DE19705863A1 - Kalibrierverfahren für einen Referenztemperaturgeber in einem Thermokreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Referenztemperaturgebers in einem Thermokreis.

Thermokreise, wie sie beispielsweise aus der Druckschrift "Herbert Jüttemann: Einführung in das elektrische Messen nicht elektrischer Größen, 2. Auflage, 1988, VDI-Verlag Düsseldorf, Seite 121" bekannt sind, werden in der elektrischen Meßtechnik vielfach eingesetzt. Insbesondere ist es vorgesehen, mehrere Thermokreise zu einem mehrkanaligen Meßgerät oder Meßgeräteeinschub baulich zusammenzufassen. Da mit Thermokreisen nicht die absolute Temperatur, sondern nur die Differenztemperatur zwischen einer Meßstelle und einer im Meßgerät vorgesehenen Übergangsstelle erfaßbar ist, muß zur Bestimmung der absoluten Temperatur an der Meßstelle auch die Temperatur in der Übergangsstelle ermittelt werden. Hierzu ist an der Übergangsstelle ein Referenztemperaturgeber vorgesehen.

Da sich die absolute Temperatur an der Meßstelle nunmehr aus der Summe der absoluten Temperatur an der Übergangsstelle und der mittels des Thermokreises erfaßten Differenztemperatur zwischen der Meßstelle und der Übergangsstelle berechnet, ist unmittelbar einsehbar, daß die Bestimmung der absoluten Temperatur an der Übergangsstelle von großem Einfluß auf die Genauigkeit des Meßergebnisses ist. Es ist daher erforderlich, den Referenztemperaturgeber an der Übergangsstelle in regelmäßigen Abständen zu kalibrieren.

Für eine solche Kalibrierung wurde bisher das Meßgerät als Ganzes mittels einer geeigneten Vorrichtung auf eine vorgegebene Temperatur gebracht. Diese Temperatur wurde außerhalb des Meßgerätes mit einem externen Temperaturgebers erfaßt. Unter der Annahme, daß die Innentemperatur im Meßgerät und damit die absolute Temperatur an der Übergangsstelle der von dem externen Temperaturgebers erfaßten Außentemperatur neben dem Meßgerät entspricht, konnte nun der Referenztemperaturgeber kalibriert werden. Wie unmittelbar einsichtig ist, hängt die Genauigkeit der Kalibrierung von der Erfüllung der vorgenannten Annahme und vor allem von der Genauigkeit der Temperaturführung in der Vorrichtung zum Temperieren des Meßgerätes ab, und ist in der Regel nicht besonders hoch.

Eine solche Kalibrierung könnte auch in der Weise vorgenommen werden, daß die Meßstelle auf eine exakt bekannte Temperatur gebracht wird, so daß sich dann aus der nun bekannten Temperatur der Meßstelle und der mittels des Thermokreises ermittelten Differenztemperatur die tatsächliche absolute Temperatur an der Übergangsstelle ermitteln läßt. Diese tatsächliche absolute Temperatur kann dann zur Kalibrierung des Referenztemperaturgebers an der Übergangsstelle herangezogen werden.

Ein solcher Referenztemperaturgeber weist üblicherweise eine nichtlineare Kennlinie auf, so daß es darüber hinaus erforderlich ist, den Referenztemperaturgeber bei verschiedenen Temperaturen, z. B. -30°, 0°, +40°, +70°, zu kalibrieren. Hierzu wird das Meßgerät als Ganzes mittels der geeigneten Vorrichtung auf die entsprechende Temperatur gebracht.

Bei der Kalibrierung von Thermokreisen ist ferner zu berücksichtigen, daß die vom Thermokreis gelieferte Thermospannung nicht alleine abhängig von der Differenztemperatur, sondern darüber hinaus auch abhängig vom absoluten Temperaturniveau - also nichtlinear - ist. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, bei der Kalibrierung von einer fest vorgegebenen absoluten Temperatur an der Meßstelle auszugehen, um den Einfluß des beschriebenen nichtlinearen Verhaltens zu unterdrücken.

Allgemein weisen Thermokreise eine Genauigkeit bei der Temperaturerfassung im Bereich von ± 1° auf.

Nachteilig an den bekannten kalibrierverfahren ist, daß zur Kalibrierung des Referenztemperaturgebers das Meßgerät durch die geeignete Vorrichtung möglichst konstant auf die vorgegebene Temperatur gebracht werden muß, um dann die tatsächliche Temperatur möglichst im Bereich der Übergangsstelle im Meßgerät durch einen externen Temperaturgeber bestimmen zu können. Dies ist mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden.

Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Referenztemperaturgebers in Thermokreisen zu schaffen, mit dessen Hilfe der apparative Aufwand bei der Kalibrierung von Thermokreisen vermindert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches gelöst. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Thermokreis zur Kalibrierung an seiner Meßstelle aufzutrennen und mit einer extern erzeugten Spannung zu beaufschlagen, die eine vorgegebene Temperatur simuliert. Anschließend wird eine Meßspannung an einer zweiten Übergangsstelle im Thermokreis erfaßt und die tatsächliche Temperatur der zweiten Übergangsstelle mit Hilfe der Differenzspannung zwischen der extern erzeugten Spannung und der Meßspanung bestimmt. Durch diese Maßnahme ist es möglich, bei einer Kalibrierung eine Genauigkeit bei der Temperaturerfassung der tatsächlichen Temperatur an der Übergangsstelle im Meßgerät von deutlich weniger als ± 1° zu erreichen.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben. So wird zur Bestimmung der Größe der extern erzeugten Spannung vorgeschlagen, zunächst die Temperatur der ersten Übergangsstelle zu erfassen, dann eine erste Thermospannung abhängig von der Temperatur der ersten Übergangsstelle und eine zweite Thermospannung abhängig von der vorgegebenen Temperatur und schließlich die Größe der extern erzeugten Spannung als Differenz zwischen der ersten Thermospannung und der zweiten Thermospannung zu bestimmen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Thermokreis mit einem Kalibriermodul,

Fig. 2 einen bekannten Thermokreis, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist und

Fig. 3 eine Skizze zur Darstellung der elektrischen Spannungen.

Der Thermokreis 1 nach Fig. 2 besteht aus zwei Leitern 2, 3, die an einer Meßstelle 4 miteinander verbunden sind. Der erste Leiter 2 besteht hierbei aus Nickel-Chrom und der zweite Leiter 3 aus Nickel. An einer Übergangsstelle 5 sind die beiden Leiter 2, 3 mit Kupferleitungen 6 verbunden, die zu einem Spannungsmesser 7 führen. Die Übergangsstelle 5 ist als Isothermalblock ausgeführt, der ein homogenes Temperaturfeld aufweist. Damit ist sichergestellt, daß Verbindungsstellen 8 zwischen den Leitern 2, 3 und der Kupferleitung 6 die exakt gleiche Temperatur aufweisen. Ebenfalls an der Übergangsstelle 5 angeordnet und mit dieser thermisch gekoppelt ist ein Referenztemperaturgeber 9. Die Übergangsstelle 5 einschließlich des Referenztemperaturgebers 9, die Kupferleitungen 6 sowie der Spannungsmesser 7 sind Bestandteil eines Meßgerätes 10.

Zur Kalibrierung des Referenztemperaturgebers 9 wird nun, wie in Fig. 1 dargestellt, die Verbindung zwischen den Leitern 2 und 3 an der Meßstelle 4 aufgetrennt und die Leiter 2 und 3 werden mit einem Kalibriermodul 11 verbunden. Dieses Kalibriermodul 11 - auch als Thermospannungsgenerator bezeichnet - besteht aus einer zweiten Übergangsstelle 12, einer steuerbaren Spannungsquelle 13, einer Steuereinrichtung 14 sowie einem mit der zweiten Übergangsstelle 12 thermisch verbundenen Temperaturgeber 15. Die zweite Übergangsstelle 12 ist als Isothermalblock ausgeführt. Die Steuervorrichtung 14 ermittelt mit Hilfe des Temperaturgebers 15, der zuvor extern kalibriert wurde, die absolute Temperatur T12 der zweiten Übergangsstelle. Mit Hilfe einer in der Steuervorrichtung 14 vorgesehenen Tabelle 16 bestimmt die Steuervorrichtung 14 die Thermospannung die bei der Temperatur T12 von den beiden Leitern 2, 3 bezogen auf 0°G erzeugt wird. Die Temperatur von 0°C ist hierbei eine Referenztemperatur, die durchgängig für die Kalibrierung aller Meßgeräte 10 verwendet wird.

Im vorliegenden Beispiel besteht der erste Leiter 2 aus Nickel-Chrom und der zweite Leiter 3 aus Nickel. Bei einer Temperatur T12 an der zweiten Übergansstelle 12 von 20°C entspricht dies einer Thermospannung von 0,798 mV bei der vorliegenden Paarung der Leiter 2 und 3.

Mit Hilfe des Kalibriermodules 11 soll nun an der ersten Übergangsstelle 5 eine Thermospannung eingestellt werden, die einer Temperatur von 50°C entspricht. Dies ist bei der vorliegenden Paarung der Leiter 2 und 3 eine Spannung Usim von 2,022 mV.

Die vom Kalibriermodul extern zu erzeugende Spannung Uext berechnet sich nun aus der Differenz der genannten Thermospannungen: Uext = 2,022 mV-0,798 mV = 1,224 mV.

An der ersten Übergangsstelle addiert sich zu dieser Spannung eine Thermospannung US infolge der Temperaturdifferenz zwischen der ersten Übergangsstelle 5 und der zweiten Übergangsstelle 12. Diese Thermospannung US kann nun durch Subtraktion der an der ersten ersten Übergangsstelle 5 anliegenden Meßspannung Umeß und der extern erzeugten Spannung Uext bestimmt werden. Unter der Annahme, daß die Meßspannung Umeß 1,625 mV beträgt ergibt sich: U5 = 2,022 mV-1,625 mV = 0,397 mV. Diese Thermospannung US entspricht nun der auf 0°C bezogenen tatsächlichen Temperatur T5 an der ersten Übergangsstelle 5, dies sind hier 10°C.

Mit Hilfe der so ermittelten tatsächlichen Temperatur T5 an der ersten Übergangsstelle 5 kann nun der Referenztemperaturgeber 9 kalibriert werden. Hierzu ist es ggf. erforderlich, die beschriebenen Schritte bei verschiedenen Temperaturen, z. B. -30°, 0°, +40°, +70°, der ersten Übergangsstelle 5 zu kalibrieren. Hierzu wird das Meßgerät 10 als Ganzes mittels der geeigneten Vorrichtung auf die entsprechende Temperatur gebracht. Durch die direkte Bestimmung der tatsächlichen Temperatur T5 an der ersten Übergangsstelle 5 ist hierbei die Genauigkeit der Temperaturführung in der Vorrichtung zur Temperierung des Meßgerätes 10 ohne Einfluß auf die Genauigkeit der Kalibrierung.

Anhand der Skizze nach Fig. 3 sind die Spannungsverhältnisse nochmals dargestellt. Als Folge der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T5 der ersten Übergangsstelle 5 und der Temperatur T12 der zweiten Übergangsstelle 12 entsteht eine Thermospannung US. Der Spannungsgenerator 13 erzeugt zusätzlich eine Spannung Uext. Die beiden Spannungen US und Uext addieren sich und werden vom Spannungsmesser 7 als Summenspannung Umeß erfaßt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Kalibrieren eines Referenztemperaturgebers in einem Thermokreis mit folgenden Schritten:

• - Auftrennen des Thermokreises an seiner Meßstelle, so daß eine erste Übergangsstelle erzeugt ist,
• - Beaufschlagen des Thermokreises an der ersten Übergangsstelle mit einer extern erzeugten Spannung, wobei die Spannung so bestimmt ist, daß an der Übergangsstelle eine vorgebene Temperatur simuliert wird,
• - Erfassen einer Meßspannung an einer zweiten Übergangsstelle im Thermokreis,
• - Bestimmen der Temperatur der zweiten Übergangsstelle aus der Differenz der extern erzeugten Spannung und der Meßspanung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermokreis zwei Leiter aus unterschiedlichen Metallen, die zweite Übergangsstelle und den Referenztemperaturgeber aufweist, der die Temperatur der zweiten Übergangsstelle erfaßt.

3. Verfahren nach nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Bestimmung der Größe der extern erzeugten Spannung

• - Erfassen der Temperatur der ersten Übergangsstelle,
• - Bestimmen einer ersten Thermospannung abhängig von der Temperatur der ersten Übergangsstelle,
• - Bestimmen einer zweiten Thermospannung abhängig von der vorgegebenen Temperatur,
• - Bestimmen der Größe der extern erzeugten Spannung als Differenz zwischen der ersten Thermospannung und der zweiten Thermospannung.