DE102008052127A1 - Temperature measuring device and method for temperature measurement - Google Patents
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- G01K5/50—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid arranged for free expansion or contraction
- G01K5/52—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid arranged for free expansion or contraction with electrical conversion means for final indication
Abstract
Eine Temperaturmesseinrichtung umfasst mindestens zwei Festkörper unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten, wobei die Festkörper einen Fixpunkt haben und sich bei Temperaturänderung gegenüber dem Fixpunkt unterschiedlich ausdehnen. Des Weiteren ist mindestens ein Sensor zur Ermittlung der Längenänderung der Festkörper im Temperaturverlauf vorgesehen, wobei mittels Prozessor über die Differenz in der Längenausdehnung auf die jeweilige Temperatur rückgeschlossen wird. Ein Verfahren ist entsprechend ausgelegt.A temperature measuring device comprises at least two solids of different thermal expansion coefficients, wherein the solids have a fixed point and expand differently when the temperature changes with respect to the fixed point. Furthermore, at least one sensor is provided for determining the change in length of the solids in the course of the temperature, wherein the processor uses the difference in the linear expansion to deduce the respective temperature. A procedure is designed accordingly.
Description
Die Erfindung betrifft eine Temperaturmesseinrichtung und ein Verfahren zur Temperaturmessung.The The invention relates to a temperature measuring device and a method for temperature measurement.
Herkömmliche Temperaturfühler basieren auf NTC oder PTC. Diese Sensoren sind mittlerweile weit entwickelt. Für höchstauflösende Temperaturmessungen unter 1 mK ist das Eigenrauschen dieser Sensoren nicht zu vernachlässigen. Ein weiterer Nachteil: Die Widerstände verändern sich über ihre Lebensdauer im Absolutwert. Die typische Drift bei sehr guten Elementen liegt derzeit bei ca. 20 mK/a, die Auflösung bei einigen mK.conventional Temperature sensors are based on NTC or PTC. These sensors are now well developed. For highest resolution Temperature measurements below 1 mK is the inherent noise of these sensors not to neglect. Another disadvantage: the resistors change over their lifespan in absolute value. The typical drift with very good elements is currently around 20 mK / a, the resolution at some mK.
Andere Temperaturmesseinrichtungen nutzen auch bereits die thermische Ausdehnung von Materialien.Other Temperature measuring devices also already use the thermal expansion of materials.
Eine typische Anwendung, bei der die Materialausdehnung ausgewertet wird, sind mechanische Temperaturregler, die mittels einer Bimetallfeder temperaturabhängig einen Kontakt schließen oder öffnen. Darin sind zwei Metalle mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten fest miteinander verbunden. Bei Temperaturänderung dehnt sich ein Metall stärker als das andere, wodurch eine Biegung des Bimetallstreifens auftritt, die einen mechanischen Schalter betätigt (typischerweise in Bügeleisen oder in Kochplatten). In einer anderen Ausführung treibt die Bimetallfeder eine Welle mit einem daran befindlichen Zeiger an, wodurch eine kontinuierliche Temperaturanzeige möglich ist. Nachteilig bei diesen Temperatursensoren ist, dass durch die rein mechanische Ausführung sehr große Toleranzen (typisch bis zu 10%) auftreten und diese für sehr genaue Messungen nicht geeignet sind.A typical application in which the material expansion is evaluated, are mechanical temperature controllers, which by means of a bimetallic spring Depending on the temperature, close or open a contact. These are two metals with different coefficients of thermal expansion firmly connected. At temperature change stretches One metal stronger than the other, creating a bend the bimetallic strip occurs, which is a mechanical switch operated (typically in irons or in Hotplates). In another embodiment, the bimetallic spring drives a wave with a pointer attached thereto, creating a continuous temperature display is possible. adversely in these temperature sensors is that by the purely mechanical Very large tolerances (typically up to to 10%) and these do not for very accurate measurements are suitable.
Der
unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizient zweier Materialien
kann auch zur Temperaturmessung genutzt werden, wenn diese nicht
flächig miteinander verbunden sind, sondern indem eine
Längendifferenz ausgewertet wird. Gemäß
Eine
andere Art der Temperaturmessung nutzt die Temperaturausdehnung
von Stoffen innerhalb eines Plattenkondensators. Gemäß
Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass das verwendete dielektrische Material, das den Abstand der Kondensatorplatten definiert, selbst eine Temperaturausdehnung erfährt und damit den Messwert verfälscht.adversely with this arrangement is that the dielectric material used, which defines the distance of the capacitor plates, even a temperature expansion learns and thus falsifies the measured value.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmesseinrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine sehr genaue, reproduzierbare Temperaturmessung über eine lange Lebensdauer der Einrichtung hinweg möglich ist. Ein entsprechendes Verfahren soll angegeben werden.Of the The present invention is based on the object, a temperature measuring device of the type mentioned above to design and develop, that a very accurate, reproducible temperature measurement over a long life of the device is possible away. A corresponding procedure should be specified.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach umfasst die erfindungsgemäße Temperaturmesseinrichtung mindestens zwei Festkörper unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten, wobei die Festkörper einen Fixpunkt haben und sich bei Temperaturänderung gegenüber dem Fixpunkt unterschiedlich ausdehnen. Des Weiteren ist mindestens ein Sensor zur Ermittlung der Längenänderung der Festkörper im Temperaturverlauf vorgesehen, wobei mittels Prozessor/Elektronik über die Differenz der Längenausdehnung auf die jeweilige Temperatur rückgeschlossen wird.According to the invention the above object by the features of claim 1 solved. Thereafter, the temperature measuring device according to the invention comprises at least two solids of different thermal Expansion coefficients, wherein the solids have a fixed point and at temperature change from the Stretch fixed point differently. Furthermore, at least a sensor for determining the change in length of Solid provided in the course of temperature, by means of Processor / electronics over the difference of the length extension is deduced the respective temperature.
Eine Eigenschaft von Werkstoffen ist die Temperaturausdehnung über die Temperatur. Diese Ausdehnung ist eine weitestgehend konstante bzw. bekannte Werkstoffeigenschaft, die zur Temperaturmessung genutzt werden kann.A Property of materials is the temperature expansion over the temperature. This expansion is a largely constant or known material property used for temperature measurement can be.
Definiert
man eine Null-Linie oder einen Verbindungspunkt von zwei unterschiedlichen
Materialien, so dehnen sich diese bei Temperaturerhöhung
in eine Richtung relativ zueinander aus. Je nach Ausdehnungskoeffizient
ergibt sich ein Unterschied in der Länge. Als Materialien
können alle Kombinationen verwendet werden, die eine unterschiedliche Temperaturausdehnung
besitzen. Vorteilhaft ist beispielsweise die Verwendung eines Materials
Idealerweise
sind die beiden Materialien in Stabform oder als Rohr ausgebildete.
An die Spitze dieser beiden Teile wird ein kapazitiver Sensor gesetzt,
der genau diesen Unterschied in der Ausdehnung misst. Gemäß
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei den Festkörpern um Festkörper beliebiger geeigneter Materialien und beliebiger Geometrie/Konstruktion handeln kann. So lassen sich beispielsweise auch mehrere ineinander geschachtelte Rohre oder nebeneinander liegende Stäbe mit unterschiedlichen Ausdehnungsko effizienten verwenden. Dies hat den Vorteil, dass sich die absolute Längenänderung deutlich erhöht, wodurch eine größere Empfindlichkeit und Auflösung der Anordnung erreicht werden kann. Eine Erhöhung der Längenänderung lässt sich beispielsweise auch durch zwei entsprechend lange Rohre erreichen.At It should be noted that it is the solids to solids of any suitable materials and any Geometry / construction can act. This is also possible, for example several nested tubes or side by side Use bars with different coefficients of expansion. This has the advantage that the absolute change in length significantly increased, creating a larger Sensitivity and resolution of the device can be achieved can. An increase in the change in length can be, for example, by two accordingly reach long pipes.
Die zuvor genannte Ausführung hat jedoch den Vorteil der kompakten Bauform, nämlich im Rahmen einer „teleskopartigen Verkürzung” der hier möglichen Bauform.The However, the aforementioned embodiment has the advantage of being compact Design, namely in the context of a "telescopic Shortening "of the possible design here.
Am Inneren der beiden Rohre kann die Messelektrode des kapazitiven Sensors befestigt werden. Am äußeren Rohr wird ein Deckel befestigt, der die Gegenelektrode des kapazitiven Sensors bildet. Der kapazitive Sensor misst damit immer gegen dieselbe Gegenelektrode, was sich vorteilhaft auf die Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität auswirkt. Diese Ausgestaltung bietet darüber hinaus den weiteren Vorteil, dass der Sensor vollständig gekapselt ist und keinerlei störende Substanzen in den Sensor eindringen können. Weiterhin kann der Sensor aus Materialien hergestellt sein, die einer bestimmten Umgebung widerstehen müssen, z. B. hoch legierter Edelstahl für raue Umgebung bzw. Schadatmosphäre.At the Inside of the two tubes can be the measuring electrode of the capacitive Sensors are attached. At the outer tube becomes a lid attached to the counter electrode of the capacitive sensor forms. The capacitive sensor thus always measures against the same counter electrode, which is advantageous for reproducibility and long-term stability effect. This embodiment also offers the further advantage that the sensor is completely encapsulated and no disturbing substances penetrate into the sensor can. Furthermore, the sensor can be made of materials who have to resist a certain environment, z. B. highly alloyed stainless steel for harsh environment or Schadatmosphäre.
Bei vollständiger Kapselung kann es vorkommen, dass der Sensor abhängig ist von Druckänderungen, wenn sich der Deckel aufgrund des Umgebungsdruckes durchbiegt. Durch eine Durchbiegung könnte eine Temperaturänderung vorgetäuscht werden. Dies kann dadurch vermieden werden, dass ein Druckausgleich hergestellt wird, indem z. B. eine druckdichte, biegsame Membran in das äußere Rohr eingebracht wird.at complete encapsulation, it may happen that the sensor depends on pressure changes when the Lid bends due to ambient pressure. By a bend could a temperature change be simulated. This This can be avoided by making a pressure equalization is by z. B. a pressure-tight, flexible membrane in the outer Tube is introduced.
Die
erzielbare Auflösung ist durch den Messbereich (Temperatur
bzw. Abstand), die Ausdehnungskoeffizienten und die Auswerteelektronik
definiert. Werden die Rohre so dimensioniert, dass für
einen gewünschten Temperaturbereich, etwa ΔT = 50°C,
eine Längenänderung von Δx = 50 μm
erreicht wird, so kann diese Längenänderung mit
geeigneten kapazitiven Sensoren mit einer Auflösung von δx
= 0,15 nm gemessen werden. Die entsprechende Auflösung
in der Temperaturmessung ergibt sich aus der Gleichung δT / δx = ΔT / Δx durch
Umformen:
Für einen derartigen Sensor ist somit problemlos eine Auflösung von ca. 0,15 mK realisierbar.For such a sensor is thus easily a resolution 0.15 mK realizable.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung für höchste Präzision kann erreicht werden, indem der Messkondensator im Sensor immer mit einem Referenzkondensator verglichen wird. Der Referenzkondensator könnte ein mechanisch identischer Sensor sein, der jedoch nicht aus zwei unterschiedlichen Materialien, sondern aus identischen Materialien aufgebaut ist. Damit kann es keine relative Ländenänderung geben, weil die Temperaturausdehnungskoeffizienten identisch sind. Damit wird der Referenzkondensator nur durch die Umgebung beeinflusst, nicht jedoch durch die Temperaturänderung. Damit ist eine Kompensation der Umgebungseinflüsse auf den Messkondensator realisiert.A further advantageous embodiment for the highest Precision can be achieved by the measuring capacitor in the sensor is always compared with a reference capacitor. Of the Reference capacitor could be a mechanically identical sensor, but not of two different materials, but constructed of identical materials. There can be no relative Change the country because the coefficients of thermal expansion are identical. Thus, the reference capacitor is only by the Environment affected, but not by the temperature change. This compensates for the environmental influences realized the measuring capacitor.
Geeignet ist diese Lösung für langsame Temperaturmessungen, die auch über lange Zeit nicht driften dürfen. Da kapazitive Sensoren sehr langzeitstabil sind, ist eine hochgenaue Messung über lange Zeiträume möglich.Suitable is this solution for slow temperature measurements, which must not drift for a long time. Since capacitive sensors are very long-term stable, is a highly accurate Measurement over long periods possible.
Vorteile der Erfindung:Advantages of the invention:
- – sehr hohe Temperaturauflösung durch Verwendung höchstauflösender kapazitiver Wegsensoren,- very high temperature resolution by using high-resolution capacitive Displacement sensors,
- – lineare Messung aufgrund des linearen Ausdehnungskoeffizienten,- linear measurement due to the linear expansion coefficient,
- – vollständig gekapselter Sensor, robust gegen Umgebungsbedingungen,- fully encapsulated sensor, robust against ambient conditions,
- – keine mechanisch bewegten Teile,- no mechanical moving parts,
- – keine Alterung, kein Eigenrauschen,- no aging, no inherent noise,
- – sehr präzise Fertigung möglich durch einfache Drehteile im Gegensatz zu sehr ungenauen Bimetall-Federn.- very precise production possible by simple turned parts in contrast to very inaccurate bimetallic springs.
Die
nach „rechts” gerichtete Ausdehnung von Material
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.After all be expressly noted that the above described embodiments of the invention Device and the method according to the invention merely for the purpose of discussing the claimed teaching, However, these do not limit to the embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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