DE102009060893B4

DE102009060893B4 - Messumformer zur Signalwandlung thermoelektrischer Messgrößen

Info

Publication number: DE102009060893B4
Application number: DE200910060893
Authority: DE
Inventors: Dr. Irrgang Klaus
Original assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Current assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: DE102009060893A1

Abstract

Messumformer zur Signalwandlung thermoelektrischer Messgrößen mit elektronischen Transmittermodulen, bei dem – auf einem Substrat (10) mindestens zwei Löt- oder Schweißstellen (3) zum elektrischen Anschluss von Thermodrähten (1, 2) angebracht sind, – auf dem Substrat (10) die Bauteile ein Temperatursensor (5), Kupferleitbahnen (6), ein Eingangs-Verstärkermodul (7) und Module (8) zur Signalkonditionierung in einer rohrförmigen Metallfassung (15) angeordnet sind, wobei die Metallfassung (15) fest mit einer mineralisolierten metallgeschützten Mantelthermoleitung (11) verbunden ist, – unter und/oder im Substrat (10) eine gut wärmeleitende und/oder wärmespreizende Schicht angebracht ist, – sich zwischen den Löt- oder Schweißstellen (3) der Temperatursensor (5) befindet, – die Löt- oder Schweißstellen (3) jeweils kombinierte Materialien enthalten, wobei eine Materialkomponente jeweils aus dem Thermomaterial des Thermodrahtes besteht und eine zweite Materialkomponente aus einer Kupferlegierung besteht und – die Löt- oder Schweißstellen (3) mit dem Eingangs-Verstärkermodul (7) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messumformer zur Signalwandlung thermoelektrischer Messgrößen mit elektronischen Transmittermodulen.
Die Erfindung ist für den Einsatz in thermoelektrischen Temperaturtransmittern zur Signalwandlung geeignet. Dabei findet eine Signalwandlung mit Vergleichsstellenkorrektur und weiterreichenden Korrekturen für elektrische Fehler statt.
Es ist bekannt, mittels sogenannter Thermometerkopf-Messumformer, d. h. im Thermometeranschlusskopf einbaubare Transmitterbausteine, sowie mittels sogenannter Schnappschienen-Transmitter, d. h. in einem Elektronikschrank einbaubare Transmittermodule, die von Thermoelementpaaren ermittelten thermoelektrische Spannungssignale in normierte Signale umzuwandeln. Üblich sind hierzu Normausgangssignale als Stromsignale im Bereich von 4 mA bis 20 mA sowie Spannungssignale im Bereich von 0 V bis 10 V. Ferner werden auch digitale Signalfolgen in vielfältiger Form, z. B. CEN-Bus, CAN-Bus, MOD-Bus, PWM-Signal, ZAK-Wire-Signalfolgen usw. verwendet.
Die thermoelektrischen Temperaturtransmitter müssen bei der Signalwandlung eine Vergleichsstellenkorrektur vornehmen. Nach Bernhard: Technische Temperaturmessung, Springerverlag Berlin/Heidelberg, 2004, Seiten 768–775 sind hierfür mehrere gleichwertige Verfahren bekannt. Im einfachsten Fall wird über einen Zusatzmesskanal die Temperatur an der Vergleichsstelle ermittelt und mit diesem Vergleichsstellen-Temperaturwert eine mathematische Korrektur durchgeführt.
Die Temperaturmessung mit Temperaturtransmittern kann bei fehlerhafter Signalkennlinie zwischen Ein- und Ausgangssignal ungenau werden. Sie wird auch dann ungenau, wenn die Vergleichsstellentemperatur fehlerhaft oder nicht exakt an der Vergleichsstelle ermittelt wird und/oder zwischen den beiden thermoelektrischen Drahtschenkeln an der Vergleichsstelle ein Temperaturgradient vorhanden ist. Letzteres ist besonders dann der Fall, wenn die Vergleichsstelle nahe der Temperaturmessstelle platziert ist und Wärme in den beiden unterschiedlichen Thermoschenkeln auch unterschiedlich zur Vergleichsstelle geleitet wird, weil dieser drahtgebundene Wärmetransport spürbar in die Wärmebilanz an der Vergleichsstelle eingeht. Weiterhin ermöglichen die bekannten thermoelektrischen Messumformer keine Korrekturen für die nichtelektrischen Einbau- und Dynamikmessfehler.
In DE 44 30 722 A1 wird ein Messumformer zur Signalwandlung thermoelektrischer Größen beschrieben, bei dem auf einem Substrat Verbindungsstellen zum elektrischen Anschluss von Thermodrähten angebracht sind. Im thermischen Kontakt mit den Verbindungsstellen befindet sich ein Temperatursensor. Die Verbindungsstellen sind mit einem Eingangsverstärkermodul verbunden.
Ferner ist aus DE 40 30 926 C1 eine Schaltungsanordnung zur Messung der Temperatur einer Messstelle mit einem Thermoelement bekannt, wobei an der Vergleichsstelle ein temperaturabhängiger Schwingquarz angeordnet ist, mit dessen Frequenz die Temperatur an der Messstelle erfasst und die dort gemessene Thermospannung korrigiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messumformer der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine effektive Signalauswertung für Thermoelemente ermöglicht wird, wobei außer der Wandlung der thermoelektrischen Signalwandlung zu normierten Signalen auch eine Korrektur statisch-thermischer und dynamischer Messfehler durchgeführt werden soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Messumformer, welcher die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie sehr kompakt ausgeführt werden kann. Die Ausgestaltung der Vergleichsstelle erreicht bei geringem Fertigungsaufwand eine hohe Messgenauigkeit. Diese kann weiter verbessert werden, indem die Vergleichsstellentemperatur mittels eines Korrekturprogramms zur Erfassung des Einbaumessfehlers korrigiert und so mit geringstem Aufwand eine geringe Messunsicherheit erzielt wird.
Der Messwandler ermöglicht eine genaue Temperaturermittlung auch für Anwendungen, bei denen Messstelle und Vergleichsstelle räumlich nahe beieinander angeordnet sind und bei denen an der Messstelle hohe Temperaturen vorliegen, welche eine direkte Beeinflussung der Vergleichsstelle verursachen.
Der Messumformer ermöglicht die Verwendung eines prädiktiven Auswerteverfahrens zur Erhöhung der Messdynamik des Temperaturfühlers, wobei das Verfahren auf der Basis unterschiedlicher Zeitprozentkennwerte (z. B. t₆₃), wie sie beim Aufheizen (z. B. t_63auf) und Abkühlen (z. B. t_63ab) im hohen Messbereich und beim Einsatz schnell ansprechender Temperaturfühler vorliegen, arbeitet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Anordnung und
2 eine Messanordnung mit mineralisolierter Mantelthermoleitung.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist auf einem Substrat 10 montiert. Eingangsseitig sind die Thermodrähte 1 und 2 an Anschlusspads 4 durch Löt- oder Schweißstellen 3 befestigt. Beispielsweise besteht der erste Thermodraht 1 aus NiSi und der zweite Thermodraht 2 aus NiCrSil. Zwischen diesen Löt- oder Schweißstellen 3 befindet sich ein Temperatursensor 5. Die Anschlusspads 5 und der Temperatursensor 5 sind über die Kupferleitbahnen 6 mit einem Eingangs-Verstärkermodul 7 verbunden. Dem Eingangs-Verstärkermodul 7 können weitere Elektronikmodule 8 zur Signalkonditionierung nachgeschaltet sein. Am Ausgang 9 wird das verarbeitete Signal abgenommen.
2 erläutert eine Ausführung, bei der auf dem Substrat 10 die Bauteile Temperatursensor 5, Kupferleitbahnen 6, Eingangs-Verstärkermodul 7 und Module 8 zur Signalkonditionierung in einer rohrförmigen Metallfassung 15 angeordnet sind. Die Metallfassung 15 ist fest mit der mineralisolierten metallgeschützten Mantelthermoleitung 11 verbunden, wobei auf der Mantelthermoleitung 11 ein Prozessanschluss 13, der im dargestellten Beispiel aus Bund- und Druckschraube besteht, angebracht ist. Die Thermodrähte 1 und 2 der Mantelthermoleitung 11 und ihrer Messstelle 12 sind mittels der Löt- oder Schweißpads 4 und der Löt- oder Schweißstellen 3 mit dem Eingangs-Verstärkermodul 7 elektrisch verbunden. Über den Kabelanschluss 14, der mit den ausgehenden Kabelanschlussstellen 9 des Substrats 10 verbunden ist, werden die verarbeiteten Transmittersignale nach außen geführt. Zur Verringerung der Auswirkungen von Schwingungseinflüssen und starken Wärmeleitungsflüssen kann im Halsrohrbereich 16 die Mantelthermoleitung 11 gewendelt oder ringförmig ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: erster Thermodraht
2: zweiter Thermodraht
3: Löt- oder Schweißstelle
4: Anschlusspads
5: Temperatursensor
6: Kupfer-Leitbahnen
7: Eingangs-Verstärkermodul
8: weitere Module zur Signalkonditionierung
9: ausgehende Kabelanschlussstellen
10: Substrat
11: metallgeschützte mineralisolierte Mantelthermoleitung
12: Messstelle, Thermoperle
13: Prozessanschluss
14: Kabelanschluss
15: Metallfassung
16: Halsrohrteil

Claims

Messumformer zur Signalwandlung thermoelektrischer Messgrößen mit elektronischen Transmittermodulen, bei dem – auf einem Substrat (10) mindestens zwei Löt- oder Schweißstellen (3) zum elektrischen Anschluss von Thermodrähten (1, 2) angebracht sind, – auf dem Substrat (10) die Bauteile ein Temperatursensor (5), Kupferleitbahnen (6), ein Eingangs-Verstärkermodul (7) und Module (8) zur Signalkonditionierung in einer rohrförmigen Metallfassung (15) angeordnet sind, wobei die Metallfassung (15) fest mit einer mineralisolierten metallgeschützten Mantelthermoleitung (11) verbunden ist, – unter und/oder im Substrat (10) eine gut wärmeleitende und/oder wärmespreizende Schicht angebracht ist, – sich zwischen den Löt- oder Schweißstellen (3) der Temperatursensor (5) befindet, – die Löt- oder Schweißstellen (3) jeweils kombinierte Materialien enthalten, wobei eine Materialkomponente jeweils aus dem Thermomaterial des Thermodrahtes besteht und eine zweite Materialkomponente aus einer Kupferlegierung besteht und – die Löt- oder Schweißstellen (3) mit dem Eingangs-Verstärkermodul (7) verbunden sind.
Messumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Löt- oder Schweißstellen (3) der Thermodrähte (1, 2) eine Bornidrit-Schicht aufgebracht ist.
Messumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangs-Verstärkermodul (7) und die weiteren Module (8) zur Signalkonditionierung zu einem gemeinsamen ASic-Modul vereinigt sind.