DE102004035014A1 - Anordnung von Sensorelementen zum zuverlässigen Messen einer Temperatur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Sensorelementen zum zuverlässigen Messen einer Temperatur. DOLLAR A Zuverlässige Temperaturmessstellen basieren bisher oft auf der Auswertung der gemessenen Temperatur unterschiedlicher physikalischer Messprinzipien wie z. B. Thermoelement/Widerstandstemperaturfühler oder Pyrometer/Thermoelement an derselben Messstelle. DOLLAR A Durch die Auswertung völlig unterschiedlicher Sensorsignale wie z. B. Thermospannung und Widerstand ist eine entsprechend aufwändige Auswerteelektronik notwendig. DOLLAR A Die neue Anordnung von Sensorelementen soll die Temperatur einer Messstelle durch Verarbeitung der Signale mehrerer Temperatur-Sensorelemente sehr zuverlässig messen können, ohne unterschiedliche Typen von Sensorsignalen auswerten zu müssen. DOLLAR A Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Temperatur einer Messstelle von mehreren Widerstandstemperatur-Messelementen (2 und 3) mit unterschiedlichem Temperaturkoeffizienten (A/B) erfasst, die thermisch gekoppelt in einem Sensorkopf (1) integriert sind. DOLLAR A Damit sind für jedes Sensorelement der Messstelle zur Auswertung lediglich Widerstandsmessungen erforderlich, während die Unterschiedlichkeit der Sensorelemente trotzdem gewahrt bleibt. DOLLAR A Die Sensordaten (4) werden einer Messwertverarbeitung (5) zugeführt, die daraus die Sensorausgangsinformationen (6) ableitet. Diese können dann von einer übergeordneten Steuerinstanz (7) weiterverarbeitet werden. DOLLAR A Zuverlässige Messung von Temperaturen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Sensorelementen zum zuverlässigen Messen einer Temperatur.
  • In der heutigen Prozess- und Verfahrenstechnik werden Temperaturen in vielfältiger Form gemessen und zur Prozess-Steuerung und -regelung eingesetzt. Dabei wird aus Gründen der Produkt- und Prozessqualität wie auch der Betriebssicherheit eine zuverlässige und langzeitstabile Temperaturerfassung mit bekannten Messfehlergrenzen immer wichtiger.
  • Zur Minimierung von Wartung und Instandhaltung, wie auch der Anlagen-Stillstandszeiten werden außerdem selbstüberwachende, selbstkorrigierende und redundante Systeme zur Prozessmessung und -Steuerung angestrebt (M.Frei: "Überblick über den aktuellen Stand der Selbstdiagnose von Sensorsystemen für die Verfahrenstechnik", VDI-Berichte Nr. 1608, 2001; Trilling, Stieler, Schneider: „Selbstüberwachung und Diagnose von Feldgeräten, Zeitschrift atp 11, 2001).
  • Die gängigen z.Zt. in der Industrie eingesetzten Kontakt-Temperaturmessprinzipien weisen alterungsbedingte Driften und Degradationen des Sensorelements auf, die zu einem erhöhten Messfehler oder zu Ausfällen im Laufe des Betriebs führen. Deren Auftreten ist von zufälliger Natur und deshalb nicht vorhersagbar (B. Prause, A. Richter: "Aspekte der Zuverlässigkeit und Stabilität von Thermoelementen und Widerstandsthermometern in der industriellen Anwendung", VDI-Berichte, 1998; Xumo, Chen, Zhao: "An investigation into stability of industrial platinum resistance thermometer; Hart Scientific Inc., 2002; H. Kollmeier: "Hochgenaue Temperaturmessung mit Multislope A/D-Umsetzer", Shaker Verlag, 1. Auflage, 1996, Kapitel 4.1.3; "How does aging affect thermistor stability?", FAQ , YSI Inc. USA; "How do thermistors fail; what are typical failure modes for thermistors?", FAQ, YSI Inc. USA).
  • Deshalb wird meist eine regelmäßige, oft auch vorbeugende Kalibration und Justage des Temperatursensors durchgeführt, um ein Toleranzband für den erzielten Messfehler sicher zu stellen. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Kalibrationen hängt vom erlaubten Toleranzband und den Einsatzbedingungen des Sensors ab. Er wird an Hand von Erfahrungswerten so gewählt, dass das Toleranzband mit großer Wahrscheinlichkeit zwischen zwei aufeinander folgenden Kalibrationen nicht verlassen wird. In den meisten Fällen wird bei dieser regelmäßigen Kalibration kein Verlassen des erlaubten Toleranzbandes festgestellt, wegen der Zufälligkeit der Drift- und Degradationseffekte ist jedoch keine bessere Bestimmung des Kalibrationsintervalls möglich. Jede Kalibration ist mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden, da zum einen der Messfühler ausgebaut werden muss (Anlagenstillstand, Abbau von Anlagenteilen) und zum anderen eine hochgenaue Referenztemperatur oder Temperaturmesseinrichtung zur Kalibration verfügbar sein muss. Oft übersteigen die akkumulierten Kalibrationskosten die Anschaffungskosten des Messsystems um ein Vielfaches (O. Kanoun: „Neuartige Modelle zur kalibrationsfreien Temperaturmessung mit pn-Übergängen", Fortschritt-Berichte VDI Nr. 905 Kapitel 2.2, VDI-Verlag, 2001). Ein weiterer Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass wegen der Zufälligkeit der Drift- und Alterungseffekte, wie auch anderer Fehler innerhalb der Messkette, trotz eines hohen Kalibrationsaufwands nicht ausgeschlossen werden kann, dass es zwischen zwei Kalibrationen zu einer unakzeptablen Verschlechterung der Messgenauigkeit kommt.
  • Es sind nun verschiedene Temperaturmessverfahren und Sensoranordnungen bekannt, die eine Aussage über den aktuellen Messfehler und den Zustand des Sensorelements zulassen. Eine ganze Reihe dieser Anordnungen basiert auf Sensorelementen nach dem Widerstandsthermometer-Prinzip. Dabei werden an einem einzelnen Sensorelement neben seinem temperaturabhängigen Widerstand auch weitere sogenannte Sekundär-Parameter wie z.B. Isolationswiderstand zum Gehäuse, Spannung zwischen Widerstand und Gehäuse, Self-Heating-Index, usw. gemessen. Aus diesen Werten wird dann der eigentliche Temperatur-Messwert, wie auch eine Schätzung des Sensorzustands und des aktuellen Messfehlers abgeleitet (WO 0011524, WO 0023776, US 5828567 ).
  • Zur Bestimmung dieser Sekundärparameter ist jedoch ein nicht unerheblicher Mehraufwand in der Sensorauswertung notwendig. Vor allem muss für eine zuverlässige Drift- oder Degradationsüberwachung sichergestellt werden, dass die Erfassung der Sekundärparameter langzeitstabil, zuverlässig und gegenüber dem üblichen, störenden Industrieumfeld robust erfolgt, sowie deren eigene Temperaturabhängigkeit kompensiert wird. Dadurch übersteigt der Aufwand zur Bestimmung der Sekundärparameter leicht den der eigentlichen Temperaturmessung. Eine erhebliche Schwierigkeit liegt außerdem darin, aus den vorliegenden Sekundärparametern auf den aktuellen Messfehler und den Zustand des Sensorelements zu schließen. Hierzu ist ein individueller Abgleich- bzw. Lernvorgang auf das gerade angeschlossene Widerstands-Messelement erforderlich. Durch die Verwendung nur eines Sensorelements ist außerdem nach der Detektion eines erhöhten Messfehlers oder nach einem kompletten Ausfall des Sensorelements mit sofortiger Wirkung keine Temperaturmessung mehr möglich. Diese Gründe führen dazu, dass bis zum Zeitpunkt der Patentanmeldung kein Serien-Messgerät auf Basis dieser Messverfahren verfügbar war.
  • Eine zweite Gruppe von selbstüberwachenden Temperaturmessverfahren beruht auf der Kombination mehrerer Sensorelemente und derer paralleler Auswertung.
  • Bei den Verfahren nach WO 9808067, WO 0103099, US 6473708 und EP 0775897 werden Kombinationen von Thermoelementen mit anderen Temperaturmessprinzipien vorgeschlagen, um die begrenzte Langzeitstabilität einer Thermoelementmessung zu verbessern bzw. um deren Drifteffekte detektieren zu können. Thermoelemente weisen z.B. gegenüber Platinwiderstands-Messelementen in vielen Anwendungen ein schlechteres Langzeitverhalten auf, so dass eine zuverlässige und stabile Messung der Temperatur nur über relativ kurze Zeiträume möglich ist. Gegenüber einer reinen, einzelnen Thermoelementmessung werden jedoch durch eine Schätzung der Temperatur aus mehreren Sensorwerten über eine längere Zeit kleinere Messfehler erzielt. Außerdem kann eine Überschreitung des Messfehlers erkannt werden.
  • Ein Nachteil dieser Methode ist, dass zumindest eine anfängliche, aufwändige gegenseitige Kalibration der Fühlerkombination erforderlich ist, bei der alle temperaturabhängigen, in die spätere Messung mit einbezogenen Größen über der Temperatur erfasst werden, um eine Referenzdatenbasis zum späteren Vergleich mit den aktuellen Messwerten zur Verfügung zu haben (D. A. Barberree: "Dynamically Self-Validating Contact Temperature Sensors", AccuTru International Corporation, 1996).
  • Ein weiterer Nachteil dieses Messprinzips ist die Notwendigkeit zur Messung und Auswertung mehrerer völlig unterschiedlicher Messprinzipien (z.B. Thermospannung und Widerstandswert). Hierdurch steigt die Komplexität und Störanfälligkeit der Sensorauswertung an, da zwei völlig unterschiedliche Messkanäle über den gesamten Messbereich eine hohe Genauigkeit und Robustheit gegenüber Störungen aufweisen müssen.
  • Eine redundante Auswertung zweier gleicher Fühlerelemente (2x Thermoelement, 2x Platinwiderstandsfühler) mit Vergleich der beiden gemessenen Temperaturen ist ebenfalls bekannt und als industrieller Sensor als Seriengerät verfügbar. Die hier realisierte homologe Redundanz hat den Nachteil, dass sich die gleichen Messelemente bei Umwelteinwirkungen (Thermalzyklen, Alterung) oder bei Fehlerzuständen (z.B. Isolationsfehler durch Wasser im Messfühler) ähnlich gleichsinnig verhalten und sich so durch ein Vergleich der redundant gemessenen Temperaturen nicht sicher eine Messwertdrift detektieren lässt.
  • Gerade bei Widerstands-Temperaturmesselementen, bei denen in der Praxis immer wieder Isolationsprobleme beispielsweise durch eingedrungenes Messmedium im Fühler, wie auch Wasser in den Fühlerleitungen auftreten, ist durch den parallel zum Widerstand des Sensorelements liegenden Isolationswiderstand eine fehlerhafte Temperaturmessung wahrscheinlich. Da ein solcher Isolationsfehler bei zwei räumlich nahe liegenden Elementen (im gleichen Fühlerschutzrohr) einen ähnlichen bis gleichen Parallelwiderstand hervorruft (Gleichtaktfehler), wird auch die ausgewertete Temperaturdifferenz der beiden Fühlerelemente klein bleiben, obwohl die absolut gemessene Temperatur bereits deutlich von ihrem Sollwert abweicht. Dies führt selbst bei Anordnungen mit mehreren Platin-Widerstandmesselementen unterschiedlichen Nennwiderstands (aber gleicher Kennliniencharakteristik mit positivem Temperaturkoeffizient) zu einer schlechten, zum Teil unmöglichen Detektierbarkeit eines absoluten Temperaturmessfehlers durch Vergleich der gemessenen Einzeltemperaturen.
  • Eine weitere Möglichkeit, den Kalibrationsaufwand zu reduzieren, ist der Einsatz einer sogenannten kalibrationsfreien Temperaturmessung auf Basis von Halbleiter PN-Übergängen ( DE 19710829 ; US 5982221 ; US 5195827 ; O. Kanoun: "Kalibrationsfreie Temperaturmessung auf Basis von bipolaren Transistoren, neue Perspektiven für die Messtechnik", Zeitschrift tm 4/2002, Oldenburg Verlag, 2002).
  • Hier erfolgt die Temperaturbestimmung auf Basis verschiedener Kennlinien-Modelle der Strom-/Spannungskennlinie eines PN-Übergangs und der Messung verschiedener Strom-/Spannungspunkte dieser Kennlinie. Auf Basis dieser Schar von Kennlinienpunkte werden alle Parameter des Kennlinienmodells ermittelt. Ein Parameter ist dabei die Temperatur der Sperrschicht, die dann als Temperatur-Messwert verfügbar ist. Durch die universelle Gültigkeit dieses Kennlinienmodells kann nahezu jeder beliebige Halbleiter PN-Übergang ohne vorherige Kalibration mit hoher Genauigkeit auf seine Temperatur hin ausgewertet werden.
  • Dabei zeigen sich die Verfahren zwar robust gegenüber Parameterveränderungen und -streuung des jeweiligen gemessenen PN-Übergangs. Sie führen jedoch dann zu unzuverlässigen Messwerten, wenn der zu messende PN-Übergang derart degradiert, dass sein Verhalten (teilweise) nicht mehr dem zu Grunde liegenden Kennlinienmodell entspricht. Elektrische oder elektromechanische Degradationen innerhalb der Messkette (z.B. elektrische Störungen, EMV oder Leitungskorrosion) können ebenfalls die Schar von Messpunkte so verfälschen, dass die darauf basierende Kennlinienbestimmung ungenau wird.
  • Der Aufwand zur Aufnahme der Kennlinienpunkte, wie auch deren Weiterverarbeitung zu einem Kennlinienmodell ist dabei oft erheblich höher, als die Messung z.B. eines Widerstands-Temperaturmesselements.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen langzeitstabilen Temperatursensor zu entwickeln, der das Verlassen definierter Messtoleranzgrenzen oder den teil- oder vollständigen Defekt der Temperaturmessung automatisch detektieren kann.
  • Von besonderer Wichtigkeit ist hierbei das zuverlässige Erkennen von Gleichtaktfehlern.
  • Zur Temperaturmessung, wie auch zur Selbstüberwachung, soll möglichst nur ein Typ von Messsignal erfasst werden müssen. Damit kann die zum Sensor gehörende Auswerteelektronik einfach, zuverlässig und günstig gehalten werden.
  • Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Sensoranordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet mindestens zwei Sensorelemente mit temperaturabhängiger Impedanz, die innerhalb eines Sensorkopfs thermisch gekoppelt integriert sind.
  • Dabei ist hervorzuheben, dass die temperaturabhängigen Impedanzen möglichst unterschiedliche Temperatur-/Widerstandskennlinien (Kennlinie "A" und "B") aufweisen, um so eine diversitäre Redundanz der Fühlerelemente zu gewährleisten.
  • Die Sensorrohdaten aus dem Sensorkopf gelangen in die Messwertverarbeitung. Diese werden hier weiterverarbeitet und die entsprechenden Sensorausgangsinformationen (wie beispielsweise einen der Messtemperatur proportionalen Strom oder ein separater Diagnoseausgang) daraus erzeugt, die dann zur weiteren Verarbeitung an eine übergeordnete Steuerinstanz weitergeleitet werden.
  • Zur Detektion möglicher Fehler oder Drifteffekte werden die gemessenen Temperaturen aller Sensorelemente unabhängig voneinander bestimmt und dann miteinander verglichen. Übersteigt das Ergebnis dieses Temperaturvergleichs einen ersten definierten Schwellwert, kann von einer beginnenden Degradation der Messung ausgegangen werden. In diesem Falle gibt das Temperaturmesssystem eine Warnung aus.
  • Überschreitet das Vergleichsergebnis einen zweiten, höheren Schwellwert, so ist von einer fehlerhaften Temperaturmessung auszugehen. Das Temperaturmesssystem gibt einen Alarm aus.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die zu messende Temperatur gleichzeitig mittels mehrerer diversitärer Temperatunnesskanäle erfasst werden kann, die eine hohe Diskriminierung von Gleichtaktfehlern ermöglichen, aber dazu bei allen Messkanälen lediglich die Messung des elektrischen Widerstands erforderlich ist. Dadurch kann die am Sensorkopf angeschlossene Auswertung relativ einfach und günstig realisiert werden. Der Gleichlauf der einzelnen Messkanäle innerhalb der Auswertung über beispielsweise Temperatur und Betriebszeit wird so mit minimalem Aufwand erreichbar.
  • Durch die Verwendung mehrerer Temperaturmesskanäle weist die Erfindung außerdem den Vorzug auf, dass bei Ausfall von Temperaturmesskanälen eine weiterlaufende Temperaturmessung mit den noch verbliebenen intakten Messkanälen möglich ist (Backup-Funktion).
  • Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass die Sensorelemente mit einer hohen Langzeitstabilität verfügbar sind und so auch die daraus resultierende ausgewertete Messtemperatur eine hohe Langzeitstabilität aufweist.
  • Falls nach längerer Zeit doch eine Degradation der Sensorelemente einsetzt, wird dies vom Sensor selbständig erkannt. Damit ist eine zustandsabhängige Kalibration, Wartung und Instandsetzung des Temperatursensors möglich, die dem Betreiber einen wesentlichen Vorteil bei den Gesamt-Betriebskosten seiner Anlage beschert.
  • Die Erfindung eignet sich insbesondere für folgende Anwendungsgebiete:
    • • Temperaturmessungen, bei denen der Messwert für Sicherheitsaufgaben herangezogen wird und deshalb hochzuverlässig verfügbar sein muss.
    • • Temperaturmessungen innerhalb von Anlagen bei denen die Messtemperatur einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität oder die Ausbeute des hergestellten Produkts hat.
    • • Temperaturmessstellen, die nach dem Einbau in einer Anlage nur sehr schwer oder mit großem Aufwand erreichbar sind und deshalb deren Wartungs- und Instandhaltungsaufwand minimal sein muss.
    • • Temperaturmessungen, bei denen eine falsche oder ungenaue Messung finanzielle, ökologische oder gesundheitliche Folgen haben kann.
    • • Temperaturmessungen, bei denen bei einer beginnenden Degradation der Messung sichergestellt sein muss, dass für einen beschränkten Zeitraum ein mindestens eingeschränkter Messbetrieb verfügbar bleibt (z.B. um die Anlage in einen sicheren Zustand zu bringen).
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand beispielhafter Ausführungen sowie unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild der zuvor beschriebenen allgemeinen Sensoranordnung
  • 2 ein Detail einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Reihenschaltung
  • 3 ein Detail einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Parallelschaltung
  • 4 ein beispielhafter mechanischer Aufbau des Sensorkopfs
  • 1 zeigt die grundsätzliche erfindungsgemäße Sensoranordnung. Innerhalb eines Sensorkopfs (1) sind Widerstands-Messelemente (2 und 3) mit ihren unterschiedlichen Widerstands-/Temperaturkennlinien A und B thermisch gekoppelt integriert. Ihre Sensor-Rohdaten (4) werden in der Messwertverarbeitung (5) weiterverarbeitet und daraus die Sensorausgangsinformationen (6) gebildet, die einer übergeordneten Steuerinstanz (7) zur Verfügung gestellt werden.
  • Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt 2. Hier ist ein Widerstandstemperatur-Sensorelement mit negativem Temperaturkoeffizient (9) mit einem Widerstandstemperatur-Sensorelement mit positivem Temperaturkoeffizient (8) in Reihenschaltung verschaltet. Beide Temperaturfühler sind thermisch miteinander gekoppelt in einem Sensorkopf (1) integriert. Die Verbindung zur Messwertverarbeitung (5) erfolgt über eine 4- oder 5-polige Verbindung.
  • Die Sensorquelle (15) treibt einen Messstrom (13) durch die temperaturabhängigen Widerstände der Sensorelemente (8/9). Die an den Sensorelementen abfallenden Spannungen (14) können über elektrische Anschlüsse von der Messwertverarbeitung (5) abgegriffen werden. Bei Verwendung der gängigen 3- bzw. 4-Leiter Widerstandsmesstechnik gehen Leitungswiderstände RI1..RI4 (10 ... 13) dieser Verbindungsleitungen nicht in das Messergebnis verfälschend mit ein.
  • Eine Erweiterung der erfindungsgemäßen Reihenschaltung zweier Sensorelemente um weitere in Reihe geschalteter resistiver Sensorelemente, ist für den Fachmann leicht ersichtlich. Ebenso ist für den Fachmann leicht ersichtlich, dass die Reihenfolge der beiden Sensorelemente (8/9) innerhalb der vom Messstrom Im (13) durchflossenen Reihenschaltung beliebig sein kann.
  • Vorteilhaft ist bei dieser Sensoranordnung, dass durch die unterschiedlichen Vorzeichen der Temperaturkoeffizienten der Widerstands-Messelemente eine sehr gute Diskriminierung von Gleichtakt-Messfehlern erreichbar ist. Durch die Reihenschaltung kann außerdem die Anzahl der Verbindungsleitungen zwischen Sensorkopf (1) und Messwertverarbeitung (5) reduziert werden.
  • Eine zweite Lösungsvariante für einen erfindungsgemäßen Sensorkopf zeigt 3. Hier werden im Gegensatz zu 2 die Temperatur-Widerstandsmesselemente (8/9) in einer Parallelschaltung kombiniert. Auch hier weisen beide Messelemente vorzeichenverschiedene Temperaturkoeffizienten auf und sind thermisch gekoppelt.
  • Die Ströme Im1 und Im2 durch die Sensorelemente (13) werden von den beiden Sensorquellen (15) getrieben. Die Spannungsabfälle über den Sensorelementen (14) werden wiederum von der Messwertverarbeitung (5) abgegriffen.
  • Neben den Vorteilen der ersten Ausgestaltung führt hier eine fehlerhafte Unterbrechung eines der Sensorelemente nicht zum kompletten Ausfall des Sensorkopfs, da durch die Parallelschaltung beide Sensorelemente unterschiedliche Strompfade haben. So kann die Widerstandsmessung mit dem jeweils noch intakten Messelement fortgesetzt werden.
  • Eine Erweiterung der beschriebenen Parallelschaltung um weitere parallel oder in Serie geschaltete resistive Sensorelemente, ist für den Fachmann leicht ersichtlich und ohne größeren Aufwand möglich.
  • Unabhängig von der gewählten Lösungsvariante können die Sensorquellen (15) auch über Schaltelemente (16) geschaltet betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass die Eigenerwärmung der Sensorelemente (8/9) durch Pulsbetrieb verringert wird und bei Teildefekten im Sensorkopf durch entsprechendes Schalten der Sensorquellen ein teilweiser Weiterbetrieb ermöglicht wird (Redundanzumschaltung).
  • Unabhängig von der gewählten Lösungsvariante können durch Erweiterung der Sensordatenerfassung (5) noch beispielsweise folgende sekundäre Messdaten des Sensorkopfes (1) zur Verbesserung der Messgenauigkeit, der Verminderung der Ansprechzeit des Sensors oder zur Erweiterung der Drift- und Fehlerüberwachung erfasst werden:
    • – Thermospannungen im Sensorkopf und auf den Verbindungsleitungen zwischen Sensorkopf und Sensorauswertung zur Fehlerkompensation.
    • – Vergleich des in den Sensorkopf (1) einfließenden Messstroms mit dem aus dem Sensorkopf ausfließenden Messstrom.
    • – Leckströme zwischen den Anschlüssen des Sensorkopfs und dessen Gehäuse.
    • – Messung des Selbsterwärmungseffektes durch Einprägen verschieden großer Ströme in die Temperaturfühler und Bestimmung der Änderung ihrer Sensordaten als Integritätskontrolle und zur Kompensation des Selbst erwärmungsfehlers der Fühlerelemente.
    • – Zeitlicher Gradient der erfassten Sensordaten
  • Unabhängig von der gewählten Ausgestaltung der Erfindung muss dafür gesorgt werden, dass beide Messelemente einen möglichst guten thermischen Gleichlauf haben, damit auch bei Temperaturgradienten am Sensorkopf die beiden gemessenen Elementtemperaturen nicht auseinander laufen und so die Messwertauswertung (5) fälschlicherweise eine Degradation der Sensorelemente detektieren würde. Dies kann dadurch erreicht werden, dass entsprechend 4 die beiden Messelemente räumlich nahe in ein Material „K" mit relativ geringem Wärmewiderstand und/oder hoher thermischer Kapazität eingebettet werden. Dadurch ist eine gute thermische Kopplung zwischen den beiden Sensorelementen sichergestellt. Die räumliche Anordnung der Sensorelemente kann dabei sowohl nebeneinander (wie in 4) als auch hintereinander im Sensorkopf erfolgen und ist abhängig von der jeweiligen Anwendung (z.B. Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums) oder geometrischen Ausgestaltung des Sensorkopfs.
  • Diese Anordnung wird von einem zweiten Material „R" zumindest teilweise umschlossen, das einen höheren Wärmewiderstand besitzt und die Schnittstelle zum zu messenden Medium bildet. Dieses zweite Material kann auch als Schutzrohr ausgebildet sein, das für eine hermetische Trennung zwischen Sensorelementen und Messmedium sorgt.
  • Erfährt der Sensorkopf nun vom Medium her einen Temperaturgradienten, wird dieser durch das Material „R" verhältnismäßig schlecht übertragen, während durch Material „K" dafür gesorgt ist, dass der dann noch an den Messelementen ankommende Temperaturgradient möglichst uniform beide Messelemente trifft.
  • Die thermischen Widerstände der Materialien „R" und „K" bilden so zusammen mit den thermischen Kapazitäten der Sensorelemente wie auch der Materialien „R" und "K" eine Art thermischen Tiefpass, der den thermischen Gleichlauf beiden Sensorelemente verbessert.
  • Zitierte Nichtpatentliteratur:
    • 1. M.Frei: "Überblick über den aktuellen Stand der Selbstdiagnose von Sensorsystemen für die Verfahrenstechnik", VDI-Berichte Nr. 1608, 2001
    • 2. O. Kanoun: "Neuartige Modelle zur kalibrationsfreien Temperaturmessung mit PN-Übergängen", VDI Fortschritt-Berichte Reihe 8 Nr. 905, VDI-Verlag, 2001, Kapitel 2.2
    • 3. O. Kanoun: "Kalibrationsfreie Temperaturmessung auf Basis von bipolaren Transistoren, neue Perspektiven für die Messtechnik", tm 4/2002, Oldenburg Verlag, 2002
    • 4. D. A. Barberree: "Dynamically Self-Validating Contact Temperature Sensors", AccuTru International Corporation
    • 5. B. Prause, A. Richter: "Aspekte der Zuverlässigkeit und Stabilität von Thermoelementen und Widerstandsthermometern in der industriellen Anwendung", VDI-Berichte 1998
    • 6. Xumo, Chen, Zhao: "An investigation into stability of industrial platinum resistance thermometer, Hart Scientific Inc.
    • 7. H. Kollmeier: "Hochgenaue Temperaturmessung mit Multislope A/D-Umsetzer", Shaker Verlag, 1996, Kapitel 4.1.3
    • 8. "How does aging affect thermistor stability?", FAQ , YSI Inc. USA
    • 9. "How do thermistors fail; what are typical failure modes for thermistors?", FAQ, YSI Inc. USA
    • 10. Trilling, Stieler, Schneider: „Selbstüberwachung und Diagnose von Feldgeräten", atp 11, 2001

Claims (10)

  1. Anordnung von mehreren Sensorelementen zum zuverlässigen Messen einer Temperatur dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorelemente – temperaturabhängige elektrische Impedanzen aufweisen, die sich im Temperaturkoeffizienten (A/B) unterscheiden und – thermisch miteinander und mit dem zu messenden Medium gekoppelt in einem Sensorkopf integriert sind.
  2. Anordnung aus Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – der Temperaturkoeffizient der elektrischen Impedanz mindestens eines Sensorelements ein negatives Vorzeichen aufweist, – während mindestens ein weiteres Sensorelement einen positiven Temperaturkoeffizienten der elektrischen Impedanz besitzt.
  3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass – die temperaturabhängigen Impedanzen in einer elektrischen Reihenschaltung angeordnet sind (2) und – die Spannungsabfälle bei Bedarf über jeder einzelnen Impedanz über einen elektrischen Anschluss zur Auswertung elektrisch abgreifbar sind.
  4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass – die temperaturabhängigen Impedanzen in einer elektrischen Parallelschaltung angeordnet sind (3) und – die Spannungsabfälle bei Bedarf über jeder einzelnen Impedanz über einen elektrischen Anschluss zur Auswertung elektrisch abgreifbar sind.
  5. Anordnung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass – die einzelnen parallelen Schaltungspfade separat durch entsprechende Schaltelemente ein- und ausgeschaltet werden können.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5 dadurch gekennzeichnet, dass – neben den temperaturabhängigen Impedanzen weitere, sekundäre Kenngrößen der Sensorelemente erfasst werden wie beispielsweise Thermospannungen zwischen den verschiedenen elektrischen Anschlüssen des Sensorkopfs, – Ströme und Spannungen zwischen den Sensorelementen und dem Sensorgehäuse, – Impedanzänderung durch Selbsterwärmung hervorgerufen durch unterschiedlich große Sensorströme, – Vergleich und Bilanz der in die Anordnung ein- und ausfließenden elektrischen Ströme, – Bestimmung der Leitungswiderstände zwischen Sensorkopf und Sensorauswertung oder – zeitliches Verhalten der einzelnen Messelement-Temperaturen bei Temperaturgradienten.
  7. Sensorauswertung zu einer der Anordnungen aus den Ansprüchen 1-6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Fehlmessung wie beispielsweise Drift, Degradation oder ein vollständiger Defekt der Sensorelemente erkannt werden kann durch: – Vergleich der separat erfassten Temperaturen der einzelnen Sensorelemente und/oder – Vergleich der sekundären Kenngrößen entsprechend Anspruch 6 und/oder – Vergleich der gemessenen Daten der Sensorelemente mit einem bereits der Auswertung bekannten Referenzdatensatz.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensorelemente in ein erstes Material (K) eingebettet sind, das einen relativ niederen thermischen Widerstand aufweist und diese Anordnung – von einem zweiten Material (R) mindestens teilweise umschlossen ist, das einen im Vergleich zum ersten Material höheren thermischen Widerstand aufweist und die thermische Verbindung zum Messmedium herstellt.
  9. Anordnung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Material (K) zusätzlich eine relativ hohe thermische Kapazität aufweist und so mit dem zweiten Material (R) einen „thermischen Tiefpass" bildet.
  10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensorelemente durch eine Schutzschicht, wie beispielsweise ein Schutzrohr, vom Messmedium getrennt sind.
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