DE102015112255A1

DE102015112255A1 - Temperature calibrator and method for tempering a temperature calibrator

Info

Publication number: DE102015112255A1
Application number: DE102015112255.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Rehm-Gumbel; René Friedrichs
Original assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Current assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Temperaturkalibrator und ein Verfahren zum Kühlen und Heizen des Kalbriervolumens eines Temperaturkalibrators. Der Temperaturkalibrator umfasst mindestens ein zu temperierendes Kalibriervolumen, mindestens eine Wärmequelle und mindestens eine Wärmesenke, mindestens einen Temperatursensor und mindestens eine elektrische Steuereinheit, wobei die Wärmequelle mindestens eine Widerstandsheizung umfasst und die Wärmesenke mindestens ein Peltier-Element umfasst. Zum schonenden Betrieb wird das Peltier-Element mit einem im Wesentlichen konstanten Strom beaufschlagt und gleichzeitig die Widerstandsheizung mit einem variierenden Strom beaufschlagt.The invention relates to a temperature calibrator and a method for cooling and heating the Kalbriervolumens a Temperaturkalibrators. The temperature calibrator comprises at least one calibration volume to be tempered, at least one heat source and at least one heat sink, at least one temperature sensor and at least one electrical control unit, wherein the heat source comprises at least one resistance heater and the heat sink comprises at least one Peltier element. For gentle operation, the Peltier element is subjected to a substantially constant current and simultaneously applied to the resistance heating with a varying current.

Description

Die überwiegende Zahl der in Industrie und Forschung eingesetzten Temperatursensoren sind Sekundärthermometer. Das heißt, die entsprechenden Sensoren, wie z.B. Widerstandsthermometer oder Thermoelemente, müssen mindestens vor Ihrer ersten Verwendung und meist auch im Laufe ihres Einsatzes wiederholt kalibriert werden. Dazu werden beim Vergleichsverfahren die zu kalibrierenden temperaturempfindlichen Sensoren oder Schalter in temperaturstabilisierten Öfen oder Bädern mit einem Normalthermometer verglichen. Vorrichtungen, die ein entsprechendes Kalibriervolumen auf eine vorgebbare konstante Solltemperatur temperieren, sind bekannt. Diese sogenannten Temperaturkalibratoren können sowohl als schwere immobile Vorrichtungen oder, wie in der Schrift US 39 39 687 A beschrieben, als kompakte tragbare KalibratorenPeltierOhm01-1 ausgeführt werden. The vast majority of temperature sensors used in industry and research are secondary thermometers. This means that the corresponding sensors, such as resistance thermometers or thermocouples, must be repeatedly calibrated at least prior to their first use and usually also during their use. For this purpose, in the comparison method, the temperature-sensitive sensors or switches to be calibrated in temperature-stabilized furnaces or baths are compared with a standard thermometer. Devices which regulate a corresponding calibration volume to a predefinable constant desired temperature are known. These so-called temperature calibrators can be used both as heavy immobile devices or, as in the Scriptures US 39 39 687 A described as compact portable calibrators PeltierOhm01-1 be executed.

Um eine optimale thermische Ankopplung der Prüflinge an das Kalibrier- bzw. Prüfvolumen zu gewährleisten, können verschiedene auf die zu prüfenden Sensoren angepasste Einsatzhülsen bzw. Prüflingsaufnahmen als Festkörper in das Kalibriervolumen des Temperaturkalibrators eingebracht werden. Zur Kalibrierung von Sensoren mit komplizierten Geometrien, kann das Kalibriervolumen mit flüssigen, gasförmigen oder granularen Kalibriermedien gefüllt sein. Um eine möglichst konstante räumliche Temperaturverteilung innerhalb des Kalibriervolumens zu erreichen, sollte der Einsatz bzw. das Kalibriermedium eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit besitzen. Um einen möglichst konstanten zeitlichen Temperaturverlauf, d.h. eine hohe Temperaturstabilität, zu gewährleisten sollte der Einsatz bzw. das Kalibriermedium eine möglichst hohe Wärmekapazität besitzen. In order to ensure optimal thermal coupling of the test specimens to the calibration or test volume, various insert sleeves or specimen receptacles adapted to the sensors to be tested can be introduced as solid bodies into the calibration volume of the temperature calibrator. For calibration of sensors with complicated geometries, the calibration volume can be filled with liquid, gaseous or granular calibration media. In order to achieve the most constant spatial temperature distribution within the calibration volume, the insert or the calibration medium should have the highest possible thermal conductivity. In order to keep the temperature gradient as constant as possible, i. a high temperature stability, to ensure the use or the calibration medium should have the highest possible heat capacity.

Da das Kalibriervolumen auf die vom Nutzer vorgegebene Solltemperatur temperiert werden soll, kann über einen thermisch leitfähigen Körper, der das Volumen umgibt, dem Kalibriervolumen Wärme entzogen oder hinzugefügt werden. Dieser Körper ist bei tragbaren Kalibratoren typischerweise als Metallblock ausgeführt und steht in thermischem Kontakt mit Wärmesenken, wie z.B. als Kühlelemente betriebene Peltier-Elemente, wie in der DE 20 2005 006 710 U1 beschrieben, oder der kälteren Umgebungsluft, und Wärmequellen, wie z.B. einer Widerstandsheizungen, der wärmeren Umgebungsluft oder als Heizelemente betriebene Peltier-Elemente. Since the calibration volume is to be heated to the setpoint temperature specified by the user, heat can be withdrawn or added to the calibration volume via a thermally conductive body which surrounds the volume. This body is typically designed as a metal block in portable calibrators and is in thermal contact with heat sinks, such as Peltier elements operated as cooling elements, as in US Pat DE 20 2005 006 710 U1 described, or the colder ambient air, and heat sources, such as a resistance heaters, the warmer ambient air or operated as heating elements Peltier elements.

Die Wirkungsweise von Peltier-Elementen beruht auf einem thermoelektrischen Effekt, wobei mit Hilfe dieses thermoelektrischen Effektes Objekten Wärme zugeführt oder entzogen werden kann. Der entsprechende Heiz- oder Kühleffekt ist abhängig von der Richtung des elektrischen Stromes mit dem die Peltier-Elemente bestromt werden. The mode of action of Peltier elements is based on a thermoelectric effect, with the help of this thermoelectric effect objects heat can be supplied or withdrawn. The corresponding heating or cooling effect depends on the direction of the electric current with which the Peltier elements are energized.

Aus dem Stand der Technik sind Temperaturkalibratoren bekannt, die sowohl zum Abkühlen als auch zum Aufheizen des Kalibriervolumens mit Peltier-Elementen ausgestattet sind. Zu diesem Zweck sind die Peltier-Elemente mit einer elektrischen Steuereinheit verbunden, die elektrisch mit einem Temperatursensor verbunden ist und die Stärke und Richtung des elektrischen Stromes durch die Peltier-Elemente in Abhängigkeit von der Temperaturanzeige des Temperatursensors regelt. Der Vorteil derartiger Temperaturkalibratoren besteht darin, dass sich damit im Kalibriervolumen sehr einfach Temperaturen unterhalb und auch oberhalb der Raumtemperatur erreichen lassen. Temperaturkalibratoren are known from the prior art, which are equipped both for cooling and for heating the calibration volume with Peltier elements. For this purpose, the Peltier elements are connected to an electrical control unit, which is electrically connected to a temperature sensor and regulates the strength and direction of the electric current through the Peltier elements in dependence on the temperature display of the temperature sensor. The advantage of such temperature calibrators is that it is very easy to achieve temperatures below and above room temperature in the calibration volume.

Nachteilig an dem Betrieb von Peltier-Elementen mit variierenden Stromstärken und wechselnden Stromrichtungen ist, dass diese dann zumindest zeitweise außerhalb ihres optimalen Arbeitspunktes betrieben werden und dadurch nicht nur ineffizient arbeiten sondern auch schneller altern. A disadvantage of the operation of Peltier elements with varying current levels and changing current directions is that they are then at least temporarily operated outside their optimum operating point and thereby not only work inefficiently but also age faster.

In der DE 20 2005 006 710 U1 ist beschrieben, wie sich durch unterschiedliche Verschaltungen der Peltier-Elemente jeweils für den Kühl- und Heizbetrieb eine Alterung der Peltier-Elemente verlangsamen lässt. In the DE 20 2005 006 710 U1 is described how can be slowed by different interconnections of the Peltier elements in each case for the cooling and heating operation aging of the Peltier elements.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen tragbaren Temperaturkalibrator der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass ein Betrieb der Peltier-Elemente außerhalb ihres optimalen Arbeitspunktes nicht nur bezüglich der Stromrichtung sondern auch bezüglich der Stromstärke vermieden wird und damit eine Alterung nicht nur verlangsamt sondern gänzlich vermieden wird. The invention is therefore based on the object, a portable temperature calibrator of the type mentioned in such a way that operation of the Peltier elements is avoided outside their optimal operating point not only in terms of current direction but also in terms of current and thus not only slows down aging is completely avoided.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Strom, mit dem die Peltier-Elemente bestromt werden, sowohl bezüglich Richtung als auch Betrag im Wesentlichen konstant gehalten wird und dem optimalen Arbeitspunkt entspricht. Um dennoch eine Temperierung des Kalibriervolumens auf unterschiedliche Solltemperaturen zu ermöglichen, beinhaltet der Temperaturkalibrator eine Widerstandsheizung, die mit der Steuereinheit elektrisch verbunden ist und dessen Bestromung und damit auch dessen Heizleistung von der Steuereinheit geregelt wird. The object is achieved in that the current with which the Peltier elements are energized, both in direction and amount is kept substantially constant and corresponds to the optimum operating point. In order nevertheless to allow a temperature control of the calibration volume to different setpoint temperatures, the temperature calibrator includes a resistance heater, which is electrically connected to the control unit and whose energization and thus its heating power is controlled by the control unit.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Widerstandsheizung in Form einer oder mehrerer Heizpatronen ausgeführt die in passende Bohrungen eines Metallblocks eingesteckt sind. Dieser Metallblock leitet die von der Widerstandsheizung erzeugte Wärme in das Kalibriervolumen und bildet damit eine Wärmeleitungskomponente. In a preferred embodiment of the invention, the resistance heating is carried out in the form of one or more heating cartridges which are plugged into matching holes of a metal block. This metal block conducts the heat generated by the resistance heating in the calibration volume and thus forms a heat conduction component.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befinden sich Peltier-Elemente an vorzugsweise mehreren Außenseiten eines Metallblocks. Der Metallblock ist in der Lage, die Wärme des Kalibriervolumens in die Peltier-Elemente abzuleiten, und bildet damit eine Wärmeleitungskomponente. In a further embodiment of the invention are Peltier elements on preferably several outer sides of a metal block. The metal block is able to dissipate the heat of the calibration volume into the Peltier elements, thus forming a heat conduction component.

In einer bevorzugten Ausgestaltung befinden sich die Peltier-Elemente und die Widerstandsheizungen an bzw. in dem Metallblock in dem sich auch das Kalibriervolumen befindet. In a preferred embodiment, the Peltier elements and the resistance heaters are located on or in the metal block in which the calibration volume is located.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht eine Wärmeleitungskomponente teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material. In dieses Material wird ein Draht ohne Isolationsummantelung eingebettet, so dass dieser eine Widerstandsheizung bildet. Dadurch lassen sich flächige Heizelemente realisieren, deren räumliche Verteilung der Wärmezufuhr im Wesentlichen der räumlichen Verteilung des Wärmeabfuhr der Peltier-Elemente entspricht, so dass sich Heiz- und Kühleffekte nicht nur im räumlichen Mittel sondern auch an jeder Stelle des Kalibriervolumens gegenseitig kompensieren können. In a further embodiment of the invention, a heat conduction component partially made of an electrically insulating material. In this material, a wire is embedded without insulation sheath, so that it forms a resistance heater. As a result, planar heating elements can be realized whose spatial distribution of the heat supply substantially corresponds to the spatial distribution of the heat dissipation of the Peltier elements, so that heating and cooling effects can compensate each other not only in the spatial mean but also at each point of the calibration.

Es ist bekannt, dass Peltier-Elemente nach Anlegen einer konstanten Spannung zunächst von einem sehr hohen Strom durchflossen werden, der im Dauerbetrieb auf etwa 20 bis 35% des Anfangsstromes zurückgeht. Dies ist auf den zusätzlichen Spannungsabfall zurückzuführen, der aufgrund des Seebeck-Effektes infolge der sich einstellenden Temperaturdifferenz im Peltier-Element entsteht. Um diese bei Änderung der Spannung auftretenden Stromspitzen in Höhe von bis zu 500% des dauerhaften Betriebsstromes, die die Alterung der Peltiers stark beschleunigen, möglichst vollständig zu vermeiden, wird erfindungsgemäß die an den Peltier-Elementen anliegende Spannung im Betrieb möglichst selten geändert. It is known that, after applying a constant voltage, Peltier elements first flow through a very high current, which in continuous operation goes back to about 20 to 35% of the initial current. This is due to the additional voltage drop, which arises due to the Seebeck effect due to the self-adjusting temperature difference in the Peltier element. In order to avoid these occurring when changing the voltage current peaks in the amount of up to 500% of the continuous operating current, which greatly accelerate the aging of the Peltier as completely as possible, according to the invention, the voltage applied to the Peltier elements voltage is changed as rarely as possible.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Spannung an den Peltier-Elementen nur zwischen zwei Kalibriervorgängen geändert und während eines Kalibriervorganges konstant gehalten. Bei dieser Ausführung wird die genannte Spannung bevorzugt nur dann geändert, wenn bei einem der zwei Kalibriervorgänge eine Kühlung sinnvoll ist und bei dem anderen Kalibriervorgang nicht. Eine Kühlung ist nicht sinnvoll, wenn die Solltemperatur, auf die das Kalibriervolumen temperiert werden soll, mehr als 5 Kelvin oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Vorzugsweise wird bei dieser Ausführung daher vor einem Kalibriervorgang die Umgebungstemperatur gemessen. In a preferred embodiment of the invention, the voltage at the Peltier elements is changed only between two calibration operations and kept constant during a calibration process. In this embodiment, the said voltage is preferably only changed if, in one of the two calibration operations, cooling is expedient and not in the other calibration process. Cooling is not useful if the setpoint temperature to which the calibration volume is to be heated is more than 5 Kelvin above the ambient temperature. Preferably, in this embodiment, therefore, the ambient temperature is measured before a calibration process.

In der Ausführung, in der die Spannung an den Peltier-Elementen konstant gehalten wird, variiert der Strom durch die genannten Peltier-Elemente und damit auch die Kühlleistung nur geringfügig und zwar typischerweise um weniger als 1% in 10 Sekunden. Um bei einer damit im Wesentlichen konstanten Kühlleistung, dennoch ein Regelung des Kalibiervolumens auf eine bestimmte Solltemperatur zu ermöglichen, werden erfindungsgemäß gleichzeitig zu den Peltier-Elementen auch die Widerstandsheizungen des Kalibrators bestromt. Der Strom durch die Widerstandsheizungen wird dazu erfindungsgemäß von einer elektrischen Steuereinheit so geregelt, dass sich im Kalibriervolumen die gewünschte Solltemperatur einstellt. Dazu ist vorgesehen, dass der elektrische Strom durch die Widerstandsheizungen um mehr als 1% in 10 Sekunden variiert. In the embodiment in which the voltage on the Peltier elements is kept constant, the current through said Peltier elements and thus also the cooling power varies only slightly, typically by less than 1% in 10 seconds. In order to allow at a substantially constant cooling power, yet a regulation of the calibration volume to a certain target temperature, the resistance heaters of the calibrator are energized simultaneously to the Peltier elements according to the invention. According to the invention, the current through the resistance heaters is regulated by an electrical control unit such that the desired setpoint temperature is set in the calibration volume. For this purpose, it is provided that the electrical current through the resistance heaters varies by more than 1% in 10 seconds.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Spannung, die an einem Peltier-Element anliegt, so gewählt, dass der sich dauerhaft einstellende Strom durch das Peltier-Element etwa 50% seines Nennstromes beträgt. Dies entspricht typischerweise dem empfohlenen Arbeitspunkt der Peltier-Elemente. In a preferred embodiment of the invention, the voltage applied to a Peltier element is selected so that the permanently adjusting current through the Peltier element is about 50% of its rated current. This typically corresponds to the recommended operating point of the Peltier elements.

Der empfohlene Strom mit maximaler Kühleffizienz, bei der das Verhältnis aus Kühlleistung und elektrischer Leistung maximal wird ist ungünstigerweise abhängig von der Temperaturdifferenz, die sich im Peltier-Element ausgebildet hat. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird daher die Stromstärke als dauerhafte Betriebsstromstärke gewählt, die für die Temperaturdifferenz optimal ist, die sich bei minimaler Solltemperatur des Temperaturkalibrators im Peltier-Element ausbildet, da für diesen Fall die maximale Kühlleistung benötigt wird. The maximum current efficiency recommended current at which the ratio of cooling power and electrical power becomes maximum is unfavorably dependent on the temperature difference that has formed in the Peltier element. In a preferred embodiment of the invention, therefore, the current is selected as a permanent operating current, which is optimal for the temperature difference that forms at minimum set temperature of the temperature in the Peltier element, since in this case the maximum cooling capacity is needed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 3,939,687 A [0001]
DE 202005006710 U1 [0003, 0007]

Claims

Portable temperature calibrator for comparative calibration of temperature sensors, the temperature calibrator - at least one calibration volume to be tempered, into which the temperature sensors to be calibrated can be introduced, - at least one heat source and at least one heat sink, which are in thermal contact with the calibration volume via one or more heat conduction components At least one temperature sensor, which is in thermal contact with said calibration volume, and at least one electrical control unit, which is electrically connected to at least one heat source, at least one heat sink and said temperature sensor, characterized in that at least one heat source is at least comprises a resistance heater and at least one heat sink comprises at least one Peltier element.

Temperature calibrator according to claim 1, characterized in that at least one heat-conducting component is a metal block.

Temperature calibrator according to claim 2, characterized in that the resistance heating is in said metal block and that on the outside of said metal block at least one Peltier element is located.

Temperature calibrator according to claim 1, characterized in that at least one heat-conducting component contains electrically conductive and electrically insulating materials.

Temperaturkalibrator according to claim 1, characterized in that said Peltier element is connected to other Peltier elements and for the temperature differences that result in the Peltier elements, when the minimum set temperature of the Temperaturkalibrators is reached in the calibration volume, in this interconnection applied to the Peltier elements voltages energization of the Peltier elements result in which the ratio of cooling power to electrical power is maximum.

A method for controlling the temperature of a portable Temperaturkalibrators for comparative calibration of temperature sensors, wherein the Temperaturkalibrator - at least one tempering Kalibriervolumen into which the temperature sensor to be calibrated can be introduced, - at least one heat source and at least one heat sink, via one or more thermal conduction components in thermal contact with the calibration volume, - at least one temperature sensor, which is in thermal contact with said calibration volume, and - at least one electrical control unit, which is electrically connected to at least one heat source, at least one heat sink and said temperature sensor comprises, characterized in that at least one heat source comprises at least one resistance heater, at least one heat sink comprises at least one Peltier element and at least temporarily the said resistance heater and said Pelt An electric current can be applied simultaneously to this element.

A method according to claim 6, characterized in that in said simultaneous application of an electric current, said Peltier element extracts heat from the calibration volume or a heat conduction component.

A method according to claim 6, characterized in that the Peltier element is subjected to an electric current which varies within 10 seconds by less than 1%, and said resistance heating is supplied with a non-constant electrical current.

A method according to claim 8, characterized in that the magnitude of the current through said Peltier element is selected so that for the temperature difference, which results in the Peltier element, when the minimum set temperature of the Temperaturkalibrators is reached in the calibration volume, a cooling with maximum efficiency.

A method according to claim 6, characterized in that the at least one electrical control unit is electrically connected to a nonvolatile data memory and stored in said data memory at which target temperatures a simultaneous energization of said resistance heater and said Peltier element is provided.