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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Messverstärkers mit
wenigstens einem Eingang zum Anschluss eines Thermoelements und
wenigstens einer Vergleichsstelle. Außerdem betrifft die Erfindung einen
Thermoelement-Messverstärker.
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Derartige
Messverstärker
sind bekannt und nutzen bei der Bestimmung von Temperaturen mittels Thermoelementen
den Seebeck-Effekt. Bei diesem entsteht beim Verbinden von zwei
verschiedenen Metallen an deren Berührungsstellen eine Berührungsspannung,
welche temperaturabhängig
ist. Ein physikalisches Thermoelement besteht aus zwei dieser Berührungsstellen.
Besteht zwischen diesen keine Temperaturdifferenz, so heben sich
die beiden Berührungsspannungen
auf. Haben die beiden, zumeist verlöteten oder verschweißten, Verbindungsstellen
unterschiedliche Temperaturen, so fließt als Folge einer Thermospannung
ein Thermostrom. Dieser sogenannte thermoelektrische Effekt wurde
im 19. Jahrhundert von Seebeck entdeckt und ist nach ihm benannt.
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Mittels
eines Thermoelements lässt
sich jedoch keine „absolute” Temperatur
messen, vielmehr wird eine Temperaturdifferenz zwischen einer Messstelle
und einer Vergleichsstelle mit unterschiedlichen Temperaturen angegeben.
Dabei bedeutet eine in den genormten Spannungsreihen verschiedener
Thermoelemente angegebene Spannung immer „bezogen auf 0°C”, weswegen
sich die betreffende Spannung zu U(n°C) =
U(th bei n°C) – U(th bei 0°C) berechnen
lässt.
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Im
technischen Anwendungsfall ist das Thermoelement nur an seiner Messstelle
durch Verbindung des betreffenden Thermopaares direkt miteinander
verbunden, während
die Enden des Thermodrahtes mit der sogenannten Vergleichsstelle
verbunden sind. An der Vergleichstelle ist ein Messgerät über Messleitungen aus
Kupfer angeschlossen. Um nun die Temperatur richtig messen zu können, muss
entsprechend oben benannter Formel die Temperatur der Vergleichsstelle
bekannt sein. Darüber
hinaus müssen
auch beide Messleitungen von der Vergleichstelle zum Messgerät aus dem
gleichen Material bestehen, um die Entstehung weiterer Thermospannungen
zu verhindern.
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Die
Temperatur der Vergleichstelle wird in der technischen Anwendung
entweder erfasst oder konstant gehalten. Bei der Erfassung wird
an der Vergleichsstelle die Klemmentemperatur beispielweise durch
einen PT100 oder NTC-Widerstand gemessen. Konstante Werte (bspw.
50°C oder
auch 0°C)
werden durch elektrische Geräte,
sogenannte Vergleichsstellenthermostate, erzeugt und die entsprechende
Thermospannung als Festwert zum Messwert addiert. Die gemessene
Thermospannung muss um den bekannten Wert der Vergleichstelle addiert
werden, um die Temperatur entsprechend der Spannungsreihe als Wert
angeben zu können,
und zwar mittels des Zusammenhangs UThermospannung =
Ugemessene Spannung + USpannung
Vergleichstelle.
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Bei
verschiedenen vorstellbaren Messszenarien, in welchen Thermoelemente
zur Bestimmung von Temperaturen eingesetzt werden, müssen häufig auch
andere Parameter eines Messaufbaus bestimmt werden, beispielweise
Spannungen. Um daher nicht für
jede der weiteren Messaufgabe ein weiteres separates Messgerät vorhalten
zu müssen
ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines
Messverstärkers
zur Verfügung
zu stellen, welches diesem ein breiteres Anwendungsgebiet erschließt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren, welches zumindest die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- a) Verbinden zweier elektrischer Leiter identischen
Materials mit dem wenigstens einen Thermoelement-Eingang des Messverstärkers;
- b) Anschluss der freien Enden der elektrischen Leiter an eine
Potentialdifferenz Umess;
- c) Bestimmung der Temperaturdifferenz ΔT zwischen Thermoelement-Eingang
und Vergleichstelle mittels einer internen Temperaturbestimmungseinrichtung;
- d) Bestimmung des konkreten und/oder maximalen Messfehlers einer
Spannungsmessung aus der ermittelten Temperaturdifferenz ΔT und dem
Seebeck-Koeffizienten αi des Typs des Thermoelement-Eingangs;
- e) Erfassung der zwischen den freien Enden der beiden Leiter
bestehenden Potentialdifferenz sowie Weitergabe und/oder Ausgabe
des Spannungswertes Uout durch den Messverstärker.
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Soll
also über
die Eingangsbuchse eines Thermoelement-Messverstärkers eine „normale” Spannung, z. B. von einer
Autobatterie gemessen werden, so kann dies hierdurch geschehen,
dass man anstatt eines Thermopaares einfach zwei elektrische Leiter,
beispielsweise Kupfermessleitungen an den Klemmen eines herkömmlichen
Thermosteckers anschließt
und deren freie Enden zu der zu vermessenden Spannungsquelle führt.
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Da
innerhalb des Verstärkers
zwischen der Thermobuchse eines Thermoelement-Eingangs und der zugeordneten
Vergleichsstelle der positive und der negative Thermodraht für den jeweiligen
Thermoelement-Typ weitergeführt
sind, entsteht durch den Anschluss der Messleitungen als elektrische
Leiter ein Materialübergang
und damit an diesen Stellen eine entsprechende Thermospannung in
Abhängigkeit
von der Temperatur der Übergangsstellen
im Stecker (Tamb).
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Innerhalb
des Messverstärkers
findet an der Verbindung der Vergleichsstelle mit dem Verstärkereingang
ein weiterer Materialübergang
statt, zweckmäßigerweise
zwischen den jeweils gleichen Materialien wie der erste, aber in
umgekehrte Richtung. Die Vergleichsstelle wird jedoch im Allgemeinen
eine von der Steckertemperatur Tamb unterschiedliche
Temperatur Tint aufweisen, so dass eine
andere Thermospannung generiert wird als bei dem Übergang
im Stecker.
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Für die eigentliche
Spannungsmessung ist es dabei nun interessant, zu wissen, inwieweit
die unerwünschten
Fremdspannungen” das
Messergebnis verfälschen
können.
Hierzu muss beachtet werden, dass sich die Spannung am Eingang des
Messverstärkers
als Summe der gemessenen Spannung und der erzeugten Thermospannungen
ergibt.
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Für den Spezialfall,
dass Tamb = Tint ist,
würden
sich die Thermospannungen jeweils gegenseitig aufheben (wegen des
umgekehrten Vorzeichens der erzeugten Thermospannungen) und es würde gelten: Uin, Amp = V1mit
V1 als gemessener Spannung, der Messfehler aufgrund des Seebeck-Effektes
wäre also
gleich Null.
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Wie
bereits erwähnt,
wird Tamb im Allgemeinen nicht gleich Tint sein, da im Innern des Messverstärkers aufgrund
der Verlustleistung der Geräteelektronik
mit einer leicht höheren
Temperatur gegenüber
der Geräteumgebungstemperatur
zu rechnen ist.
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Für die vernünftige Einsetzbarkeit
einer solchen Spannungsmessung über
den Thermoelementeingang eines Messverstärkers ist also zu prüfen ob der
maximal zu erwartende Messfehler aufgrund des Seebeck-Effektes noch
toleriert werden kann. Hierzu bestimmt man zuerst den tatsächlichen,
aus der Differenz von Tamb und Tint resultierenden Spannungsfehler Verr zu Verr =
V(X, Tamb) – V(X, Tint)wobei
V(X, Tx) die Thermospannung eines Thermoelementes
vom Typ X bei der Temperatur Tx ist.
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Es
ist offensichtlich, dass die Fehlerspannung Verr um
so größer wird,
je größer die
Temperaturdifferenz ΔT
= Tamb – Tint ausfällt.
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Nehmen
wir an dieser Stelle an, bei einem Thermomessverstärker sei
mit einer Erhöhung
der Temperatur im Inneren des Gerätes in Bezug auf die Umgebungstemperatur
von maximal 20°K
auszugehen. Damit ergibt sich für
die maximale Fehlerspannung Verr für einen
Thermoelementeingang vom Typ K Verr =
V(K, Tamb) – V(K, Tamb +
20°K).
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Dieser
einfache Zusammenhang ermöglicht
es nun einen konkreten Wert für
die maximal zu erwartende Fehlerspannung anzugeben.
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Der
Temperaturkoeffizient bzw. Seebeck-Koeffizient αk der
Thermospannung eines Typ K-Thermoelementes beträgt beispielsweise in guter
Näherung
im Bereich von –100°C ... +200°C ca. 40 μV/°K.
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Damit
ergibt sich die Fehlerspannung Verr bei
20°K Differenz
zwischen Tamb und Tint zu: Verr = 20°K·40 μV/°K = 0,8 mV
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Damit
lassen sich nun für
verschiedene Eingangsmessbereiche der Spannungsmessung folgende
zu erwartende Maximalfehler bezogen auf den Messbereich (+/–FS) angeben:
| Messbereich
(+/–FS) | Maximalfehler
aufgrund des Seebeck-Effektes in % bezogen auf +FS |
| +/–1 V | 0,16% |
| +/–5 V | 0,032% |
| +/–10 V | 0,016% |
| +/–20 V | 0,008% |
| +/–40 V | 0,004% |
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Dies
zeigt deutlich, dass durch die teilweise Selbstkompensation von
Seebeck-Effekten in Thermostecker und Gerätevergleichsstelle eine für die meisten
Anwendungen ausreichend hohe Genauigkeit der Spannungsmessung über die
normalen Thermoeingangsbuchsen eines Thermoelementverstärkers realisiert
werden kann.
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Zunächst kann
anhand der vorstehend beschriebenen Abschätzung zunächst eingeordnet werden, inwieweit
eine Spannungsmessung mittels eines Thermoelementverstärkers in
gewissen Grenzen genau und verlässlich
ist. Prinzipiell ist es aber auch denkbar, dass an dem Messverstärker ein
Algorithmus bereitgestellt wird, der den gemessenen Spannungswert
anhand der Gegebenheiten des Verstärkers und seiner Umgebung beispielsweise
temperaturabhängig
kompensiert und auf diese Weise den Messverstärker über einen besonders großen Messbereich
auch als Spannungsmessgerät
einsetzbar macht.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung
näher erläutert. Dabei
zeigt die einzige Figur der Zeichnung in stark schematisierter Darstellung
einen Thermoelement-Messverstärker
mit einem Thermoelement-Eingang.
In der 1 sind an diesem Eingang zwei Leiter aus Kupfer
an einer Potentialdifferenz angeschlossen, an welcher die Spannung
V1 abfällt,
und mit dem Thermoelement-Eingang, etwa in Art von Klemmen eines
sogenannten Thermosteckers, verbunden.
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Aufgrund
des Materialüberganges
von Cu zu NiCr bzw. von Cu zu NiAl im Thermostecker entsteht an diesen
Stellen eine entsprechende Thermospannung in Abhängigkeit von der Temperatur
der Übergangsstellen
im Stecker (Tamb). Die Kombination des Thermopaares
aus positivem (NiCr) und negativem (NiAl) Thermodraht des Typs K
wird häufig
einfach nur Nickel/Chrom- Nickel
genannt, und war früher
unter dem Begriff „Chromel
gegen Alumel” bekannt.
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Weiterhin
besteht innerhalb des Messverstärkers
immer auch der Materialübergang
an der Vergleichsstelle des Verstärkers wo ebenfalls eine Thermospannung
durch den Übergang
von NiCr zu Cu bzw. von NiAl zu Cu entsteht. Diese Vergleichsstelle
wird aber, wie bereits erwähnt,
im Allgemeinen eine von der Steckertemperatur Tamb unterschiedliche
Temperatur Tint aufweisen und somit eine
andere Thermospannung generieren, als der Übergang im Stecker.
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Die
Spannung am Eingang des Messverstärkers berechnet sich nun wie
folgt: Uin,Amp = V1 +
V2(Tamb) + V3(Tamb)
+ V4(Tint) + V5(Tint)
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Es
ist zu beachten, dass es sich bei den Spannungen V2(Tamb)
und V4(Tint) bzw. V3(Tamb)
und V5(Tint) jeweils um Thermospannungen,
resultierend aus den gleichen Materialübergängen, jedoch bei jeweils verschiedenen
Temperaturen Tamb und Tint sowie
entgegen gesetztem Vorzeichen, handelt. Das entgegen gesetzte Vorzeichen
ergibt sich durch den Richtungswechsel des Übergangs also beispielsweise
V2 = U(Cu → NiCr) und
V4 = U(NiCr → Cu).
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Dadurch,
dass Tamb und Tint nicht
gleich sind, werden sich die Spannungspaare V2 und V4 bzw. V3 und V5
nicht vollständig
kompensieren. Für
die vernünftige
Einsetzbarkeit einer solchen Spannungsmessung über den Thermoelementeingang
eines Messverstärkers
ist also zu prüfen,
ob der maximal zu erwartende Messfehler aufgrund des Seebeck-Effektes
noch toleriert werden kann. Hierzu bestimmt man zuerst den tatsächlichen,
aus der Differenz von Tamb und Tint resultierenden Spannungs fehler Verr: Verr =
(V2(Tamb) – V4(Tint))
+ (V3(Tamb) – V5(Tint))was
gleichbedeutend ist mit dem oben bereits ermittelten Ausdruck Verr = V(K, Tamb) – V(K,
Tint)beispielsweise für einen
Thermoelement-Eingang vom Typ K.