DE202004021438U1 - Arrangement of sensor elements for reliably measuring a temperature - Google Patents

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Abstract

Anordnung von mehreren Sensorelementen zum zuverlässigen Messen einer Temperatur dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorelemente
– temperaturabhängige elektrische Impedanzen aufweisen, die sich im Temperaturkoeffizienten (AB) unterscheiden und
– thermisch miteinander und mit dem zu messenden Medium gekoppelt in einem Sensorkopf integriert sind.Arrangement of a plurality of sensor elements for reliably measuring a temperature, characterized in that all the sensor elements
- have temperature-dependent electrical impedances, which differ in the temperature coefficient (AB) and
- Are thermally integrated with each other and coupled with the medium to be measured in a sensor head.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Sensorelementen zum zuverlässigen Messen einer Temperatur.The The invention relates to an arrangement of sensor elements for reliable measurement a temperature.

In der heutigen Prozess- und Verfahrenstechnik werden Temperaturen in vielfältiger Form gemessen und zur Prozess-Steuerung und -regelung eingesetzt. Dabei wird aus Gründen der Produkt- und Prozessqualität wie auch der Betriebssicherheit eine zuverlässige und langzeitstabile Temperaturerfassung mit bekannten Messfehlergrenzen immer wichtiger.In Today's process and process engineering become temperatures in more diverse Form measured and used for process control and regulation. It is for reasons the product and process quality as well as the operational reliability a reliable and long-term stable temperature measurement with known measurement error limits more important.

Zur Minimierung von Wartung und Instandhaltung, wie auch der Anlagen-Stillstandszeiten werden außerdem selbstüberwachende, selbstkorrigierende und redundante Systeme zur Prozessmessung und -Steuerung angestrebt (M. Frei: "Überblick über den aktuellen Stand der Selbstdiagnose von Sensorsystemen für die Verfahrenstechnik", VDI-Berichte Nr. 1608, 2001; Trilling, Stieler, Schneider: „Selbstüberwachung und Diagnose von Feldgeräten, Zeitschrift atp 11, 2001 ).Self-monitoring, self-correcting and redundant systems for process measurement and control are also aimed at minimizing maintenance and servicing, as well as plant downtimes (M. Frei: "Overview of the current state of self-diagnosis of sensor systems for process engineering", VDI reports No. 1608, 2001, Trilling, Stieler, Schneider: "Self-monitoring and diagnosis of field devices, magazine atp 11, 2001 ).

Die gängigen z.Zt. in der Industrie eingesetzten Kontakt-Temperaturmessprinzipien weisen alterungsbedingte Driften und Degradationen des Sensorelements auf, die zu einem erhöhten Messfehler oder zu Ausfällen im Laufe des Betriebs führen. Deren Auftreten ist von zufälliger Natur und deshalb nicht vorhersagbar ( B. Prause, A. Richter: "Aspekte der Zuverlässigkeit und Stabilität von Thermoelementen und Widerstandsthermometern in der industriellen Anwendung", VDI-Berichte, 1998 ; Xumo, Chen, Zhao: "An investigation into stability of industrial platinum resistance thermometer; Hart Scientific Inc., 2002 ; H. Kollmeier: "Hochgenaue Temperaturmessung mit Multislope A/D-Umsetzer", Shaker Verlag, 1. Auflage, 1996, Kapitel 4.1.3; "How does aging affect thermistor stability?", FAQ, YSI Inc. USA; "How do thermistors fail; what are typical failure modes for thermistors?", FAQ, YSI Inc. USA ).The usual z.Zt. Contact temperature measurement principles used in industry exhibit age-related drifts and degradation of the sensor element, which lead to an increased measurement error or failures during operation. Their occurrence is of a random nature and therefore unpredictable ( B. Prause, A. Richter: "Aspects of Reliability and Stability of Thermocouples and Resistance Thermometers in Industrial Applications", VDI Reports, 1998 ; Xumo, Chen, Zhao: "An investigation into stability of industrial platinum resistance thermometer; Hart Scientific Inc., 2002 ; H. Kollmeier: "High-precision temperature measurement with Multislope A / D converter", Shaker Verlag, 1st edition, 1996, Chapter 4.1.3; "How does aging affect thermistor stability?", FAQ, YSI Inc. USA; "How do thermistors fail?", FAQ, YSI Inc. USA ).

Deshalb wird meist eine regelmäßige, oft auch vorbeugende Kalibration und Justage des Temperatursensors durchgeführt, um ein Toleranzband für den erzielten Messfehler sicher zu stellen. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Kalibrationen hängt vom erlaubten Toleranzband und den Einsatzbedingungen des Sensors ab. Er wird an Hand von Erfahrungswerten so gewählt, dass das Toleranzband mit großer Wahrscheinlichkeit zwischen zwei aufeinander folgenden Kalibrationen nicht verlassen wird. In den meisten Fällen wird bei dieser regelmäßigen Kalibration kein Verlassen des erlaubten Toleranzbandes festgestellt, wegen der Zufälligkeit der Drift- und Degradationseffekte ist jedoch keine bessere Bestimmung des Kalibrationsintervalls möglich. Jede Kalibration ist mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden, da zum einen der Messfühler ausgebaut werden muss (Anlagenstillstand, Abbau von Anlagenteilen) und zum anderen eine hochgenaue Referenztemperatur oder Temperaturmesseinrichtung zur Kalibration verfügbar sein muss. Oft übersteigen die akkumulierten Kalibrationskosten die Anschaffungskosten des Messsystems um ein Vielfaches ( O. Kanoun: „Neuartige Modelle zur kalibrationsfreien Temperaturmessung mit pn-Übergängen", Fortschritt-Berichte VDI Nr. 905 Kapitel 2, VDI-Verlag, 2001 ). Ein weiterer Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass wegen der Zufälligkeit der Drift- und Alterungseffekte, wie auch anderer Fehler innerhalb der Messkette, trotz eines hohen Kalibrationsaufwands nicht ausgeschlossen werden kann, dass es zwischen zwei Kalibrationen zu einer unakzeptablen Verschlechterung der Messgenauigkeit kommt.Therefore, usually a regular, often preventive calibration and adjustment of the temperature sensor is performed to ensure a tolerance band for the measurement error achieved. The time interval between two calibrations depends on the permitted tolerance band and the operating conditions of the sensor. It is chosen on the basis of empirical values such that the tolerance band is most likely not left between two successive calibrations. In most cases, this calibration does not lead to a departure from the permitted tolerance band, but due to the randomness of the drift and degradation effects, no better determination of the calibration interval is possible. Each calibration involves considerable effort and costs, since on the one hand the sensor must be removed (plant downtime, dismantling of plant components) and, on the other hand, a highly accurate reference temperature or temperature measuring device must be available for calibration. Often, the accumulated calibration costs exceed the acquisition costs of the measuring system many times ( O. Kanoun: "Novel models for calibration-free temperature measurement with pn transitions", Progress Reports VDI No. 905 Chapter 2, VDI-Verlag, 2001 ). Another disadvantage of this approach is that because of the randomness of the drift and aging effects, as well as other errors within the measurement chain, despite a high calibration effort can not be ruled out that there is an unacceptable deterioration of the measurement accuracy between two calibrations.

Es sind nun verschiedene Temperaturmessverfahren und Sensoranordnungen bekannt, die eine Aussage über den aktuellen Messfehler und den Zustand des Sensorelements zulassen. Eine ganze Reihe dieser Anordnungen basiert auf Sensorelementen nach dem Widerstandsthermometer-Prinzip. Dabei werden an einem einzelnen Sensorelement neben seinem temperaturabhängigen Widerstand auch weitere sogenannte Sekundär-Parameter wie z.B. Isolationswiderstand zum Gehäuse, Spannung zwischen Widerstand und Gehäuse, Self-Heating-Index, usw. gemessen. Aus diesen Werten wird dann der eigentliche Temperatur-Messwert, wie auch eine Schätzung des Sensorzustands und des aktuellen Messfehlers abgeleitet ( WO 00/11524 , WO 00/23776 , US 5,828,567 ).Various temperature measuring methods and sensor arrangements are now known which permit a statement about the current measuring error and the condition of the sensor element. A whole range of these arrangements is based on sensor elements according to the resistance thermometer principle. In this case, other so-called secondary parameters such as insulation resistance to the housing, voltage between resistor and housing, self-heating index, etc. are measured on a single sensor element in addition to its temperature-dependent resistance. From these values, the actual temperature measured value, as well as an estimate of the sensor state and the current measuring error are derived ( WO 00/11524 . WO 00/23776 . US 5,828,567 ).

Zur Bestimmung dieser Sekundärparameter ist jedoch ein nicht unerheblicher Mehraufwand in der Sensorauswertung notwendig. Vor allem muss für eine zuverlässige Drift- oder Degradationsüberwachung sichergestellt werden, dass die Erfassung der Sekundärparameter langzeitstabil, zuverlässig und gegenüber dem üblichen, störenden Industrieumfeld robust erfolgt, sowie deren eigene Temperaturabhängigkeit kompensiert wird. Dadurch übersteigt der Aufwand zur Bestimmung der Sekundärparameter leicht den der eigentlichen Temperaturmessung. Eine erhebliche Schwierigkeit liegt außerdem darin, aus den vorliegenden Sekundärparametern auf den aktuellen Messfehler und den Zustand des Sensorelements zu schließen. Hierzu ist ein individueller Abgleich- bzw. Lernvorgang auf das gerade angeschlossene Widerstands-Messelement erforderlich. Durch die Verwendung nur eines Sensorelements ist außerdem nach der Detektion eines erhöhten Messfehlers oder nach einem kompletten Ausfall des Sensorelements mit sofortiger Wirkung keine Temperaturmessung mehr möglich. Diese Gründe führen dazu, dass bis zum Zeitpunkt der Patentanmeldung kein Serien-Messgerät auf Basis dieser Messverfahren verfügbar war.to Determination of these secondary parameters is However, a not inconsiderable additional effort in the sensor evaluation necessary. Above all, for a reliable Drift or degradation monitoring ensure that the capture of secondary parameters long-term stable, reliable and opposite the usual, disturbing Industrial environment robust and their own temperature dependence is compensated. This exceeds the effort to determine the secondary parameters slightly the actual Temperature measurement. Another major difficulty is from the available secondary parameters to the current measurement error and the state of the sensor element close. For this purpose, an individual matching or learning process on the just connected resistance measuring element required. By the Use of only one sensor element is also after the detection of a increased Measuring error or after a complete failure of the sensor element no temperature measurement possible with immediate effect. These reasons to lead to that by the time of the patent application no serial meter based on This measurement method available was.

Eine zweite Gruppe von selbstüberwachenden Temperaturmessverfahren beruht auf der Kombination mehrerer Sensorelemente und derer paralleler Auswertung.A second group of self-monitoring Temperature measuring method is based on the combination of several sensor elements and their parallel evaluation.

Bei den Verfahren nach WO 98/08067 , WO 01/03099 , US 6,473,708 und EP 0 775 897 A1 werden Kombinationen von Thermoelementen mit anderen Temperaturmessprinzipien vorgeschlagen, um die begrenzte Langzeitstabilität einer Thermoelementmessung zu verbessern bzw. um deren Drifteffekte detektieren zu können. Thermoelemente weisen z.B. gegenüber Platinwiderstands-Messelementen in vielen Anwendungen ein schlechteres Langzeitverhalten auf, so dass eine zuverlässige und stabile Messung der Temperatur nur über relativ kurze Zeiträume möglich ist. Gegenüber einer reinen, einzelnen Thermoelementmessung werden jedoch durch eine Schätzung der Temperatur aus mehreren Sensorwerten über eine längere Zeit kleinere Messfehler erzielt. Außerdem kann eine Überschreitung des Messfehlers erkannt werden.In the case of WO 98/08067 . WO 01/03099 . US 6,473,708 and EP 0 775 897 A1 Combinations of thermocouples with other temperature measuring principles are proposed in order to improve the limited long-term stability of a thermocouple measurement or to detect their drift effects can. For example, in many applications thermocouples have poorer long-term behavior than platinum resistance measuring elements, so that a reliable and stable measurement of the temperature is only possible over relatively short periods of time. Compared to a pure, individual thermocouple measurement, however, an estimate of the temperature from a plurality of sensor values over a relatively long time results in smaller measurement errors. In addition, an exceeding of the measurement error can be detected.

Ein Nachteil dieser Methode ist, dass zumindest eine anfängliche, aufwändige gegenseitige Kalibration der Fühlerkombination erforderlich ist, bei der alle temperaturabhängigen, in die spätere Messung mit einbezogenen Größen über der Temperatur erfasst werden, um eine Referenzdatenbasis zum späteren Vergleich mit den aktuellen Messwerten zur Verfügung zu haben ( D. A. Barberree: "Dynamically Self-Validating Contact Temperature Sensors", Accu-Tru International Corporation, 1996 ).A disadvantage of this method is that at least an initial, complex mutual calibration of the sensor combination is required, in which all temperature-dependent, included in the later measurement variables over temperature are detected to provide a reference database for later comparison with the current measurements to have ( DA Barberree: Dynamically Self-Validating Contact Temperature Sensors, Accu-Tru International Corporation, 1996 ).

Ein weiterer Nachteil dieses Messprinzips ist die Notwendigkeit zur Messung und Auswertung mehrerer völlig unterschiedlicher Messprinzipien (z.B. Thermospannung und Widerstandswert). Hierdurch steigt die Komplexität und Störanfälligkeit der Sensorauswertung an, da zwei völlig unterschiedliche Messkanäle über den gesamten Messbereich eine hohe Genauigkeit und Robustheit gegenüber Störungen aufweisen müssen.One Another disadvantage of this measurement principle is the need for Measurement and evaluation of several completely different measuring principles (e.g. Thermoelectric voltage and resistance value). This increases the complexity and susceptibility to interference the sensor evaluation, since two completely different measuring channels on the entire measuring range has a high accuracy and robustness against interference have to.

Eine redundante Auswertung zweier gleicher Fühlerelemente (2× Thermoelement, 2× Platinwiderstandsfühler) mit Vergleich der beiden gemessenen Temperaturen ist ebenfalls bekannt und als industrieller Sensor als Seriengerät verfügbar. Die hier realisierte homologe Redundanz hat den Nachteil, dass sich die gleichen Messelemente bei Umwelteinwirkungen (Thermalzyklen, Alterung) oder bei Fehlerzuständen (z.B. Isolationsfehler durch Wasser im Messfühler) ähnlich gleichsinnig verhalten und sich so durch ein Vergleich der redundant gemessenen Temperaturen nicht sicher eine Messwertdrift detektieren lässt.A redundant evaluation of two identical sensor elements (2 × thermocouple, 2 × platinum resistance sensor) with Comparison of the two measured temperatures is also known and available as an industrial sensor as a standard device. The realized here Homologous redundancy has the disadvantage of having the same measuring elements in the case of environmental effects (thermal cycles, aging) or fault conditions (e.g. Insulation error due to water in the sensor) behave similarly in the same direction and so by comparing the redundantly measured temperatures not sure a measured value drift can be detected.

Gerade bei Widerstands-Temperaturmesselementen, bei denen in der Praxis immer wieder Isolationsprobleme beispielsweise durch eingedrungenes Messmedium im Fühler, wie auch Wasser in den Fühlerleitungen auftreten, ist durch den parallel zum Widerstand des Sensorelements liegenden Isolationswiderstand eine fehlerhafte Temperaturmessung wahrscheinlich. Da ein solcher Isolationsfehler bei zwei räumlich nahe liegenden Elementen (im gleichen Fühlerschutzrohr) einen ähnlichen bis gleichen Parallelwiderstand hervorruft (Gleichtaktfehler), wird auch die ausgewertete Temperaturdifferenz der beiden Fühlerelemente klein bleiben, obwohl die absolut gemessene Temperatur bereits deutlich von ihrem Sollwert abweicht. Dies führt selbst bei Anordnungen mit mehreren Platin-Widerstandmesselementen unterschiedlichen Nennwiderstands (aber gleicher Kennliniencharakteristik mit positivem Temperaturkoeffizient) zu einer schlechten, zum Teil unmöglichen Detektier barkeit eines absoluten Temperaturmessfehlers durch Vergleich der gemessenen Einzeltemperaturen.Just in resistance temperature sensing elements, where in practice again and again isolation problems, for example, by penetrated Measuring medium in the sensor, as well as water in the sensor lines is due to the parallel to the resistance of the sensor element lying insulation resistance probable a faulty temperature measurement. Because such an insulation fault in two spatially close elements (in the same sensor protection tube) a similar one until same parallel resistance causes (common mode error), too the evaluated temperature difference of the two sensor elements stay small, although the absolute temperature measured already clear deviates from its nominal value. This leads even with arrangements several platinum resistance measuring elements of different nominal resistance (but same characteristic with positive temperature coefficient) to a bad, partly impossible detectability absolute temperature measurement error by comparing the measured individual temperatures.

Eine weitere Möglichkeit, den Kalibrationsaufwand zu reduzieren, ist der Einsatz einer sogenannten kalibrationsfreien Temperaturmessung auf Basis von Halbleiter PN-Übergängen ( DE 197 10 829 A1 ; US 5,982,221 ; US 5,195,827 ; O. Kanoun: "Kalibrationsfreie Temperaturmessung auf Basis von bipolaren Transistoren, neue Perspektiven für die Messtechnik", Zeitschrift tm 4/2002, Oldenburg Verlag, 2002 ).Another possibility for reducing the calibration effort is the use of a so-called calibration-free temperature measurement based on semiconductor PN junctions ( DE 197 10 829 A1 ; US 5,982,221 ; US 5,195,827 ; O. Kanoun: "Calibration-free temperature measurement based on bipolar transistors, new perspectives for metrology", Zeitschrift tm 4/2002, Oldenburg Verlag, 2002 ).

Hier erfolgt die Temperaturbestimmung auf Basis verschiedener Kennlinien-Modelle der Strom-/Spannungskennlinie eines PN-Übergangs und der Messung verschiedener Strom-/Spannungspunkte dieser Kennlinie. Auf Basis dieser Schar von Kennlinienpunkte werden alle Parameter des Kennlinienmodells ermittelt. Ein Parameter ist dabei die Temperatur der Sperrschicht, die dann als Temperatur-Messwert verfügbar ist. Durch die universelle Gültigkeit dieses Kennlinienmodells kann nahezu jeder beliebige Halbleiter PN-Übergang ohne vorherige Kalibration mit hoher Genauigkeit auf seine Temperatur hin ausgewertet werden.Here The temperature is determined on the basis of various characteristic models of the current / voltage characteristic a PN transition and the measurement of different current / voltage points of this characteristic. On the basis of this group of characteristic points all parameters become of the characteristic model. One parameter is the temperature the barrier, which is then available as a temperature reading. By the universal validity This characteristic model can be almost any semiconductor PN junction without prior calibration with high accuracy to its temperature be evaluated.

Dabei zeigen sich die Verfahren zwar robust gegenüber Parameterveränderungen und -streuung des jeweiligen gemessenen PN-Übergangs. Sie führen jedoch dann zu unzuverlässigen Messwerten, wenn der zu messende PN-Übergang derart degradiert, dass sein Verhalten (teilweise) nicht mehr dem zu Grunde liegenden Kennlinienmodell entspricht. Elektrische oder elektromechanische Degradationen innerhalb der Messkette (z.B. elektrische Störungen, EMV oder Leitungskorrosion) können ebenfalls die Schar von Messpunkte so verfälschen, dass die darauf basierende Kennlinienbestimmung ungenau wird.there Although the methods are robust to parameter changes and scattering of the respective measured PN junction. They lead however then too unreliable Measured values if the PN junction to be measured so degraded that his behavior (partially) no longer that too Underlying characteristic model corresponds. Electrical or electromechanical Degradation within the measurement chain (e.g., electrical noise, EMC or line corrosion) also falsify the flock of measurement points so that the based on it Characteristic determination becomes inaccurate.

Der Aufwand zur Aufnahme der Kennlinienpunkte, wie auch deren Weiterverarbeitung zu einem Kennlinienmodell ist dabei oft erheblich höher, als die Messung z.B. eines Widerstands-Temperaturmesselements.The effort to record the characteristics Points, as well as their further processing to a characteristic model is often considerably higher than the measurement of eg a resistance temperature measurement element.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen langzeitstabilen Temperatursensor zu entwickeln, der das Verlassen definierter Messtoleranzgrenzen oder den teil- oder vollständigen Defekt der Temperaturmessung automatisch detektieren kann.Of the Invention is based on the object, a long-term stable temperature sensor To develop, the leaving of defined measuring tolerance limits or the partial or complete Defect of the temperature measurement can detect automatically.

Von besonderer Wichtigkeit ist hierbei das zuverlässige Erkennen von Gleichtaktfehlern.From Of particular importance here is the reliable detection of common mode errors.

Zur Temperaturmessung, wie auch zur Selbstüberwachung, soll möglichst nur ein Typ von Messsignal erfasst werden müssen. Damit kann die zum Sensor gehörende Auswerteelektronik einfach, zuverlässig und günstig gehalten werden.to Temperature measurement, as well as for self-monitoring, should as possible only one type of measurement signal has to be detected. This can be the sensor belonging Evaluation electronics are kept simple, reliable and cheap.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Sensoranordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand weiterer Ansprüche.The Asked object is achieved by the sensor arrangement solved according to claim 1. advantageous versions are the subject of further claims.

Die erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet mindestens zwei Sensorelemente mit temperaturabhängiger Impedanz, die innerhalb eines Sensorkopfs thermisch gekoppelt integriert sind.The inventive arrangement includes at least two sensor elements with temperature-dependent impedance, which are integrated thermally coupled within a sensor head.

Dabei ist hervorzuheben, dass die temperaturabhängigen Impedanzen möglichst unterschiedliche Temperatur-/Widerstandskennlinien (Kennlinie "A" und "B") aufweisen, um so eine diversitäre Redundanz der Fühlerelemente zu gewährleisten.there It should be emphasized that the temperature-dependent impedances as possible different temperature / resistance characteristics (characteristic "A" and "B") to have such a diversified Redundancy of the sensor elements to ensure.

Die Sensorrohdaten aus dem Sensorkopf gelangen in die Messwertverarbeitung. Diese werden hier weiterverarbeitet und die entsprechenden Sensorausgangsinformationen (wie beispielsweise einen der Messtemperatur proportionalen Strom oder ein separater Diagnoseausgang) daraus erzeugt, die dann zur weiteren Verarbeitung an eine übergeordnete Steuerinstanz weitergeleitet werden.The Raw sensor data from the sensor head enter the measured value processing. These are further processed here and the corresponding sensor output information (Such as a current proportional to the measuring temperature or a separate diagnostic output) generated therefrom, which then to further processing to a parent Control instance forwarded.

Zur Detektion möglicher Fehler oder Drifteffekte werden die gemessenen Temperaturen aller Sensorelemente unabhängig voneinander bestimmt und dann miteinander verglichen. Übersteigt das Ergebnis dieses Temperaturvergleichs einen ersten definierten Schwellwert, kann von einer beginnenden De gradation der Messung ausgegangen werden. In diesem Falle gibt das Temperaturmesssystem eine Warnung aus.to Detection possible Errors or drift effects become the measured temperatures of all sensor elements independently determined from each other and then compared. exceeds the result of this temperature comparison defines a first Threshold, may be from a beginning de gradation of the measurement be assumed. In this case, the temperature measuring system gives a warning.

Überschreitet das Vergleichsergebnis einen zweiten, höheren Schwellwert, so ist von einer fehlerhaften Temperaturmessung auszugehen. Das Temperaturmesssystem gibt einen Alarm aus.exceeds the comparison result a second, higher threshold, so is from to assume a faulty temperature measurement. The temperature measuring system gives an alarm.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die zu messende Temperatur gleichzeitig mittels mehrerer diversitärer Temperaturmesskanäle erfasst werden kann, die eine hohe Diskriminierung von Gleichtaktfehlern ermöglichen, aber dazu bei allen Messkanälen lediglich die Messung des elektrischen Widerstands erforderlich ist. Dadurch kann die am Sensorkopf angeschlossene Auswertung relativ einfach und günstig realisiert werden. Der Gleichlauf der einzelnen Messkanäle innerhalb der Auswertung über beispielsweise Temperatur und Betriebszeit wird so mit minimalem Aufwand erreichbar.The particular advantages of the invention are that the temperature to be measured simultaneously detected by means of several diversified temperature measuring channels which can be a high discrimination of common mode errors enable, but for all measuring channels only the measurement of electrical resistance required is. As a result, the evaluation connected to the sensor head can be relative realized simply and favorably become. The synchronization of the individual measuring channels within the evaluation via, for example Temperature and operating time can be reached with minimal effort.

Durch die Verwendung mehrerer Temperaturmesskanäle weist die Erfindung außerdem den Vorzug auf, dass bei Ausfall von Temperaturmesskanälen eine weiterlaufende Temperaturmessung mit den noch verbliebenen intakten Messkanälen möglich ist (Backup-Funktion).By the use of several temperature measuring channels, the invention also has the advantage on, that in case of failure of temperature measuring channels a continuing temperature measurement with the remaining intact measuring channels is possible (backup function).

Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass die Sensorelemente mit einer hohen Langzeitstabilität verfügbar sind und so auch die daraus resultierende ausgewertete Messtemperatur eine hohe Langzeitstabilität aufweist.One Another advantage of this invention is that the sensor elements with a high long-term stability available and so are the resulting evaluated measurement temperature a high long-term stability having.

Falls nach längerer Zeit doch eine Degradation der Sensorelemente einsetzt, wird dies vom Sensor selbständig erkannt. Damit ist eine zustandsabhängige Kalibration, Wartung und Instandsetzung des Temperatursensors möglich, die dem Betreiber einen wesentlichen Vorteil bei den Gesamt-Betriebskosten seiner Anlage beschert.If after a long time Time but a degradation of the sensor elements used, this is independently from the sensor recognized. This is a condition-dependent calibration, maintenance and repair of the temperature sensor possible, which gives the operator a significant advantage in the total operating costs of its plant bestowed.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für folgende Anwendungsgebiete:

  • • Temperaturmessungen, bei denen der Messwert für Sicherheitsaufgaben herangezogen wird und deshalb hochzuverlässig verfügbar sein muss.
  • • Temperaturmessungen innerhalb von Anlagen bei denen die Messtemperatur einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität oder die Ausbeute des hergestellten Produkts hat.
  • • Temperaturmessstellen, die nach dem Einbau in einer Anlage nur sehr schwer oder mit großem Aufwand erreichbar sind und deshalb deren Wartungs- und Instandhaltungsaufwand minimal sein muss.
  • • Temperaturmessungen, bei denen eine falsche oder ungenaue Messung finanzielle, ökologische oder gesundheitliche Folgen haben kann.
  • • Temperaturmessungen, bei denen bei einer beginnenden Degradation der Messung sichergestellt sein muss, dass für einen beschränkten Zeitraum ein mindestens eingeschränkter Messbetrieb verfügbar bleibt (z.B. um die Anlage in einen sicheren Zustand zu bringen).
The invention is particularly suitable for the following fields of application:
  • • Temperature measurements in which the measured value is used for safety tasks and therefore must be available with high reliability.
  • • Temperature measurements within systems where the measurement temperature has a significant impact on the quality or yield of the product being manufactured.
  • • Temperature measuring points, which are very difficult or difficult to reach after installation in a system and therefore their maintenance and repair costs must be minimal.
  • • Temperature measurements where a false or inaccurate measurement can have financial, environmental or health consequences.
  • • Temperature measurements which, if the measurement begins to degrade, must ensure that at least a limited measuring operation remains available for a limited period of time (eg to bring the system to a safe state).

Die Erfindung wird im Folgenden anhand beispielhafter Ausführungen sowie unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to game versions and with reference to drawings explained in more detail. Show it:

1 ein Blockschaltbild der zuvor beschriebenen allgemeinen Sensoranordnung, 1 a block diagram of the previously described general sensor arrangement,

2 ein Detail einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Reihenschaltung, 2 a detail of a sensor arrangement according to the invention in series,

3 ein Detail einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Parallelschaltung, 3 a detail of a sensor arrangement according to the invention in parallel,

4 ein beispielhafter mechanischer Aufbau des Sensorkopfs. 4 an exemplary mechanical construction of the sensor head.

1 zeigt die grundsätzliche erfindungsgemäße Sensoranordnung. Innerhalb eines Sensorkopfs (1) sind Widerstands-Messelemente (2 und 3) mit ihren unterschiedlichen Widerstands-/Temperaturkennlinien A und B thermisch gekoppelt integriert. Ihre Sensor-Rohdaten (4) werden in der Messwertverarbei tung (5) weiterverarbeitet und daraus die Sensorausgangsinformationen (6) gebildet, die einer übergeordneten Steuerinstanz (7) zur Verfügung gestellt werden. 1 shows the basic sensor arrangement according to the invention. Within a sensor head ( 1 ) are resistance measuring elements ( 2 and 3 ) integrated with their different resistance / temperature characteristics A and B thermally coupled. Your sensor raw data ( 4 ) are used in measured value processing ( 5 ) and from this the sensor output information ( 6 ), which is an overriding tax authority ( 7 ) to provide.

Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt 2. Hier ist ein Widerstandstemperatur-Sensorelement mit negativem Temperaturkoeffizient (9) mit einem Widerstandstemperatur-Sensorelement mit positivem Temperaturkoeffizient (8) in Reihenschaltung verschaltet. Beide Temperaturfühler sind thermisch miteinander gekoppelt in einem Sensorkopf (1) integriert. Die Verbindung zur Messwertverarbeitung (5) erfolgt über eine 4- oder 5-polige Verbindung.A first advantageous embodiment of the invention shows 2 , Here is a resistance temperature sensor element with a negative temperature coefficient ( 9 ) with a resistance temperature sensor element having a positive temperature coefficient ( 8th ) connected in series connection. Both temperature sensors are thermally coupled together in a sensor head ( 1 ) integrated. The connection to the measured value processing ( 5 ) via a 4- or 5-pole connection.

Die Sensorquelle (15) treibt einen Messstrom (13) durch die temperaturabhängigen Widerstände der Sensorelemente (8/9). Die an den Sensorelementen abfallenden Spannungen (14) können über elektrische Anschlüsse von der Messwertverarbeitung (5) abgegriffen werden. Bei Verwendung der gängigen 3- bzw. 4-Leiter Widerstandsmesstechnik gehen Leitungswiderstände R11 ... R14 (10 ... 13) dieser Verbindungsleitungen nicht in das Messergebnis verfälschend mit ein.The sensor source ( 15 ) drives a measuring current ( 13 ) by the temperature-dependent resistances of the sensor elements ( 8th / 9 ). The voltages dropping at the sensor elements ( 14 ) can be connected to the measured value processing via electrical connections ( 5 ) are tapped. When using the conventional 3- or 4-wire resistance measurement technology, line resistances R11 ... R14 ( 10 ... 13 ) of these connecting lines not falsifying with the measurement result.

Eine Erweiterung der erfindungsgemäßen Reihenschaltung zweier Sensorelemente um weitere in Reihe geschalteter resistiver Sensorelemente, ist für den Fachmann leicht ersichtlich. Ebenso ist für den Fachmann leicht ersichtlich, dass die Reihenfolge der beiden Sensorelemente (8/9) innerhalb der vom Messstrom Im (13) durchflossenen Reihenschaltung beliebig sein kann.An extension of the series connection of two sensor elements according to the invention by further series-connected resistive sensor elements will be readily apparent to those skilled in the art. Likewise, it is readily apparent to one skilled in the art that the order of the two sensor elements ( 8th / 9 ) within the measuring current Im ( 13 ) can be arbitrary series connection.

Vorteilhaft ist bei dieser Sensoranordnung, dass durch die unterschiedlichen Vorzeichen der Temperaturkoeffizienten der Widerstands-Messelemente eine sehr gute Diskriminierung von Gleichtakt-Messfehlern erreichbar ist. Durch die Reihenschaltung kann außerdem die Anzahl der Verbindungsleitungen zwischen Sensorkopf (1) und Messwertverarbeitung (5) reduziert werden.It is advantageous in this sensor arrangement that a very good discrimination of common mode measurement errors can be achieved by the different signs of the temperature coefficient of the resistance measuring elements. Due to the series connection, the number of connecting lines between the sensor head ( 1 ) and measured value processing ( 5 ) are reduced.

Eine zweite Lösungsvariante für einen erfindungsgemäßen Sensorkopf zeigt 3. Hier werden im Gegensatz zu 2 die Temperatur-Widerstandsmesselemente (8/9) in einer Parallelschaltung kombiniert. Auch hier weisen beide Messelemente vorzeichenverschiedene Temperaturkoeffizienten auf und sind thermisch gekoppelt.A second solution variant for a sensor head according to the invention shows 3 , Here, unlike 2 the temperature resistance measuring elements ( 8th / 9 ) in a parallel connection. Here, too, both measuring elements have sign-different temperature coefficients and are thermally coupled.

Die Ströme Im1 und Im2 durch die Sensorelemente (13) werden von den beiden Sensorquellen (15) getrieben. Die Spannungsabfälle über den Sensorelementen (14) werden wiederum von der Messwertverarbeitung (5) abgegriffen.The currents Im1 and Im2 through the sensor elements ( 13 ) are generated by the two sensor sources ( 15 ). The voltage drops across the sensor elements ( 14 ) are again determined by the measured value processing ( 5 ).

Neben den Vorteilen der ersten Ausgestaltung führt hier eine fehlerhafte Unterbrechung eines der Sensorelemente nicht zum kompletten Ausfall des Sensorkopfs, da durch die Parallelschaltung beide Sensorelemente unterschiedliche Strompfade haben. So kann die Widerstandsmessung mit dem jeweils noch intakten Messelement fortgesetzt werden.Next the advantages of the first embodiment leads here a faulty interruption one of the sensor elements not to complete failure of the sensor head, because by the parallel connection both sensor elements different Have rungs. Thus, the resistance measurement with the respective still intact measuring element will be continued.

Eine Erweiterung der beschriebenen Parallelschaltung um weitere parallel oder in Serie geschaltete resistive Sensorelemente, ist für den Fachmann leicht ersichtlich und ohne größeren Aufwand möglich.A Extension of the described parallel connection by further parallel or series-connected resistive sensor elements is for those skilled in the art easily visible and possible without much effort.

Unabhängig von der gewählten Lösungsvariante können die Sensorquellen (15) auch über Schaltelemente (16) geschaltet betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass die Eigenerwärmung der Sensorelemente (8/9) durch Pulsbetrieb verringert wird und bei Teildefekten im Sensorkopf durch entsprechendes Schalten der Sensorquellen ein teilweiser Weiterbetrieb ermöglicht wird (Redundanzumschaltung).Regardless of the solution chosen, the sensor sources ( 15 ) also via switching elements ( 16 ) operated switched. This has the advantage that the self-heating of the sensor elements ( 8th / 9 ) is reduced by pulse operation and partial defects in the sensor head by appropriate switching of the sensor sources a partial further operation is made possible (redundancy switching).

Unabhängig von der gewählten Lösungsvariante können durch Erweiterung der Sensordatenerfassung (5) noch beispielsweise folgende sekundäre Messdaten des Sensorkopfes (1) zur Verbesserung der Messgenauigkeit, der Verminderung der Ansprechzeit des Sensors oder zur Erweiterung der Drift- und Fehlerüberwachung erfasst werden:

  • • Thermospannungen im Sensorkopf und auf den Verbindungsleitungen zwischen Sensorkopf und Sensorauswertung zur Fehlerkompensation.
  • • Vergleich des in den Sensorkopf (1) einfließenden Messstroms
  • • mit dem aus dem Sensorkopf ausfließenden Messstrom.
  • • Leckströme zwischen den Anschlüssen des Sensorkopfs und dessen Gehäuse.
  • • Messung des Selbsterwärmungseffektes durch Einprägen verschieden großer Ströme in die Temperaturfühler und Bestimmung der Änderung ihrer Sensordaten als Integritätskontrolle und zur Kompensation des Selbsterwärmungsfehlers der Fühlerelemente.
  • • Zeitlicher Gradient der erfassten Sensordaten
Regardless of the chosen solution variant, by extending the sensor data acquisition ( 5 ), for example, the following secondary measurement data of the sensor head ( 1 ) to improve the measuring accuracy, reduce the response time of the sensor or to extend the drift and error monitoring are recorded:
  • • Thermoelectric voltages in the sensor head and on the connecting cables between sensor head and sensor evaluation for error compensation.
  • • Comparison of the in the sensor head ( 1 ) flowing measuring current
  • • with the measuring current flowing out of the sensor head.
  • • Leakage currents between the connections of the sensor head and its housing.
  • • Measurement of the self-heating effect by Imprinting currents of different magnitude into the temperature sensors and determining the change of their sensor data as integrity check and for compensation of the self-heating error of the sensor elements.
  • • Time gradient of the collected sensor data

Unabhängig von der gewählten Ausgestaltung der Erfindung muss dafür gesorgt werden, dass beide Messelemente einen möglichst guten thermischen Gleichlauf haben, damit auch bei Temperaturgradienten am Sensorkopf die beiden gemessenen Elementtemperaturen nicht auseinander laufen und so die Messwertauswertung (5) fälschlicherweise eine Degradation der Sensorelemente detektieren würde. Dies kann dadurch erreicht werden, dass entsprechend 4 die beiden Messelemente räumlich nahe in ein Material „K" mit relativ geringem Wärmewiderstand und/oder hoher thermischer Kapazität eingebettet werden. Dadurch ist eine gute thermische Kopplung zwischen den beiden Sensorelementen sichergestellt. Die räumliche Anordnung der Sensorelemente kann dabei sowohl nebeneinander (wie in 4) als auch hintereinander im Sensorkopf erfolgen und ist abhängig von der jeweiligen Anwendung (z.B. Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums) oder geometrischen Ausgestaltung des Sensorkopfs.Regardless of the chosen embodiment of the invention, it must be ensured that both measuring elements have the best possible thermal synchronization, so that even with temperature gradients at the sensor head, the two measured element temperatures do not diverge and thus the measured value evaluation ( 5 ) would erroneously detect a degradation of the sensor elements. This can be achieved by correspondingly 4 the two measuring elements are spatially closely embedded in a material "K" with relatively low thermal resistance and / or high thermal capacity, thereby ensuring a good thermal coupling between the two sensor elements The spatial arrangement of the sensor elements can be arranged side by side (as in FIG 4 ) as well as one behind the other in the sensor head and is dependent on the particular application (eg flow velocity of the measuring medium) or geometric design of the sensor head.

Diese Anordnung wird von einem zweiten Material „R" zumindest teilweise umschlossen, das einen höheren Wärmewiderstand besitzt und die Schnittstelle zum zu messenden Medium bildet. Dieses zweite Material kann auch als Schutzrohr ausgebildet sein, das für eine hermetische Trennung zwischen Sensorelementen und Messmedium sorgt.These Arrangement is at least partially enclosed by a second material "R", the one higher thermal resistance owns and forms the interface to the medium to be measured. This second material may also be formed as a protective tube, which is for a hermetic Separation between sensor elements and measuring medium ensures.

Erfährt der Sensorkopf nun vom Medium her einen Temperaturgradienten, wird dieser durch das Material „R" verhältnismäßig schlecht übertragen, während durch Material „K" dafür gesorgt ist, dass der dann noch an den Messelementen ankommende Temperaturgradient möglichst uniform beide Messelemente trifft.Learns the Sensor head now from the medium ago a temperature gradient, this is transmitted relatively poorly by the material "R" while passing through Material "K" ensured is that the then still arriving at the measuring elements temperature gradient preferably uniformly meets both measuring elements.

Die thermischen Widerstände der Materialien „R" und „K" bilden so zusammen mit den thermischen Kapazitäten der Sensorelemente wie auch der Materialien „R" und „K" eine Art thermischen Tiefpass, der den thermischen Gleichlauf beiden Sensorelemente verbessert.The thermal resistances The materials "R" and "K" thus form together with the thermal capacities the sensor elements as well as the materials "R" and "K" a kind of thermal low pass, the the thermal synchronization improves both sensor elements.

Claims (10)

Anordnung von mehreren Sensorelementen zum zuverlässigen Messen einer Temperatur dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorelemente – temperaturabhängige elektrische Impedanzen aufweisen, die sich im Temperaturkoeffizienten (AB) unterscheiden und – thermisch miteinander und mit dem zu messenden Medium gekoppelt in einem Sensorkopf integriert sind.Arrangement of a plurality of sensor elements for reliably measuring a temperature, characterized in that all the sensor elements - have temperature-dependent electrical impedances which differ in the temperature coefficient (AB) and - are thermally integrated with each other and coupled to the medium to be measured in a sensor head. Anordnung aus Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – der Temperaturkoeffizient der elektrischen Impedanz mindestens eines Sensorelements ein negatives Vorzeichen aufweist, – während mindestens ein weiteres Sensorelement einen positiven Temperaturkoeffizienten der elektrischen Impedanz besitzt.Arrangement according to claim 1, characterized that - of the Temperature coefficient of the electrical impedance of at least one Sensor element has a negative sign, - while at least another sensor element has a positive temperature coefficient has the electrical impedance. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass – die temperaturabhängigen Impedanzen in einer elektrischen Reihenschaltung angeordnet sind und – die Spannungsabfälle bei Bedarf über jeder einzelnen Impedanz über einen elektrischen Anschluss zur Auswertung elektrisch abgreifbar sind.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized that - the temperature-dependent Impedances are arranged in an electrical series circuit and - the brownouts if necessary via every single impedance over an electrical connection for evaluation electrically tapped are. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass – die temperaturabhängigen Impedanzen in einer elektrischen Parallelschaltung angeordnet sind und – die Spannungsabfälle bei Bedarf über jeder einzelnen Impedanz über einen elektrischen Anschluss zur Auswertung elektrisch abgreifbar sind.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized that - the temperature-dependent Impedances are arranged in a parallel electrical circuit and - the brownouts if necessary via every single impedance over an electrical connection for evaluation electrically tapped are. Anordnung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass – die einzelnen parallelen Schaltungspfade separat durch entsprechende Schaltelemente ein- und ausgeschaltet werden können.Arrangement according to claim 4, characterized that - the separate parallel circuit paths separately by appropriate Switching elements can be switched on and off. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass – neben den temperaturabhängigen Impedanzen weitere, sekundäre Kenngrößen der Sensorelemente erfasst werden wie beispielsweise Thermospannungen zwischen den verschiedenen elektrischen Anschlüssen des Sensorkopfs, – Ströme und Spannungen zwischen den Sensorelementen und dem Sensorgehäuse, – Impedanzänderung durch Selbsterwärmung hervorgerufen durch unterschiedlich große Sensorströme, – Vergleich und Bilanz der in die Anordnung ein- und ausfließenden elektrischen Ströme, – Bestimmung der Leitungswiderstände zwischen Sensorkopf und Sensorauswertung oder – zeitliches Verhalten der einzelnen Messelement-Temperaturen bei Temperaturgradienten.Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized that - Next the temperature-dependent Impedances more, secondary Characteristics of the Sensor elements are detected such as thermal voltages between the different electrical connections of the sensor head, - Currents and voltages between the sensor elements and the sensor housing, - Impedance change caused by self-heating by different sizes Sensor currents - Comparison and balance of the incoming and outgoing electrical currents in the arrangement, - Determination the line resistance between sensor head and sensor evaluation or - temporal Behavior of the individual measuring element temperatures with temperature gradients. Sensorauswertung zu einer der Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Fehlmessung wie beispielsweise Drift, Degradation oder ein vollständiger Defekt der Sensorelemente erkannt werden kann durch: – Vergleich der separat erfassten Temperaturen der einzelnen Sensorelemente und/oder – Vergleich der sekundären Kenngrößen entsprechend Anspruch 6 und/oder – Vergleich der gemessenen Daten der Sensorelemente mit einem bereits der Auswertung bekannten Referenzdatensatz.Sensor evaluation for one of the arrangements according to one of claims 1 to 6, characterized in that a faulty measurement such as drift, degradation or a complete defect of the sensor elements can be detected by: - comparing the separately detected temperatures of individual sensor elements and / or - Comparison of the secondary characteristics according to claim 6 and / or - Comparison of the measured data of the sensor elements with a reference data already known to the evaluation. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensorelemente in ein erstes Material (K) eingebettet sind, das einen relativ niederen thermischen Widerstand aufweist und diese Anordnung – von einem zweiten Material (R) mindestens teilweise umschlossen ist, das einen im Vergleich zum ersten Material höheren thermischen Widerstand aufweist und die thermische Verbindung zum Messmedium herstellt.Arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized that - the Sensor elements are embedded in a first material (K), the has a relatively low thermal resistance and this arrangement - from a second material (R) is at least partially enclosed, the one in comparison to the first material higher thermal resistance has and makes the thermal connection to the measuring medium. Anordnung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Material (K) zusätzlich eine relativ hohe thermische Kapazität aufweist und so mit dem zweiten Material (R) einen „thermischen Tiefpass" bildet.Arrangement according to claim 8, characterized that - the first material (K) additionally has a relatively high thermal capacity and so with the second Material (R) a "thermal Lowpass "forms. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensorelemente durch eine Schutzschicht, wie beispielsweise ein Schutzrohr, vom Messmedium getrennt sind.Arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized that - the Sensor elements through a protective layer, such as a Protective tube, are separated from the measuring medium.
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