NO312119B1

NO312119B1 - Innretning for kalibrering av temperaturfölere

Info

Publication number: NO312119B1
Application number: NO19992065A
Authority: NO
Inventors: Ole Einar Broenlund
Original assignee: Ole Einar Broenlund
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2002-03-18
Also published as: WO2000066990A1; DE60016407D1; DE60016407T2; JP4628550B2; EP1190228B1; US6709152B1; CN1349609A; ATE284026T1; KR20020022655A; AU4439000A; CN1158521C; NO992065D0; JP2002543416A; AU774624B2; EP1190228A1; NO992065L; KR100705375B1

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for kalibrering av temperaturfølere, omfattende et hulrom for opptakelse av minst én føler som skal kalibreres, et varmeoverførende medium for omslutning av føleren/følerne i hulrommet, og en anordning for oppvarming/avkjøling av mediet til en ønsket temperatur.

Etter hvert som komponenter og utstyr eldes, og videre utsettes for temperaturforandringer og mekaniske påkjenninger, vil den kritiske yteevne synke. Dette kalles drift. Når dette skjer, kan man ikke lenger stole på tidligere ytelsestester, og dette kan resultere i dårligere kvalitet i utvikling og produksjon. Da man ikke kan hindre drift, må man i stedet oppdage og eliminere virkningen av denne ved hjelp av kalibrering.

Kalibrering er som kjent å sammenlikne et utstyrs yteevne med en kjent standard. Standardene vedlikeholdes av nasjonale og internasjonale, akkrediterte kalibreringslaborato-rier.

Det stilles i dag skjerpede krav til industrien med hensyn til målenøyaktighet og kvalitetssikring (ISO 9000), og det trengs da kalibreringsutstyr som tilfredsstiller dagens behov og imøtekommer de nye standarder innen temperaturkalibrering.

Den kjente teknikk omfatter tradisjonelt to hovedtyper av kalibratorer, nemlig væskebadkalibratorer og tørrblokk-kalibratorer.

Væskebadkalibrator

Ved væskebadkalibratoren senkes føleren som skal kalibreres, ned i en væske under tvungen omrøring ved en gitt referansetemperatur. En kalibrator av denne type har fordeler og ulemper som kan sammenfattes som følger:

Fordeler:

<*> God og definert varmeovergang/temperaturdifferanse mellom væske og referanse-termometer og mellom væske og føler/termometer som skal kalibreres <*> Væske under omrøring har jevn temperåturfordeling og er derfor både reguleringsteknisk fordelaktig og kan kalibrere følere med store forskjeller i lengde Ulemper:

<*> Væske må eventuelt skiftes for forskjellige temperaturområder

<*> Væske kan føre til søl og skader, særlig ved ekstreme temperaturer

<*> Temperaturføleren må tørkes, eventuelt rengjøres etter bruk

<*> Væske er en ulempe ved transport og er ved bærbare løsninger ugunstig med hensyn til håndtering

Tørrblokk-kalibrator

Ved tørrblokk-kalibratoren anbringes føleren i en boring som derved er luftfylt. Boringens omgivelsestemperatur reguleres til en temperatur som ligger nærmest mulig den ønskede referansetemperatur. Ulemper og fordeler ved denne type kalibrator kan sammenfattes som følger:

Fordeler:

<*> Enkel og renslig håndtering

<*> Egner seg godt for bærbare innretninger og derfor for kalibrering på stedet Ulemper: <*> Varmeovergang luft/føler ved naturlig konveksjon er langsom og vanskelig fysikalsk definert, og andel stråling er uklar slik at temperaturdifferansen mellom referanse og

føler er uklart definert i tid

<*> Følsom overfor varierende varmekapasitet i temperaturfølerne som skal kalibreres

<*> Krevende optimering mellom geometri og masse i blokken for å oppnå god temperaturfordeling, jevn temperatur i boringen og små masser for å endre

temperaturbildet raskt

<*> Krever god rengjøring av blokk og boring for å opprettholde de termiske egenskaper som påvirker nøyaktigheten

<*> Reguleringsteknisk krevende

<*> Vanskelig å oppnå samme temperatur i hele boringens dybde

<*> Større måleusikkerhet enn for væskebadkalibratoren

En innretning av den innledningsvis angitte type er eksempelvis kjent fra norsk patent nr. 305 295. Denne kalibrator har de fleste av fordelene ved begge de ovenfor omtalte hovedtyper, men har fremdeles ulempene med stor masse og vekt i kalibratorblokken, og med den væskefylte foring de samme rengjøringsproblemer som væskebadkalibratoren.

Fra US 3 631 708 er det kjent en temperaturkalibreringsinnretning som omfatter et isolert reservoar som er fylt av en væske. En belg av et metallisk, godt varmeledende materiale er nedsenket i væsken i beholderen, for å tilveiebringe et referansehulrom i belgen som har stort sett samme temperatur som væsken. Instrumenter eller følere som skal kalibreres, stikkes ned i belghulrommet, som altså ikke inneholder den nevnte væske, men er luftfylt. I denne kjente innretning føres altså føleren eller følerne inn i et hulrom som er luftfylt, slik at de fysikalske betingelser for varmeoverføring mellom hulrommets vegger og føleren er ubestemte i samme grad som for en tørrblokk-kalibrator. Ulempene ved en kalibrator av denne type er omtalt ovenfor.

Det er et hovedformål med oppfinnelsen å tilveiebringe en kalibreringsinnretning som kombinerer væskebadkalibratorens høye nøyaktighet med tørrblokk-kalibratorens enkelhet og miljømessige fordeler (renslighet) ved bruk.

Et mer spesielt formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en kalibreringsinnretning med hvilken det oppnås en fysikalsk godt definerbar, ønsket referansetemperatur og en hurtig regulering av denne.

Ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en slik innretning som tillater

<*> oppnåelse av minst mulig vekt og minst mulige dimensjoner for hele instrumentet

<*> oppnåelse av lavest mulig energibehov

<*> minimalisert fare for personskader på grunn av kontakt med svært varme eller kalde væsker eller komponenter <*> dekning av store temperaturområder med minst mulig endring av konstruksjon og instrumentvarianter

De ovenfor angitte formål oppnås med en kalibrerings-innretning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at hulrommet opptar minst ett føleromgivende, tynnvegget kalibratorlegeme som er fremstilt av et bøyelig materiale med høy varmeledningsevne og som avgrenser et volum som er fylt av det varmeoverførende medium, idet det minste ene kalibratorlegeme har en indre vegg som avgrenser i det minste en del av en indre åpning for opptakelse av den minst ene føler, og er innrettet til å utsettes for en trykkpåvirkning for å bringe den åpningsavgrensende vegg av kalibratorlegemet/kalibratorlegemene til tettsluttende anlegg mot føleren eller følerne.

Det varmeoverførende medium i innretningen kan være en væske eller en gass. Materialet i kalibratorlegemet kan med fordel være elastisk.

En fordelaktig utførelse av innretningen er kjennetegnet ved at den side av kalibratorlegemets indre vegg som vender mot det varmeoverførende medium, har en overflateøkende struktur som sikrer maksimal varmeoverføring, mens den side av den indre vegg som vender mot et følerlegeme, har en struktur som sikrer optimal berøringsflate og varmeoverføring.

Trykket i gass- eller væskefyllingen reguleres slik at fyllingen kan få undertrykk eller ingen trykkdifferanse i forhold til omgivelsene, slik at det oppnås tilstrekkelig åpning ved innføring av temperaturføleren, mens det påføres overtrykk under kalibreringen for å sikre at kalibratorlegemet får maksimal berøring med føleren. Trykket i væske- eller gassfyllingen kan også reguleres slik at det kan lette innføringen av føleren ved full eller delvis berøring av kalibratorlegemene.

Overtrykket i kalibratorlegemet eller kalibratorlegemene kan påføres enten ved at væske- eller gassfyllingen tilføres overtrykk direkte, ved at tilstøtende eller omsluttende legemer utøver et ytre trykk på kalibratorlegemet, eller ved at ytre trykk påføres ved hjelp av andre mekaniske innretninger.

Væske- eller gassfyllingen utsettes for tvungen gjennomstrømning og passerer et område utenfor kalibratorlegemene hvor varmeenergi enten tilføres eller bortføres for å oppnå den ønskede referansetemperatur.

En eller flere temperaturfølere er plassert på hensiktsmessige steder i væske-eller gasstrømmen som givere til en reguleringskrets som regulerer tilførsel eller bortførsel av varmeenergi, eventuelt sammen med regulering av strømningshastigheten, for å oppnå den ønskede referansetemperatur i det eller de omsluttende kalibratorlegemer.

For å unngå uønsket tilførsel eller bortførsel av varmeenergi, utstyres alle væske- eller gassfylte deler med en passende varmeisolasjon.

Inmetningen ifølge oppfinnelsen tillater en kompakt konstruksjon med mindre dimensjoner og lavere vekt enn tidligere kjente løsninger, og den vil trolig kunne utvikles til et så lavt energiforbruk at den kan utstyres med en egen medbrakt strøm-kilde. Oppfinnelsen vil således være særlig godt egnet for bærbare temperaturkalibratorer.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler som er skjematisk vist på tegningene, der

fig. IA viser et lengdesnitt av en første utførelse av en innretning ifølge oppfinnelsen i en første tilstand, etter linjen 1 A-I A på fig. IB,

fig. IB viser et tverrsnitt etter linjen 1B-1B på fig. IA,

fig. 2A og 2B viser tilsvarende lengde- og tverrsnitts-riss som de som er vist på fig. IA og IB, men av innretningen i en andre tilstand,

fig. 3 viser et tverrsnitt av en andre utførelse av en innretning ifølge oppfinnelsen i en første tilstand, etter linjen Etl-III på fig. 4,

fig. 4 viser et snittriss etter linjen rV-IV på fig. 3,

fig. 5 og 6 viser tilsvarende snittriss som fig. 3 og 4, av innretningen i en andre tilstand, og

fig. 7 er en skjematisk tegning som viser et kalibratorlegeme som er tilkoplet til et sirkulasjonssystem med en reguleringskrets for regulering av temperaturen av det varmeoverførende medium.

Den på fig. 1 og 2 viste utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen omfatter en sirkulærsylindrisk beholder som utgjør en mantel 1 av et passende, f.eks. metallisk materiale. Mantelen avgrenser et hulrom 2 i hvilket det er anbrakt et tynnvegget kalibratorlegeme 3 som er fremstilt av et passende, elastisk materiale med høy varmeledningsevne, f.eks. et gummi-materiale som er egnet for anvendelse innenfor de aktuelle temperaturgrenser. Kalibratorlegemet 3 avgrenser et volum 4 som opptar det aktuelle varmeoverførende medium 5 som kan være en væske eller en gass.

Mellom kalibratorlegemet 3 og mantelen 1 er det anbrakt et varmeisolerende materiale 6. Kalibratorlegemet 3 har en yttervegg 7 som ligger an mot isolasjonsmaterialet 6, og en innervegg 8 som avgrenser en sentral åpning 9 som strekker seg langs beholderens 1 lengdeakse og er tilpasset for opptakelse av en temperaturføler 10 som skal kalibreres. På oversiden av kalibratorlegemet 3, der åpningen 9 munner ut og temperaturføleren 10 skal innføres, er det påført et elastisk, varmeisolerende materiale 11.

Slik som vist på figurene, er kalibratorlegemet 3 forsynt med et innløp 12 og et utløp 13 for tilkopling til et sirkulasjonssystem, slik som nærmere beskrevet i forbindelse med fig. 7. I tillegg til at sirkulasjonssystemet sørger for tvungen gjennomstrømning av mediet 5 gjennom kalibratorlegemet 3, er det også forsynt med midler for å frembringe et overtrykk, og eventuelt også et undertrykk, i mediet i kalibratorlegemet 3.

Den på tegningene viste plassering av innløpene og utløpene er bare ment som illustrerende eksempler. I utførelsen på fig. 1 og 2 kan de f.eks. være plassert tangentialt, for å frembringe en virvelliknende strømning i beholderen. Generelt vil man tilstrebe en slik plassering og en slik konstruksjonsutforming at det oppnås en god og jevn fordeling av gjennomstrømningen, for derved å oppnå minimale temperaturgradienter.

På fig. IA og IB er innretningen vist i en tilstand hvor det er undertrykk i mediet 5. Kalibratorlegemets innervegg 8 inntar da en stilling hvor den danner en passende åpning 9 for innføring av temperaturføleren 10 som skal kalibreres. I tilstanden på fig. 2A og 2B er føleren 10 innført i åpningen 9 og mediet er utsatt for et overtrykk, slik at kalibratorlegemets innervegg 8 er brakt i tettsluttende anlegg mot føleren 10. Det oppnås således fullstendig eller tilnærmet fullstendig berøring mellom kalibratorlegemet og føleren, idet den elastiske innervegg 8 tilpasser seg følerens form, slik at det oppnås optimal varmeoverføring.

Fig. 3-6 viser en andre utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen. I denne utførelse danner den hulromsavgrensende mantel 21 en oppad åpen beholder som har rektangulært tverrsnitt som vist på fig. 3 og 5, og som avgrenser et hulrom 22 i hvilket det er anbrakt to tynnveggede, i hovedsaken like kalibratorlegemer 23 som kan være dannet av et elastisk materiale, eller eventuelt av et passende deformerbart, bøyelig, men uelastisk materiale. Hvert kalibratorlegeme 23 avgrenser et volum 24 som opptar det aktuelle varmeoverførende medium 25 (gass eller væske).

Mellom kalibratorlegemene 23 og beholderens sidevegger og bunn er det anbrakt et varmeisolerende materiale 26. Hvert kalibratorlegeme 23 har en yttervegg 27 som ligger an mot isolasjonsmaterialet 26, og en innervegg 28. Innerveggene 28 av grenser en spalteformet åpning 29 som strekker seg sentralt mellom to motstående sidevegger av beholderen og er tilpasset for innføring og opptakelse av to eller flere følere som skal kalibreres, i det viste tilfelle tre følere 30. En av disse følere kan eventuelt være en ekstra referanseføler som således vil bli utsatt for en temperatur og en termisk tilstand som er så lik tilstanden til føleren eller følerne som skal kalibreres at den vil utgjøre en meget nøyaktig kalibreringsreferanse.

Liksom i den første utførelse er isolasjonsmaterialet 26 mellom kalibratorlegemene 23 og beholderens sidevegger og bunn et fast materiale. På oversiden av kalibratorlegemene 23, der spalten 29 munner ut og følerne 30 skal innføres, er det påført en isolasjon 31 av et elastisk materiale.

På liknende måte som i den første utførelse er videre hvert kalibratorlegeme 23 forsynt med et innløp 32 og et utløp 33 for tilkopling til et sirkulasjonssystem som sørger for tvungen, hensiktsmessig gjennomstrømning av mediet 25 gjennom kalibratorlegemene 23, og for frembringelse av et overtrykk i mediet når dette ønskes.

På fig. 3 og 4 er innretningen vist i en første tilstand hvor det er null overtrykk i mediet 25. Kalibratorlegemenes innervegger 28 inntar da en stilling hvor spalten 29 er åpen for innføring av temperaturføleme 30. På fig. 5 og 6 er innretningen vist i en andre tilstand hvor mediet i kalibratorlegemene er utsatt for et overtrykk, slik at innerveggene 28 dels ligger an mot hverandre og dels er brakt i tettsluttende anlegg mot følerne 30, idet veggene har tilpasset seg følernes form.

Fig. 7 viser et kalibratorlegeme 34 som er tilkoplet til et sirkulasjonssystem som omfatter en reguleringskrets for regulering av mediets temperatur, og eventuelt også dets gjennomstrømningshastighet gjennom kalibratorlegemet.

Kalibratorlegemet 34 har således et innløp 35 og et utløp 36 som er koplet til en rørledning 37 med en pumpe 38 for sirkulasjon av mediet 39. I rørledningen 37 er det videre innkoplet en varmeregulerende enhet 40 som styres av en reguleringskrets som er symbolsk betegnet med "C". Reguleringskretsen tilføres styresignaler fra et antall temperaturfølere "T" som er plassert på hensiktsmessige steder i mediumstrømmen. Reguleringskretsen regulerer tilførsel eller bortførsel av varmeenergi via enheten 40 ved hjelp av et pådragsorgan 41, og den styrer også hastigheten av pumpen 38 og dermed mediets strømningshastighet, for derved å oppnå den ønskede referansetemperatur på mediet i kalibratorlegemet 34.

Til rørledningen 37 er det også tilkoplet en trykk-regulermgsanordning 42 for regulering av trykket i mediet 39. Denne anordning er vist å omfatte en pumpe 43 som er koplet til en ledning 44 som inneholder en ventil 45 og er koplet til rørledningen 37 via en hydraulisk kondensator 46, idet mediet i denne utførelse av innretningen forutsettes å være en væske.

Ved benyttelse av en gass i stedet for en væske som varmeoverførende medium vil den hydrauliske kondensator 46 være unødvendig. Benyttelse av en gass vil kunne ha fordeler ved ekstremt høye eller lave temperaturer.

Claims

1. Innretning for kalibrering av temperaturfølere, omfattende et hulrom (2; 22) for opptakelse av minst én føler (10; 30) som skal kalibreres, et varmeoverførende medium (5; 25) for omslutning av føleren/følerne i hulrommet, og en anordning (40) for oppvarming/avkjøling av mediet til en ønsket temperatur, karakterisert ved at hulrommet (2; 22) opptar minst ett føleromgivende, tynnvegget kalibratorlegeme (3; 23) som er fremstilt av et bøyelig materiale med høy vameledningsevne og som avgrenser et volum (4; 24) som er fylt av det varmeoverførende medium, idet det minst ene kalibratorlegeme (3; 23) har en indre vegg (8; 28) som avgrenser i det minste en del av en indre åpning (9; 29) for opptakelse av den minst ene føler (10; 30), og er innrettet til å utsettes for en trykkpåvirkning for å bringe den åpningsavgrensende vegg (8; 28) av kalibratorlegemet/kalibratorlegemene til tettsluttende anlegg mot føleren (10) eller følerne (30).

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at kalibratorlegemet (3; 23; 34) eller hvert kalibratorlegeme er forbundet med en trykkregulerende anordning (42) som er innrettet til å sette det varmeoverførende medium (5; 25; 39) under overtrykk, for derved å bringe kalibratorlegemet/kalibratorlegemene i tettsluttende anlegg mot føleren (10) eller følerne (30).

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det varmeoverførende medium (5; 25) er en væske eller en gass.

4. Innretning ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at kalibratorlegemet (3) eller kalibratorlegemene (23) er omgitt av et varmeisolerende materiale (6; 26) som er anbrakt i en hulromsavgrensende mantel (1; 21).

5. Innretning ifølge krav 4, karakterisert ved at mantelen (1) danner en i hovedsaken sirkulærsylindrisk beholder i hvilken det er anbrakt et tilsvarende formet kalibratorlegeme (3) som avgrenser en sentral åpning (9) som strekker seg langs beholderens lengdeakse og er tilpasset for opptakelse av en føler (10) som skal kalibreres.

6. Innretning ifølge krav 4, karakterisert ved at mantelen (21) danner en beholder med i hovedsaken rektangulært tverrsnitt og i hvilken det er anbrakt minst ett kalibratorlegeme (23) som avgrenser en spalteformet åpning (29) som strekker seg sentralt mellom to motsatte sider av beholderen og er tilpasset til å oppta to eller flere følere (30) som skal kalibreres.

7. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at materialet i kalibratorlegemet (3) er elastisk.

8. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den side av kalibratorlegemets indre vegg (8; 28) som vender mot det varmeoverførende medium (5; 25), har en overflateøkende struktur som sikrer maksimal varmeoverføring, mens den side av den indre vegg (8; 28) som vender mot et følerlegeme (10; 30), har en struktur som sikrer optimal berøringsflate og varmeoverføring.

9. Innretning ifølge krav 8, karakterisert ved at den overflateøkende struktur består av ribber, ujevnheter e.l.

10. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at kalibratorlegemet eller hvert kalibratorlegeme (34) er forsynt med et innløp (35) og et utløp (36) for tilkopling til et sirkulasjonssystem (37) med en pumpe (38) for tvungen sirkulasjon av det varmeoverførende medium (39) gjennom kalibratorlegemet (34).

11. Innretning ifølge krav 10, karakterisert ved at anordningen (40) for oppvarming/avkjøling av det varmeoverførende medium (39) er innkoplet i sirkulasjonssystemet (37) og er styrt av en reguleringskrets (C) som tilføres styresignaler fra et antall temperaturfølere (T) som er plassert i mediumstrømmen, og som også er innrettet til å påvirke den nevnte pumpe (38) for å regulere strømningshastigheten.