DE102011005186A1

DE102011005186A1 - Active thermal probe and method for continuous measurement of energy input and method for controlling the temperature at the measuring point

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Publication number: DE102011005186A1
Application number: DE201110005186
Authority: DE
Inventors: Dr. Bartsch Renè; Dr. Wiese Ruben
Original assignee: Leibniz-Institut fur Plasmaforschung und Technologie Ev; Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2012-02-09
Also published as: EP2550517A1; WO2011117057A4; WO2011117057A1

Abstract

Die aktive Thermosonde und das Verfahren zur kontinuierlichen Messung des Energieeintrags sowie das Verfahren zur Regelung der Temperatur an der Messstelle finden bei der kontinuierlichen Messung des Energieeintrags u. a. bei der Diagnostik und der Regelung von plasmatechnologischen Prozessen Anwendung. Es ist Aufgabe der Erfindung, den Energieeintrag an der Oberfläche der Sonde richtungsabhängig zu messen und unerwünschte Wärmeströme zwischen der Sonde und ihren Zuleitungen und Halterungen zu unterbinden, ohne dass die Messergebnisse der Thermosonde verfälscht werden. Zusätzlich sollen die Schwankungen der Heizleistung während der Regelung minimiert werden. Das Hauptmerkmal dieser Erfindung liegt in der richtungsabhängigen Messung des Energieeintrages unter absoluter Kompensation der Wärmestrahlung, die aus der entgegengesetzten Richtung kommt und nicht zum Messwert beitragen soll. Dazu wird auf der Unter- und Oberseite eines dünnen Trägers je eine geheizte Messfläche aufgebracht und diese geheizten Messflächen sind an jeweils eine getrennte Temperaturregelung angeschlossen, wobei die Temperatur beider geheizter Messflächen auf gleichem Niveau konstant gehalten wird und bei Änderung des Energieeintrages an den Messfläche n die Heizleistung jeweils getrennt reduziert wird. Die Reduzierung der Heizleistung stellt ein Maß für die an dieser Messfläche ankommenden Energie dar und die Energieeinträge auf der Rückseite und der Oberseite der Thermosonde werden getrennt voneinander gemessen.The active thermal probe and the method for the continuous measurement of the energy input as well as the method for regulating the temperature at the measuring point are found in the continuous measurement of the energy input u. a. in the diagnosis and control of plasma technology processes. It is an object of the invention to measure the energy input on the surface of the probe in a direction-dependent manner and to prevent undesirable heat flows between the probe and its feed lines and holders without the measurement results of the thermal probe being falsified. In addition, the fluctuations in the heating output during control should be minimized. The main feature of this invention lies in the direction-dependent measurement of the energy input with absolute compensation of the thermal radiation, which comes from the opposite direction and is not intended to contribute to the measured value. For this purpose, a heated measuring surface is applied to the underside and top of a thin support and these heated measuring surfaces are each connected to a separate temperature control, the temperature of both heated measuring surfaces being kept constant at the same level and changing the energy input at the measuring surface Heating power is reduced separately. The reduction in heating power is a measure of the energy arriving at this measuring surface and the energy inputs on the back and the top of the thermal probe are measured separately.

Description

Die aktive Thermosonde und das Verfahren zur kontinuierlichen Messung des Energieeintrags sowie das Verfahren zur Regelung der Temperatur an der Messstelle finden bei der kontinuierlichen Messung des Energieeintrags u. a. bei der Diagnostik und der Regelung von plasmatechnologischen Prozessen Anwendung.The active thermoprobe and the method for continuous measurement of the energy input and the method for controlling the temperature at the measuring point find in the continuous measurement of the energy input u. a. in diagnostics and control of plasma technological processes.

Stand der TechnikState of the art

Die Plasma-Oberflächentechnologie ist ein bedeutendes Universalwerkzeug, das für zahlreiche industrielle Prozesse entscheidend ist. Dazu gehören z. B. die Beschichtung von Displays (z. B. Flachbildschirme), von Architekturglas oder der Verschleißschutz, wie beispielsweise die Beschichtung von Werkzeugen und hochbelasteten Bauteilen.Plasma surface technology is a significant universal tool that is critical to many industrial processes. These include z. As the coating of displays (eg., Flat screens), architectural glass or wear protection, such as the coating of tools and highly loaded components.

Fast alle plasmatechnologischen Anwendungen basieren auf der Plasma-Wand-Wechselwirkung, die über die Plasmarandschicht abläuft. Eine zentrale Größe ist die Temperatur der aufwachsenden Schicht, die u. a. vom Energieeintrag durch das Plasma bestimmt wird. Beide physikalischen Größen – Temperatur und Energieeintrag – beeinflussen entscheidend bei Beschichtungsprozessen die physikalischen Eigenschaften der hergestellten Schicht. Besonders kinetische Prozesse, die die Morphologie der Schicht beeinflussen, oder Zug- und Druckspannungen in der aufwachsenden Schicht sind von diesen Parameter abhängig.Almost all plasma technology applications are based on the plasma-wall interaction that takes place via the plasma boundary layer. A key variable is the temperature of the growing layer, the u. a. is determined by the energy input through the plasma. Both physical quantities - temperature and energy input - have a decisive influence on the physical properties of the produced layer during coating processes. Especially kinetic processes that influence the morphology of the layer or tensile and compressive stresses in the growing layer depend on these parameters.

Zur Messung des Energieeintrags bei plasmatechnologischen Prozessen werden passive und aktive Thermosonden angewendet. Die passiven Thermosonden haben entscheidende Nachteile für die industrielle Anwendung. Sie arbeiten nicht kontinuierlich, zur Messwertaufnahme muss der Energieeintrag zwangsläufig unterbrochen werden. Das würde aber den plasmatechnologischen Prozess unterbrechen und ist deshalb nicht immer möglich. Zeitliche Verläufe sind nicht messbar. Die Temperatur der Oberfläche ist nicht konstant. Es ist eine Eichung erforderlich, wobei Eichfehler durch andere Umgebungsbedingungen auftreten können oder der Reflexionskoeffizient nur abgeschätzt werden kann. Außerdem ändern sich die Sondenparameter bei der Messung, indem sich der Reflexionskoeffizient und/oder die Wärmekapazität ändern.To measure the energy input in plasma technological processes, passive and active thermoprobes are used. The passive thermal probes have significant disadvantages for industrial application. They do not work continuously; the energy input must inevitably be interrupted to record measured values. But that would interrupt the plasma technological process and is therefore not always possible. Time courses are not measurable. The temperature of the surface is not constant. A calibration is required, where calibration errors can occur due to other environmental conditions or the reflection coefficient can only be estimated. In addition, the probe parameters change during measurement by changing the reflection coefficient and / or the heat capacity.

Die kontinuierliche Prozessüberwachung, die zudem in Echtzeit erfolgen sollte, ist aber gerade ein entscheidendes Kriterium für die effektive Steuerung von industriellen Beschichtungsprozessen (z. B. Polymerfolien in „Rolle-zu-Rolle” Prozessen) um Substrate effizienter, energiesparender und präziser bearbeiten zu können. Dies minimiert den Ausschuss, verbessert definierte Eigenschaften oder schafft neue funktionalisierte Oberflächen.However, continuous process monitoring, which should also be done in real-time, is currently a crucial criterion for the effective control of industrial coating processes (eg polymer films in "roll-to-roll" processes) in order to process substrates more efficiently, more energy-efficiently and more precisely , This minimizes scrap, improves defined properties or creates new functionalized surfaces.

Das Messprinzip der aktiven Thermosonde beruht auf der Kompensation auftretender äußerer Energieeinträge. Dazu wird eine Messfläche (üblicherweise ein speziell angepasster PT100- oder PT1000-Widerstand) durch elektrische Leistungszuführung auf einer konstanten Sondentemperatur gehalten. Die dazu erforderliche Leistung wird gemessen und als Referenzleistung gespeichert. Sinkt der integrale Energieeintrag von außen, muss mehr elektrische Heizleistung zugeführt werden, um die ursprüngliche Sondentemperatur wiederherzustellen. Steigt der Energieeintrag von außen, muss die zugeführte elektrische Heizleistung entsprechend abgesenkt werden. In jedem Fall ist die Differenz der aktuell notwendigen Heizleistung zur Referenzleistung ein Maß für die Veränderung des aktuellen Energieeinstroms von außen gegenüber demjenigen zum Referenzzeitpunkt.The measuring principle of the active thermoprobe is based on the compensation of external energy inputs. For this purpose, a measuring surface (usually a specially adapted PT100 or PT1000 resistor) is kept at a constant probe temperature by electrical power supply. The required power is measured and stored as reference power. If the integral external energy input sinks, more electrical heating power must be supplied to restore the original probe temperature. If the energy input from the outside increases, the supplied electric heating power must be lowered accordingly. In any case, the difference between the currently required heating power and the reference power is a measure of the change in the current energy inflow from the outside in relation to that at the reference time.

Daher wurde mit der DE 10 2007 033 947 A1 ein Verfahren und eine aktive Thermosonde offenbart, die eine Anordnung zur Messung der zeit- und ortsaufgelösten Strahlungsimmission aus Korpuskular- oder Wellenstrahlung, bestehend aus einer Thermosonde, einem Regelkreis zum Messen und Regeln der Temperatur der Sondenoberfläche und der dazugehörigen Messbrücke, Datenvisualisierung und -schnittstelle beinhaltet. Die Messung der Strahlungsimmission erfolgt durch die Leistungskompensation der temperaturgeregelten Messfläche.Therefore, with the DE 10 2007 033 947 A1 discloses a method and an active thermal probe comprising an arrangement for measuring the time- and location-resolved radiation immission from corpuscular or wave radiation, consisting of a thermoprobe, a control circuit for measuring and controlling the temperature of the probe surface and the associated measuring bridge, data visualization and interface , The radiation immission is measured by the power compensation of the temperature-controlled measuring surface.

In der Patentschrift DE 25 28 340 B1 ist eine Anordnung mit einem Messkörper mit zwei sich in parallelen Ebenen gegenüberstehenden und gegeneinander wärmeisolierten plattenförmigen Elementen beschrieben. Die plattenförmigen Elemente sind auf den voneinander abgekehrten Flächen geschwärzt, wobei diese schwarzen Flächen auf annähernd gleichen Temperaturen gehalten werden sollen und der Unterschied zwischen den hierzu erforderlichen Heizleistungen gemessen werden soll. Mit der Anordnung soll ein sogenanntes „thermisches Unbehagen” gemessen werden. Die Messung des Energieeintrages bei der Diagnostik und der Regelung von plasmatechnologischen Prozessen ist mit dieser Anordnung nicht möglich.In the patent DE 25 28 340 B1 is an arrangement with a measuring body with two in parallel planes opposite and heat-insulated against each other plate-shaped elements described. The plate-shaped elements are blackened on the surfaces facing away from each other, these black areas are to be kept at approximately the same temperatures and the difference between the heating power required for this purpose to be measured. With the arrangement, a so-called "thermal discomfort" is to be measured. The measurement of the energy input in the diagnosis and the regulation of plasma technological processes is not possible with this arrangement.

Beim Einsatz der Einzelsonde haben alle Energiebeiträge, die die Sondenoberfläche und die Zuleitungen erreichen, einen Einfluss auf den Messwert. Das kann durch geeignete Blenden und Abschirmungen eingeschränkt werden. Das Problem dabei ist aber, dass alle Blenden und Abschirmungen dem von außen eintreffenden Energiestrom ausgesetzt sind und sich deshalb ebenfalls erwärmen, in Abhängigkeit von der Einwirkungszeit. Und unter diesen Umständen wird ihre Temperatur nach einer gewissen Zeit auf jeden Fall steigen. Damit verändert sich aber der Betrag der von den Abschirmungen auf die Sonde auftreffenden Wärmestrahlung und verfälscht den Messwert. Es wird deutlich, dass Abschirmungen, deren Temperatur nicht konstant gehalten wird, ungeeignet sind, um die unerwünschten Anteile des an der Sonde ankommenden Energieeintrages fernzuhalten.When using the single probe, all energy contributions that reach the probe surface and the supply lines have an influence on the measured value. This can be limited by suitable screens and shields. The problem with this is, however, that all the screens and shields are exposed to the incoming from outside energy flow and therefore also heat up, depending on the exposure time. And under these circumstances, their temperature will after a certain Time will definitely rise. But this changes the amount of heat radiation from the shields on the probe and falsifies the measured value. It will be appreciated that shields, the temperature of which is not kept constant, are inadequate to keep away the unwanted levels of energy input arriving at the probe.

Ein gültiger Messwert kann nur dann erwartet werden, wenn erstens die Zieltemperatur eingehalten ist und zweitens die aktuelle Heizleistung möglichst geringen Regelschwingungen unterliegen. Dies zu gewährleisten, eignet sich ein klassischer PI-Regler sehr gut bei langsamen oder geringfügigen Änderungen der Umgebungsbedingungen, wenn man ihn entsprechend einstellt. Bei starken schnellen Änderungen hingegen, wie sie etwa auftreten können, wenn ein Plasma gezündet wird, benötigt ein PI-Regler relativ lange, um die Zieltemperatur wiederherzustellen und die dabei typischen Leistungsschwankungen zu minimieren. Das sind zwei regelrecht entgegengesetzte Wirkungen. Sollen Leistungsschwankungen vermieden werden, muss der Regler langsam eingestellt sein. Er wird sich dann zielsicher, aber geruhsam an die exakte notwendige Heizleistung herantasten. Soll aber die Zieltemperatur schnell erreicht werden, muss der Regler schnell und drastisch reagieren können, wodurch er unvermeidlich überreagiert und in (bei guter Einstellung abklingende) Schwingungen verfällt. Letzteres wird im Allgemeinen in Kauf genommen, sofern die Schwingungen nicht Überhand nehmen, denn typischerweise geht es bei Regelungsproblemen nur um die Einstellung der Regelgröße, hier also der Temperatur.A valid measured value can only be expected if, firstly, the target temperature has been maintained and, secondly, the current heating power is subject to the lowest possible control oscillations. To ensure this, a classic PI controller is very well suited for slow or minor environmental changes, if adjusted accordingly. On the other hand, with strong rapid changes, such as those that occur when a plasma is ignited, a PI controller takes a relatively long time to recover to the target temperature and minimize the typical power fluctuations. These are two really opposite effects. If power fluctuations are to be avoided, the controller must be set slowly. He will then unerringly, but leisurely approach the exact necessary heating power. However, if the target temperature is to be reached quickly, the controller must be able to react quickly and drastically, whereby it inevitably overreacts and decays (in good setting decaying) vibrations. The latter is generally accepted if the vibrations do not prevail, because typically the only problem with control problems is the setting of the controlled variable, in this case the temperature.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dass der Energieeintrag an der Oberfläche der Sonde bei plasmatechnologischen Prozessen richtungsabhängig gemessen werden soll und die unerwünschten Wärmeströme zwischen der Sonde und ihren Zuleitungen und Halterungen unterbunden werden sollen, ohne dass die Messergebnisse der Thermosonde verfälscht werden. Zusätzlich sollen die Schwankungen der Heizleistung während der Regelung minimiert werden.The invention is based on the object that the energy input at the surface of the probe in plasma technological processes is to be measured depending on the direction and the unwanted heat flows between the probe and its leads and brackets should be prevented without the results of the measurement of the thermo-probe are falsified. In addition, the fluctuations in the heating power during control should be minimized.

Die Lösung der Aufgabe wird in den Patentansprüchen wiedergegeben.The solution of the problem is reflected in the claims.

Das Hauptmerkmal dieser Erfindung liegt in der richtungsabhängigen Messung des Energieeintrages unter absoluter Kompensation der Wärmestrahlung, die aus der entgegengesetzten Richtung kommt und nicht zum Messwert beitragen soll.The main feature of this invention is the directional measurement of the energy input with absolute compensation of the heat radiation, which comes from the opposite direction and should not contribute to the reading.

Die erfindungsgemäße aktive Thermosonde besteht aus Messflächen mit ihren Zuleitungen und/oder Halterungen, wobei auf der Unter- und Oberseite eines Trägers je eine geheizte Messfläche aufgebracht ist und diese geheizten Messflächen an jeweils eine getrennte Temperaturregelung angeschlossen sind, und ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die Temperaturregelung die Temperatur beider geheizter Messflächen auf gleichem Niveau konstant gehalten wird und bei Änderung des Energieeintrages an den Messflächen die Heizleistung jeweils getrennt reduziert wird, wobei die Reduzierung der Heizleistung ein Maß für die an dieser Messfläche ankommenden Energie darstellt und die Energieeinträge auf der Rückseite und der Oberseite der Thermosonde getrennt voneinander durch je eine, mit der jeweiligen Messflächen verbundene Messeinrichtung gemessen werden.The active thermal probe according to the invention consists of measuring surfaces with their leads and / or brackets, wherein on the bottom and top of a carrier depending on a heated measuring surface is applied and these heated measuring surfaces are connected to a separate temperature control, and is characterized in that Temperature control, the temperature of both heated measuring surfaces is kept constant at the same level and when changing the energy input at the measuring surfaces, the heating power is each separately reduced, the reduction of heating power is a measure of the incoming energy at this measuring surface and the energy inputs on the back and the Top of the thermo-probe can be measured separately from each other by a respective, connected to the respective measuring surfaces measuring device.

Die Anschlussdrähte an der Übergangsstelle zur Messfläche sind von einer Muffe eng umschlossen, die mittels einer temperaturgeregelten Heizung auf der Arbeitstemperatur der Messfläche gehalten wird.The connecting wires at the transition point to the measuring surface are tightly enclosed by a sleeve, which is held at the working temperature of the measuring surface by means of a temperature-controlled heating.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur kontinuierlichen Messung des Energieeintrags mittels aktiver Thermosonde ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Energieeintrages richtungsabhängig unter absoluter Kompensation der Wärmestrahlung, die aus der entgegengesetzten Richtung kommt und nicht zum Messwert beitragen soll, erfolgt.The method according to the invention for the continuous measurement of the energy input by means of an active thermoprobe is characterized in that the measurement of the energy input is direction-dependent with absolute compensation of the thermal radiation which comes from the opposite direction and should not contribute to the measured value.

Für die Umsetzung des Verfahrens

a. sind geheizte Messflächen an der Sondenober- und Sondenunterseite jeweils an eine getrennte Temperaturregelung angeschlossen, welche die Temperatur beider geheizter Messflächen auf gleichem Niveau konstant hält,
b. indem bei Änderung des auftreffende Energieeintrags das kurzzeitig gestörte Temperaturgleichgewicht durch die angeschlossene Regelung wiederhergestellt wird und die voreingestellte Temperatur an beiden Messflächen bis zum thermischen Gleichgewicht wieder eingestellt wird, und
c. bei Erreichen des thermischen Gleichgewichts der Wert des ankommenden Energieeintrages durch die Bildung der Differenz der zugeführten Heizleistung zur Heizleistung vor der Änderung an beiden Messflächen getrennt bestimmt wird.

For the implementation of the procedure

a. heated measuring surfaces at the top and bottom of the probe are each connected to a separate temperature control, which keeps the temperature of both heated measuring surfaces constant at the same level,
b. by the short-time disturbed temperature equilibrium is restored by the connected control when changing the incident energy input and the preset temperature is reset at both measuring surfaces to thermal equilibrium, and
c. Upon reaching the thermal equilibrium, the value of the incoming energy input is determined separately by the formation of the difference between the supplied heating power and the heating power before the change at both measuring surfaces.

Die Reduzierung der Heizleistung stellt ein Maß für die an dieser Messfläche ankommenden Energie dar. Dadurch können die Energieeinträge oberhalb und unterhalb der Doppelsonde getrennt voneinander gemessen werden. Eine Beeinflussung der Messwerte beider Messflächen wird dadurch verhindert, dass sie auf gleicher Temperatur gehalten werden. Zwischen beiden Messflächen kann kein Wärmeaustausch stattfinden, da der Wärmestrom nur von der Temperaturdifferenz zwischen beiden abhängig ist, die Null ist und demzufolge der Wärmestrom auch Null sein muss.The reduction of the heating power represents a measure of the energy arriving at this measuring surface. As a result, the energy inputs above and below the double probe can be measured separately from each other. An influence on the measured values of both measuring surfaces is prevented by keeping them at the same temperature. Heat exchange can not take place between the two measuring surfaces since the heat flow only depends on the temperature difference between the two is dependent, which is zero and therefore the heat flow must also be zero.

Das wesentlich Neue an der Erfindung ist, dass der rückseitige Energieeinstrom an der aktiven Thermosonde kompensiert und gleichzeitig gemessen wird und dass dies nicht durch eine aufwendige – nicht besonders wirksame – Abschirmung, sondern einfach durch Anbringung einer zweiten Messfläche an der Unterseite der Sonde erreicht wird.The essential novelty of the invention is that the rear energy input at the active thermoprobe is compensated and measured simultaneously and that this is not achieved by a complex - not particularly effective - shielding, but simply by attaching a second measuring surface on the underside of the probe.

Der an der Sonde ankommende Energieeintrag kann in die aus den beiden Halbräumen oberhalb und unterhalb der Sonde ankommenden Anteile separiert werden. Ist die Sonde bezüglich der Ober- und Unterseite symmetrisch aufgebaut, so können sogar beide Anteile parallel gemessen werden, ohne die Sonde drehen zu müssen. Das ist von großer Bedeutung, weil bei fast allen Anwendungen danach gefragt wird, welcher Energieeintrag in der Ebene des Substrates durch die Plasmaquelle oder andere Energiequellen hervorgerufen wird. Eine Anbringung der Sonde in Substratebene ist aber häufig schwierig oder gar unmöglich. Das Problem kann durch eine Sonde, die sich dicht über der Substratebene befindet gelöst werden, wenn man die Beeinflussung der rückseitigen Einbauten, Elektroden usw. ausschalten könnte, die besonders durch Wärmestrahlung den Messwert verfälschen. Das ist aber nun mit der zweiseitigen aktiven Thermosonde möglich.The energy input arriving at the probe can be separated into the portions arriving from the two half-spaces above and below the probe. If the probe is symmetrical with respect to the top and bottom, then both parts can be measured in parallel without having to turn the probe. This is of great importance because in almost all applications it is asked what energy input at the level of the substrate is caused by the plasma source or other energy sources. An attachment of the probe in the substrate level is often difficult or even impossible. The problem can be solved by a probe, which is located close to the substrate level, if one could turn off the influence of the rear internals, electrodes, etc., which distort the measured value especially by heat radiation. But this is now possible with the two-sided active thermal probe.

Der Energieeintrag als zentrale Prozessgröße kann mit der erfindungsgemäßen aktiven Thermosonde gemessen werden. Die aktive Thermosonde erlaubt erstmals die kontinuierliche Messung des Energieeintrages bei industriellen Beschichtungsprozessen (Sputtern, Verdampfung, CVD, PECVD, MOCVD usw.). Dies ist ein wesentlicher Wettbewerbsvorteil für die Steuerung industrieller Oberflächenprozesse. Darüber hinaus kann die aktive Thermosonde den Energieeintrag nach wesentlichen Bestandteilen differenzieren, auch dies ist damit erstmals ohne aufwendige Apparatur möglich. Die Sonde ist zudem generell auch bei anderen Plasma-Anwendungen zur Messung des Energieeintrages einsetzbar, z. B. im biomedizinischen Bereich.The energy input as a central process variable can be measured with the active thermal probe according to the invention. The active thermo probe allows for the first time the continuous measurement of the energy input in industrial coating processes (sputtering, evaporation, CVD, PECVD, MOCVD, etc.). This is a significant competitive advantage for the control of industrial surface processes. In addition, the active thermo-probe can differentiate the energy input according to essential components, and this is the first time possible without expensive equipment. The probe is also generally used in other plasma applications for measuring the energy input, z. In the biomedical field.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird statt der Muffe, die die Zuleitungen der Thermosonde eng umschließt, eine Fläche oder ein Volumen zwischen Messfläche und Zuleitungen angeordnet, welche auch segmentiert sein können und die mittels Heizung und Regelung auf eine konstante Temperatur gehalten werden und dadurch den Wärmestrom zwischen Messfläche und Zuleitungen bzw. Halterungen kompensierten, im Folgenden als Kompensation bezeichnet.In a further embodiment, instead of the sleeve, which tightly encloses the leads of the thermal probe, a surface or volume between the measuring surface and leads arranged, which may also be segmented and kept by means of heating and control to a constant temperature and thereby the heat flow between Measuring surface and leads or brackets compensated, hereinafter referred to as compensation.

Die Temperaturmessung zur Regelung der Kompensation kann räumlich über den ganzen Bereich der Kompensation verteilt sein, wodurch eine mittlere Temperatur der Kompensation gemessen wird oder aber zwischen der Kompensation und der Messfläche und/oder zwischen einzelnen Teilen der Kompensation angeordnet sein. Dadurch wird auf der Messfläche und in den Randgebieten um die Messfläche eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht, die verhindert, dass beim Auftreffen der Energie- oder Korpuskularstrahlung und/oder bei Beschichtung der Messfläche sich die Wärmeströme zwischen der Messfläche und ihren Randbereichen ändern, was zu einer Verfälschung des Messwertes führen würde.The temperature measurement for controlling the compensation may be distributed spatially over the entire range of the compensation, whereby an average temperature of the compensation is measured or else be arranged between the compensation and the measuring surface and / or between individual parts of the compensation. As a result, a more uniform temperature distribution is achieved on the measuring surface and in the peripheral regions around the measuring surface, which prevents the heat flows between the measuring surface and its edge regions from changing upon impingement of the energy or corpuscular radiation and / or during coating of the measuring surface, which leads to a falsification of the reading.

Die beschriebene Art der Kompensation der Wärmeströme zwischen der Messfläche und den Zuleitungen ist auch bei Sonden einsetzbar, die nicht doppelseitig ausgeführt sind, sondern der weiter oben beschriebenen Einzelsonde entsprechen.The described type of compensation of the heat flows between the measuring surface and the leads can also be used with probes which are not double-sided, but correspond to the individual probe described above.

Das Verfahren zur Regelung der Temperatur an der Messstelle des Energieeintrags bei einer aktiven Thermosonde ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

a. Bereitstellen von mindestens zwei verschiedenen Sätzen von Regelparametern zum Konstanthalten der Temperatur, indem entweder in einem Zustand 1 keine großen Umgebungsveränderungen abrupt auftreten oder in einem Zustand 2 starke Umgebungsveränderungen auftreten, und Überprüfen, welcher der zwei Zustände eingetreten ist,
b. bei Eintritt von Zustand 1 ein optimierter Regelungsausgleich von geringen oder langsamen Veränderungen in der Umgebung ohne größere Leistungsschwingungen erfolgt,
c. Überprüfen, ob die Temperatur nach der Regelung konstant ist oder die Abweichung von einer Zieltemperatur eine festgelegte Toleranzgrenze überschreitet,
d. bei drastischer Veränderung des Energieeintrages Umschaltung der Regelung in Zustand 2, wobei mit Parameter, die für eine schnelle Wiederherstellung der Zieltemperatur optimiert sind, gearbeitet wird,
e. Wiederholung der Verfahrensschritte c und d in möglichst hoher Taktfrequenz bis Zustand 2 wieder verlassen und in Zustand 1 weitergearbeitet und gemessen werden kann, wobei der Regler mit einer Verzögerung über eine bestimmte Zeitspanne arbeitet, in der die Zieltemperatur gehalten wird,
f. bei Halten der Zieltemperatur in Zustand 2 Berechnung einer mittleren Heizleistung, die während dieser Zeitspanne, in der die Zieltemperatur ununterbrochen eingehalten war, aufgewandt wurde,
g. Umschalten des Reglers in Zustand 1 mit der berechneten mittleren Heizleistung aus der letzten Phase von Zustand 2 als neuen Startwert.

The method for controlling the temperature at the measuring point of the energy input in the case of an active thermoprobe is characterized by the following steps:

a. Providing at least two different sets of control parameters for keeping the temperature constant, either in a state 1 where no large environmental changes occur abruptly or in a state 2 severe environmental changes occur, and checking which of the two states has occurred,
b. when condition 1 occurs, there is an optimized control equalization of small or slow changes in the environment without major power oscillations,
c. Check whether the temperature after the regulation is constant or the deviation from a target temperature exceeds a defined tolerance limit,
d. in the event of a drastic change in the input of energy, the control switches over to state 2, using parameters which are optimized for rapid restoration of the target temperature,
e. Repetition of steps c and d in the highest possible clock frequency leave state 2 and continue working in state 1 and can be measured, the controller operates with a delay over a certain period of time in which the target temperature is maintained,
f. maintaining the target temperature in condition 2, calculating an average heating power spent during that period in which the target temperature was maintained uninterrupted,
G. Switching the controller to state 1 with the calculated average heat output from the last phase of state 2 as the new start value.

Eine Maximal- und eine Minimalleistung werden anhand der bisherigen mittleren Heizleistung in Zustand 2 kontinuierlich angepasst. A maximum and a minimum power are continuously adjusted based on the previous average heating power in state 2.

In einer weiteren Ausführungsform wird in Zustand 2 die bisherige mittlere Heizleistung seit Wiederherstellung der Zieltemperatur kontinuierlich berechnet und dem Anwender angezeigt.In a further embodiment, in state 2, the previous mean heating power has been calculated continuously since the target temperature was restored and displayed to the user.

Eine andere Ausführung besteht darin, dass nach dem Verfahrensschritt – bei Halten der Zieltemperatur in Zustand 2 Berechnung einer mittleren Heizleistung, die während dieser Zeitspanne, in der die Zieltemperatur ununterbrochen eingehalten war, aufgewandt wurde – in einen Zustand 3 geschaltet wird, der wie Zustand 2 arbeitet, in dem eine Maximal- und eine Minimalleistung anhand der in Zustand 2 zuletzt berechneten mittleren Heizleistung neu gesetzt werden.Another embodiment is that after the process step - while maintaining the target temperature in state 2 calculation of an average heating power, which was spent during this period in which the target temperature was maintained continuously - switched to a state 3, which is like state 2 works, in which a maximum and a minimum power are reset on the basis of the last calculated in state 2 average heating power.

Weitere Vorteile der aktiven Thermosonde gegenüber den genannten – herkömmlichen Sondenarten sind:

– Die zu vermessende Energiequelle muss nicht abgeschaltet werden, es sind auch keine mechanischen Blenden erforderlich.
– Der Messwert wird online angezeigt, eine kontinuierliche in-situ Prozessüberwachung und -regelung ist möglich.
– Eine Kalibrierung mit einer anderen Energiequelle bekannter Intensität ist nicht erforderlich.
– Messfehler, hervorgerufen durch den Umgebungseinfluss, die parasitäre Wärmeleitung der Halterung und Zuleitungen sowie die Änderung der Wärmekapazität bei Beschichtung, haben entweder keinen Einfluss oder werden kompensiert
– Die Sondentemperatur ist in den üblichen Prozessgrenzen frei wählbar.

Further advantages of the active thermoprobe over the mentioned - conventional probe types are:

- The energy source to be measured does not have to be switched off, nor are mechanical diaphragms required.
- The measured value is displayed online, continuous in-situ process monitoring and control is possible.
- Calibration with another energy source of known intensity is not required.
- Measuring errors caused by the environmental influence, the parasitic heat conduction of the support and supply lines as well as the change in the heat capacity during coating, have either no influence or are compensated
- The probe temperature is freely selectable in the usual process limits.

Kurze Beschreibung der AbbildungenBrief description of the illustrations

Die Erfindung wird anhand eines Beispiels näher erläutert Dazu zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to an example

1 eine Sonde mit temperierter Kontaktierung und geheizter Unterseite (Doppelsonde) und 1 a probe with tempered contact and heated bottom (double probe) and

2 in der Draufsicht eine andere Ausführung der Kompensation der Wärmeströme zwischen Messfläche und Zuleitungen. 2 in plan view, another embodiment of the compensation of the heat flows between the measuring surface and leads.

Ausführung der ErfindungEmbodiment of the invention

Das technische Problem wird durch eine „Doppelsonde” nach dem Prinzip der aktiven Thermosonde gelöst. Das Prinzip der aktiven Thermosonde soll an dieser Stelle nicht erläutert werden, sondern wird als bekannt vorausgesetzt (siehe auch DE 10 2007 033 947 A1 ).The technical problem is solved by a "double probe" according to the principle of the active thermal probe. The principle of the active thermo-probe should not be explained at this point, but is assumed to be known (see also DE 10 2007 033 947 A1 ).

In 1 wird die erfindungsgemäße Sonde mit temperierter Kontaktierung 2 und beheizter Sondenorober- 1 und beheizter -unterseite 3 (Doppelsonde) dargestellt. Die Sonde besteht aus einem dünnen keramischen Träger bzw. Substrat, in dem als Heizungen Platin-Leiterbahnen eingebettet sind, Auf dem Substrat wird von beiden Seiten eine heizbare Messfläche angeordnet, die mit Hilfe eines elektrischen Stromes erwärmt werden. Die Sonde sollte bezüglich der beiden heizbaren Messflächen symmetrisch aufgebaut sein. Dadurch ist es möglich, bei Messungen des Energieeintrages diesen ohne Drehung der Sonde in einen oberen und einen von unten kommenden Anteil zu trennen.In 1 is the probe according to the invention with tempered contact 2 and heated probe top 1 and heated base 3 (Double probe) shown. The probe consists of a thin ceramic support or substrate in which platinum conductors are embedded as heaters. On the substrate, a heatable measuring surface is arranged from both sides, which are heated by means of an electric current. The probe should be symmetrical with respect to the two heatable measuring surfaces. This makes it possible, in measurements of the energy input to separate this without rotation of the probe in an upper and coming from below share.

Die Temperatur beider geheizter Messflächen 1 und 3 wird auf gleichem Niveau konstant gehalten. Die geheizten Messflächen sind an getrennte Temperaturregelkreise angeschlossen. Die Anschlussdrähte 4 werden an der Übergangsstelle zur Messfläche von einer Art Muffe” 2 eng umschlossen, die mittels einer temperaturgeregelten Heizung auf der Arbeitstemperatur des Sensors gehalten wird. Die Größe dieser ”Muffe” oder Kontaktheizung ist unerheblich. Es muss nur dafür gesorgt werden, dass in der Nähe der Übergangsstelle zur Messfläche die gleiche Temperatur wie auf der Messfläche herrscht. Die Kontaktheizung und die Messfläche sollen möglichst eine kompakte untrennbare Einheit bilden. Sie müssen aber räumlich so angeordnet sein, dass keine unerwünschten Wärmebrücken zwischen den Zuleitungen der Kontaktheizung und der Messfläche hergestellt werden.The temperature of both heated measuring surfaces 1 and 3 is kept constant at the same level. The heated measuring surfaces are connected to separate temperature control circuits. The connecting wires 4 be at the interface to the measuring surface of a kind of socket " 2 tightly enclosed, which is held by means of a temperature-controlled heating to the working temperature of the sensor. The size of this "sleeve" or contact heating is irrelevant. It is only necessary to ensure that the temperature near the transition point to the measuring surface is the same as on the measuring surface. The contact heating and the measuring surface should form as far as possible a compact inseparable unit. But they must be arranged spatially so that no unwanted thermal bridges between the leads of the contact heater and the measuring surface are made.

In 2 wird die erfindungsgemäße Sonde mit zwei zwischen der Messfläche 1 und den Zuleitungen 4 nacheinander angeordneten Kompensationsflächen 5 und 6 dargestellt. Die zugeführte Heizleistung der der Messfläche zugewandten Kompensationsfläche 5 wird dabei mittels einer schmalen Temperaturmessung 7 geregelt, die zwischen der Kompensationsfläche 5 und der Messfläche 1 angeordnet ist. Dadurch wird die Übergangsstelle zur Messfläche 1 auf konstante Temperatur gehalten, wodurch an dieser Stelle der Wärmestrom weitestgehend unterbunden wird. Da aber die Temperatur der näheren Umgebung dieser Übergangsstelle sich durch den Energieeintrag ändern kann, ist weiterhin noch eine kleine Änderung der Wärmeströme aus der näheren Umgebung zur Messfläche 1 möglich. Diese verbleibenden Änderungen der Wärmeströme werden weiter minimiert durch die zweite, den Zuleitungen zugewandte Kompensation 6. Um die Heizleistung dieser Kompensation 6 zu regeln, kann entweder die mittlere Temperatur der Kompensationsfläche 6 gemessen werden oder zwischen Kompensationsfläche 5 und Kompensationsfläche 6 eine weitere Temperaturmessung angebracht werden.In 2 is the probe according to the invention with two between the measuring surface 1 and the supply lines 4 consecutively arranged compensation surfaces 5 and 6 shown. The supplied heating power of the measuring surface facing compensation surface 5 is doing this by means of a narrow temperature measurement 7 regulated between the compensation surface 5 and the measuring surface 1 is arranged. This will be the transition point to the measuring surface 1 held at a constant temperature, whereby at this point the heat flow is largely prevented. However, since the temperature of the immediate vicinity of this transition point can change due to the energy input, there is still a small change in the heat flows from the closer environment to the measuring surface 1 possible. These remaining changes in the heat flows are further minimized by the second, the leads facing compensation 6 , To the heating power of this compensation 6 To regulate, either the mean temperature of the compensation surface 6 be measured or between compensation surface 5 and compensation area 6 a further temperature measurement be attached.

Nach Erreichen einer konstanten Arbeitstemperatur und einer konstanten zugeführten Heizleistung Po, was nur durch eine präzise Regelung erreicht werden kann, ist die Sonde betriebsbereit Eine weitere Kalibrierung ist nicht notwendig. Eine externe Strahlungsquelle bekannter Intensität wird dazu im Gegensatz zu existierenden Verfahren nicht benötigt. Mit Hilfe einer entsprechend den Erfordernissen angepassten Regelung sowie einer speziellen Software ist es möglich, den durch das Plasma auf der Sonde deponierten Energiebetrag zu messen, sowie sehr schnell die Änderung des Energieeintrages zu detektieren, wodurch eine laufende Überwachung des Plasmaprozesses möglich ist. After reaching a constant operating temperature and a constant supplied heating power Po, which can only be achieved by precise control, the probe is ready for operation. Further calibration is not necessary. An external radiation source of known intensity is not required for this, in contrast to existing methods. With the help of an adapted according to the requirements regulation and a special software, it is possible to measure the amount of energy deposited by the plasma on the probe, and to detect very quickly the change of the energy input, whereby an ongoing monitoring of the plasma process is possible.

Ändert sich der von der Rückseite auftreffende Energieeintrag, so wird kurzzeitig das Temperaturgleichgewicht gestört, jedoch sorgt die angeschlossene Regelung dafür, dass dieses wiederhergestellt wird und die voreingestellte Sondentemperatur wieder eingestellt wird.If the energy input from the rear side changes, the temperature equilibrium is briefly disturbed, but the connected control ensures that it is restored and the preset probe temperature is set again.

Durch einen Energiestrahl, der nur die Oberseite der Sonde trifft, wird die Temperatur der oberen Messfläche zunächst steigen und durch den engen Wärmekontakt zur unteren Messfläche deren Temperatur auch. Darauf reagiert die Regelung und die zugeführte Heizleistung wird verändert. Dieser Zustand hält nur eine gewisse Zeit an, die recht kurz sein kann, wenn die Wärmekapazität der ganzen Anordnung klein, die Regelung und alle das Temperaturverhalten der Sonde beeinflussenden Parameter gut optimiert sind. Dann wird durch die Regelung recht schnell die Solltemperatur der Sonde an beiden Messflächen wieder hergestellt. Dieser Zustand, das sogenannte thermische Gleichgewicht der Sonde, ist dann dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur als auch die zugeführte Heizleistung konstant sind, wenn auch der zu messende Energieeintrag konstant ist. Erst wenn das thermische Gleichgewicht erreicht ist, kann der Wert des ankommenden Energieeintrages durch die Bildung der Differenz der zugeführten Heizleistung zur Heizleistung vor der Änderung an beiden Messflächen getrennt bestimmt werden. Durch diese Maßnahmen kann zwischen der Rückseite und der Oberseite der Sonde zum Zeitpunkt der Messwertaufnahme kein Wärmestrom fließen, da beide auf gleicher Temperatur liegen. Das bedeutet, dass die Sonde auf der Rückseite nur den rückseitigen Energiestrom und der auf der Vorderseite nur den von dort ankommenden Energiestrom ”sieht”.By an energy beam, which hits only the top of the probe, the temperature of the upper measuring surface will rise first, and by the close thermal contact with the lower measuring surface whose temperature also. The regulation then reacts and the supplied heating power is changed. This condition lasts only a certain amount of time, which can be quite short if the heat capacity of the whole assembly is small, the control and all parameters influencing the temperature behavior of the probe are well optimized. Then the setpoint temperature of the probe at both measuring surfaces is restored quite quickly by the regulation. This state, the so-called thermal equilibrium of the probe, is then characterized in that the temperature and the supplied heating power are constant, even if the energy input to be measured is constant. Only when the thermal equilibrium is reached, the value of the incoming energy input can be determined separately by the formation of the difference of the supplied heating power to the heating power before the change at both measuring surfaces. As a result of these measures, no heat flow can flow between the rear side and the upper side of the probe at the time of taking the measured value, since both are at the same temperature. This means that the probe on the back only "sees" the back energy flow and the front only the incoming energy flow from there.

Die Regelung der Temperatur an der Messstelle erfolgt dadurch, dass das Schwingen der Heizleistung nicht verhindert, sondern bei Bedarf sogar exzessiv erlaubt wird. Dabei sollte die Zeitspanne, in der das Schwingen nötig ist, kurz gehalten werden. Bei der Wahl der Regelparameter wird also nicht, wie allgemein üblich, ein Kompromiss zwischen Schnelligkeit im Wiederherstellen der Zieltemperatur und Minimierung der Leistungsschwankungen hergestellt, sondern es werden (mindestens) zwei verschiedene Sätze von Regelparametern ausgewählt. Erstens für den Fall, dass keine großen Umgebungsveränderungen abrupt auftreten und zweitens für den Fall, dass starke Umgebungsveränderungen auftreten.The regulation of the temperature at the measuring point takes place in that the oscillation of the heating power is not prevented, but is even allowed excessively if necessary. The time span in which the swinging is necessary should be kept short. In the choice of the control parameters, therefore, a compromise between speed in restoring the target temperature and minimizing the power fluctuations is not made, as is common practice, but (at least) two different sets of control parameters are selected. First, in the event that no major environmental changes occur abruptly, and second, in the event that severe environmental changes occur.

Im Zustand 1 gleicht der Regler geringe bzw. langsame Veränderungen in der Umgebung ohne größere Leistungsschwingungen aus – seine Parameter werden dafür optimiert. Schafft er das nicht und überschreitet die Abweichung von der Zieltemperatur eine vom Anwender vorgegebene Toleranzgrenze, wird davon ausgegangen, dass eine drastische Veränderung des Energieeintrages stattgefunden hat. Dann schaltet die Regelung in Zustand 2 um und arbeitet nun mit Parameter, die für die schnelle Wiederherstellung der Zieltemperatur optimiert sind. Das schließt als Extremfall ein, dass die Regelung wie ein Zweipunktregler arbeitet, d. h. es wird mit Maximalleistung geheizt, wenn die Zieltemperatur unterschritten ist und es wird gar nicht geheizt, wenn die Zieltemperatur überschritten ist. Diese Überprüfung und entsprechende Reglerentscheidung erfolgt in möglichst hoher Taktfrequenz. Dieser Zustand wird so schnell wie möglich wieder verlassen, damit ohne größere Leistungsschwankungen in Zustand 1 weitergearbeitet und gemessen werden kann. Dennoch wird Zustand 2 nicht sofort verlassen, wenn die Zieltemperatur wieder erreicht ist. Stattdessen arbeitet der Regler mit einer Verzögerung über eine bestimmte Zeitspanne, in der die Zieltemperatur gehalten wird. Ist dies der Fall, wird die mittlere Heizleistung berechnet, die während dieser Zeitspanne, in der die Zieltemperatur ununterbrochen eingehalten war, aufgewandt wurde. Erst wenn das erfolgt ist, geht der Regler wieder in Zustand 1 über, und zwar mit der berechneten mittleren Heizleistung aus der letzten Phase von Zustand 2 als Startwert.In state 1, the controller compensates for small or slow changes in the environment without major power oscillations - its parameters are optimized for this. If he fails to do so and the deviation from the target temperature exceeds a tolerance limit specified by the user, it is assumed that a drastic change in the energy input has taken place. Then the controller switches to state 2 and now works with parameters optimized for fast recovery of the target temperature. This includes as an extreme case that the control works like a two-position controller, i. H. it is heated with maximum power when the target temperature is below and it is not heated when the target temperature is exceeded. This check and corresponding controller decision takes place in the highest possible clock frequency. This state is left as soon as possible, so that it can continue to be worked and measured without major power fluctuations in state 1. However, condition 2 will not exit immediately when the target temperature is reached again. Instead, the controller works with a delay over a certain period of time, in which the target temperature is maintained. If this is the case, the average heating power is used, which was spent during this period in which the target temperature was maintained uninterrupted. Only when this has been done, the controller goes back to state 1, with the calculated average heating power from the last phase of state 2 as the starting value.

Eine weitere Ausführung ist in der Art denkbar, dass nicht wieder in den Zustand 1 zurückgekehrt, sondern ein Zustand 3 eingefügt wird, der wie Zustand 2 arbeitet, in dem Maximal- und Minimalleistung aber anhand der in Zustand 2 zuletzt berechneten mittleren Heizleistung neu gesetzt werden. Eine damit wiederum berechnete mittlere Heizleistung stellt einen noch besseren Startwert für Zustand 1 dar als die in Zustand 2 ermittelte.A further embodiment is conceivable in the way that not returned to the state 1, but a state 3 is inserted, which operates as state 2, in the maximum and minimum power, however, be reset based on the last calculated in state 2 average heating power , An average heating power calculated in turn represents an even better starting value for state 1 than that determined in state 2.

Sofort ab Wiederherstellung der Zieltemperatur in Zustand 2 kann kontinuierlich die bisherige mittlere Heizleistung seit Wiederherstellung der Zieltemperatur berechnet und dem Anwender angezeigt werden. Wenngleich in dieser Phase noch keine exakte Messung möglich ist, erhält der Anwender auf diese Weise aber bereits einen Näherungswert.Immediately after restoring the target temperature to state 2, the previous average heating power since the target temperature was restored can be continuously calculated and displayed to the user. Although an exact measurement is not possible in this phase, the user already gets an approximate value in this way.

Statt in einen dritten Zustand überzugehen, können Maximal- und Minimalleistung anhand der bisherigen mittleren Heizleistung auch bereits in Zustand 2 kontinuierlich angepasst werden.Instead of going into a third state, maximum and minimum power can be calculated from the previous average heating power also already in state 2 are continuously adjusted.

Die Form der Messfläche kann quadratisch, auch rechteckig oder rund sein. Bei der runden Form wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erwartet. Sie ist deshalb den anderen Formen vorzuziehen. Aus technologischen Gründen könnte auch eine rechteckige Form der Messfläche vorteilhaft sein.The shape of the measuring surface can be square, even rectangular or round. With the round shape, a more uniform temperature distribution is expected. It is therefore preferable to the other forms. For technological reasons, a rectangular shape of the measuring surface could also be advantageous.

Die Größe der Messfläche ist mit einem Durchmesser (bzw. Kantenlänge) von 3–5 mm relativ klein, garantiert aber eine hohe örtliche Auflösung. Für kleinere Energieeinträge wird ein größerer Durchmesser z. B. von 10 mm bevorzugt. Auch andere Abmessungen sind vorstellbar.The size of the measuring surface is relatively small with a diameter (or edge length) of 3-5 mm, but guarantees a high local resolution. For smaller energy inputs, a larger diameter z. B. of 10 mm preferred. Other dimensions are conceivable.

Mit dem Ausführungsbeispiel konnten Energieeinträge bis zu 100 J/cm² gemessen werden und eine Auflösung von 1 mJ/cm² erreicht werden. Dadurch können zahlreiche Oberflächentechnologien, wie thermische Verdampfung, Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung, Hohlkathodenverdampfung, Vakuumlichtbogenverdampfung, CVD, PECVD, MOCVD usw., überwacht und gesteuert werden.With the exemplary embodiment, energy inputs of up to 100 J / cm ² could be measured and a resolution of 1 mJ / cm ^{2 could be} achieved. As a result, numerous surface technologies, such as thermal evaporation, sputtering, electron beam evaporation, hollow cathode evaporation, vacuum arc evaporation, CVD, PECVD, MOCVD, etc., can be monitored and controlled.

Die Messfläche an der Unterseite kann in einer anderen möglichen Ausführungsform auch so ausgebildet sein, dass ihre Ausdehnung größer gewählt wird und/oder die Funktion der geheizten „Muffe” zur Kompensation der Wärmeleitung an den Zuleitungen mit übernimmt, die dann entfallen kann. Nachteil dieser Anordnung wäre allerdings, dass im Messwert der unteren Messfläche die kalorimetrischen Störungen der Zuleitungen enthalten sind.In another possible embodiment, the measuring surface on the underside can also be designed such that its extent is selected to be larger and / or takes over the function of the heated "sleeve" for compensating the heat conduction at the supply lines, which can then be dispensed with. Disadvantage of this arrangement, however, would be that in the measured value of the lower measuring surface, the calorimetric disturbances of the leads are included.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007033947 A1 [0007, 0033]
DE 2528340 B1 [0008]

Claims

Active thermoprobe for continuous measurement of energy input consisting of measuring surfaces with their leads and / or brackets, wherein on the bottom and top of a carrier each have a heated measuring surface are applied and these heated measuring surfaces are connected to a separate temperature control, characterized in that the temperature control the temperature of both heated measuring surfaces is kept constant at the same level and when changing the energy input at the measuring surfaces, the heating power is separately reduced, the reduction of heating power is a measure of the incoming energy at this measuring surface and the energy entries on the back and the top of the thermo-probe are measured separately from each other by a respective, connected to the respective measuring surface measuring device.

Active thermoprobe according to claim 1, characterized in that the connecting wires are closely enclosed at the transition point to the measuring surface of a sleeve, which is held by means of a temperature-controlled heating to the operating temperature of the measuring surface.

Active thermoprobe according to claim 1, characterized in that between the measuring surface and leads one or more surfaces and / or volumes are arranged, which are kept by means of controlled heaters to a constant temperature and compensate for the heat flows between the measuring surface and the leads and / or the holder.

Active thermoprobe according to claim 1, characterized in that between the measuring surface and leads one or more surfaces and / or volumes for compensating the heat flows between the measuring surface and the leads and / or the holder are arranged, wherein an additional temperature measurement at the transition point between the measuring surface and the compensation and / or the transition point between individual heatable areas of the compensation takes place and these transition points are kept by means of controlled heaters to a constant temperature.

Method for the continuous measurement of the energy input by means of active thermoprobe, characterized in that the measurement of the energy input is direction-dependent with absolute compensation of the heat radiation, which comes from the opposite direction and should not contribute to the measured value takes place.

A method according to claim 5, characterized in that a. Heated measuring surfaces are connected to the probe upper and lower side of each probe to a separate temperature control, which keeps the temperature of both heated measuring surfaces at the same level constant, b. by the short-time disturbed temperature equilibrium is restored by the connected control when changing the incident energy input and the preset temperature is reset at both measuring surfaces to thermal equilibrium, and c. Upon reaching the thermal equilibrium, the value of the incoming energy input is determined separately by the formation of the difference between the supplied heating power and the heating power before the change at both measuring surfaces.

Method for controlling the temperature at the measuring point of the energy input at an active thermoprobe characterized by the following steps a. Providing at least two different sets of control parameters for keeping the temperature constant, either in a state 1 where no large environmental changes occur abruptly or in a state 2 severe environmental changes occur, and checking which of the two states has occurred, b. when condition 1 occurs, there is an optimized control equalization of small or slow changes in the environment without major power oscillations, c. Check whether the temperature after the regulation is constant or the deviation from a target temperature exceeds a defined tolerance limit, d. in the event of a drastic change in the input of energy, the control switches over to state 2, using parameters which are optimized for rapid restoration of the target temperature, e. Repetition of steps c and d in the highest possible clock frequency leave state 2 and continue working in state 1 and can be measured, the controller operates with a delay over a certain period of time in which the target temperature is maintained, f. maintaining the target temperature in condition 2, calculating an average heating power spent during that period in which the target temperature was maintained uninterrupted, G. Switching the controller to state 1 with the calculated average heat output from the last phase of state 2 as the new start value.

A method according to claim 7, characterized in that a maximum and a minimum power based on the previous average heating power in state 2 are continuously adjusted.

A method according to claim 7 or 8, characterized in that in state 2, the previous average heating power is continuously calculated since the target temperature is restored and displayed to the user.

A method according to claim 7, characterized in that after step f is switched to a state 3, which operates as state 2, in which a maximum and a minimum power are reset by means of the last calculated in state 2 average heating power.