DE2710782C2

DE2710782C2 - Vorrichtung zur Messung von Temperaturdifferenzen

Info

Publication number: DE2710782C2
Application number: DE19772710782
Authority: DE
Inventors: Hoiko Dipl.-Ing. 8000 München Chaborski
Original assignee: Mitec Moderne Industrietechnik 8012 Ottobrunn De GmbH; Mitec Moderne Industrietechnik 8012 Ottobrunn GmbH
Current assignee: Stabil Elektronik 7300 Esslingen De GmbH
Priority date: 1977-03-11
Filing date: 1977-03-11
Publication date: 1982-05-27
Also published as: DE2710782A1

Description

— eine durch eine Ablaufsteuerung (20) zum sequentiellen Verbinden jeweils eines Therrnistornetzwerkes (10, 11) mit der Einprägespanaungsquelle ansteuerbare Schaltungsanordnung (13)

— eine steuerbare, an ihrem Steuereingang den durch das jeweils aktivierte Thermistornetzwerk (10, 11) fließenden Strom empfangende und in einen Ladekondensator (15) einprägende Konstantstromeinprägungseinrichtung(14),

— und einen Komparator (17) umfaßt, der die am Ladekondensator (15) abfallende Spannung (U_c) mit einer Referenzspannung (Urcf) vergleicht und bei Gleichheit dieser Eingangspannungen ein Steuersignal abgibt,

— daß die Referenzspannung (U_nt) in einem festen jo Verhältnis zu der an den jeweiligen Thermistor (10, 11) angelegten Einprägespannung (Ud_n) steht, und daß

— eine die Zeitspanne zwischen dem Beginn des Aufladens des Ladekondensators (15) und dem Steuersignal des !Comparators (17) messende Zeitmeßschaltung (18,19) und

— eine das Ergebnis der jeweils ersten Messung bis zum Ende der jeweils zweiten Messung speichernde und die Differenz der beiden Meßergebnisse bildende Speicher- und Rechenschaltung (18) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßschaltung einen die Impulse eines Oszillators (19) abzählenden Vorwärts/Rückwärts-Zähler (18) umfaßt, und daß der Vorwärts/Rückwärts-Zähler (18) durch die Ablaufsteuerung (20) zur Bildung des zu ermittelnden Temperatur-Differenzwertes bei der Erfassung des >o ersten Temperaturmeßwertes auf Vorwärtszählbetrieb und bei Erfassung des zweiten Temperaturmeßwertes auf Rückwärtszählbetrieb schaltbar ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Temperaturdifferenzen gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 niedergelegten Art. bo

Bei derartigen bekannten Vorrichtungen wird an die beiden Thermistornetzwerke gleichzeitig eine konstante Spannung angelegt, so daß durch jedes von ihnen ein durch die zugehörige Temperatur eindeutig bestimmter Strom fließt, der im Mikroamperebereich liegt. Daher ist jedem der beiden Thermistornetzwerke ein Operationsverstärker nachgeschaltet, dessen Ausgangsisgnal sich proportional zum Eingangsstrom ändert. Um die gesuchte Temperaturdifferenz zu erhalten, werden die beiden auf diese Weise vorverstärkten Signale einem differenzbildenden Glied, beispeilsweise einem Differenzverstärker mit der Verstärkung 1 zugeführt, dessen Ausgangssignal dann nochmals nachverstärkt werden muß, bevor das so erhaltene, zur gesuchten Temperaturdifferenz proportionale Analogsignal einem Anaiog/Digital-Wandler zugeführt und von dieserr in einen digitalen Meßwert umgesetzt werden kann.

Diese bekannte Meßvorrichtung hat den Nachteil, daß sie gegen Drifterscheinungen der verwendeten Operationsverstärker außerordentlich empfindlich ist, so daß zur Erzielung brauchbarer erfolgen oder ein sehr hoher schaltungstechnischer Aufwand zur Vermeidung bzw. Kompensation der Drifteffekte getrieben werden muß.

Dies führt neben einer Erhöhung der Kosten zu dem weiteren Nachteil einer relativ hohen Stromaufnahme der gesamten Meßanordnung, wodurch ein Batteriebetrieb wirtschaftlich uninteressant wird, da sich der Energievorrat von eine brauchbare Größe besitzenden Batterien viel zu schnell erschöpft und ein Absinken der Versorgungsspannung rasch zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die einen möglichst einfachen, nur wenige aktive Bauelemente umfassenden und daher eine geringe Stromaufnahme erfordernden Aufbau besitzt und dabei gleichzeitig gegen Drift- und Störeinflüsse weitgehend unempfindlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Anspruch 1 zusammengefaßten Merkmale vor.

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine einkanalige Meßanordnung geschaffen, in der die beiden zur Messung einer Temperaturdifferenz erforderlichen Thermistornetzwerke nicht gleichzeitig, sondern nacheinander aktiviert werden, was mit Hilfe der Schalteranordnung geschieht, die von Analogschaltern z. B. MOS-Feldeffekttransistoren gebildet sein kann, die mit außerordentlich kleinen Strömen steuerbar sind. Dies ermöglicht es, beide Thermistornetzwerke parallel an ein und dieselbe Meßschaltung zu legen, wodurch sämtliche mit einem unterschiedlichen Driften der beiden Meßkanäle der bekannten Vorrichtung verbundenen Probleme vermieden werden und der bei der bekannten Meßvorrichtung zur Beseitigung dieser Probleme erforderliche Schaltungsaufwand entfällt.

Darüberhinaus werden durch die erfindungsgemäße Anordnung jedoch auch die Drifterscheinungen des verbleibenden einen Meßkanals, soweit sie überhaupt auftreten in ihrem Einfluß auf das Meßergebnis eliminiert. Dies geschieht dadurch, daß der durch das jeweils an der Einprägespannung liegende Thermistornetzwerk fließende, außerordentlich kleine, ein Maß für die Temperatur des Thermistornetzwerkes darstellende Strom direkt zur Steuerung einer steuerbaren Konstantstromeinprägungseinrichtung verwendet wird, die an ihrem Ausgang denselben Strom abgibt, der ihr am Steuereingang zugeführt wird, dabei aber, anders als der sie steuernde Thermistor, ausgangsseitig einen nahezu unendlich hohen Innenwiderstand aufweist. Dadurch wird erreicht, daß in den ihr nachgeschalteten Ladekondensator ein von der Temperatur des Thermistors abhängiger, konstanter Strom eingeprägt wird, so daß die an diesem Kondensator abfallende Spannung während des Ladevorgangs nicht nach der sonst üblichen e-Funktion, sondern linear mit der Zeit

ansteigt

Der dem Ladekondensator nachgeschaltete Komparator vergleicht die von Null aus ansteigende Kondensatorspannung mit einer Referenzspannung, die in einem fest vorgegebenen Verhältnis zur Einprägespannung steht, was z. B. mit Hilfe eines Spannungsteilers erreicht werden kann, der aus ausgewählten Widerständen mit einer geringen Alterungsneigung und sehr kleinem Temperatur-Widerstands-Koeffizienten (Metallschichtwiderstände) besteht

Bei Gleichheit seiner beiden Eingangsspannungen gibt der Komparator ein Signal ab, das eine seit dem Beginn des Ladevorgangs laufende Zeitmessung beendet; der so gewonnene, die zu messende Temperatur darstellende Zeitmeßwert, der nach Anspruch 2 vorteilhaft, aber nicht notwendig in digitaler Form z. B. dadurch gewonnen wird, daß die im auszumessenden Zeitraum auftretenden Schwingungsperioden eines hochfrequenten Quarzoszillators abgezählt werden, wird dann so lange gespeichert, bis ein entsprechender Meßwert für das zweite, auf der anderen Temperatur liegende Thermistornetzwerk für die gewünschte Differenzbildung zur Verfügung steht.

Der Zusammenhang zwischen der zu messenden Temperaturdifferenz und der gemessenen Zeitdifferenz läßt sich mathematisch durch folgende Gleichungen darstellen:

Nimmt man an, daß das eine der beiden Thermistornetzwerke sich auf der Temperatur Ti befindet, so gilt für den veränderbaren Widerstand dieses Thermistor- jo netzwerkes die Gleichung

Ri = Z)₁ - M\T_X (1)

An diesem Widerstand wird nun die Einprägespannung Uan angelegt, so daß durch ihn der Strom

(2)

fließt. Dieser Strom wird in unveränderter Weise durch die Konstantstromeinprägungseinrichtung dem Ladekondensator zugeführt, für dessen von Null aus ansteigende Spannung U₁ zu einem beliebigen Zeitpunkt t gilt:

wobei Q(i) die zum. Zeitpunkt / auf dem Kondensator befindliche Ladung ist.

Zeigt der Komparator zum Zeitpunkt Z₁ an, daß die Kondensatorspannung U₁ gleich der Referenzspannung U„f ist, so gilt also

Löst man die Gleichung (4) nach Z₁ auf und setzt für Ζ, den Wert aus Gleichung (2) ein, so erhält man

Uni ■

u_n

(5)

oder, da £/„„ und U_nf zueinander streng proportional sind (Proportionalitätsfaktor ρ)

ρ -

(6)

In entsprechender Weise gilt für den auf der Temperatur T₂ liegenden zweiten Thermisator

I₂ =p C(Z)₂-M₂F₂),

(7)

so daß sich für die interessierende Temperaturdifferenz A Tdie Beziehung

AT=T₂-T₁ =

I
pC

h_ M₂

A/, M₂

₁ M₁ / (8)

ergibt.

Da im Hrndel ohne weiteres gepaarte Thermistoren erhältlich sind, deren Parameter M\ und M₂ bzw. b\ und bi über den gesamten Meßbereich sehr genau übereinstimmen, ist die gesuchte Temperaturdifferenz zur gemessenen Zeitdifferenz t?—1\ streng proportional, wobei der Proportionalitätsfaktor \ IpCMx^₂ nur von Bauelemente-Parametern abhängt, die bei geeigneter Auswahl der Bauelemente praktisch keinerlsi Driftoder Alterungserscheinungen unterworfen sind.

Insbesondere ist von Bedeutung, daß in das so gewonnene Meßergebnis die absoluten Größen der Einprägespannung und der Referenzspannung nicht t>o mehr eingehen, so daß auch eine bei längerem Gebrauch langsam abfallende Batteriespannung keine störenden Einflüsse auszuüben vermag.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt die einzige Figur das Blockschaltbild der Vorrichtung zur Messung von Temperaturdifferenzen,

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind Thermistornetzwerke 10, 11 jeweils der Reihe nach an die feste, von einer nicht dargestellten Operationsverstärkerschaltung gelieferte Einprägespannung Ud_n mit Hilfe einer Analogschalteranordnung 13 anlegbar, wobei eine Ablaufsteuerung 20 die Analogschalter 13 beispielsweise so betätigt, daß zuerst das der niedrigeren Temperatur ausgesetzte Thermistornetzwerk 10 und dann das der höheren Temperatur ausgesetzte Therrnistornetzwerk 11 mit der Einprägespannungsquelle verbunden wird.

Ist das Thermistornetzwerk 10 mit der Einprägespannungsquelle verbunden, so fließt durch das Thermistornetzwerk 10 ein von der betreffenden Temperatur abhängiger Strom, der nach der obigen Gleichung (2) mit kleiner werdender Temperatur fällt und mit steigender Temperatur wächst. Dieser Strom wird einer nachgeschalteten Konstantstromeinprägungseinrichtung 14 über eine Leitung 9 zugeführt und steuert diese Konstantstromeinprägungseinrichtung 14 so, daß sie für einen zwischen ihre Ausgangsklemmen geschalteten

Ladekondensator 15 einen ebenfalls die zu messende Temperatur eindeutig darstellenden, konstanten Ladestrom liefert.

Nun wird ein den Ladekondensator 15 zur Entladung kurzschließender Schalter 16 von der Ablaufsteuerung 20 geöffnet, und es beginnt sich eine Spannung am Ladekondensator 15 aufzubauen, die mit der Zeit linear anwächst. Die Kondensatorspannung U_c wird einem Komparator 17 zugeführt. Erreicht die Kondensatorspannung die am zweiten Eingang des Komparators 17 i<> vorgegebene Referenzspannung U_rcf, so gibt der Komparator ein Schaltsignal zum Anhalten eines Zählers 18 ab, der in dem Zeitpunkt gestartet wurde, in dem der Schalter 16 zur Freigabe der Konstantstromaufladung des Ladekondensators 15 geöffnet worden war. \ -, Da hier zunächst die zu einem kleineren Ladestrom, d. h. einer längeren Ladezeit führende niedrigere Temperatur gemessen werden sollte, war durch die Ablaufsteuerung 20 der Zähler 18 in den Betriebszustand »Aufwärtszählen« geschaltet worden. ?₍i

Bei richtiger Wahl der von einem quarz-gesteuerten Oszillator 19 abgegebenen Zählertaktfrequenz, geeigneter Festlegung der Einprägespannung U_em und entsprechender Auswahl des Ladekondensators 15 sowie der Referenzspannung LVc/wird erreicht, daß im 1-, Meßergebnis jeder digitale Zählerschritt einem definierten Wert in der Dezimalskala der Temperaturmessung entspricht. So ist es beispielsweise mit handelsüblichen Bauelementen möglich, einen Temperaturwert mit ± 0,1° K Genauigkeit digital zu erhalten. _J(l

Auf diese Weise wird aus einer Temperaturmessung eine Zeitmessung, denn es wird die Zeit gemessen, die vergeht, bis die Ladekondensatorspannung nach öffnen des Schalters 16 die dem Zweiten Eingang des Komparators 15 zugeführte Referenzspannung U_rcf js erreicht hat.

In dem digitalen Ergebnis ist eine Konstante erhalten, die von der Größe des Ladekondensators 15 sowie von der Einprägespannung i/„_n und der Referenzspannung Ure! abhängt, wobei diese Konstante proportional zur 4η Referenzspannung LWund umgekehrt proportional zur Einprägespannung U_Cm und außerdem noch proportional zum Widerstandswert b\ des linearisierten Thermistornetzwerkes 10 bei 0° C = 273° K ist.

Außerdem ist in dem digitalen Ergebnis auch der an dem Temperaturfühler 10 anliegende niedrigere Temperaturwert enthalten, der mit einem konstanten Faktor versehen ist, der seinerseits wiederum proportional zur Kapazität C sowie zur Referenzspannung U_n/ und umgekehrt proportional zur Einprägespannung U^_n ist. aber außerdem noch proportional zur Steigung M\ der Widcrstäridsternpcraturgeradcn des iincansjcrtcn Thermistornetzwerkes ist (s. obige Gleichung (5)).

Nach Erhalt des die niedrigere Temperatur darstellenden Meßergebnisses wird dieselbe Messung mit dem Temperaturfühler im zweiten Thermistornetzwerk 11, der der höheren Temperatur ausgesetzt ist, durchgeführt, wobei nun von der Ablaufsteuerung 20 über die Analogschalteranordnung 13 die Einprägespannung Ucm an das Thermistornetzwerk 11 gelegt und düber dieselbe Konstantstromeinprägungseinrichtung 14 derselbe Ladekondensator 15 wie oben aufgeladen wird. Dieses Mal aber ist der Zähler 18 auf die Betriebsart »Abwärtszählen« geschaltet

Das nach Abschluß dieses zweiten Meßvorgangs erhaltene digitale Zählergebnis beinhaltet nun nur noch einen Wert, der direkt proportional der Differenz AT der an den beiden Temperaturfühlern herrschenden verschiedenen Temperaturen ist. Die Proportionalitätskonstante hierbei ist proportional zur Referenzspannung Urcf und umgekehrt proportional zur Einprägespannung Uein, sowie proportional zur Kapazität Cund zur Steigung Λίι_2 der Widerstandstemperaturgeraden der linearisierten Thermistornetzwerke 10,11.

Bei geeigneter Auswahl des Ladekondensators 15 kann die Genauigkeit des Meßwertes nur noch von Änderungen des Steigungswertes M₁,_? der Widerstandstemperaturgerade beeinflußt werden. Ein Driften der Spannungsversorgung hat auf die Genauigkeit des Meßergebnisses keinen Einfluß, da die Spannungen i/_e,„und LW von derselben Spannungsversorgung abgeleitet, d. h. zueinander streng proportional sind und U_ret im Zähler und U_ein im Nenner des Ausdrucks für die Proportionaiitätskonstante stehen.

Nunmehr ist ein Wert für die Temperaturdifferenz Δ Τ in digitaler Form gegeben. Es ist außerdem noch möglich, die Temperatur eines jeden der beiden Meßfühler 10, 11 auch absolut zu messen. Zu diesem Zweck ist parallel zu den linearisierten Thermistornetzwerken 10, 11 ein Metallschichtwiderstand 12 vorgesehen, dessen Wert gleich dem Widerstand der beiden gleichen linearisierten Thermistornetzwerke 10, 11 bei O⁰C ist. Dieser Metallschichtwiderstand 12 wird zuerst aufgrund eines von der Ablaufsteuerung 20 kommenden Steuersignals durch die Analogschalteranordnung 13 an die Einprägespannung Uem gelegt und nach dem oben beschriebenen Verfahren ein digitaler Zählwert des auf den Betriebszustand »Aufwärtszählen« geschalteten Zählers 18 erhalten. Im zweiten Meßschritt wird das Thermistornetzwerk 10 oder U über die Analogschalteranordnung 13 an llem gelegt und der Zähler 18 in den Betriebszustand »Abwärtszähien« geschaltet Das erhaltene digitale Zählergebnis ist ein Maß für die am Meßfühler tatsächlich herrschende absolute Temperatur.

Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung kann eine beliebige Anzahl von Meßfühlern 10, 11 ... η an denselben Meßkanal angeschlossen werden, deren Temperaturdifferenzen bzw. deren absolute Temperaturen über diesen einen Kanal ermittelt werden können.

Es ist wichtig, daß der durch den Meßfühler fließende Strom so gewählt wird, daß er niemals den Wert übersteigt der zu einer Eigenerwärmung des Meßfühlers führen könnte, d. h. daß die Einprägespannung t/_e/_n so eingesteht wird, daß für die höchste zu messende Temperatur der Meßfühlerstrom unter dem Eigenerwärmungswert bleibt

Wie man der Figur entnimmt ist in die von der Ablaufsteuerung 20 zum Starteingang des Zählers 18 und zum Steuereingang des Schäkers 16 führende Leitung ein Verzögerungsglied 21 eingeschaltet, das sicherstellt daß der jeweils angesteuerte Schalter der Analogschalteranordnung 13 auch wirklich geschlossen hat bevor der Kurzschlußschalter 16 geöffent und mit der Zählung der während der Ladezeit des Ladekondensators 15 vom quarzgesteuerten Oszillator 19 abgegebenen Impulse begonnen wird.

Die Ablaufsteuerung 20 steht unter der Kontrolle einer übergeordneten Steuereinheit 22, die auch dafür sorgt daß das nach Beendigung einer vollständigen Temperaturdifferenzmessung am Datenausgang des Zählers 18 erscheinende digitale Meßergebnis in einen Zwischenspeicher 23 übernommen und einer weiteren Verarbeitung, beispielsweise der Darstellung durch eine Anzeigeeinheit 24 zugeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung von Temperaturdifferenzen mit wenigstens zwei linearisierten Thermistornetzwerken, an die eine Eingprägespannung anlegbar ist und von denen das eine der höheren und das andere der niedrigeren Temperatur ausgesetzt ist, und mit einer die Stärke des durch die Thermistornetzwerke fließenden Stroms als Maß für ι ο die betreffende Temperatur auswertenden Meßschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die MeSschaltung