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Kompensiertes Thermoelementsystem
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Thermoelementsystem und zwar insbesondere
auf eine Thermoelementanordnung, die zusammen mit einem Messgerät
verwendet wird.
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Thermoelemente,
im Folgenden auch Thermopaare genannt sind seit langem bekannt und
werden üblicherweise in einem Thermoelementsystem bzw.
Thermopaarsystem eingesetzt, d. h. zusammen mit einem Messgerät,
welches die an zwischen den Thermodrähten des Thermopaars
entstehende Thermospannung misst, die fast proportional zu der an
einer Messstelle herrschenden Temperatur ist.
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Wenn
Thermoelemente im Bereich von magnetischen Wechselfeldern verwendet
werden oder in einem Magnetfeld bewegt werden, so werden in den Thermoelemente
bildenden Thermodrähten Ströme bzw. Spannungen
induziert. Diese induzierten Ströme bzw. Spannungen können
die durch die Temperatur erzeugte Thermospannung beeinflussen.
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Beispielsweise
treten beim Einsatz von Thermopaaren in der Nähe einer
Starkstromleitung eines Herdofens solche störenden magnetischen
Wechselfelder auf. Durch diese externen Einflüsse können
in der Praxis bis zu 20% Messfehler entstehen.
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Eine
erhebliche Beeinflussung der an den Anschlussenden des Thermopaars
entstehenden Thermospannung mit daraus resultierenden Messfehlern
ist, insbesondere auch bei der Temperaturmessung mit Thermopaaren
in der Nähe von Generatoren oder Transformatoren zu erwarten.
In solchen Fällen ist häufig eine Temperaturmessung
mit Thermopaaren nicht möglich.
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Es
wurde bereits versucht mittels Filterschaltungen diese auf Magnetfelder
zurückgehende Störspannung zu reduzieren. Eine
vollständige Reduzierung ist nur selten möglich,
da infolge von Netzschwankungen die im Filter eingestellte Frequenz nicht
zu 100% getroffen wird. Weiterhin stellen diese Filter ein zusätzliches
Bauteil mit einem zusätzlichem Fehlerpotential dar.
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In
der
EP 1881311 wurde
die Möglichkeit einer Temperaturmessung mittels Glasfaserleitung
vorgeschlagen. Hier besteht jedoch bedingt durch die Empfindlichkeit
mit dieser Technologie auf Fehlstellen in den Leiterbahnen eine
relativ kostenintensive Lösung.
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Ferner
wird bei gekühlten Transformatoren/Generatoren die Temperatur über
die Wärmebilanz der Kühlfluide errechnet (vgl.
WO/2006/050886 ). Diese
Lösung ermöglicht jedoch keine genaue und unmittelbare
und vor allem aber keine direkte Messung der wirklichen Temperatur.
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Die
Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt ein Thermoelementsystem insbesondere
eine Thermopaaranordnung bzw. eine Thermoelementanordnung vorzusehen,
bei der in einfacher Weise störungsfrei auch in einem magnetischen
Wechselfeld oder bei der Bewegung des Thermoelementsystems durch ein
Magnetfeld eine. Temperaturmessung durchgeführt werden
kann.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die Verwendung
eines Kompensationselementes vor, welches mit der Temperatur messenden Thermopaaranordnung
elektrisch leitend verbunden ist (3), wobei
das Kompensationselement gegen die Thermopaaranordnung geschaltet
ist.
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Werter
sieht die Erfindung vor, dass das Kompensationselement die durch
Magnetfeldänderung im Thermopaar induzierte Störspannungen
bzw. Störströme kompensiert.
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Vorzugsweise
wird das Kompensationselement durch ein Thermopaar gebildet, welches
den gleichen physikalischen bzw. körperlichen Aufbau besitzt,
wie das zur Temperaturmessung vorgesehene Thermopaar. Das Kompensationselement
erzeugt bei Erwärmung der Verbindungsstelle der Thermodrähte
zwischen diesen keine Thermospannung, wobei in diesem Zusammenhang
auf den Abschnitt 0.2.2.3 auf den Seiten (24) und (25)
des Buches von Dr. László Körtvélyessy „Thermoelement
Praxis", 3. Ausgabe verwiesen sei. In diesem Abschnitt
sind Kupfer – Kupfer Thermoelemente beschrieben, welche
keine Thermospannung erzeugen.
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Weitere
Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung;
in der Zeichnung zeigt:
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1 ein
Thermoelementsystem gemäß dem Stand der Technik;
wobei 1a eine Seitenansicht, 1b ein
Draufsicht auf die Anschlussstelle und 1c einen
Schnitt der Ebene A-A in 1a zeigt;
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2 schematisch
eine Einzelheit der 1 und zwar der Thermodrähte
des in 1 gezeigten Thermopaars;
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3 ein
schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Thermopaarsystems, bestehend
aus einem Messgerät und einer erfindungsgemäßen
Thermopaaranordnung;
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4 ein
schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Thermopaarsystems, in dem die
auftretenden Spannungen eingetragen sind;
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5 eine
schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführung
der Erfindung im Schnitt, bestehend aus dem Thermopaar, dem Kompensationselement
und dem Messgerät.
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1 zeigt
ein Thermoelementsystem nach Stand der Technik (
DE 30302010 ) mit zwei Thermoelementen
und ein separates leeres Schutzrohr (
08). Dieses Leerrohr
(
08) ermöglicht die Überprüfung
der vorhandenen Thermoelemente während des Betriebes, ohne
diesen durch Absenkung der Temperatur zu stören. Es zeigt
ein Ausführungsbeispiel mit einem Anschlusskopf (
01),
ein metallisches Schutzrohr (
02), drei ⌀ 5 mm
dünne keramische Schutzrohre nebeneinander (
03)
und die Druckbuchse der Durchführung (
04) der
Ausgleichsleitung sowie die Ausgleichsleitung (
13) selbst.
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In
dem Anschlusskopf (01) (im Weiteren als Anschlussstelle
(19) bezeichnet) sind weiter zwei Anschlussklemmen (05)
und (06) sowie eine Öffnung (05) vorgesehen,
welches den Zugang zu dem Leerrohr (08) ermöglicht.
Der beschriebene Stand der Technik wird vorwiegend in Vakuumöfen
mit einem Abschreckdruck von bis zu 20bar eingesetzt.
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Der
vergrößerte Schnitt A-A in
1c zeigt die
drei keramischen Schutzrohre (
10a,
10b und
08). Davon
ist ein Rohr leer (
08), in dem die Überprüfung der
beiden Thermoelemente, bestehend aus je einem Kapillarrohr (
09)
sowie einem positiven Thermodraht (
12) und einem negativen
Thermodraht (
11), welche durch eine Verbindungsstelle,
vorzugsweise an der Messstelle durch z. B. Schweißen oder
Löten, ein Thermopaar bilden.
DE 3045652 offenbart die Verwendung
von unterschiedlich dicken Thermodrähten durch die ein
vorteilhaftes Verhalten gegenüber driftender Thermoelemente
mit gleichen Thermodrahtdurchmessern erreicht wird. Durch die kleinen
Abstände der Thermodrähte (
11,
12)
ist diese Ausführung bereits weniger anfällig
gegen magnetische Störungen.
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In 2 ist
ein Thermopaar (14) aus 1 schematisch
im Einzelnen dargestellt. Es weist einen Thermoschenkel insbesondere
einen positiven Thermodraht (15) und einen Thermoschenkel
insbesondere einen negativen Thermodraht (16) auf. Die Thermodrähte
(15) und (16) sind an einer Verbindungsstelle
(17), die auch als Lötstelle, Schweißstelle
oder Messstelle bezeichnet wird, verbunden. Im Folgenden wird auf
die Verbindungsstelle (17), als Messstelle (18)
Bezug genommen. In 2 ist ferner mit (19)
die Anschlussstelle bezeichnet, die an dem „kalten” Ende
des Thermopaares (14), d. h. an den Anschluss- bzw. Messenden
(21) und (21) vorgesehen ist. In dieser Anschlussstelle
(19) wird. über die Anschlussklemmen (05)
und (06) die Ausgleichsleitung (13), bestehen
aus den Thermodrähten (25) und (26),
angeschlossen und über die Quetschverschraubung (04)
aus dem Anschlusskopf (01) zu den Anschlüssen
(22) und (23) des Messgeräts (24)
geführt.
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Das
erfindungsgemäße Thermopaarsystem (31)
ist in den 3 und 4 dargestellt,
und zwar ein Messgerät (24) sowie eine Thermopaaranordnung
(34) aufweisend. Die Thermopaaranordnung (34)
weist ein Thermopaar 14 und ein Kompensationselement (35)
auf.
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Der
Thermodraht (15) besteht zum Beispiel aus NiCr und wird
als „Plus”-Pol Thermodraht oder als positiver
Thermodraht (15) bezeichnet. Der zweite Thermodraht (16)
des Thermopaars der an der Verbindungsstelle (17) mit dem
positiven Thermodraht (15) beispielsweise verschweißt
ist, hat an einer Verbindungs- oder Anschlussstelle (30)
einen Minuspol. Der zweite Thermodraht (16) besteht z.
B. aus Ni und wird als Minus-Pol Thermodraht oder als negativer
Thermodraht (16) bezeichnet. Für die Thermodrähte
(15, 16) können weitere Materialien/Legierungen
verwendet werden, wie beispielsweise Platin-Rhodium (PtRh) – Platin
(Pt).
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Das
Kompensationselement (35) wird durch zwei Thermodrähte
(28) und (29) gebildet, wobei einer der Thermodrähte,
z. B. Thermodraht (28), am so genannten kalten Ende (30)
des Thermopaares (14) z. B. durch Schweißen eine
Verbindungsstelle eingehen. Im Ausführungsbeispiel sind
die beiden Thermodrähte (28) und (29)
des Kompensationselements (35) aus dem Material des negativen
Thermodrahtes 16 hergestellt.
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5 zeigt
eine vorteilhafte Ausführung der Anordnung der vier Thermodrähte
(15, 16, 28, 29) der obigen
Thermopaaranordnung (34) im Querschnitt sowie das angeschlossene
Messgerät (24). Die Thermodrähte sind
mit einer Isolationsschicht (37) umgeben und sind in einem
Mantel (36) eingefasst. Aus der 5 ist zu
entnehmen, dass die Abstände der Thermodrähte
zueinander so klein wie möglich sind. Die vorteilhafte
Ausführung hat die Eigenschaft, dass die Gegenschaltung
des Kompensationselementes selbst diese kleinen induzierten Spannungen
vollständig kompensiert.
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Die
Anschlussenden (20) und (21) der Thermodrähte
(15) und (29) werden in der Anschlussstelle (19)
gegebenenfalls mit einer Ausgleichsleitung (13), bestehend
aus einem positiven Thermodraht (25) und einem negativen
Thermodraht (26) verbunden, wobei die verwendeten Materialien
der Ausgleichsleitungen aus weniger wertigen Legierungen bestehen
als die Thermodrähte (15) und (16). Die Ausgleichsleitung
(13), bestehend aus den Thermodrähten (25, 26),
wird über die Anschlusskontakte (22) und (23)
an das Messgerät (24) angeschlossen.
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Unter
Berücksichtigung der wirtschaftlichen Faktoren kann das
Ausführungsbeispiel aus den 3 und 4 unter
Umständen auch eine umgekehrte Polarität aufweisen,
in dem das Kompensationselement (35) aus dem positiven
Thermodraht (15) hergestellt ist und in diesem Fall an
dem Anschlussende des positiven Thermodrahtes (15) eine
Verbindungsstelle eingeht.
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Die 3 und
auch die 4 zeigen also eine Thermopaaranordnung
(34) bei der ein Thermopaar (14); gebildet durch
einen positiven Thermodraht (15) (z. B. NiCr) und einen
negativen Thermodraht (16) (z. B. Ni) eine Thermospannung
erzeugt und ein Kompensationselementes (35), gebildet durch
zwei negative oder zwei positive Thermodrähte (28, 29),
welches keine Thermospannung erzeugen kann, da die Thermodrähte
(28, 29) des Kompensationselementes (35)
aus zwei gleichen Materialien bestehen.
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Vorzugsweise
sind die Thermodrähte (28) und (29) aus
dem einen oder dem anderen Material der Thermodrähte (15)
und (16), hergestellt.
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In 4 ergibt
sich die Gesamtspannung Uges an den Plus-,
und Minusklemmen (20, 21) der Thermopaaranordnung
(34) an der Anschlussstelle (18) durch: Uges = Uth +
0
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Uth ist hierbei die zwischen dem Thermopaar (15)
und (16) entstehenden und an der Anschlussstelle (18)
abgegriffenen Thermospannung und 0 ist die nicht entstehende Thermospannung
zwischen den aus gleichen Material bestehenden Thermodrähten
(28, 29) des Kompensationselementes (35).
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Bewegt
man nun diese Thermopaaranordnung (34) (vgl. 3)
durch ein Magnetfeld, welches beispielsweise durch einen Nordpol
(32) und einem Südpol (33) erzeugt wird,
so wird im den gebildeten Schleifen der Thermodrähte (15, 1.6)
und (28, 29) die gleiche Wechselspannung |Uin| induziert.
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Durch
die gezeigte geeignete Schaltung des Kompensationselementes (35)
wird dessen induzierte Spannung gegen die des Thermopaares (14)
gesetzt und es gilt: Uges =
Uth + Uin + 0 – Uin = Uth
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Diese
Spannung Uges tritt, wie in 4 gezeigt,
an den Klemmen (20) und (21) auf.
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Erfindungsgemäß ist
das Thermopaar (14) gegen das Kompensationselementes (35) – wie
gezeigt – geschaltet.
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Vorzugsweise
sind die Thermodrähte (15) und (16) bzw
(28) und (29) elektrisch gegeneinander isoliert
und nur an den Verbindungsstellen (17, 27) und
(30) elektrisch leitend verbunden.
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Somit
ist die erfindungsgemäße Thermopaaranordnung (34)
immun gegen jegliche magnetische Feldbewegungen und Feldstärkenänderungen, da
die induzierten Spannungen immer gleich sind und sich entsprechend
aufheben. Die Thermopaaranordnung (34) liefert also die
unverfälschte Thermospannung.
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Weiter
kann man sagen, dass eine parallele Schaltung der beiden Elemente
(14, 35) technisch nicht korrekt wäre,
da das Kompensationselement (12) einen Kurzschluss im Messgerät
(24) verursacht, so dass die Temperaturen an den Anschlussklemmen
(22) und (23) und nicht den der Messstelle (18)
gemessen würde. Ebenso würde eine Serienschaltung
die Störspannungen verdoppeln.
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Wie
einleitend erwähnt, muss häufig eine Ausgleichsleitung
(13) zwischen dem Messgerät (24) und
der Thermoelementanordnung (31) vorgesehen sein. Die üblicherweise
beiden Leiter. der Ausgleichsleitung können eine beträchtliche
Länge von beispielsweise (20) m und mehr besitzen,
und bestehen aus einem kostengünstigerem Material als dem Material,
welches für die Thermodrähte verwendet werden
muss. Die Ausgleichsleitung (13) hat bei niedrigen Temperaturen
eine ähnliche Charakteristik wie die Thermodrähte.
Als Legierungen werden beispielsweise Nickel/Kupfer, Kupfer Legierungen
verwendet. Die Ausgleichsleitung (13) sollte außerhalb des
Magnetfeldes sein. Ist dies nicht der Fall, dass heißt
die Ausgleichsleitung (13) befindet sich auch innerhalb
eines Magnetfeldes (z. B. in der Nähe eines Transformators
oder einer Starkstromleitung), so können die in der Ausgleichsleitung
(13) induzierten Störungen in der gleichen Weise
kompensiert werden, wie die der Thermopaaranordnung (31).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1881311 [0007]
- - WO 2006/050886 [0008]
- - DE 30302010 [0019]
- - DE 3045652 [0021]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Dr. László Körtvélyessy „Thermoelement
Praxis”, 3. Ausgabe [0012]