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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Messen einer thermodynamischen Temperatur eines Systems und
insbesondere eine selbstprüfende
Vorrichtung zum Messen einer wahren thermodynamischen Temperatur
eines Systems.
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Hintergrund
der Erfindung
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Das
genaue Messen von Temperatur ist für viele moderne industrielle
Prozesse sehr wichtig geworden. Das typische industrielle Temperaturkontrollsystem
bzw. -steuerungssystem verlässt
sich auf Signalausgaben, die durch irgendeine Art einer Temperatursensorvorrichtung
erzeugt wurden, um einen Temperaturmesswert für ein gegebenes System bereitzustellen.
Der Temperaturmesswert wird dazu verwendet, die Energieeingabe,
Materialeingabe, die Menge und die Qualität des Produkts, das hergestellt wird,
Umwelt- und Sicherheitsparameter und andere Parameter, die kritisch
für den
ausgeführten
Herstellungsprozess sind, zu regulieren. Festgesetzte Punkte, bei
denen moderne Verarbeitungs-, Herstellungs- und Energieerzeugungsanlage
betrieben werden, beziehen sich häufig auf gemessene Temperatur. Daher
ist die Möglichkeit,
eine Systemtemperatur genau zu messen und zu verifizieren, entscheidend
für das
Optimieren der Effizienz bzw. des Wirkungsgrads und der Sicherheit
von jeglichem temperaturabhängigen
Prozess. Als eine grundlegende physi kalische Größe, wie Druck, Masse und Zeit,
ist Temperatur jedoch sehr schwierig, genau zu messen, und große Schwierigkeiten
treten beim Bestimmen auf, ob ein Temperaturmesswert, der von einem
bestimmten Sensor bereitgestellt ist, die wahre thermodynamische
Temperatur wiedergibt. Dem Stand der Technik fehlt jegliche Lehre
einer Temperaturmessvorrichtung, die einen verifizierbar genauen
Messwert einer Temperatur über
einen bestimmten Temperaturbereich bereitstellen kann.
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Ein
zweites mit den verschiedenen Temperaturmessvorrichtung des Standes
der Technik verknüpftes
Problem ist, das alle bekannten Vorrichtung des Standes der Technik
eine periodische bzw. zyklische Nach- bzw. Rekalibrierung in einem
Kalibrierofen oder einer ähnlichen
Vorrichtung nach einem Benutzungszeitabschnitt benötigen. Solche
Kalibrierungen machen das Entfernen der Vorrichtung aus dem System,
in dem es verwendet wird, während
der Dauer der Rekalibrierung notwendig. Das Entfernen der Temperaturmessvorrichtung
aus dem System führt zu
Sicherheits- und Umweltrisiken, während die mit der Kalibrierung
verknüpfte
Ausfallzeit signifikante Kosten aufgrund von verlorener Produktivität darstellt.
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Da
Temperatur auf eine Vielzahl von Arten durch eine mannigfaltige
Anordnung von Sensoren gemessen werden kann, existieren verschiedene Verfahren
zur Temperaturmessung, die eine Vielzahl von allgemein wohlverstandenen
Konzepten und Sensoren verwenden. Die verschiedenen Verfahren zur
Temperaturmessung können
in mehrere eindeutige Kategorien oder Familien von Vorrichtungen
unterteilt werden, von denen jede auf verschiedenen wissenschaftlichen
Prinzipien basiert oder diese verwendet. Die verschiedenen Familien
von Vorrichtungen umfassen Wiederstandsthermometrikvorrichtungen
(RTDs und Thermistoren), Thermopaare, optische Pyrometrievorrichtungen,
wie etwa Hohlraumemissionsvorrichtun gen und Infrarotstrahler, Bimetallvorrichtungen,
Flüssigkeitsexpansionsvorrichtungen und
Zustands- bzw. Phasenänderungsvorrichtungen. Die
fundamentale Verknüpfung
zwischen diesen eindeutigen bzw. verschiedenen Familien von Sensoren ist,
dass jede Familie die Temperatur durch Aufzeigen irgendeiner Änderung
einer physikalischen Charakteristik als Antwort auf eine Änderung
der Temperatur ableitet. RTDs messen die Änderung des elektrischen Widerstands
des Sensors, wenn sich seine Temperatur ändert, wobei der Widerstand
ungefähr linear
mit der Temperatur ansteigt. Thermistoren, die im allgemeinen aus
verschiedenen keramischen Halbeleitermaterialen hergestellt sind,
zeigen ein nichtlineares Abfallen im Widerstand mit einem Ansteigen der
Temperatur. Thermopaare messen die elektromotorische Kraft (EMF:
electromitive force) zwischen einem Paar von unähnlichen Drähten. Optische Vorrichtungen,
wie etwa Infrarotsensoren, leiten eine Temperatur ab, indem sie
die von einem Material ausgesendete thermische Strahlung messen.
Andere optische Vorrichtungen verwenden photolumineszente Prinzipien
zum Bestimmen der Temperatur. Bimetallvorrichtungen messen den Unterschied
in dem Maß der
thermischen Ausdehnung zwischen verschiedenen Metallen. Flüssigkeitsexpansionsvorrichtungen,
wie etwa typische Haushaltsthermometer, messen einfach die Volumenänderung
eines bestimmten Fluids als Antwort auf eine Temperaturänderung.
Letztendlich ändern
Zustandsänderungs-Temperatursensoren
ihre Erscheinung, wenn eine bestimmte Temperatur erreicht ist. Von
den voranstehenden Temperatursensoren verwendet die große Mehrheit
von in der Industrie verwendeten Vorrichtung heutzutage Widerstandsthermometrievorrichtungen,
Thermopaarvorrichtungen oder optische Vorrichtungen.
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Der
Stand der Technik enthält
vielzählige Beispiele
von Widerstandsthermometrievorrichtungen. Das U.S. Patent Nr. 4,971,452,
das am 20. November 1990 Finney veröffentlicht wurde, lehrt eine RTD
zum Messen der Temperatur der wäremepfangenden
Oberfläche
eines Wärmetauschers.
Die RTD umfasst eine RTD-Baugruppe, die direkt an die wärmeempfangende
Oberfläche
des Wärmetauschers geschweißt ist und
die das Widerstandselement von Verbrennungsgasen abschirmt und das
Widerstandselement von dem Mantel eines ummantelten Kabels, dass
die RTD mit ihren verknüpften
Schaltkreisen elektrisch verbindet, thermisch isoliert. Das U.S. Patent
Nr. 5,073,758, das am 17. Dezember 1991 für Postlewait u.a. veröffentlicht
wurde, zeigt einen Schaltkreis und ein Verfahren zum Messen des
Widerstands in einer aktiven und Hochtemperatur-Umgebung.
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Der
Stand der Technik enthält
ebenfalls vielzählige
Beispiele von Thermopaaren und Thermoelementen. Das U.S. Patent
Nr. 5,209,571, das am 11. Mai 1993 für Kendall veröffentlicht
wurde, lehrt eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur von geschmolzenem
Metall. Die Vorrichtung umfasst ein Thermopaarelement, ein aus einem
wärmebeständigem Material
bestehendes Gehäuse
und ein Aufnahmeelement zum Aufnehmen des wärmebeständigen Elements. Das U.S. Patent
Nr. 5,232,286, das am 03. August 1993 für Dubreuil u.a. veröffentlicht
wurde, zeigt eine Thermopaar für
Hochtemperaturmessungen von flüssigen
Metallen, Steinen und Schlacken. Das Thermopaar umfasst zwei Cermetelemente
aus unähnlichen
Metallen, in denen der thermoelektrische Schaltkreis durch das Medium
geschlossen ist, dessen Temperatur gemessen wird. Das U.S. Patent Nr.
5,121,994, das am 16. Juli 1992 für Molitoris veröffentlicht
wurde, zeigt eine Thermopaarsonde zur Verwendung in einer Autoclave
bzw. einem Dampfkochtopf.
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Der
Stand der Technik enthält
ebenfalls Beispiele von Temperaturmessvorrichtungen, die ein Paar
von Thermopaaren verwenden. Als ein Beispiel lehrt das U.S. Patent
Nr. 5,038,303, das am 06. August 1991 für Kimura veröffentlicht
wurde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Temperatur,
das ein Hauptthermopaar und ein Hilfsthermopaar verwendet, das mit
einem Bein des Hauptthermopaars verbunden ist, um Kaltverbindungskompensation
bereitzustellen. Das U.S. Patent Nr. 5,061,083, das am 29. Oktober
1991 für
Grimm u.a. veröffentlicht
wurde, lehrt eine Temperaturüberwachungsvorrichtung,
die aus mindestens einem ersten Thermopaar und einem zweiten Thermopaar
zusammengesetzt ist.
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Jede
der voranstehend benannten Vorrichtungen des Standes der Technik
verwendet eine RTD oder ein Thermopaar oder, unter gewissen Umständen, ein
Paar von Thermopaaren, jedoch enthält der Stand der Technik keine
Lehre, ein RTD mit einem Thermopaar zu kombinieren. Weiterhin enthält der Stand
der Technik keine Lehre, irgend einen anderen Typ eines Impedanzelements
(Kondensatoren, Induktoren bzw. Spulen, Kristalle oder Halbleiter)
mit einem oder mehreren Thermopaaren zu kombinieren. Letztendlich
enthält
der Stand der Technik keine Lehre, zwei oder mehre Thermoelementdrähte mit
irgendeiner Art eines Impedanzelements zu kombinieren.
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Der
Stand der Technik lehrt ebenfalls das Kombinieren zweier optischer
Temperaturmessvorrichtungen. Das U.S. Patent Nr. 5,112,137, das
am 12. Mai 1992 für
Wickersheim u.a. veröffentlicht
wurde, lehrt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Hochtemperaturbereichen
unter Verwendung von Hohlraum- bzw. Schwarzstrahler-Techniken und
niedriger Temperaturbereiche unter Verwendung von photolumineszenten
Techniken, die beide optische Temperaturmesstechniken sind. Wickersheim
lehrt nicht das Kombinieren zweier Sensoren von verschiedenen Familien
von Sensoren, wie etwa einer Widerstandsvorrichtung und einem Thermopaar
oder einer Widerstandsvorrichtung und einer optischen Vorrichtung
oder ähnliche
Kombinationen.
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Eine
weitere fundamentale Einschränkung bei
den Temperaturmessvorrichtungen des Standes der Technik ist, dass
diese Vorrichtungen nicht dazu in der Lage sind, eine zuverlässige Überprüfung der Kalibrierung über den
Temperaturbetriebsbereich ohne ein Entfernen des Sensors zum Vergleichen
mit einer bekannten Kalibrierungsreferenz bereitzustellen. Die fundamentale
Einschränkung
aller Vorrichtungen des Standes der Technik ist, dass sie eine einzelne
Familie von Temperaturmessvorrichtungen verwenden, d.h. RTDs, Thermoelemente,
optische Vorrichtungen, usw., um die Temperatur zu messen. Obwohl
gewisse Vorrichtungen im Stande der Technik existieren, die mehr
als eine Temperaturmessvorrichtung verwenden, wie etwa ein Paar
von Thermopaaren oder ein Paar von optischen Vorrichtungen, enthält der Stand
der Technik keine Lehre, zwei unähnliche
Vorrichtungen, wie etwa ein Widerstands- oder Kapazitivelement mit
einem oder mehreren Thermoelementen.
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Im
allgemeinen grenzt sich die primäre
Ausfallart oder die primären
Ausfallarten einer Familie von Messvorrichtungen von der primären Ausfallart für eine andere
Art von Messverfahren ab. Weiterhin werden die primären Ausfallarten
von verschiedenen Arten von Vorrichtungen innerhalb derselben Familie im
allgemeinen voneinander abweichen. Ein Sensorelement neigt dazu,
aufgrund von schädlichen
Betriebsdingungen oder aufgrund einer verlängerten Benutzungsdauer ohne
Rekalibrierung mit einer primären
Fehlerart nachzulassen oder zu dekalibrieren. Falls dies auftritt,
wird das Ausgangssignal des Sensors nicht länger genau mit der wahren thermodynamischen
Temperatur an dem Ort des Sensors korrelieren. Dem Stand der Technik
fehlt jegliche Lehre einer Vorrichtung, die den Benutzer hinsichtlich
eines Abweichens in der Ausgabe des Sensors alarmiert, die wegen
einer Verschlechterung aufgrund von irgendeinem aus einer Viel zahl
von Faktoren auftritt, während
er damit fortfährt,
eine wahre thermodynamische Systemtemperatur bereitzustellen. Das
U.S. Patent Nr. 5,176,451, das für
Sasada u.a. veröffentlicht
wurde, lehrt einen Temperatursensor, der ein Thermopaar verwendet,
das Mittel zum Anzeigen umfasst, wann ein Kurzschluss in dem Thermopaar auftritt.
Ein entscheidender Nachteil von Sasada ist, dass der Benutzer nur
dann eine Anzeige empfängt, wenn
ein vollständiger
Sensorausfall oder Kurschluss aufgetreten ist. Der Benutzer empfängt keine Anzeige
oder Warnung, wenn der Sensor zu dekalibrieren oder abzuweichen
beginnt und deswegen nicht länger
die wahre thermodynamische Temperatur ausliest, sondern statt dessen
eine fehlerhafte Systemtemperatur bereitstellt.
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Im
Falle einer Sensordekalibrierung oder eines Sensorausfallens, ist
ein Benutzer dazu gedrängt,
andere Informationsquellen zu nutzen, um das Ausfallen, die Dekalibrierung
oder das "Abweichen" des Sensors zu korrigieren.
Wenn das Niveau der Dekalibrierung oder des "Abweichens" in dem Sensor den Punkt erreicht, der
als inakzeptabel angenommen wird, muss der Sensor dekalibriert oder ersetzt
werden. Weiterhin fehlt dem Stand der Technik jegliche Vorrichtung
oder Verfahren, um dem Benutzer zu ermöglichen, die Höhe der Abweichung
zu bestimmen. Gegenwärtig
ist der Benutzer dazu gezwungen, zu "schätzen", basierend auf Erfahrung, wie
hoch das Niveau der Kalibrierung ist. Zusammenfassend ist das einzig
bekannte zuverlässige
Verfahren zum Verifizieren der Genauigkeit von moderner Temperatursensoren über einen
großen
Temperaturbereich das Entfernen und unabhängige Dekalibrieren in einem
Kalibrierungsofen. Für
viele moderne Anwendungen erfordert dieser Vorgang kostspielige und
unzumutbare Abschaltungen und Wartungsausgaben. Systemabschaltungen,
um die Kalibrierungsaufgabe zu erfüllen, ziehen außerdem wesentliche Sicherheitsrisiken
für die
Personen nach sich, die mit dem Entfernen des Sensors aus dem System
in Verbindung stehen. Zum Beispiel ist bei vielen Anwendungen, bei
denen das System im Betrieb fortfahren muss, das Entfernen des Sensorelements
gefährlich, wenn
nicht unmöglich.
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Die
Druckschrift WO 95/01657 beschreibt eine Temperaturmessvorrichtung
des Standes der Technik, die drei Thermopaare verwendet. Der Oberbegriff
des Anspruchs 1 basiert auf diesem Dokument. Bardyla u.a. beschreiben
in "Überprüfen von Widerstandsthermometern
unter Arbeitsbedingungen ohne Demontage" ("Checking
Resistance Thermometers Under Working Conditions Without Demounting"), Measurement Techniques,
Band 27, Nr. 6, Juni 1984, Seiten 524–526, New York, USA einen Temperatursensor,
der ein Thermopaar und einen Widerstand verwendet.
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Ein
weiterer Bedarf besteht in der Technik an einer Temperaturmessvorrichtung
und ein Verfahren, dass eine wahre verifizierte thermodynamische
Temperatur bereitstellen kann.
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Ein
weiterer Bedarf besteht an einer Vorrichtung, die in situ bzw. an
Ort und Stelle dekalibriert werden kann und dabei die Notwendigkeit,
den Sensor von dem System zur Dekalibrierung zu entfernen, umgeht.
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Es
besteht ein weiterer Bedarf an einer Vorrichtung, die zwei oder
mehr eindeutige Familien von Temperatursensoren umfasst, wobei sie
die Wahrscheinlichkeit, dass jeder der Sensoren an einer bestimmten
Vorrichtung in Antwort auf dieselben feindlichen Betriebsbedingungen
oder an ungefähr
demselben Punkt in seinem Betriebsleben dekalibriert, wesentlich
reduziert.
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Es
besteht ein weiterer Bedarf für
eine Vorrichtung, die eine Datensignatur erzeugt, die eine Vielzahl
von Span nungs- und Impedanzmessungen umfasst, die von dem Sensor
erlangt wurden.
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Es
besteht ein weiterer Bedarf für
ein Verfahren zum Kompilieren einer Datensignatur, die eine Vielzahl
von Spannungs- und Impedanzmessungen umfasst, und zum Analysieren
der Datensignatur, um eine verifizierte wahre Systemtemperatur zu
bestimmen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
voranstehenden und anderen Bedürfnisse
werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen und Verifizieren
einer wahren thermodynamischen Systemtemperatur erfüllt. Ein
selbstprüfender
Temperatursensor umfasst einen Sensor, dessen Elektronik und einen
Computer.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein selbstprüfender Sensor
mit einem ersten Thermopaar und einem zweiten Thermopaar bereitgestellt,
der weiterhin gekennzeichnet durch:
ein temperaturabhängiges Element
in der Form eines Impedanzelements, das ein erstes Ende und ein zweites
Ende aufweist, wobei das erste Thermopaar mit dem ersten Ende gekoppelt
ist und das zweite Thermopaar mit dem zweiten Ende gekoppelt ist,
und
ein Thermoelement, das mit dem temperaturabhängigen Element
zwischen dem ersten und dem zweiten Ende gekoppelt ist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Messen einer Systemtemperatur unter Verwendung eines selbstprüfenden Temperatursensors
bereitgestellt, wobei der Sensor aufweist:
ein erstes Thermopaar
und ein zweites Thermopaar, wobei jedes Thermopaar ein erstes Thermoelement und
ein zweites Thermoelement aufweist,
ein temperaturabhängiges Element
in der Form eines Impedanzelements, das ein erstes und ein zweites Ende
aufweist, wobei das erste Thermopaar mit dem ersten Ende gekoppelt
ist das zweite Thermopaar mit dem zweiten Ende gekoppelt ist, und
ein
Thermoelement, das mit dem thermoabhängigen Element zwischen dem
ersten und dem zweiten Ende gekoppelt ist,
wobei das Verfahren
folgende Schritte umfasst:
Erhalten einer primären Datensignatur
von einem Primärsensor,
der aus einer Kombination der ersten Thermoelemente des ersten Thermopaars,
der Thermoelemente des zweiten Thermopaars des Thermoelements, das
mit dem temperaturabhängigen
Element gekoppelt ist, gebildet ist, und
Erhalten einer sekundären Datensignatur
von einem Sekundärsensor,
der aus einer verschiedenen Kombination der Thermoelemente des ersten
Thermopaars der Thermoelemente des zweiten Thermopaars und des Thermoelements,
das mit dem temperaturabhängigen
Element gekoppelt ist, gebildet ist, wobei der Sekundärsensor
das temperaturabhängige
Impedanzelement umfasst,
Bestimmen einer primären Systemtemperatur
anhand der primären
Datensignatur,
Bestimmen einer Kalibrierungsreferenz anhand
der sekundären
Datensignatur, und
Vergleichen der primären Systemtemperatur mit der Kalibrierungsreferenz,
um eine verifizierte Systemtemperatur zu erhalten.
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Innerhalb
des Sensors der vorliegenden Erfindung befindet sich ein vieldrahtiges
bzw. Multidraht-Sensorelement. In verschiedenen Ausführungsformen
enthält
das Sensorelement eine Mehrzahl von temperaturabhängigen Thermoelementen,
die mit mindestens einer temperaturabhängigen Impedanzvorrichtung
gekoppelt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die zwei Thermopaare
des Sensors aus zwei verschiedenen Thermoelementen gebildet. Verbindungspunkte
der Thermopaare sind auf jeder Seite einer Widerstandsvorrichtung
verbunden. Ein fünftes
Thermoelement ist mit der Mitte der Widerstandsvorrichtung verbunden.
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Die
Thermoelemente sind an eine Messelektronik gekoppelt. Die Messelektronik
gibt Signale in die Thermoelemente ein und sammelt davon eine Datensignatur.
Ein Thermopaar ist als der primäre Temperatursensor
ausgewählt
und wird fortwährend überwacht.
Die anderen Thermoelemente bilden eine sekundären Sensor aus und werden in
verschiedenen Kombinationen überwacht.
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Die
Datensignatur wird gefiltert, verstärkt und in digitale Daten umgewandelt.
Die digitalen Daten werden in einem Computer zur Umwandlung in Temperaturwerte
und zur weiteren Analyse gesendet. Der Computer zeigt die von dem
primären
Sensor bestimmte Temperatur auf einer Anzeige an. Der Computer verwendet
die von dem sekundären
Sensor gesammelten Daten, um die von dem primären Sensor gemessene Temperatur
zu verifizieren. Da die sekundären
Sensordaten von einer Mehrzahl von temperaturabhängigen Elementen erlangt werden, wobei
jedes Element eine unterschiedliche Auswahlart auf weist, zeigen
die Daten an, wenn sich ein oder mehrere Teile des Sensors verschlechtern.
Aus dieser Verifikation berechnet der Computer ein Vertrauensniveau
des Primärsensors.
Dieses Vertrauensniveau wird ebenfalls auf der Anzeige des Computerendgeräts angezeigt.
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Ein
technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie die
Nachteile des Standes der Technik durch Bereitstellen eines selbstüberprüfenden Temperatursensors
umgeht, der mindestens zwei Temperaturmessvorrichtungen aus verschiedenen
Sensorfamilien verwendet und davon eine Datensignatur erlangt, die
analysiert werden kann, um eine verifizierte Systemtemperatur zu
bestimmen.
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Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass
die Vorrichtung in situ rekalibriert werden kann, wobei die Notwendigkeit
beseitigt ist, den Sensor von dem System, in dem die Temperatur
gemessen wird, zu entfernen.
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Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass
der Temperatursensor eine Datensignatur erzeugt, die ein primäres Datenpaket
und ein oder mehrere Backupoder Sicherungsdatenpakete umfasst, die
mit dem primären
Datenpaket verglichen werden können,
um die Systemtemperatur zu verifizieren.
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Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass
sie den Grad der Verschlechterung, der im Sensor aufgetreten ist,
messen und anzeigen kann.
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Das
voranstehende hat ziemlich allgemein die Merkmale und technischen
Vorteile der vorliegenden Erfindung hervorgehoben, damit die detaillierte Beschreibung
der Erfindung, die folgt, besser verstanden werden kann. Zusätzliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachstehend beschrieben, die
den Gegenstand der Ansprüche
der Erfindung ausbilden. Es soll durch den Fachmann verstanden werden,
dass das Konzept und die beschriebene spezifische Ausführungsform
einfach als eine Basis zum Modifizieren oder Entwerfen anderer Strukturen
zum Ausführen
desselben Zwecks der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Es soll ebenfalls durch den Fachmann erkannt werden, dass solche äquivalenten
Konstruktionen sich nicht von dem Geist und dem Geltungsbereich
der Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen dargelegt ist, entfernen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Für ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und der Vorteile davon wird nun auf die
folgenden Beschreibungen zusammen mit der anliegenden Zeichnung
bezuggenommen.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm des selbstprüfenden
Temperatursensors der vorliegenden Erfindung auf oberer Ebene.
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2 zeigt
eine Explosionsansicht eines Sensors der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine detailliertere Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform
eines Sensorelements der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
ein funktionales Blockdiagramm der Messelektronik.
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5 zeigt
die von einem Computersystem durchgeführten Schritte, das dazu angepasst
ist, die vorliegende Erfindung auszuführen.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Bei
der Beschreibung der vorliegende Erfindung zeichnet der Begriff "System" jeden thermodynamischen
Körper,
für den
es gewünscht
ist, eine verifizierte wahre Temperatur zu erlangen. Zum Beispiel
kann die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden, eine verifizierte
wahre Systemtemperatur für irgendeinen
industriellen Prozess zu erlangen, der die genaue Messung von Temperatur
benötigt,
wie etwa solche, die in der Metall-, Keramik-, Glas-, Energieerzeugungs-
und Petrochemie-Industrie zu finden sind. Weiterhin kann die vorliegende
Erfindung dazu verwendet werden, eine verifizierte wahre Systemtemperatur
für jede
Art eines gegenwärtig
verwendeten Motors oder einer gegenwärtig verwendeten Energie- bzw.
Leistungs-Erzeugungsquelle verwendet werden. Es soll verstanden
werden, dass die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden kann, Temperaturen
in allen Temperaturbereichen von dem Cryogenbereich bis zu extrem
hohen Temperaturen zu messen.
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Der
Begriff "Impedanzelement", wie er hier verwendet
wird, soll jegliche Art von impedanzbasierten Thermometrievorrichtungen
bedeuten, einschl. Widerstandsthermometrievorrichtungen, Impedanzthermometrievorrichtungen,
Kondensatorthermometrievorrichtungen, Halbleitervorrichtungen und
Kristallvorrichtungen.
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Der
Begriff "temperaturabhängiges Element", wie er hier verwendet
wird, soll jegliche Art von Sensorelement bedeuten, das eine charakteristische
und messbare Änderung
in einer oder mehreren physikalischen Eigenschaften in Antwort auf
eine Änderung
der Temperatur zeigt. Solche Sensorelemente können umfassen: (1) irgend eine
Vorrichtung, die eine charakteristische Änderung in Spannung oder Impedanz
in Antwort auf eine Temperaturänderung zeigt,
einschl. Impedanz bzw. Spulenelementen, und (2) Thermoelemente und
Thermopaare. Da diese Änderungen
in Antwort auf die Temperatur für
jede dieser Vorrichtungen gut verstanden sind, kann eine Temperatur
einer Vorrichtung durch Untersuchen seiner Eigenschaften bestimmt
werden.
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Mit
Bezug auf die Zeichnung und insbesondere auf 1, ist nun
ein funktionales Blockdiagramm eines selbstprüfenden Temperatursensors 100 ("SVTS": self-verifying
temperature sensor) dargestellt. SVTS 100 umfasst einen
Sensor 110, der über
ein Verbindungskabel 112 mit einer Messelektronik 114 gekoppelt
ist. Die Messelektronik 114 ist mit einem Computer 118 gekoppelt.
Der Computer 118 führt
eine Software 120 aus und gibt Daten auf einer Anzeige 122 aus,
die eine thermodynamische Temperatur des durch den Sensor 110 gemessenen
Systems und ein Zufriedenheitsniveau bzw. Vertrauensniveau anzeigen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Sensors 110 ist in 2 dargestellt.
Der Sensor 110 umfasst eine Schutzhülse (PT: protectoin tube) 210.
Innerhalb PT 210 befinden sich ein Abstandshalter 212,
ein mehrdrahtiger Sensor 214, ein Thermoelementisolator 216 und
ein elektrischer Anschluss 218.
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Das
PT 210 kann aus jeglichem Material gefertigt sein, das
dazu in der Lage ist, den Anforderung des Systems standzuhalten,
in dem der Sensor 110 installiert ist,. Eine bevorzugte
Ausführungsform
des PT 210 ist aus rostfreiem Stahl hergestellt, obwohl das
PT 210 auch jegliches hitzebeständiges Material sein könnte.
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Der
keramische Abstandshalter 212 passt in das PT 210 und
hält den
mehrdrahtigen Sensor 214 in der geeigneten Positi on. Der
primäre
Zweck des Abstandshalters 212 ist, den mehrdrahtigen Sensor 214 von
anderen leitenden Elementen in dem PT 210 zu isolieren.
Demgemäß kann der
Abstandshalter 212 aus jeglichem dielektrischen bzw. nicht
leitenden Material hergestellt sein. Zusätzlich ist eine wichtige Funktion
des PT 210 und des Abstandshalters 212, den viehdrahtigen
Sensor 214 in einem isothermen Zustand zu halten.
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3 zeigt
eine detailliertere Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
des mehrdrahtigen Sensors 214. Der Sensor 214 umfasst
zwei verschiedene Thermopaare 310, 312, die jeweils
zwei Thermoelemente 314, 316, 318, 320 umfassen.
Die Thermoelemente 314 und 316 sind an der Verbindung 322 verbunden.
In ähnlicher
Weise sind die Thermoelemente 318 und 320 an der
Verbindung 324 verbunden. Die Verbindungen 322 und 324 sind mit
entgegengesetzten Seiten des temperaturabhängigen Elements 326 gekoppelt.
Ein anderes Thermoelement 328 erstreckt sich von der Mitte
des temperaturabhängigen
Elements 326.
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Jedes
Thermoelement von jedem Thermopaar ist aus einem unterschiedlichen
temperaturabhängigen
Material hergestellt. Zum Beispiel ist das Thermoelement 314 aus
einem anderen Material als das Thermoelement 316 hergestellt.
Weiterhin sind in der bevorzugten Ausführungsform die Thermopaare 310, 312 aus
denselben Materialien hergestellt. Das heißt die Thermoelemente 314 und 318 sind
wie die Thermoelemente 316 und 320 aus demselben
Material hergestellt.
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Die
Thermoelemente 314, 316, 318, 320, 328 sind
Drähte,
die sich in Länge
und Durchmesser abhängig
von den Systemparametern variieren. In der bevorzugten Ausführungsform
sind die Thermoelemente 314 und 318 aus CHROMELTM hergestellt. Die Thermoelemente 316 und 320 sind
vorzugsweise aus ALUMELTM hergestellt. Das
Thermoelement 328 kann aus jedem geeigneten Material hergestellt
sein und braucht nicht aus demselben Material wie die anderen Thermoelemente 314, 316, 318, 320 zu
sein. Natürlich
können
die Thermoelemente 314, 316, 318, 320, 328 aus
anderen Materialien hergestellt sein. Thermoelemente, die aus Materialien
wie Platin/Rhodium, Wolfram/Rhenium, Kupfer, Eisen und Konstantan
hergestellt sind, sind in der Technik allgemein bekannt und können ersatzweise
verwendet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das temperaturabhängige
Element 326 ein Widerstandselement. Es kann jedoch ersatzweise
jedes Impedanzelement, das allgemein bekannte Ausfallarten aufweist,
verwendet werden. Deswegen kann das temperaturabhängige Element 326 z.B.
ein Induktor bzw. eine Spule, ein Kondensator, eine Diode, eine
Halbleitervorrichtung oder eine Kristallvorrichtung sein.
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Weiterhin
ist es sehr wichtig zu bemerken, dass 3 nur eine
Ausführungsform
eines mehrdrahtigen Sensors 214 beschreibt. Mögliche alternative
Ausführungsformen
umfassen mehrdrahtige Sensoren, die ein oder mehrere temperaturabhängige Elemente
innerhalb irgendeines der Temperaturelementdrähte 314, 316, 318, 320, 328 aufweisen.
Zusätzlich
kann der mehrdrahtige Sensor 214 eine unterschiedliche
Anzahl von Thermoelementdrähten als
die in 3 gezeigten aufweisen. Solche alternativen Ausführungsformen
sind einfach ersichtlich und deutlich innerhalb der vorliegenden
Erfindung.
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Im
Betrieb erzeugt jedes individuelle Thermoelement 314, 316, 318; 320, 328 eine
elektromotorische Kraft (EMF: electromtive force), die in einer konsistenten
Weise mit einer Temperatur über
einen verwendbaren Temperaturbereich korreliert. Impedanz und/oder
Spannung wird gemessen, indem ein bekannter Strom in ein erstes
Paar von Thermoelementen gegeben und die über ein zweites Paar erzeugte
Spannung gemessen wird. Jedes Paar kann aus jeglichen zwei Thermoelementen 314, 316, 318, 320, 328,
die nicht in dem anderen Paar sind, ausgewählt sein. Die Messungen werden
sowohl in der "Vorwärts" – als auch in der "Rückwärts" – Richtung genommen
und die resultierenden Messungen gemittelt, um die Spannung und/oder
Impedanz, die durch die Thermoelemente 314, 316, 318, 320, 328 erzeugt
ist, zu kompensieren. Da die elektrischen Charakteristiken der Thermoelemente 314, 316, 318, 320, 328 und
des temperaturabhängigen
Elements 326 bei bestimmten Temperaturen allgemein bekannt sind,
kann die Temperatur des Systems aus den von dem mehrdrahtigen Sensor 214 gemessenen
elektrischen Signalen bestimmt werden.
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Um
die Temperatur zu messen, wird eine Kombination von Thermoelementen
dazu ausgewählt,
ein primärer
Sensor zu sein, während
die übrigen
Thermoelemente einen sekundären
Sensor ausbilden. Zum Beispiel kann das Thermopaar 310 als der
primäre
Sensor ausgebildet sein, während
die von den anderen Thermoelementen 318, 320, 328 (und
verschiedene Kombinationen von den Thermoelementen 314 und 316)
genommenen Messungen den sekundären
Sensor ausbilden. Die weiteren Details der Temperaturmessung und
des Verifikationsvorgangs sind nachstehend beschrieben.
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Mit
Rückblick
auf 2 ist ebenfalls ein Thermoelementisolator 216 dargestellt.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Thermoelementisolator aus Keramik oder einem anderen dielektrischen bzw.
nicht leitenden Material hergestellt. Der Thermoelementisolator 216 enthält fünf Löcher 222,
wobei jedes Loch eine Aufnahme für
ein Thermoelement 314, 316, 318, 320, 328 ausbildet.
Jedes Loch weist solch einen Durchmesser auf, wie er benötigt wird,
um zu dem Ver hältnis
zwischen dem Thermoelement und dem Innendurchmesser des Sensors
zu passen.
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Letztendlich
ist ein elektrischer Anschluss 218 an den Thermoelementisolator 216 angeschlossen,
so dass seine leitenden Zacken 220 in elektrischer Verbindung
mit jedem Thermoelement 314, 316, 318, 320, 328 sind.
Der elektrische Anschluss 218 ist mit einem Anschlusskabel 112 angeschlossen,
um elektrische Signale von dem Sensor 110 zur Messelektronik 114 zu übertragen.
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Die
Messelektronik 114 ist mit dem Anschlusskabel 112 gekoppelt
und sammelt und bereitet eine Datensignatur auf, die durch den Sensor 110 erzeugt
ist. Die Datensignatur umfasst elektrische, von dem Sensor 110 empfangene
Signale. Die Messelektronik 114 überwacht den Sensor 110 unter
Verwendung einer Anschluss-Zu-Anschluss- bzw. Ader-Zu-Ader-Messung der Impedanz
und der Spannung, die über
verschiedene Kombinationen von Anschlüssen unter Verwendung von AC- und/oder DC-Techniken
gemessen werden. Solche Techniken sind einem Durchschnittsfachmann
allgemein bekannt. Diese Messungen werden dann korreliert und analysiert,
um die notwendigen Daten für
die Temperatur und den Sensorzustand herauszuziehen. In einer alternativen
Ausführungsform
kann die Messelektronik 114 mit mehreren Sensoren 110 gekoppelt sein.
Solch eine Konfiguration würde
Modifikationen erfordern, die dem Fachmann einfach ersichtlich sind.
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4 zeigt
ein funktionales Blockdiagramm, das die Messelektronik 114 und
mit dieser zusammenhängende
Komponenten darstellt. Innerhalb der Messelektronik 114 befinden
sich ein Multiplexer (MUX) 410, ein Filter und Dämpfer 412,
und ein Analog-Zu-Digital-Konverter (A/D) 414.
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Der
MUX 410 arbeitet unter Kontrolle des Computers 118,
um bestimmte Signale von den Thermoelementen auszuwählen und
gibt diese Signale an den Filter und Entkoppler 412 weiter.
Der MUX 410 ermöglicht
ebenfalls das Eingeben eines bekannten Stroms in den Sensor 110 zur
Impedanzmessung. Zusätzlich
ermöglicht
der MUX 410 die Auswahl eines Vorwärtsoder Rückwärtslesens des Sensors 110.
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Der
Filter und Dämpfer 412 empfängt die ausgewählten Signale
von dem MUX 410. Der Filter führt Antialisierung durch, um
die Störgeräuschleistung
des A/D-Konverters 414 zu verbessern. Ein Dämpferverstärker stellt
eine hohe Eingabeimpedanz bereit, um den Effekt des Widerstands
der Schalter des MUX 410 zu verringern.
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Der
A/D-Konverter 414 ist ein hoch auflösender Sigma-Delta A/D-Konverter.
Der A/D-Konverter 414 wandelt die Datensignatur, die von
dem Sensor 110 empfangen wurde, in einen oder mehrere digitale Werte
um, die die Datensignatur wiedergeben. Diese digitalen Werte werden
dann dem Computer 118 zur weiteren Verarbeitung übermittelt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des A/D-Konverters 414 besteht aus einem primären und einem
sekundären
A/D-Konverter. Signale
von dem primären
Sensorelement umgehen den MUX 410 und den Filter und Dämpfer 412 und
werden stattdessen direkt von dem Sensor 110 zu dem primären A/D-Konverter übermittelt.
Der primäre
A/D-Konverter ließt
kontinuierlich diese Signale. Der sekundäre A/D-Konverter ist mit dem
Sensor 110 über
den MUX 410 verbunden und kann die primären Abtastelemente oder jegliche
andere Abtastelemente in irgendeiner Kombination lesen. Zusätzlich kann
ein Temperatursensor an den sekundären A/D-Konverter angeschlossen
sein, um zu ermöglichen,
Kaltstellenberechnungen durchzuführen.
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Der
Computer 118 empfängt
die digitale Signalausgabe von dem A/D-Konverter 414. Der
Computer 118 ist vorzugsweise ein Standardmikrocomputer,
der eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Direktzugriffsspeicher
(RAM: Random Access Memory) und einer Anzeige 122 umfasst.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht durch den Aufbau des
Computers 118 beschränkt.
Wie durch den Durchschnittsfachmann gut verstanden wird, führt der
Computer 118 eine Software 120 aus, die in dem RAM
auf der CPU gespeichert ist, um die gewünschten Funktionen durchzuführen. Weiterhin
versteht der Fachmann, dass die Messelektronik 114 in den
Computer 118 integriert sein kann.
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5 zeigt
ein Flussdiagramm, das die durch den Computer 118 durchgeführten Primärschritte
darstellt. In Schritt 510 liest der Computer 118 den
Primärsensor
aus. Das Digitalsignal wird von einem Impedanzwert in einen primären Temperaturwert
umgewandelt. Dieser primäre
Temperaturwert wird auf der Anzeige 122 angezeigt.
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In
Schritt 512 liest der Computer 118 die verbleibenden
Sensorelemente aus. Die Datensignatur wird analysiert, um alle Impedanzen
in den Thermoelementen 314, 316, 318, 320, 328 sowie
in dem temperaturabhängigen
Element 326 zu berechnen. Das Digitalsignal wird von den
Impedanzwerten in Temperaturwerte umgewandelt. Daten, die außerhalb
von vorbestimmten Grenzen liegen, werden verworfen. In verschiedenen
alternativen Ausführungsformen
kann der Computer 118 die Daten von sowohl dem primären Sensor
als auch von den verbleibenden Sensorelementen entweder durch periodisches Abtasten
der Sensorelemente oder durch fortwährende Überwachung der Sensorelemente
auslesen. Der Computer 118 kann ebenfalls Daten von mehreren
Sensoren zur selben Zeit oder von jedem Sensor aufeinanderfolgend
auslesen, abhängig
von spezifischen Systemerfordernissen.
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In
Schritt 514 werden die Daten in einer Datenmatrix angeordnet.
Die Daten werden dahingehend klassifiziert, welches Sensorelement
den jeweiligen Messwert erzeugt hat. Dann wird jeder Messwert in
der Matrix an einem Ort angeordnet, der durch die Kategorie, in
der sich der Messwert befindet, bestimmt ist.
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In
Schritt 516 wird eine Kalibrierungsreferenz von den Sensordaten
in der Datenmatrix ausgebildet. Die Kalibrierungsreferenz ist ein
einzelner Temperaturwert, der dazu verwendet wird, die Unversehrtheit des
Primärsensors
zu verifizieren. Die Kalibrierungsreferenz muss Daten von mindestens
drei verschiedenen Sensoren umfassen und aus mindestens zwei physikalisch
verschiedenen temperaturabhängigen Elementen
erzeugt sein. Die Kalibrierungsreferenz muss auf diese Weise ausgebildet
sein, weil eine Ausfallart, die eine Art eines Abtastelements nachteilig
beeinflussen oder verschlechtern kann, nicht einen ähnlichen
Effekt auf eine gesonderte bzw. separate Sensorart haben sollte.
Zum Beispiel werden Impedanzvorrichtungen und Thermoelementvorrichtung
im allgemeinen durch verschiedene Mechanismen und in verschiedenen
Mengen als Antwort auf feindliche Betriebsbedingungen verschlechtert.
Deswegen kann die Kalibrierungsreferenz ausfallende Teile des Sensors 110 erkennen
und ausweisen bzw. nachweisen.
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In
Schritt 518 vergleicht der Computer 118 die Kalibrierungsreferenztemperatur
mit der Temperatur des Primärsensors.
Dann bestimmt der Computer 118 das Niveau der Übereinstimmung
der Temperaturen. Dieses Übereinstimmungsniveau
gibt ein Vertrauensniveau wieder, dass der Sensor richtig arbeitet.
Das Vertrauensniveau wird auf der Anzeige 122 an gezeigt.
Daten von sowohl dem Primärsensor als
auch den verbleibenden Sensorelementen können ebenfalls in der Datenmatrix
gespeichert und nachfolgend mit vor kürzerer Zeit erlangten Daten verglichen
werden, um das Überwachen
einer Sensoralterung und Funktionsfähigkeit, genauso wie Alarmbedingungen,
zu ermöglichen.
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Wie
voranstehend diskutiert wurde, müssen der
Primärsensor
und die verbleibenden Sensorelemente in einem isothermen Zustand
gehalten werden. Das Erhalten eines isothermen Zustands ist notwendig,
um die Kalibrierung des Primärsensors
gegenüber
den verbleibenden Sensorelementen zu ermöglichen. Genauer gesagt und
mit Hinblick auf 3 ist es entscheidend, dass
das temperaturabhängige
Element 326 und die Verbindungen 322 und 324 durch
das PT 210 in einem isothermen Zustand gehalten werden.
Ein Fachmann erkennt, dass die Thermopaare 310 und 312,
während
sie in dem PT 210 enthalten sind, einen Temperaturgradienten über die
Länge der
Thermopaare erfahren können.
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Es
soll weiterhin verstanden werden, dass eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung das temperaturabhängige Element 326 umfassen
kann, dass in einem isothermen Verhältnis mit den Verbindungen 322 und 324 gehalten
ist, aber physisch bzw. physikalisch nicht mit den Thermopaaren 310 und 312 an
den Verbindungen 322 und 324 verbunden ist. Solange
das temperaturabhängige Element 326 thermisch
mit den Thermopaaren 310 und 312 durch das PT 210 und
den Abstandshalter 212 gekoppelt ist, kann solch eine Ausführungsform die
notwendigen Daten bereitstellen, um eine Primärsensortemperatur und eine
Kalibrierungsreferenz zu erzeugen.
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In
dem Fall, dass der Sensor 110 ausgefallen ist, d.h. dass
das Vertrauensniveau unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt,
kann der Sensor 110 "neu
angeordnet" werden.
Das heißt,
dass die Auswahl des Primärsensor
und die Datenmatrix geändert werden
können,
um die Temperatur von unterschiedlichen Teilen des Sensors 110 zu
messen. Demgemäß stellt
diese Option die volle Betriebsfähigkeit
des SVTS 100 wieder her und stellt wieder eine verifizierte
Temperaturausgabe bereit. Der neue Anordnungsschritt ermöglicht das,
was tatsächlich
eine Rekalibrierung des Sensors in situ bzw. an Ort und Stelle ist. Falls
sich der Sensor 110 zu dem Punkt verschlechtert, indem
er keine verifizierte Temperatur erlangen kann, benachrichtigt der
SVTS 100 den Benutzer entsprechend.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile im Detail beschrieben
wurden, soll verstanden werden, dass verschiedene Änderungen,
Ersetzungen und Abänderungen
hierin durchgeführt
werden können,
und dass die Erfindung durch die angefügten Ansprüche definiert ist.