CN116399463A - 温度探针和用于制造温度探针的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度探针和用于制造温度探针的方法，该温度探针(1)用于根据三点探针法确定温度，该温度探针具有提供温度值的传感器元件(2)，其中，由第一连接线(4)、第二连接线(5)和第三连接线(6)组成的几米长的三线线路(3)被连接到传感器元件(2)，其中，连接线(4、5、6)由第一材料制成并用于发送能量和所测量的温度值，其中，由第二材料制成的导电元件(7、8)被插入第二连接线(5)和第三连接线(6)中的每个中，所述第二材料的电阻率高于第一材料的电阻率，并且其中，两个插入的导电元件(7、8)被设计成使得第二连接线(5)和第三连接线(6)具有与第一连接线(4)基本上相同的电阻。

Description

温度探针和用于制造温度探针的方法

技术领域

本发明涉及一种用于高精确测量的温度探针。

背景技术

具有电阻元件的温度计通常包括所谓的薄膜传感器元件、电阻温度检测器(RTD)。通常，这种传感器元件具有承载基板，该承载基板被设置有引线并且被金属涂覆在前表面上。金属涂层也可用在后表面上。铂元素通常被用作传感器元件，其是商业上可获得的名称为PT10、PT100和PT1000等。在许多情况下，传感器元件优选地被封装或被嵌入在纯陶瓷粉末中，并且连接引线在引导管中被引导到电子器件，例如温度变送器。工业铂电阻温度计的细节能够在例如欧洲标准EN60751中找到。

借助于电阻元件确定温度的各种测量方法已经从现有技术中变得已知。通常为电流形式的发射信号被施加到传感器元件中，并且通常为传感器元件两端的电压降形式的接收信号被检测，并相对于温度进行评估。

在最简单的情况下，借助于温度相关电阻来确定温度，其中，传感器元件经由两个连接线简单地接触。该解决方案的缺点在于连接线的电阻作为误差被包括在温度确定中。根据另一种方法，传感器元件经由三个连接线接触。通过在每种情况下在三个连接线中的两个之间成对地分接下降电压，如果能够假设三个连接线具有相同的电阻，则能够极大地补偿连接线或多个连接线的电阻。还已知利用四个连接线测量温度。

RTD Pt100温度传感器被广泛用作过程监测中的传感器元件。它们是市场上最常用的标准温度传感器。在过程自动化的某些应用中，需要非常长的传感器来到达应该检测和/或监测温度的区域。这种温度传感器能够具有高达一百米的总长度。

在这种应用中，传感器电缆必须确保必要的稳健性。通常，它由具有外部金属保护护套的MgO电缆制成。保护套通常由不锈钢或镍合金制成。一定数量的导线，在大多数应用中为铜线，形成用于将温度传感器连接到电子器件的连接线。

在非常长的温度探针的情况下测量温度的最熟知的解决方案包括通过4线端子感测来测量Pt100探针的电阻。这种所谓的4点探针法包括通过使用两个线注入电流并通过使用剩余的两个线测量电压，如图1中示意性地描述。该测量方法的优点在于，测量不受探针和温度探针的电子器件之间的连接线的电阻的影响，因此测量与连接电缆的长度无关。

市场要求的另一种非常常见的测量方法是3线端子感测、3线连接或3点探针法。通常，该方法被要求降低温度测量设备的成本，或者出于设计原因：实际上，在具有多个感测元件(两个或更多个)的探针中，减少电缆中必要线的数量具有使电缆更紧凑(更小的直径并且因此更小的侵入性)或者允许增加同一电缆中可能的测量点的数量的益处。

与4个线相比，该方法具有基本的限制：仅当电缆的电阻在测量设备中使用的所有三个电缆中相同时，测量才能够补偿连接线的电阻而没有任何另外的误差。通过分析如何执行测量，能够容易地证明该限制-参见图2：

在这种情况下，Pt100探针的电阻是两个环路的电阻的结果：

在一个电路中，在公共连接点C和点1之间测量电阻Rc1：

Rc1＝R common+R1+R Pt100。

然后在点1和点2之间进行测量：

Rc2＝R1+R2

在假设三个连接电阻相同下，结果被计算为：

测量＝Rc1–Rc2＝R common+R1+R Pt100–(R1+R2)＝RPt100+R common–R2

其他计算方法是可能的并且由不同的测量设备应用，但是结果总是相同的：仅当三个电缆具有相同的电阻时，测量设备才能够测量Pt100而没有任何误差。当考虑图3所示的电路时，这变得清楚。

测量1＝Va/I＝R common+R Pt100(在R2中电流为零)

测量2＝Vb/I＝R1

最终测量值＝(Va–Vb)/I＝R common+R Pt100–R1＝Pt100(如果R common＝R1)

通常，该方法是一种好的折衷，但是假设连接电缆的电阻是相同的。这通常不是真的。不幸的是，MgO电缆的线不具有相同的电阻。这是由线的制造拉伸工艺引起的。在这些部件中，通常具有取决于电缆长度的总值的约1-3％的电阻差。对于非常长的传感器，总电阻能够达到20欧姆或更大，这也取决于电缆的直径，即，内部线的直径。

电缆的线之间的电阻差异能够对能够超过所要求的限制的测量精度产生负面影响。

如果在0℃的冰+水参考浴中进行校准检查，则Pt100探针的测量误差能够如下：

温度误差＝(R Pt100–100)/0,39＝电阻误差/0,39 0°

AA类：最大允许T误差<0,10℃；最大允许R误差<0,039Ω

A类：最大允许T误差<0,15℃；最大允许R误差<0,0585Ω

B类：最大允许T误差<0,10℃；最大允许R误差<0,117Ω

如果使用已知的3线方法，不同类的这些测量误差通常无法利用非常长的MgO电缆构造实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据三线方法操作的温度探针，其能够进行高精确的温度测量。另外，本发明的目的是提供一种处理方法

为了实现该目的，本发明包括一种用于根据三点探针法确定温度的温度探针，所述温度探针具有提供温度值的传感器元件，其中，由第一连接线、第二连接线和第三连接线组成的几米的三线线路与所述传感器元件相关联，其中，所述连接线由第一材料制成并用于发送能量和所测量的温度值，其中，由第二材料制成的导电元件被插入所述第二连接线和所述第三连接线中的每个中，所述第二材料的电阻率大于所述第一材料的电阻率，并且其中，所插入的导电元件被设计成使得所述第二连接线和所述第三连接线具有与所述第一连接线基本上相同的电阻。

根据本发明的解决方案特别地适用于相当长的温度探针的3线电缆，以确保优选的高精度等级：优选地通过在3线电缆的三个线中的通常两个线中插入具有比连接线的材料更高的电阻率的相当短的导电材料来实现连接线的电阻补偿。通过将一定长度和/或直径的导电元件插入到三个线中的两个线中，实现了三个连接线中的每个的电阻相等。

根据温度探针的实施例，提出第二材料的电阻率比第一材料的电阻率高至少五倍。优选地，连接线由铜制成，并且所插入的导电元件由康铜制成。通过选择导电元件的正确材料来实现电阻补偿。为了实现有效的构造、良好的补偿和短的长度，材料必须具有比原始线高得多的电阻率。MgO电缆的大多数线由铜制成。通过比较不同材料和必须补偿的电阻值而进行的分析导致认为康铜是导电元件的优选材料。康铜与例如铜相比具有高电阻率以及良好且稳健的机械性质。

根据温度探针的实施例，由至少一种第二材料制成的插入的导电元件被布置在探针的过渡衬套内。在该过渡衬套中，三线电缆的两个区段被连接在一起。为了提供延伸的温度探针，通常使用过渡衬套将MgO电缆连接到柔性延伸电缆。电阻补偿导电元件被插入在MgO电缆和柔性延伸电缆的对应线的端部区段之间。它们能够通过任何已知的方法连接，例如：焊接、铜焊、锡焊或压接。每个连接能够由另外的Kapton或热收缩绝缘电缆保护，以将其与其他连接隔离。最后，整个衬套可以通过树脂灌封密封。

根据温度传感器的替代设计，由至少第二材料制成的导电元件被插入连接区域中，三线线路能够通过该连接区域连接到外部电子器件：补偿连接线的电阻差的导电元件被附接到主电缆的连接线连接到的端子。根据主电缆的长度，这能够是MgO电缆或柔性延伸电缆。插入导电元件的两个线可以被剥离和中断。导电元件被插入在连接线和端子之间。同样地，连接能够被焊接、铜焊、锡焊或压接。电线例如利用热收缩管彼此绝缘。能够应用另外的收缩管绝缘来保护连接。

根据温度传感器的另一替代设计，由至少第二材料制成的导电元件被插入连接区域中。优选地，该连接区域被布置在柔性延伸电缆内。插入导电元件的两个线可以被剥离和中断。导电元件被插入在连接线和端子之间。同样，连接能够被焊接、铜焊、锡焊或压接。导电元件和线连接如在前述实施例中一样直接或者通过使用刚性支撑件作为加强件连接到端子。

根据温度探针的实施例，插入第二连接线中和第三连接线中的两个导电元件中的每个的电阻被设计成使得温度探针提供具有预定测量精度的测量值。例如，准确度类可以是A或B。

进一步规定，感测元件是电阻温度检测器-RTD-元件，优选地是铂测量电阻器PT100。可以结合本发明的解决方案使用任何其他适当的传感器元件。

关于生产温度探针的方法，所述温度探针用于根据三点探针法确定温度，所述温度探针具有传感器元件，所述传感器元件优选地被设计为铂测量电阻器，所述传感器元件提供温度测量值，其中，由第一连接线、第二连接线和第三连接线组成的几米长的三线线路与所述传感器元件相关联，其中，所述连接线由具有预定特定电阻的第一材料制成，并且用于发送能量和用于发送测量温度值，其中，以下方法步骤被提出：

-测量所述三个连接线中的每个的电阻；

-确定具有最高电阻的连接线，在下文中：第一连接线；

-将第一导电元件插入到所述第二连接线中，其中，所述第一导电元件由电阻率大于所述第一材料的电阻率的第二材料制成，并且其中，所插入的第一导电元件的尺寸被设计成使得所述第二连接线具有与所述第一连接线相同的电阻；

-将第二导电元件插入到所述第三连接线中，其中，所述第二导电元件由所述第二材料制成，并且其中，所插入的第二导电元件的尺寸被设计成使得所述第三连接线具有与所述第一连接线相同的电阻。

在该方法的发展中，所述导电元件被焊接、铜焊、锡焊或压接以用于插入到对应的连接线中。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。

图1示出了用于根据4点探针法测量温度的电路以及对应的温度探针的示意图，

图2示出了用于根据3点探针法测量温度的电路以及对应的温度探针的示意图，

图3更详细地示出了图2的电路，

图4示出了根据具有三个连接线的示例性电缆的长度的测量误差的表，

图5示意性地示出了本发明的温度探针，

图6示出了不同导电材料的电阻率的表，

图7示出了本发明的温度探针的第一实施例，以及

图8示出了本发明的温度探针的第二实施例。

图9示出了本发明的温度探针的第三实施例。

在图1至3中已经描述了温度探针1的不同现有技术解决方案和用于测量温度的对应方法。

具体实施方式

对于具有例如Pt100的电阻温度计元件2的温度传感器1，通常使用MgO电缆14。通常需要大于50m的电缆长度来测量远程位置的温度。另外的要求是预定的高测量精度(例如，A类)和使用3线线路。由于MgO电缆的技术特性，难以或在一些情况下不可能达到所要求的精度等级。问题是MgO电缆14的内部连接线4、5、6通常不具有相同的电阻。制造商通常声明在具有约0.04-0.06欧姆/米的线电阻的典型6mm MgO电缆14上，约0.002欧姆/米的三线电缆3的线4、5、6之间的精度。

对应的实验研究已经证实，在统计上能够预期线4、5、6的电阻差异具有总测量值的约1％的标准差。

作为示例，图4示出了将根据具有三个连接线4、5、6的温度探针1的三线电缆3的长度的测量误差可视化的表。特别地，该表示出了最大电缆长度，高于该最大电缆长度，不再能够保持温度测量所需的精度等级A或B。因此，通过考虑非常长的温度探针1，我们具有如图4所示的情况：一旦连接线4、5、6超过一定长度，测量值就离开给定的精度等级。

根据本发明的温度探针1，通过增加另外的电阻来补偿三个连接线4、5、6的电阻差。优选地，三个线4、5、6中的两个线的电阻与具有最高电阻的连接线(例如4)的电阻相等。本发明的温度探针1制造简单并且便宜，因为补偿方法侵入性较小，但提供高精度的温度测量。需要具有较高电阻率和所确定的尺寸的一片导电元件7、8，以修改剩余的两个连接线5、6的电阻，使得连接线4、5、6中的每个具有相同的电阻。

图5示出了根据三点探针法确定温度的本发明的温度探针1的示意图。图6示出了不同导电材料的电阻率的表。

连接线4、5、6的线性电阻的计算非常简单：

线性线电阻＝材料电阻率/线截面

通过使用直径在0.2mm和0.5mm之间的标准康铜线进行计算，能够通过将10mm的导电元件7、8添加到50mm的康铜线来补偿MgO电缆14的三个连接线4、5、6之间的电阻差。

其中，通过下式计算导电元件7,8的长度：

补偿长度＝电阻差/线性线电阻。

在下文中，描述了用于补偿三个线上的电阻差的步骤：

该过程通过测量三个线4、5、6中的每个的电阻开始。

具有最高电阻的线4被标识，并且最大值与两个剩余线5、6的电阻值之间的差被计算

对于剩余的两个线5、6中的每个，优选地由康铜制成的导电元件7、8的补偿长度被计算，以使它们中的每个的电阻与具有最高电阻值的第一线4的电阻相等。

图7示出了根据本发明的温度探针1的第一实施例。焦点在于将导电元件7、8附接到连接线4、5、6中的两个或至少一个。由至少一种第二材料，例如康铜，制成的导电元件7、8被布置在温度探针1的过渡衬套9中。这种过渡衬套9用于连接三线电缆3的两个不同区段10、11。

对于延伸温度探针1，这种过渡衬套9通常被用于将MgO电缆14连接到柔性延伸电缆15。补偿导电元件7、8被插入在MgO电缆14和柔性延伸电缆15的对应线的端部区段之间。它们能够通过任何已知的方法连接，例如：焊接、铜焊、锡焊或压接。对于电绝缘，每个接头可以由另外的Kapton或热收缩绝缘套筒或盖16保护。最后，整个衬套9可以通过树脂灌封17密封。

图8示出了本发明的温度探针的第二实施例的视图。根据温度探针的这种替代设计，由至少第二材料制成的导电元件7、8被插入连接区域12中，三线电缆3能够通过该连接区域连接到外部电子器件13：补偿连接线4、5、6的电阻差的导电元件7、8被附接到主电缆3的连接线4、5、6连接到的端子18。取决于主三线电缆3的长度，这可以是MgO电缆14或柔性延伸电缆15。插入有所确定的设计的导电元件7、8的两个线4、5、6可以被剥离和中断。导电元件7、8被插入在连接线4、5、6和端子18之间。同样地，连接能够被焊接、铜焊、锡焊或压接。对于电绝缘，每个接头可以由另外的Kapton或热收缩绝缘套筒或盖16保护。另外，能够应用热收缩管绝缘体19来保护接头。

图9示出了本发明的温度探针1的第三实施例。这里，由第二材料制成的导电元件8和将导电元件7、8连接到线5、6的对应线连接20由封装盒21保护。导电元件7、8和线连接20由封装盒21保护。优选地，该封装盒被插入柔性延伸电缆15中。它们也能够被直接插入到端子部19中，温度探针1通过该端子部19连接到外部电子器件13。导电元件7、8和线连接20被插入适当的热收缩管16或绝缘带中。然后，连接区域12由另外的封装盒21保护。连接区域12可以在柔性延伸线缆15的端部处或中间。

附图标记列表

1温度探针

2传感器元件

3三线电缆

4第一连接线/第一线

5第二连接线/第二线

6第三连接线/第三线

7第一导电元件

8第二导电元件

9衬套

10三线电缆的区段

11三线电缆的区段

12连接区域

13电子器件

14MgO电缆

15柔性延伸电缆

16绝缘管

17树脂灌封

18管绝缘体

19端子

20线连接

21封装盒

Claims (12)

1.一种用于根据三点探针法确定温度的温度探针(1)，所述温度探针具有提供温度值的传感器元件(2)，其中，由第一连接线(4)、第二连接线(5)和第三连接线(6)组成的几米长的三线线路(3)被连接到所述传感器元件(2)，其中，所述连接线(4、5、6)由第一材料制成并用于发送能量和所测量的温度值，其中，由第二材料制成的导电元件(7、8)被插入所述第二连接线(5)和所述第三连接线(6)中的每个中，所述第二材料的电阻率高于所述第一材料的电阻率，并且其中，两个所插入的导电元件(7、8)被设计成使得所述第二连接线(5)和所述第三连接线(6)具有与所述第一连接线(4)基本上相同的电阻。

2.根据权利要求1所述的温度探针，

其中，所述第二材料的电阻率比所述第一材料的电阻率高至少5倍。

3.根据权利要求1或2所述的温度探针，

其中，所述连接线(4、5、6)由铜制成，并且其中，所插入的导电元件(7、8)优选地由康铜制成。

4.根据前述权利要求中的一项或多项所述的温度探针，

其中，由所述第二材料制成的所插入的导电元件(7、8)被布置在衬套(9)内，所述三线线路(3)的两个区段(10、11)在所述衬套(9)处被互连。

5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的温度探针，

其中，由所述第二材料制成的所述导电元件(7、8)被布置在连接区域(12)中，所述三线线路(3)能够经由所述连接区域(12)连接到外部电子器件(13)。

6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的温度探针，

其中，插入所述第二连接线(5)中和所述第三连接线(6)中的所述两个导电元件(7、8)的电阻被设计成使得所述温度探针(1)提供具有预定测量精度的测量值。

7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的温度探针，

其中，所述感测元件(2)是电阻温度检测器元件，优选地，铂测量电阻器PT100。

8.一种制造温度探针的方法，所述温度探针用于根据三点探针法确定温度，所述温度探针具有传感器元件(2)，所述传感器元件优选地被设计为铂测量电阻器，所述传感器元件提供温度测量值，其中，由第一连接线(4)、第二连接线(5)和第三连接线(6)组成的几米长的三线线路(3)与所述传感器元件(2)相关联，其中，所述连接线(4、5、6)由具有预定特定电阻的第一材料制成，并且用于发送能量和用于发送测量温度值，其中，以下方法步骤被提供：

测量所述三个连接线(4、5、6)中的每个的电阻；

确定具有最高电阻的连接线(4、5、6)，在下文中：所述第一连接线(4)；

将第一导电元件(7)插入到所述第二连接线(5)中，其中，所述第一导电元件(7)由电阻率大于所述第一材料的电阻率的第二材料制成，并且其中，所插入的第一导电元件(7)的尺寸被设计成使得所述第二连接线(5)具有与所述第一连接线(4)相同的电阻；

将第二导电元件(8)插入到所述第三连接线(6)中，其中，所述第二导电元件(8)优选地由所述第二材料制成，并且其中，所插入的第二导电元件(8)的尺寸被设计成使得所述第三连接线(6)具有与所述第一连接线(4)相同的电阻。

9.根据权利要求8所述的方法，

其中，所述导电元件(7、8)被焊接、铜焊、锡焊或压接以插入到对应的连接线(5、6)中。

10.根据权利要求8或9所述的方法，

其中，由所述第二材料制成的所插入的导电元件(7、8)被布置在衬套(9)内，所述三线线路(3)的两个区段(10、11)在所述衬套(9)处被互连。

11.根据权利要求8或9所述的方法，

其中，由所述第二材料制成的所插入的导电元件(7、8)被布置在连接区域(12)中，所述三线线路(3)能够经由所述连接区域(12)连接到外部电子器件(13)。

12.根据权利要求8或9所述的方法，

其中，由所述第二材料制成的所述导电元件(7、8)和将所述导电元件(7、8)连接到所述线(5、6)的对应线连接(20)由封装盒(21)保护，其中，由所述封装盒(21)保护的所述导电元件(7、8)优选地被插入柔性延伸电缆(15)中。

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