DE19707844A1

DE19707844A1 - Schnelles, korrigierendes Thermometer

Info

Publication number: DE19707844A1
Application number: DE1997107844
Authority: DE
Inventors: Walther Dr Menhardt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 1998-09-03

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden und die Messung zu beschleunigen.

Bei der Temperaturmessung mit Hilfe von Meßfühlern, die an den zu prüfenden Gegenstand angelegt oder in das zu prüfende Medium eingebracht werden, ergeben sich systematische Meßfehler, insbesondere durch die Wärme, die zwischen dem zu messenden Medium und dem Fühler ausgetauscht wird, durch den Wärmeübergangswiderstand zwischen Medium und Fühler und durch Wärmewiderstände innerhalb der Fühlerkonstruktion. Des weiteren ist in vielen Anwendungsfällen die Ansprechzeit wegen hoher Wärmeübergangswiderstände zu lang, insbesondere bei der Temperaturmessung von Gasen.

Es gibt Thermometer mit einer Temperatursteuerung der den Fühler umgebenden Konstruktionselemente (z. B. Firmenbroschüre der Firma ISOTECH, Deutschland), bei denen in Nähe des Temperaturfühlers eine Heizwicklung und ein weiterer Temperaturfühler angebracht sind und die mit Hilfe eines Steuersystems die Fühlertemperatur an die Temperatur des Meßpunktes heranführen. Diese bekannten Thermometer haben jedoch keine Kühlmöglichkeit vorgesehen, so daß der Ausgleich der Meßfehler bei Objekttemperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur bzw. der Temperatur der Konstruktionselemente des Thermometers nicht möglich ist. Des weiteren ist die bekannte Konstruktion dadurch träge und von weiteren Fehlern behaftet, daß die Heizwicklung einerseits und der Temperaturfühler, der die Temperatur in der Nähe der Heizwicklung mißt, andererseits zwei getrennte Konstruktionselemente darstellen. Die örtliche Trennung von Wärmequelle und internem Temperaturfühler bedingt Einschwingvorgänge, die im Regelsystem berücksichtigt werden müssen, was nicht für alle Betriebszustände in gleicher Weise möglich ist, und der Wärmewiderstand zwischen Wärmequelle und internem Temperaturfühler bedingt Temperaturdifferenzen, die ebenfalls von den Betriebsbedingungen abhängen.

Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Konstruktion dadurch aufgehoben, daß außer einer Heizmöglichkeit auch eine Kühlmöglichkeit vorgesehen ist und daß die heizenden oder kühlenden Elemente gleichzeitig auch als Temperaturfühler für den Heiz- und Kühlkomplex fungieren.

In einem ersten Ausführungsbeispiel dient als Element, das die Funktionen der Heizung, der Kühlung und der internen Temperaturmessung vereinigt, die Verbindungszone zweier Materialien mit unterschiedlichen Kontaktpotentialen, etwa ein Thermoelement oder eine Halbleiter-Sperrschicht. Je nach der Richtung des zugeführten Stromes heizt sich die Kontaktzone auf oder kühlt sich ab. Die Thermospannung, die eventuell in Pausen des Heiz- oder Kühlstromes gemessen wird, dient als Temperatursignal.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Funktionen der externen Temperaturmessung, der Heizung und Kühlung sowie der internen Temperaturmessung durch eine dreilagige Kombination unterschiedlicher Materialien realisiert.

In einem dritten Ausführungsbeispiel ist eine nicht geregelte Kühlung vorgesehen, die die Elemente der Fühlerkonstruktion bei abgeschalteter Heizung auf eine Temperatur unterhalb des angestrebten Meßbereiches abkühlt. Die gewünschte Temperatur wird in diesem Ausführungsbeispiel durch eine als Heizkörper dienende NTC-Pille, deren Heizleistung durch das Steuersystem geregelt wird, eingestellt. Der elektrische Widerstand der NTC-Pille ändert sich mit der Temperatur, so daß während durch die NTC-Pille ein Heizstrom fließt, aus Spannung und Strom die Temperatur errechnet werden kann. Werden die Zuleitungsdrähte des externen Fühlers des Thermometers wärmetechnisch gut mit der NTC-Pille in Verbindung gebracht, etwa indem sie elektrisch isoliert durch sie hindurch geführt werden, so ist die Temperatur der Zuleitungsdrähte an dieser Stelle gut bekannt, und die Differenz der Temperaturen des externen Fühlers und der Temperatur der NTC-Pille stellt ein zuverlässiges Steuersignal dar.

In einem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thermometers bestehen sowohl externer Temperaturfühler als Heizelement aus NTC-Pillen. Sie sind thermisch eng verbunden, beispielsweise miteinander verlötet, wodurch sich sehr kurze Zeitkonstanten ergeben.

In einem fünften Ausführungsbeispiel sind die als externer Temperaturfühler bzw. als Heizung verwendeten NTC-Elemente in einer einzigen NTC-Keramik realisiert.

Die Steuerung des Heizungs- und Kühlungssystem kann beispielsweise so erfolgen, daß der jeweilige Meßwert des äußeren Fühlers, mit den für die konkrete Konstruktion notwendigen Korrekturen, als Sollwert für die Temperatur der Heiz- bzw. Kühlelemente vorgegeben wird. Mißt beispielsweise der externe Fühler einen Gegenstand, der höhere Temperatur hat als die Konstruktionselemente des Thermometers, so wird er zunächst wegen der kälteren Zuleitungsdrähte eine zu niedrige Temperatur anzeigen. Durch das geschilderte Steuersystem werden die Zuleitungsdrähte jedoch zunehmend geheizt und die Temperatur des externen Meßfühlers wird schrittweise an die wahre Temperatur herangeführt.

In einer anderen Ausführung des Steuersystems, die insbesondere bei schnellen Temperaturänderungen zur Anwendung kommt, wird aus der Geschwindigkeit der Änderung der Temperaturdifferenz zwischen externem Fühler und internem Fühler auf die wahrscheinliche Endtemperatur geschlossen und das Heiz- bzw. Kühlsystem sofort in die Nähe der zu erwartenden Endtemperatur gebracht. Diese Art der Steuerung ermöglicht eine besonders schnelle Temperaturmessung.

Die Erfindung wird nun anhand von lediglich Ausführungsvarianten darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt den Prinzipaufbau des Thermometers. Der externe Meßfühler 2 liegt am Objekt 1, dessen Temperatur zu bestimmen ist, an. Die Zuleitungen 3 des externen Meßfühlers haben thermischen Kontakt mit dem Heiz- und Kühlblock 4. Die Temperatur des Heiz- und Kühlblocks wird über die Leitungen 5 zum Steuersystem übermittelt. Das Temperatursignal des externen Fühlers gelangt über die Leitungen 3b ebenfalls zum Steuersystem. Die Temperatur des Heiz- und Kühlblocks wird über die Leitungen 6 eingestellt. Über die Anschlüsse 3a gelangt das Temperatursignal des externen Fühlers zur Signalaufbereitung und Anzeige.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Funktionen der Heizung, der Kühlung und der internen Temperaturmessung durch die Kombination von zwei Materialien unterschiedlichen Kontaktpotentials 9, 10 realisiert werden. Der Körper 8 stellt guten Wärmekontakt zwischen den Zuleitungsdrähten des externen Fühlers und den Körpern 9, 10 des Heiz- und Kühlsystems her. Es sind lediglich zwei Zuleitungen 11 für dieses System erforderlich.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung, bei der eine Kombination von drei Materialien mit unterschiedlichem Kontaktpotential, Ziffern 12, 13, 14, die Funktionen des externen Temperaturfühlers, der Heizung, der Kühlung und des internen Temperaturfühlers erfüllt. Ziffer 1a bezeichnet eine gut wärmeleitende Platte oder eine auf eine Kunststoffolie aufgebrachte Metallfolie, die wegen ihrer relativ großen Abmessungen guten Wärmekontakt zu Gasen hat.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit einem gekühlten Substrat. Es bezeichnet 1 wiederum das Objekt, dessen Temperatur gemessen werden soll, 2 den externen Temperaturfühler, 3 die Zuleitungen zu diesem Fühler. Die Ziffer 4a deutet das gekühlte Substrat an, 4b die geregelte Heizung.

In Fig. 5 ist die Kombination zweier NTC-Pillen dargestellt. Es bedeutet 1b einen gut wärmeleitenden Kontaktstift zum Meßobjekt, 15 die als externer Fühler dienende NTC-Pille, 16 die als Heizung dienende NTC-Pille und 17 die Zuleitungen für die aneinandergelöteten NTC-Pillen.

In Fig. 6 ist eine NTC-Keramik 18 dargestellt, die zwei Funktionen in sich vereint: die Funktion des Temperaturfühlers und die der Heizung. Die NTC-Keramik ist auf einer Seite ganzflächig, auf der anderen in zwei getrennten Flächen kontaktiert und mit den Zuleitungen 19 versehen.

Claims

1. Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Heiz- als auch Kühlmöglichkeiten für die den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente vorgesehen sind.

2. Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß die heizenden oder kühlenden Elemente gleichzeitig als Temperaturfühler für den Heiz- bzw. Kühlkomplex fungieren.

3. Thermometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen der Heizung, der Kühlung und der internen Temperaturmessung in Form einer Kontaktzone zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Kontaktpotentialen realisiert sind.

4. Thermometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Temperaturmessung durch eine Kontaktzone zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichem Kontaktpotential realisiert wird und daß die Funktionen der Heizung, Kühlung und internen Temperaturmessung durch eine weitere solche Kontaktzone realisiert werden.

5. Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß für die den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere die Zuleitungsdrähte, eine Temperatursteuerung vorgesehen ist, die aus einer nicht geregelten Kühlung und einer geregelten Heizung besteht, so daß Temperaturen sowohl unter als über der Umgebungstemperatur eingestellt werden können.

6. Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Temperaturfühler als das Heizelement durch NTC-Pillen realisiert sind.

7. Thermometer, bei dem die Temperatur der den Temperaturfühler umgebenden Konstruktionselemente, insbesondere der Zuleitungsdrähte, gezielt beeinflußt wird, um Meßfehler zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen des Temperaturfühlers und des Heizelementes in einer einzigen NTC-Keramik realisiert sind.

8. Thermometer nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige, gut wärmeleitende Konstruktionselement, das die Temperatur des Meßobjektes dem Temperaturfühler vermittelt, aus einer auf einen Kunststoffträger aufgebrachten Metallfolie besteht.

9. Thermometer nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem aus der Änderungsgeschwindigkeit der Temperaturdifferenz zwischen externem Fühler und internem Fühler die wahrscheinliche Endtemperatur errechnet und das Meßsystem schnell in die Nähe dieser erwarteten Endtemperatur bringt.