CN106560681B - 温度校准器和用于冷却和加热温度校准器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校准热敏元件的温度校准器，其中该温度校准器具有：至少一个待调温的校准容积，可将待校准的热敏元件置入校准容积中；至少一个调温单元，调温单元通过一个或多个传热体部与校准容积热接触；至少一个温度传感器，温度传感器与所述校准容积热接触；和至少一个电的控制单元，控制单元与所述至少一个调温单元和所述至少一个温度传感器电连接，其中，温度校准器还包括至少一种磁热材料和至少一个磁场产生装置。

Description

温度校准器和用于冷却和加热温度校准器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于校准热敏元件/温度探头的温度校准器，其具有：至少一个待调温的校准容积，待校准的热敏元件能置入校准容积中；至少一个调温单元，调温单元通过一个或多个传热体部与校准容积热接触；至少一个温度传感器，温度传感器与校准容积处于热接触；和至少一个电的控制单元，控制单元与调温单元和温度传感器电连接。本发明还涉及一种用于对温度校准器的校准容积进行调温的方法以及一种用于运行温度校准器的磁热调温单元的方法。

背景技术

在工业和研究领域中应用的大多数热敏元件都是二次温度计。就是说，相应的热敏元件(其例如包含热电偶或与温度有关的电阻)必须至少在该热敏元件第一次使用之前以及大多也在使用过程中重复地被校准。为此在比较测定方法中待校准的热敏元件在温度稳定的炉或液池中与标准温度计相比较。从文献US 39 39 687 A中已知一种便携装置，其将相应的校准容积调温到可预先规定的、恒定的设定温度。为了保证将试样最佳地热耦合在校准容积上，与待试验的或待校准的热敏元件相适配的不同的插入件作为固体被插入到温度校准器的校准容积中。该插入件基本填满校准容积并具有缺口，在该缺口中可以置入待校准的热敏元件。为了在校准容积内实现尽可能恒定的、空间上的温度分布，则在干体温度校准器中，插入件应具有尽可能高的导热性能，或者在温度校准池中，校准介质应具有尽可能高的导热性能。

另外从文献DE 10 2010 010 618 A1中已知一种具有温度传感器的冷却设备和/或冷冻设备，该温度传感器用于检测冷却设备或冷冻设备的一个部位或组成部件上的温度。该传感器在此具有磁热材料或至少部分地由这种材料形成。

作为另外的现有技术，文献DE 11 2006 001 628 T5描述了一种铁磁性的形状记忆合金，该形状记忆合金能够用于形状恢复。这种形状恢复在此伴随着由于在具体的温度区域中的由磁场感生出的逆转变而产生的磁性变化。

因为校准容积应该被调温到由使用者规定的设定温度，所以可以通过能够导热的、包围校准容积(在该校准容积中例如具有带有被置入的热敏元件的插入件)的体部对校准容积吸热或传入热量。这种导热体部在便携式的校准器中典型地设计为金属块，并与冷却单元、例如在文献DE 20 2005 006 710 U1中描述的珀尔帖元件热接触，以及与加热单元、例如电阻加热器热接触。

为了调节校准容积的温度，冷却单元例如珀尔帖元件和加热单元例如电阻加热器与电的控制单元电连接。这个控制单元还与至少一个温度传感器电连接，该温度传感器与校准容积热接触，该控制单元通过适宜地控制调温单元的功率而调节校准容积的温度。这种对功率进行控制的温度调节的响应时间在加热运行和在冷却运行中都是非常长的。在加热运行中热量必须首先由加热单元产生，以便然后通过通常由温度校准器的金属块形成的传热体部传输到校准容积中。热量的传输在此基于加热单元和校准容积之间的温度梯度实现。在冷却运行中，必须首先由冷却单元将热量抽吸到温度校准器的周围环境中。热量从校准容积中通过通常由温度校准器的金属块形成的传热体部到冷却单元中的随后的传输，也基于冷却单元和校准容积之间的相应的温度梯度实现。

发明内容

本发明的目的是，用一种更加迅速的用于改变校准容积的温度的原理来代替上述在加热运行中主要基于热量传输、而在冷却运行中完全基于热量传输的、用于改变校准容积的温度的迟缓的原理。

对此，在用于校准热敏元件的温度校准器方面，根据本发明，该温度校准器具有：至少一个待调温的校准容积，待校准的热敏元件能置入校准容积中；至少一个调温单元，所述至少一个调温单元通过一个或多个传热体部与校准容积热接触；至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器与校准容积热接触；和至少一个电的控制单元，该控制单元与所述至少一个调温单元和所述至少一个温度传感器电连接，其中，所述温度校准器还包括至少一种磁热材料和至少一个磁场产生装置。

根据本发明的一实施形式，磁热材料所具有的磁热效应为：磁场每增大1特斯拉温度升高大于1开尔文。

根据本发明的另一实施形式，所述磁热材料包含大于3％重量百分比的钆、锰或铁。

根据本发明的另一实施形式，所述磁场产生装置与所述控制单元电连接，所述磁场产生装置被设计为，通过控制单元调节所述磁热材料所经受的磁场。

根据本发明的另一实施形式，所述磁场产生装置包括至少一个永磁体，能借助于电机通过控制单元改变该永磁体的位置和/或方向。

根据本发明的另一实施形式，所述磁场产生装置包括至少一个电磁体，通过控制单元调节该电磁体的线圈电流。

根据本发明的另一实施形式，所述传热体部或至少一个能够插入到校准容积中的插入件至少部分地由磁热金属制成或至少部分地由磁热合金制成。

根据本发明的另一实施形式，所述温度校准器包括非易失性的存储器，在该存储器中能够存储：对于校准容积的预先规定的设定温度哪个磁热插入件是最适宜用于磁热调温的。

在用于对如下所述的温度校准器的校准容积进行调温的方法方面，其中，该温度校准器的磁场产生装置包括至少一个永磁体和至少一个电磁体，该永磁体的位置和/或方向能借助于电机通过控制单元改变，该电磁体的线圈电流能通过控制单元调节，根据本发明，在第一方法步骤中通过永磁体的位置改变和/或方向改变粗略地调节校准容积的温度，在第二方法步骤中通过改变电磁体的线圈电流精确地调节校准容积的温度。

在用于运行温度校准器的磁热调温单元的方法方面，根据本发明，该磁热调温单元包括至少一种磁热材料和至少一个磁场产生装置，该温度校准器包括至少一个待冷却的对象和至少一个待加热的对象，其中，周期性地以所给出的顺序实施下列方法步骤：

a)在待加热的对象与调温单元的磁热材料之间建立热接触，其中，调温单元的磁热材料位于具有强的场强H1的磁场中，并且调温单元的磁热材料与待冷却的对象没有热接触或者仅微弱地热接触；

b)解除或至少减小待加热的对象与磁热材料之间的热接触；

c)使调温单元的磁热材料经受具有弱的场强H0的磁场的作用，其中，H0小于H1；

d)在待冷却的对象与调温单元的磁热材料之间建立热接触，其中，调温单元的磁热材料继续位于具有弱的场强H0的磁场中，并且调温单元的磁热材料与待加热的对象没有热接触或仅微弱地热接触；

e)解除或至少减小待冷却的对象与调温单元的磁热材料之间的热接触；

f)使调温单元的磁热材料重新受到具有强的场强H1的磁场的作用，其中，H1大于H0。

具体实施方式

因此为实现本发明的目的，根据本发明，使磁热材料与校准容积处于热接触，并且磁热材料处于由温度校准器的磁场产生装置产生的磁场中。已知的是，当材料所承受的磁场的强度发生变化时，磁热材料的温度也发生变化。磁场强度的增大导致磁热材料的温度升高。反之，磁场强度的减小导致温度降低。在这两种情况下都不传输热量，而基本上通过磁场变化的速度决定过程的速度。通过选择适宜的磁热材料和相应强的磁场变化，可以利用本发明的构造在小于一秒之内实现温度校准器中的高达4开尔文的温度变化。

对于根据本发明的构造尤其适宜的磁热材料是，对于从-70℃至+50℃的范围内的至少一个温度，每施加1特斯拉的磁场，磁热效应为大于1开尔文的温度升高。在本发明的一优选实施形式中，因此使用钆、钆合金和包含锰或铁的合金作为磁热材料。

根据本发明的温度校准器的磁场产生装置可以由永磁体、电磁体或这两种磁体的组合形成。为了调节磁热材料所经受的磁场的强度，在一实施形式中可以调节永磁体和/或电磁体相对于磁热材料的位置或方向。为此例如可以将校准器的控制单元与步进电机或线性电机电连接，该步进电机或线性电机与所述磁体以机械方式相连接。在一优选的实施形式中，通过使永磁体的位置和方向以磁通量密度大于一特斯拉的方式发生强变化，粗略地但以强的温度升高的方式预先调节磁热材料的温度。在此粗略调节指的是，校准容积的温度在粗略调节之后可以还与预期的设定温度偏差例如直至250毫开尔文。为了将校准容积的温度精确调节/微调到与设定温度具有微小偏差的值，在一优选实施例中，磁场产生装置的电磁体与校准器的控制单元电连接。该控制单元可以通过调节电磁体的线圈电流非常迅速地和非常精确地控制磁场和进而控制磁热材料的温度。在校准器的磁场产生装置中组合地应用永磁体和电磁体因此实现了在不使用昂贵的超导线圈的情况下在大的温度范围上的精确的温度调节，从而根据本发明的通过调节磁场并进而调节磁热材料的温度来调节校准容积的温度的方法甚至也可以用于便携式温度校准器。

在本发明的一优选实施形式中，磁热材料位于校准装置的传热体部中。这例如可以由下述方式实现，即：形成传热体部的金属块至少部分地由磁热金属或磁热合金制成。

在一尤其优选的实施形式中，磁热材料与待校准的热敏元件直接接触。对此例如与不同的热敏元件的直径相适配的、可以插入金属块中的插入件可以由磁热金属或磁热合金制成。

因为确定的材料的磁热效应在该材料的居里温度的范围中是最大的，(例如参见文献“On the Curie temperature dependency of the magnetocaloric effect(磁热效应的居里温度依赖性)”，J.H.Belo，J.S.Amaral，A.M.Pereira，V.S.Amaral，和J.P.Araujo，Appl.Phys.Lett.(应用物理学快报)100(24)，242407(2012))，在根据本发明的校准装置中应用如下磁热材料，该磁热材料的对应居里温度位于可设置用于温度校准的设定温度的区域中。在本发明的一优选的实施形式中，为不同的设定温度区域分配不同的插入件，其中用于至少部分地形成插入件的磁热材料的居里温度位于所属的设定温度区域内。对于校准容积的预先规定的设定温度哪个磁热插入件对于磁热调温最适宜，这样的分配优选存储在温度校准器的非易失性的存储器中，从而在给定温度校准器的设定温度后可以在显示装置上显示，哪个插入件插入温度校准器中，以实现尽可能最佳的磁热调温。为此还提供了，例如以一个或多个数字或及字母序列来标识可能的插入件。另选地，插入件也可以直接用为这些插入件分别分配的设定温度区域来标识。

为了扩展利用根据本发明的迅速的磁热调温方法可达到的温度区域，可以将从现有技术中已知的和已经描述过的基于传热的调温原理(例如在金属块的外表面上应用珀尔帖元件)与磁热调温相结合。在一优选的实施形式中，为了迅速冷却，首先借助于磁热调温方式通过提高磁场而使例如位于金属块校准器的插入件中的磁热材料的温度升高。由此热量可以通过珀尔帖元件显著更有效地和更迅速地从其中设有根据本发明被加热的插入件的校准容积中抽出，这是因为温度梯度至少首先从校准容积中指向外部。然后，在校准容积达到设定温度之前(例如相差4开尔文之前)，可以通过减小插入件的磁热材料所经受的磁场的强度，非常迅速地以及尤其极可控地调节到预期的设定值，这是因为磁热调温直接地以近乎为零的响应时间改变校准容积中的磁热插入件的温度。因此尤其为了在设定温度的大约2开尔文范围内进行精确调节/微调，给根据本发明的磁热调温补充了缓慢的、由于长的响应时间而难以调节的、基于传热的调温原理。

在从现有技术中已知的基于传热的调温单元中通常使用珀尔帖元件。在此电流流过珀尔帖元件的方向决定了，调温单元是用作加热单元还是用作冷却单元。借助于珀尔帖元件以基于传热的方式对温度校准器的校准容积进行冷却的缺点是，由于与工作电流过比例地增大的欧姆热损失而导致低的效率以及受限的净冷却功率。

在本发明的另一实施形式中，在温度校准器的至少一个基于传热的调温单元中也应用已经描述过的磁热冷却的原理。磁热材料的使用尤其在校准装置的冷却单元中是有利的，这是因为在磁热冷却的情况下欧姆热量的产生被减到最小。欧姆热量在从现有技术中已知的冷却方式中取决于原理地通过对珀尔帖元件通电而产生。

为了借助于温度校准器的磁热冷却单元(该冷却单元根据本发明包括磁热材料和磁场装置)将热量从待冷却的对象、例如校准容积中抽吸出并传输到待加热的对象中、例如温度校准器的周围空气或冷却肋/散热片中，根据本发明的冷却单元在工作时在充分利用磁热效应的情况下作为周期性的制冷装置周期性地以给出的顺序施行下列方法步骤：

1.在待加热的对象和磁热材料之间建立热接触，其中磁热材料位于具有强的磁场强度H1的磁场中并与待冷却的对象没有热接触或者仅微弱地热接触。

2.解除或至少减小在待加热的对象和磁热材料之间的热接触。

3.使磁热材料受到具有弱的场强H0的磁场的作用，其中，H0小于H1。优选H0＝0A/m。

4.在待冷却的对象和磁热材料之间建立热接触，其中，磁热材料继续位于具有弱的场强H0的磁场中并与待加热的对象没有热接触或仅微弱地热接触。

5.解除或至少减小在待冷却的对象和磁热材料之间的热接触。

6.使磁热材料重新受到具有强的场强H1的磁场的作用，其中，H1大于H0。

因此根据本发明，只要待冷却的对象的温度不比待加热的对象低大于ΔT的温度，就将热量从待冷却的对象抽吸入或传输到待加热的对象中。在此ΔT是磁热材料由于在步骤3中实现的磁场减弱而导致的温度降低。

温度校准器的根据本发明的磁热冷却单元也可以作为加热单元工作，其方式是：在充分利用磁热效应的情况下周期性地以反过来的顺序实施上述方法步骤。

为了实现相对于环境温度或相对于利用另外的方法预先冷却的容积的温度的大于-70K的总温差，在根据本发明的磁热调温单元的一优选实施形式中，以串联的形式布置或运行多个磁热冷却单元，从而由校准容积导出的热量前后相继地通过所述磁热冷却单元传输。在此所述单元中的单个单元仅须保持几个开尔文的温差，以整体实现大于-70K的温差。

如已经指出的，因为确定材料的磁热效应在这种材料的居里温度附近是最大的，所以在温度校准装置的根据本发明的磁热冷却单元中优选使用如下磁热材料，该磁热材料的居里温度位于工作温度的附近，就是说，位于运行中的冷却单元的较热侧和较冷侧的温度之间。

在多个冷却单元以串联的形式运行的情况下，这些冷却单元的工作温度位于大的温度区间中，该温度区间从例如20℃的环境温度(在冷却单元的情况下该冷却单元与环境处于热接触)至少到达校准装置的校准容积的例如-50℃的最低设定温度(在冷却单元的情况下该冷却单元与校准容积处于热接触)。因此在便携式温度校准器的以串联的形式运行的磁热调温单元中使用具有优选不同的居里温度的磁热材料。

在根据本发明的磁热冷却单元的一实施形式中，在待冷却的或待加热的对象与磁热材料之间的热接触如此建立，即：该对象和磁热材料通过彼此压紧形成可拆松的材料接触。

在一优选的实施形式中，磁热材料与对象之间的热接触如此建立或提高，其方式是：使流体被抽吸经过磁热材料、经过对象并重新返回经过磁热材料。

在具有多个冷却单元的便携式温度校准器的一优选实施形式中，由各冷却单元同步地实施所列出的方法步骤1至6。

Claims (9)

1.一种用于校准热敏元件的温度校准器，其中该温度校准器具有：

-至少一个待调温的校准容积，待校准的热敏元件能置入校准容积中；

-至少一个调温单元，所述至少一个调温单元通过一个或多个传热体部与校准容积热接触；

-至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器与校准容积热接触；和

-至少一个电的控制单元，该控制单元与所述至少一个调温单元和所述至少一个温度传感器电连接，

其特征在于，所述温度校准器的所述至少一个调温单元还包括至少一种磁热材料和至少一个磁场产生装置，磁热材料所具有的磁热效应为：磁场每增大1特斯拉，温度升高大于1开尔文。

2.根据权利要求1所述的温度校准器，其特征在于，所述磁热材料包含大于3％重量百分比的钆、锰或铁。

3.根据权利要求1所述的温度校准器，其特征在于，所述磁场产生装置与所述控制单元电连接，所述磁场产生装置被设计为，通过控制单元调节所述磁热材料所经受的磁场。

4.根据权利要求3所述的温度校准器，其特征在于，所述磁场产生装置包括至少一个永磁体，能借助于电机通过控制单元改变该永磁体的位置和/或方向。

5.根据权利要求3所述的温度校准器，其特征在于，所述磁场产生装置包括至少一个电磁体，通过控制单元调节该电磁体的线圈电流。

6.根据权利要求1所述的温度校准器，其特征在于，所述传热体部或至少一个能够插入到校准容积中的插入件至少部分地由磁热金属制成或至少部分地由磁热合金制成。

7.根据权利要求6所述的温度校准器，其特征在于，所述温度校准器包括非易失性的存储器，在该存储器中能够存储：对于校准容积的预先规定的设定温度哪个磁热插入件是最适宜用于磁热调温的。

8.一种用于对根据权利要求3所述的温度校准器的校准容积进行调温的方法，其中，该温度校准器的磁场产生装置包括至少一个永磁体和至少一个电磁体，该永磁体的位置和/或方向能借助于电机通过控制单元改变，该电磁体的线圈电流能通过控制单元调节，其特征在于，在方法的第一步骤中通过永磁体的位置改变和/或方向改变粗略地调节校准容积的温度，在方法的第二步骤中通过改变电磁体的线圈电流精确地调节校准容积的温度。

9.一种用于运行温度校准器的磁热调温单元的方法，其中，该磁热调温单元包括至少一种磁热材料和至少一个磁场产生装置，磁热材料所具有的磁热效应为：磁场每增大1特斯拉，温度升高大于1开尔文，该温度校准器包括至少一个待冷却的对象和至少一个待加热的对象，其特征在于，周期性地以所给出的顺序实施下列方法步骤：

a)在待加热的对象与调温单元的磁热材料之间建立热接触，其中，调温单元的磁热材料位于具有强的场强H1的磁场中，并且调温单元的磁热材料与待冷却的对象没有热接触或者仅微弱地热接触；

b)解除或至少减小待加热的对象与磁热材料之间的热接触；

c)使调温单元的磁热材料经受具有弱的场强H0的磁场的作用，其中，H0小于H1；

d)在待冷却的对象与调温单元的磁热材料之间建立热接触，其中，调温单元的磁热材料继续位于具有弱的场强H0的磁场中，并且调温单元的磁热材料与待加热的对象没有热接触或仅微弱地热接触；

e)解除或至少减小待冷却的对象与调温单元的磁热材料之间的热接触；

f)使调温单元的磁热材料重新受到具有强的场强H1的磁场的作用，其中，H1大于H0。