DE102019103077A1

DE102019103077A1 - Selbstkalibrierendes Thermometer

Info

Publication number: DE102019103077A1
Application number: DE102019103077.3A
Authority: DE
Inventors: Patrick Doria; Anh Tuan Tham
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2020-08-13

Abstract

Vorrichtung (1) zur in situ Kalibrierung eines Temperatursensors (7) umfassend zumindest den Temperatursensor (7) zur Bestimmung der Temperatur des Mediums (5), ein Temperaturreferenzelement (8) zum Bestimmen einer Referenztemperatur, die zur Kalibrierung des Temperatursensors (7) verwendet wird, und eine Elektronikeinheit (4), die dazu eingerichtet ist, anhand der durch den Temperatursensor (7) erfassten Temperatur einen Temperaturmesswert auszugeben, wobei das Temperaturreferenzelement (8) einen Schwingquarz umfasst, welcher zur elektrischen Schwingung mit einer bestimmten Frequenz, vorzugsweise einer Resonanzfrequenz angeregt ist, wobei die Frequenz eine Temperaturabhängigkeit aufweist und der Schwingquarz einen anderen Kristallschnitt als einen AT- oder GT-Kristallschnitt aufweist, sodass der Schwingquarz in einem zur in situ Kalibrierung vorgesehenen Kalibrierungstemperaturbereich eine höhere Temperaturabhängigkeit aufweist als ein Schwingquarz mit einem AT- oder GT-Kristallschnitt, und wobei die Elektronikeinheit (4) ferner dazu eingerichtet ist, in dem Kalibrierungstemperaturbereich anhand der durch das Temperaturreferenzelement (8) bestimmten Referenztemperatur eine Kalibrierung des Temperaturmesswertes durchzuführen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur in situ Kalibrierung eines Temperatursensors.
Die Kalibrierung von Thermometern wird heutzutage üblicherweise in Kalibrierbädern, Öfen oder Fixpunkteinrichtungen durchgeführt. Eine entsprechende Fixpunktzelle ist bspw. in der Patentschrift DE 102004027072 B3 beschrieben. Dabei wird die Messabweichung des zu kalibrierenden Thermometers bei bestimmten Temperaturwerten, auch als fixe Temperaturwerte bezeichnet, bestimmt. Zu diesem Zweck wird das Thermometer aus der Messstelle ausgebaut, in die Kalibriereinrichtung gesteckt und kalibriert. Diese Art der Kalibrierung ist aufgrund des erforderlichen Ausbaus des Thermometers allerdings aufwendig. Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt geworden, Thermometer in situ, d.h. im eingebauten Zustand, zu kalibrieren. Aus der Offenlegungsschrift DE 19941731 A1 ist eine solche miniaturisierte und in ein Thermometer integrierte Fixpunktzelle bekannt geworden. Dabei wird vorgeschlagen, den zu kalibrierenden Temperatursensor in eine in einem Messeinsatz befindliche Zelle zu stecken, welche Zelle mit einer Fixpunktsubstanz, meist ein Metall oder eine eutektische Legierung, gefüllt ist. Wird die Fixpunktsubstanz zum Schmelzen oder Erstarren gebracht, misst das Thermometer die Schmelzpunkttemperatur. Die gemessene Schmelzpunkttemperatur kann dann mit einer hinterlegten Schmelzpunkttemperatur verglichen werden. Dabei ist von Nachteil, dass eine zusätzliche Zelle zum Kapseln der Fixpunktsubstanz erforderlich ist. Dadurch wird die Dynamik, d.h. die Ansprechzeit auf Temperaturänderungen, des Thermometers verschlechtert. Außerdem kann die Fixpunktsubstanz unter Umständen aus der Zelle austreten und so das Thermometer zerstören.
Aus der DE102010040039A1 ist weiterhin eine Vorrichtung und ein Verfahren zur in situ Kalibrierung eines Thermometers mit einem Temperatursensor und einem Referenzelement zur Kalibrierung des Temperatursensors bekannt geworden, bei welcher das Referenzelement wenigstens teilweise aus einem ferroelektrischen Material besteht, welches im zur Kalibrierung des Temperatursensors relevanten Temperaturbereich eine Phasenumwandlung bei zumindest einer einzigen vorgegebenen Temperatur erfährt. Die Kalibrierung wird also anhand eines einzigen charakteristischen Temperaturpunkts eines Phasenübergangs eines ferroelektrischen Materials, also anhand einer materialspezifischen Eigenschaft vorgenommen.
Nachteilig hieran ist, dass zur Kalibrierung der charakteristische Temperaturpunkt erreicht werden muss. Da dies nicht bei allen industriellen Prozessen in denen solche Temperatursensoren eingesetzt werden vorkommt, kann es vorkommen, dass keine Selbstkalibrierung stattfindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu leisten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur in situ Kalibrierung eines Temperatursensors umfasst zumindest den Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Mediums, ein Temperaturreferenzelement zum Bestimmen einer Referenztemperatur, die zur Kalibrierung des Temperatursensors verwendet wird, und eine Elektronikeinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand der durch den Temperatursensor erfassten Temperatur einen Temperaturmesswert auszugeben, wobei das Temperaturreferenzelement einen Schwingquarz umfasst, welcher zur elektrischen Schwingung mit einer bestimmten Frequenz, vorzugsweise einer Resonanzfrequenz angeregt ist, wobei die Frequenz eine Temperaturabhängigkeit aufweist und der Schwingquarz einen anderen Kristallschnitt als einen AT- oder GT-Kristallschnitt aufweist, sodass der Schwingquarz in einem zur in situ Kalibrierung vorgesehenen Kalibrierungstemperaturbereich eine höhere Temperaturabhängigkeit aufweist als ein Schwingquarz mit einem AT- oder GT-Kristallschnitt, und wobei die Elektronikeinheit ferner dazu eingerichtet ist, in dem Kalibrierungstemperaturbereich anhand der durch das Temperaturreferenzelement bestimmten Referenztemperatur eine Kalibrierung des Temperaturmesswertes durchzuführen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektronikeinheit ferner dazu eingerichtet ist, die in situ Kalibrierung über den gesamten Kalibrierungstemperaturbereich, vorzugsweise kontinuierlich durchzuführen, wobei der Kalibrierungstemperaturbereich von dem Kristallschnitt des Schwingquarzes abhängig ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektronikeinheit ferner dazu eingerichtet ist, die in situ Kalibrierung in zeitdiskreten Intervallen durchzuführen. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Temperatursensor und das Temperaturreferenzelement in einem einzigen Sensorkopf angeordnet sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektronikeinheit ferner dazu eingerichtet ist, die durch das Temperaturreferenzelement bestimmten Referenztemperatur mit dem Temperaturmesswert zu vergleichen und bei einer größeren Abweichung als einer vorgegebenen Abweichung eine zur Bestimmung des Temperaturmesswertes hinterlegte mathematische Funktion auf die bestimmte Referenztemperatur abzugleichen/zu kalibrieren. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Elektronikeinheit ferner dazu eingerichtet ist, bei einer größeren Abweichung als der vorgegebenen Abweichung einen Warnhinweis auszugeben.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Kalibrierungstemperaturbereich einen Bereich von -100°C bis +160 °C, vorzugsweise einen Bereich von -80°C bis +120°C umfasst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Thermometers mit einem Temperatursensor und einem Temperaturreferenzelement, und
2: exemplarisch die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von Schwingquarzen mit unterschiedlichen Kristallschnitten (AT-, GT-, NT-, XY-, BT-, und CT-Kristallschnitten).

In 1 ist eine schematische Abbildung einer möglichen Ausgestaltung eines Thermometers 1 mit einem Schutzrohr 2 und einer Elektronikeinheit 3 gezeigt. Der dem jeweiligen Medium 5 zugewandte Teilbereich des Schutzrohres 2 wird auch als Sensorkopf 3 bezeichnet. Das Innenvolumen des Sensorkopfes 3 kann mit einem, insbesondere elektrisch isolierenden, Füllstoff 6, insbesondere einem Zement, gefüllt sein. Ferner sind im Inneren des Sensorkopfes 3 ein Temperatursensor 7 und ein Temperaturreferenzelement 8 angeordnet, welche jeweils mittels Anschlussdrähten, 9,10 elektrisch kontaktiert und mit der Elektronikeinheit 4 verbunden sind. Der Temperatursensor und das Temperaturreferenzelement können hierbei ebenfalls zumindest teilweise in dem Füllstoff eingebettet sein.
Die Anzahl der notwendigen Anschlussdrähte 9,10 zur Kontaktierung des Temperatursensors und des Temperaturreferenzelementes 7,8 kann je nach Art des Messelements 7,8 und je nach angewendetem Messprinzip variieren.
Bei dem Temperatursensor 7 handelt es sich beispielsweise um ein Widerstandselement, insbesondere ein PT1000, ein PT100 oder ein ähnliches Widerstandselement. Alternativ kann es sich aber auch um ein Thermoelement handeln.
Der Temperatursensor 7 ist über die Anschlussdrähte 10 mit der Elektronikeinheit 4 elektrisch verbunden und liefert der Elektronikeinheit 4 ein Temperatursignal, welches die erfasste Temperatur des Mediums 5 repräsentiert. Die Elektronikeinheit 4 ist dazu eingerichtet, anhand des Temperatursignals einen Temperturmesswert zu bestimmen und diesen auszugeben. Beispielsweise kann die Elektronikeinheit 4 den Temperaturmesswert über eine Zweidrahtleitung 11 an eine übergeordnete Einheit 12 liefern. Die übergeordnete Einheit 12 kann beispielsweise eine Speicherprogrammierbare Steuerung, kurz SPS, sein. Die Übertragung der Temperaturmesswerte von der Elektronikeinheit 4 an die übergeordnete Einheit 12 erfolgt vorzugsweise kontinuierlich.
Das Temperaturreferenzelement 8 umfasst erfindungsgemäß einen Schwingquarz 8a, welcher zur elektrischen Schwingung mit einer bestimmten Frequenz angeregt ist bzw. wird. Vorzugsweise ist die bestimmte Frequenz eine Resonanzfrequenz mit der der Schwingquarz 8a zur Eigenschwingung angeregt wird. Die bestimmte Frequenz ist abhängig von einem Schnittwinkel bzw. einem Kristallschnitt des Schwingquarzes 8a. Die Lage der Kristallschnitte im Quarzkristall aus dem der Schwingquarz 8a geschnitten wird, wird mit Hilfe von geometrischen Achsen als Winkel zwischen X und Y und ggf. auch noch Z definiert. Hierbei wird jeder spezielle Schnitt mit einer entsprechenden Buchstabenkombination gekennzeichnet. Erfindungsgemäß wird ein Schwingquarz 8a mit einem anderen als einen AT- oder GT-Kristallschnitt verwendet, sodass der Schwingquarz eine höhere Temperaturabhängigkeit aufweist als ein Schwingquarz mit einem solchen AT- oder GT-Kristallschnitt.
Das Temperaturreferenzelement 8 ist ebenfalls über Anschlussdrähte 9 mit der Elektronikeinheit 4 elektrisch verbunden. Die Elektronikeinheit 4 ist ferner dazu eingerichtet, anhand einer Referenztemperatur eine in situ Kalibrierung, d.h. eine Kalibrierung im eingebauten Zustand und vorzugsweise auch während des laufenden Messbetriebes, durchzuführen. Hierfür kann die Elektronikeinheit 4 bspw. dazu eingerichtet sein, anhand einer Frequenzänderung der temperaturabhängigen Resonanzfrequenz des Schwingquarzes 8a eine Referenztemperatur zu bestimmen. 2 zeigt exemplarisch die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von Schwingquarzen mit unterschiedlichen Kristallschnitten (AT-, GT-, NT-, XY-, BT-, und CT-Kristallschnitten). Aus 2 wird ersichtlich, dass insbesondere Schwingquarze mit einem anderen Kristallschnitt als ein AT- oder GT-Kristallschnitt bevorzugt als Temperaturreferenzelemente 8 dienen.
Um eine in situ Kalibrierung des Temperatursensors durchzuführen ist die Elektronikeinheit 4 ferner dazu eingerichtet, einen Vergleich zwischen der durch das Temperaturreferenzelement bestimmten Referenztemperatur und der durch den Temperatursensor 7 bestimmten Temperatur des Mediums 5 durchzuführen. Hierzu kann der Elektronikeinheit 4 eine Abweichung vorgegeben sein, und in dem Fall, dass die beiden Temperaturen um einen größeren Wert als die vorgegeben Abweichung voneinander abweichen, kann die Elektronikeinheit 4 eine sin situ Kalibrierung durchführen. Die in situ Kalibrierung kann beispielweise derartig erfolgen, dass die Elektronikeinheit eine zur Bestimmung der Temperatur des Mediums herangezogene mathematische Funktion bzw. die Koeffizienten der mathematischen Funktion entsprechend anpasst. Die in situ Kalibrierung findet vorzugsweise in einem Kalibrierungstemperaturbereich zwischen -100°C bis +160°C, vorzugsweise zwischen -80°C bis + 120°C statt, indem ein Schwingquarz 8a mit einem anderen Kristallschnitt als ein AT- oder GT-Kristallschnitt eine erhöhte temperaturabhängige Resonanzfrequenz aufweist.
Die Elektronikeinheit 4 kann ferner dazu eingerichtet sein, in dem Fall, dass die durch das Temperaturreferenzelement 8 bestimmten Referenztemperatur und die durch den Temperatursensor 7 bestimmte Temperatur des Mediums einen vorgegebene Abweichungswert überschreiten, einen Warnhinweis ausgibt. Der Warnhinweis kann bspw. über die Zweidrahtleitung 11 kommuniziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Thermometer
2: Schutzrohr
3: Sensorkopf
4: Elektronikeinheit
5: Medium
6: Füllstoff
7: Temperatursensor
8: Temperaturreferenzelement
8a: Schwingquarz
9: Anschlussdrähte des Temperaturreferenzelementes
10: Anschlussdrähte des Temperatursensors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004027072 B3 [0002]
DE 19941731 A1 [0002]
DE 102010040039 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur in situ Kalibrierung eines Temperatursensors (7) umfassend zumindest den Temperatursensor (7) zur Bestimmung der Temperatur des Mediums (5), ein Temperaturreferenzelement (8) zum Bestimmen einer Referenztemperatur, die zur Kalibrierung des Temperatursensors (7) verwendet wird, und eine Elektronikeinheit (4), die dazu eingerichtet ist, anhand der durch den Temperatursensor (7) erfassten Temperatur einen Temperaturmesswert auszugeben, wobei das Temperaturreferenzelement (8) einen Schwingquarz (8a) umfasst, welcher zur elektrischen Schwingung mit einer bestimmten Frequenz, vorzugsweise einer Resonanzfrequenz angeregt ist, wobei die Frequenz eine Temperaturabhängigkeit aufweist und der Schwingquarz einen anderen Kristallschnitt als einen AT- oder GT-Kristallschnitt aufweist, sodass der Schwingquarz in einem zur in situ Kalibrierung vorgesehenen Kalibrierungstemperaturbereich eine höhere Temperaturabhängigkeit aufweist als ein Schwingquarz mit einem AT- oder GT-Kristallschnitt, und wobei die Elektronikeinheit (4) ferner dazu eingerichtet ist, in dem Kalibrierungstemperaturbereich anhand der durch das Temperaturreferenzelement (8) bestimmten Referenztemperatur eine Kalibrierung des Temperaturmesswertes durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektronikeinheit (4) ferner dazu eingerichtet ist, die in situ Kalibrierung über den gesamten Kalibrierungstemperaturbereich, vorzugsweise kontinuierlich durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektronikeinheit (4) ferner dazu eingerichtet ist, die in situ Kalibrierung in zeitdiskreten Intervallen durchzuführen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (7) und das Temperaturreferenzelement (8) in einem einzigen Sensorkopf (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronikeinheit (4) ferner dazu eingerichtet ist, die durch das Temperaturreferenzelement (8) bestimmten Referenztemperatur mit dem Temperaturmesswert zu vergleichen und bei einer größeren Abweichung als einer vorgegebenen Abweichung eine zur Bestimmung des Temperaturmesswertes hinterlegte mathematische Funktion auf die bestimmte Referenztemperatur abzugleichen/zu kalibrieren.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Elektronikeinheit (4) ferner dazu eingerichtet ist, bei einer größeren Abweichung als der vorgegebenen Abweichung einen Warnhinweis auszugeben.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kalibrierungstemperaturbereich einen Bereich von -100°C bis +160 °C, vorzugsweise einen Bereich von -80°C bis +120°C umfasst.