstand RBTA-Fix
zwischen temperaturempfindlichem Teil und Fixpunkt-Material gering und der Wärmewiderstand
Fix mio zwischen Fixpunkt-Material und Meßobjekt ein Vielfaches von RBTA-Fix ist.
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Fixpunkt-Materialien dienen zur Darstellung von Temperatur-Fixpunkten.
Ihre Umwandlungstemperatur beim Phasenübergang, zum Beispiel ihre Schmelz- bzw.
Erstarrungstemperatur beim Phasenübergang fest/flüssig bzw. flüssig/fest oder ihre
Siede- bzw. Kondensationstemperatur beim Phasenübergang flüssig/gasförmig bzw. gasförmig/
flüssig, ist sehr genau reproduzierbar. Beim Phasenübergang nimmt das Fixpunkt-Material
je nach übergangsrichtung Wärme auf oder gibt Wärme ab, behält aber seine Temperatur,
solange ein Zwei-Phasen-System existiert.
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Durch den geringen Wärmewiderstand RBTA-Fix erreicht man erfindungs
gemäß, daß Temperaturausgleichsvorgänge zwischen Fixpunkt-Material und temperaturempfindlichem
Teil rasch ablaufen. Mit Einsetzen des Phasenübergangs wird daher auch der temperaturempfindliche
Teil nahezu verzögerungsfrei mit der Umwandlungstemperatur beaufschlagt.
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Um eine Korrektur der Meßkurve durch den Kalibrierpunkt möglich zu
machen, wird erfindungsgemäß das Fixpunkt-Material so ausgewählt, daß sein Umwandlungspunkt
innerhalb des Meßbereiches liegt.
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Durch den um ein Vielfaches größeren Wärmewiderstand Fix mio und die
dadurch begrenzte Wärmeströmung zwischen Meßobjekt und Fixpunkt Material erreicht
man eine zeitliche Dehnung des Phasenübergangs
und damit eine gute
Markierung des Temperatur-Fixpunktes, das heißt des Kalibrierpunktes als Temperaturplateau
in den vom BTA gelieferten Temperaturmeßwerten. Zur Erläuterung ist in Bild 1 für
eine der Einfachheit halber zeitlinear ansteigend angenommene Meßobjekt-Temperatur
(Kurve 1) die vom BTA gelieferte Temperaturmeßkurve 2 mit dem als Temperaturplateau
erkennbaren Kalibrierpunkt dargestellt. Wegen der Umkehrbarkeit des Phasenübergangs
tritt auch bei zeitlich abnehmender Meßobjekt-Temperatur bei Erreichen der Umwandlungstemperatur
wiederum ein Temperaturplateau auf, das ebenfalls als Kalibrierpunkt benutzt werden
kann.
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Das Bild 1 zeigt auch den durch Fix mio verursachten unerwünschten
Nebeneffekt, daß die gemessene Temperatur (Kurve 2) eine zeitliche Verzögerung A
t gegenüber der Meßobjekt-Temperatur (Kurve 1) hat.
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t liegt in der Größenordnung der Zeitkonstanten t t RFix-Mo (mFix
CFix wobei mF. die Masse des Fixpunkt-Materials und CFix dessen speziix fische Wärme
ist. ß t läßt sich bei einer gegebenen Anordnung angenähert berechnen, so daß die
Meßkurve entsprechend korrigiert werden kann.
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Für die Auswahl des Fixpunkt-Materials sind eine Reihe von Eigenschaften
wie spezifische Wärme, Umwandlungswärme, Umwandlungstemperatur, Handhabung, Bearbeitbarkeit,
Toxizität und Preis wichtig.
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Eine feste Masse - gemeint ist fest im Gegensatz zu flüssig -bietet
vielfach in der Handhabung gegenüber anderen Aggregatzuständen Vorteile. Erfindungsgemäß
wird daher als Fixpunkt-Material eine feste Masse benutzt.
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Metalle haben im allgemeinen den Vorteil der leichten Bearbeitbarkeit.
Außerdem bieten sie ein relativ breites Spektrum an Umwandlungstemperaturen. Erfindungsgemäß
werden daher Metalle als Fixpunkt-Material verwendet.
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Durch Miteinbeziehung von Metallegierungen und auch von Salzen kann
das Spektrum an Umwandlungstemperaturen noch verbreitert werden. Deshalb werden
auch Metallegierungen und Salze erfindungsgemäß als Fixpunkt-Materialien eingesetzt.
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Flüssigkeiten ermöglichen insbesondere die Darstellung von Fixpunkten
bei relativ niedrigen Temperaturen. Erfindungsgemäß werden deshalb auch sie als
Fixpunkt-Materialien benutzt.
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BTA sollen kleine Abmessungen haben, damit sie, in Meßobjekten angebracht,
deren Temperaturverteilung so wenig wie möglich stören.
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Da in den meisten Meßobjekten Temperaturniveauflächen vorhanden sind,
genügt es meist, die Abmessungen des BTA in einer Richtung klein zu halten, d.h.,
daß der BTA eine schlanke Form besitzt.
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Er wird so im Meßobjekt angeordnet, daß seine Längsachse in oder annähernd
in einer Niveaufläche liegt. Da die Querabmessungen des BTA wesentlich durch die
Querabmessungen des Fixpunkt-Materials bestimmt sind, soll dieses erfindungsgemäß
stabförmige Gestalt, das heißt längliche Gestalt haben. Damit der gesamte BTA ebenfalls
längliche Gestalt bekommt, und auch der temperaturempfindliche Teil und der Anfang
der Zuleitungen in Längsrichtung des Fixpunkt-Materials liegen, werden sie im Fixpunkt-Material
in einer Längsbohrung aufgenommen.
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Zur bequemeren Handhabung des BTA ist es erforderlich, das Fixpunkt-Material
in einem Behälter anzuordnen. Die Behälterwand bildet einen Teil des Wärmewiderstandes
Fix mio Der andere Teil des Wärmewiderstandes wird durch die begrenzte Wärmeleitfähigkeit
des den Behälter umgebenden Teils des Meßobjektes gebildet. Durch geeignete Wahl
des ehältermaterials kann ein gewünschter Wärmewiderstand RFiX-Mo realisiert werden.
Wegen seiner spezifischen Wärmeleitfähigkeit, seiner mechanischen Festigkeit und
wegen der leichten Beschaffbarkeit sowie bei Hochtemperatur-Anwendungen auch wegen
seiner Temperaturfestigkeit sind Keramikrohre als Behälter besondere geeignet. Sie
werden daher erfindungsgemäß eingesetzt.
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Graphitrohre sind, falls chemische Resistenz und hohe Temperaturfestigkeit
gefordert werden, vorteilhaft. Erfindungsgemäß werden daher Graphitrohre verwendet.
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Behälter sind besonders einfach aus Metall herstellbar. In den Fällen,
wo der Wärmewiderstand des den Behälter umgebenden Teils des Meßobjektes ausreichend
groß ist, kann erfindungsgemäß der Behälter aus Metall gebildet werden.
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In manchen Anwendungsfällen besteht die Gefahr einer chemischen Reaktion
zwischen dem Fixpunkt-Material und der Außenatmosphäre, sei es, daß das Material
z.B. Kupfer sehr oxidationsfreudig oder daß die Außenatmosphäre sehr aggressiv ist.
In solchen Fällen wird erfindungsgemäß das Fixpunkt-Material durch Abdeckungen,
zum Beispiel Graphitscheiben, Graphitpulver oder keramische Massen geschützt.
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Bei einigen Fixpunkt-Materialien besteht insbesondere bei hohen Temperaturen
die Gefahr einer Reaktion mit dem -emperaturempfindlichen Teil. Um eine solche Reaktion
zu verhindern, muß in solchen Fällen eine Trennschicht zwischen Fixpunkt-Material
und temperaturempfindlichem Teil angebracht werden. Diese Trennung kann erfindungsgemäß
dadurch realisiert werden, daß der temperaturempfindliche Teil in einer dünnwandigen
Keramikumhüllung angeordnet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel eines BTA (Gesamtlänge e = 8Omm) mit Fixpunkt
für einen Meßbereich von 0 bis 1350 OC zeigt Bild 2. Der temperaturempfindliche
Teil wird durch ein NiCr-Ni-Thermoelement gebildet. Das Fixpunkt-Material ist Kupfer
(Schmelzpunkt 1084,5 OC).
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Der zylinderförmige Kupferkörper 1 befindet sich in einem Keramikrohr
2. Im Kupferkörper ist eine Bohrung angebracht, in der sich ein keramischer Zweilochstab
3 zur Aufnahme der Thermoschenkel 4 befindet. Die Hauptlötstelle 5 ist von einer
keramischen Trennschicht 6 (Keramikrohr) umgeben. Die Abdeckung des Keramikrohres
2 wird durch eine Graphitscheibe 7 und Keramikkitt 8 gebildet.
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Ein ausgeführter BTA mit Fixpunkt-Material Aluminium (Schmelzpunkt
660 OC) war ähnlich ausgebildet wie in Bild 2 dargestellt.
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Wegen der geringeren Schmelzwärme war lediglich der Schlankheitsgrad
etwas geringer.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Bild 3.
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Das Fixpunkt-Material 1 ist Benzoesäure (Schmelzpunkt 121,7 OC).
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Der zylinderförmige Behälter 2 mit Deckel 3 besteht aus Metall.
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Der temperaturempfindliche Teil 4 wird durch ein NiCr-Ni-Thermoelement
gebildet, das zur räumlichen Fixierung an dem Träger 5 befestigt ist.
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~~~~~ Schrifttum: /1/ Temperaturmessung; F. Henning, H. Moser, Berlin,
3. Auflage 1977; /2/ Handbuch Techn. Temperaturmessung; PTB 1977, BW 36-11-03.