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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturmessung nach den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur
Temperaturmessung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
7.
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Zu
Mess-, Prüf-
und Überwachungszwecken ist
regelmäßig die
zuverlässige
Erfassung von Temperaturen von in Leitung geführten gasförmigen und flüssigen Medien
erforderlich. Dazu werden an bestimmten Stellen der Leitung Temperatursensoren angeordnet.
Zur Erfüllung
bestehender Verfahrensvorschriften ist die häufige Kontrolle dieser Messstellen
erforderlich.
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Die
Genauigkeit von Temperatursensorsystemen wird im Allgemeinen mit
Vergleichsnormalen überwacht.
Dazu ist es erforderlich, in zeitlich festgelegten Abschnitten das
Temperatursensorsystem bzw. das temperatursensitive Element des
Systems zusammen mit dem Vergleichsnormal in ein spezielles Temperaturmedium
einzubringen und die Messwerte zu vergleichen. Werden dabei Differenzen
festgestellt, erfolgt ein Nachkalibrieren des Temperatursensorsystems.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass das Temperatursensorsystem
aus der eigentlichen Prozessmessanlage ausgebaut und in ein spezielles
Temperaturmedium gebracht werden muss. Im Allgemeinen ist es erforderlich,
zu diesem Zwecke die Prozessmessanlage abzuschalten.
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Es
sind auch Temperaturfühler
bekannt, bei denen der Temperaturfühler mit Hilfe eines zusätzlichen
zweiten Fühlers
im eingebauten Zustand kontrolliert werden kann. Bei zweikanaligen
Temperaturmesssystemen mit zwei Primärsensoren wird ein Messkanal
zur Überwachung
des anderen Kanals eingesetzt. Liegt an beiden Kanälen die
gleiche Temperatur an, darf es keine Differenzen in den Messwertanzeigen
beider Messkanäle
geben.
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Nachteilig
ist jedoch, dass die Drift der Sensoren, die die Genauigkeit der
Sensoren nicht unwesentlich beeinflusst, systematisch von der Temperaturlast
abhängt.
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Deshalb
werden beide Temperatursensoren vorzeichengleich und meist auch
in gleicher Größe bei gleicher
Temperaturlast driften. Damit wird die Drift im Messkanalvergleich
nicht sichtbar.
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Weiterhin
ist es bekannt, elektronische Messverfahren einzusetzen, die die
Messkanäle
auf einen Normwiderstand umschalten und dabei einen Kanalvergleich
durchführen.
Dies ist wirkungsvoll, um die elektronische Signalumsetzung in beiden
Kanälen
zu vergleichen. Die Drift des eigentlichen primären Temperatursensors kann
damit jedoch nicht erfasst werden.
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Ferner
werden zur Überprüfung von
Alterungsprozessen so genannte In-Line-Temperaturmesssystemen, die
auch als prozessprüfbare
Temperaturmesssysteme bezeichnet werden, eingesetzt. Solche Systeme
sind in
DE 10
2006 040 135 A1 und
DE 35 21 203 C2 beschrieben. Diese Systeme
verfügen über einen
Prüfkanal,
in den in bestimmten zeitlichen Abständen ein Vergleichsnormal eingeführt wird,
um eine Vergleichsmessung vorzunehmen, ohne dass der Prozess mit
der Prozessmessanlage abgeschaltet werden muss. Nachteilig ist hierbei
jedoch, dass immer ein gesonderter diskreter Messvorgang erforderlich
ist. Das prozessprüfbare
Verfahren ist immer nur dann anwendbar, wenn die Messstelle mit
dem prozessprüfbaren
Messsystem bzw. dem Prüfkanal
frei zugänglich
ist.
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Ein
Verfahren zum Bestimmen der Kennlinie einer Fühleranordnung ist aus
DE 10 2006 040 409 A1 bekannt.
Hierbei wird mit einem Messfühler
und einem Vergleichsfühler
eine physikalische Größe ermittelt,
wobei mit der erstmaligen Inbetriebnahme der Fühleranordnung bei erstmaligem
prozessualen Erreichen eines vorgebbaren Messpunktes ein Kennlinienpunkt
aufgenommen wird, wenn die Messwertänderungen im Zeitverlauf des
Messfühlers
und im Zeitverlauf des Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren
Zeitintervalls innerhalb eines vorgebbaren Grenzbereichs bleiben.
Der ermittelte Kennwert wird dem Messpunkt zugeordnet und abgespeichert.
Das Verfahren setzt voraus, dass der Messfühler bei der erstmaligen Inbetriebnahme
driftfrei ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung
und ein verbessertes Verfahren zur Temperaturmessung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung zur Temperaturmessung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und ein Verfahren zur Temperaturmessung mit den Merkmalen des
Anspruchs 7.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine
Vorrichtung zur Temperaturmessung weist mehrere Temperaturmesswiderstände und
eine mehrkanalige elektronische Auswerteeinheit auf.
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Erfindungsgemäß sind mindestens
zwei gleiche Temperaturmesswiderstände jeweils auf einem Keramiksubstrat
angebracht, wobei ein erstes Keramiksubstrat eines ersten Temperaturmesswiderstandes
einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist,
der unterhalb des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Temperaturmesswiderstände liegt
und ein zweites Keramiksubstrat eines zweiten Temperaturmesswiderstandes
einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, der oberhalb des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Temperaturmesswiderstände
liegt.
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Derartige
Temperaturmesswiderstände
unterliegen in der Regel einer Drift. Diese Drift ist beispielsweise
auf Materialveränderungen
und -verschleiß,
insbesondere aufgrund von Alterungsprozessen, zurückzuführen. Die
Drift ist unerwünscht,
da sie einen Nullpunkt und/oder eine Steigung eines Sensorsignals
der Temperaturmesswiderstände
verschiebt, wodurch das Sensorsignal verfälscht ist. Um dauerhaft eine
exakte Temperaturmessung sicherzustellen, ist daher die Drift exakt
zu ermitteln und durch eine Kalibrierung der Temperaturmesswiderstände zu kompensieren.
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Zu
diesem Zweck umfasst die Vorrichtung mindestens zwei gleiche Temperaturmesswiderstände, deren
Drift somit identisch ist. Durch einen Vergleich von mittels der
Temperaturmesswiderstände ermittelter
Temperaturmesswerte wäre
eine Drift der Temperaturmesswiderstände nicht ermittelbar, da die Drift
bei beiden Temperaturmesswiderständen
identisch wäre.
Erfindungsgemäß sind diese
Temperaturmesswiderstände
aber jeweils auf einem Keramiksubstrat angeordnet, wobei die Keramiksubstrate
unterschiedliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen.
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Da
das erstes Keramiksubstrat einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, der unterhalb des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Temperaturmesswiderstände
liegt und das zweite Keramiksubstrat einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, der oberhalb des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Temperaturmesswiderstände
liegt, dehnen sich die Temperaturmesswiderstände bei Temperaturerhöhungen unterschiedlich
stark aus. So entstehen bei Temperaturlast Driftkurven mit unterschiedlichen
Vorzeichen bzw. ein vorzeichengleiches Driften der Temperaturmesswiderstände ist
nicht möglich.
Nach einer Drift von so unterschiedlichen Temperaturmesswiderständen entsteht
zwischen Temperaturmesswerten der beiden Temperaturmesswiderstände immer
eine merkliche Differenz, auch wenn beide auf gleicher Temperatur
liegen.
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Da
die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Temperaturmesswiderstände
und der Keramiksubstrate bekannt sind, sind diese unterschiedlichen
Temperaturmesswerte bzw. die ermittelten Driftkurven nutzbar, um
einen exakten Temperaturmesswert, welcher zwischen den beiden von
den Temperaturmesswiderständen
ermittelten Temperaturmesswerten liegt, zu ermitteln und die beiden
Temperaturmesswiderstände
dadurch exakt zu kalibrieren.
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Vorzugsweise
ist eine betragsmäßige Abweichung
der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der
Keramiksubstrate vom linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Temperaturmesswiderstände annähernd gleich
groß,
wobei unter annähernd gleich
groß eine
Abweichung voneinander von bis fünf
Prozent verstanden wird. Auf diese Weise ist eine Ermittlung des
exakten Temperaturwertes auf besonders einfache Weise möglich, da
der exakte Temperaturwert der Mittelwert der beiden ermittelten Temperaturmesswerte
ist. Aufgrund der einfachen Ermittlung des exakten Temperaturwertes
und der Abweichung der ermittelten Temperaturmesswerte von diesem
ist auch ein Korrekturwert zur Kalibrierung der Temperaturmesswiderstände und
daraus resultierend zur Kompensierung der Differenz der Temperaturmesswerte
der beiden Temperaturmesswiderstände
auf einfache Weise möglich.
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Zweckmäßigerweise
sind die Temperaturmesswiderstände
an einer gemeinsamen Messstelle angeordnet. Auf diese Weise sind
Messfehler beispielsweise aufgrund von Umwelteinflüssen oder durch
unterschiedliche Temperaturen eines zu messenden Mediums an verschiedenen
Messstellen ausgeschlossen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
sind die Temperaturmesswiderstände
in einem gemeinsamen Gehäuse
angeordnet. Auf diese Weise sind die Temperaturmesswiderstände einfach
zu installieren. Zudem ist auf diese Weise sichergestellt, dass
die beiden Temperaturmesswiderstände
in unmittelbarer Nähe
zueinander angeordnet sind und daher Messfehler aufgrund unterschiedlicher
Messstellen ausgeschlossen sind. Des Weiteren wirken auf diese Weise alle
Faktoren, welche Ursache einer Drift der Temperaturmesswiderstände sind,
gleichmäßig auf
beide Temperaturmesswiderstände
ein.
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Bevorzugt
sind die Temperaturmesswiderstände
Platinmesswiderstände.
Derartige Platinmesswiderstände
eignen sich besonders gut zur Temperaturmessung von Flüssigkeiten
oder Gasen.
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Vorzugsweise
ist das erste Keramiksubstrat aus Aluminiumoxid gebildet, da Aluminiumoxid
einen geringeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
als Platin aufweist. Das zweite Keramiksubstrat ist vorzugsweise
aus Magnesiumtitanat gebildet, da dieses einen höheren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
als Platin aufweist.
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In
einem Verfahren zur Temperaturmessung unter Verwendung der Vorrichtung
zur Temperaturmessung mit mehreren Temperaturmesswiderständen und
einer mehrkanaligen elektronischen Auswerteeinheit, wobei jedem
Temperaturmesswiderstand ein Kanal zugeordnet ist, werden erfindungsgemäß Temperaturmesswerte
der Kanäle überwacht und
zyklisch eine Differenz der Temperaturmesswerte bei einer vorher
festgelegten Temperatur oder einem Temperaturbereich bestimmt, wobei
aus dieser Differenz für
jeden Kanal ein Korrekturwert zur Kompensierung der Differenz ermittelt
und verwendet wird.
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Mittels
dieses Verfahrens werden die Temperaturmesswiderstände während eines
laufenden Einsatzes zyklisch oder ständig überwacht, so dass eine Drift
der Temperaturmesswiderstände
sofort festgestellt und korrigiert werden kann. Eine derartige Driftkorrektur
ist online-fähig,
d. h. während
des laufenden Einsatzes automatisch durchführbar. Die Drift kann mit internen
Korrektur- und Prüfvorgängen erkannt
und korrigiert werden. Auf diese Weise ist eine derartige Driftkorrektur
auch an nicht zugänglichen Stellen
einer Anlage, in welcher die Temperaturmesswiderstände eingesetzt
werden, durchführbar.
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Bevorzugt
wird die Differenz bei einer Temperatur nahe des Eispunktes und/oder
des Gefrierpunktes von Wasser ermittelt, da bei diesen Temperaturwerten
die Temperaturmesswiderstände
besonders einfach exakt kalibriert werden können.
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Die
Vorrichtung und das Verfahrens sind insbesondere zu Temperaturmessung
von Flüssigkeiten oder
Gasen verwendbar.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Anlage mit einer Temperaturmesseinrichtung,
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2 ein
Diagramm mit Driftkurven,
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3a eine
schematische Darstellung eines ersten Temperaturmesswiderstand auf
einem ersten Keramiksubstrat, und
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3b eine
schematische Darstellung eines zweiten Temperaturmesswiderstand
auf einem zweiten Keramiksubstrat.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Anlage mit einer Temperaturmesseinrichtung 1. Aus
Gründen
der Vereinfachung ist von der Anlage lediglich ein Teil eines Rohres 2 dargestellt,
welches von einem flüssigen
oder gasförmigen
Medium 7 durchflossen ist, dessen Temperatur zu ermitteln
ist. Zur Temperaturmessung sind in einem Schutzrohr 5 Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 angeordnet, welche mittels Innenleiter 6 mit einer
mehrkanaligen elektronischen Auswerteeinheit 4 verbunden
sind, wobei jedem Temperaturmesswiderstand TM1, TM2 ein Kanal zugeordnet
ist. Um eine genaue Temperaturmessung jederzeit sicherzustellen,
sind diese Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 regelmäßig zu überprüfen und
gegebenenfalls zu kalibrieren. Das Schutzohr 5 ist mit
einem Prozessanschluss 3 am Rohr 2, in dem das
zu überprüfende Medium 2 strömt, befestigt.
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Derartige
Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 unterliegen in der Regel einer Drift. Diese Drift ist beispielsweise
auf Materialveränderungen
und -verschleiß,
insbesondere aufgrund von Alterungsprozessen, zurückzuführen. Die
Drift ist unerwünscht,
da sie den Nullpunkt und/oder die Steigung eines Sensorsignals der
Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 verschiebt, wodurch das Sensorsignal verfälscht ist.
Um dauerhaft eine exakte Temperaturmessung sicherzustellen, ist
daher die Drift exakt zu ermitteln und durch eine Kalibrierung der
Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 zu kompensieren.
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Zu
diesem Zweck umfasst die Temperaturmesseinrichtung 1 mindestens
zwei gleiche Temperaturmesswiderstände TM1, TM2, deren Drift somit identisch
ist. Die Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 sind vorzugsweise Platinmesswiderstände, da diese sich aufgrund
ihrer Messgenauigkeit und zulässiger
Einsatzbedingungen besonders gut zur Temperaturmessung von Flüssigkeiten
oder Gasen eignen. Eine Temperaturmessung mittels dieser Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 erfolgt durch Bestimmung ihres jeweiligen ohmschen Widerstandswertes R1,
R2, welcher aufgrund einer wärmebedingten Längenänderung
der Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 temperaturabhängig
ist.
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Die
wärmebedingte
Längenänderung
ist dabei abhängig
von einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
eines Materials der Temperaturmesswiderstände TM1, TM2. Über die
Bestimmung des aktuellen ohmschen Widerstandswertes R1, R2 der Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 sind daher Temperaturmesswerte T1, T2 ermittelbar. Durch einen
Vergleich von mittels der Temperaturmesswiderstände TM1, TM2 ermittelter Temperaturmesswerte
T1, T2 wäre
allerdings eine in der 2 in einem Widerstand R – Zeit t – Diagramm
bzw. Temperatur T – Zeit
t – Diagramm
dargestellte Drift der Temperaturmesswiderstände TM1, TM2 nicht ermittelbar, da
die Drift bei beiden Temperaturmesswiderständen TM1, TM2 identisch wäre.
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Daher
sind diese Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2, wie in den 3a und 3b näher dargestellt,
jeweils auf einem Keramiksubstrat K1, K2 angeordnet, wobei die Keramiksubstrate
K1, K2 unterschiedliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen. Ein erstes Keramiksubstrat K1, welches vorzugsweise aus
Aluminiumoxid gebildet ist, weist einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, der unterhalb des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 liegt und ein zweites Keramiksubstrat K2, welches vorzugsweise
aus Magnesiumtitanat gebildet ist, weist einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, der oberhalb des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 liegt.
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Dadurch
dehnen sich die Temperaturmesswiderstände TM1, TM2 bei Temperaturerhöhungen unterschiedlich
stark aus. So entstehen bei Temperaturlast, wie in 2 dargestellt,
Driftkurven DK1, DK2 der Temperaturmesswerte T1, T2 bzw. der ohmschen
Widerstandswerte R1, R2 der Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 mit unterschiedlichen Vorzeichen bzw. ein vorzeichengleiches
Driften der Temperaturmesswiderstände TM1, TM2 ist nicht möglich.
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Die
Driftkurven DK1, DK2 sind gebildet aus von einem tatsächlichen
Temperaturwert T0 bzw. Widerstandswert R0 abweichenden Temperaturwerten T1, T2 bzw.
ohmschen Widerstandswerten R1, R2 der beiden Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2, wobei sich diese Abweichungen beispielsweise aufgrund von Alterungsprozessen
mit zunehmender Zeit t vergrößern und
die Driftkurven DK1, DK2 der Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 ausbilden. Nach einer Drift von so unterschiedlichen Temperaturmesswiderständen TM1,
TM2 entsteht daher zwischen den Temperaturmesswerten T1, T2 der
beiden Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 immer eine merkliche Differenz, auch wenn beide auf gleicher Temperatur
liegen.
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Da
die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 und der Keramiksubstrate K1, K2 bekannt sind, sind diese
unterschiedlichen Temperaturmesswerte T1, T2 bzw. die ermittelten
Driftkurven DK1, DK2 nutzbar, um einen exakten tatsächlichen
Temperaturwert T0, welcher zwischen den
beiden von den Temperaturmesswiderständen TM1, TM2 ermittelten Temperaturmesswerten
T1, T2 liegt, zu ermitteln und die beiden Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 dadurch exakt zu kalibrieren.
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Um
Messfehler, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Umgebungseinflüsse auf
die Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 oder durch unterschiedliche Temperaturen eines zu messenden
Mediums an verschiedenen Stellen auszuschließen, sind die Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2, wie in 1 dargestellt, an einer gemeinsamen
Messstelle in unmittelbarer Nähe
zueinander und vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, welches
im dargestellten Beispiel aus einem Schutzrohr 5 besteht.
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In
dem gemeinsamen Schutzrohr 5 sind die Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 einfach zu installieren. Des Weiteren wirken auf diese Weise alle
Faktoren, welche Ursache der Drift der Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 sind, gleichmäßig auf beide
Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 ein.
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Das
Verfahren zur Temperaturmessung wird unter Verwendung der Temperaturmesseinrichtung 1 und
der mehrkanaligen elektronischen Auswerteeinheit 4 durchgeführt, wobei
jedem Temperaturmesswiderstand TM1, TM2 ein Kanal zugeordnet ist.
Es werden Temperaturmesswerte T1, T2 der Kanäle überwacht und zyklisch eine
Differenz der Temperaturmesswerte T1, T2 bei einer vorher festgelegten
Temperatur oder einem Temperaturbereich bestimmt, wobei aus dieser
Differenz für
jeden Kanal ein Korrekturwert zur Kompensierung der Differenz ermittelt und
verwendet wird.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn eine betragsmäßige Abweichung der linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Keramiksubstrate K1, K2 vom linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 annähernd gleich
groß ist,
da auf diese Weise auch die Drift der Temperaturmesswerte T1, T2
gleich groß ist,
so dass ein Mittelwert der mittels der Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 ermittelten Temperaturmesswerte T1, T2 der tatsächliche
Temperaturwert T0 ist. Unter annähernd gleich
groß wird
eine Abweichung voneinander von bis zu fünf Prozent verstanden.
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Mittels
dieses Verfahrens werden die Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 während
eines laufenden Einsatzes zyklisch oder ständig überwacht, so dass die Drift
der Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 sofort festgestellt und korrigiert werden kann. Eine derartige
Driftkorrektur ist online-fähig,
d. h. während
des laufenden Einsatzes automatisch durchführbar. Die Drift kann mit internen
Korrektur- und Prüfvorgängen erkannt
und korrigiert werden. Auf diese Weise ist eine derartige Driftkorrektur
auch an nicht zugänglichen
Stellen von Anlagen, in denen die Temperaturmesswiderstände TM1,
TM2 eingesetzt werden, durchführbar.
-
Bevorzugt
wird die Differenz bei einer Temperatur nahe des Eispunktes und/oder
des Gefrierpunktes von Wasser ermittelt, da bei diesen Temperaturwerten
die Temperaturmesswiderstände
TM1, TM2 besonders einfach exakt kalibriert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperaturmesseinrichtung
- 2
- Führungsrohr
für Medium
- 3
- Prozessanschluss
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- Schutzrohr
- 6
- Innenleiter
- 7
- Medium
- K1,
K2
- Keramiksubstrat
- TM1,
TM2
- Temperaturmesswiderstand
- DK1,
DK2
- Driftkurven
- T
- Temperatur
- R
- ohmscher
Widerstand
- t
- Zeit
- T1,
T2
- Temperaturmesswerte
- R1,
R2
- ohmsche
Widerstandswerte
- T0
- tatsächlicher
Temperaturwert
- R0
- tatsächlicher
Widerstandswert
