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"Meßanordnunx mit einem elektrischen BerUhrungsthermometer"
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung mit einem elektrischen
Bertihrungsthermometer, im Fall eines Widerstandsthermometers mit mindestens einem
meßaktiven spulenförmigen elektrischen Leiter.
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Die Meßanordnung kann fUr die laufende Kalibrierung von elektrischen
Berührungsthermometern, wie Widerstandsthermometern und Thermoelementen, verwendet
werden.
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In der Betriebsmeßtechnik werden zur Temperaturmessung unter anderem
Widerstandsthermometer verwendet, deren physikalische grundlagen und Ausführungsformen
bekannt sind (L.Merz, wGrundkurs der Meßtechnik", Teil II, Oldenburg Verlag München-Wien
1970, S. 142 ff; "Messen und Regeln in der Wärme- und Chemietechnik", 5. Auflage,
Siemens AG, S. 45 ff).
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Bei der Anwendung eines Meßgerätes genügt es nicht, ein Gerät großer
Genauigkeit einzusetzen, es muß vielmehr sichergestellt werden, daß die im Neusustand
vorliegende Genauigkeit auch
während des Betriebes überwacht werden
kann. Durch mechanische oder chemische Einflüsse kann die zeitliche Konstanz der
Genauigkeit eines Meßwertaufnehmers, auch als Stabilität beseichnet, beeinträchtigt
werden.
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Bei einem industriell elngesetzten Widerstandsthermometer, dessen
Meßdraht in Form einer Spule in einer Glas- oder Keramikkonstruktion eingeschmolzen
ist, kommt es bei Temperaturänderungen zu Dehnungsunterschieden zwischen Isolator
und Meßdraht, obwohl das thermische Ausdehnungsverhalten beider Materialien soweit
wie möglich angepaßt worden ist. Diese mechanischen Beanspruchungen rufen elastische
und plastische Vertormungen des Meßdrahtes hervor, die zu reversiblen Widerstandsänderungen,
d.h. zu Hystereseerscheinungen führen können.
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Nysterese liegt dann vor, wenn sich fUr steigende Meßgrößen eine andere
Kennlinie ergibt als für fallende Meßgrößen. Diese Dehnungsunterschiede können 3edoch
auch, besonders im Tieftemperaturbereich, zu irreversiblen Änderungen des Meßfühlers
führen (W. Obrowski und J. Scholz, stand und Entwicklungstendenzen der Temperaturmessung
mit Widerstandsthermometer", VDI-Berichte, Nr. 198 (1973), S. 93 bis 101; t. Merz,
n Crundkurs der Meßtechnik", Teil II, Oldenburg, Verlag München-Wien, 1970, S. 38
ff). Mit diesen Verformungen des Neßdrahtes ist eine Widerstandsänderung und somit
eine fehlerhafte Neßgrößenanzeige verbunden. Den Extremfall einer irreversiblen
Änderung des Meßfühlers stellt der Bruch des meßaktiven Leiters dar.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, Meßanordnungen für die laufende
Überwachung eines elektrischen BerUhrungsthermometers mit meßaktiven elektrischen
Leitern zu entwickeln, die die im Laufe des Betriebes auftretenden Veränderungen
im Vergleich zu einer ursprünglichen Kalibrierung erkennen
und die
daraus resultierenden Fehler zwischen angezeigtem und wahrem Meßwert korrigieren
lassen.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einer
Überwachungseinrichtung für das Widerstandsthermometer, die die Kapazität und/oder
Induktivität bzw. die damit verkritipften physikalischen Eigenschaften des Meßfühlers
während des Betriebes als zusätzlichen Meßwert erfaßt und die mit einer Anzeigevorrichtung
und/oder Auswertevorrichtung ausgerUstet ist, die Änderungen dieser Hilfsmeßwerte
anzeigt und/ oder die Temperaturanzeige korrigiert.
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Die erfindungsgemäße Lösung für eine Meßanordnung mit einem Thermoelement
besteht in einer spulenförmigen Ausbildung einer seiner meßaktiven Leiter und durch
eine Uberwachungseinrichtung für das Thermoelement die dessen physikalische Eigenschaften
meßtechnisch während des Betriebes zusätzlich erfaßt und die mit einer Anzeigevorrichtung
und/oder Auswertevorrichtung ausgerUstet ist, die Änderungen dieser Hilfsmeßwerte
anzeigt und/oder die Temperaturanzeige korrigiert.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der meßaktive
Leiter beispielsweise als Sekundärspule zweier galvanisch getrennter 3edoch transformatorisch
gekoppelter Spulen geschaltet, wobei eine niederfrequente Hilfswechselspannung an
der Primärspule liegt und die in der Meßspule induzierte Spannung als zusätzlicher
Meßwert dient. Die Uberwachungseinrichtung besteht in diesem Fall aus einer Einrichtung
zur Messung der nach Anlegen einer Primärspannung in der Meßspule indusierten Sekundärspannung,
aus einer Anzeigevorrichtung für diese gemessene Spannung und aus einer Auswertevorrichtung,
die bei einer Abweichung der gemessenen Spannung von dem bei Eichung festgestellten
Wert die wahre Temperatur nach einer
Eichkurve ermittelt. Die Eichkurve
zeigt dabei die Abhängigkeit der Temperatur-Korrekturwerte von der festgestellten
Spannungsdifferenz auf und wird für ein Exemplar des verwendeten Widerstandsthermometers
ermittelt.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die Zuverlässigkeit der Temperataranzelge von elektrischen Berührungsthermometern
durch Ausnutzung von redundanter Information erhöht wird, ohne daß dabei prinzipielle
Neuentwicklungen für die Meßwertaufnehmer notwendig sind.
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Im folgenden werden einzelne Ausfüuuungsbeispiele der Erfindung beschrieben,
die in den Ansprüchen 3 bis 9 gekennzeichnet sind.
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Es zeigen: Fig. 1 prinzipielle Meßanordnung für Widerstandsthermometer
und Thermoelemente, Fig. 2 Meßanordnung mit Widerstandsthermometer und Induktivitätsmeßbrücke,
Fig. 3 Meßanordnung mit Widerstandsthermometer und gapasitätsmeßbrücke, Fig. 4a
Meßanordnung mit Widerstandsthermometer und Serienschwingkreis (strom/spannungsmessung),
Fig. 4b Meßanordnung mit Widerstandsthermometer und Parallelschwingkreis (Strom/Spannungsmessung),
Fig. 5a Meßanordnung mit Widerstandsthermometer und Scrienschwingkreis (Frequenzmessung),
Fig.
5b Meßanordnung mit Widerstandsthermometer und Parallelschwingkreis (Frequenzmessung),
Fig. 6 Meßanordnung mit Widerstandsthermometer in Spartransformatorausführung, Fig.
7 Meßanordnung mit Widerstandsthermometer in Doppelwendelausführung und Fig. 8 Meßanordnung
mit Thermoelement.
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In Figur 1 ist die für Widerstandsthermometer und Thermoelement in
gleicher Weise gültige prinzipielle Meßanordnung dargestellt. Das Widerstandsthermometer
1 bzw. das Thermoelement 18 ist zum einen mit einer herkömmlichen Meßschaltung zur
Temperaturmessung 3 beschaltet, zum anderen mit einer Überwachungseinrichtung 2.
Diese erfaßt meßtechnisch physikalische Eigenschaften des Meßfühlers, zeigt diese
Hilfswerte mittels einer Anzeigevorrichtung 4, beispielsweise einem Meßinstrument,
an und korrigiert mit Hilfe der Auswertevorrichtung 5 den Temperaturanzeigefehler
(AnsprUche1 und 2).
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Als Meßschaltung zur Temperaturmessung 3 wird für das Widerstandsthermometer
die Zweileiter-Quotientenschaltung gewählt, ohne daß sich dabei die Anwendung der
Erfindung auf diese Schaltungsart beschränkt; es können prinzipiell auch alle anderen
bekannten Widerstandsthermometer-Schaltungen verwendet werden.
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Bei einer gebräuchlichen Ausführungsform des Widerstandsthermometers
ist der Meßdraht beispielsweise auf ein Glasröhrchen aufgewickelt. Die Induktivität
dieses spulenförmig aufgebauten Widerstandadrahtes kann als unbekannte Me£)größe
mit
einer InduktivitätsmeBbrücke nach Maxwell-Wien bestimmt werden. In Figur 2 ist die
Meßanordnung hierzu dargestellt.
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Das Widerstandsthermometer 1 mit dem zu messenden Widerstand RT und
seiner als Kontrollgröße verwendeten Induktivität LT ist in Zweileiter-Quotientenschaltung
geschaltet.
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Eine Gleichstromquelle 6 speist huber einen Vorwiderstand R das Kreuzspulmeßwerk
7, das über eine Anschlußklemme 8 und über einen Abgleichwiderstand R2 und eine
Klemme 9 mit dem Viderstandsthermometer verbunden ist. Dieses ist gleichzeitig Bestandteil
einer Überwachungseinrichtung 2, die in diesem Fall aus einer Induktivitätsmeßbrücke
nach Maxwell-Wien besteht. Sie weist neben den zu messenden Elementen RT und 4 in
ihren weiteren Zweigen feste Widerstände R3 und R4 sowie einen variablen Widerstand
R5 und eine variable Kapazität C1 auf. Mittels eines Meßinstrumentes 10 kann nach
Anlegen einer Wechselspannungsquelle 11 die Strom bzw. Spannungslosigkeit an bzw.
zwischen den Klemmen des Meßwerkes mit Hilfe der variablen Elemente R5 und C1 eingestellt
und heraus die Induktivität h ermittelt werden.
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Die Abhängigkeit zwischen einer durch eine verursachende Forännderung
resultierenden Induktivitätsänderung und dem daraus entstehenden Temperaturanzeigefehler
ist eineichbar und somit kann bei einer gemessenen Induktivität, die vom Wert der
Induktivität des geeichten Thermometers abweicht, der Temperaturwert zum wahren
Wert hin mittels einer Auswertevorrichtung 5 korrigiert werden (Anspruch 3).
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Neben den induktiven hat der meßaktive elektrische Leiter eines Widerstandsthermometers
auch kapazitive Eigenschften.
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Der Kapazitätswert kann als unbekannte Meßgröße mittels einer Kapazitätsmeßbrücke
nach Schering bestimmt werden, wie Fig. 3 zeigt. Das Widerstandsthermometer 1, hier
dargestellt als Parallelschaltung seines ohmschen Werte RT und
seiner
kapazitiven Komponente CT ist wiederum in Zweileiter-Quotientenschaltung geschaltet
und gleichzeitig Bestandteil einer Überwachungseinrichtung 2, in diesem Fall einer
Kapazitätsmeßbrücke. Diese weist in ihren Zweigen einen Normalkondensator C3 sowie
variable Elemente C2 und R6 und einen Widerstand > auf. Nach Anlegen einer Wechselspannungsquelle
11 kann wiederum Strom- bzw. Spannungslosigkeit an bzw. zwischen den Klemmen des
Meßwerkes 10 mittels der vaiablen Elemente eingestellt und die Kapazität des Widerstandsthermo-Leiters
bestimmt werden. Eine durch Formänderung des Meßfühlers hervorgerufene Kapazitätsänderung
ist nach erfolgter Eichung ebenfalls ein Maß für die Meßwertkorrektur durch die
Ausvertevorrichtung 5 (Anspruch 4).
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In Figur 4a bzw. 4b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, hier wird der spulenförmige Meßwiderstand des Widerstandsthermometers
als Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises in Reihen- bzw. Parallelschaltung
verwendet. In Fig. 4a ist der Meßfühler des Widerstandsthermometers 1, dargestellt
durch RT und LT,in Serie mit einer susätzlichen Kapazität C4 geschaltet, dieser
Serienschwingkreis wird mittels einer hochfrequenten Wechselspannungsquelle 12 mit
der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bei geleichtem Thermometer erregt. Die während
des Betriebes des Viderstandsthermometers auftretenden möglichen Formänderungen
des spulenförmigen meßaktiven Leiters äußern sich als Verstimmung des Schwingkreises.
Die Größe dieser Verstimmung kann dadurch festgestellt werden, daß die Spannungen
an den Elementen oder die im Schw'ngkreis fließenden Ströme gemessen werden. In
vorliegendem Beispiel wird die Spannung an C4 mit tels eines Meßinstruients 13 bestimmt,
und zwar bei kalibriertem und bei terstirmten Schwingkreis. Die auftretenden SpannungsSnderungen
sind ein Maß für den Fehler in der Temperaturanzstige, der durch das Auswerteglied
korrigiert wird.
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Hierbei muß beachtet werden, daß durch eine rein ohmsche Widerstandsänderung
innerhalb eines Schwingkreises ebenfalls eine geringe Verstimmung erfolgt, die Jedoch
nicht als Fehler in der Temperaturanzeige gewertet werden darf. Dieser Einfluß auf
die Anzeige ist mittels einer Kompensationsschaltung zu eliminieren. I In Fig. 4b
wird parallel zum Widerstandsthermometer, das durch RT und LT dargestellt ist, ein
zusätzlicher Kondensator C5 geschaltet; aus dem unter 4a beschriebenen Serienschwingkreis
wird somit ein Parallelschwingkreis mit Serienwiderstand. Die weitere Meßanordnung
und is meßtechnische Vorgehen ist jedoch gleichartig wie unter 4a (Anspruch 5).
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Eine weitere AusfUhrungsform, die Verstimmung eines Resonanzkreises
zu erfassen, kann darin bestehen, die Jeweilige Resonanzfrequenz des Schwingkntses
mittels eines Frequenzmeßgerätes 14, beispielsweise eines Frequenzzählers, zu bestimmen,
wie Fig. 5a und 5b zeigen. Die hochfrequente Wechselspannungsquelle 12 muß also
in der Lage sein, eine Spannung variabler Frequenz zu erzeugen. Aus der Anderung
zwischen den Resonanzfrequenzen des geeichten und des verstimmten Schwingkreises
kann auf den Fehler in der Temperaturanzeige geschlossen und durch die Auswertevorrichtung
kann dieser korrigiert werden (Anspruch 6).
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In Fig. 6 ist in weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Das Widerstandsthermometer 1 weist eine Anzapfung 15 nach dem Spartransformatorprinzip
auf. Der Meßgleichspannungsquelle, enthalten in der Meßschaltung 3, wird eingangsseitig
eine Wechselspannungsquelle 11 parallelgeschaltet. Die an der Anzapfung ausgangsseitig
übertragene Wechselspannung wird mittels eines Meßinstrumentes 13 bestimmt und aß
Meßgröße für die Überwachung und Meßwertkorrektur durch die Auswertevorrichtung
5 benutzt.
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Eine Formänderung der Meßwicklung bewirkt sowohl eine Änderung der
ohmschen Werte als auch der transformatorischen Eigenschaften des Meßfühlers. Somit
weicht die gemessene Sekundärspannung von der Sekundärspannung des geeichten Meßwertaufnehmers
ab und die Meßgröße kann zum wahren Wert korrigiert werden (Anspruch 7).
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Desweiteren kann entsprechend Fig. 7 eine die Meßgleichspannung übertragende
niederfrequente Wechselspannung an die Primärspule eines aus zwei galvanisch voneinander
getrennten, Jedoch durch einen Induktionsfluß miteinander gekoppelten Spulen bestehenden
Meßwertaufnehmers angelegt werden. Als Widerstandsthermometer können beispielsweise
in diesem Fall "Doppelspiralen" (Hengstenberg, Sturm und Winkler, "Messen und Regeln
in der chemischen Technik", S. 50) verwendet werden. Eine Wendel 16 des Widerstandsthermometers
dient als Widerstandsdraht zur Temperaturmessung und gleichzeitig cus Primärspule
für die überlagernde Wechselspannung, erzeugt durch die niederfrequente Wechselspannungsquelle
11.
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Die Temperaturbestimmung erfolgt in bekannter Weise durch eine gleichspannungsmäßige
Widerstandsmessung, hier in Zweileiter-Quotientenschaltung. Die in der zweiten Wendel
17des Widerstandsthermometers induzierte Wechselspannung wird mittels des Meßinstruments
13 bestimmt. Diese Induktionsspannung dient als zusätzlicher Meßwert zur Fehlerkorrektur
durch die Auswertevorrichtung 5, da durch sie Formänderungen der Widerstands spule
erkennbar sind, durch welche eiehler in der Temperaturanzeige hervorgerufen wird.
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Hierbei ist ZU beachten, daß die Meßanordnung so auszulegen ist, daß
die induzierte Spannung nicht von elektrischen Widerstandsänderungen beeinfluß wird
und sich die transformatorischen
Kopplungseigenschaften nicht
mit der Temperatur ändern (Anspruch 8).
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anstelle
der niederfrequenten Spannungsquelle 11 der Fig.7 eine hochfrequente Spannungsquelle
12 an die eine Wendel des als ADoppelspirale" ausgeführten Meßwertaufnehmers angelegt.
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Die erste Wendel 16, die Widerstandsspule, wird als "Sendeantenne",
die zweite Wendel 17 als "Empfangsantenne" benutzt.
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Durch den Einsatz von Hochfrequenz ist eine Signalubertragung auch
über größere Entfernungen möglich. An der Empfangsantenne ankommende Signaländerungen
sind ein Maß für Formänderungen der Widerstandsspule, durch die ein Fehler in der
Temperaturanzeige hervorgerufen wird. Auch hier ist die Meßanordn,ung so auszulegen,
daß die durch Temperaturänderungen hervorgerutenen Widerstandsänderungen die übertragene
Signalspannung nicht beeinflussen (Anspruch 9).
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Die zuletzt aufgeführten beiden Meßanordnungen können prinzipiell
nicht nur bei Widerstandsthermometern, sondern auch bei Thermoelementen angewendet
werden, wie Fig. 8 zeigt. Das Therelement 18 besteht beisplsweise aus zwei zusammengelöteten
Drähten 19 und 20 verschEdenen Materials, wobei die beiden teweils verbundenen Enden
zum einen die Meßstelle 21, zum anderen die Vergleichsstelle 22 bilden. Die sich
ergebene Thermospannung wird mittels des Gleichspannungsmeßinstruments 23 gemessen.
Eine der beiden Zuleitungen des Thermoelementes, hier der meßaktive Teil des Drahtes
19, fl in Form einer kleinen Spule 24 ausgeführt, die als Sekundärspule oder Empfangsantenne
dient. Mittels einer niederfrequenten oder hochfrequenten Spannungsquelle 11 oder
12 wird über eine zweite Spule 25 der Meßanordnung, der Primärspule oder
Sendeantenne,
ein konstantes Wechselsignal abgegeben, das im Thermoelementekreis eine Induktionsspannung
hervorruft, die vom Meßinstrument 13 gemessen wird.
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Die Größe der so erzeugten Induktionsspannung ist von der Beschaffenheit
des Thermoelementekreises abhängig. Eine Abweichun eon einer früher vorgenommenen
Kalibrierung macht sich als Induktionsspannungsänderung bemerkbar, die als Maß für
eine Fehleranzeige dient. Mittels der Auswertevorrichtung 5 kann der Meßfehler korrigiert
werden (Ansprüche 8 und 9).
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Leerseile