DE4206540A1 - Eigenkalibrierende temperaturmesseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperatur­ messung mit mindestens zwei Temperaturfühlern, von denen der erste Fühler mit einem Material in wärmeleitender Verbindung steht, das bei einer bestimmten Referenz­ temperatur einen exothermen oder endothermen Effekt aufweist, während der zweite (und eventuell weitere) Fühler nicht mit einem solchen Material oder mit einem Material in Verbindung steht, das eine vom ersten Fühler unterschiedliche Referenztemperatur aufweist, mit einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der von den Tempera­ turfühlern gemessenen Temperaturen und deren Temperatur­ differenz.

Zur Messung und auch zur Eichung von Thermometern dienen bestimmte Temperaturen von Wasser und Metallen, wie bei­ spielsweise in dem Artikel. "Die neue internationale Temperaturskala von 1990" in der Zeitschrift PHYSIK in unserer Zeit, 22. Jg., 1991, Nr. 1, Seiten 13 bis 19, beschrieben ist. Hier werden bekannte Schmelz- und Er­ starrungspunkte von Elementen ausgenutzt, um festzu­ stellen, ob eine bestimmte Temperatur (Fixpunkt) erreicht ist. Temperaturen zwischen den Fixpunkten werden durch Interpolation, beispielsweise durch Widerstandsthermo­ meter oder auch durch Thermoelemente erreicht.

Eine Methode, um festzustellen, ob ein derartiger Fix­ punkt erreicht ist, ist die sogenannte Differential­ thermoanalyse, wie sie beispielsweise in dem Buch "Differentialthermoanalyse" von Dietrich Schulze, erschienen im Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstraße, 1972, beschrieben ist. Auf Seite 18 ist hier eine Anord­ nung dargestellt, bei der zwei bzw. drei Thermoelemente vorgesehen sind. Hier wird üblicherweise ein Thermo­ element von einem Neutralkörper und ein anderes von einer Probe umgeben und es wird in einer Auswerteschaltung, z. B. einer elektrischen Brückenschaltung festgestellt, welche Temperaturdifferenz zwischen den Thermofühlern auftritt.

Für den Fall, daß das Material in der Probe jetzt eine Umwandlung mit endothermer oder exothermer Reaktion erfährt, beispielsweise Phasenumwandlung, Schmelzen, Gefrieren usw., so werden die miteinander wärmeleitend verbundenen Temperaturmeßstellen unterschiedliche Tempe­ raturen aufweisen, so daß eine Temperaturdifferenz gemessen werden kann. Diese Methode wird beispielsweise angewandt, um bei bestimmten Probensubstanzen festzu­ stellen, aus welchem Material die Probe besteht, bzw. um bei bekannten Materialien festzustellen, wann der jewei­ lige Umwandlungspunkt erreicht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, diese bei chemischen Elementen auftretenden Temperaturfixpunkte zusammen mit der bekannten Methode der Differential­ thermoanalyse auszunutzen, um eine Vorrichtung zur Temperaturmessung oder -regelung zu schaffen, die sich selbsttätig immer wieder kalibriert und so frei von Alterungserscheinungen und sonstigen Einflüssen auf Dauer eine zuverlässige Ermittlung der Temperatur in bestimmten Temperaturbereichen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung von mindestens zwei Temperaturfühlern und unterschied­ lichen Materialien in der Nähe dieser Temperaturfühler zur Temperaturmessung oder Regelung mit selbständiger Eichung bei Durchlaufen mindestens einer Referenztempe­ ratur dadurch gelöst, daß in vorgegebenen Temperatur­ bereichen jeweils der Temperaturfühler, dessen mit ihm in Verbindung stehendes Material in diesem Bereich keine Re­ ferenztemperatur aufweist, in der Auswerteeinrichtung zur Temperaturmessung herangezogen wird, während von der Tem­ peraturdifferenz ein Korrektursignal abgeleitet wird, das - in Verbindung mit dem Ausgangssignal des zur Tempera­ turmessung dienenden Temperaturfühlers - das Ausgangs­ signal der Auswerteeinrichtung auf einen der Referenz­ temperatur entsprechenden Wert setzt.

Als Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 1 ein Schnittbild durch die Temperaturfühler nach der Erfindung bei Verwendung von zwei verschiedenen Temperaturfühlern.

Fig. 2 zeigt eine Verstärkerschaltung zur Auswertung der Temperaturdifferenz, um einem Rechner zusätzlich zu dem Temperatursignal ein Korrektursignal zuzuführen.

Fig. 3 zeigt den Temperaturverlauf der beiden Tempera­ turfühler nach Fig. 1 sowie den Verlauf der Differenz­ temperatur beim Einsatz der Vorrichtung zur Temperatur­ messung in einem Ofen und beim Aufheizen bzw. Abkühlen dieses Ofens.

Insbesondere für Öfen zur Wärmebehandlung oder zum Schmelzen von Metallen oder Metallegierungen ist es wichtig, daß über lange Zeit eine genaue Temperatur­ messung vorgenommen werden kann. Gerade bei Öfen, die bei höheren Temperaturen betrieben werden, besteht die Gefahr einer fortdauernden Alterung der beispielsweise zur Temperaturmessung verwendeten Thermoelemente, die durch Oxidation oder andere Einflüsse eintreten kann. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nun möglich, ohne regelmäßige Wartung derartige Thermo­ elemente oder auch Widerstandsthermometer unabhängig von deren Alterung über lange Zeit hinaus einzusetzen.

Normalerweise ist es beim Betrieb von Öfen zur Wärme­ behandlung von Legierungen oder Elementen üblich, nur Teile einer bestimmten Legierung in einem Ofen zu behandeln; hier kann man die sich langsam ändernden Abweichungen in den Ausgangsspannungen der eingesetzten Temperaturfühler dadurch berücksichtigen, daß man die Solltemperaturen bzw. die Haltezeiten für die einzelnen Temperaturen entsprechend variiert, um so immer optimale Ergebnisse für die angestrebten Eigenschaften der wärmebehandelten Elemente oder Legierungen zu erzielen.

Wird jedoch beispielsweise ein Ofen zur Wärmebehandlung unterschiedlicher Legierungen, Teile und Formen einge­ setzt, so erfordert eine derartige Anpassung der Soll­ bedingungen einen unverhältnismäßig großen Aufwand. Ohne eine solche Anpassung wäre es aber erforderlich, inner­ halb kurzer Zeiten die Temperaturmeßeinrichtung durch eine neue oder eine geeichte zu ersetzen. Dies kann durch Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermieden werden.

Fig. 1 zeigt einen ersten Fühler 1 und einen zweiten Fühler 2. Beide Fühler sind in verschweißten Gehäusen 3 bzw. 4 eingebracht. Das Gehäuse 3 des ersten Fühlers 1 ist mit Zinn und das Gehäuse 4 des zweiten Fühlers 2 ist mit Al₂O₃ (Aluminiumoxid) gefüllt. Beide Gehäuse 3 und 4 stehen über wärmeleitenden Brücken 5 und 6 miteinander in enger Verbindung und werden in das zu messende Medium eingeführt. In die Gehäuse ragen Röhrchen 7 und 8 hinein, in denen die Thermoelemente 9 bzw. 10 angeordnet sind, deren temperaturempfindliche Spitzen sich etwa in der Mitte der Gehäuse 3 und 4 befinden.

Die Masse der Materialen Zinn und Aluminiumoxid wird vorteilhafterweise etwa gleich groß gewählt, so daß der Temperaturgang des ersten Fühlers 1 und des zweiten Fühlers 2 normalerweise gleich ist.

Es ist nun bekannt, daß das Zinn bei 232°C schmilzt, während für den relevanten Temperaturbereich beim Alu­ miniumoxid keine endotherme oder exotherme Umwandlung des Materials erfolgt. Fig. 2 zeigt nun die Auswerteeinrich­ tung für die von den Thermoelementen 9 und 10 gelieferten elektrischen Spannungen. Hier ist der erste Fühler 1 mit dem Material Zinn und der zweite Fühler 2 mit dem Mate­ rial Al₂O₃ schematisch zusammen mit den Thermoelementen 9 und 10 dargestellt. Die Ausgangsleitungen der Thermo­ elemente 9 und 10 sind durch die Leitungen 11 und 12 sowie 13 und 14 hintereinander geschaltet und auf einen Verstärker 15 gegeben. Dieser verstärkt das Differenz­ signal, das sich aus der entsprechend gepolten Hinter­ einanderschaltung der Thermoelemente 9 und 10 ergibt und gibt dies über einen Filter, bestehend aus Kondensator 16 und Widerstand 17 an einen Komperator 18, der wiederum als Verstärker aufgebaut ist und das Differenzsignal mit einem von einem Potentiometer 19 als Sollwert abzu­ greifenden Spannung vergleicht. Der Kondensator 16 dient in dieser Schaltung dazu, Offsetspannungen durch ständige Ungenauigkeiten der Thermoelemente 9 und 10 vom Eingang des Komperators 18 fernzuhalten. Der Ausgang des Kompe­ rators 18 ist zur Gleichrichtung über einen Gleichrichter 19 an einen Widerstand 20 angeschlossen. Der Verbindungs­ punkt zwischen Gleichrichter 19 und 20 erhält dann eine Spannung, die der Differenzspannung bei Auftreten der Umwandlung im Zinn des ersten Fühlers 1 entspricht. Diese wird als Korrekturspannung über die Leitung 21 an einen Rechner 22 gegeben, der die Auswertung dieser Korrektur­ spannung vornimmt. Der Rechner erhält zusätzlich über die Leitungen 22 und 23 die Ausgangsspannung des zweiten Fühlers 2, der damit für den gesamten Temperaturbereich zur Temperaturmessung herangezogen wird. Dieser Istwert, der dem Rechner über die Leitungen 22 und 23 zugeführt wird, wird dann im Rechner so korrigiert, daß er bei auftretendem Signal auf der Leitung 21 einer Temperatur von 231°C der Umwandlungstemperatur des Zinns entspricht. Bei einer Alterung der Thermoelemente 9 bzw. 10 wird im Rechner, abhängig von der Zeit des Eintreffens eines Korrektursignals 21 jeweils ein unterschiedlicher Wert der Spannung zwischen den Leitungen 22 und 23 hinzu­ gefügt bzw. abgezogen, so daß eine ständige Eichung während des Betriebes des Ofens (und zwar bei jedem Auf­ heizvorgang) vorhanden ist.

Damit erhält man - ohne Verwendung besonders teurer alterungsbeständiger Temperaturfühler - eine über lange Zeit ausreichend genaue Temperaturmessung, beispielsweise für einen Ofen zur Wärmebehandlung von Legierungen.

Fig. 3 zeigt nun als Kurve 24 die Ausgangsspannung des Thermoelementes 10 und als Kurve 25 diejenige des Thermo­ elementes 9, das sich in dem Material Zinn im ersten Fühler 1 befindet. Die verstärkte Differenzspannung ist als Kurve 26 in Fig. 3 eingezeichnet, deren Temperatur über die Zeit zeigt, daß sich zunächst eine negative, dann eine stärker positive Abweichung vom Nullwert ergibt.

Man kann nun die bekannten Verfahren der Differential­ thermoanalyse verwenden, um aus diesem Spannungsverlauf den echten Umwandlungspunkt (in diesem Fall von 231°C für Zinn) zu ermitteln. Im vorliegenden Beispiel, bei dem die Temperatur eines Ofens gemessen und aufgrund dieses Meßwertes geregelt werden soll, ist aber eine besonders genaue Erfassung des exakten Fixpunktes nicht erforder­ lich, da die Wärmebehandlung unterschiedlicher Legie­ rungen ohnehin durch Versuche optimiert wird und da auch beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei mehreren Öfen ein eventueller Fehler (Abweichung des Zeitpunktes des Korrektursignals von der tatsächlichen Umwandlungstemperatur des Zinns) bei unterschiedlichen Öfen gleich ist, so daß nicht nur Alterungserscheinungen ausgeschlossen werden, sondern auch eine einmal ermittel­ te Temperatur bei einem Ofen auch für andere Öfen Gültig­ keit hat, um optimale Ergebnisse der Wärmebehandlung zu erreichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht nur für Öfen zur Wärmebehandlung oder für Schmelzöfen einzusetzen sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo Tempera­ turen gemessen und/oder geregelt werden, z. B. bei Wärme­ prozessen in der chemischen Industrie und dergleichen. Wesentlich ist, daß in bestimmten Zeitabständen die jeweilige Referenztemperatur durchlaufen wird, da nur hierbei die automatische Nacheichung erfolgen kann. Vorteilhafterweise wird man jeweils solche Materialien verwenden, deren Umwandlungstemperatur in der Nähe der zu messenden Temperatur liegt, da hierbei die Eichung besonders genau ist.

Im vorliegenden Beispiel wird immer der zweite Fühler 2 zur Temperaturmessung, d. h. zur Abgabe des Istwertes an den Rechner herangezogen, da das verwendete Al₂O₃ in den durchlaufenden Temperaturbereichen keine Umwandlung zeigt. Es ist jedoch außerdem möglich, beide Gehäuse 3 und 4 mit Materialien zu füllen, die im zu betrachtenden Temperaturbereich eine Umwandlung mit endothermer oder exothermer Reaktion erfahren. Hier ist dann abwechselnd der eine oder der andere Temperaturfühler als Lieferer des Istwertes für den Rechner oder für eine analoge Auswerteeinrichtung vorzusehen und zwar abhängig von der gemessenen Temperatur jeweils der Fühler, der in dem jeweiligen Temperaturbereich keine Umwandlung seines ihn umgebenden Materials erfährt.

Für besonders kritische Anwendungsfälle könnte man auch mehr als zwei Fühler vorsehen. Man kann dann mehrere Referenzpunkte auswerten und innerhalb eines größeren Temperaturbereiches jeweils automatisch Eichungen durch entsprechende, von der Differenzspannung von Thermo­ fühlern abgeleitete Korrektursignale erzielen. Es ist weiter möglich, ein Material- oder eine Material­ mischung - vorzusehen. Hiermit können im relevanten Temperatur­ bereich mehrere auswertbare Umwandlungen bei Fix­ temperaturen realisiert werden. Damit ist bei einem Temperaturzyklus eine Mehrfacheichung möglich.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Temperaturmessung mit mindestens zwei Temperaturfühlern, von denen der erste Fühler mit einem Material in wärmeleitender Verbindung steht, das bei einer bestimmten Referenztemperatur einen exothermen oder endothermen Effekt aufweist, während der zweite (und eventuell weitere) Fühler nicht mit einem solchen Mate­ rial oder mit einem Material in Verbindung steht, das eine vom ersten Fühler unterschiedliche Referenztem­ peratur aufweist, mit einer Auswerteeinrichtung zur Be­ stimmung der von den Temperaturfühlern gemessenen Tem­ peraturen und deren Temperaturdifferenz, gekennzeichnet durch die Verwendung der Vorrichtung zur Temperatur­ messung oder -regelung mit selbständiger Eichung bei Durchlaufen mindestens einer Referenztemperatur dadurch, daß in vorgegebenen Temperaturbereichen jeweils der Tem­ peraturfühler, dessen mit ihm in Verbindung stehendes Material in diesem Bereich keine Referenztemperatur aufweist, in der Auswerteeinrichtung zur Temperaturmes­ sung herangezogen wird, während von der Temperatur­ differenz ein Korrektursignal abgeleitet wird, das - in Verbindung mit dem Ausgangssignal des zur Temperaturmes­ sung dienenden Temperaturfühlers - das Ausgangssignal der Auswerteeinrichtung auf einen der Referenztemperatur ent­ sprechenden Wert setzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Thermoelemente aufweist, von denen einer in wärmeleitender Verbindung mit einem Material, welches eine exotherme oder endotherme Umwandlung bei einer bestimmten Differenztemperatur aufweist und daß das andere Thermoelement mit einem Material in Verbindung steht, das in den in Frage kommenden Temperaturbereichen keine Umwandlungstemperatur mit endothermem oder exothermem Effekt besitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Temperaturfühler mit je einem Material unter­ schiedlicher Referenztemperatur in Verbindung steht, daß die Auswerteeinrichtung so aufgebaut ist, daß zunächst der Temperaturfühler zur Bestimmung der Ausgangs­ temperatur der Auswerteeinrichtung herangezogen wird, dessen Referenztemperatur nicht als erstes durchlaufen wird und daß zwischen den Referenztemperaturen zweier Temperaturfühler eine Umschaltung stattfindet, die einen anderen Temperaturfühler zur Bestimmung der Temperatur wirksam werden läßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Temperaturfühler, der bei Durchlaufen der ersten Referenztemperatur bereits geeichter Temperatur­ fühler ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturfühler temperaturabhängige elektrische Widerstände oder Thermoelemente vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit aus einem Mikroprozessor besteht, der als analogen Eingangswert die Ausgangsspannung des zur Temperaturmessung jeweils vorgesehenen Temperatur­ fühlers erhält und als zusätzliche Eingangsspannung den Ausgang einer Verstärkerschaltung für das Temperatur­ differenzsignal besitzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Messung einer Ofentemperatur verwendet wird und daß die Referenztemperaturen so gewählt sind, daß sie in der Nähe der Betriebstemperaturen des Ofens liegen.