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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 sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben.
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Das vornehmliche 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.
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Widerstandsthermometer sind elektrische Bauelemente, welche die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Leitern zur Messung der Temperatur ausnutzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus der
US 3,499,310 A 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.
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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.
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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.
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Aus der
DE 199 41 731 A1 ist eine Fixpunktzelle zur automatisierbaren in-situ-Kalibrierung von Temperatursensoren bekannt, die einen zusätzlichen Heizer zum Aufheizen der Referenzzelle aufweist. Damit weist diese Lehre prinzipiell dieselben Nachteile auf wie der vorgenannte Stand der Technik.
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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.
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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.
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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 ohne Beeinträchtigung des Messmodus durchführbar ist.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Temperatursensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wider.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Mittel zur in-situ Kalibrierung eine integrierte Schalteinheit umfassen, die eine Steuereinheit zum Start der Kalibrierung des Sensorelements nur dann vom normalen Messmodus in einen Kalibriermodus umschaltet, wenn die Steuereinheit das Vorhandensein ausreichender elektrischer Energie zum Aufheizen des Sensorelements und/oder die Kalibrierungsbereitschaft des Prozesses und/oder die Einhaltung definierter Temperaturgrenzen des Messmediums ist.
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Als eine die Erfindung verbessernde Maßnahme ist vorgesehen, dass benachbart zum Sensorelement eine ein Material mit einem definierten Schmelzpunkt TM enthaltene Referenzzelle angeordnet ist. Der Schmelzpunkt TM kann während eines Aufheizens der Referenzzelle genutzt werden, um das Sensorelement zu kalibrieren. Denn im Schmelzpunkt TM ergibt sich ein charakteristischer Kennlinienverlauf der zeitlichen Temperaturentwicklung beim Aufheizen. Daneben ist es auch denkbar, den Kennlinienverlauf beim Abkühlen der Referenzzelle und dem damit einhergehenden Phasenwechsel von flüssig zu fest im Erstarrungspunkt TS zu nutzen. Ferner ist es auch denkbar, dass die Steuereinheit des erfindungsgemäßen Temperatursensors mehrere Referenztemperaturen zur Kalibrierung nutzt, beispielsweise auch die Siedetemperatur TB des Materials. Es sollten vorzugsweise Materialien in Frage kommen, welche außerhalb des normalen Messbereichs des Temperatursensors ihren Schmelzpunkt TM oder Erstarrungspunkt TE erreichen, damit die Referenzzelle nicht den normalen Messbetrieb des Temperatursensors beeinträchtigt.
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Dementsprechend schaltet die Steuereinheit das Schaltelement vorzugsweise nur dann vom normalen Messmodus in den Kalibriermodus um, wenn sich die aktuell im Messmodus gemessene Temperatur außerhalb des Temperaturmessbereichs des Sensorelements befindet.
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Gemäß einer anderen die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Mittel zu In-situ-Kalibrierung weiterhin eine elektrische Speichereinheit umfassen, welche nach Maßgabe der Steuereinheit während des normalen Messmodus mit elektrischer Energie geladen wird, um diese im Kalibrierungsmodus zum Aufheizen zu nutzen. Durch diesen zusätzlichen Energiepuffer lässt sich der Temperatursensor mit geringer elektrischer Leistung betreiben, denn nur für die in größeren Zeitabständen erforderlichen Kalibrierungen des Sensorelements besteht ein erhöhter Energiebedarf für das Aufheizen der integrierten Referenzzelle.
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Vorteilhafterweise gelingt es auf diese Weise, in einem Temperatursensor mit leistungsbegrenzter Speisung, wie er in der Prozessautomatisierung mit über eine 4...20 mA-Stromschleife angeschlossenen Geräten üblich ist, temporär ausreichend Energie zur Kalibrierung zur Verfügung zu stellen.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zum Aufheizen der Referenzzelle das Sensorelement selbst genutzt wird, welches allerdings zum Aufheizen mit höherer elektrischer Energie beaufschlagt wird. Das Sensorelement kann beispielsweise als Widerstandsdraht ausgebildet sein. Hierdurch ergeben sich wenige kleinbauende Einzelteile, welche sich platzsparend in ein Sensorgehäuse einfügen lassen, dass vorzugsweise aus einem Metall bestehend rohrförmig ausgebildet ist und einen geschlossenen Bodenbereich besitzt. Die Referenzzelle sollte dabei im thermischen Pfad zwischen dem Sensorelement und dem Sensorgehäuse angeordnet sein, um ein ungewolltes Aufheizen des Sensorgehäuses während der Kalibrierung zu vermeiden.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Temperatursensors mit Mitteln zur In-situ-Kalibrierung,
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2 eine graphische Darstellung des Temperatur-Zeit-Verlaufs einer Kalibrierung, und
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3 eine Blockschaltbilddarstellung der in der Steuereinheit integrierten Steuermittel zur In-situ-Kalibrierung.
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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 mehrpoligen Anschlussleitung 4 an einer Steuereinheit 5 zur Messwerterfassung angeschlossen ist.
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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 TM, welcher oberhalb des normalen Messbereichs des Temperatursensors liegt.
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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 TM des Materials innerhalb der Referenzzelle 6 zu erreichen.
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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 TM des Materials innerhalb der Referenzzelle 6 erreicht ist, was der Referenztemperatur für die Kalibrierung entspricht.
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Gemäß 2 steigt die Temperatur zum Beginn des Aufheizens der Referenzzelle zügig bis zum Schmelzpunkt TM 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 TM 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 TS. Dieser Bereich kann ebenfalls zur Kalibrierung herangezogen werden. Anschließend erfolgt das weitere Abkühlen bis auf normales Umgebungstemperaturniveau.
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Gemäß 3 umfassen die Steuereinheit 5 zur Kalibrierung eine Schalteinheit 7, welche von der Steuereinheit 5 derart betätigbar ist, dass eine Umschaltung vom normalen Messmodus in den Kalibriermodus nur dann durchgeführt wird, wenn zuvor definierte notwendige Bedingungen für eine tatsächlich auch erfolgreiche Ausführung der Kalibrierung vorliegen. Also notwendige Bedingung wird bei diesem Ausführungsbeispiel vor dem Umschalten in den Kalibriermodus ein Test durchgeführt, ob ausreichend elektrische Energie zum Aufheizen des – nicht weiter dargestellten – Sensorelements 3 zur Verfügung steht. Hierfür ermittelt die Steuereinheit den Ladezustand einer hieran angeschlossenen elektrischen Speichereinheit 8. Die Speichereinheit 8 wird nach Maßgabe der Steuereinheit 5 während des normalen Messmodus mit elektrischer Energie geladen, um die so gespeicherte elektrische Energie im Kalibriermodus zum Aufheizen zu nutzen. Durch den vor dem Kalibrieren durchzuführenden Test auf die notwendige Bedingung wird sichergestellt, dass nur dann eine Kalibrierung durchgeführt wird, wenn diese auch zum Erfolg führt. Denn ist die elektrische Speichereinheit 8 nicht ausreichend mit elektrischer Energie geladen, so würde die Kalibrierung ein falsches oder kein Ergebnis liefern, weil beispielsweise das Sensorelement 3 die Referenzzelle 6 nicht bis zum Schmelzpunkt des darin enthaltenen Materials aufheizen könnte. Daneben kann die Steuereinheit 5 auch andere notwendige Bedingungen für die erfolgreiche Ausführung der Kalibrierung per Test vor Betätigung der Schalteinheit 7 zum Umschalten in den Kalibriermodus durchführen.
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Ein in der Steuereinheit 5 implementierter Startmechanismus kann zudem auch die aktuelle Temperatur überwachen und den Kalibrierungsmodus einschalten, wenn eine bestimmte Mediumtemperatur überschritten wurde. Ein solcher automatischer Startmechanismus kann zum Beispiel einen Reinigungskreislauf in der Lebensmittelproduktion erfassen. Für die Lebensmittelproduktion sind die Temperaturen für den normalen Prozess auf 120°C limitiert. Wenn das Produktionsmittel geändert wird, wird das System mit heißem Dampf oder mit einer heißen Reinigungslösung gereinigt, welche Temperaturen über 120°C erzeugen. Alternativ, wenn die Prozedur gestoppt ist und die Reinigungslösung vom System entfernt wurde, wird sich die Temperatur plötzlich ändern und der Umgebungstemperatur anpassen. Diese Änderung kann die Steuereinheit 5 ebenfalls erfassen.
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Ein weiterer Ansatz für Flüssigkeiten oder schnelle Gasströme als Prozessmedium, könnte eine geringe Aufheizung des Temperatursensors sein. Wenn eine Flüssigkeit oder ein Gasstrom vorhanden ist, wird der Temperatursensor durch die Flüssigkeit oder den Gasstrom auf die Temperatur des Messmediums zurückgekühlt. Ein Temperaturanstieg, bedingt durch die Aufheizung, wird dann in Anwesenheit dieses Mediums kleiner sein als ohne eine Flüssigkeit oder einen Gasstrom rund um den Temperatursensor. Diese Ermittlung kann für den stabilen Zustand genauso wie für ein Übergangsverhalten des Temperaturanstiegs gemacht werden.
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Wenn die Kalibration durch die Steuereinheit 5 initiiert ist, wird der Kalibrationsmodus eingeschaltet und der Temperatursensor wird rekalibriert. Der Kalibrationsmodus kann dabei auch externe Temperaturveränderungen nutzen, um die Phasenänderung zu bewältigen, sowie eine zusätzliche Aufheizung für den Temperatursensor zu verwenden. Während eines Reinigungskreislaufs mit heißem Dampf oder heißen Reinigungslösungen steigt beispielsweise die zusätzliche Temperatur über die normale Temperatur und wird für die Kalibration genutzt. In diesem Fall sind die normalen Arbeitstemperaturen bis zu 120°C hoch. Während der Reinigungsphase wird der Temperatursensor auf 180°C aufgeheizt. Demzufolge wird die optimale Referenztemperatur zwischen 120°C und 180°C gewählt. Hier würde demzufolge eine Referenzzelle 6 mit Indium (156°C) oder Kalium (180°C) als Phasenveränderungsmaterial von Vorteil sein.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, unterschiedliche Kalibriermethoden zu nutzen. Als bevorzugte Kalibriermethoden wird die hier exemplarisch beschriebene Nutzung der internen Referenzzelle am Temperatursensor oder die Nutzung eines Rauschthermometers angesehen. Für ein Rauschthermometer gilt vornehmlich die Einhaltung der notwendigen Bedingung bezüglich des Vorhandenseins ausreichender elektrischer Energie. Denn wenn eine zusätzliche Aufheizung für die Kalibrierung genutzt wird, wird – verglichen zum Messmodus – eine höhere Energie für die Aufheizung gebraucht. Speziell für Zweidraht-Sensoren ist der Energieverbrauch limitiert. Deshalb können diese Temperatursensoren nicht die nötige Energie bereitstellen, um den Sensor auf eine bestimmte Temperatur aufzuheizen. Um die erfindungsgemäße Lösung auch für diese Sensoren zu nutzen, ist eine Speicherung der Energie während des normalen Messmodus speziell hierfür von Vorteil. Weil der Temperatursensor die meiste Zeit im Messmodus ist und nur eine kurze Zeit im Kalibrierungsmodus, ist die Energie, die für das Laden der Energiespeicherung gebraucht wird, nur ein kleiner Teil der Energie, der während des Arbeitsablaufes benötigt wird. Die Nutzung der Energie wird von der Steuereinheit 5, kontrolliert, welche auch für das Umschalten des Temperatursensors aus dem Messmodus in den Kalibrierungsmodus verantwortlich ist.
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Um die Energie zu reduzieren, die für die Kalibrierung benötigt wird, sollte die Referenztemperatur nur einen kleinen Betrag über der normalen Arbeitstemperatur des Temperatursensord liegen. Im vorgenannten Beispiel würde eine Referenzzelle 6 mit Indium als Phasenänderungsmaterial diese Anforderungen erfüllen. Wenn die Arbeitstemperaturen nur 100°C erreichen, kann auch Iodin als Phasenänderungsmaterial benutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorgehäuse
- 2
- Bodenbereich
- 3
- Sensorelement
- 4
- Zuleitung
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Referenzzelle
- 7
- Schalteinheit
- 8
- Speichereinheit
- TM
- Schmelztemperatur
- TS
- Erstarrungstemperatur
- TB
- Siedetemperatur
