DE4040357A1 - Temperatursensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperatursensor mit Zuleitungen innerhalb eines Schutzmantels und mit mindestens einem Rauschwiderstand in Vierleiterschaltung und mindestens einem Thermoelement, deren Zuleitungen an eine Meßeinrichtung anschließbar und von einer Abschirmung umgeben sind.

Derartige Temperatursensoren sind beispielsweise aus der DE-PS 22 63 469, der DE-PS 23 20 751 und der DE-PS 33 25 381 bekannt. Sie werden zur Temperaturmessung eingesetzt, wobei die infolge der Temperatureinwirkung veränderliche Rauschspannung des elektrischen Widerstandes eines Metalldrahtes gemessen wird. Der Metalldraht steht hierzu mit einer Meßeinrichtung in Verbindung, der die sog. Rauschspannung zugeführt wird. Als "thermisches Rauschen" bezeichnet man die ungeordnete, statistische Wärmebewegung der Elektronen. Das Rauschen von elektrischen Widerständen wird in der "Rausch-Thermometrie" als Maß für die Bestimmung der Temperatur herangezogen. Es erzeugt nämlich an den Enden des Widerstandes eine statistisch um Null schwankende Spannung, die quadriert und gemittelt zur Größe des Widerstandes und seiner Temperatur proportional ist.

Bei Temperatursensoren, die sowohl einen Rauschwiderstand- Meßfühler als auch mindestens einen Thermoelement-Meßfühler aufweisen, sind grundsätzlich die Vorteile eines Thermoelementes mit den Vorteilen eines Rauschwiderstands verbunden. Da jedoch bei diesen bekannten Sensoren Rauschwiderstand und Thermoelemente elektrisch miteinander verbunden sind und die Abschirmungen der Zuleitungen zugleich Zuleitungen des Rauschwiderstands oder der Thermoelemente sind, ergeben sich daraus, insbesondere bei längeren Leitungen gewisse Nachteile. Die aus Platz- und Kostengründen vorgesehene elektrische Verbindung von Rauschwiderstand und Thermoelement und die Benutzung der Abschirmungen als Zuleitung führt bei den an sich geringen Meßspannungen zu einer gegenseitigen Beeinflussung von Meßsignalen, insbesondere auf kapazitivem Wege. Soweit Zuleitung oder Abschirmung aus eisen- oder nickelhaltigen Werkstoffen bestehen, können diese bei mechanischen Erschütterungen und Vibrationen auch magnetisch bedingte Störungen der Meßsignale verursachen. Spulenförmig gewickelte Widerstände können auch induktive Störungen verursachen.

In der DE-PS 22 63 469 und dem Zusatzpatent 23 20 751 wird ein Rauschwiderstand/Thermoelement-Temperatursensor beschrieben, bei dem die Thermoelemente in Vierleiterschaltung mit dem Rauschwiderstand verbunden sind und über einen Schalter an eine Meßeinrichtung anschließbar sind. Die Vierleiterschaltung dient einerseits der Korrelation der Rauschspannung in jeweils zwei Leitern, andererseits dem Ausmessen des ohmschen Widerstandswertes des Rauschwiderstands, der für die Auswertung gebraucht wird. Die Benutzung der Abschirmung als Zuleitung wird dort als vorteilhaft angesehen, um den Widerstand der Hin- und Rückleitung eliminieren zu können. Dadurch besteht aber die Gefahr einer gegenseitigen Beeinflussung verschiedener Meßsignale. Der als wesentlich betrachtete Schalter vermeidet zwar die gegenseitige Beeinflussung, hat aber den Nachteil, daß das Thermoelement und der Rauschwiderstand nicht gleichzeitig für kontinuierliche Messungen verwendet werden können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Temperatursensor der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, bei dessen Einsatz Störungen weitgehend vermieden werden und kontinuierlich gemessen werden kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Temperatursensor mit Zuleitungen innerhalb eines Schutzmantels und mit mindestens einem Rauschwiderstand in Vierleiterschaltung und mindestens einem Thermoelement, deren Zuleitungen an eine Meßeinrichtung anschließbar und von einer Abschirmung umgeben sind, bei dem die Zuleitungen als Innenleiter jeweils einzeln oder zu mehreren von einer Abschirmung elektrisch isoliert umgeben sind und mindestens ein Thermoelement mit elektrisch vom Rauschwiderstand getrennten und abgeschirmten Zuleitungen vorhanden ist. Die Abschirmung einer Zuleitung bildet demnach keine Zuleitung für einen Rauschwiderstand oder Thermoelemente. Dadurch werden sowohl magnetische als auch kapazitive Störungen bei der Messung vermieden. Mit dem elektrisch getrennten Thermoelement können die beiden unterschiedlichen Meßverfahren kontinuierlich und unabhängig voneinander betrieben werden. Das Thermoelement kann für die ständige Betriebsüberwachung und der Rauschwiderstand zur Kontrolle und Eichung des Thermoelementes benutzt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden vier Zuleitungen für den Rauschwiderstand als Innenleiter von einer Abschirmung umgeben und zwei Zuleitungen für das von Thermoelement einer weiteren innerhalb des Schutzmantels angeordneten Abschirmung umgeben. Damit werden weitere Störmöglichkeiten zwischen den einzelnen Zuleitungen eliminiert. Bei extremen Anforderungen in bezug auf die Vermeidung einer gegenseitigen Beeinflussung von Meßsignalen kann man jede Zuleitung einzeln oder auch paarweise abschirmen. Alle Abschirmungen werden in bekannter Weise gemeinsam geerdet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden zwei elektrisch getrennte Rauschwiderstände in Vierleiterschaltung zwischen je zwei Thermoelementen angeordnet. Damit kann man bei allerdings zusätzlichem Aufwand in Bezug auf die Anzahl der Zuleitungen zwei voneinander unabhängige Meßkanäle benutzen, deren Signale miteinander verglichen bzw. gegenseitig zur Kontrolle benutzt werden. Bei Ausfall des einen Meßkanals kann man immerhin noch mit dem anderen Meßkanal weiterarbeiten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Rauschwiderstand bifilar gewickelt. Damit werden auch induktive Störungen, die bei einer monofilar gewickelten Spule entstehen könnten, vermieden.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Temperatursensor am Meßort.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung die Anordnung eines Rauschwiderstandes und eines getrennten Thermoelementes.

Fig. 3 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 zwei voneinander getrennte Rauschwiderstände mit ihren Thermoelementen.

Fig. 4 zeigt einen senkrechten Teilschnitt durch einen bifilar gewickelten Rauschwiderstand mit seinen Thermoelementen in seiner Abschirmung.

Fig. 5 zeigt einen waagerechten Schnitt durch Fig. 4.

In Fig. 1 enthält der metallische Schutzmantel 1 in einer metallischen Abschirmung 2 ein Thermoelement 3 mit den beiden Zuleitungen 4 und 5. Im selben Schutzmantel 1 ist ein Rauschwiderstand 6 angeordnet, der in Vierleiterschaltung auf beiden Seiten mit Zuleitungen 9, 10, 11, 12 elektrisch leitend verbunden ist, deren Verbindungen, wenn sie aus unterschiedlichen Metallen bestehen, auch als Thermoelemente 7 und 8 benutzt werden können und von einer Abschirmung 13 umgeben sind. Die Abschirmung 13 ist mit einem Deckel 14, die Abschirmung 2 mit einem Deckel 15 und der Schutzmantel 1 mit einem Deckel 16 verschlossen. Zwischen Schutzmantel 1, Abschirmungen 2 und 13 und den Zuleitungen 4, 5, 9, 10, 11, 12 ist Isoliermaterial 17 bzw. 18 angeordnet in Form von festen, durchbohrten Keramikkörpern oder in Form von pulvrigem, gepreßten Material, z. B. Al₃O₃ oder MgO.

Fig. 2 zeigt perspektivisch den Temperatursensor aus Fig. 1, wobei zur besseren Darstellung am oberen Ende Schutzmantel 1 und Abschirmungen 2 und 13, die Deckel 14, 15 und 16 und die Isoliermaterialien 17 und 18 weggelassen sind. Die senkrechten Zuleitungen 4, 5, 9, 10, 11 und 12 werden am oberen Ende nur als Striche zu den Thermoelementen 3, 7 und 8 dargestellt, bestehen aber nicht aus unterschiedlichen Teilen.

Fig. 3 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 zwei Meßkanäle aus Rauschwiderständen 6 mit ihren Thermoelementen 7 und 8 usw. wobei an sich gleichartige Teile in der Zeichnung mit a und b unterschieden werden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Schaltung einen Rauschwiderstand 19, der im wesentlichen bifilar schraubenlinienartig auf einen isolierenden Grundkörper 20 gewickelt ist, der an seinem äußeren Umfang eine zweigängige schraubenlinienartige Nute hat sowie sechs achsparallele senkrechte Bohrungen als Halterungen für die in Fig. 2 bereits erwähnten Zuleitungen 4 und 5 zum getrennt angeordneten Thermoelement 3 und für die Zuleitungen 9 und 10, die das Thermoelement 8 bilden und die Zuleitungen 11 und 12, die das Thermoelement 7 bilden. An diesen Thermoelementen 7 und 8 sind die beiden Enden des bifilar gewickelten Rauschwiderstandes 19 angeschlossen. Der Schutzmantel 21 mit einem Durchmesser von etwa 10 mm ist in diesem Fall mit einem Deckel 22 dicht verschweißt. Unterhalb von Fig. 4 können die Zuleitungen wie in Fig. 2 auch noch innerhalb des Schutzmantels getrennt abgeschirmt sein.

Mit diesen Temperatursensoren in Verbindung mit einer geeigneten und bekannten Auswerteschaltung kann man Temperaturen kontinuierlich messen und diese Messung gleichzeitig kontrollieren. Damit wird insbesondere für Wärmekraftwerke eine Meßmöglichkeit geschaffen, mit der man hohe Temperaturen kontinuierlich messen und daher sehr genau einstellen kann. Man will nämlich bei einem Wärmekraftwerk die Temperatur aus Gründen des Wirkungsgrades so hoch wie möglich halten, muß aber diese Temperaturen mit Rücksicht auf die Werkstoffestigkeit der Bauteile unterhalb vorgeschriebener Grenzen halten.

Claims (4)

1. Temperatursensor mit Zuleitungen innerhalb eines Schutzmantels (1) und mit mindestens einem Rauschwiderstand (6 oder 19) in Vierleiterschaltung und mindestens einem oder mehreren Thermoelementen (3, 7 oder 8), deren Zuleitungen (4; 5; 9; 10; 11; 12) an eine Meßeinrichtung anschließbar und von einer Abschirmung (2; 13) umgeben sind, bei dem die Zuleitungen (4; 5; 9; 10; 11; 12) als Innenleiter jeweils einzeln oder zu mehreren von einer Abschirmung (2; 13) elektrisch isoliert umgeben sind und mindestens ein Thermoelement (3 oder 7b; 8b) mit elektrisch vom Rauschwiderstand (6 oder 19) getrennten und abgeschirmten Zuleitungen (4; 5 oder 9b; 10b; 11b; 12b) vorhanden ist.

2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Schutzmantels (1) vier Zuleitungen (9; 10; 11; 12) für den Rauschwiderstand (6) als Innenleiter von der Abschirmung (13) umgeben sind und daß zwei Zuleitungen (4; 5) für das Thermoelement von der weiteren Abschirmung (2) umgeben sind.

3. Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektrisch getrennte Rauschwiderstände (6a und 6b) in Vierleiterschaltung zwischen je zwei Thermoelementen (7a und 8a) bzw. (7b und 8b) angeordnet sind.

4. Temperatursensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauschwiderstand (19) bifilar gewickelt ist.