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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines sich in einem Prozess befindlichen Mediums. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit oder ein Gas bzw. um ein Flüssigkeits- und/oder ein Gasgemisch ein in einem Behälter, einem Tank, oder in einer Rohrleitung. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Ausführung des Verfahrens ausgestaltete Vorrichtung.
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In der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik werden Feldgeräte zur Bestimmung und/oder Überwachung von Prozessgrößen, insbesondere von physikalischen oder chemischen Prozessgrößen eingesetzt. Als Feldgeräte werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung im Prinzip alle Messgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden, um prozessrelevante Informationen zu liefern oder zu verarbeiten. Derartige Feldgeräte werden in unterschiedlichen Ausgestaltungen von der E+H Gruppe hergestellt und vertrieben. Ein Feldgerät weist dabei typischerweise zumindest eine zumindest teilweise und zumindest zeitweise mit dem Prozess in Berührung kommende Sensoreinheit auf, und eine Regel-/Auswerteeinheit, welche typischerweise als eine Elektronikeinheit vorliegt und der Signalerfassung, - auswertung und/oder -speisung dient.
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Die Sensoreinheit beinhaltet mindestens ein zumindest für die Prozessgröße sensitives Sensorelement, welches ein Messsignal erzeugt, aus dem die zu bestimmende und/oder zu überwachende Prozessgröße von der Regel-/Auswerteeinheit ermittelt wird.
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Im Rahmen dieser Anmeldung sind als relevante Prozessgrößen physikalische oder chemische Prozessgrößen vorgesehen, welche typischerweise von der Konzentration einer oder mehrerer im Medium gelöster, dispensierter und/oder dispergierter Substanzen bzw. Stoffe abhängen. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um die Trübung, die Absorption, die Leitfähigkeit, den pH-Wert, die Ionenstärke, das Redoxpotential, die Feuchte und/oder die chemische Zusammensetzung.
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Zusätzlich zu der variablen Prozessgröße des sich in einem Prozess befindlichen Mediums, welche bestimmt und/oder überwacht wird, können auch variable Prozessbedingungen herrschen, welche einen störenden Einfluss auf die Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße haben. Eine derartige variable Prozessbedingung stellt die Temperatur dar. Die Temperatur ist im Rahmen dieser Anmeldung nicht als Prozessgröße vorgesehen.
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Eine nicht-konstante Temperatur kann einerseits einen direkten Einfluss auf die Prozessgröße haben. Andererseits kann zusätzlich die vom Sensorelement geleistete Signalerzeugung auf physikalischen und/oder chemischen Prinzipien beruhen, von denen bekannt ist, dass sie selbst eine gewisse Temperaturabhängigkeit bzw. Temperaturempfindlichkeit aufweisen. Dies kann dazu führen, dass für den Fall, dass sich die Temperatur ändert, aber gleichzeitig die vorliegende Prozessgröße nicht temperaturabhängig ist, das Sensorelement einzig und allein aufgrund der Temperaturabhängigkeit bei der Erzeugung des Messsignals eine fälschlicherweise nicht-konstante Prozessgröße ermittelt. Die Temperaturabhängigkeit der Signalerzeugung des Sensorelements führt daher zu einem systematischen Fehler während der Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße des Mediums.
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In der Regel wird dieser systematische Fehler anhand eines temperaturabhängigen Korrekturterms kompensiert. Die Feldgeräte weisen dabei einen zusätzlichen, dem Sensorelement nahen Temperatursensor auf, mit dem die am Sensorelement vorliegende Temperatur ermittelt wird. In der Regel-/Auswerteeinheit des Feldgeräts ist gleichzeitig ein temperaturabhängiger Korrekturterm für das Sensorelement hinterlegt. Der temperaturabhängige Korrekturterm liegt entweder in Form eines funktionalen Zusammenhangs (beispielsweise ein Polynom, oder eine logarithmische, exponentielle oder hyperbolische Funktion) oder in Form von einer Korrekturtabelle vor. Im Stand der Technik wird der temperaturabhängige Korrekturterm auch als Temperaturkompensationsfunktion bezeichnet. Die Regel-/Auswerteeinheit ermittelt dann aus dem Messsignal des Sensorelements, dem temperaturabhängigen Korrekturterm und der am Sensorelement vorliegenden Temperatur eine korrigierte Prozessgröße.
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Ist die Temperaturabhängigkeit des Sensorelements vollständig bekannt, kann ein beliebig genauer temperaturabhängiger Korrekturterm bzw. eine beliebig genaue Temperaturkompensationsfunktion bestimmt werden. Theoretisch kann so der durch die Temperaturabhängigkeit der Signalerzeugung des Sensorelements verursachte systematische Fehler vollständig behoben werden.
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In der Praxis wird der temperaturabhängige Korrekturterm beispielsweise dadurch ermittelt, dass das im Feldgerät eingebaute Sensorelement im Werk vor Auslieferung in einem Ofen auf mehrere vorgegebene Temperaturen erhitzt wird. Aus der Temperaturabhängigkeit der Messsignale bei mehreren vorgegebenen Temperaturen wird dann der temperaturabhängige Korrekturterm bestimmt. Im Reparaturfall bzw. bei Austausch des Sensorelements muss das Feldgerät dann wieder zum Hersteller gesandt werden, um einen neuen, individuellen temperaturabhängigen Korrekturterm zu bestimmen.
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Die
JP-H06-281 477 A offenbart ein Analysegerät, mit dem die Konzentration eines Gases gemessen wird. Dem Analysegerät wird ein Medium zugeführt, welches jeweils eine Gaskonzentration von Null und eine bekannte Konzentration am oberen Ende des Messbereichs aufweist. Ein bereits abgespeicherter Temperaturkorrekturkoeffizient wird anhand der bekannten Konzentrationen und der gemessenen Temperatur nachkorrigiert.
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Um diese aufwändige Form der Bestimmung des individuellen temperaturabhängigen Korrekturterms zu vermeiden, ist es alternativ auch üblich, mehrere identische Feldgeräte im Ofen zu erhitzen, um so einen mittleren temperaturabhängigen Korrekturterm zu bestimmen. Dieser mittlere temperaturabhängige Korrekturterm wird dann für alle Sensorelemente gleichen Typs bzw. gleicher Bauart verwendet. Damit muss zwar das einzelne Sensorelement nicht mehr ausgebaut bzw. der jeweilige individuelle temperaturabhängige Korrekturterm nicht mehr im Werk bestimmt werden. Allerdings kann der auf diese Weise bestimmte temperaturabhängige Korrekturterm aufgrund hoher Exemplarstreuungen bzw. herstellungsbedingter Variationen der Sensorelemente gleicher Bauart eine große Ungenauigkeit aufweisen. Daher ist es nicht möglich, den systematischen Fehler im Einzelfall im erforderlichen Maße zuverlässig zu kompensieren.
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Die
JP-H06-281 477 A offenbart ein Analysegerät, mit dem die Konzentration eines Gases gemessen wird. Dem Analysegerät wird ein Medium zugeführt, welches jeweils eine Gaskonzentration von Null und eine bekannte Konzentration am oberen Ende des Messbereichs aufweist. Ein bereits abgespeicherter Temperaturkorrekturkoeffizient wird anhand der bekannten Konzentrationen und der gemessenen Temperatur nachkorrigiert. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren und eine Vorrichtung zur individuellen in-line Bestimmung des temperaturabhängigen Korrekturterms für ein Sensorelement anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums, wobei es sich bei der Prozessgröße nicht um die Temperatur handelt, mit mindestens einem für die Prozessgröße sensitiven Sensorelement, wobei in einer ersten Verfahrensphase zur in-line Ermittlung des Temperaturgangs des Sensorelements
- - dem Sensorelement ein konstante Prozessgröße vorgegeben wird,
- - das Sensorelement auf mindestens eine erste Temperatur und eine davon verschiedene zweite Temperatur geheizt und/oder gekühlt wird,
- - vom Sensorelement bei der mindestens ersten Temperatur und bei der von der ersten verschiedenen, zweiten Temperatur die Prozessgröße ermittelt wird,
- - und aus der Abhängigkeit der Prozessgröße von der am Sensorelement vorliegenden Temperatur ein temperaturabhängiger Korrekturterm für die Prozessgröße bestimmt wird,
und wobei in einer zweiten Verfahrensphase zur Messung der Prozessgröße
- - die Prozessgröße gemessen wird,
- - die am Sensorelement vorliegende Temperatur bestimmt wird,
- - und anhand des Sensorelements, der am Sensorelement vorliegenden Temperatur und des temperaturabhängigen Korrekturterms eine korrigierte Prozessgröße ermittelt wird.
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Der Begriff in-line Ermittlung des temperaturabhängigen Korrekturterms bezieht sich im Rahmen dieser Anmeldung darauf, dass in der ersten Verfahrensphase zur Bestimmung des Temperaturgangs das Sensorelement während des Heiz-/Kühlvorgangs nicht aus dem Feldgerät ausgebaut werden und in eine externe heizende und/oder kühlende Vorrichtung eingebracht werden muss. Durch die Möglichkeit, das einzelne Sensorelement gezielt zu heizen und/oder zu kühlen kann daher eine individuelle Ermittlung des temperaturabhängigen Korrekturterms für das Sensorelement stattfinden.
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Je nach Ausgestaltung des Feldgeräts können auch mehrere zusammenwirkende Sensorelemente vorliegen, welche jedoch eine individuelle und gegebenenfalls unterschiedliche Temperaturabhängigkeit aufweisen. In diesem Fall kann auch die individuelle Temperaturabhängigkeit jedes einzelnen Sensorelements korrigiert werden, indem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere unterschiedliche temperaturabhängige Korrekturterme ermittelt werden, welche jeweils nur für eines der spezifischen zusammenwirkenden Sensorelemente gültig sind.
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Sind die Sensorelemente jedoch räumlich nahe beieinander angeordnet, kann aufgrund von unkontrollierbaren Wärmeleitungseffekten die separate und definierte Erwärmung oder Kühlung der einzelnen Sensorelemente nicht möglich sein. In diesem Fall wird ein einziger temperaturabhängiger Korrekturterm ermittelt, der für die Gesamtheit der temperaturgekoppelten und zusammenwirkenden Sensorelemente verwendet wird. Im Rahmen dieser Anmeldung wird daher die Gesamtheit der mehreren temperaturgekoppelten und zusammenwirkenden Sensorelemente als ein einziges Sensorelement aufgefasst, dessen Temperaturabhängigkeit mit einem einzigen temperaturabhängigen Korrekturterm korrigiert wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird in der ersten Verfahrensphase zur in-line Ermittlung des Temperaturgangs des Sensorelements dem Sensorelement die konstante Prozessgröße vorgegeben, indem ein Medium eine konstante Prozessgröße bereitstellt. Dabei muss nicht unbedingt der genaue Wert der Prozessgröße bekannt sein, solange sichergestellt ist, dass die Prozessgröße konstant ist, da sich die vorliegende Anmeldung nur mit der Änderung der anhand des Sensorelements ermittelten Prozessgröße in Abhängigkeit von der Temperatur befasst. Bei dem Medium, welches die Prozessgröße vorgibt, kann es sich beispielsweise um klares Wasser oder Luft handeln.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird in der ersten Verfahrensphase zur in-line Ermittlung des Temperaturgangs des Sensorelements dem Sensorelement die konstante Prozessgröße vorgegeben, indem ein Kalibrierstandard eine vorgegebene Prozessgröße simuliert. Dieser Kalibrierstandard kann in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen vorliegen.
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Beispielsweise ist aus Stand der Technik bekannt, einen Kalibrierstandard anhand eines externen Kalibrierbades mit einer Kalibrierflüssigkeit bereitzustellen, wobei ein Kalibrierbad die vorgegebene Prozessgröße simuliert. Alternativ wird der Kalibrierstandard mittels einer sogenannten Wechselarmatur bereitgestellt. Die Wechselarmatur umfasst eine axial verfahrbare Aufnahmevorrichtung für den Sensor und einen Flüssigkeits- oder Festkörperstandard, welcher die vorgegebene Prozessgröße simuliert. Ist der Kalibriervorgang abgeschlossen, kann der Sensor gegebenenfalls gespült und/oder sterilisiert und danach zurück in das Medium verfahren werden, um die Prozessgröße zu messen.
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Die
DE 10 2012 104 721 A1 offenbart einen Kalibrierstandard für einen auf optischen Messprinzipien basierenden Trübungssensor. Der Kalibrierstandard liegt anhand eines Festkörpers vor, wobei der Festkörper zumindest einen Bereich mit Mikrorissen aufweist, wobei die Mikrorisse Partikel in einer Flüssigkeit oder in einem Gas simulieren. Die Art und Menge der Lichtstreuung an den Mikrorissen ist dabei ein Maß für die Trübung. Somit wird jedem Muster ein bestimmter Trübungswert zugeordnet, wobei die Mikrorissdichte die Streuung, und damit die Trübung, bestimmt. Der Festkörperstandard kann dabei so am Trübungssensor positioniert sein, dass ein Funktionsüberprüfung und/oder (Re-)Kalibrierung des Trübungssensors beispielsweise anhand von Rückstreulicht erfolgt.
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Alternativ kann gegebenenfalls auch ein in das Feldgerät integrierter Kalibrierstandard für das Sensorelement vorliegen. In diesem Fall kann ein weitestgehend nahtloser und automatisierter Wechsel zwischen der ersten Verfahrensphase zur Bestimmung des Temperaturgangs und der zweiten Verfahrensphase zur Messung der Prozessgröße stattfinden.
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Bei der ersten Verfahrensphase zur Bestimmung des Temperaturgangs handelt es sich um einen initialen Vorgang. Allerdings können Alterungserscheinungen dazu führen, dass für ein gegebenes Sensorelement der initial bestimmte temperaturabhängige Korrekturterm den systematischen Fehler nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne nicht mehr zuverlässig kompensiert. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher vor, den temperaturabhängigen Korrekturterm bei Bedarf zu überprüfen bzw. neu zu bestimmen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Wechsel zwischen der zweiten Verfahrensphase zur Messung der Prozessgröße und der ersten Verfahrensphase zur in-line Ermittlung des Temperaturgangs des Sensorelements nach vorgegebenen Zeitspannen.
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Ist beispielsweise bekannt, nach welchen Zeitspannen typischerweise Alterungserscheinungen auftreten, ist eine periodische Überprüfung bzw. erneute Bestimmung des temperaturabhängigen Korrekturterms nach dieser bestimmten, charakteristische Zeitspanne sinnvoll. Eine Variante ist daher, dass nach einer vorgegebenen Zeitspanne periodisch die Verfahrensphase zur in-line Ermittlung des Temperaturgangs in einem Wartungs- bzw. Kalibriervorgang eingenommen wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befindet sich das Sensorelement in der zweiten Verfahrensphase zur Messung der Prozessgröße. Ein Wechsel in die erste Verfahrensphase zur in-line Ermittlung des Temperaturgangs des Sensorelements wird dadurch ausgelöst, dass die Prozessgröße einen vorgegeben Wert annimmt. Beispielsweise kann ein vorgegebener Wert für die Prozessgröße unrealistisch groß oder klein sein. Wird nun dieser vorgegebene Wert für die Prozessgröße ermittelt, so ist dies ein Hinweis darauf, dass der temperaturabhängige Korrekturterm den systematischen Fehler nicht mehr zuverlässig kompensiert. Es ist daher sinnvoll, dass bei einer vorgegebenen Prozessgröße eine Überprüfung bzw. eine erneute Bestimmung des temperaturabhängigen Korrekturterms veranlasst wird.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der temperaturabhängige Korrekturterm anhand eines vorgegebenen funktionalen Zusammenhangs zwischen der Prozessgröße und der am Sensorelement vorliegenden Temperatur bestimmt, wobei aus der Abhängigkeit der Prozessgröße von der am Sensorelement vorliegenden Temperatur die Parameter des vorgegebenen funktionalen Zusammenhangs bestimmt werden, und wobei die Parameter des vorgegebenen funktionalen Zusammenhangs gespeichert werden.
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Der funktionale Zusammenhang selbst kann dabei theoretischen Überlegungen oder experimentellen Untersuchungen entspringen, d.h. anhand von berechneten und/oder gemessenen Abhängigkeiten des Messsignals des Sensorelements bzw. der anhand des Messsignals ermittelten Prozessgröße von der Temperatur gegeben sein.
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Eine andere Variante ist, dass aufgrund von Erfahrungswerten bekannt ist, dass für eine Klasse von Sensorelementen in einem bestimmten Temperaturbereich ein vorgegebener Zusammenhang zwischen der Prozessgröße und der Temperatur besteht.
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Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, den temperaturabhängigen Korrekturterm zur Temperaturkompensation eines Sensorelements in einem initialen Kalibriervorgang in der ersten Verfahrensphase zur Bestimmung des Korrekturterms erstmalig zu bestimmen, und aus dieser erstmaligen Bestimmung einen funktionalen Zusammenhang zu ermitteln. Dieser initial ermittelte funktionale Zusammenhang kann dann zu einem späteren Zeitpunkt, bei einer etwaigen Wiederholung der Verfahrensphase zur in-line Ermittlung des Temperaturgangs des Sensorelements bei der Bestimmung des temperaturabhängigen Korrekturterms zugrunde gelegt werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums, wobei es sich bei der Prozessgröße nicht um die Temperatur handelt, mit mindestens einem für die Prozessgröße sensitiven Sensorelement, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die das Sensorelement ansteuert, regelt und/oder auswertet, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient.
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Die Vorrichtung ist also insbesondere dazu ausgestaltet, in der ersten Verfahrensphase zur in-line Ermittlung des Temperaturgangs des Sensorelements das Sensorelement auf mindestens eine erste Temperatur und eine davon verschiedene zweite Temperatur zu heizen und/oder zu kühlen.
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In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung dazu mindestens ein Heiz- und/oder Kühlelement auf.
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In einer zweiten, alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Sensorelement selbst dazu ausgestaltet, zu heizen und/oder zu kühlen. Dies geschieht mittels einer gezielten Ansteuerung des Sensorelements durch die Regel-/Auswerteeinheit. Beispielsweise kann das Sensorelement als Heizelement genutzt werden, indem ein elektrischer Strom durch das Sensorelement geleitet wird. Alternativ können die Drähte, welche die Stromversorgung des Sensorelements leisten, durch eine gezielte Ansteuerung von der Regel-/Auswerteeinheit als Heizdrähte fungieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens einen Temperatursensor auf.
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In einer zu der weiteren Ausgestaltung alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Sensorelement selbst dazu ausgestaltet, die Temperatur zu messen. Auch dies geschieht mittels einer gezielten Ansteuerung des Sensorelements durch die Regel-/Auswerteeinheit.
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In dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Sensorelement also nicht nur für die Prozessgröße sensitiv . Es kann auch über ein zusätzliches Messsignal des Sensorelements die Temperatur ermittelt werden kann. Damit eine unabhängige Bestimmung der Temperatur möglich ist, muss dabei dieses zusätzliche Messsignal von dem Messsignal zur Bestimmung der Prozessgröße entkoppelt bzw. entkoppelbar sein. Beispielsweise kann der Widerstand der elektrischen Zuleitungen oder anderer, im Sensorelement verschalteter Leitungen temperaturabhängig sein. In einer anderen Variante werden bei der Ausgestaltung des Sensorelements unterschiedliche Materialen verwendet, bei deren Zusammenwirken der Seebeck-Effekt vorliegt. So kann aufgrund des Seebeck-Effekts eine temperaturabhängige Thermospannung erzeugt werden. In diesem Fall ist das Sensorelement dazu ausgestaltet, die Temperatur anhand der Thermospannung zu messen, welche sich aufgrund einer Temperaturdifferenz einstellt. Je nach Ausgestaltung des Sensorelements ist also durch die Messung der elektrischen Eigenschaften des Sensorelements eine zusätzliche Temperaturmessung möglich.
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Der umgekehrte Effekt wird bei einem Peltierelement beobachtet. Hier führt eine angelegte Spannung führt zu einem Wärmestrom. Ist das Sensorelement bzw. sind Komponenten des Sensorelements als Peltierelement ausgebildet, so kann mittels der Ansteuerung durch die Regel-/Auswerteeinheit das Sensorelement daher gezielt geheizt und/oder gekühlt werden. Dies stellt damit auch eine Variante der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, in der das Sensorelement dazu ausgestaltet ist zu heizen und/oder zu kühlen.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Sensorelement auf einem Trägerelement angeordnet.
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In einer weiteren Weiterbildung sind das Sensorelement, das mindestens eine Heiz- und/oder Kühlelement und/oder der mindestens eine Temperatursensor auf der gleichen oder gegenüberliegenden Seite eines Trägerelements angeordnet.
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In einer dazu alternativen Weiterbildung ist das Sensorelement auf einem Trägerelement angeordnet, wobei das mindestens eine Heiz- und/oder Kühlelement und/oder der mindestens eine Temperatursensor so in das Trägerelement eingebettet sind, dass das mindestens eine Heiz- und/oder Kühlelement und/oder der mindestens eine Temperatursensor vollständig oder teilweise innerhalb des Trägerelements angeordnet ist.
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Die optimale Wahl der Anordnung der Heiz- und/oder Kühlelemente in Bezug auf das Sensorelement ergibt sich für den Fachmann aus den baulichen Einschränkungen, den verwendeten Materialien für die verschiedenen Elemente (d.h. Sensorelement, Heiz- und/oder Kühlelemente und Temperatursensor) und deren Wärmeleiteigenschaften sowie aus der Forderung, einen möglichst optimalen thermischen Kontakt zwischen dem Heiz- und/oder Kühlelement und dem Sensorelement sowie zwischen dem Temperatursensor und dem Sensorelement herzustellen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt
- 1a-b eine schematische Darstellung des Temperaturgangs des Sensorelements.
- 2a-f eine Seitenansicht verschiedener Anordnungen des Sensorelements, mehrerer Heizelemente und eines Temperatursensors.
- 3a-c eine Seitenansicht verschiedener Anordnungen des Sensorelements und eines Temperatursensors.
- 4a-b eine Seitenansicht verschiedener Anordnungen des Sensorelements.
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In 1a ist der Temperaturgang eines Sensorelements SE dargestellt, d.h. die Abhängigkeit der ermittelten Prozessgröße von der am Sensorelement SE vorliegenden Temperatur bei einer konstanten vorliegenden Prozessgröße. Dem Sensorelement SE wird dazu eine konstante Prozessgröße zur Verfügung gestellt. Bei der Ausgangstemperatur wird am Sensorelement SE ein Messsignal gemessen, aus dem die Prozessgröße bestimmt werden kann. Das Sensorelement SE wird dann schrittweise um den Temperaturgradienten ΔT erwärmt, wobei durch schrittweisen Erwärmungen das Sensorelement SE auf verschiedene Temperaturen T1, T2, ... erwärmt wird.
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Die Erwärmung des Sensorelements SE hat einen Einfluss auf die Messsignale des Sensorelements SE und dadurch auch auf die Prozessgröße, welche von der Regel-/Auswerteeinheit anhand des Messsignals ermittelt wird. Bei der Erwärmung des Sensorelements SE um die Temperatur ΔT ändert sich die Prozessgröße um den Betrag ΔP.
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In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden mehrere verschiedene Temperaturen angesteuert. Aus der Abhängigkeit der Prozessgröße von der am Sensorelement SE vorliegenden Temperatur wird dann ein temperaturabhängiger Korrekturterm ermittelt und in Form eines funktionalen Zusammenhangs (zum Beispiel ein Polynom, eine logarithmische, exponentiellen oder hyperbolische Funktion) oder in Form einer Korrekturtabelle in der Regel-/Auswerteeinheit der Vorrichtung hinterlegt.
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In 1b ist die Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, in der ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Prozessgröße und der Temperatur vorgegeben ist. In diesem Fall ist es daher möglich, einige wenige Temperaturen anzusteuern, um die Parameter des funktionellen Zusammenhangs und damit auch den temperaturabhängigen Temperaturterm vollständig zu bestimmen.
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Der funktionale Zusammenhang selbst kann dabei theoretischen Überlegungen und/oder experimentellen Untersuchungen entspringen. Er kann daher anhand von berechneten und/oder gemessenen Abhängigkeiten des Messsignals von der Temperatur vorliegen.
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Beispielsweise ist aus der idealen Gasgleichung bekannt, dass bei konstantem Volumen und konstanter Gasmenge der Druck linear mit der Temperatur ansteigt. Ist nun das Sensorelement SE so ausgestaltet, dass im Sensorelement SE ein Gas eingeschlossen ist, dessen gemessener Druck bei der Ermittlung der Prozessgröße zugrunde gelegt wird, so kann eine durch eine Temperaturänderung verursachte Druckänderung einen systematischen Fehler in der Prozessgröße verursachen, wobei bekannt ist, dass der Beitrag linear zur Temperatur ist. Dieser lineare Zusammenhang zwischen Temperatur und Druck kann sich in einen entsprechenden Zusammenhang zwischen der ermittelten Prozessgröße und der Temperatur fortsetzten, und somit dem funktionalen Zusammenhang ermittelter Prozessgröße und Temperatur zugrunde gelegt werden.
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Eine andere Variante ist, dass aufgrund von Erfahrungswerten bekannt ist, dass für eine Klasse von Sensorelementen SE in einem bestimmten Temperaturbereich ein vorgegebener Zusammenhang zwischen der Prozessgröße und der Temperatur besteht.
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Eine weitere Variante ist, den temperaturabhängigen Korrekturterm zur Temperaturkompensation eines Sensorelements SE in einem initialen Kalibriervorgang erstmalig zu bestimmen, und aus dieser erstmaligen Bestimmung einen funktionalen Zusammenhang zu ermitteln. Dieser initial ermittelte funktionale Zusammenhang kann dann bei einer etwaigen Wiederholung der Bestimmung des temperaturabhängigen Korrekturterms des Sensorelements SE als bekannter funktionaler Zusammenhang zugrunde gelegt werden.
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Ist der prinzipielle funktionale Zusammenhang gegeben, müssen dann nur noch die Parameter des funktionellen Zusammenhangs ermittelt werden, beispielsweise die Krümmung der Parabel im Falle eines quadratischen Zusammenhangs zwischen Prozessgröße und Temperatur. Zur Bestimmung der Parameter kann es gegebenenfalls ausreichend sein, weitaus weniger Temperaturen anzusteuern. Die Parameter des funktionalen Zusammenhangs werden dann anhand einer von der Regel-/Auswerteeinheit vorgenommenen Anpassung des Datensatzes Prozessgröße/Temperatur an den vorgegebenen funktionalen Zusammenhang bestimmt. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ist besonders vorteilhaft da der temperaturabhängige Korrekturterm in einer wesentlich kürzeren Zeitspanne bestimmt werden kann.
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Der individuell ermittelte temperaturabhängige Korrekturterm wird dann in der nachfolgenden Verfahrensphase zur Messung der Prozessgröße verwendet, um damit eine korrigierte Prozessgröße zu ermitteln
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In 2a ist das Sensorelement SE auf einem flachen Trägerelement TE angeordnet. In dieser Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Heiz- und/oder Kühlelemente HE vorgesehen, welche auf der gleichen Seite des Trägerelements wie das Sensorelement SE angeordnet sind. Das Sensorelement SE befindet sich zwischen einem der beiden Heiz- und/oder Kühlelemente HE und dem Temperatursensor TE. Das weitere Heiz- und/oder Kühlelement HE befindet sich neben dem Temperatursensor.
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In 2b ist der Temperatursensor TS auf der anderen Seite des Trägerelements TE im Vergleich zum Sensorelement SE und den Heiz- und/oder Kühlelementen HE angeordnet.
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In 2c sind ist der Temperatursensor TS und die Heiz- und/oder Kühlelemente HE auf der anderen Seite des Trägerelements TE im Vergleich zum Sensorelement SE angeordnet.
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In 2d sind die Heiz- und/oder Kühlelemente HE auf der anderen Seite des Trägerelements TE im Vergleich zum Sensorelement SE und dem Temperatursensor TS angeordnet.
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In 2e ist das Sensorelement SE auf einem Trägerelement TE angeordnet, wobei die Heiz- und/oder Kühlelemente HE und der Temperatursensor TS in das Trägerelement TE eingebettet bzw. eingefasst sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Heiz- und/oder Kühlelemente HE und der Temperatursensor TS vollständig innerhalb des Trägerelements TE angeordnet.
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In 2f sind ein Sensorelement SE, ein Heiz- und/oder Kühlelement HE sowie ein Temperatursensor TS vorgesehen. Je nach Art des Sensorelements SE ist die Verwendung eines Trägerelements TE nicht notwendig. In diesem Fall werden Temperatursensor TS und Heiz- und/oder Kühlelement direkt am Sensorelement SE angebracht.
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In 3a ist die Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, in der das Sensorelement SEH mittels der gezielten Ansteuerung durch die Regel-/Auswerteeinheit dazu in der Lage ist, zu heizen und/oder zu kühlen. Beispielsweise können die Drähte, die die Stromversorgung des Sensorelements SE leisten, durch eine gezielte Ansteuerung von der Regel-/Auswerteeinheit als Heizdrähte fungieren. Das Sensorelement SEH und der Temperatursensor TS sind auf der gleichen Seite des Trägerelements TE angeordnet.
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In 3b ist die Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, in der das Sensorelement SEH mittels der gezielten Ansteuerung durch die Regel-/Auswerteeinheit dazu in der Lage ist, zu heizen und/oder zu kühlen. Das Sensorelement SEH ist im Vergleich zum Temperatursensor TS auf der anderen Seite des Trägerelement angeordnet.
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In 3c ist die Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, in der das Sensorelement SEH mittels der gezielten Ansteuerung durch die Regel-/Auswerteeinheit dazu in der Lage ist, zu heizen und/oder zu kühlen. Je nach Art des Sensorelements SEH ist die Verwendung eines Trägerelements TE nicht notwendig, in diesem Fall ist der Temperatursensor TS direkt am Sensorelement SEH angebracht.
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In 4a ist die Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, in der das Sensorelement SETH mittels der gezielten Ansteuerung durch die Regel-/Auswerteeinheit dazu in der Lage ist, zu heizen und/oder zu kühlen und gleichzeitig die am Sensorelement vorliegende Temperatur zu messen. Beispielsweise kann bei der Verwendung unterschiedlicher Materialen anhand des Seebeck-Effekts eine temperaturabhängige Thermospannung erzeugt werden; dann ist das Sensorelement SETH dazu ausgestaltet, die Temperatur anhand der Thermospannung zu messen.
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In 4b ist die Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, in der das Sensorelement SETH mittels der gezielten Ansteuerung durch die Regel-/Auswerteeinheit dazu in der Lage ist, zu heizen und/oder zu kühlen und gleichzeitig die am Sensorelement vorliegende Temperatur zu messen. Je nach Art des Sensorelements SETH ist die Verwendung eines Trägerelements TE nicht notwendig.
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Bezugszeichenliste
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- SE
- Sensorelement
- T1
- erste Temperatur
- T2
- von der ersten Temperatur verschiedene zweite Temperatur
- HE
- Heiz- und/oder Kühlelement
- TS
- Temperatursensor
- TE
- Trägerelement
- ΔT
- Änderung der Temperatur
- ΔP
- Änderung der Prozessgröße
- SEH
- Sensorelement mit integriertem Heiz- und/oder Kühlelement
- SETH
- Sensorelement mit integriertem Temperatursensor und integriertem Heiz- und/oder Kühlelement
