DE102011004735B4

DE102011004735B4 - Temperaturmesseinheit zur Erfassung der Temperatur eines gasförmigen und/oder flüssigen Mediums und Messanordnung

Info

Publication number: DE102011004735B4
Application number: DE102011004735A
Authority: DE
Inventors: Dr. Irrgang Klaus; Uwe Meiselbach; Gerd Bauer; Ralph Fernandes de Oliveira; Ralf Bräuer
Original assignee: EFM SYSTEMS GmbH; EFM-SYSTEMS GmbH; Pure Engineering & Co KG GmbH; Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Current assignee: EFM SYSTEMS GmbH; EFM-SYSTEMS GmbH; Pure Engineering & Co KG GmbH; Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2013-01-03
Anticipated expiration: 2031-02-26
Also published as: DE102011004735A1

Abstract

Temperaturmesseinheit (3) zur Erfassung der Temperatur (T) eines gasförmigen und/oder flüssigen Mediums, umfassend einen Anschlusskopf (13), eine Anzahl von Messwiderständen, mittels welcher die Temperatur (T) des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums erfassbar ist, und ein Stützrohr (10), wobei das Stützrohr (10) mindestens ein erstes Kanalrohr (12.1) und ein parallel zu dem ersten Kanalrohr (12.1) angeordnetes, zweites Kanalrohr (12.2) aufweist, wobei - in dem ersten Kanalrohr (12.1) zumindest ein erster und zweiter Messwiderstand (SA, SZ) sowie Zuleitungen zu diesen und in dem zweiten Kanalrohr (12.2) ein dritter Messwiderstand (GW) und ein Festwiderstand (FW) sowie Zuleitungen zu diesen angeordnet sind, - der erste und zweite Messwiderstand (SA, SZ) jeweils ein Dünnschicht-Messwiderstand mit einer Widerstandsschicht und einer Substratunterlage ist, - die Substratunterlagen des ersten und zweiten Messwiderstandes (SA und SZ), im Material verschieden ausgebildet sind und - der dritte Messwiderstand (GW) ein drahtgewickelter Präzision-Glas-Temperaturmesswiderstand mit einem Widerstandsdraht ist, welcher mit den Widerstandsschichten des ersten...

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmesseinheit zur Erfassung der Temperatur eines gasförmigen und/oder flüssigen Mediums, welche einen Anschlusskopf, eine Anzahl von Messwiderständen, mittels welcher die Temperatur des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums erfassbar ist, und ein Schutzrohr umfasst, wobei das Schutzrohr mindestens ein erstes Kanalrohr und ein parallel zu dem ersten Kanalrohr angeordnetes, zweites Kanalrohr aufweist.
In der Halbleiterindustrie werden in zahlreichen Anwendungen sehr hohe Anforderungen an die thermische Konditionierung und die Homogenität von Produktionsumgebungen, Bauteilen und/oder Medien, wie beispielsweise Luft oder Wasser, gestellt. Beispielsweise muss in Maskeninspektionstools die Temperatur der Luft im Bereich von wenigen Millikelvin bis Mikrokelvin genau geregelt werden.
Dazu ist eine zuverlässige Erfassung der Temperaturen der Produktionsumgebungen, Bauteilen und/oder Medien erforderlich. Zur Temperaturerfassung werden üblicherweise Temperaturmesseinheiten, beispielsweise Temperaturfühler, mit ein oder mehreren Temperaturmesswiderständen eingesetzt. Die Temperaturmesswiderstände sind temperaturabhängig, d. h. sie erzeugen bei Temperaturänderungen Widerstandsänderungen, die den Temperaturänderungen eindeutig zuordenbar sind.
Es ist bekannt, dass die Temperaturmesswiderstände in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur eine Drift aufweisen. Eine Drift bezeichnet in diesem Fall eine Abweichung der erfassten Temperatur von der wahren Temperatur und stellt somit eine Änderung der Genauigkeit der Temperaturmesseinheit samt Auswerteeinheit dar.
Der Zeitabschnitt für eine Drift, insbesondere Langzeitdrift, kann sich je nach Aufgabe auf Stunden, Tage, Wochen, Monate und/oder Jahre beziehen.
Hieraus resultiert bei temperaturkritischen Halbleiteranwendungen die Gefahr von ungenauen Messungen und damit von Temperaturabweichungen im Bereich von wenigen Millikelvin zwischen den Medien oder Bauteilen, die jedoch für den Prozess kritisch sind, und auf die Drift der Temperaturmesseinheit zurückzuführen sind.
Dies bedingt bislang regelmäßige Kalibrierungen von Temperaturmesseinheiten anhand der internationalen Temperaturskala (ITS90) um die Drift unter Kontrolle zu halten. Eine Driftkontrolle erfolgt bislang im Allgemeinen auf der Basis des ISO 9001 Standards und weiteren messtechnischen Verordnungen, sowie auf kundenspezifische Anforderungen, welche die oben genannten Temperaturabweichungen verhindern. Der Temperaturmesswiderstand wird dazu in gewissen Zeitabständen aus der aktuellen Prozessanordnung ausgebaut und in einem Temperaturbad gegen ein Normal vermessen. Da der Temperaturmesswiderstand mit einer elektrischen Auswerteeinheit verbunden ist, welche ebenfalls eine Drift aufweist, wird die Gesamtdrift aus Temperaturmesswiderstand und elektronischer Auswerteeinheit zusammen kontrolliert. Dabei ist gegebenenfalls eine Drift zu erkennen.
Die Drift ist weiterhin abhängig vom thermischen als auch mechanischem Stress dem das Temperaturmesssystem ausgesetzt ist, ferner der Temperaturbelastungsart wie beispielsweise ein Temperaturwechsel, sowie von der Belastungsdauer, oder von konstruktiven Parameter wie den eingesetzten Materialien.
Zur oben beschriebenen Driftkontrolle ist ein Temperaturfühler mit eingebautem Fixpunkt bekannt. Um einen im Temperaturfühler angeordneten Temperaturmesswiderstand ist umlaufend eine Flüssigkeit angeordnet, z. B.: Zink. Beim Durchlaufen der Flüssigkeit durch den Fixpunkt, welcher sich durch ein bestimmtes Halteplateau auszeichnet, kann man den Fixpunktwert mit dem Wert des Temperaturmesswiderstandes vergleichen und gegebenenfalls eine Korrektur durchführen. Problematisch ist allerdings, dass das Schutzrohr, in welchem der Temperaturmesswiderstand angeordnet ist, sehr voluminös ausgebildet ist, da um den Temperaturmesswiderstand umlaufend eine Minifixpunktzelle aufgebaut werden muss. Daraus resultiert weiter die Problematik, dass die Trägheit des Temperaturmesswiderstands zunimmt. Aus diesem Grund findet eine solche Anordnung hauptsächlich bei Thermoelementen und im hohen Temperaturbereich Anwendung.
In der DE 10 2006 040135 A ist eine weitere Anordnung mit einem Temperaturfühler beschrieben, welcher eine Anzahl von Temperaturmesswiderständen aufweist und in welchem ein Messkanal und ein Prüfkanal angeordnet ist. Im Prüfkanal wird in bestimmten zeitlichen Abständen ein hochpräzises Normwiderstandsthermometer eingeführt und während des technologischen Prozesses der Messwert des Normwiderstandsthermometers mit dem Messwert des aktuellen Temperaturfühlers verglichen. Anschließend wird die Drift entsprechend korrigiert. Mittels dieser Anordnung ist es möglich, dass die vorliegenden Prozessparameter während des technologischen Prozesses korrigiert werden. Allerdings ist dazu das Einführen des Normwiderstandsthermometers separat erforderlich, was einen zusätzlichen Arbeitsaufwand bedeutet.
Ferner ist nach der DE 10 2009 058 282 B3 eine driftkompensierte Anordnung mit einem Temperaturfühler bekannt, in welchem Temperaturmesswiderstände mit verschiedenen Substraten in einer Anordnung angeordnet werden. Ein Temperaturmesswiderstand weist dabei ein Substrat auf, dessen Ausdehnungskoeffizient größer ist, als der Ausdehnungskoeffizient von Platin. Ein zweiter Temperaturmesswiderstand weist ein Substrat auf, dessen Ausdehnungskoeffizient kleiner ist, als der von Platin. Es ist bekannt, dass die Driftwerte von der Differenz der Ausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Substrate und Platin abhängen. Diese Differenz enthält je nach Substrat entweder ein positives oder ein negatives Vorzeichen. Die Drift kann so mittels der Addition der Messwerte der jeweiligen Temperaturmesswiderstände ermittelt werden. Die Driftwerte der Anordnung weisen aufgrund der Technologie-Verwandtschaftlichkeit der Temperaturmesswiderstände bis auf das Vorzeichen gleichen Driftfunktionstyp und in etwa die gleiche Größenordnung in den absoluten Driftwerten auf.
Allerdings ist die Erfassung der Drift im Bereich einer Raumtemperatur, welche in etwa dem Bereich 18...24°C Grad Celsius entspricht, problematisch.
Insbesondere in temperaturkritischen Halbleiteranwendungen liegen solche Bedingungen typischerweise vor. Die Temperaturfühler unterliegen dort weder thermischem Stress, noch einer Temperaturwechselbelastung. Die Temperatur verbleibt über einen sehr langen Zeitraum auf ein und demselben Wert. Von Bedeutung sind unter diesen Einsatzbedingungen sogenannte stochastische Drifteffekte.
Es ist bekannt, dass die stochastische Drift insbesondere vom inneren Spannungszustand des Temperaturmesswiderstandes abhängt. Durch Alterungsvorgänge werden diese Spannungszustände zwar auf ein Minimum reduziert, jedoch ist die Drift auch abhängig von der bisherigen Verwendung beziehungsweise Geschichte des Temperaturmesswiderstandes und wie bereits beschrieben, von der Höhe der Temperatur und der Art der Temperaturbelastung, so dass die Minimumfindung nicht eindeutig ist.
Bei Messungen im Bereich der Raumtemperatur, verbunden mit Wechsel von positiven und negativen thermischen Belastungen, findet auch ein Wechsel des inneren Spannungszustandes des Temperaturmesswiderstandes statt. Die Spannungszustände infolge kleinster Temperaturänderungen werden ab einer Untergrenze nicht mehr zuordenbar, da an den Grenzflächen von Substrat und Schicht minimale Reibungseffekte (sogenannte Stick-Slip-Effekte) auftreten. Es resultieren aus diesem Verhalten sogenannte stochastische Driftkurven. D. h. der Temperaturmesswiderstand zeigt sich über einen bestimmten Zeitraum stabil, nimmt dann aber sprungartig einen anderen Wert, um Millikelvin verschoben, an. Dann bleibt der Temperaturmesswiderstand wieder stabil, bis dieser wieder sprungartig entweder den Ausgangswert oder einen weiteren anderen Wert annimmt. Die Ermittlung und gegebenenfalls Korrektur einer derartigen stochastischen Drift in der Nähe der Raumtemperatur ist mit den bisher genannten Temperaturfühlern nicht möglich.
Bei Hochpräzision-Temperaturmessungen müssen die Genauigkeits- und Driftbetrachtungen auf die elektronische Signalauswertung ausgedehnt werden. Die elektronische Signalauswertung kann dabei auf vielfältige Art und Weise erfolgen.
In US 6,612,737 B1 ist ein selbstkalibrierendes Messsystem beschrieben, bei dem zwei Festwiderstände als Referenzwiderstände zur Überprüfung von temperaturabhängigen Widerständen verwendet werden. Die Festwiderstände werden hierbei zur Ermittlung eines Referenzstroms verwendet.
Ferner ist aus DE 10 2004 035 014 A1 eine Anordnung von Sensorelementen zum zuverlässigen Messen einer Temperatur bekannt, bei der die Temperatur einer Messstelle von mehreren Widerstandstemperatur-Messelementen mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten erfasst wird, die thermisch gekoppelt in einem Sensorkopf integriert sind.
Die Präzisionsverfahren zur Temperaturmessung in Vierleiterschaltung benutzen stets einen elektrisch hochkonstanten Präzisionswiderstand in einem Referenzkanal. Der Präzisionswiderstand ist dabei in die Schaltung integriert und somit räumlich getrennt vom Temperaturfühler angeordnet. Damit ist eine Einwirkung mechanischer und thermischer Belastungen des Temperaturfühlers auf den Präzisionswiderstand vermeidbar. Spezifische Rausch- und Störsignale, die einem Verbindungsweg Fühler-Elektronik zuzuordnen sind, können aber so nicht erkannt und/oder korrigiert werden.
Es sind also keine Anordnungen bekannt, die über thermische und elektrische Äquivalenzanschlüsse von Sensoren und Präzisionswiderstände das Signal-Rausch-Verhältnis unter anderem verbessern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmesseinheit anzugeben, die eine sichere, driftfreie und präzise Temperaturmessung eines gasförmigen und/oder flüssigen Mediums kontinuierlich über einen Zeitraum von mehreren Jahren ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Temperaturmesseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Temperaturmesseinheit zur Erfassung der Temperatur eines gasförmigen und/oder flüssigen Mediums umfasst einen Anschlusskopf, eine Anzahl von Messwiderständen, mittels welcher die Temperatur des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums erfassbar ist, und ein Schutzrohr umfasst, wobei das Schutzrohr mindestens ein erstes Kanalrohr und ein parallel zu dem ersten Kanalrohr angeordnetes, zweites Kanalrohr aufweist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass in dem ersten Kanalrohr zumindest ein erster und ein zweiter Messwiderstand sowie Zuleitungen zu diesen und in dem zweiten Kanalrohr ein dritter Messwiderstand und ein Festwiderstand sowie Zuleitungen zu diesen angeordnet sind. Dabei weist der Festwiderstand in Bezug auf den ersten, zweiten und dritten Messwiderstand äquivalente Rauscheigenschaften auf.
Mittels der Temperaturmesseinheit wird die Temperatur des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums an ein und derselben Stelle mehrfach erfasst. Dies ermöglicht es, die von den Messwiderständen erfassten Temperaturen miteinander zu vergleichen und gegeneinander auszuwerten, so dass ermittelbar ist, ob sich ein Temperaturwert ungewöhnlich weit von den anderen Temperaturwerten entfernt hat.
Vorzugsweise sind der erste und zweite Messwiderstand jeweils ein Dünnschicht-Messwiderstand mit einer Widerstandsschicht, beispielsweise Platin, und einer Substratunterlage, insbesondere eine keramische Substratunterlage, wobei die Substratunterlagen des ersten und zweiten Messwiderstandes im Material verschieden ausgebildet sind. Beispielsweise ist die Substratunterlage des ersten Messwiderstandes aus Aluminiumoxid und die Substratunterlage des zweiten Messwiderstandes aus Zirconiumoxid.
Die verschiedenen keramischen Materialen der Substratunterlage für den ersten und zweiten Messwiderstand bedingen zudem eine zweifach differente Driftsituation, d. h. dass der erste Messwiderstand in eine gegenüber dem zweiten Messwiderstand entgegengesetzte Richtung driftet. Daher ist es möglich, eine auftretende Langzeitdifferenz der Temperaturmesseinheit mittels mathematischer Korrekturvorschriften zu erkennen und zu eliminieren.
Der dritte Messwiderstand ist besonders bevorzugt ein drahtgewickelter Präzisions-Glas-Temperaturmesswiderstand mit einem Widerstandsdraht, wobei der Widerstandsdraht mit den Widerstandsschichten des ersten und zweiten Messwiderstandes im Material gleich ausgebildet ist. Beispielsweise umfasst der dritte Messwiderstand einen Platindraht, welcher um einen Glaskörper gewickelt und mit einer dünnen Glasschicht überzogen ist.
Während jeweils beim ersten und zweiten Messwiderstand bei Temperaturänderungen ein Gleitreibungsprozess zwischen der Widerstandsschicht und der Substratunterlage stattfindet, ist beim dritten Messwiderstand ein Gleitreibungsprozess zwischen dem Widerstandsdraht und dem Glaskörper zu beachten. Dabei verläuft der Gleitreibungsprozess beim dritten Messwiderstand gegenüber den Gleitreibungsprozessen des ersten und zweiten Messwiderstandes statischer ab, so dass der dritte Messwiderstand durch besonders langzeitstabile Eigenschaften charakterisiert ist. Daher wird der dritte Messwiderstand in der Temperaturmesseinheit als Vergleichsstelle für den ersten und zweiten Messwiderstand verwendet.
Es liegt somit eine Situation vor, in der drei unterschiedliche Temperaturmesswiderstände eingesetzt werden, die sich hinsichtlich Materialeinsatz und Technologie unterscheiden. Insbesondere durch die Verwendung verschiedener keramischer Materialien für die Substratunterlagen entstehen bei Temperaturänderungen zwischen den drei Messwiderständen unterschiedliche Misfit-Zustände beziehungsweise Spannungszustände. Als Misfit wird dabei eine Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messwiderstände verstanden.
Vorzugsweise sind der erste und zweite Messwiderstand über deren Zuleitungen sowie der dritte Messwiderstand und der Festwiderstand über deren Zuleitungen mit einer Elektronikeinheit mechanisch und elektrisch verbunden. Die Elektronikeinheit ist dabei im Anschlusskopf der Temperaturmesseinheit angeordnet. Alternativ dazu sind im Anschlusskopf zwei Elektronikeinheiten angeordnet, wobei eine der Elektronikeinheiten mit dem ersten und zweiten Messwiderstand und die andere der Elektronikeinheiten mit dem dritten Messwiderstand und dem Festwiderstand mechanisch und elektrisch verbunden sind. Dabei ist es auch möglich, dass eine der Elektronikeinheiten mit den drei Messwiderständen und die andere mit dem Festwiderstand verbunden sind.
Dabei sind im ersten, zweiten und dritten Messwiderstand Widerstandsänderungen erzeugbar, die Temperaturänderungen eindeutig zuordenbar sind. Die Widerstandsänderungen sind besonders bevorzugt als Messsignale der zumindest einen Elektronikeinheit zuführbar. Dabei ist anhand der zugeführten Messsignale ein Gesamtmesssignal ermittelbar, welches beispielsweise aus einem zeitlichen Mittelwert der einzelnen Messsignale oder nach entsprechenden anderen messstochastischen Operationen gebildet werden kann. Dadurch hat eine kurzzeitige Messsignaländerung eines Messwiderstandes weniger Einfluss auf einen Messfehler im Gesamtsignal, wodurch die Temperaturmesseinheit weniger anfällig gegen stochastische und/oder Langzeitdrift ist.
In den einzelnen Messsignalen sowie im Gesamtsignal sind stochastische Driftwerte mit teils geringem systematischen Charakter nicht erkennbar. Zusätzlich liegen über den jeweiligen Messsignalen Rauschanteile durch Nyquist, atmosphärisches Rauschen sowie hochfrequente Störsignale durch Vorort Störquellen. Um das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Erfassung der Temperatur günstig zu gestalten, wird neben den drei Messsignalen ein Prüfsignal, ausgehend vom Festwiderstand der zumindest einen Elektronikeinheit über dessen Zuleitungen zugeführt. Da der Festwiderstand einen hochstabilen Normalwiderstand aufweist, ist das Prüfsignal als ein Referenzsignal zu den drei Messsignalen zu betrachten.
Damit sind die erfassten Messsignale und/oder das ermittelte Gesamtmesssignal mittels der zumindest einen Elektronikeinheit korrigierbar. Beispielsweise sind durch eine Differenzbildung des Prüfsignals des Festwiderstandes mit dem jeweiligen Messsignals jedes Messwiderstandes sowie der Differenzbildung der Messsignale der Messwiderstände untereinander, sowohl stochastische Driftwerte als auch Einflüsse der Elektronik ermittelbar und korrigierbar.
Für den Fall, dass eine minimale stochastische Drift dennoch im aus den korrigierten Messsignalen gebildeten Gesamtmesssignal auftritt, ist dieses mittels mathematischer Korrekturvorschriften, welche in der zumindest einen Elektronikeinheit integriert sind, korrigierbar.
Zur Weiterleitung des Gesamtmesssignals aus der Temperaturmesseinheit heraus, weist die zumindest einen Elektronikeinheit vorzugsweise eine Schnittstelle auf. Die Schnittstelle umfasst beispielsweise zwei symmetrische Leitungen, die aus dem Anschlusskopf der Temperaturmesseinheit zu einem Regler, welcher die Temperatur des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums regelt, oder an eine zentrale Steuereinheit übermittelt, die die Temperatur des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums und/oder die Drift der Temperaturmesseinheit überwacht.
Vorzugsweise ist der Regler Teil einer Messanordnung zur Erfassung und Regelung der Temperatur eines gasförmigen und/oder flüssigen Mediums. Die Messanordnung umfasst eine Anzahl von Regelkreisen, welche mindestens eine Temperaturmesseinheit, mindestens einen mit der Temperaturmesseinheit verbundenen Regler zur Regelung der erfassten Temperatur und mindestens einen mit dem Regler verbundenen Heizelement, zur Übertragung thermischer Energie an das gasförmige und/oder flüssige Medium, auf.
Mit der beschriebenen Messanordnung ist eine Kalibrierung des gesamten Messsystems einschließlich der Signalverarbeitung möglich.
Aufgrund der beschriebenen Eigenschaften der Temperaturmesseinheit kann die Messanordnung über viele Jahre stabil arbeiten, ohne dass die Temperaturmesseinheiten in kurzen Abständen gegen andere Normale vermessen werden müssen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
1 ein Zeitdiagramm zur Darstellung von Temperaturverläufen einer ersten Messstelle und einer zweiten Messstelle in einer Klimakammer,
2 eine schematische Darstellung einer Klimakammer,
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Klimakammer,
4 eine schematische Darstellung einer Temperaturmesseinheit,
5 ein Zeitdiagramm zur Darstellung eines Langzeitdriftverlaufes von drei konventionellen Temperaturfühlern in einer Klimakammer,
6 ein Diagramm zur Darstellung einer tatsächlichen Abweichung der drei Temperaturfühler in einer Klimakammer gemäß 5 nach einer bestimmten Betriebszeit,
7 eine schematische Darstellung einer Temperaturmesseinheit,
8A eine schematische Darstellung einer ersten alternativen Ausführungsform der Temperaturmesseinheit,
8B eine schematische Darstellung einer zweiten alternativen Ausführungsform der Temperaturmesseinheit,
8C eine schematische Darstellung einer dritten alternativen Ausführungsform der Temperaturmesseinheit,
8D eine schematische Darstellung einer vierten alternativen Ausführungsform der Temperaturmesseinheit,
8E eine schematische Darstellung einer fünften alternativen Ausführungsform der Temperaturmesseinheit,
8F eine schematische Darstellung einer sechsten alternativen Ausführungsform der Temperaturmesseinheit,
8G eine schematische Darstellung einer siebten alternativen Ausführungsform der Temperaturmesseinheit,
8H eine schematische Darstellung einer achten alternativen Ausführungsform der Temperaturmesseinheit,
8I schematisch ein vergrößerter Ausschnitt einer Temperaturmesseinheit mit drei Kanalrohren und
8J schematisch eine Schnittdarstellung der Temperaturmesseinheit gemäß 8I.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in 1 gezeigte Zeitdiagramm stellt einen kontinuierlichen ersten Temperaturverlauf T₁ einer ersten Messstelle M₁ und einen zweiten Temperaturverlauf T₂ einer zweiten Messstelle M₂ in einer Klimakammer 1 dar.
Die Klimakammer 1 weist ein Medium, beispielsweise Luft, auf, dessen Temperatur an der ersten und zweiten Messstelle M₁, M₂ erfasst wird.
Sowohl die erste und zweite Messstelle M₁, M₂ als auch die Klimakammer 1 sind in der 2 näher dargestellt und beschrieben.
Das Diagramm weist eine Temperaturachse mit der Temperatur T des Mediums mit einer Einheit Kelvin [K] als vertikale Achse, und eine Zeitachse mit einer Zeit t, als horizontale Achse, auf.
Ein Temperaturbereich T_B ist definiert als ein Bereich zwischen einem Temperaturmaximum T_max und einem Temperaturminimum T_min.
Der erste Temperaturverlauf T₁ und der zweite Temperaturverlauf T₂ befinden sich dabei innerhalb des Temperaturbereiches T_B und zeigen jeweils einen weitestgehend konstanten Verlauf mit minimalen Schwankungen.
Der erste und zweite Temperaturverlauf T₁, T₂ sind zu jeder Zeit t durch eine absolute Temperatur T_m1, T_m2 definiert, wobei die absolute Temperatur T_m1 zu einer Zeit t die Temperatur des Mediums an der ersten Messstelle M₁ zu der Zeit t und die absolute Temperatur T_m2 zu einer Zeit t die Temperatur des Mediums an der zweiten Messstelle M₂ zu der Zeit t darstellt.
Die jeweilige Differenz der absoluten Temperaturen T_m1, T_m2 wird als Temperaturabweichung dT₀ definiert. Dabei gilt: dT₀ = T_m1 – T_m2. Im Idealfall beträgt zu jeder Zeit t dT₀ = 0 Millikelvin (mK).
Sind weitere Messstellen in der Klimakammer 1 vorhanden, so gilt für die Temperaturabweichung dT_0x:dT_0x = Maximum(T_m1 – T_m2); (T_m1 – T_mx).
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Temperaturabweichung dT₀ zu jeder Zeit t größer Null. D. h., die Temperatur des Mediums in der Klimakammer 1 weist zu jeder Zeit t an der ersten Messstelle M₁ eine andere, in diesem Fall höhere Temperatur auf als an der zweiten Messstelle M₂.
Eine thermische Stabilität des Mediums an einer der ersten und zweiten Messstelle M₁, M₂ lässt sich über den zeitlichen Gradienten der Temperaturen des Mediums zu verschiedenen Zeiten t ermitteln, d. h. die Temperaturänderung pro Zeit wird als Temperaturgradient dT_s ermittelt. Für die erste Messstelle M₁ wird beispielsweise im ersten Temperaturverlauf T₁ zu zwei voneinander verschiedenen Zeiten t₁, t₂ jeweils die zugehörige absolute Temperatur T_m1.1,1.2 erfasst. Dabei gilt: dT_s = (T_m1.1 – T_m1 _.2)/(t₂ – t₁).
Umso kleiner der Temperaturgradient dT_s ist, umso höher ist die zeitliche, thermische Stabilität des Mediums an der ersten Messstelle M₁. Analog dazu verhält es sich mit der Ermittlung der thermischen Stabilität des Mediums an der zweiten Messstelle M₂.
Insbesondere in der Halbleiterindustrie werden in Klimakammern hohe Anforderungen an die thermische und zeitliche Stabilität eines Mediums gestellt.
Eine solche Klimakammer 1 ist schematisch in 2 dargestellt und umfasst drei Zonen Z₁, Z₂, Z₃, welche durch ein Einströmen des gasförmigen Mediums, beispielsweise Luft oder Stickstoff, an verschiedenen Stellen definiert und in Abhängigkeit einer Strömungsrichtung des Mediums in der Klimakammer 1 angeordnet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Zonen Z₁, Z₂, Z₃ nebeneinander angeordnet. Die Zonen Z₁, Z₂, Z₃ sind z. B. an einer Decke der Klimakammer 1, wobei die Strömungsrichtung des Mediums von oben nach unten ausgerichtet ist, was in dieser Darstellung einer vertikalen Strömungsrichtung entspricht. Dazu ist vorzugsweise außerhalb der Klimakammer 1 eine Mediumsversorgungseinheit 2 zur Luftversorgung und Druckhaltung angeordnet, mittels welcher das Medium, in diesem Fall Luft, über eine Mediumsleitung 2.1 in ein nicht näher dargestelltes Lüftungssystem der Klimakammer 1 eingespeist wird und anschließend jeweils an drei verschiedenen Stellen vertikal in die Zonen Z₁, Z₂, Z₃ einströmt.
Alternativ dazu ist auch eine horizontale Strömungsrichtung des Mediums möglich.
In den Zonen Z₁, Z₂, Z₃ sind jeweils ein Temperaturfühler 3.1 zur Erfassung der Temperatur T, ein Regler 4 und ein Heizelement 5 angeordnet, welche wiederum jeweils einen Regelkreis 6 bilden.
Die Stellen, an denen die jeweiligen Temperaturfühler 3.1 im Regelkreis 6 angeordnet sind, definieren jeweils die erste, zweite und eine dritte Messstelle M₁, M₂, M₃.
In den Regelkreisen 6 ist die jeweilige Temperatur T des Mediums in den Zonen Z₁, Z₂, Z₃, insbesondere am Austritt dieser, individuell regelbar. Dabei ist es möglich, die örtliche Temperaturabweichung dT₀ zwischen den Zonen Z₁, Z₂, Z₃ zueinander langfristig konstant gegen Null zu halten.
Ziel dieser Anordnung ist es, die lokale Temperatur am Austritt der Zonen Z₁, Z₂, Z₃ zu regeln und die relative Temperatur dT₀. der Zonen Z₁, Z₂, Z₃ zueinander über die Lebensdauer der Maschine hinweg konstant gegen Null zu halten.
Dazu muss jeweils die absolute Temperatur T_m1,m2,m3 mit dem Temperaturfühler 3.1 erfasst werden. Der jeweilige Regler 4 vergleicht die absolute Temperatur T_m1,m2,m3 mit einem Sollwert, beispielsweise eine Temperatur von 22,000 Grad Celsius. Weist dieser Vergleich eine Differenz ungleich Null auf, wirkt der Regler 4 entgegen. Dazu weist der Regler 4 ein nicht dargestelltes Stellglied auf, welches das Heizelement 5 ansteuert. Das Heizelement 5 kann alternativ auch als ein Kühlelement oder als eine Kombination aus einem oder mehreren Heiz- und Kühlelementen ausgebildet sein.
Da die Temperatur T üblicherweise eine prozesskritische Größe darstellt, definieren die Bereiche der Zonen Z₁, Z₂, Z₃, die das Heizelement 5 und die Temperaturfühler 3.1 umfassen, einen kritischen Bereich 7 der Klimakammer 1.
Eine homogene Temperaturverteilung des Mediums in der Klimakammer 1 ist nur bei einer zuvor durchgeführten, sehr exakten Kalibrierung der Temperaturfühler 3.1 anhand von Fixpunkten nach der internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS90) möglich.
Das Ergebnis eines unzureichend genau kalibrierten Temperaturfühlers 3.1 zeigt 3.
Das Medium wird hier über die in der Klimakammer 1 angeordnete Luftversorgungseinheit 2 und über Heizelemente 5 sowie Mischelemente 5.1, welche der Vergleichmäßigung der Temperatur T über den Querschnitt einer Mediumsleitung 2.1 dienen, in die Klimakammer 1 eingeführt.
Obwohl die jeweiligen Regler 4 die gleiche Sollwertvorgabe der Temperatur T des Mediums aufweisen, stellt sich eine inhomogene Temperaturverteilung in den Zonen Z₁, Z₂, Z₃ ein, welche mittels Schraffuren in den Zonen Z₁, Z₂, Z₃ dargestellt ist. Die inhomogene Temperaturverteilung ist insbesondere auf eine zeitliche Drift der jeweiligen Temperaturmesseinheiten 3 zurückzuführen. Dies bedeutet, sie weisen eine bleibende Temperaturabweichung gegenüber Temperaturnormalen auf.
Dieses Problem lässt sich, wie eingangs beschrieben, durch eine ausreichend präzise Justierung und Kalibrierung der jeweiligen Temperaturmesseinheiten 3 an Fixpunkten entsprechend der internationalen Temperaturskala ITS90 nur bedingt lösen, da der Aus- und Wiedereinbau der jeweiligen Temperaturmesseinheiten 3 die Messgenauigkeit durch veränderliche Übergangswiderstände bei den Messanordnungen verändert. Neben dem daraus resultierenden kurzzeitigen Produktionsausfall der jeweiligen Temperaturmesseinheiten 3 entsteht ein logistischer Aufwand für den Kalibriervorgang. Zudem ist häufig der Zugang zu den Temperaturmesseinheiten 3 erschwert oder nicht möglich.
Weiterhin können Kalibrierungen nur auf Grundlage empirisch festgelegter Kalibrierintervalle durchgeführt werden, denn die jeweilige Drift der Temperaturmesseinheiten 3 lässt sich nicht gemeingültig und hinreichend genau ermitteln.
Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass eine Drift bei hochwertigen Temperaturmesseinheiten 3 im Bereich von 1 Millikelvin bis 5 Millikelvin pro Monat auftritt. Allerdings sind bei dieser Annahme die Einflüsse der Umgebungsbedingungen sowie der Handhabung der jeweiligen Temperaturmesseinheiten 3 nicht inbegriffen.
4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Temperaturmesseinheit 3, bestehend aus einem Temperaturwiderstand 3.1 und einer Signalverarbeitung 8, welche in zumindest einer Elektronikeinheit stattfindet, die in der Temperaturmesseinheit 3 angeordnet und in 7 näher dargestellt ist.
Die Signalverarbeitung 8 empfangt die von dem Temperaturwiderstand 3.1 erfasste Temperatur T in Form eines Messsignals (X1, X2, X3) sowie gegebenenfalls ein Prüfsignal (X4) eines ebenfalls in der Temperaturmesseinheit 3 angeordneten Festwiderstandes (FW) und weist folgende Verfahrensschritte auf: 8a) erste Signalverarbeitung, 8b) Signalwandlung, 8c) Energieadaption, 8d) zweite Signalverarbeitung und 8e) Kommunikation.
Die Drift der Temperaturmesskette ist bislang über den jeweiligen Regelkreis 6 in der Klimakammer 1 nicht erkenn- und ermittelbar und kann daher nicht überwacht werden.
Dies führt zu einer inhomogenen Temperaturverteilung in der Klimakammer 1 gemäß den 3 und °6.
Weiterhin ist eine über das oben genannte Maß verlässlich quantifizierbare Langzeitdrift einer solchen Temperaturmesskette in einer Umgebungstemperatur im Raumtemperaturbereich weitestgehend unbekannt und kann mit heutigen, messtechnischen Vorrichtungen, welche keine Kalibriervorrichtungen sind, nicht oder nur unzureichend ermittelt werden.
Der Effekt der Langzeitdrift von drei konventionellen Temperaturfühlern aus dem Stand der Technik auf die örtliche Temperaturverteilung in einer Klimakammer 1 ist beispielhaft in 5 in einem Diagramm schematisch dargestellt.
Das Diagramm weist eine Temperaturachse mit der absoluten Temperatur T und der Einheit Grad Celsius [C°] als vertikale Achse, und eine Zeitachse mit einer Zeit t und der Einheit Monate [Monate], als horizontale Achse, auf.
Die Temperaturachse zeigt einen Temperaturbereich von 21,9950C° bis 22,0250C° in 0,0050C° Schritten. Die Zeitachse zeigt einen Zeitbereich von 0 Monate bis 24 Monate in 4 Monat Schritten.
Die Langzeitdrift der Temperaturfühler ist mit den Temperaturverläufen T₃, T₄, T₅ dargestellt.
Zu Beginn der Messung der Temperaturen T, sind die Temperaturfühler justiert und kalibriert, was daran zu erkennen ist, dass die absoluten Temperaturwerte T der jeweiligen Temperaturverläufe T₃, T₄, T₅ zu Beginn der Messung nur minimal voneinander abweichen.
Über den dargestellten Zeitraum von bis zu 24 Monaten driften die erfassten Temperaturen T. D. h. die Abweichungen der von den konventionellen Temperaturfühlern erfassten Temperaturen T untereinander werden größer.
Dazu zeigen die Temperaturverläufe T₃, T₄, T₅ ein streng monoton steigendes Verhalten, wobei der Anstieg der Temperaturverläufe T₃, T₄, T₅ jeweils unterschiedlich ist.
So ist der Anstieg des Temperaturverlaufes T₃ kleiner als der Anstieg des Temperaturverlaufes T₄, welcher wiederum kleiner ist als der Anstieg des Temperaturverlaufes T₅.
Dies bedeutet, dass die von den konventionellen Temperaturfühlern erfassten Temperaturen T gegenüber der Temperaturskala ITS90 eine Abweichung aufweisen, deren Driftgradienten zudem unterschiedlich sind.
Eine Abweichung der von den konventionellen Temperaturfühlern erfassten Temperaturen T in den Zonen Z₁, Z₂, Z₃ nach einer Zeit t von 6 Monaten ist in 6 in einem weiteren Diagramm dargestellt.
Das Diagramm weist analog zu dem Diagramm in 5 die Temperaturachse und die Zeitachse auf, wobei die Zeitachse die Zeit t mit der Einheit Stunde[h] von 0 h bis 24 h aufweist sowie die Temperaturverläufe T₃, T₄, T₅ der Messwiderstände der konventionellen Temperaturmesseinheit.
Die konventionellen Temperaturfühler sind analog zur Beschreibung in 5 initial justiert und kalibriert.
Der Temperaturverlauf T₅ weist zu Beginn der Messung eine Temperatur T von 22,0150C° auf. Dabei ist seine Temperatur T um 0,0050C° höher als die Temperatur T des Temperaturverlaufes T₄ mit 22,0100C° zu Beginn der Messung. Der Temperaturverlauf T₃ weist die niedrigste Temperatur T auf, welche zu Beginn der Messung ca. 22,0030C° beträgt.
Die konventionellen Temperaturfühler weisen daher eine signifikante Drift im oberen Millikelvin Bereich auf.
Zur zuverlässigen Erkennung dieser Drift ohne den und/oder die Temperaturmesseinheiten 3 regelmäßig zu Kalibrierzwecken deinstallieren zu müssen, ist eine Temperaturmesseinheit 3 notwendig, welche die Drift erkennt und infolgedessen eine automatische Messwertkorrektur einleitet.
Eine solche Temperaturmesseinheit 3 ist in 7 dargestellt.
Die Temperaturmesseinheit 3 umfasst ein Stützrohr 10 mit zwei dünnwandigen Kanalrohren 12.1 und 12.2, sowie einen Prozessanschluss 11 und einen Anschlusskopf 13.
Der Anschlusskopf 13 befindet sich, in Bezug auf die Längsausrichtung der Temperaturmesseinheit 3, in einem oberen Teil der Temperaturmesseinheit 3.
Die dünnwandigen Kanalrohre 12.1 und 12.2 sind jeweils durch zwei Anschlussleitungen definiert, welche die Kanalrohre 12.1 und 12.2 jeweils mit einer oder mehreren Elektronikeinheiten verbinden, die in dem Anschlusskopf 13 nebeneinander angeordnet sind.
In einem der Kanalrohre 12.1 und 12.2, im Folgenden als erstes Kanalrohr 12.1 bezeichnet, befinden sich zwei als Temperatursensor dienende Platin-Messwiderstände SA und SZ, welche in einem unteren Bereich des ersten Kanalrohrs 12.1 vertikal nebeneinander angeordnet sind.
Die Platin-Messwiderstände SA und SZ sind vorzugsweise jeweils als Dünnschicht-Messwiderstände mit einer Platinschicht und einer Substratunterlage ausgebildet.
Der Platin-Messwiderstand SA weist als Substratunterlage Aluminiumoxid auf. Da der Ausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid größer ist als der von Platin, ist die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten positiv.
Der Platin-Messwiderstand SZ weist als Substratunterlage Zirconiumoxid auf. In diesem Fall ist die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten negativ, da der Ausdehnungskoeffizient von Zirconiumoxid kleiner als der von Platin ist.
Beide Platin-Messwiderstände SA und SZ sind als Platin 100 (Pt 100) Sensoren mit einer hohen Messgenauigkeit ausgebildet, welche anhand ihres Nennwiderstandes bei einer Temperatur T von Null Grad Celsius charakterisiert sind. Der Nennwiderstand beträgt 100 Ohm.
In dem anderen Kanalrohr 12.2, im Folgenden als zweites Kanalrohr 12.2 bezeichnet, sind im unteren Bereich dessen ein Festwiderstand FW und ein Glas-Messwiderstand GW vertikal nebeneinander angeordnet.
Der Festwiderstand FW ist vorzugsweise als ein elektrischer Präzisions-Konstantwiderstand ausgebildet und dient in der Temperaturmesseinheit 3 als Referenzwiderstand.
Der Glas-Messwiderstand GW ist als ein drahtgewickelter Glaswiderstand mit einem Platindraht ausgebildet.
Die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten ist beim Glasmesswiderstand GW hinreichend klein, so dass sie als gegen Null betrachtet werden kann. Der Glasmesswiderstand GW ist insbesondere als durch besonders langzeitstabile Eigenschaften charakterisiert.
Zur Erfassung der Temperatur T müssen die Platin-Messwiderstände sowie der Glasmesswiderstand GW von einem konstanten Strom durchflossen werden. Beispielsweise wird dies durch eine in der Temperaturmesseinheit 3 integrierte Konstantstromquelle ermöglicht.
Zur Erfassung der Temperatur T müssen die Platin-Messwiderstände SA, SZ sowie der Widerstandswertes der jeweiligen eingebauten Platin-Messwiderstände SA, SZ sowie des Glasmesswiderstandes GW erfasst.
Die so erfassten Temperaturen T werden jeweils als Messsignale X1, X2, X3 der oder den Elektronikeinheiten zugeführt.
Dabei ist das Messsignal X1 dem Platin-Messwiderstand SA, das Messsignal X2 dem Platin-Messwiderstand SZ und das Messsignal X3 dem Glasmesswiderstand GW zugeordnet.
Die Elektronikeinheit weist eine nicht dargestellte Mikroprozessoreinheit auf und ist über eine Schnittstelle mit anderen elektronischen Bauelementen, beispielsweise einem Regler 4, verbindbar.
In der Elektronikeinheit sind vorzugsweise Konstantstromquellen integriert, die mit den Platin-Messwiderständen SA und SZ, dem Glasmesswiderstand GW sowie dem Festwiderstand FW einen elektrischen Stromkreis bilden.
Die Elektronikeinheit prüft die Messsignale X1, X2, X3 gegen ein Prüfsignal X4 des Festwiderstandes FW und bildet ein Gesamtmesssignal X, welches sich aus den Messsignalen X1, X2, X3 ergibt. Gegebenenfalls korrigiert die Elektronikeinheit das Gesamtmesssignal X nach einer mathematischen Korrekturvorschrift.
Der Festwiderstand FW erfasst dazu elektrische Einstreuungen in seinem eigenen Stromkreis, die analog zu den elektrischen Einstreuungen der anderen Messstromkreise sind.
Diese elektrischen Einstreuungen führen zu einer Verfälschung der Messsignale X1, X2, X3 und damit zu einer Verfälschung des Gesamtmesssignals X. Diese Verfälschung wird als Rauschfehler definiert.
Da das Gesamtmesssignal X sich aus der zeitlichen Mittelwertbildung der einzelnen Messsignale X1, X2, X3 ergibt, erzeugt ein Rauschfehler eines einzelnen Platin-Messwiderstandes SA und SZ und/oder Glasmesswiderstandes GW eine geringere Abweichung des Gesamtmesssignals X zum jeweiligen Messsignal X1, X2, X3 und damit eine geringere Abweichung vom Absolutwert.
Die sich dennoch einstellende Minimaldrift kann mit Hilfe einer mathematischer Korrekturvorschriften kompensiert werden, z. B. in der Form: X = (X1 + X2 + 2 X3)/4.
Wie bereits beschrieben, ist die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten des Platin-Messwiderstandes SA positiv und die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten des Platin-Messwiderstandes SZ negativ. D. h. die Platin-Messwiderstände SA und SZ driften in entgegen gesetzte Richtungen, infolgedessen die Gesamtdrift kompensiert wird.
Mit einer derartigen Temperaturmesseinheit 3 ist eine Kalibrierung der Temperaturmesseinheit 3 einschließlich der Signalverarbeitung möglich. Somit stellt die Temperaturmesseinheit 3 ein kalibriertes und abgeglichenes Gesamtsystem dar, wodurch beispielsweise Wärmeableitfehler auf ein Minimum reduziert werden.
8A stellt eine Temperaturmesseinheit 3 mit zwei herausragenden Kanalrohren 12.1 und 12.2 dar.
Die Kanalrohre 12.1 und 12.2 ragen aus dem oberen Stützrohr 10 heraus. Am Stützrohr 10 ist der Prozessanschluss 11 befestigt, welcher vorzugsweise aus einem Bund und Überwurfmutter besteht.
Am oberen Ende des Stützrohrs 10 befindet sich der Anschlusskopf 13, der eine mehrkanalige integrierte Signalverarbeitung mit Mikroprozessoreinheiten enthält. Es ist dabei möglich, dass den entsprechenden Kanälen zugeordnet zwei nebeneinander bestehende Signalverarbeitungseinheiten verwendet werden.
In den Kanalrohren 12.1 und 12.2 befinden sich Anschlussleitungen, die mit den Platinmesswiderständen SA und SZ sowie dem Glasmesswiderstand GW verbunden sind. Vorzugsweise wird pro Messwiderstand mit 4-Leiterschaltung gearbeitet.
Die Anordnung nach 8B besitzt ein einfaches Schutzrohr 10, indem vier Widerstände in einem unteren Teil des Schutzrohrs 10 angeordnet sind. Der obere Aufbau der Anordnung entspricht der Anordnung nach 8A. Im Innenteil des Schutzrohres 10 sind zwei Platin-Messwiderstände SZ und SA sowie ein Glasmesswiderstand GW und ein Festwiderstand FW angeordnet, welche mit Anschlussleitungen verbunden sind, die zu der Signalverarbeitungseinheit im Anschlusskopf 13 führen.
In der 8C ist eine Anordnung entsprechend 8A dargestellt. Die im vorderen Teil angeordneten Sensoren in den Kanälen 12.1 und 12.2 sind zueinander jedoch verändert. Im ersten Kanalrohr 12.1 befinden sich ein Platinmesswiderstand SZ mit Zirkoniumoxidsubstrat und ein Glasmesswiderstand GW. Im zweiten Kanalrohr 12.2 ein Festwiderstand FW und ein Platin-Messwiderstand SA mit Aluminiumoxidsubstrat.
In der Anordnung nach 8D sind vier Widerstände SA, SZ, GW, FW im vorderen Teil der Temperaturmesseinheit 3 angeordnet. Die Gesamtanordnung entspricht der 8A, wobei jedoch die Widerstände SA, SZ, GW, FW vorn wie folgt angeordnet sind: Im zweiten Kanalrohr 12.2 der Glasmesswiderstand GW und der Platinmesswiderstand SA mit Aluminiumoxid und im zweiten Kanalrohr 12.2 der Festwiderstand FW und der Platin-Messwiderstand SZ mit Zirkoniumoxid.
In der Anordnung nach 8E sind sechs Widerstände SA, SZ, GW, FW in den vorderen Teilen der Temperaturmesseinheit 3 insgesamt eingebaut. Im ersten Kanalrohr 12.1 befinden sich zwei Platinmesswiderstände SA und SZ mit unterschiedlichem Substrat sowie ein Festwiderstand FW. Im zweiten Kanalrohr 12.2 befinden sich ebenfalls zwei Platin-Messwiderstände SA und SZ mit unterschiedlichen Substraten sowie der Glasmesswiderstand GW.
In der Anordnung nach 8F sind wie in der 8E sechs Widerstände SA, SZ, GW, FW angeordnet. Die Anordnung ergibt sich wie folgt: Das erste Kanalrohr 12.1 enthält einen Glasmesswiderstand GW, einen Platin-Messwiderstand SZ mit Zirkoniumoxydsubstrat und einen Festwiderstand FW. Das zweite Kanalrohr 12.2 enthält einen Glasmesswiderstand GW, einen Platin-Messwiderstand SA mit Aluminiumoxidsubstrat und einen Festwiderstand FW.
In 8G sind drei Kanalrohre 12.1, 12.2, 12.3 dargestellt. Die Kanalrohre 12.1, 12.2, 12.3 ragen aus dem Stützrohr 10 heraus. Am Stützrohr 10 befindet sich ebenfalls der Prozessanschluss 11. Die drei Kanalrohre 12.1, 12.2, 12.3 bilden in der Bodenansicht ein gleichseitiges Dreieck. Sie werden so ausgerichtet, dass zwei der Kanalrohre 12.1, 12.2, 12.3 direkt angeströmt werden (die Strömungsrichtung ist in den 8A bis 8I mit einem Pfeil dargestellt) und ein drittes der Kanalrohre 12.1, 12.2, 12.3 so angeströmt wird, dass die Strömung durch die beiden vorderen Kanalrohre 12.1, 12.2, 12.3 senkrecht auf das hintere der Kanalrohre 12.1, 12.2, 12.3 trifft. Im Inneren der drei Kanalrohre 12.1, 12.2, 12.3 befinden sich entsprechende Widerstände SA, SZ, GW, FW, welche wie folgt angeordnet sind: Das erste Kanalrohr 12.1 enthält einen Platin-Messwiderstand SA mit Aluminiumoxidsubstrat und einen Festwiderstand FW. Das zweite Kanalrohr 12.2 enthält einen Platin-Messwiderstand SZ mit Zirkoniumoxydsubstrat und das dritte Kanalrohr 12.3 enthält einen Glasmesswiderstand GW. Die Widerstände SA, SZ, GW, FW sind mit Anschlussleitungen verbunden, die zur mehrkanaligen Elektronik hinaufführen.
Die 8H enthält eine weitere innovative Anordnung, die im Wesentlichen der Anordnung aus 8G entspricht, jedoch sind im vorderen Teil die Widerstände SA, SZ, GW, FW wie folgt angeordnet: Das erste Kanalrohr 12.1 enthält einen Platin-Messwiderstand SZ mit Zirkoniumoxid und einen Platin-Messwiderstand SA mit Aluminiumoxid. Das zweite Kanalrohr 12.2 enthält ebenfalls beide Platin-Messwiderstände SA und SZ, jedoch in umgekehrter Reihenfolge. Im dritten Kanalrohr 12.3 sind ein Festwiderstand FW und ein Glasmesswiderstand GW angeordnet.
Grundsätzlich gilt für alle Anordnungen 8A bis 8J, dass die Widerstände SA, SZ, GW, FW sowohl hintereinander als auch nebeneinander in den jeweiligen Kanalrohren 12.1, 12.2, 12.3 angeordnet sein können. Bei den Anordnungen wird im Wesentlichen von einer 4-Leiterschaltung ausgegangen, jedoch sind auch 2- und 3-Leiterschaltungen unter bestimmten schaltungstechnischen Bedingungen möglich.
Die 8I zeigt Kanalrohre 12.1, 12.2, 12.3, die zur Erzielung einer thermischen Gleichwertigkeit der Kanäle der Widerstände SA, SZ, GW, FW mit Silberboden inklusive Schraubansatz und Abstandshaltern 32 ausgerüstet sind. Über die Silberschraubansätze sind Leitbleche 31 angeschraubt.
8J zeigt einen Schnitt VIII durch die Kanalrohre 12.1, 12.2, 12.3 gemäß 8I.
Bezugszeichenliste

1: Klimakammer
2: Luftversorgungseinheit
2.1: Mediumsleitung
3: Temperaturmesseinheit
3.1: Temperaturerfassungseinheit
4: Regler
5.1: Heizelement
5.2: Mischelement
6: Regelkreis
7: kritischer Bereich
8: Signalverarbeitung
8a: erste Signalverarbeitung
8b: Signalwandlung
8c: Energieadaption
8d: zweite Signalverarbeitung
8e: Kommunikation
10: Stützrohr
11: Prozessanschluss
12.1: erstes Kanalrohr
12.2: zweites Kanalrohr
12.3: drittes Kanalrohr
13: Anschlusskopf
31: Leitbleche
32: Abstandshalter
FW: Festwiderstand
GW: Glasmesswiderstand
M₁, M₂, M₃: erste, zweite und dritte Messstelle
SA, SZ: Platin-Messwiderstände
T₁: erster Temperaturverlauf
T₂: zweiter Temperaturverlauf
T_max: Temperaturmaximum
T_min: Temperaturminimum
T_B: Temperaturbereich
T_m1, T_m2, T_m1.1, T_m2.1: absolute Temperatur
t, t₁, t₂: Zeit
dT₀: Temperaturabweichung
dT_s: Temperaturänderung pro Zeit
Z₁, Z₂, Z₃: Zonen
VIII: Schnitt

Claims

Temperaturmesseinheit (3) zur Erfassung der Temperatur (T) eines gasförmigen und/oder flüssigen Mediums, umfassend einen Anschlusskopf (13), eine Anzahl von Messwiderständen, mittels welcher die Temperatur (T) des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums erfassbar ist, und ein Stützrohr (10), wobei das Stützrohr (10) mindestens ein erstes Kanalrohr (12.1) und ein parallel zu dem ersten Kanalrohr (12.1) angeordnetes, zweites Kanalrohr (12.2) aufweist, wobei - in dem ersten Kanalrohr (12.1) zumindest ein erster und zweiter Messwiderstand (SA, SZ) sowie Zuleitungen zu diesen und in dem zweiten Kanalrohr (12.2) ein dritter Messwiderstand (GW) und ein Festwiderstand (FW) sowie Zuleitungen zu diesen angeordnet sind, - der erste und zweite Messwiderstand (SA, SZ) jeweils ein Dünnschicht-Messwiderstand mit einer Widerstandsschicht und einer Substratunterlage ist, - die Substratunterlagen des ersten und zweiten Messwiderstandes (SA und SZ), im Material verschieden ausgebildet sind und - der dritte Messwiderstand (GW) ein drahtgewickelter Präzision-Glas-Temperaturmesswiderstand mit einem Widerstandsdraht ist, welcher mit den Widerstandsschichten des ersten und zweiten Messwiderstandes (SA, SZ) im Material gleich ausgebildet ist.
Temperaturmesseinheit (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektronikeinheit im Anschlusskopf (13) angeordnet ist, wobei die zumindest eine Elektronikeinheit mit dem ersten und zweiten Messwiderstand (SA, SZ) über deren Zuleitungen sowie mit dem dritten Messwiderstand (GW) und dem Festwiderstand (FW) über deren Zuleitungen mechanisch und elektrisch verbunden ist.
Temperaturmesseinheit (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils in dem ersten, zweiten und dritten Messwiderstand (SA, SZ, GW) Widerstandsänderungen erzeugbar sind, die als Messsignale (X1, X2, X3) der zumindest einen Elektronikeinheit zuführbar sind, wobei anhand der Messsignale (X1, X2, X3) ein Gesamtmesssignal (X) ermittelbar ist.
Temperaturmesseinheit (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest einen Elektronikeinheit ein Prüfsignal (X4) des Festwiderstandes (FW) über dessen Zuleitungen zuführbar ist.
Temperaturmesseinheit (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Messsignale (X1, X2, X3) und/oder das ermittelte Gesamtmesssignal (X) mittels der zumindest einen Elektronikeinheit korrigierbar sind.
Temperaturmesseinheit (3) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Elektronikeinheit eine Schnittstelle aufweist.