DE102004035014A1 - Sensor array for accurate and reliable process temperature measurement, includes sensors with impedance-temperature coefficients differing in magnitude and sign - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Sensorelementen zum zuverlässigen Messen einer Temperatur.The The invention relates to an arrangement of sensor elements for reliable measurement a temperature.
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.In Today's process and process engineering become temperatures in more diverse Form measured and used for process control and regulation. It is for reasons the product and process quality as well as the operational reliability a reliable and long-term stable temperature measurement with known measurement error limits more important.
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).to Minimization of maintenance and servicing, as well as plant downtime Beyond that self-monitoring, self-correcting and redundant systems for process measurement and Control sought (M.Frei: "Overview of the current state of self-diagnosis of sensor systems for process engineering ", VDI reports no. 1608, 2001; Trilling, Stieler, Schneider: "Self-monitoring and diagnosis of Field devices, magazine 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).The common currently used in industry contact temperature measuring principles have age-related drifts and degradation of the sensor element on that raised to an Measuring errors or failures in the course of operation. Their occurrence is more random Nature and therefore unpredictable (B. Prause, A. Richter: "Aspects of Reliability and stability of thermocouples and resistance thermometers in industrial Application ", VDI reports, 1998; Xumo, Chen, Zhao: "An investigation into stability of industrial platinum resistance thermometer; Hart Scientific Inc., 2002; H. Kollmeier: "High-precision temperature measurement with Multislope A / D converter, "Shaker Verlag, 1st edition, 1996, chapter 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.Therefore is usually a regular, often too preventive calibration and adjustment of the temperature sensor performed to a tolerance band for to ensure the measurement error achieved. The time interval between two calibrations depends on permissible tolerance band and the operating conditions of the sensor. He is chosen on the basis of empirical values so that the tolerance band with big ones Probability between two successive calibrations will not leave. In most cases, this regular calibration will not leaving the permitted tolerance band because of the randomness however, the drift and degradation effects are not a better determination of the calibration interval possible. Every calibration involves considerable effort and costs because on the one hand the sensor must be removed (plant shutdown, dismantling of plant components) and second, a high accuracy reference temperature or temperature measuring device available for calibration have to be. Often exceed the accumulated calibration costs the acquisition cost of the Measuring system many times (O. Kanoun: "Novel models for calibration-free Temperature measurement with PN transitions ", progress reports VDI No. 905 chapter 2.2, VDI-Verlag, 2001). Another disadvantage this approach is that because of the randomness of drift and aging effects, such as also other errors within the measuring chain, despite a high calibration effort It can not be ruled out that it is between two calibrations leads to an unacceptable deterioration of the measurement accuracy.
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,
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.To determine these secondary parameters, however, a not inconsiderable additional effort in the sensor evaluation is necessary. Above all, it must be ensured for reliable drift or degradation monitoring that the detection of the secondary parameters is stable over the long term, reliable and robust compared to the usual, troublesome industrial environment, and their own temperature dependence is compensated. As a result, the effort to determine the secondary parameters easily exceeds that of the actual temperature measurement. A considerable difficulty is also to infer from the present secondary parameters on the current measurement error and the state of the sensor element. For this purpose, an individual adjustment or learning process on the currently connected resistance measuring element is required. By using only one sensor element temperature measurement is also possible with immediate effect after the detection of an increased measurement error or after a complete failure of the sensor element with immediate effect. These reasons cause that until the At the time of the patent application, no serial meter based on these measuring methods was available.
Eine zweite Gruppe von selbstüberwachenden Temperaturmessverfahren beruht auf der Kombination mehrerer Sensorelemente und derer paralleler Auswertung.A second group of self-monitoring Temperature measuring method is based on the combination of several sensor elements and their parallel evaluation.
Bei
den Verfahren nach WO 9808067, WO 0103099,
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).One Disadvantage of this method is that at least an initial, complex mutual calibration of the sensor combination is necessary, in which all temperature-dependent, in the subsequent measurement with included sizes above the Temperature recorded to be a reference database for later comparison with the current readings available (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.One Another disadvantage of this measurement principle is the need for Measurement and evaluation of several completely different measuring principles (e.g. Thermoelectric voltage and resistance value). This increases the complexity and susceptibility to interference the sensor evaluation, since two completely different measuring channels on the entire measuring range has a high accuracy and robustness against interference have to.
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.A redundant evaluation of two identical sensor elements (2x thermocouple, 2x platinum resistance probe) with comparison of the two measured temperatures is also known and available as an industrial sensor as a standard device. The realized here Homologous redundancy has the disadvantage of having the same measuring elements in the case of environmental effects (thermal cycles, aging) or fault conditions (e.g. Insulation error due to water in the sensor) behave similarly in the same direction and so by comparing the redundantly measured temperatures not sure a measured value drift can be detected.
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.Just in resistance temperature sensing elements, where in practice again and again isolation problems, for example, by penetrated Measuring medium in the sensor, as well as water in the sensor lines is due to the parallel to the resistance of the sensor element lying insulation resistance probable a faulty temperature measurement. Because such an insulation fault in two spatially close elements (in the same sensor protection tube) a similar one until same parallel resistance causes (common mode error), too the evaluated temperature difference of the two sensor elements stay small, although the absolute temperature measured already clear deviates from its nominal value. This leads even with arrangements several platinum resistance measuring elements of different nominal resistance (but same characteristic with positive temperature coefficient) to a bad, partly impossible detectability of a absolute temperature measurement error by comparing the measured individual temperatures.
Eine
weitere Möglichkeit,
den Kalibrationsaufwand zu reduzieren, ist der Einsatz einer sogenannten
kalibrationsfreien Temperaturmessung auf Basis von Halbleiter PN-Übergängen (
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.Here Temperature determination is based on various characteristic models the current / voltage characteristic a PN transition and the measurement of different current / voltage points this characteristic. Be based on this bevy of characteristic points all parameters of the characteristic model are determined. One parameter is doing the temperature of the barrier layer, which is then used as a temperature reading available is. By the universal validity This characteristic model can be almost any semiconductor PN junction without prior calibration with high accuracy to its temperature be evaluated.
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.there Although the methods are robust to parameter changes and scattering of the respective measured PN junction. They lead however then too unreliable Measured values, if the PN junction to be measured degrades in such a way, that his behavior (partially) no longer the underlying Characteristic model corresponds. Electrical or electromechanical Degradation within the measurement chain (e.g., electrical noise, EMC or line corrosion) also falsify the flock of measurement points so that the based on it Characteristic determination becomes inaccurate.
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.Of the Effort to record the characteristic points, as well as their further processing to a characteristic model is often considerably higher than the measurement e.g. a resistance temperature measuring element.
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.Of the Invention is based on the object, a long-term stable temperature sensor To develop, the leaving of defined measuring tolerance limits or the partial or complete Defect of the temperature measurement can detect automatically.
Von besonderer Wichtigkeit ist hierbei das zuverlässige Erkennen von Gleichtaktfehlern.From Of particular importance here is the reliable detection of common mode errors.
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.to Temperature measurement, as well as for self-monitoring, should as possible only one type of measurement signal has to be detected. This can be the sensor belonging Evaluation electronics are kept simple, reliable and cheap.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Sensoranordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand weiterer Ansprüche.The Asked object is achieved by the sensor arrangement solved according to claim 1. advantageous versions are the subject of further claims.
Die erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet mindestens zwei Sensorelemente mit temperaturabhängiger Impedanz, die innerhalb eines Sensorkopfs thermisch gekoppelt integriert sind.The inventive arrangement includes at least two sensor elements with temperature-dependent impedance, which are integrated thermally coupled within a sensor head.
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.there It should be emphasized that the temperature-dependent impedances as possible different temperature / resistance characteristics (characteristic "A" and "B") to have such a diversified Redundancy of the sensor elements to ensure.
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.The Raw sensor data from the sensor head enter the measured value processing. These are further processed here and the corresponding sensor output information (Such as a current proportional to the measuring temperature or a separate diagnostic output) generated therefrom, which then to further processing to a parent Control instance forwarded.
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.to Detection possible Errors or drift effects become the measured temperatures of all sensor elements independently determined from each other and then compared. exceeds the result of this temperature comparison defines a first Threshold, may be from a beginning degradation of the measurement be assumed. In this case, the temperature measuring system gives a warning.
Überschreitet das Vergleichsergebnis einen zweiten, höheren Schwellwert, so ist von einer fehlerhaften Temperaturmessung auszugehen. Das Temperaturmesssystem gibt einen Alarm aus.exceeds the comparison result a second, higher threshold, so is from to assume a faulty temperature measurement. The temperature measuring system gives an alarm.
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.The particular advantages of the invention are that the temperature to be measured simultaneously detected by means of several diverse Temperatunnesskanäle which can be a high discrimination of common mode errors enable, but for all measuring channels only the measurement of electrical resistance required is. As a result, the evaluation connected to the sensor head can be relative realized simply and favorably become. The synchronization of the individual measuring channels within the evaluation via, for example Temperature and operating time can be reached with minimal effort.
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).By the use of several temperature measuring channels, the invention also has the advantage on, that in case of failure of temperature measuring channels a continuing temperature measurement with the remaining intact measuring channels is possible (backup function).
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.One Another advantage of this invention is that the sensor elements with a high long-term stability available and so are the resulting evaluated measurement temperature a high long-term stability having.
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.If after a long time Time but a degradation of the sensor elements used, this is independently from the sensor recognized. This is a condition-dependent calibration, maintenance and repair of the temperature sensor possible, which gives the operator a significant advantage in the total operating costs of its plant bestowed.
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).
- • Temperature measurements in which the measured value is used for safety tasks and therefore must be available with high reliability.
- • Temperature measurements within systems where the measurement temperature has a significant impact on the quality or yield of the product being manufactured.
- • Temperature measuring points, which are very difficult or difficult to reach after installation in a system and therefore their maintenance and repair costs must be minimal.
- • Temperature measurements where a false or inaccurate measurement can have financial, environmental or health consequences.
- • Temperature measurements which, if the measurement begins to degrade, must ensure that at least a limited measuring operation remains available for a limited period of time (eg around the system in one) to bring safe condition).
Die Erfindung wird im Folgenden anhand beispielhafter Ausführungen sowie unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below by way of exemplary embodiments and with reference to drawings explained in more detail. Show it:
Eine
erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt
Die
Sensorquelle (
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 (
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 (
Eine
zweite Lösungsvariante
für einen
erfindungsgemäßen Sensorkopf
zeigt
Die
Ströme
Im1 und Im2 durch die Sensorelemente (
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.Next the advantages of the first embodiment leads here a faulty interruption one of the sensor elements not to complete failure of the sensor head, because by the parallel connection both sensor elements different Have rungs. Thus, the resistance measurement with the respective still intact measuring element will be continued.
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.A Extension of the described parallel connection by further parallel or series-connected resistive sensor elements is for those skilled in the art easily visible and possible without much effort.
Unabhängig von
der gewählten
Lösungsvariante
können
die Sensorquellen (
Unabhängig von
der gewählten
Lösungsvariante
können
durch Erweiterung der Sensordatenerfassung (
- – 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
- - Thermoelectric voltages in the sensor head and on the connecting cables between sensor head and sensor evaluation for error compensation.
- - Comparison of the in the sensor head (
1 ) flowing measuring current with the from the sensor head outflowing measuring current. - - Leakage currents between the terminals of the sensor head and its housing.
- Measurement of the self-heating effect by impressing currents of different magnitude into the temperature sensors and determining the change of their sensor data as an integrity check and to compensate for the self-heating error of the sensor elements.
- - Time gradient of the collected sensor data
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 (
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.These Arrangement is at least partially enclosed by a second material "R", the one higher thermal resistance owns and forms the interface to the medium to be measured. This second material may also be formed as a protective tube, which is for a hermetic Separation between sensor elements and measuring medium ensures.
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.Learns the Sensor head now from the medium ago a temperature gradient, this is transmitted relatively poorly by the material "R" while passing through Material "K" ensured is that the then still arriving at the measuring elements temperature gradient preferably uniformly meets both measuring elements.
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.The thermal resistances The materials "R" and "K" thus form together with the thermal capacities the sensor elements as well as the materials "R" and "K" one Type thermal low-pass, the thermal synchronization of both Sensor elements improved.
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