DE102011101338A1

DE102011101338A1 - Temperature sensor e.g. resistance temperature detectors for use in e.g. industrial application, has reference cell that is heated by supplying electric power to melting point as reference temperature for calibration

Info

Publication number: DE102011101338A1
Application number: DE102011101338A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Pape Detlef; Dr. Ing. Huck Ralf
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: DE102011101338B4

Abstract

The temperature sensor has sensor housing (1) that encloses a sensor element (3), which cooperates with calibration unit. The sensor element is designed as a heating unit to heat a reference cell (6). The measurement mode can be converted into a calibration mode by a control unit (5), in which the reference cell is heated by supplying electric power to melting point (TM) as a reference temperature for calibration. An independent claim is included for method for in-situ calibration of temperature sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit mindestens einem von einem Sensorgehäuse umschlossenen Sensorelement, das mit benachbart hierzu im Sensorgehäuse angeordneten Mitteln zur in-situ Kalibrierung zusammenwirkt.The invention relates to a temperature sensor with at least one sensor element enclosed by a sensor housing, which cooperates with means disposed in the sensor housing for in-situ calibration.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf industrielle und labortechnische Anwendungen, bei denen eine präzise Temperaturmessung erforderlich ist. In diesem Anwendungsfeld kommen gewöhnlich Temperatursensoren zum Einsatz, welche insbesondere als Widerstandsthermometer oder Thermoelemente ausgebildet sind.The field of application of the invention extends to industrial and laboratory applications where precise temperature measurement is required. In this field of application usually temperature sensors are used, which are designed in particular as resistance thermometers or thermocouples.

Widerstandsthermometer sind elektrische Bauelemente, welche die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Leitern zur Messung der Temperatur ausnutzen.Resistance thermometers are electrical components that exploit the temperature dependence of the electrical resistance of conductors for measuring the temperature.

Thermoelemente beruhen auf der gegenseitigen Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und nutzen meist den Seebeck-Effekt, nach dem in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern bei einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen eine kleine elektrische Spannung entsteht.Thermocouples are based on the mutual influence of temperature and electricity and usually use the Seebeck effect, according to which in a circuit of two different electrical conductors at a temperature difference between the contact points, a small electrical voltage.

Derartige Sensorelemente gestatten eine präzise Temperaturmessung bei geringem Messaufwand. Eine generelle Problemstellung bei einer solchen Temperaturmessung hoher Präzision ist oftmals der Drift und die Alterung der Sensorelemente. Durch die Einwirkung hoher Temperaturen, mechanischer Schwingungen, aggressiver Medien oder radioaktiver Strahlung können sich die Materialeigenschaften des Sensorelements ändern. Insbesondere Festkörpersensoren, der hier interessierenden Art sind auch empfindlich hinsichtlich Alterung. Diese Einflüsse wirken sich auf die Langzeitgenauigkeit der Sensorelemente aus, so dass diese in periodischen Zeitabständen regelmäßig zu kalibrieren sind, um eine hohe Messgenauigkeit zu erhalten.Such sensor elements allow a precise temperature measurement with low measurement costs. A general problem with such a high precision temperature measurement is often the drift and aging of the sensor elements. The effect of high temperatures, mechanical vibrations, aggressive media or radioactive radiation can change the material properties of the sensor element. In particular, solid state sensors of the kind of interest here are also sensitive to aging. These influences affect the long-term accuracy of the sensor elements, so that they are to be calibrated periodically at regular intervals in order to obtain a high accuracy of measurement.

Gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik wird ein Sensorelement zur Kalibrierung normalerweise demontiert und mit Hilfe einer speziellen Kalibrierungseinheit neu eingestellt. Die Kalibrierungseinheit umfasst ein temperaturgesteuertes Heizbad und das Ausgangssignal des zu kalibrierenden Sensorelements wird verglichen mit der Temperatur des Heizbades. Infolge des Messergebnisses wird eine neue Kalibrierungskurve für das Sensorelement ermittelt, welche signalverarbeitungstechnisch zur Messwertkompensation bei der weiteren Nutzung des Sensorelements genutzt wird.According to the generally known prior art, a sensor element for calibration is normally dismantled and readjusted by means of a special calibration unit. The calibration unit comprises a temperature-controlled heating bath and the output signal of the sensor element to be calibrated is compared with the temperature of the heating bath. As a result of the measurement result, a new calibration curve for the sensor element is determined, which signal processing technology is used for measured value compensation in the further use of the sensor element.

Eine derartige Kalibrierungsprozedur ist recht aufwändig, da zum Kalibrieren eine Entfernung des Sensorelements vom Einsatzort erforderlich ist. Oftmals ist der gesamte Produktionsprozess während der Kalibrierung des Sensorelements zu unterbrechen, was zu Produktionsausfällen führt. Daher ist es wünschenswert, eine sogenannte in-situ Kalibrierung des Sensorelements vorzunehmen, bei welcher eine Demontage des Sensorelements entfallen kann.Such a calibration procedure is quite complicated, since a calibration of the sensor element from the place of use is required for calibration. Often, the entire production process is interrupted during calibration of the sensor element, resulting in production losses. Therefore, it is desirable to perform a so-called in-situ calibration of the sensor element, in which disassembly of the sensor element may be omitted.

Aus der US 3,499,310 geht ein spezieller Temperatursensor hervor, der mit technischen Mitteln zur in-situ Kalibrierung ausgestattet ist. Hierfür wird das sich innerhalb des Sensorgehäuses befindliche Sensorelement mit einem benachbarten Heizelement versehen. Im Bereich zwischen Heizelement und Sensorelement befindet sich ein Material mit einem spezifischen Schmelzpunkt. Das Sensorelement ist dabei in thermischem Kontakt sowohl mit der Umgebung des Sensorgehäuses als auch mit dem Heizelement und dem diesen umgebenden speziellen Material. Während des normalen Messbetriebs wird die Temperatur durch das Sensorelement in an sich bekannter Weise ermittelt. Zum Zweck der Kalibrierung des Sensorelements erhöht das Heizelement die Temperatur des Sensorelements über den Schmelzpunkt des speziellen Materials. Während des Aufheizens des Sensorelements steigt die gemessene Temperatur kontinuierlich an, bis der Schmelzpunkt des das Sensorelement umgebenden Materials erreicht ist. Wenn das Material beginnt zu schmelzen, wird die Wärmeenergie des Heizelements verbraucht, um das Material zu schmelzen, woraus sich ein verzögerter Temperaturanstieg ergibt. Diese Verzögerung lässt sich außerhalb des Zeitverlaufs der Temperaturmessung bestimmen und wird für die Kalibrierung des Sensorelements genutzt. Daneben kann auch das Erstarren des Materials für die Kalibrierung in analoger Weise genutzt werden. Hierdurch lässt sich eine in-situ-Kalibrierung des Temperatursensors ohne eine Demontage des Sensors am Einsatzort durchführen.From the US 3,499,310 There is a special temperature sensor equipped with technical means for in-situ calibration. For this purpose, the sensor element located within the sensor housing is provided with an adjacent heating element. In the area between heating element and sensor element is a material with a specific melting point. The sensor element is in thermal contact both with the environment of the sensor housing and with the heating element and the surrounding special material. During normal measuring operation, the temperature is determined by the sensor element in a conventional manner. For the purpose of calibrating the sensor element, the heating element increases the temperature of the sensor element above the melting point of the particular material. During the heating of the sensor element, the measured temperature increases continuously until the melting point of the material surrounding the sensor element is reached. As the material begins to melt, the heat energy of the heating element is consumed to melt the material, resulting in a delayed increase in temperature. This delay can be determined outside the time course of the temperature measurement and is used for the calibration of the sensor element. In addition, the solidification of the material for the calibration can be used in an analogous manner. This makes it possible to carry out an in-situ calibration of the temperature sensor without dismantling the sensor at the place of use.

Nachteilhaft ist jedoch das Erfordernis eines zusätzlichen Heizelements, das innerhalb des Sensorgehäuses unterzubringen ist. Hierfür ist ein zusätzlicher Platzbedarf im Sensorgehäuse erforderlich, was gewöhnlich die geometrischen Abmessungen des Sensorgehäuses nachteilhaft vergrößert. Dies führt zu Gebrauchseinschränkungen derartiger Temperatursensoren. Außerdem erhöht das zusätzliche Heizelement und dessen Verdrahtung sowie zusätzlich erforderliche thermische Isoliermittel das Gewicht des Temperatursensors und kann den thermischen Widerstand zwischen dem Sensorelement und der Umgebung beeinträchtigen, was die Ansprechzeit des Temperatursensors auf zu messende Temperaturwechsel reduziert.However, a disadvantage is the requirement of an additional heating element, which is to be accommodated within the sensor housing. For this purpose, an additional space in the sensor housing is required, which usually increases the geometric dimensions of the sensor housing disadvantageous. This leads to restrictions of use of such temperature sensors. In addition, the additional heating element and its wiring and additionally required thermal insulation increases the weight of the temperature sensor and can affect the thermal resistance between the sensor element and the environment, which reduces the response time of the temperature sensor to be measured temperature changes.

Zwar wird bei dem besagten Stand der Technik auch vorgeschlagen, die Anschlussdrähte des Sensorelements als Heizelemente zu nutzen, jedoch erfordert dies Anschlussdrähte eines höheren elektrischen Widerstandes, was wiederum negative Einflüsse auf die Messgenauigkeit des Temperatursensors im Messbetrieb haben kann.Although it is also proposed in the said state of the art to use the connecting wires of the sensor element as heating elements, however This requires leads of a higher electrical resistance, which in turn may have negative effects on the accuracy of measurement of the temperature sensor in the measuring mode.

In der DE 27 58 084 A1 wird eine andere Lösung für eine in-situ Kalibrierung vorgeschlagen, bei welcher anstelle eines aktiven Heizelements innerhalb des Sensorgehäuses die extern des Temperatursensors im Messmedium vorhandenen Temperaturwechsel genutzt werden. Hierbei ist jedoch der Schmelzpunkt des sich im Sensorgehäuse befindlichen Referenzmaterials an die Temperaturwechsel anzupassen, die bei normalen Betriebsbedingungen des Temperatursensors auftreten. Bei dieser Lösung ist die Kalibrierung abhängig von den externen Temperaturwechseln und eine Kalibrierung kann nur dann durchgeführt werden, wenn die externe Temperatur einen Bereich oberhalb des Schmelzpunkts des Referenzmaterials erreicht. Eine planmäßige Kalibrierung in festgelegten Zeitabständen ist hiermit also nicht möglich. Weiterhin wird der Wechsel des Aggregatzustands des Referenzmaterials auch die Ansprechzeit des Temperatursensors vermindern. Somit werden die Messeigenschaften des Temperatursensors während des normalen Messbetriebs mit dieser Lösung beeinträchtigt.In the DE 27 58 084 A1 another solution for an in-situ calibration is proposed in which, instead of an active heating element within the sensor housing, the temperature changes existing externally of the temperature sensor in the measuring medium are used. In this case, however, the melting point of the reference material located in the sensor housing to adapt to the temperature changes that occur under normal operating conditions of the temperature sensor. In this solution, the calibration is dependent on the external temperature changes and calibration can only be performed if the external temperature reaches a range above the melting point of the reference material. Scheduled calibration at fixed intervals is therefore not possible. Furthermore, the change in the state of aggregation of the reference material will also reduce the response time of the temperature sensor. Thus, the measurement characteristics of the temperature sensor during normal measurement operation are affected with this solution.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Temperatursensor mit Mitteln zur in-situ Kalibrierung zu schaffen, bei welchem zu planbaren Zeitpunkten eine Kalibrierung mit geringem technischem Aufwand durchführbar ist.It is therefore an object of the present invention to provide a temperature sensor with means for in-situ calibration, in which at scheduled times calibration with little technical effort is feasible.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Temperatursensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Darüber hinaus wird diese Aufgabe verfahrenstechnisch mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die nachfolgenden Abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wider.The object is achieved on the basis of a temperature sensor according to the preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features. In addition, this object is procedurally achieved with the features of claim 15. The following dependent claims each reflect advantageous developments of the invention.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Mittel zur in-situ-Kalibrierung eines sich im thermischen Kontakt mit dem Sensorelement befindliche und das Material mit einem definierten Schmelzpunkt T_S enthaltende Referenzzelle umfassen, wobei das Sensorelement selbst als ein Heizmittel zum Aufheizen der Referenzzelle ausgebildet ist und durch eine Steuereinheit von einem Messmodus in einen Kalibrierungsmodus überführbar ist, bei welchem sich die Referenzzelle durch Zuführung höherer elektrischer Energie zum Sensorelement zumindest bis zum Schmelzpunkt T_M als Referenztemperatur für die Kalibrierung aufheizt.The invention includes the technical teaching that the means for in-situ calibration comprise a reference cell which is in thermal contact with the sensor element and contains the material with a defined melting point T _s , the sensor element itself acting as a heating means for heating the reference cell is formed and can be converted by a control unit of a measurement mode in a calibration mode, wherein the reference cell heats up by supplying higher electrical energy to the sensor element at least up to the melting point T _M as the reference temperature for the calibration.

Mit anderen Worten wird eine spezielle Referenzzelle genutzt, die im Kalibriermodus durch das Sensorelement aufgeheizt wird, indem eine höhere elektrische Energie zugeführt wird, als im normalen Messmodus. Somit ist ein zusätzliches Heizelement entbehrlich und eine Kalibrierung kann zu jedem gewünschten Zeitpunkt durch Umschalten der elektronischen Steuereinheit vom Messmodus in den Kalibriermodus durchgeführt werden.In other words, a special reference cell is used, which is heated in the calibration mode by the sensor element by a higher electrical energy is supplied, as in the normal measurement mode. Thus, an additional heating element is dispensable and calibration can be performed at any desired time by switching the electronic control unit from the measurement mode to the calibration mode.

Vorzugsweise sollte die Referenzzeile im thermischen Pfad zwischen dem Sensorelement und dem Sensorgehäuse angeordnet sein. Hierdurch wird in einfacher Weise ein thermischer Einfluss des Messmediums auf die Kalibrierung reduziert. Durch diese Maßnahme erreicht die Aufheizung der Referenzzelle während der Kalibrierung hauptsächlich auch nur die Referenzzelle selbst und der Anteil hieran, welcher das Sensorgehäuse und die Umgebung erreicht, wird signifikant reduziert. Dadurch wird auch eine Überhitzung des das Sensorgehäuse umgebenden Messmediums verhindert.Preferably, the reference line should be arranged in the thermal path between the sensor element and the sensor housing. As a result, a thermal influence of the measuring medium is reduced to the calibration in a simple manner. As a result of this measure, the heating of the reference cell during calibration mainly also reaches only the reference cell itself and the proportion thereof which reaches the sensor housing and the environment is significantly reduced. This also prevents overheating of the measuring medium surrounding the sensor housing.

Dieser Aspekt lässt sich weiter verbessern, indem die Steuereinheit das Aufheizen der Referenzzelle vorzugsweise dann stoppt, sobald eine dem Schmelzpunkt T_M oder einem anderen Referenzpunkt entsprechende Referenztemperatur erreicht ist. Denn durch diese enge zeitliche Begrenzung auf die erforderliche Aufheizdauer wird eine unerwünschte Wärmeausbreitung über die Referenzzelle hinaus weiter begrenzt. Durch die kurze Aufheizdauer wird also vornehmlich die Referenzzelle durch das Sensorelement aufgeheizt und nur ein sehr geringer Anteil der Wärme erreicht das Sensorgehäuse.This aspect can be further improved by the control unit preferably stopping the heating of the reference cell when a reference temperature corresponding to the melting point T _M or another reference point has been reached. Because of this narrow time limit on the required heating time, an undesirable heat propagation beyond the reference cell is further limited. Due to the short heating time, the reference cell is thus primarily heated by the sensor element and only a very small proportion of the heat reaches the sensor housing.

Das zur Ausführung der erfindungsgemäßen Aufheizzusatzfunktion einsetzbare Sensorelement kann verschiedenartig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Sensorelement nach Art eines elektrischen Widerstandsthermometers ausgeführt, umfasst also einen Widerstandsdraht, dessen elektrischer Widerstand signifikant von der Temperatur abhängt. Ein solches Widerstandsthermometer kann beispielsweise als marküblicher Typ PT100, PT1000, NTC oder dergleichen ausgebildet sein. Daneben ist es auch möglich, das Sensorelement aus zwei unterschiedlichen Metallen unter Nutzung des Seebeck-Effekts zu gestalten. Auch bei dieser Art von Sensorelementen lässt sich durch eine Erhöhung der zugeführten elektrischen Energie ein Aufheizeffekt erzielen. Daneben ist es auch denkbar, andere Sensorelemente zu verwenden, sofern diese den gewünschten Aufheizeffekt zu liefern in der Lage sind.The sensor element which can be used to carry out the auxiliary heating function according to the invention can be embodied in various ways. Preferably, the sensor element is designed in the manner of an electrical resistance thermometer, thus comprising a resistance wire whose electrical resistance significantly depends on the temperature. Such a resistance thermometer can be designed, for example, as a customary type PT100, PT1000, NTC or the like. In addition, it is also possible to design the sensor element of two different metals using the Seebeck effect. Even with this type of sensor elements can be achieved by increasing the supplied electrical energy, a heating effect. In addition, it is also conceivable to use other sensor elements, provided that they are able to deliver the desired heating effect.

Die im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung zum Einsatz kommende Referenzzelle beinhaltet vorzugsweise ein Material mit einem geeigneten Schmelzpunkt, so dass das verzögerte Ansprechverhalten des Sensorelements aufgrund des Phasenwechsels des Materials von fest zu flüssig oder umgekehrt zur Kalibrierung in an sich bekannter Weise genutzt werden kann. Daneben ist es jedoch auch möglich, den Siedepunkt eines Materials als Referenztemperatur zu nutzen. Ebenfalls denkbar sind andere Referenztemperaturen, bei denen sich beispielsweise die optischen Eigenschaften eines Materials bei einer definierten Temperatur ändern, so dass sich das Erreichen der Referenztemperatur durch optische Sensormittel auslesen lässt. Möglich ist im Prinzip jede Referenztemperatur, welche in das Sensorgehäuse eines Temperatursensors integrierbar ist und durch die Sensorelektronik auslesbar ist. Der Höhe nach kann die Referenztemperatur der Referenzzelle auch jeden Wert annehmen, der innerhalb der Temperaturgrenzen des Temperatursensors liegt. Es ist jedoch ratsam, eine Referenztemperatur außerhalb des normalen Messbereichs des Temperatursensors zu wählen, um eine Beeinflussung des Messmodus durch eine Kalibrierung zu vermeiden.The reference cell used in the context of the inventive solution preferably contains a material with a suitable melting point, so that the delayed response of the sensor element can be used in a manner known per se due to the phase change of the material from solid to liquid or vice versa. But it is the same possible to use the boiling point of a material as the reference temperature. Other reference temperatures are also conceivable in which, for example, the optical properties of a material change at a defined temperature, so that the achievement of the reference temperature can be read out by optical sensor means. It is possible in principle any reference temperature, which can be integrated into the sensor housing of a temperature sensor and can be read by the sensor electronics. In terms of height, the reference temperature of the reference cell can also assume any value that lies within the temperature limits of the temperature sensor. However, it is advisable to choose a reference temperature outside the normal measuring range of the temperature sensor in order to avoid any influence on the measuring mode by a calibration.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, als Material innerhalb der Referenzzelle Indium oder eine Indiumlegierung zu wählen, wobei der Messmodus einen Messbereich zwischen 0° und 120°C abdeckt und im Kalibriermodus ein Aufheizen oberhalb 156°C erfolgt, also überhalb des Schmelzpunktes von Indium.According to a preferred embodiment of the invention, it is proposed to select indium or an indium alloy as the material within the reference cell, the measuring mode covering a measuring range between 0 ° and 120 ° C. and heating in the calibration mode above 156 ° C., ie above the melting point of indium.

Hierdurch ist sichergestellt, dass während des normalen Messmodus des Temperatursensors kein Phasenwechsel des Materials der Referenzzelle entsteht und der Temperatursensor wird direkt auf externe Temperaturwechsel im Messemedium innerhalb normaler Ansprechzeiten reagieren. Zum Kalibrieren ist der Sensor dann auf eine Temperatur überhalb 156°C aufzuheizen und während des Schmelzvorgangs oder auch des anschließenden Erstrarrungsvorgangs des Indiums beim Abkühlen kann die Kalibrierung durchgeführt werden.This ensures that during the normal measurement mode of the temperature sensor no phase change of the material of the reference cell is produced and the temperature sensor will respond directly to external temperature changes in the measuring medium within normal response times. For calibration, the sensor is then heated to a temperature above 156 ° C and during the melting process or the subsequent Einrarrungsvorgangs the indium during cooling, the calibration can be performed.

Zur Bereitstellung der für den Kalibriermodus erforderlichen höheren elektrischen Energie relativ zum Messmodus wird vorgeschlagen, dass für den Kalibriermodus eine zusätzliche Kalibrierungsstromversorgung in Reihe zur Messstromversorgung des Sensorelements geschaltet wird. Die Stromversorgung erfolgt dabei außerhalb des Sensorgehäuses und kann vorzugsweise in der externen Steuereinheit untergebracht werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, zur Erzeugung der elektrischen Energie für den Kalibrierungsmodus eine einzige Stromversorgung des Sensorelements mit unterschiedlichen Stromniveaus vorzusehen. Auch hier kann durch Umschalten von dem niedrigen Energieniveau für den normalen Messmodus auf das viel höhere Energieniveau für den Kalibriermodus das Aufheizen für die Kalibrierung eingeleitet werden.In order to provide the higher electrical energy required for the calibration mode relative to the measurement mode, it is proposed that an additional calibration power supply be connected in series with the measurement current supply of the sensor element for the calibration mode. The power supply takes place outside the sensor housing and can preferably be accommodated in the external control unit. Alternatively, it is also possible to provide a single power supply of the sensor element with different current levels for generating the electrical energy for the calibration mode. Again, by switching from the low energy level for the normal measurement mode to the much higher energy level for the calibration mode, the heating for calibration can be initiated.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung sei darauf hingewiesen, dass die Steuereinheit auch mehrere Referenztemperaturen zur Kalibrierung nutzen kann. Hierdurch können beispielsweise Offset- und Messbereichsdrifts kalibriert werden. Von besonderem Interesse ist es diesbezüglich, wenn eine Referenztemperatur oberhalb und eine andere Referenztemperatur unterhalb des normalen Temperaturmessbereichs des Temperatursensors liegt, was beispielsweise bei einem Sensorelement mit Nutzung des Seebeck-Effekts durch Aufheizen bzw. Kühlen erzielbar ist.According to a further aspect of the invention, it should be noted that the control unit can also use several reference temperatures for calibration. As a result, for example, offset and measuring range drifts can be calibrated. Of particular interest in this respect is when a reference temperature is above and another reference temperature below the normal temperature measuring range of the temperature sensor, which is achievable, for example, in a sensor element using the Seebeck effect by heating or cooling.

Gemäß einer weiteren die Erfindung hinsichtlich eines kurzen Ansprechverhaltens verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Referenzzelle von einem vom Sensorgehäuse beabstandet angeordneten eigenen Zellengehäuse umschlossen ist, um ein Aufheizen des Sensorgehäuses beim Kalibrieren zu vermeiden. Vorzugsweise sollte das Sensorelement direkt außen an dem Zellengehäuse angebracht sein, um wiederum möglichst gezielt die Referenzzelle aufheizen zu können, nicht jedoch die weitere Umgebung. Als Material für ein solches Zellengehäuse kommt beispielsweise Glas oder Keramik in Frage. Der Zwischenraum zwischen dem Sensorelement und dem Sensorgehäuse kann beispielsweise mit Luft oder einem anderen Füllgas ausgefüllt sein, um einen möglichst hohen thermischen Isoliereffekt zu erzielen.According to a further measure improving the invention with regard to a short response, it is proposed that the reference cell is enclosed by a separate cell housing arranged at a distance from the sensor housing, in order to avoid heating of the sensor housing during calibration. Preferably, the sensor element should be mounted directly on the outside of the cell housing in order in turn to heat as selectively as possible the reference cell, but not the wider environment. As a material for such a cell case, for example, glass or ceramic comes into question. The intermediate space between the sensor element and the sensor housing can be filled, for example, with air or another filling gas in order to achieve the highest possible thermal insulation effect.

Eine besonders vorteilhafte Konfiguration ergibt sich, wenn der thermische Widerstand R₁ zwischen dem Sensorelement und dem Sensorgehäuse um ein Vielfaches größer ist als der thermische Widerstand R₃ zwischen der Referenzzelle und dem Sensorgehäuse, welcher wiederum größer sein sollte als der thermische Widerstand R₂ zwischen dem Sensorelement und der Referenzzelle. Hierdurch lässt sich prinzipiell eine präzise Temperaturmessung mit recht geringem Ansprechverhalten durchführen.A particularly advantageous configuration results when the thermal resistance R ₁ between the sensor element and the sensor housing is many times greater than the thermal resistance R ₃ between the reference cell and the sensor housing, which should be greater than the thermal resistance R ₂ between the Sensor element and the reference cell. In principle, this makes it possible to carry out a precise temperature measurement with a fairly low response.

Im Übrigen wird vorgeschlagen, dass das Sensorgehäuse aus einem Metall bestehend rohrförmig mit einem geschlossenen Bodenbereich ausgebildet ist. Hierdurch wird eine zuverlässige Abdichtung gegenüber dem außenliegenden Messmedium erzielt und die erfindungsgegenständlichen Einzelbauteile lassen sich in einem derart gestalteten Sensorgehäuse in einfacher Weise platzsparend unterbringen.Incidentally, it is proposed that the sensor housing is formed from a metal tubular with a closed bottom area. In this way, a reliable seal against the external measuring medium is achieved and the individual components according to the invention can be accommodated in a space-saving manner in a sensor housing designed in this way in a simple manner.

Unabhängig von der jeweiligen baulichen Ausprägung des Temperatursensor wird das Sensorelement kurzzeitig mit so hoher Heizleistung erwärmt wird, dass die Referenztemperatur an der nahen Referenzzelle erreicht wird bevor die Wärme in weiter entfernten Breichen des Sensorgehäuse entweicht.Regardless of the structural design of the temperature sensor, the sensor element is heated for a short time with such high heating power that the reference temperature is reached at the near reference cell before the heat escapes in more remote areas of the sensor housing.

Dadurch gelingt es, die Kalibrierzeiten gering zu halten und Beeinträchtigungen des Messmediums durch den den Kalibriervorgang zu vermeiden.This makes it possible to keep the calibration times low and to avoid impairments of the measured medium by the calibration process.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zeitkonstante des Aufheizvorganges t etwa gleich der Zeitkonstanten von Sensorelement und Referenzzelle L 2 / r /a ist, mit a = λ/σ/c, wobei λ für die Wärmeleitfähigkeit, σ für die Dichte, c für die spezifische Wärmekapazität stehen und Lr für den Abstand zwischen dem heizenden Sensorelement und der Referenzzelle stehen. In a particular embodiment of the invention, it is provided that the time constant of the heating process t is approximately equal to the time constants of sensor element and reference cell L. 2 / r / a, with a = λ / σ / c, where λ is the thermal conductivity, σ is the density, c is the specific heat capacity, and Lr is the distance between the heating sensor element and the reference cell.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zeitkonstante des Aufheizvorganges t viel großer ist als die Zeitkonstante des gesamten Temperaturfühlers t >> L 2 / t /a ist, wobei L_t der Abstand zwischen Sensorelement und Temperaturfühlergehäuse ist.In a further embodiment of the invention, it is provided that the time constant of the heating process t is much greater than the time constant of the entire temperature sensor t >> L 2 / t / a, where L _{t is} the distance between the sensor element and the temperature sensor housing.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. Show it:

1 eine schematische Seitenansicht eines Temperatursensors in einer ersten Ausführungsform, 1 a schematic side view of a temperature sensor in a first embodiment,

2 eine graphische Darstellung des Temperatur-Zeit-Verlaufs während der Kalibrierung des Temperatursensors gemäß 1, 2 a graphical representation of the temperature-time course during the calibration of the temperature sensor according to 1 .

3 eine schematische Seitendarstellung eines Temperatursensors nach einer zweiten Ausführungsform mit elektrischer Energiezuführung in einer ersten Variante, 3 2 shows a schematic side view of a temperature sensor according to a second embodiment with electrical energy supply in a first variant,

4 ein Schaltbild für eine zu 3 geltende Energiezuführung in einer zweiten Variante, 4 a schematic diagram for one too 3 current energy supply in a second variant,

5 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Temperatursensors mit einer hieran angepassten Energieversorgung in einer dritten Variante, 5 3 shows a schematic side view of a third embodiment of a temperature sensor with a power supply adapted thereto in a third variant,

6 eine schematische Seitenansicht eines Temperatursensors in einer vierten Ausführungsform, und 6 a schematic side view of a temperature sensor in a fourth embodiment, and

7 eine schematische Darstellung eines Temperatursensors mit Verdeutlichung der Bauteilbeabstandungen. 7 a schematic representation of a temperature sensor with clarification of the component spacings.

Gemäß 1 besitzt der Temperatursensor ein rohrförmiges Sensorgehäuse 1 aus Metall, das einen geschlossenen Bodenbereich 2 aufweist. Geschützt innerhalb des Sensorgehäuses 1 ist ein Sensorelement 3 angeordnet. Außerhalb des Sensorgehäuses 1 befindet sich ein – nicht weiter dargestelltes – Messmedium, dessen Temperatur durch den Temperatursensor zu ermitteln ist. Das Sensorelement 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein elektrisches Widerstandsthermometer ausgebildet, das mit einer zweipoligen Anschlussleitung 4 an einer Steuereinheit 5 zur Messwerterfassung angeschlossen ist.According to 1 the temperature sensor has a tubular sensor housing 1 made of metal, which has a closed floor area 2 having. Protected inside the sensor housing 1 is a sensor element 3 arranged. Outside the sensor housing 1 is a - not shown - - measuring medium whose temperature is to be determined by the temperature sensor. The sensor element 3 is designed in this embodiment as an electrical resistance thermometer, which with a two-pole connecting cable 4 at a control unit 5 connected to the measured value acquisition.

Der Temperatursensor umfasst außerdem technische Mittel zur in-situ Kalibrierung des Thermoelements 3, das zu diesem Zweck mit einer Referenzzelle 6 zusammenwirkt. Die Referenzzelle 6 umgibt das Sensorelement 3 teilweise, um einen wirksamen thermischen Kontakt zwischen den beiden Bauteilen herzustellen. Innerhalb der Referenzzelle 6 befindet sich ein Material mit einem definierten Schmelzpunkt T_M, welcher oberhalb des normalen Messbereichs des Temperatursensors liegt. Erfindungsgemäß dient das Sensorelement 3 auch als ein Heizmittel zum Aufheizen der Referenzzelle 6. Um ein solches Aufheizen der Referenzzelle 6 durchzuführen, ist die Steuereinheit 5 von dem normalen Messmodus zur Temperaturmessung in einen speziellen Kalibrierungsmodus überführbar. Im Kalibrierungsmodus wird dem Sensorelement 3 eine vergleichsweise viel höhere elektrische Energie zugeführt, die zum Aufheizen des Sensorelements 3 und infolge dessen auch zum Aufheizen der hiermit in thermischem Kontakt stehenden Referenzzelle 6 führt, um den vorstehend erwähnten Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunktes T_M des Materials innerhalb der Referenzzelle 6 zu erreichen.The temperature sensor also includes engineering means for in-situ calibration of the thermocouple 3 that for this purpose with a reference cell 6 interacts. The reference cell 6 surrounds the sensor element 3 partially to produce effective thermal contact between the two components. Within the reference cell 6 There is a material with a defined melting point T _M , which is above the normal measuring range of the temperature sensor. According to the invention, the sensor element is used 3 also as a heating means for heating the reference cell 6 , To such a heating of the reference cell 6 to perform is the control unit 5 from the normal measuring mode for temperature measurement into a special calibration mode. In calibration mode, the sensor element becomes 3 a comparatively much higher electrical energy supplied to the heating of the sensor element 3 and consequently also for heating the reference cell in thermal contact therewith 6 leads to the aforementioned temperature range above the melting point T _{M of} the material within the reference cell 6 to reach.

Um ein ungewolltes Aufheizen des Sensorgehäuses 1 zu vermeiden, umgibt die Referenzzelle 6 das Sensorelement 3 teilweise. Somit liegt die Referenzzelle 6 im thermischen Pfad zwischen dem Sensorelement 3 und dem Sensorgehäuse 1, welches höchstens noch mit einer Restwärme beaufschlagt wird. Zudem stoppt die Steuereinheit 5 das Aufheizen der Referenzzelle 6, sobald der Schmelzpunkt T_M des Materials innerhalb der Referenzzelle 6 erreicht ist, was der Referenztemperatur für die Kalibrierung entspricht.To prevent accidental heating of the sensor housing 1 to avoid surrounds the reference cell 6 the sensor element 3 partially. Thus, the reference cell lies 6 in the thermal path between the sensor element 3 and the sensor housing 1 , which is at most still subjected to a residual heat. In addition, the control unit stops 5 heating the reference cell 6 as soon as the melting point T _{M of} the material within the reference cell 6 is reached, which corresponds to the reference temperature for the calibration.

Gemäß 2 steigt die Temperatur zum Beginn des Aufheizens der Referenzzelle zügig bis zum Schmelzpunkt T_M an. Ab Beginn des Schmelzens ist kein weiterer Temperaturanstieg zu verzeichnen, bis das Material innerhalb der Referenzzelle vollständig geschmolzen ist, so dass die während des Schmelzvorgangs konstant bleibende Schmelztemperatur T_M als Referenztemperatur zum Kalibrieren herangezogen werden kann. Nach dem vollständigen Schmelzen ist noch ein weiterer Temperaturanstieg zu verzeichnen. Nach dem Abschalten der für das Aufheizen erforderlichen höheren Energiezufuhr zum Sensorelement erfolgt ein Abkühlen der Referenzzelle. Während der Phase des Erstarrens des Materials innerhalb der Referenzzelle verharrt die Temperaturkurve über eine gewisse Zeitdauer im Bereich der Erstarrungstemperatur T_S. Dieser Bereich kann ebenfalls zur Kalibrierung herangezogen werden. Anschließend erfolgt das weitere Abkühlen bis auf normales Umgebungstemperaturniveau.According to 2 the temperature rises rapidly to the beginning of the heating of the reference cell to the melting point T _M. From the beginning of the melting, no further increase in temperature is observed until the material within the reference cell has completely melted, so that the melting temperature T _{M, which} remains constant during the melting process, can be used as the reference temperature for calibration. After complete melting, a further rise in temperature is recorded. After switching off the required for heating higher energy to the sensor element cooling the reference cell. During the phase of solidification of the material within the reference cell, the temperature curve remains in the range of the solidification temperature T _S over a certain period of time. This area can also be used for calibration. Subsequently, the further cooling to normal ambient temperature level.

Gemäß 3 ist das innerhalb des Sensorgehäuses 1 im Bereich der Referenzzelle 6 angeordnete Sensorelement 3' nach Art eines elektrischen Widerstandsthermometers ausgeführt und wird von einer innerhalb der Steuereinheit 5 angeordneten Stromversorgung nach Maßgabe des Messmodus sowie des Kalibrierungsmodus mit der jeweils passenden elektrischen Energie beaufschlagt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zur Erzeugung der elektrischen Energie für den Kalibriermodus eine zuschaltbare zusätzliche Kalibrierungsstromversorgung U₁ in Reihe zur Messstromversorgung U₂ für das Sensorelement 3' geschaltet. Die Umschaltung erfolgt über einen hier schematisch angedeuteten Schalter 7. Die Messstromversorgung U₁ ist viel kleiner als die Kalibrierstromversorgung U₂, welche mit der entsprechend höheren elektrischen Energie für das Aufheizen des Sensorelements 3' sorgt. According to 3 this is inside the sensor housing 1 in the range of the reference cell 6 arranged sensor element 3 ' executed in the manner of an electrical resistance thermometer and is controlled by one within the control unit 5 arranged power supply in accordance with the measuring mode and the calibration mode acted upon by the respectively appropriate electrical energy. In this embodiment, to generate the electrical energy for the calibration mode, a switchable additional calibration power supply U ₁ in series with the measuring current supply U ₂ for the sensor element 3 ' connected. Switching takes place via a switch indicated schematically here 7 , The measuring current supply U ₁ is much smaller than the calibration power supply U ₂ , which with the correspondingly higher electrical energy for heating the sensor element 3 ' provides.

Die 4 illustriert eine alternative Stromversorgung für das – nicht weiter dargestellte – Sensorelement 3', welche unterschiedliche Stromlevels mittels Verstellmitteln liefern kann.The 4 illustrates an alternative power supply for the - not shown - sensor element 3 ' which can supply different current levels by means of adjusting means.

Nach der in 5 dargestellten anderen Ausführungsform des Temperatursensors besteht das Sensorelement 3'' aus einem Pärchen zweier unterschiedlicher Metalle 8 und 9, welche eine Temperaturerfassung unter Nutzung des Seebeck-Effekts ermöglichen. Zur Kalibrierung wird das Sensorelement 3'' mit einer elektrischen Energie beaufschlagt, welche einen das Aufheizen bewirkenden Stromfluss durch die Übergangsstellen des Sensorelements 3'' erzeugt. Das Sensorelement 3'' ist direkt mit der Stromversorgung verbunden. Mit dem Sensorelement 3'' wird die Temperatur normalerweise über den Seebeck-Effekt dadurch ermittelt, dass die Temperaturdifferenz an den Übergangsstellen zwischen den zwei unterschiedlichen Metallen 8 und 9 eine kennzeichnende Spannung erzeugt. Einer der Übergangsstellen am Metall 7 wird dabei als Sensorelement 3'' genutzt, während die Übergangsstelle am anderen Metall 8 außerhalb dessen zur Ermittlung der Referenztemperatur angeordnet ist. Dieser Vorgang kann umgedreht werden durch Nutzung des Peltier-Effekts und durch Beaufschlagung der Leitungen mit einem Strom, wobei eine Kontaktstelle 11 aufgewärmt wird, während die andere Kontaktstelle 12 je nach Stromrichtung abgekühlt wird. Hierdurch kann das Sensorelement 3 entweder aufgeheizt oder abgekühlt werden, um die Referenzzelle 6 entweder überhalb oder unterhalb des normalen Messtemperaturbereichs zu bringen, so dass durch das gesteuerte Aufheizen oder Abkühlen die Kalibrierung durchführbar ist.After the in 5 illustrated another embodiment of the temperature sensor is the sensor element 3 '' from a pair of two different metals 8th and 9 , which allow a temperature detection using the Seebeck effect. For calibration, the sensor element 3 '' subjected to an electrical energy, which is a heating causing current flow through the transition points of the sensor element 3 '' generated. The sensor element 3 '' is directly connected to the power supply. With the sensor element 3 '' The temperature is usually determined by the Seebeck effect by taking the temperature difference at the junctions between the two different metals 8th and 9 generates a characteristic voltage. One of the transition points on the metal 7 is doing as a sensor element 3 '' used while the transition point on the other metal 8th outside of which is arranged to determine the reference temperature. This process can be reversed by using the Peltier effect and by applying a current to the lines, with a contact point 11 is warmed up, while the other contact point 12 is cooled depending on the current direction. This allows the sensor element 3 either heated or cooled to the reference cell 6 either above or below the normal measuring temperature range so that calibration can be performed by controlled heating or cooling.

6 zeigt eine Anordnung eines Temperaturfühlers mit Referenzzelle, welche in Richtung eines geringen Wärmeeintrages in das den Temperaturfühler umgebende Medium optimiert ist. Die Referenzzelle 6 befindet sich in einem eigenen Zellengehäuse 10, welches in das Sensorgehäuse 1 eingesetzt ist. Die Referenzzelle 6 steht damit ueber das Zellengehäuse 10 mit dem Sensorgehaeuse 1 und damit mit dem umgebenden Medium in thermischen Kontakt. Das Sensorelement 3 ist direkt an das Zellengehäuse 10 derart angebracht, dass ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen Sensorelement und Referenzzelle besteht. Vorteilhafterweise ist das Zellengehäuse 10 aus Keramik oder Glas gefertigt und das Sensorelement 3 mit Hilfe eines Glas- oder Keramikklebers in das Zellengehäuse eingeklebt. Das Sensorelement 3 steht dagegen aber in keinem direkten Kontakt mit dem Sensorgehäuse 3. Der Zwischenraum zwischen dem Sensorelement 3 und dem Sensorgehäuse 1 ist mit Luft oder Gas oder einem anderen gut isolierendem Material gefüllt, um hier einen hohen thermischen Widerstand zwischen Sensorelement 3 und Zellengehäuse zu erreichen. 6 shows an arrangement of a temperature sensor with reference cell, which is optimized in the direction of a small heat input into the medium surrounding the temperature sensor. The reference cell 6 is located in a separate cell housing 10 which is in the sensor housing 1 is used. The reference cell 6 thus stands over the cell housing 10 with the sensor housing 1 and thus in thermal contact with the surrounding medium. The sensor element 3 is directly to the cell case 10 mounted so that there is a very good thermal contact between the sensor element and the reference cell. Advantageously, the cell housing 10 made of ceramic or glass and the sensor element 3 glued into the cell housing with the help of a glass or ceramic adhesive. The sensor element 3 however, is not in direct contact with the sensor housing 3 , The gap between the sensor element 3 and the sensor housing 1 is filled with air or gas or some other good insulating material to provide high thermal resistance between sensor element 3 and reach cell case.

7 illustriert anhand der thermischen Widerstände schematisch die zur Erzielung eines akkuraten Messergebnisses oben beschriebene Anordnung der Bauteile innerhalb des Sensorgehäuses 1. Der thermische Widerstand R1 zwischen dem Sensorelement 3 und dem Sensorgehäuse 1 ist dabei um ein vielfaches größer als der thermische Widerstand R3 zwischen der Referenzzelle 6 und dem Sensorgehäuse 1. Der thermische Widerstand R3 ist wiederum auch größer als der thermische Widerstand R2 zwischen dem Sensorelement 3 und der Referenzzelle 6, welcher zur Erzielung eines guenstigen Wärmeübergangs möglichst klein ausfallen sollte. Die thermischen Widerstaende sind derart ausgelegt, dass der Hauptwärmefluss zwischen Senorlement 3 und der Umgebung über die Referenzzelle erfolgt. 7 schematically illustrates, based on the thermal resistances, the arrangement of the components within the sensor housing described above in order to achieve an accurate measurement result 1 , The thermal resistance R1 between the sensor element 3 and the sensor housing 1 is a multiple greater than the thermal resistance R3 between the reference cell 6 and the sensor housing 1 , The thermal resistance R3 is in turn also greater than the thermal resistance R2 between the sensor element 3 and the reference cell 6 , which should be as small as possible to achieve a favorable heat transfer. The thermal resistors are designed so that the main heat flow between Senorlement 3 and the environment via the reference cell.

Während des normalen Messmodus gelangt die Wärme aus der Umgebung durch die Referenzzelle 6 zum Sensorelement 3 und wird das Sensorelement 3 auf eine ähnliche Temperatur wie die Umgebung bringen. Wenn das Sensorelement 3 im Kalibriermodus aufgeheizt wird, so wird die Wärme während des direkten Kontakts zuerst in die Referenzzelle 3 dringen, um das hierin befindliche Material mit der definierten Referenztemperatur aufzuheizen. Erst in einer späteren Phase des Aufheizens wird sich auch das Gehäuse der Referenzzelle und das Sensorgehäuse aufheizen. Der Widerstand R3 sollte dabei so gewählt werden, dass während des normalen Messmodus durch den geringen statischen Waermefluss durch den Widerstand R3 der Temperaturabfall über R3 geringer als die zu erzielende Messgenauigkeit ist. Auf der anderen Seite sollte der Widerstand R3 dagegen aber so gross sein, dass er während des Kalibriermodus und die hierbei entstehenden hohen Wärmeflüsse einen hohen Temperaturabfall erzeugt und somit die Temperaturbelastung des Mediums reduziert wird. Von weiterem Vorteil ist, wenn der thermische Widerstand bzgl. seiner dynamischen Eigenschaften eine geringe Temperaturleitfähigkeit a = lambda/(rho c) (lambda: Wärmeleitfähigkeit, rho: Dichte, c: Wärmekapazität) aufweist. Hierdurch wird im Falle des kurzen Aufheizens während des Kalibriermodus ein schnelles Ausbreiten der eingebrachten Wärmemenge verringert und kurzfristig ein hoher Temperaturabfall zwischen Referenzzelle und Umgebung erreicht. Im Falle des normalen Messmodus mit seinen langsameren Temperaturänderungen tritt dagegen dann ein deutlich geringerer Temperaturabfall auf.During normal measurement mode, heat from the environment passes through the reference cell 6 to the sensor element 3 and becomes the sensor element 3 bring to a similar temperature as the environment. When the sensor element 3 is heated in calibration mode, the heat during the direct contact first in the reference cell 3 penetrate to heat the material herein at the defined reference temperature. Only in a later phase of heating up, the housing of the reference cell and the sensor housing will heat up. The resistance R3 should be chosen so that during the normal measurement mode due to the low static heat flux through the resistor R3, the temperature drop across R3 is less than the measurement accuracy to be achieved. On the other hand, the resistance R3, however, should be so large that it generates a high temperature drop during the calibration mode and the resulting high heat fluxes and thus the temperature load of the medium is reduced. Another advantage is when the thermal resistance with respect to its dynamic Properties has a low thermal conductivity a = lambda / (rho c) (lambda: thermal conductivity, rho: density, c: heat capacity). As a result, in the case of short heating during the calibration mode, a rapid spread of the introduced amount of heat is reduced and, in the short term, a high temperature drop between the reference cell and the environment is achieved. In the case of the normal measuring mode with its slower temperature changes, on the other hand, a significantly lower temperature drop then occurs.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, das Aufheizen des Sensorgehäuses 1 durch eine Minimierung der Aufheizdauer für das Sensorelement 3 zu begrenzen.The invention is not limited to the embodiments described above. On the contrary, modifications are conceivable which are included in the scope of protection of the following claims. For example, it is also possible to heat up the sensor housing 1 by minimizing the heating time for the sensor element 3 to limit.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Sensorgehäusesensor housing
22: Bodenbereichfloor area
33: Sensorelementsensor element
44: Leitungmanagement
55: Steuereinheitcontrol unit
66: Referenzzellereference cell
77: Schalterswitch
88th: erstes Metallfirst metal
99: zweites Metallsecond metal
1010: Zellengehäusecell case
R₁ R ₁: erster thermischer Widerstandfirst thermal resistance
R₂ R ₂: zweiter thermischer Widerstandsecond thermal resistance
R₃ R ₃: dritter thermischer Widerstandthird thermal resistance
T_M T _M: Schmelztemperaturmelting temperature
T_S T _S: Erstarrungstemperatursolidification temperature
T_B T _B: Siedetemperaturboiling
U₁ U ₁: MessstromversorgungMeasuring power
U₂ U ₂: KalibrierungsstromversorgungCalibration current supply

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 3499310 [0008]
DE 2758084 A1 [0011]

Claims

Temperature sensor with at least one of a sensor housing ( 1 ) enclosed sensor element ( 3 ) adjacent to it in the sensor housing ( 1 ) means for in-situ calibration, characterized in that the in-situ calibration means is in thermal contact with the sensor element ( 3 ) and a material with a defined melting point (T _M ) contained reference cell ( 6 ), wherein the sensor element ( 3 ) as a heating means for heating the reference cell ( 6 ) is formed and by a control unit ( 5 ) can be converted from a measuring mode into a calibration mode, in which the reference cell ( 6 ) by supplying electrical energy at least until the melting point (T _M ) heats up as the reference temperature for the calibration.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that the reference cell ( 6 ) in the thermal path between the sensor element ( 3 ) and the sensor housing ( 1 ) is arranged.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that the control unit ( 5 ) heating the reference cell ( 6 ) stops as soon as a reference temperature corresponding to the melting point (T _M ) is reached.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that the sensor element ( 3 ) is designed in the manner of an electrical resistance thermometer.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that the material within the reference cell ( 6 ) Indium or an indium alloy, wherein the measuring mode has a measuring range between 0 ° C to 120 ° C and in the calibration mode, a heating above 156 ° C takes place.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that the control unit ( 5 ) the calibration based on a heating of the reference cell ( 6 ) to the boiling point (T _B ) of the material contained therein.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that for generating the electrical energy for the calibration mode, a switchable additional calibration power supply (U ₂ ) in series with the measuring current supply (U ₁ ) of the sensor element ( 3 ' ) is switched.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that for generating the electrical energy for the calibration mode, a single power supply (U ₁ , U ₂ ) of the sensor element ( 3 ' ) Different current levels is provided.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that the control element ( 3 '' ) of two different metals ( 8th . 9 ) using the Seebeck effect.

Temperature sensor according to claim 9, characterized in that for calibration the control element ( 3 '' ) is acted upon by an electrical energy, which is a current causing the heating current flow through the transition points of the sensor element ( 3 '' ) generated.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that the control unit ( 5 ) uses several reference temperatures (T _M , T _S , T _B ) for calibration.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that the reference cell ( 6 ) of one from the sensor housing ( 1 ) spaced cell housing ( 10 ) is enclosed to a heating of the sensor housing ( 3 ) during calibration, the sensor element ( 3 ) on the outside of the cell housing ( 10 ) is attached.

Temperature sensor according to claim 12, characterized in that the thermal resistance (R ₁ ) between the sensor element ( 3 ) and sensor housing ( 1 ) is several times greater than the thermal resistance (R ₃ ) between the reference cell ( 6 ) and the sensor housing ( 1 ), which in turn is greater than the thermal resistance (R ₂ ) between the sensor element ( 3 ) and the reference cell ( 6 ).

Temperature sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor housing ( 1 ) consisting of a metal tube-shaped with a closed bottom area ( 1 ) is trained.

Method for in-situ calibration of a temperature sensor with at least one of a sensor housing ( 1 ) enclosed sensor element ( 3 ) adjacent to it in the sensor housing ( 1 ) arranged means for in-situ calibration, characterized in that the sensor element ( 3 ) is heated for a short time with such high heating power that the reference temperature at a near reference cell ( 6 ) is reached before the heat in more distant areas of the sensor housing ( 1 ) escapes.

A method according to claim 15, characterized in that the time constant of the heating process t is approximately equal to the time constant of the sensor element and reference cell L

2 / r

/ a is, with a = λ / σ / c, where λ stands for the thermal conductivity, σ for the density, c for the specific heat capacity and Lr stand for the distance between the heating sensor element and the reference cell.

Method according to one of claims 15 and 16, characterized in that the time constant of the heating process t is much greater than the time constant of the entire temperature sensor t >> L

2 / t

/ a, where L _{t is} the distance between the sensor element and the temperature sensor housing.