AT503445B1

AT503445B1 - Verfahren zur überprüfung eines temperatursensors

Info

Publication number: AT503445B1
Application number: AT20802006A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Austria Gmbh
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2007-10-15
Also published as: AT503445A4

Description

2 AT503 445B1

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung eines Temperatursensors mit mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen. Deren elektrischer Widerstand R stellt sich in Abhängigkeit des Referenzwiderstandes Ro bei Referenztemperatur T0l der Temperatur T und des widerstandsspezifischen Temperaturkoeffizienten α ein. R(T) = Ro(1 + a(T-To))

Bei Temperatursensoren mit temperatursensitiven Widerständen werden diese in Reihe mit Vorwiderständen geschaltet. Der Spannungsabfall am temperatursensitiven Widerstand oder Vorwiderstand ist proportional zur Temperatur des Sensors.

Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, welche mittels Temperatursensoren übenwacht werden, muss sichergestellt sein, dass ein Defekt erkannt wird. Aus diesem Grund werden häufig zwei temperatursensitive Widerstände in die Sensoren integriert. Hierdurch können die Werte miteinander verglichen werden.

Temperatursensitive Widerstände unterliegen einer Drift, so dass sich sowohl der Referenzwiderstand Ro, als auch der widerstandsspezifische Temperaturkoeffizient α verändern können. So könnte im Fall einer Drift der Zustand eintreten, dass bei einer Temperatur, bei der die Übereinstimmung der unterschiedlichen temperatursensitiven Widerstände vorgenommen wird, gleiche Temperaturen gemessen würden.

Aus der EP 0 828 146 A1 ist ein Temperatursensor mit zwei temperatursensitiven Widerständen bekannt. Zur Überprüfung der beiden Widerstände wird periodisch die Polarität der Prüfspannung umgekehrt. Die EP 1 725 075 A2 beschreibt eine Temperaturmesseinrichtung mit einem temperatursensitiven Sensorwiderstand, bei welcher ein Referenzwiderstand zum Erzeugen eines Referenzsignals mit dem Sensorsignal des Sensorsignals verglichen werden kann. Durch künstliches Erhitzen des Sensorsignals kann dessen Empfindlichkeit überprüft werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Temperatursensor mit mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen ein Verfahren zur Überprüfung des Sensors zu entwickeln, welcher über einen weiten Temperaturbereich eine Überprüfung erlaubt.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überprüfung eines Temperatursensors mit mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die temperatursensitiven Widerstände jeweils in einem Verfahrensschritt wechselseitig mit je einem hochohmigen und je einem niederohmigen Vonwiderstand verbunden werden. Beim Betrieb mit dem niederohmigen Vorwiderstand heizt sich ein temperatursensitiver Widerstand auf. Hierbei kann die Temperatur der beiden temperatursensitiven Widerstände gemessen und verglichen werden. Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 können die beiden Verfahrensschritte bei unterschiedlichen Spannungen durchgeführt werden.

Alternativ kann gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 3 nur ein temperatursensitiver Widerstand mit niederohmigem Vorwiderstand an zwei unterschiedliche Spannungen angeschlossen werden, wodurch sich ebenfalls unterschiedliche Temperaturen einstellen.

Das Verfahren kann mit zwei oder mehreren temperatursensitiven Widerstandselementen durchgeführt werden. Sind mehr als zwei temperatursensitive Widerstandselemente vorhanden, so werden jeweils zwei Elemente auf die beschriebene Art verglichen. Sind mindestens 3 temperatursensitive Widerstandselemente vorhanden, so kann in dem Fall, dass ein Widerstandselement eine andere Temperatur anzeigt als die anderen, welche identische Temperaturen messen, daraus geschlussfolgert werden, dass das abweichende Widerstandselement defekt ist. Gemäß den Merkmalen des abhängigen Anspruchs 4 kann dann der Sensor ohne das defekte Widerstandselement betrieben werden. 3 AT 503 445 B1

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin zu überprüfen, ob ein eingebauter Sensor zur Messung einer Festkörpertemperatur mit allen temperatursensitiven Widerständen am Messkörper anliegt.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 5 dadurch gelöst, dass der Sensor mit einer definierten Leistung beheizt wird. Liegt der Sensor nicht an, so erhitzt er sich stärker als im anliegenden Fall, da dann mit vorbenannter Leistung auch der Festkörper beheizt wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen

Figur 1 die Messschaltung im normalen Temperaturmessmodus,

Figur 2 die Messschaltung während eines ersten Verfahrensschritts und Figur 3 die Messschaltung während eines anderen Verfahrensschritts.

Figur 1 zeigt die Grundschaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors mit zwei temperatursensitiven Widerständen R1 und R2. Diese verfügen über einen positiven Temperaturgradienten PTC, könnten jedoch prinzipiell auch über einen negativen Temperaturgradienten NTC verfügen. Die beiden temperatursensitiven Widerständen R1 und R2 sind jeweils seriell über Schaltvorrichtung 5, 6 entweder mit einem hochohmigen Vorwiderstand R3, R4 oder mit einem niederohmigen Vorwiderstand Rshunti. Rsnunt2 verbunden. Die zwei Widerstandsserienschaltungen (R1-R3 beziehungsweise R1-Rshunti und R2-R4 beziehungsweise R2-RShunt2) sind an die selbe Spannung U angeschlossen. Je nach Stellung der Schaltvorrichtung 5 wird mittels einer Vorrichtung zur Spannungsmessung 7 der Spannungsabfall an dem hochohmigen Vorwiderstand R3 oder dem niederohmigen Vorwiderstand Rshunti gemessen. Je nach Stellung der Schaltvorrichtung 6 wird mittels einer Vorrichtung zur Spannungsmessung 8 der Spannungsabfall an dem hochohmigen Vorwiderstand R4 oder dem niederohmigen Vonwiderstand Rshune gemessen. Bei der Verschaltung gemäß Figur 1 wird der Spannungsabfall an den hochohmigen Vorwiderständen R3 und R4 gemessen. Durch die Reihenschaltung der temperatursensitive Widerständen R1 und R2 mit den hochohmigen Vorwiderständen R3 und R4 werden die Elemente von einem kleinen elektrischen Strom I durchflossen, so dass die Elemente sich durch die elektrische Leistung P kaum aufheizen.

Es ist vorteilhaft, wenn die Widerstände R3 und R4 unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, da dann eindeutig deren Signale unterschieden werden können.

Es gilt:

U = (/, + U3 = R1(7) · / + R3 I = (f?1(7) + R3) I wobei Ui der Spannungsabfall am temperatursensitiven Widerstand R1 und U3 der Spannungsabfall am Vonwiderstand R3 ist. Der Spannungsabfall U3 wird gemessen und hieraus der Strom I bestimmt. U3 = R3I 1 = _U3 R3

Des Weiteren gilt: U^ = U- U3 = F?1(7) · / R%T) = U-U· 3 _ / = R0(1 + a(T-T0)) 4 AT 503 445 B1

Hierbei ist Ro der Referenzwiderstand bei der Ausgangstemperatur T0. Aus obiger Formel lässt sich die Temperatur des temperatursensitiven Widerstands R1 errechnen.

Analog hierzu lässt sich die Temperatur des temperatursensitiven Widerstands R2 bestimmen.

Erfindungsgemäß kann bei zwei unterschiedlichen Temperaturen überprüft werden, ob die beiden temperatursensitiven Widerstände R1 und R2 im Rahmen der zulässigen Toleranz gleiche Messwerte liefern. Hierzu gibt es zwei Varianten: 1. Variante

Der Schalter 5 wird gemäß Figur 2 umgeschaltet, so dass der temperatursensitive Widerstand R1 mit dem niederohmigen Vorwiderstand Rshunti verbunden wird. Dieser niederohmige Vorwiderstand RShunti bewirkt einen wesentlich höheren Strom h durch die Elemente R1 und RshUnti als zuvor. UShunt 1 — Rshunft ' fl I _ U Shunt 1

Dieser Strom h bewirkt in Verbindung mit dem Widerstand des temperatursensitiven Widerstands R1 für eine Erhitzung desselben aufgrund der verbrauchten elektrischen Leistung Pv P, = U, I, = R1(T) I2

Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, in dem gilt: R1(T) = --··^1 =R0(Ua(T-T0))

M

Hieraus lässt sich die Temperatur TR1i1 des ersten temperatursensitiven Widerstands R1 bestimmen.

Hierbei kann in einer Ausgestaltung der Erfindung die Spannung U variiert werden, bis eine bestimmte Temperatur sich an dem ersten temperatursensitiven Widerstand R1 einstellt.

Die Reihenschaltung des zweiten temperatursensitiven Widerstands R2 mit dem hochohmigen Vorwiderstand R4 liegt an der selben Spannung U an. Aufgrund des hohen Widerstandes des Widerstands R4 stellt sich ein kleiner Strom l2 ein. Dieser bewirkt lediglich eine minimale Heizung des zweiten temperatursensitiven Widerstands R2. Es gilt: UA = RA l2 R2(T) = ~t—= R0(1 + a(T - T0)) '2

Hieraus lässt sich die Temperatur Tr2,i des zweiten temperatursensitiven Widerstands R2 bestimmen. Aus den beiden Temperaturen TR11 und Τ^,ι wird eine Temperaturdifferenz ermittelt.

Nun werden gemäß Figur 3 die beiden Schaltvorrichtungen 5 und 6 umgeschaltet, wodurch der 5 AT 503 445 B1 erste temperatursensitive Widerstands R1 seriell mit dem hochohmigen Vorwiderstand R3 und der zweite temperatursensitive Widerstands R2 seriell mit dem niederohmigen Vorwiderstand Rshunt2 verbunden ist.

Ausgehend von zwei identischen temperatursensitiven Widerständen R1 und R2 sollten die niederohmigen Vorwiderstände Rshunti und Rsnunt2 unterschiedliche elektrische Widerstände aufweisen, um bei unveränderter Spannung U unterschiedliche Aufheiztemperaturen zu bewirken. Weisen die niederohmigen Vorwiderstand Rshunti und RShunt2 gleiche elektrische Widerstände auf, so muss die Spannung U verändert werden; so kann die Spannung U beispielsweise solange verändert werden, bis sich am zweiten temperatursensitiven Widerstand R2 eine definierte Temperatur einstellt, welche sich von der Temperatur des vorangegangenen Verfahrensschritt deutlich unterscheidet.

Nun gilt:

Ushunt2 = Rshunß ' h I _ ^ Shunt 2 '2 " p ™ Shunt 2 R2(T)=U'Ushunt2 =RQ(Ua(T-TQ)) '2

Hieraus wird die Temperatur TR2.2 des zweiten temperatursensitiven Widerstands R2 bestimmt. Zugleich liegt die Reihenschaltung des zweiten temperatursensitiven Widerstands R1 mit dem hochohmigen Vorwiderstand R3 an der selben Spannung U an. Es gilt: U3 = R3 /1 R%T) = —y—= R0(1 + a(T - TQ)) '1

Hieraus lässt sich die Temperatur TR1>2 des ersten temperatursensitiven Widerstands R1 bestimmen. Aus den beiden Temperaturen TR12 und Tr^ wird eine Temperaturdifferenz ΔΤ2 ermittelt. Überschreitet eine der beiden Temperaturdifferenzen ΔΤί und ΔΤ2 einen vorgegeben Wert ΔΤ, so wird ein Fehlersignal ausgegeben, da beide Sensoren nicht akzeptabel übereinstimmende Kennlinien besitzen.

Alternativ kann - anstelle der Verbindung des zweiten temperatursensitiven Widerstands R2 mit einem niederohmigen Vonwiderstand im zweiten Verfahrensschritt - der erste temperatursensitive Widerstand R1 über die Schaltvorrichtung 5 mit einem zweiten niederohmigen Vorwiderstand, dessen elektrischer Widerstand sich vom ersten unterscheidet, verbunden werden. 2. Variante

Wie bei der ersten Variante wird zunächst der Schalter 5 gemäß Figur 2 umgeschaltet, so dass der temperatursensitive Widerstand R1 mit dem niederohmigen Vorwiderstand Rshunti verbunden wird, während der andere temperatursensitive Widerstand R2 mit dem hochohmigen Vorwiderstand R4 seriell verbunden bleibt. Auf den niederohmigen Vonwiderstand Rshunt2 kann hierbei verzichtet werden. Es wird nun eine erste Messung, wie zuvor beschrieben, bei einer 6 AT 503 445 B1 ersten vorgegebenen Spannung U1 durchgeführt. Es gilt:

# _ UShunt 1 '1 “ D ~ Shunt t R%T) = m'Ush^ = R0(1 + a(T - T0)) '1

R2(T) = ^j^- = R0(Ua(T-T0)) '2

Hieraus lassen sich die Temperatur TR1>1 und Tr2,i der zwei temperatursensitiven Widerstände R1 und R2 sowie deren Temperaturdifferenz ΔΤτ bei der ersten Spannung U1 bestimmen.

Nun wird bei gleich bleibender Schaltung die Spannung verändert und eine zweite vorgegebene Spannung U2 eingestellt. Nun gilt: I _ UShunt 1 R\T) = U2-Ush^ = R0( 1 + a{T - T0))

M U±

RA R2(T) = ^^ = R0V + a(T-T0)) '2

Hieraus werden die Temperatur TRi,2 und T^.2 der zwei temperatursensitiven Widerstände R1 und R2 sowie deren Temperaturdifferenz ΔΤ2 bei der ersten Spannung U2 bestimmt. Überschreitet eine der beiden Temperaturdifferenzen ATi und ΔΤ2 einen vorgegeben Wert ΔΤ, so wird ein Fehlersignal ausgegeben, da die Kennlinien der beiden Sensoren nicht ausreichend übereinstimmen.

Wird der zuvor beschriebene Sensor zur Erfassung einer Festkörpertemperatur eingesetzt, so kann erfindungsgemäß das Anliegen des Sensors überprüft werden.

Nach dem Einbau an einer mutmaßlich am Festkörper anliegenden Stelle wird der Sensor gemäß Figur 1 mit einer vorgegebenen Leistung bestromt. Hierzu kann die Spannung variiert werden, bis sich diese vorgegebene Leistung (P = U * I) einstellt. Nun wird mittels Spannungsmessung am Vorwiderstand R4 die Temperatur T des temperatursensitiven Widerstands R2 erfasst. Diese Temperatur T wird entweder mit einer vorgegebenen Temperatur T* für die Solltemperatur bei anliegendem Sensor oder einer vorgegebenen Temperatur T** für die Solltemperatur bei nicht anliegendem Sensor verglichen. Liegt der Sensor an, so wird mittels der vorgegebenen Leistung nicht nur der Sensor, sondern auch das Umfeld der Anliegefläche am Festkörper erhitzt; demnach ist die Temperatur geringer als im Fall des Nichtanliegens. Stellt sich heraus, dass demnach der Sensor nicht anliegt, so wird ein Fehlersignal ausgegeben.

Claims

7 AT 503 445 B1 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Überprüfung eines Temperatursensors mit mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen (R1, R2), welche über einen negativen oder positiven Gradienten verfügen (PTC, NTC) und sich in engem thermischen Kontakt befinden, wobei jedem der mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen (R1, R2) jeweils mindestens ein elektrischer Vorwiderstand (R3, R4, Rshunti, Rshunt2) seriell vorgeschaltet ist, wobei die mindestens zwei Widerstandsserienschaltungen (R1-R3, R2-R4, R1-Rshunti. R2-Rshunt2) an die selbe Spannung (U) angeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei temperatursensitive Widerstände (R1, R2) über eine Schaltvorrichtung (5, 6) entweder mit einem hochohmigen Vorwiderstand (R3, R4) oder mit einem niederohmigen Vorwiderstand (Rshunti, Rshunt2) verbindbar sind, wobei vorzugsweise die niederohmigen Vorwiderstände (Rshunti. Rshunt2) unterschiedliche elektrische Widerstände aufweisen und / oder die hochohmigen Vorwiderstände (R3, R4) unterschiedliche elektrische Widerstände aufweisen und / oder die temperatursensitiven Widerstände (R1, R2) unterschiedliche elektrische Widerstände aufweisen, der erste temperatursensitive Widerstand (R1) über die ihm zugeordnete Schaltvorrichtung (5) mit dem niederohmigen Vonwiderstand (Rshumi) verbunden wird, während die anderen temperatursensitiven Widerstände (R2) über die ihnen zugeordneten Schaltvorrichtungen (5) mit einem zugeordneten hochohmigen Vorwiderstand (R4) verbunden wird, der Spannungsabfall an den mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen (R1, R2) oder ihren Vorwiderständen (Rshunti, R4) ermittelt und hieraus die Temperaturen (TR11, Tr2,i) der temperatursensitiven Widerstände (R1, R2) sowie deren Differenz ΔΤϊ ermittelt werden, anschließend der erste temperatursensitive Widerstand (R1) über die ihm zugeordnete Schaltvorrichtung (5) von dem niederohmigen Vorwiderstand (Rshunti) getrennt und mit dem ihm zugeordneten Vorwiderstand (R3) verbunden wird, während ein anderer temperatursensitive Widerstand (R2) über die ihm zugeordnete Schaltvorrichtung (5) mit dem ihm zugeordneten niederohmigen Vorwiderstand (Rshuns) verbunden wird, der Spannungsabfall an den mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen (R1, R2) oder ihren Vonwiderständen (R3, Rshunt2) ermittelt und hieraus die Temperaturen (TR1,2, Τ^,ί) der Widerstände (R1, R2) sowie deren Differenz ΔΤ2 ermittelt werden, und in dem Fall, in dem mindestens eine der Temperaturdifferenzen AT1f ΔΤ2 einen vorgegebenen Betrag ΔΤ übersteigt, ein Fehlersignal ausgegeben wird.
2. Verfahren zur Überprüfung eines Temperatursensors gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Temperaturdifferenzen (ΔΤι, ΔΤ2) bei unterschiedlichen Spannungen (U1, U2) erfolgt.
3. Verfahren zur Überprüfung eines Temperatursensors mit mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen (R1, R2), welche über einen negativen oder positiven Gradienten verfügen (PTC, NTC) und sich in engem thermischen Kontakt befinden, wobei jedem der mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen (R1, R2) jeweils mindestens ein elektrischer Vorwiderstand (R3, R4, Rshunti, Rshunt2) seriell vorgeschaltet ist, wobei die mindestens zwei Widerstandsserienschaltungen (R1-R3, R2-R4, R1-Rshunti, R2-Rshunt2) an die selbe Spannung U angeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der erste temperatursensitive Widerstand (R1) über eine Schaltvorrichtung (5) entweder mit einem hochohmigen Vorwiderstand (R3) oder mit einem niederohmigen Vonwiderstand (Rshunti) verbindbar ist, der erste temperatursensitive Widerstand (R1) über die ihm zugeordnete Schaltvorrichtung (5) mit dem niederohmigen Vorwiderstand (Rshunti) verbunden wird, bei einer ersten Spannung U1 der Spannungsabfall an den mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen (R1, R2) oder ihren Vorwiderständen (Rshunti, R4) ermittelt und hieraus die Temperaturen TR1.U1, Tfö ui der Widerstände (R1, R2) sowie deren Differenz ΔΤυι ermittelt werden, anschließend bei einer zweiten Spannung U2, welche sich von der ersten Spannung U1 8 AT 503 445 B1 unterscheidet, der Spannungsabfall an den beiden temperatursensitiven Widerständen (R1, R2) oder ihren Vorwiderständen (Rshunti, R4) ermittelt und hieraus die Temperaturen Tri,u2. Tr2,u2 der temperatursensitiven Widerstände (R1, R2) sowie deren Differenz ATU2 ermittelt werden, und in dem Fall, in dem mindestens eine der Temperaturdifferenzen AT^, ATU2 einen vorgegebenen Betrag AT übersteigt, ein Fehlersignal ausgegeben wird.
4. Verfahren zur Überprüfung eines Temperatursensors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei temperatursensitiven Widerständen mit seriell vorgeschalteten Vorwiderständen Verwendung finden und in dem Fall, dass bei den Messungen mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen übereinstimmende Temperaturen liefern, während mindestens ein temperatursensitiver Widerstand eine Temperatur liefert, dass mit keinem anderen temperatursensitiven Widerstand übereinstimmt, das Messsignal des abweichenden temperatursensitiven Widerstandes ignoriert wird und der Temperatursensor nur mit den übereinstimmenden temperatursensitiven Widerständen betrieben wird.
5. Verfahren zur Überprüfung des Anliegens eines Temperatursensors mit mindestens zwei temperatursensitiven Widerständen (R1, R2), welche über einen negativen oder positiven Gradienten verfügen (PTC, NTC) und sich in engem thermischen Kontakt befinden, an einem Festkörper, wobei jedem der temperatursensitiven Widerstände (R1, R2) jeweils mindestens ein elektrischer Vorwiderstand (R3, R4, Rshunti. Rshunt2) seriell vorgeschaltet ist, wobei die Widerstandsserienschaltungen (R1-R3, R2-R4, R1-Rshunti, R2-RShunt2) an die selbe Spannung (U) angeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein temperatursensitiver Widerstand (R1, R2) über eine Schaltvorrichtung (5, 6) entweder mit einem hochohmigen Vorwiderstand (R3, R4) oder mit einem niederohmigen Vorwiderstand (Rshunti, Rshunt2) verbindbar ist, ein temperatursensitiver Widerstand (R1) über die ihm zugeordnete Schaltvorrichtung (5) mit dem niederohmigen Vorwiderstand (Rshunti) verbunden wird, der Spannungsabfall an den mindestens einen Widerstand (R1, R2) oder seines Vonwiderstands (R3, R4, Rshunti, Rshum2) ermittelt und hieraus eine Temperatur T ermittelt wird die ermittelte Temperatur mit einer vorgegebenen Temperatur T* für die Solltemperatur bei anliegendem Sensor oder einer vorgegebenen Temperatur T** für die Solltemperatur bei nicht anliegendem Sensor verglichen wird, und in dem Fall, in dem bei Erwartung der vorgegebenen Temperatur T* für die Solltemperatur bei anliegendem Sensor diese im Rahmen einer Toleranz nicht erreicht wird oder in dem Fall, in dem bei Erwartung der vorgegebenen Temperatur T** für die Solltemperatur bei nicht anliegendem Sensor diese im Rahmen einer Toleranz erreicht wird ein Fehlersignal ausgegeben wird. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen