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Die
Erfindung betrifft eine Messeinheit zur Erfassung der Temperatur
von Medien, vorzugsweise von Fluiden, nach dem Oberbegriff des Anspruches
1 sowie eine Temperaturmessvorrichtung mit solchen Messeinheiten
nach dem Oberbegriff des Anspruches 10.
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Zur
hochauflösenden
und präzisen
Messung der Temperatur von Fluidströmen sind NTC- und PTC-Sensoren
bekannt. Für
die Messung sind unterschiedliche Messmethoden bekannt. Bei einer
Messung durch thermischen Kontakt erfolgt die Temperaturmessung
mit Hilfe von Thermometern oder Temperatursensoren. Die Herstellung
eines thermischen Kontaktes erfordert eine ausreichende Wärmeleitung,
Konvektion oder ein Strahlungsgleichgewicht zwischen dem Messobjekt
(Festkörper,
Flüssigkeit, Gase)
und dem Sensor. Die Messgenauigkeit kann zum Beispiel durch eine
nicht ausgeglichene Wärmestrahlungsbilanz,
durch Luftbewegungen oder durch Wärmeableitung entlang des Sensors
beeinträchtigt sein.
Die Messgenauigkeit wird theoretisch durch die zufällige Brownsche
Molekularbewegung begrenzt.
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Die
Temperaturerfassung durch Wärmekontakt
kann auf drei verschiedene Arten erfolgen. Bei einer ersten Methode
wird die Temperatur mechanisch erfasst, indem unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten
von Materialien mittels eines Gas- oder eines Flüssigkeitsthermometers oder mittels
eines Bimetallthermometers erfasst werden.
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Bei
einer anderen Art der Temperaturerfassung wird der temperaturabhängige elektrische
Widerstand von elektrischen Leitern und Halbleitern ausge nutzt.
Hierfür
werden Widerstandsthermometer, Kaltleiter (PTC) und Heißleiter
(NTC) verwendet. Es kann aber auch die Thermospannung mit Hilfe von
Thermoelementen ausgenutzt werden. Schließlich sind auch elektronische
Sensoren bekannt, die die lineare Temperaturabhängigkeit der Bandlücke von
Halbleitern dazu nutzen, ein temperaturproportionales Signal zu
erzeugen.
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Die
dritte Art der Temperaturerfassung beruht auf der indirekten Messung
von temperaturabhängigen
Zustandsänderungen
von Materialien, zum Beispiel tabellierte Stoffdaten. Hierbei werden
Seger-Kegel oder Temperaturmessfarben eingesetzt. Seger-Kegel sind
Formkörper,
die ihre Festigkeit und dadurch ihre Kontur bei einer bestimmten
Temperatur ändern.
Temperaturmessfarben oder thermocromatische Farben zeichnen sich
dadurch aus, dass bei einer bestimmten Temperatur ein Farbumschlag erfolgt.
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Die
indirekte Messung kann auch durch Beobachten des Erweichens, Schmelzens,
Glühens oder
des Auftretens von Anlauffarben durchgeführt werden.
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Über ihre
Lebensdauer hinweg haben die Sensoren ein natürliches Driftverhalten. Dies
macht es erforderlich, die Sensoren von Zeit zu Zeit neu zu kalibrieren.
Hierzu ist eine spezielle Ausstattung erforderlich, die in der Regel
beim Anwender nicht zur Verfügung
steht. Sensoren müssen
für die
Neukalibrierung demontiert werden. In Einsatzbereichen, wie die
Halbleitertechnik und deren Versorgungssysteme, die im Hinblick
auf eine Kontaminierung kritisch sind, ist die Demontage von erheblichem
Nachteil, weil hierbei die Systeme geöffnet werden müssen, so dass
eine Kontaminierung bzw. eine Verunreinigung durch Partikel, chemische
Substanzen oder Bakterien auftreten kann. Zudem sind die Instandhaltungskosten
hoch. Während
der Neukalibrierung der Sensoren kann mit der jeweiligen Anlage
nicht gearbeitet werden. Es ist außerdem schwierig, die Zeitabstände zu bestimmen,
nach denen die Sensoren erneut kalibriert werden müssen, weil
diese Kalibrierungs intervalle von den Umgebungs- und/oder den Arbeitsbedingungen
abhängig
sind.
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In
Systemen, bei denen mehrere Fluidströme thermisch aufeinander abzugleichen
sind, müssen
in jedem Fluidstrom Temperaturen gemessen und geregelt werden. In
derartigen Systemen ist auch bekannt, einen Wärmetauscher einzusetzen, durch den
zwei Fluidströme
mit unterschiedlichen Temperaturen strömen. Aufgrund des Wärmetauschereffektes
nimmt der Temperaturunterschied ΔT1
und ΔT2 (8)
zwischen den beiden Fluidströmen
nach Durchströmen
des Wärmetauschers
ab. Eine solche Ausbildung ist sehr kostenintensiv und benötigt erheblichen
Einbauraum. Je geringer der zulässige Temperaturunterschied ΔT1 zwischen
den Fluiden ist, umso größer muss
der Wärmeübertrager
dimensioniert sein. Muss die Temperatur von mehreren Fluidströmen überwacht
und/oder eingestellt werden, ist eine entsprechende Zahl von Wärmetauschern
erforderlich, wodurch das gesamte System sehr komplex wird. Außerdem kann
der Wärmeübergang
von einem Fluid zum anderen gegebenenfalls zulässige Grenzen überschreiten.
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Es
ist auch bekannt, die abzugleichenden Fluidströme über einen gemeinsamen Referenzsensor
T3 zu führen
(9). Dies ist durch Umschalten der Fluidströme über Ventile
möglich.
Diese Umschaltung der Fluidströme
auf den Referenzsensor erfolgt sequenziell, wobei die Messwerte
des Referenzsensors T3 mit den Messwerten der Temperatursensoren
T1.1 und T2.1 verglichen werden. Nachteile dieses Verfahrens sind
ein hoher Verrohrungsaufwand, hoher Platzbedarf und hohe Kosten.
Ein verfahrenstechnisches Problem ist der hydraulische Abgleich
der Fluidleitungen von den Temperatursensoren zum Referenzsensor.
Die Druckverluste müssen nahezu
identisch sein, da Reibung in Wärme
umgesetzt wird und daher in die Messung eingeht. Allgemein ist eine
räumliche
Nähe der
Temperatursensoren zum Referenzsensor unbedingt erforderlich, da Störeinflüsse eine
verlässliche
Messung behindern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Messeinheit
und die gattungsgemäße Temperaturmessvorrichtung
so auszubilden, dass eine Temperaturüberwachung der Fluidströme in einfacher
und kostengünstiger
Weise mit hoher Genauigkeit möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Messeinheit
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und bei der gattungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Messeinheit liegt
der Sensor der Bezugsfläche
der Messzelle gegenüber.
Da zumindest diese Bezugsfläche
aus einem Material besteht, das einen anderen Längenausdehnungskoeffizienten
als das Material des Sensors aufweist, ist der Abstand zwischen
dem Sensor und dieser Bezugsfläche
von der Temperatur des Fluids abhängig. Bei unterschiedlichen
Temperaturen des Fluids verändert
sich auch dieser Abstand, der vom Sensor erfasst und als Signal
weitergeleitet wird. Auf diese Weise lassen sich die Temperaturunterschiede
zwischen beispielsweise zwei Fluidströmen mit hoher Genauigkeit erfassen.
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Die
erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung
hat den Multiplexer, an den die Sensoren der verschiedenen Messeinheiten
angeschlossen sind. Dadurch ist es möglich, parallel und sequenziell
die Temperatur unterschiedlicher Fluidströme zu überwachen und/oder einzustellen.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen
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1 in
schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinheit,
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2 bis 4 in
Darstellungen entsprechend 1 weitere
Ausführungsformen
von erfindungsgemäßen Messeinheiten,
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5 in
schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperaturmesssystems,
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6 das
Temperaturmesssystem gemäß 5 in
detaillierterer Darstellung, wobei als Fluid Wasser verwendet wird,
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7 ein
Beispiel für
die Anwendung des Temperaturmesssystems gemäß 5 in schematischer
Darstellung, wobei als Fluid Luft verwendet wird,
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8 und 9 in
schematischer Darstellung bekannte Messsysteme.
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Mit
den Messeinheiten und dem Temperaturmesssystem werden die thermische
Stabilität
und die Temperaturänderung
von unterschiedlichen Medien erfasst. Die thermische Stabilität wird definiert
als (T2 – T1)/t.
Hierbei bedeuten T1, T2 unterschiedliche Temperaturen des Mediums
und t die Zeitperiode, die üblicherweise
auf die Lebensdauer einer Anlage/Maschine (mehrere Jahre) bezogen
wird.
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Die
Temperaturveränderung
wird definiert als T2 – T1.
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Mit
den Messeinheiten und den Temperaturmesssystemen ist es möglich, Temperaturänderungen
von Fluiden und Temperaturunterschiede zwischen den Fluiden zu messen,
wobei die absolute Temperatur von untergeordneter Bedeutung ist.
Dabei werden verlässliche
Temperatursignale für
alle Fluide generiert, die über
die Laufzeit von Maschinen/Anlagen stabil bleiben. Das Temperatursignal kann
zur Rekalibrierung von anderen Sensoren oder zur Steuerung der Temperatur
selbst herangezogen werden.
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Die
relativen Temperaturänderungen
werden auf zwei unterschiedliche Weisen gemessen. Im einen Fall
wird die relative Temperaturänderung
als Funktion der linearen Größen- bzw.
Formänderung eines
Referenzmateriales in einem berührungslosen Verfahren
gemessen. Hierbei wird die Größenänderung
des Materials als Längenänderung
in X- und Y-Richtung (wenn sich die Materialstärke ändert), Amplitudenänderung
oder aufgrund eines Biegevorganges gemessen. Der Sensor ist hierbei
nicht mit dem Referenzmaterial in Berührung.
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Die
relative Temperaturänderung
kann aber auch als Funktion einer linearen Größenänderung eines Referenzsignales
gemessen werden, wobei der Sensor in Berührung mit dem Referenzmaterial
ist. In diesem Falle wird die Größenänderung
dieses Materials als Längenänderung
in X- oder Y-Richtung erfasst.
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Für beide
Verfahren wird eine gemeinsame elektrische/elektronische Auswerteeinheit
eingesetzt, um unterschiedliches Sensordriftverhalten zu vermeiden.
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Bei
beiden Verfahren ist die Temperaturmessung über die Laufzeit der Maschine
aufgrund der Gestaltung der Messeinheiten stabil. In der Regel kann
auftretendes Temperaturdriftverhalten des Messsystems auf die Messelektronik
zurückgeführt werden.
Da alle Sensoren und deren Signale über eine gemeinsame Messelektronik
außerhalb
des Sensors ausgewertet werden, haben Temperaturdrifts und Messfehler
auf alle Sensoren und Messstellen denselben Einfluss. Auch ist eine
Kalibrierung der Messeinheiten nicht erforderlich. Da in den Messeinheiten
bzw. deren Sensoren keine Elektronik vorhanden ist, tritt auch keine
Wärmeentwicklung
auf, die von der Messeinheit in das Fluid eingetragen werden könnte und
das Messergebnis beeinträchtigt.
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1 zeigt
eine Messeinheit 1 mit einer Messzelle 2 und wenigstens
einem Sensor 3. Durch die Messzelle 2 strömt das Fluid 4,
dessen Temperatur erfasst werden soll. Der Sensor 3 ist
in einer Wand 5 der Messzelle 2 so befestigt,
dass er teilweise in die Messzelle ragt und einer gegenüberliegenden
Wand 6 der Messzelle mit einem Abstand 7 gegenüberliegt. Der
Abstand 7 liegt beispielsweise zwischen etwa 10 μm und etwa
0,1 mm. Der aus der Messzelle 1 ragende Teil des Sensors 3 ist
mit einer Leitung 8 versehen, mit der der Sensor 3 an
einen Multiplexer 9 (5) angeschlossen
werden kann.
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Der
Sensor 3 und die Messzelle 2 bestehen aus unterschiedlichen
Materialien mit unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten.
Der Sensor 3 kann ein induktiv oder kapazitiv arbeitender
Sensor sein.
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Das
Fluid 4 hat eine bestimmte Temperatur. Da die Messzelle 2 und
der Sensor 3 unterschiedliche Längenausdehnungskoeffizienten
haben, dehnen sie sich bei der Fluidtemperatur unterschiedlich aus.
Dies hat zur Folge, dass sich in Abhängigkeit von der Temperatur
des Fluids 4 ein bestimmter Abstand 7 zwischen
der Wand 6 der Messzelle 2 und dem Sensor 3 einstellt.
Dieser Abstandswert wird vom Sensor 3 über die Leitung 8 als
Signal dem Multiplexer 9 übermittelt.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
strömt das
Fluid 4 durch die Messzelle 2. Es ist auch möglich, dass
die Messzelle 2 vom Fluid umströmt wird. Das Fluid kommt dann
ebenfalls mit der Wandung der Messzelle 2 und dem Sensor 3 in
Berührung,
so dass sich aufgrund der unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten
ebenfalls ein bestimmter Abstand 7 einstellt und vom Sensor 3 erfasst
werden kann.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 2 hat die Messeinheit 1 wiederum die
Messzelle 2 und den Sensor 3. In der Messzelle 2 steht
von der Wand 6 senkrecht ein Vorsprung 10 ab,
der unter Bildung des Abstandes 7 dem Sensor 3 gegenüberliegt.
Dieser Abstand 7 ist wegen des Vorsprunges 10 kleiner
als beim vorigen Ausführungsbeispiel.
Aufgrund des verringerten Abstandes 7 kann die Messgenauigkeit
im Vergleich zum Ausführungsbeispiel
nach 1 erhöht
werden. Im Übrigen
ist die Messeinheit nach 2 gleich ausgebildet wie das
vorige Ausführungsbeispiel.
Der Sensor 3 und die Messzelle 2 einschließlich ihres
Vorsprunges 10 bestehen aus Materialien mit unterschiedlichen
Längenausdehnungskoeffizienten.
Je nach Temperatur des Fluids 4 stellt sich der Abstand 7 ein,
der vom Sensor 3 erfasst und über die Leitung 8 dem
Multiplexer 9 in Signalform zugeführt wird.
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Die
Messeinheit 1 gemäß 3 hat
die Messzelle 2 und den Sensor 3. Im Unterschied
zu den vorigen Ausführungsbeispielen
ist der Sensor 3 nicht in der Wand 5 angeordnet,
sondern in einer Wand 11, die winklig an die Wand 6 der
Messzelle 2 anschließt.
Von der Wand 6 steht in der Messzelle ein Bimetallstreifen 12 ab,
der so lang ist, dass er nahe seinem freien Ende dem Sensor 3 unter
Bildung des Abstandes 7 gegenüberliegt. Im Übrigen ist
die Messeinheit 1 gleich ausgebildet wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen.
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Der
Sensor 3 erfasst die Biegebewegung des Bimetallstreifens 12 aufgrund
der Temperatur des die Messzelle 2 durchströmenden Fluids 4.
Aufgrund der Biegebewegung des Bimetalstreifens 12 stellt
sich der Abstand 7 in Abhängigkeit von der Temperatur
des Fluids 4 ein. Der Sensor 3 erfasst den Abstand 7 und überträgt ihn über die
Leitung 8 in Signalform an den Multiplexer 9.
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Bei
der Messeinheit 1 gemäß 4 sitzt
auf der Außenseite
der Wand 11 der Messzelle 2 der Sensor 3,
der durch ein Piezoelement gebildet wird. Bei dieser Messeinheit
wird der Abstand 7 zwischen den einander gegenüberliegenden
Wänden 5 und 6 der
Messzelle 2 indirekt erfasst. Aufgrund der Temperatur des
Fluids 4 verformen sich die Wände 5 und 6 der
Messzelle 2.
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Dies
führt zu
einer mechanischen Beanspruchung des Piezoelementes 3,
das eine entsprechende Spannung erzeugt, die über die Leitung 8 dem Multiplexer 9 als
Signal zugeführt
wird. Die Höhe
der vom Piezoelement 3 erzeugten Spannung hängt von der
Größe der mechanischen
Beanspruchung des Piezoelementes 3 ab, die wiederum vom
Grad der Verformung der Wände 5, 6 der
Messzelle abhängt. Der
Verformungsgrad ist seinerseits abhängig von der Temperatur des
die Messzelle 2 durchströmenden Fluids 4.
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Die
Messeinheiten 1 gemäß den 1 bis 3 arbeiten
berührungslos,
da der Sensor 3 induktiv oder kapazitiv arbeitet.
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5 zeigt
beispielhaft ein Temperaturmesssystem mit mehreren Messeinheiten 1,
die jeweils von einem Fluid 4 durchströmt werden. Die Messzelle jeder
Messeinheit 1 hat jeweils einen Einlass 13, durch
den das Fluid in die Messzelle 2 strömt. An einem Auslass 14 strömt das Fluid
wieder aus der Messzelle. Die Sensoren 3 der Messeinheiten 1 sind über die
Leitungen 8 in der beschriebenen Weise mit dem Multiplexer 9 verbunden,
der an eine Auswerteeinheit 15 angeschlossen ist. Über die
Leitungen 8 werden die Sensorsignale dem Multiplexer 9 zugeführt, der
sie an die Auswerteeinheit 15 weitergibt. Hier werden diese
Signale ausgewertet. Die Auswerteeinheit 15 und der Multiplexer 9 können Teil einer
Einheit sein. Die Sensoren 3 erfassen die Temperaturen
des jeweiligen Fluids 4 sehr genau, indem sie den Abstand 7 messen
und ein entsprechendes Signal an den Multiplexer 9 senden
(1 bis 3) oder indem im Sensor 3 durch
Längenänderung
der Messzelle eine Spannung erzeugt wird, wodurch der Sensor ein
elektrisches Signal liefert, das über die Leitung 8 dem
Multiplexer 9 zugeführt
wird (4). Mit den beschriebenen Messeinheiten 1 lassen
sich auch kleinste Temperaturänderungen
bzw. -unterschiede sehr genau erfassen. Hierbei kann der Temperaturunterschied
der Fluide 4 nach der Beziehung (T2 – T1)/t ermittelt werden, wobei
für die
Zeit t üblicherweise
sieben Jahre angenommen wird.
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Mit
den Messeinheiten 1 kann aber auch nur die Temperaturdifferenz
T2 – T1
der Fluide 4 von den Messeinheiten 1 erfasst werden.
In beiden Fällen
ist die Kenntnis der tatsächlichen
Temperatur des Fluids 4 nicht erforderlich, da mit den
Messeinheiten 1 nur die Höhe des Temperaturunterschiedes
berücksichtigt
wird. Die Sensoren 3 der Messeinheiten 1 sind auf
die durch die Temperaturen des Fluids hervorgerufenen Längen- bzw.
Formänderungen
der Messzelle 2 sowie des Sensors 3 so abgestimmt,
dass die Größe des Abstandes 7 ein
Maß für die jeweilige Temperatur
ist. Die Messeinheiten 1 bzw. die Sensoren 3 sind
so empfindlich, dass mit ihnen Temperaturen im Mikro- bis Sub-Millikelvin-Bereich
zuverlässig erfasst
werden können.
Die Temperaturdifferenz T2 – T1
wird durch sequenziellen Vergleich der Messwerte der Messeinheiten 1 ermittelt.
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Mit
Auswerteeinheiten ist es möglich,
die Temperaturunterschiede lediglich zu erfassen, aber auch einzustellen.
So kann die Auswerteeinheit 15 im einfachsten Fall lediglich
die vom Multiplexer 9 übersandten
Signale beispielsweise speichern und ausdrucken, so dass eine genaue
Kenntnis der Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Fluiden 4 während eines
vorgegebenen Zeitraumes möglich ist.
Die Auswerteeinheit 15 wertet hierbei die sequenziell über den
Multiplexer 9 bereitgestellten Signale aus. Die Auswerteeinheit 15 kann
aber auch so ausgebildet sein, dass mit ihr gewollte Temperaturen
der einzelnen Fluide eingestellt werden. Die Auswerteeinheit 15 liefert
dann Signale an eine (nicht dargestellte) Steuereinheit, mit der
die Temperatur des jeweiligen Fluids 4 verändert werden
kann.
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Der
Einsatz des Multiplexers 9 hat den Vorteil, dass die Temperaturen
verschiedener Fluidströme über eine
gemeinsame Auswerteelektronik 15 überwacht und/oder eingestellt
werden können.
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Mit
dem Temperaturmesssystem können Fluidströme unterschiedlicher
Qualität
parallel gemessen und verglichen werden, so dass diese Fluidströme nicht
miteinander vermischt oder miteinander in Kontakt gebracht werden
können.
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Ein
Vergleich der Signale oder der Fluidflüsse erfolgt über eine
PLC (programmable logic controller) der Auswerteeinheit 15.
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Anhand
von 6 wird das Temperaturmesssystem gemäß 5 näher erläutert. Zur
Vereinfachung sind in 6 nur drei Fluidströme 1, 2,
x dargestellt. Als Fluid wird Wasser verwendet. Jeder dieser Fluidströme wird über eine
Leitung 16, 17, 18 dem Einlass 13 der
jeweiligen Messeinheit 1 zugeführt. In jeder Leitung 16 bis 18 sitzt
jeweils ein Heizelement 19, 20, 21, das
Teil einer Temperatursteuereinheit 22, 23, 24 ist.
Jedes Heizelement 19 bis 21 ist an eine Steuerung 25, 26, 27 angeschlossen,
die ebenfalls Teil der jeweiligen Temperatursteuereinheit 22 bis 24 ist.
Die Einstellung bzw. Regelung der Fluidtemperatur über die
Temperatursteuereinheiten 22, 23, 24 erfolgt über die
PLC der Auswerteeinheit 15.
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Im
Beispielsfall ist angegeben, dass der Fluidstrom 1 eine Temperatur
T1, der Fluidstrom 2 eine Temperatur T2 und der Fluidstrom x eine
Temperatur Tx hat. Die Temperaturen der Fluidströme werden durch jeweils einen
Temperatursensor 28, 29, 30 gemessen,
der in der jeweiligen Leitung 16 bis 18 liegt. Die
Temperatursensoren 28 bis 30 sind an die Auswerteeinheit 15 angeschlossen.
Auch die Temperatursteuereinheiten 22 bis 24 sind
an die Auswerteeinheit 15 angeschlossen. Die Temperatursensoren 28 bis 30 liefern
die Temperaturwerte der Fluidströme
1, 2, x an die Auswerteeinheit 15.
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Die
Temperatursteuereinheiten 22 bis 24 können auch
autark arbeiten, sofern sie mit einer entsprechenden Intelligenz
(Steuerteil) ausgestattet sind.
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Die
Temperaturen sämtlicher
Fluidströme
1, 2, x müssen
innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches liegen. Das Temperaturmesssystem überwacht
dies in zuverlässiger
Weise. Die Sensoren 3 der Messeinheiten 1 messen
beim Durchströmen der
Messzellen 2 der Messeinheiten 1 den Abstand 7 und
liefern über
die Leitungen 8 die entsprechenden Messwerte an den Multiplexer 9.
Er leitet diese Messwerte sequenziell der Auswerteeinheit 15 zu,
welche die Messwerte, die ein Maß für die Längenänderungen der Messzellen 2 und
der Sensoren 3 sind, in Messwerte umsetzt, mit denen die
Temperaturänderung
pro Zeiteinheit definiert wird. Die so ermittelten Temperaturwerte
werden mit den Messsignalen verglichen, welche die Temperatursensoren 28 bis 30 im Strömungsweg
der Fluidströme
vor den Messeinheiten 1 liefern. Falls es notwendig sein
sollte, liefert die Auswerteeinheit Signale zur Rekalibrierung der
Temperatursensoren 28 bis 30 oder rekalibriert
die Sensoren unmittelbar.
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Die
Temperatursensoren 28 bis 30 haben ein typisches
Driftverhalten, das bis zu 500 mK (Millikelvin) über einen Zeitraum von sieben
Jahren beträgt.
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Aufgrund
der dem Multiplexer 9 zugeführten Signale der Sensoren 3 der
Messeinheiten 1 können Temperaturunterschiede
zwischen den Fluidströmen 1,
2, x festgestellt werden. In 6 ist dies
durch die beiden Doppelpfeile zwischen den Fluidströmen angedeutet.
Der Temperaturunterschied tritt auf, wenn die Temperatursensoren 28 bis 30 ein
Driftverhalten zeigen. Da die Sensoren 3 der Messeinheiten 1 dieses
Temperaturdriftverhalten aufgrund der Längen- bzw. Formänderungen
in der beschriebenen Weise mit hoher Genauigkeit erfassen, lassen
sich auch kleinste Temperaturänderungen
feststellen. Die Auswerteeinheit 15 gibt beim Auftreten
der Temperaturänderungen
ein neu berechnetes Stellsignal an die jeweilige Temperatursteuereinheit 22 bis 24,
die entsprechend dem von der Auswerteeinheit 15 gelieferten
Signal das Heizelement 19 bis 21 regelt.
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Auf
diese Weise kann die Temperatur der aus dem Auslass 14 der
Messeinheiten 1 strömenden
Fluidströme
1, 2, x entweder auf konstanter Temperatur eingestellt oder innerhalb
eines gewünschten Temperaturfensters
gehalten werden. Da die Sensoren 3 der Messeinheiten 1 die
Temperatur der Fluidströme
1, 2, x durch die Längen-/Formänderung
der Messzellen 2 und der Sensoren 3 mit hoher
Genauigkeit erfassen, kann die Temperatur der Fluidströme hinter
den Messeinheiten 1 in gewünschtem Maße auf dem erforderlichen Wert
gehalten werden.
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Als
Temperatursensoren 28 bis 30 können NTC- oder PTC-Temperatursensoren
eingesetzt werden, deren Driftgröße bis zu
500 mK auf sieben Jahre typischerweise beträgt.
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7 zeigt
einen typischen Anwendungsfall aus der Lüftungstechnik. Reinluft wird
in einen Reinraum 31 geleitet. Die Reinluft wird über die
Leitungen 16, 17, 18 dem Reinraum 31 zugeführt. Nach
Durchströmen
des Reinraumes tritt die Reinluft über drei Auslässe 32 bis 34 aus
dem Reinraum 31 aus. Die über die Leitungen 16 bis 18 zugeführten Reinluftströme 1, 2,
3 haben die Temperaturen T1, T2 und T3. Da die Reinluftströme innerhalb
des Reinraumes 31 miteinander gemischt werden, müssen diese
drei Reinluftströme
1, 2, 3 die gleiche Temperatur haben, das heißt T1 = T2 = T3.
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In
jeder Leitung 16 bis 18 befindet sich jeweils
eine Kühleinheit 35 bis 37,
der jeweils ein Temperatursensor 38 bis 40 nachgeschaltet
ist. Mit ihnen wird die Temperatur des jeweiligen Reinluftstromes 1,
2, 3 nach dem Durchgang durch die Kühleinheit 35 bis 37 gemessen.
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Den
Kühleinheiten 35 bis 37 ist
jeweils ein Heizelement 19 bis 21 nachgeschaltet,
dem jeweils der Temperatursensor 28 bis 30 zugeordnet
ist. Der Temperatursensor 30 ist an eine zentrale (nicht
dargestellte) Auswerteeinheit angeschlossen.
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In
jeder Leitung 16 bis 18 sitzt jeweils eine Messeinheit 1,
deren Sensor 3 über
die Leitungen 8 an den Multiplexer 9 angeschlossen
ist, der seinerseits an die Auswerteeinheit 15 angeschlossen
ist. In der anhand von 6 beschriebenen Weise wird die Temperatur
der Reinluftströme
1, 2, 3 überwacht.
Sobald die Sensoren 3 der Messeinheiten 1 eine
Abweichung der Temperaturen T1, T2, T3 aufgrund der beschriebenen
Längen/Formänderung
feststellen, steuert die Auswerteeinheit 15 unmittelbar
oder über
eine gesonderte Steuereinheit entweder die entsprechende Kühleinheit 35 bis 37 oder
das entsprechende Heizelement 19 bis 21 so an,
dass alle Reinluftströme
die gleiche gewünschte
Temperatur T1 = T2 = T3 haben. Mit den Tem peratursensoren 28 bis 30 und 38 bis 40 wird
die Temperatur des Reinluftstromes unmittelbar hinter der Kühleinheit 35 bis 37 bzw.
hinter dem Heizelement 19 bis 21 gemessen.
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Aufgrund
der beschriebenen Ausbildung ist eine Rekalibrierung der Messeinheiten 1 während der
Laufzeit der das Temperaturmesssystem bzw. Messeinheiten 1 benutzenden
Einrichtung nicht zu erwarten. Die Messeinheiten 1 und
das Temperaturmesssystem können
vorteilhaft im Reinraumbereich eingesetzt werden, in dem die den
Reinraum 31 durchströmende
Reinluft konstante Temperatur haben muss. Ein weiteres Einsatzgebiet
ist beispielsweise der Einsatz in hochreinem Wasser bei Eintauchlithografie
(immersion lithographie). Allgemein können die Messeinheiten 1 und
die Temperaturmesssysteme überall
dort eingesetzt werden, wo es auf hochgenaue und stabile Temperaturmessungen ankommt,
bei denen eine Rekalibrierung der Temperaturmesskette nicht möglich ist.
Aufgrund der hohen Messgenauigkeit werden die Messeinheiten 1 insbesondere
dann eingesetzt, wenn die Auflösung
und die Genauigkeit im Mikrokelvin- und Sub-Millikelvin-Bereich
liegen muss.
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Wie
anhand von 5 beispielhaft erläutert worden
ist, können
mit den Messeinheiten 1 in Verbindung mit dem Multiplexer 9 unterschiedliche
Fluidtemperaturen parallel überwacht
und/oder eingestellt werden.
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Die
Temperatursteuereinheiten 22 bis 24 regeln die
Temperatur des Mediums. Die Sensoren 28 bis 30 weisen
eine für
die Regelung erforderliche ausreichende Geschwindigkeit bzw. Sensibilität auf, unterliegen
jedoch einem Langzeitdriftverhalten über die Zeit (Lebensdauer der
Anlage). Die Temperaturmessstellen sind langzeitstabil und erfassen
die Drift der Sensoren 28 bis 30. Die Korrektur
der Drift erfolgt über
die zentrale Regel- und Steuereinheit 15.
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Das
beschriebene Messsystem ermöglicht auch
die Erfassung einer Temperaturänderung
eines Festkörpers
als Medium. Die Wärmeübertragung kann
durch Strahlung, durch Leitung, durch Konvektion oder durch Wärmeströmung erfolgen.