DE102008004968A1 - Messeinheit zur Erfassung der Temperatur von Medien, vorzugsweise von Fluiden, sowie Temperaturmessvorrichtung mit solchen Messeinheiten - Google Patents

Messeinheit zur Erfassung der Temperatur von Medien, vorzugsweise von Fluiden, sowie Temperaturmessvorrichtung mit solchen Messeinheiten Download PDF

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Abstract

Die Messeinheit hat Sensoren, die Signale entsprechend der Mediumtemperatur liefern. Da die Sensoren über ihre Lebensdauer ein Driftverhalten zeigen, müssen sie von Zeit zu Zeit neu kalibriert werden. Hierfür müssen die Sensoren demontiert werden. Diese Neukalibrion ist somit mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Um die Temperaturüberwachung der Fluidströme einfach und kostengünstig mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen, ist der Sensor mit einem Abstand einer Bezugsfläche einer Messzelle gegenüberliegend angeordnet. Die Messzelle kommt mit dem Fluid in Berührung. Zumindest die Bezugsfläche der Messzelle besteht aus einem Material, das einen anderen Längenausdehnungskoeffizienten hat als der Sensor. Der Abstand zwischen dem Sensor und der Bezugsfläche ist von der Fluidtemperatur abhängig. Der Abstand kann vom Sensor zuverlässig erfasst und als Signal weitergeleitet werden. Die Sensoren der Messeinheiten sind an einen Multiplexer und an eine Auswerteeinheit angeschlossen, so dass parallel und sequentiell die Temperatur unterschiedlicher Fluidströme überwacht und/oder eingestellt werden kann. Die Messeinheit und die Temperaturmessvorrichtung können überall dort eingesetzt werden, wo die Temperatur von Medien überwacht werden muss.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die indirekte Messung kann auch durch Beobachten des Erweichens, Schmelzens, Glühens oder des Auftretens von Anlauffarben durchgeführt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
  • Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinheit,
  • 2 bis 4 in Darstellungen entsprechend 1 weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Messeinheiten,
  • 5 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperaturmesssystems,
  • 6 das Temperaturmesssystem gemäß 5 in detaillierterer Darstellung, wobei als Fluid Wasser verwendet wird,
  • 7 ein Beispiel für die Anwendung des Temperaturmesssystems gemäß 5 in schematischer Darstellung, wobei als Fluid Luft verwendet wird,
  • 8 und 9 in schematischer Darstellung bekannte Messsysteme.
  • 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.
  • Die Temperaturveränderung wird definiert als T2 – T1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Für beide Verfahren wird eine gemeinsame elektrische/elektronische Auswerteeinheit eingesetzt, um unterschiedliches Sensordriftverhalten zu vermeiden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Messeinheiten 1 gemäß den 1 bis 3 arbeiten berührungslos, da der Sensor 3 induktiv oder kapazitiv arbeitet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Einsatz des Multiplexers 9 hat den Vorteil, dass die Temperaturen verschiedener Fluidströme über eine gemeinsame Auswerteelektronik 15 überwacht und/oder eingestellt werden können.
  • 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.
  • Ein Vergleich der Signale oder der Fluidflüsse erfolgt über eine PLC (programmable logic controller) der Auswerteeinheit 15.
  • 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.
  • 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.
  • Die Temperatursteuereinheiten 22 bis 24 können auch autark arbeiten, sofern sie mit einer entsprechenden Intelligenz (Steuerteil) ausgestattet sind.
  • 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.
  • Die Temperatursensoren 28 bis 30 haben ein typisches Driftverhalten, das bis zu 500 mK (Millikelvin) über einen Zeitraum von sieben Jahren beträgt.
  • 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.
  • 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.
  • Als Temperatursensoren 28 bis 30 können NTC- oder PTC-Temperatursensoren eingesetzt werden, deren Driftgröße bis zu 500 mK auf sieben Jahre typischerweise beträgt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (11)

  1. Messeinheit zur Erfassung der Temperatur von Medien, vorzugsweise von Fluiden, mit wenigstens einem Sensor, der Signale entsprechend der Mediumtemperatur liefert, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) mit einem Abstand (7) einer Bezugsfläche (6, 10, 12) einer Messzelle (2) gegenüberliegt, die mit dem Fluid in Berührung kommt, und dass zumindest die Bezugsfläche (6, 10, 12) aus einem Material besteht, das einen anderen Längenausdehungskoeffizienten hat als der Sensor (3).
  2. Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsfläche (6) eine Wand der Messzelle (2) ist.
  3. Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsfläche eine Außenseite eines in den Innenraum der Messzelle (2) ragenden Vorsprunges (10) ist.
  4. Messeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsfläche Teil eines in den Innenraum der Messzelle (2) ragenden Bimetallstreifens (12) ist.
  5. Messeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) an einer Wand (5, 11) der Messzelle (2) gehalten ist.
  6. Messeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) in den Innenraum der Messzelle (2) ragt.
  7. Messeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (2) vom Fluid (4) durchströmt wird.
  8. Messeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (2) vom Fluid (4) umströmt wird.
  9. Messeinheit zur Erfassung der Temperatur von Medien, vorzugsweise von Fluiden, mit wenigstens einem Sensor, der Signale entsprechend der Mediumtemperatur liefert, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) durch wenigstens ein Piezoelement gebildet ist, das an einer Messzelle (2) befestigt ist, die mit dem Medium (4) in Berührung kommt.
  10. Temperaturmessvorrichtung mit Messeinheiten nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (3) der Messeinheiten (1) an einen Multiplexer (9) und an eine Auswerteeinheit (15) angeschlossen sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an die Auswerteeinheit (15) Temperatursteuereinheiten (22 bis 24) angeschlossen sind, mit denen die Temperatur unterschiedlicher Fluidströme (4) einstellbar ist.
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