DE102004058931A1

DE102004058931A1 - Temperatur-Messsystem und Temperaturmessverfahren

Info

Publication number: DE102004058931A1
Application number: DE102004058931A
Authority: DE
Inventors: Jens Hartmann; Ulrich Dr. Hetzler
Original assignee: IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG; Isabellen Huette GmbH
Current assignee: IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG; Isabellen Huette GmbH
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2006-06-08
Also published as: US20060153276A1; EP1669732A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Temperatur-Messsystem (1) mit einem Temperatursensor (2), der in Abhängigkeit von einer zu messenden Temperatur entsprechend einer sensorspezifischen Messkennlinie ein Temperaturmesssignal erzeugt, sowie mit einem Korrekturglied (4), das dem Temperatursensor (2) nachgeschaltet ist und aus dem Temperaturmesssignal entsprechend einer Korrekturkennlinie ein korrigiertes Temperaturmesssignal bestimmt, das in einem Toleranzfeld einer vorgegebenen Normkennlinie liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Temperatur-Messsystem und ein zugehöriges Temperaturmessverfahren gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche.

Es ist bekannt, zur Temperaturmessung Thermoelemente einzusetzen, die in Abhängigkeit von der zu messenden Temperatur eine elektrische Thermospannung erzeugen, was auf. dem sogenannten Seebeck-Effekt beruht. Derartige Thermoelemente bestehen aus zwei Leitern mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, die zu einem Stromkreis verbunden sind. Falls die beiden Verbindungsstellen der beiden Leiter auf unterschiedlichen Temperaturniveaus liegen, entsteht eine thermoelektrische Spannung, die ein direktes Maß für die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Verbindungsstellen ist. Derartige Thermoelemente für die Temperaturmessung sind beispielsweise in der technischen Norm IEC 60584 genormt, wobei diese Norm die Temperaturabhängigkeit der Thermospannung in Form einer Kennlinie angibt und ein zulässiges Toleranzfeld von ±2,5 K oder ±0,75 % definiert. Die Norm IEC 60584 ist jedoch lediglich ein Beispiel von vielen technischen Normen in diesem Bereich.

Nachteilig an den vorstehend beschriebenen bekannten Thermoelementen zur Temperaturmessung ist die Tatsache, dass ein großer Herstellungsaufwand erforderlich ist, damit die Temperaturabhängigkeit der Thermospannung möglichst exakt den vorgegebenen technischen Normen entsprechen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem Temperatur-Messsystem mit einem Thermoelement den Herstellungsaufwand zu verringern, der zur Einhaltung der vorgegebenen technischen Normen erforderlich ist. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit zu erhöhen, die mit einem vorgegebenen Herstellungsaufwand realisierbar ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Temperaturmessverfahren anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Temperatur-Messsystem bzw. ein Temperaturmessverfahren gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, die Einhaltung der technischen Normen nicht durch eine möglichst exakte und damit aufwändige Herstellung des Thermoelements mit einer definierten Temperaturabhängigkeit der erzeugten Thermospannung zu erreichen, sondern durch ein nachgeschaltetes Korrekturglied, das die von dem Thermoelement erzeugte Thermospannung entsprechend einer sensorspezifischen Korrekturkennlinie so korrigiert, dass die vorgegebenen technischen Normen bezüglich der frei wählbaren normierten Thermoelementtypen eingehalten werden bzw. verbleibende Abweichungen nochmals reduziert werden.

Dies ermöglicht vorteilhaft eine kostengünstige Herstellung des Thermoelements als analogem Signalgeber, bestehend aus nahezu allen beliebigen Materialien, die nur noch die metallurgischen und mechanischen Forderungen, wie thermoelektrische Zeitstabilität, Homogenität, Oxidationsbeständigkeit, erfüllen müssen, nicht jedoch thermo-elektrischen Normen entsprechen müssen, da die Sensorstreuungen der Temperaturabhängigkeit sensorspezifisch durch das nachgeschaltete Korrektur glied entsprechend der Korrekturkennlinie ausgeglichen werden.

Das erfindungsgemäße Temperatur-Messsystem bildet hierbei vorzugsweise eine untrennbare Einheit mit dem Temperatursensor und dem nachgeschalteten Korrekturglied.

Da eine Temperaturmessung mit einem Thermoelement immer eine relative Temperaturmessung ist, muss die eine Seite des Thermoelements herkömmlicherweise auf eine sogenannte Vergleichstemperatur gebracht werden. Diese Vergleichstemperatur wird üblicherweise mit einem zusätzlichen Temperatursensor gemessen. Bei der Erfindung kann diese zusätzliche Messung entfallen, wenn der zum Einsatz kommende ASIC eine interne Temperaturmessung beinhaltet, die dann als Vergleichsstellentemperatur benutzt werden kann.

Das erfindungsgemäße Temperatur-Messsystem weist als Temperatursensor vorzugsweise ein Thermoelement auf, das bereits vorstehend erwähnt wurde und an sich bekannt ist. Die Erfindung lässt sich jedoch in gleicher Weise auch mit anderen Typen von Temperatursensoren realisieren, wie beispielsweise temperaturabhängigen Widerständen (z.B. PTCs, NTCs). Die Erfindung ist also nicht auf Temperatur-Messsysteme beschränkt, bei denen als Temperatursensor ein Thermoelement zum Einsatz kommt, sondern umfasst auch Temperatur-Messsysteme, bei denen als Temperatursensor ein temperaturabhängiger Widerstand verwendet wird.

Vorzugsweise ist zwischen dem Temperatursensor und dem Korrekturglied ein Analog/Digital-Wandler angeordnet, der die in analoger Form vorliegende Thermospannung und ggf. das Messsignal der Vergleichstemperatur in ein entsprechendes Digitalsignal umwandelt, das dann in dem digital arbeitenden Kor rekturglied verarbeitet wird. Die digitale Verarbeitung des Temperaturmesssignals in dem Korrekturglied ermöglicht eine einfache Korrektur entsprechend der vorgegebenen Korrekturkennlinie.

In einer Variante der Erfindung mit einem digitalen Korrekturglied ist dem Korrekturglied ein Digital/Analog-Wandler nachgeschaltet, der das digitalisierte und korrigierte Temperaturmesssignal wieder in ein analoges Signal umwandelt, das dann in herkömmlicher Weise als Messsignal zur Verfügung steht. Beispielsweise kann das von dem Digital/Analog-Wandler erzeugte analoge Signal ein Stromsignal im Bereich von 0-20 mA oder 4-20 mA oder ein Spannungssignal im Bereich von 0-5 V oder 0-10 V ist.

In einer anderen Variante der Erfindung mit einem digitalen Korrekturglied ist dem Korrekturglied dagegen ein Bustreiber nachgeschaltet, der an einen digitalen Datenbus (z.B. USB, RS242, RS485, CAN, LIN, Profi-Bus, DIN-Bus, Ethernet) anschließbar ist und eine digitale Messsignalverarbeitung der ausgegebenen Temperatur oder der korrigierten Thermospannung ermöglicht.

Vorzugsweise ist die Korrekturkennlinie in dem Korrekturglied einstellbar, um eine Anpassung an die sensorspezifische Messkennlinie des jeweiligen Temperatursensors zu ermöglichen. Hierzu wird vorzugsweise werksseitig die tatsächliche Messkennlinie des Temperatursensors gemessen, woraus dann die Korrekturkennlinie errechnet werden kann, die zur Korrektur erforderlich ist, damit das korrigierte Temperaturmesssignal in einem vorgegebenen Toleranzfeld der Normkennlinie liegt. Die Einstellung der Korrekturlinie erfolgt also vorzugsweise herstellerseitig im Rahmen eines vorgeschalteten Kalibriervorgangs vor dem eigentlichen Messbetrieb.

Es ist jedoch auch möglich, dass die Korrekturkennlinie nach der Auslieferung während des Messbetriebs an eine alterungsbedingte Änderung der sensorspezifischen Messkennlinie angepasst wird. So unterliegen Thermoelemente der Alterung aufgrund von Oxidation, Diffusion, Verunreinigung und Änderungen in der Gitterstruktur. Derartige Alterungserscheinungen wirken sich auch auf die tatsächliche Messkennlinie aus, was im laufenden Messbetrieb durch eine entsprechende Anpassung der Korrekturkennlinie kompensiert werden kann. Darüber hinaus kann die Korrekturkennlinie auch unabhängig von sensorspezifischen oder alterungsbedingten Abweichungen geändert werden, um eine Anpassung an eine andere Normkennlinie zu erreichen.

Besonders vorteilhaft an der Erfindung ist die Möglichkeit, kostengünstige Materialien als Leiter des Thermoelements einzusetzen, wie beispielsweise Nickel oder wärmebeständigen Stahl.

Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für das Thermoelement, bei dem die Bauteilstreuung der Messkennlinie des Temperatursensors größer sein kann als die Toleranz der vorgegebenen Normkennlinie.

Ferner ist zu erwähnen, dass vorzugsweise der Temperatursensor, der Analog/Digital-Wandler, das Korrekturglied, der Digital/Analog-Wandler und/oder der Bustreiber in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und/oder eine untrennbare Einheit bilden.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Temperatur-Messsystems sowie
2 ein Blockschaltbild eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Temperatur-Messsystems.
Das Blockschaltbild in 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Temperatur-Messsystems 1, das als Temperatursensor ein Thermoelement 2 aufweist, das zwei elektrische Leiter aus unterschiedlichen Materialien aufweist, die an zwei Verbindungsstellen zu einem Stromkreis verbunden sind. Eine der beiden Verbindungsstellen wird hierbei mit einem weiteren Temperatursensor gemessen, während die andere Verbindungsstelle der zu messenden Temperatur ausgesetzt wird, so dass das Thermoelement 2 aufgrund des bekannten Seebeck-Effekts eine Thermospannung U_TH erzeugt, die ein direktes Maß für die Temperaturdifferenz und damit für die zu messende Temperatur ist.
Die in analoger Form vorliegende Thermospannung U_TH wird anschließend einem Analog/Digital-Wandler 3 zugeführt, der ein digitalisiertes Spannungssignal M_DIG erzeugt, das die Thermospannung U_TH und damit auch die zu messende Temperaturdifferenz in digitaler Form wiedergibt.
Das digitalisierte Spannungssignal M_DIG wird dann einem Korrekturglied 4 zugeführt, das aus dem digitalisierten Spannungssignal M_DIG und der parallel gemessenen Vergleichsstellentemperatur entsprechend einer vorgegebenen Korrekturkennlinie ein korrigiertes Spannungssignal M_KOR erzeugt, das die gemessene Temperatur entsprechend dem gewählten Thermoelementtyp und entsprechend der gewählten technischen Norm (z.B. IEC 60584) wiedergibt.
Schließlich wird das korrigierte Spannungssignal M_KOR einem Digital/Analog-Wandler 5 zugeführt, der ein herkömmliches analoges Spannungssignal U_OUT erzeugt, das in der üblichen Weise wie bei den herkömmlichen Thermoelementen ausgewertet werden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass der Digital/Analog-Wandler 5 ein analoges Stromsignal erzeugt, das die gemessene Temperaturdifferenz wiedergibt.
Das Korrekturglied 4 arbeitet hierbei digital und korrigiert das digitalisierte Spannungssignal M_DIG entsprechend einer vorgegebenen Korrekturkennlinie, die zuvor in einem vorangegangenen Kalibrierungsvorgang ermittelt wurde. Hierzu wird zunächst die tatsächliche Messkennlinie des Thermoelements 2 ausgemessen, wobei die Messkennlinie erhebliche sensorspezifische Streuungen aufweisen kann, ohne die Genauigkeit der Temperaturmessung zu beeinträchtigen. Aus der auf diese Weise ermittelten tatsächlichen Messkennlinie wird die Korrekturkennlinie dann so ermittelt, dass eine Verknüpfung der tatsächlichen Messkennlinie mit der Korrekturkennlinie zu der gewählten Normkennlinie entsprechend der gewählten technischen Norm (z.B. IEC 60584) führt. Aufgrund der Korrektur durch das Korrekturglied 4 muss das Thermoelement 2 nur sehr grobe Toleranzen einhalten bzw. kann ein komplett anderes thermoelektrisches Verhalten zeigen, was eine kostengünstige Herstellung ermöglicht.
Das in 2 dargestellte alternative Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass dem Korrekturglied 4 kein Digital/Analog-Wandler 5, sondern ein Bustreiber 6 nachgeschaltet ist, der an einen hier nur schematisch dargestellten Datenbus 7 angeschlossen werden kann und eine digitale Weiterverarbeitung des Temperaturmesssignals M_OUT ermöglicht. Bei dem ausgangsseitig abgegebenen Signal kann es sich jedoch auch – wie bereits vorstehend erwähnt – um ein Strom- oder Spannungssignal handeln, das die gemessene Temperaturdifferenz wiedergibt.
Die Erfindung ist nicht auf die beiden vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Claims

Temperatur-Messsystem (1), mit – einem Temperatursensor (2), der in Abhängigkeit von einer zu messenden Temperatur entsprechend einer sensorspezifischen Messkennlinie ein Temperaturmesssignal (U_TH) erzeugt, gekennzeichnet durch – ein Korrekturglied (4), das dem Temperatursensor (2) nachgeschaltet ist und aus dem Temperaturmesssignal (U_TH) entsprechend einer Korrekturkennlinie ein korrigiertes Temperaturmesssignal (M_KOR) bestimmt, das in einem Toleranzfeld einer vorgegebenen Normkennlinie liegt.
Temperatur-Messsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) ein Thermoelement ist, das eine temperaturabhängige Thermospannung (U_TH) erzeugt.
Temperatur-Messsystem (1) nach Anspruche 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Analog/Digital-Wandler (3) zwischen dem Temperatursensor (2) und dem Korrekturglied (4), wobei das Korrekturglied (4) digital arbeitet.
Temperatur-Messsystem (1) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Digital/Analog-Wandler (5), der dem digitalen Korrekturglied (4) nachgeschaltet ist.
Temperatur-Messsystem (1) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Bustreiber (6), der dem digitalen Korrekturglied (4) nachgeschaltet und an einen digitalen Datenbus (7) anschließbar ist.
Temperatur-Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturkennlinie einstellbar ist.
Temperatur-Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2), der Analog/Digital-Wandler (3), das Korrekturglied (4), der Digital/Analog-Wandler (5) und/oder der Bustreiber (6) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und/oder eine untrennbare Einheit bilden.
Temperatur-Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilstreuung der Messkennlinie des Temperatursensors (2) größer ist als die Toleranz der vorgegebenen Normkennlinie.
Temperatur-Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (2) Leiter aufweist, die aus nicht genormten Thermomaterialien bestehen.
Temperaturmessverfahren mit den folgenden Schritten: – Erzeugung eines Temperaturmesssignals (U_TH) in Abhängigkeit von einer zu messenden Temperatur entsprechend einer sensorspezifischen Messkennlinie, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: – Korrektur des Temperaturmesssignals (U_TH) entsprechend einer vorgegebenen Korrekturkennlinie, so dass das korrigierte Temperaturmesssignal (M_KOR) in einem zulässigen Toleranzfeld einer vorgegebenen Normkennlinie liegt.
Temperaturmessverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmesssignal (U_TH) von einem Thermoelement (2) gemessen wird.
Temperaturmessverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmesssignal (U_TH) vor der Korrektur digitalisiert und anschließend digital korrigiert wird.
Temperaturmessverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das korrigierte und digitalisierte Temperaturmesssignal (M_KOR) nach der Korrektur in ein analoges Signal (U_OUT) umgewandelt wird.
Temperaturmessverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das korrigierte und digitalisierte Temperaturmesssignal (M_KOR) einem Datenbus (7) zugeführt wird.
Temperaturmessverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturkennlinie vor dem eigentlichen Messbetrieb werksseitig eingestellt wird.
Temperaturmessverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturkennlinie während des Messbetriebs oder bei Unterbrechungen des Messbetriebs an eine alterungsbedingte Änderung der sensorspezifischen Messkennlinie angepasst wird.
Temperaturmessverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturkennlinie zur Anpassung an eine andere Normkennlinie geändert wird.
Temperaturmessverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturkennlinie zur Anpassung an die Anforderungen des Anwenders auch nachträglich an jede beliebige Normkennlinie angepasst werden kann.
Temperaturmessverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilstreuung der Messkennlinie größer ist als die Toleranz der vorgegebenen Normkennlinie.
Temperaturmessverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Vergleichsstellentemperatur gemessen und bei der Erzeugung des Temperaturmesssignals berücksichtigt wird.