DD240600A1

DD240600A1 - COMPARISON OF TEMPERATURE MEASUREMENTS USING THERMAL ELEMENTS

Info

Publication number: DD240600A1
Application number: DD28021985A
Authority: DD
Inventors: Friedrich Tzschach; Hans-Wolfgang Bartzsch; Gerhard Koerbs
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1985-09-02
Filing date: 1985-09-02
Publication date: 1986-11-05

Abstract

Vergleichsstelle fuer Temperaturmessungen mittels Thermoelementen, insbesondere bei Mehrstellenmessungen in Feinmessgeraeten. Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vergleichsstelle zu schaffen, die eine extreme Langzeittemperaturkonstanz besitzt und die geringe Abmessungen hat. Aufgabe ist es, ohne Regelung der Temperatur Stoerungen, die von der Umgebung und/oder ueber Zuleitungen zu den Thermoelementen ausgehen, weitestgehend auszuschalten. Die Erfindung besteht darin, dass innerhalb zweier koaxial ineinander angeordneter zylindrischer Behaelter ein thermisch gut leitender Koerper vorgesehen ist, der von Isolierstoff umgeben ist und in dem die Thermoelemente eingebettet sind. Die Zuleitungen zu den Thermoelementen sind im inneren Behaelter auf Spulen aufgewickelt, wobei die Spulenkoerper mit dem inneren Behaelter thermisch leitend verbunden sind. Zur Vermeidung von Stoerungen durch Waermeradiation sind die Oberflaechen der Behaelter mit einer waermereflektierenden Schicht versehen. FigurReference junction for temperature measurements by means of thermocouples, in particular for multi-point measurements in precision gauges. The object of the invention is to provide a cold junction which has an extreme long-term temperature stability and which has small dimensions. The task is to eliminate disturbances that originate from the environment and / or via supply lines to the thermocouples as far as possible without regulation of the temperature. The invention consists in that a thermally well conductive body is provided within two coaxial with each other arranged in a cylindrical container, which is surrounded by insulating material and in which the thermocouples are embedded. The leads to the thermocouples are wound in the inner container on coils, the coil bodies are thermally conductively connected to the inner container. To avoid disturbances due to heat transfer, the surfaces of the containers are provided with a heat-reflecting layer. figure

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Vergleichsstelle für Temperaturmessungen mittels Thermoelementen, insbesondere bei Mehrstellenmessungen, vorzugsweise für Präzisionstemperaturmessungen an Feinmeßgeräten.Reference junction for temperature measurements by means of thermocouples, in particular for multi-point measurements, preferably for precision temperature measurements on precision instruments.

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, Vergleichsstellen für Temperaturmessungen mit Regeleinrichtungen zur Konstanthaltung der Temperatur in der Vergleichsstelle auszustatten, die eine Solltemperatur zum Beispiel von 0⁰C oder 50⁰C einhalten sollen. Temperaturgeregelte Vergleichsstellen habenden Nachteil, daß regelungstechnisch bedingte Abweichungen von der Solltemperatur voll als Meßfehler wirken. Bei Präzisionstemperaturmessungen mit automatischen Temperaturmeßeinrichtungen für Langzeitvorgänge sind derartige Vergleichsstellen nicht geeignet, da diese vor allem bei Mehrstellenmessungen die Forderungen betreffs zeitlicher und örtlicher Temperaturkonstanz nicht erfüllen können.It is known to provide reference points for temperature measurements with control devices for keeping constant the temperature in the reference junction, which should comply with a set temperature, for example, from 0 ⁰ C or 50 ⁰ C. Temperature-controlled reference points have the disadvantage that control-related deviations from the setpoint temperature fully act as measurement errors. For precision temperature measurements with automatic temperature measuring devices for long-term processes such reference points are not suitable because they can not meet the requirements for temporal and local temperature stability, especially in multi-point measurements.

Fixpunkttemperaturzellen, wie sie unter Ausnutzung des Wassertripelpunktes oder des Galliumtripelpunktes häufig für Eichzwecke eingesetzt werden, erreichen eine hohe Temperaturkonstanz auch bei sorgfältiger Anfertigung nur über relativ kurze Zeiträume von einigen Stunden bis maximal drei Tagen und scheiden deshalb für den angeführten Verwendungszweck ebenfallsFixed point temperature cells, as they are often used for calibration purposes, taking advantage of the water triple point or the Galliumtripelpunktes reach a high temperature stability even with careful preparation only for relatively short periods of a few hours to a maximum of three days and therefore also divorced for the stated purpose

Bei temperaturgeregelten Vergleichsstellen sind Lösungen bekannt, wo zur Reduzierung des regelungstechnischen Aufwandes und zur Realisierung kleiner zeitlicher Temperaturgradienten ein Körper aus großer thermisch träger Masse verwendet wird, bei dem das Produkt aus Volumen, Dichte und spezifischer Wärme entsprechend hoch ist. Kleine örtliche Temperaturgradienten werden dann erreicht, wenn der Körper aus einem gut wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel aus Aluminium oder Kupfer, besteht.In the case of temperature-controlled reference points, solutions are known where a body of large thermally inert mass is used to reduce the control engineering effort and to realize small temporal temperature gradients, in which the product of volume, density and specific heat is correspondingly high. Small local temperature gradients are achieved when the body is made of a highly thermally conductive material, such as aluminum or copper.

Auf die Temperaturreglungen in der Vergleichsstelle kann dann gänzlich verzichtet werden, wenn man den thermisch trägen Körper zur Vergrößerung der thermischen Zeitkonstanten noch zusätzlich mit einer thermisch isolierenden Hülle umschließt.On the temperature controls in the reference junction can then be dispensed with entirely if the thermally inert body to increase the thermal time constant in addition encloses with a thermally insulating sheath.

Voraussetzung ist dann jedoch, daß die Absoluttemperatur in der Vergleichsstelle mit einer geeigneten Temperaturmeßeinrichtung, zum Beispiel einem Platinwiderstandsthermometer in Kompensationsschaltung, gemessen wird.However, the prerequisite is then that the absolute temperature in the reference junction is measured with a suitable temperature measuring device, for example a platinum resistance thermometer in compensation circuit.

Die Vergleichsstellentemperatur wird dann zur Berechnung der Absoluttemperaturen der Thermoelementmeßstellen sowie zur Ermittlung der Differenztemperatur zwischen Meßstelle und Vergleichsstelle, vor allem bei nichtlinearen Sensorkennlinien, herangezogen.The reference junction temperature is then used to calculate the absolute temperatures of the thermocouple measuring points and to determine the differential temperature between measuring point and reference junction, especially in non-linear sensor characteristics.

Für dynamische Temperaturmessungen darf sich die Temperatur derartiger nichtgeregelter Vergleichsstellen nur extrem langsam ändern. Diese Bedingung versucht man, wie bereits erwähnt, durch eine große thermisch träge Masse zu erfüllen. Eine Vergrößerung der Masse führt aber zu einem großen Volumen und einer Vergrößerung der Oberflächen. Damit wird die Vergleichsstelle wiederum empfindlicher gegen Umgebungstemperaturschwankungen.For dynamic temperature measurements, the temperature of such non-regulated cold junctions may only change extremely slowly. As already mentioned, this condition is attempted to be fulfilled by a large thermally inert mass. However, an increase in mass leads to a large volume and an enlargement of the surfaces. This makes the reference junction more sensitive to ambient temperature fluctuations.

Hinzu kommt vor allem bei Mehrstellenmessungen ein nicht mehr zu vernachlässigender Einfluß des Wärmetausches mit der Umgebung über die Zuleitungen derThermosensoren.In addition, especially in multi-point measurements, there is no longer negligible influence of the heat exchange with the environment via the leads of the thermosensors.

Object of the invention

Ziel.der Erfindung ist es, mit geringem Aufwand eine Vergleichsstelle mit großer Langzeittemperaturkonstanz und geringe Abmesssungen zu schaffen.The goal of the invention is to provide a low-cost cold junction with high long-term temperature stability and small dimensions.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vergleichsstelle zu entwickeln, die ohne Regelung die Temperatur in ihrem Inneren für einen langen Zeitraum hochkonstant hält, wobei Störungen infolge Umgebungstemperaturschwankungen und des Wärmeaustausches über die Zuleitungen der Thermoelemente weitestgehend unterdrückt werden. Erfindungsgemäß ergibt sich die Lösung dieser Aufgabe durch eine den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 entsprechende Ausbildung einer solchen Vergleichsstelle.The invention has for its object to develop a reference junction that keeps the temperature in its interior for a long period without constant control highly constant, with disturbances due to ambient temperature fluctuations and heat exchange via the leads of the thermocouples are largely suppressed. According to the invention, the solution of this task results by a the characterizing features of claim 1 corresponding training such a reference junction.

Das ausgezeichnete thermisch-dynamische Langzeitverhalten der Vergleichsstelle resultiert aus einem optimalen Volumen-Oberflächenverhältnis der Behälter und des inneren zylindrischen Körpers, aus dem vor allem bei Mehrstellenmessungen vorteilhaftengeringen örtlichen Temperaturgradienten des inneren Körpersund aus den zur thermischen Isolierung speziell ausgestalteten Mitteln. So wirken die Außen- und Innenflächen des äußeren Behälters und die Außenflächen des inneren Behälters als Strahlungsschutzschirm.The excellent thermal-dynamic long-term behavior of the reference junction results from an optimal volume-to-surface ratio of the containers and the inner cylindrical body, from which, especially in multi-site measurements, advantageously low local temperature gradients of the inner body and those specially designed for thermal insulation. Thus, the outer and inner surfaces of the outer container and the outer surfaces of the inner container act as a radiation shield.

Dies ist erforderlich, weil mit kleiner werdenden Temperaturunterschieden zwischen Umgebungstemperatur und Oberfläche der Vergleichsstelle der Strahlungseinfluß relativ anwächst.This is necessary because with decreasing temperature differences between the ambient temperature and the surface of the reference junction, the radiation influence increases relatively.

Der Wärmeaustausch der Umgebung mit dem Inneren der Vergleichsstelle über die Zuleitungen der Sensoren wird durch Aufwickeln der Zuleitungen auf die Spulen verhindert. Die Wicklung selbst wirkt dabei als thermischer Widerstand und der Spulenkörper, der eine thermisch träge Masse hat und mit dem inneren Behälter thermisch gut leitend verbunden ist, leitet Temperaturänderungen auf den Zuleitungen von dem Inneren der Vergleichsstelle weg auf den inneren Behälter ab. Die Erfindung bietet weiterhin den Vorteil einer günstigen fertigungsgerechten Konstruktion, wobei die Grundfläche des äußeren zylindrischen Behälters gute Voraussetzungen für den thermischen Kontakt der Vergleichsstelle mit der Einrichtung, an der die Temperaturmessung erfolgen soll, bietet.The heat exchange of the environment with the interior of the reference junction via the supply lines of the sensors is prevented by winding the leads on the coils. The winding itself acts as a thermal resistance and the bobbin, which has a thermally inert mass and is thermally well connected to the inner container conducts temperature changes on the leads from the interior of the reference junction away on the inner container. The invention further provides the advantage of a low-cost manufacturing construction, wherein the base of the outer cylindrical container good conditions for the thermal contact of the reference junction with the device at which the temperature measurement is to take place.

Es ist jedoch auch eine thermisch entkoppelte Befestigung der Vergleichsstelle über thermische Isolierstäbe möglich. Wärmetechnisch günstig ist es, wenn die Behälter vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen und der den Körper umgebende Isolierstoff vorzugsweise PUR-Schaum oder PS-Schaum ist und wenn zur Verhinderung eines thermischen Kurzschlusses zwischen die Lagen und/oder dieWindungen jeder Wicklung der Spulen thermisches Isoliermaterial eingebracht ist, beziehungsweise zwischen Spulenanfang und Spulenende mehrere Kammern angeordnet sind.However, it is also possible a thermally decoupled attachment of the reference junction via thermal insulating rods. It is advantageous in terms of heat when the containers are preferably made of copper or aluminum and the insulating material surrounding the body is preferably PUR foam or PS foam and if thermal insulation material is introduced to prevent thermal shorting between the layers and / or the turns of each winding of the coils is, or between the coil start and the coil end a plurality of chambers are arranged.

embodiment

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Nach Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße Vergleichsstelle aus zwei koaxial in einander angeordneten zylindrischen Behältern, wobei der Zwischenraum zwischen innerem Behälter 1 und äußerem Behälter 2 zurthermischen Isolation Luft 3 beinhaltet. Die Distanzstücke 4 gewährleisten den Abstand beider Behälter 1 und 2, sie sind aus schlechtwärmeleitenden Material hergestellt und sind als Spitzen ausgeführt, so daß sie keine Wärmebrücken zwischen den Behältern 1 und 2 darstellen. Innerhalb des Behälters 1 befindet sich ein Platinwiderstandsfühler 5, der in einen zylindrischen Körper 6 aus Kupfer eingebettet ist. Ebenfalls im Körper 6 eingebettet sind konzentrisch um den Platinwiderstandsfühler 5 gleichabständig Vergleichsthermoelemente 7 angeordnet. Der Körper 6 befindet sich in der Mitte des Behälters 1 und ist von einem thermischen Isolationsstoff 8, wie zum Beispiel PS-Schaum, umgeben. Die Vergleichsstelle ist mit ihrer Grundfläche 9 direkt an ein thermisch zu überwachendes Gerät 10 angebracht. An mehreren Stellen des Gerätes 10 sind η Meßthermoelemente 11 vorgesehen, von denen jedes einzelne über Zuleitungen 12 jeweils thermoelektrisch mit den Vergleichsthermoelementen 7 beziehungsweise mit einer Auswerteeinrichtung 13 in Verbindung stehen. Wesentlich dabei ist, daß die Zuleitungen 12 zu den Vergleichsthermoelementen 7 und zu dem Platinwiderstandsfühler 5 durch Grundfläche 9 und Deckfläche 13 der Behälter 1 und 2 führen, und daß diese Zuleitungen 12 im Inneren des Behälters 1 auf Spulen 14 gewickelt sind, wobei die Spulenkörper 15 gegebenenfalls über weitere gut wärmeleitende Platten 16 mit dem inneren Behälter gut wärmeleitend verbunden sind.In the drawing, an embodiment of the invention is shown. According to Fig. 1, the reference junction according to the invention consists of two coaxial cylindrical containers arranged in each other, wherein the space between the inner container 1 and outer container 2 for thermal insulation air 3 includes. The spacers 4 ensure the distance between the two containers 1 and 2, they are made of poor thermal conductivity material and are designed as tips, so that they do not represent thermal bridges between the containers 1 and 2. Within the container 1 is a platinum resistance sensor 5, which is embedded in a cylindrical body 6 made of copper. Also embedded in the body 6 are arranged concentrically around the platinum resistance sensor 5 gleichabständig comparison thermocouples 7. The body 6 is located in the middle of the container 1 and is surrounded by a thermal insulation material 8, such as PS foam. The reference junction is attached with its base 9 directly to a thermally monitored device 10. At several points of the device 10, η measuring thermocouples 11 are provided, each of which is thermoelectrically connected to the comparative thermocouples 7 or to an evaluation device 13 via supply lines 12. It is essential that the leads 12 lead to the Vergleichsthermoelementen 7 and the platinum resistance sensor 5 through the base 9 and top surface 13 of the container 1 and 2, and that these leads 12 are wound inside the container 1 on coils 14, wherein the bobbin 15th optionally connected via good heat-conducting plates 16 to the inner container good thermal conductivity.

Die Wicklungen der Zuleitungen soll getrennt in Kammern auf dem Spulenkörper 15 so ausgeführt sein, daß sich die Wicklungen bezüglich Anfang 17 und Ende 18 jeder Wicklung thermisch nicht kurzschließen.The windings of the leads should be carried out separately in chambers on the bobbin 15 so that the windings do not short-circuit thermally with respect to the beginning 17 and end 18 of each winding.

Die so ausgeführte Vergleichsstelle hält die Temperatur im Inneren des Körpers 6 am Ort der Vergleichsthermoelemente 7 über einen langen Zeitraum konstant. Dabei werden Störungen von außen durch eine Reihe von Maßnahmen wirkungsvoll unterdrückt. Die Luftschicht 3 und der Isolationsstoff 8 vermindern Störungen durch Umgebungstemperaturänderungen, die konstruktive Ausführung der Spulen 14 verhindert Störungen durch Wärmeleitung über die Zuleitungen 12 und die Behälter 1 und 2, welche aus Kupfer bestehen und mit einer Chromschicht versehen sind, verhindern Störungen, welche von Wärmestrahlungsquellen verursacht werden. Die Wanddicken der Behälter 1 und 2 wurden so gewählt, daß örtliche Temperaturunterschiede durch Querableitung abgeschwächt werden. Durch Wahl derZylinderform für die Behälter 1 und 2 und den Körper 6 wird die thermische Zeitkonstante der Vergleichsstelle groß ausfallen. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Körpers 6 erreicht man ein gleiches Temperaturniveau für alle Vergleichsthermoelemente.The reference junction thus constructed keeps the temperature in the interior of the body 6 at the location of the comparison thermocouples 7 constant over a long period of time. In the process, external disturbances are effectively suppressed by a series of measures. The air layer 3 and the insulating material 8 reduce disturbances due to ambient temperature changes, the structural design of the coils 14 prevents interference by heat conduction through the leads 12 and the containers 1 and 2, which are made of copper and provided with a chromium layer, prevent interference from heat radiation sources caused. The wall thicknesses of the containers 1 and 2 were chosen so that local temperature differences are attenuated by transverse drainage. By choosing the cylinder shape for the containers 1 and 2 and the body 6, the thermal time constant of the reference junction will be large. Due to the high thermal conductivity of the body 6 to reach an equal temperature level for all Vergleichsthermoelemente.

Claims

claims:

1. Reference junction for temperature measurements by means of thermocouples, especially in multi-point measurements, consisting of two coaxial cylindrical containers, wherein between the inner and outer container, a thermal insulation material is provided, and in inner container means for measuring the absolute temperature in the reference junction, and in the Nearer comparison thermocouples are arranged for the measuring points, characterized

that the inner (1) and outer (2) container consists of a thermally highly conductive material, wherein the diameter and height of the container (1) and (2) are the same, and the outer and inner surfaces of the outer container (2) and the Outer surfaces of the inner container (1) are heat-reflecting,

in that the device (5) for measuring the absolute temperature and the comparative thermocouples (7) are embedded in the middle of a thermally highly conductive cylindrical body (6), the diameter and height of the body (6) being equal and surrounded by a thermal one Insulating material (8) is located coaxially and centrally in the inner container (1), and wherein the comparison thermocouples (7) are arranged concentrically and equidistantly around the centrally located device (5), and

in that the thermoelectric feed lines (12) which lead through the base surfaces (9) and top surfaces (13) of the containers (1) and (2) and said body (6) to the said device (5) and the comparison thermocouples (7) wound on the inner container (1) (14), wherein the bobbin (15), which has a thermally inert mass, with the inner container (1) is thermally well conductively connected, and the windings with respect to beginning (17) and end ( 18) of each winding are not thermally short-circuited.

2. reference junction according to claim 1, characterized in that the container (1) and (2) made of metal, preferably made of aluminum or copper, and are provided for heat reflection with a highly reflective layer, preferably with a layer produced by polishing the chromium plating ,

3. reference junction according to claim 1 or 2, characterized in that the body (6) consists of copper or aluminum, and the body (6) surrounding thermal insulation material (8) consists of PUR foam or PS foam.

4. cold junction according to claim 1 to 3, characterized in that between the layers and / or turns of each winding of the coil (14) thermal insulation material is introduced, or between the coil start (17) and coil end (18) a plurality of chambers are arranged.