DD229487A1

DD229487A1 - Anordnung zur temperaturmessung

Info

Publication number: DD229487A1
Application number: DD27017884A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Talke; Achim Zimmermann
Original assignee: Deutsche Reichsbahn
Priority date: 1984-12-03
Filing date: 1984-12-03
Publication date: 1985-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperaturmessung, die insbesondere fuer Anwendungen mit hohen Anforderungen an einen linearen Temperaturmessspannungsverlauf sowie fuer Differenztemperaturmessungen bestimmt ist. Es ist das Ziel der Erfindung, Temperaturmessungen mit einem geringen Aufwand, aber mindestens gleichen Linearitaetsbedingungen gegenueber bekannten Anordnungen durchzufuehren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Temperaturmessung, besonders zur Differenztemperaturmessung zu schaffen, die guenstigere Bemessungsbedingungen gegenueber bekannten zur Linearisierung des Temperaturmessspannungsverlaufes eingesetzten Widerstandsnetzwerten aufweist, so dass Thermistoren als Messwandler fuer die hohen Anforderungen an einen linearen Temperaturmessspannungsverlauf in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden koennen. Gemaess der Erfindung wird dies erreicht, indem eine mit kalibrierbarem Konstantstrom gespeiste Parallelschaltung eines Widerstandes und einer kalibrierbaren Messstromquelle, die einen der Reihenschaltung eines Thermistors und eines Widerstandes umgekehrt proportionalen Strom aufnimmt, wobei die Temperaturmessspannung am Punkt der Konstantstromeinspeisung in die Parallelschaltung von Widerstand und Messstromquelle gegen deren Bezugspotential abnehmbar ist.

Description

Anordnung zur Temperaturmessung

Anwendungsgebiet'der Erfindung:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperaturmessung, die insbesondere für Anwendungen mit hohen Anforderungen an einen linearen Temperaturmeßspannungsverlauf sowie für Differenztemperaturmessungen bestimmt ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Die bereits bekannten Anordnungen, die vor allem in der Medizintechnik und Analysentechnik angewendet werden, sind bisher nicht mit Thermistoren als Meßwandler, sondern nur mit anderen Wandlern und einem damit verbundenen höheren Aufwand realisiert worden.

Zur Linearisierung des Temperaturmeßspannungsverlaufes bei der Anwendung von Thermistoren als Meßwandler gibt es allgemein bekannte Widerstandsnetzwerk, deren Bemessung für viele Anwendungsfälle ausreichend genau möglich ist. Bei höheren Anforderungen an die Linearität des TemperaturmeßspannungsVerlaufes und bei nur geringen festzustellenden Temperaturdifferenzen in einem weiten Temperaturbereich versagen Thermistor-Widerstandsnetzwerke durch die schwierige Dimensionierung und Reproduzierbarkeit.

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Ziel der Erfindung:

Es ist das Ziel der Erfindung, Temperaturmessungen mit einem geringeren Aufwand, aber mindestens gleichen Linearitätsbedingungen gegenüber bekannten Anordnungen durchzuführen.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Temperaturmessung und besonders zur Differenztemperaturmessung zu schaffen, die günstigere Bemessungsbedingungen gegenüber bekannten zur Linearisierung des Temperaturmeßspannungsver,-laufes eingesetzten Widerstandsnetzwerken aufweist, so daß Thermistoren als Meßwandler für die hohen Anforderungen an einen linearen Temperaturmeßspannungsverlauf in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden können.

Gemäß der Erfindung wird dies erreicht, indem eine mit kalibrierbarem Konstantstrom gespeiste Parallelschaltung eines Widerstandes und einer kalibrierbaren Meßstromquelle, die einen der Reihenschaltung eines Thermistors und eines Widerstandes umgekehrt proportionalen Strom aufnimmt, wobei die Temperaturmeßspannung am Punkt der Konstantstromeinspeisung in die Parallelschaltung von Widerstand und Meßstromquelle gegen deren Bezugspotential abnehmbar ist.

Es wurde außerdem gefunden, daß die Meßstromquelle und die Konstantstromquelle aus -bipolaren komplementären Transistoren aufzubauen sind, in deren Emitterstromkreisen die strombes-fcimmenden Widerstände angeordnet sind und deren Basen mit unabhängig kalibrierbaren Referenzspannungen für Meß- und Konstantstromquelle, die gleich oder annähernd gleich sein müssen, angesteuert werden

Ein Merkmal der Erfindung ist die Anordnung von zwei Schaltungen mit Konstantstromquellen und Meßstromquellen und eines dif-

ferenzspannungbildenden Verstärkers für Anwendungen zur Differenztemperaturmessung .

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Anwendung von Widerstansteilern ohne besondere Referenzelemente für die Erzeugung der Referenzspannungen von Meßstromquellen und Konstantstromquellen, insbesondere bei einer Anwendung von zwei identischen erfindungsgemäßen Anordnungen für Differenztemperaturmessungen.

Ein weiterer nützlicher Effekt tritt ein, wenn, so wurde gefunden, die Referenzspannungsquellen für die Meßstromquellen und Konstantstromquellen thermisch gekoppelt angeordnet werden, denn damit kompensieren sich auftretende unerwünschte temperaturabhängige Änderungen der Temperaturmeßspannung.

Mit der Kenntnis der in an sich bekannter Weise durchführbaren Bemessungsberechnungen zur erfindungsgemäßen Anordnung sind die Vorteile auch quantitativ gegenüber vergleichbaren Anordnungen anzugeben. So sind beliebige Auswahlmöglichkeiten für Thermistoren gegeben, die Bemessung ist genau determiniert und bedarf keiner Näherungsrechnung wie bei den vergleichbaren Widerstandsnetzwerken.

Die Kalibrierung der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt zweckmäßig durch einen Zwei-Punkt-Abgleich entweder mit berechneten und ausgemessenen Kalibrierwiderständen oder mittels wirklicher präzis reproduzierbarer Temperaturen, wobei die Abgleichpunkte in der Nähe von Anfang und Ende des vorgegebenen Temperaturbereiches liegen sollen und die dort berechneten verbleibenden Linearitätsfehler mit einbezogen werden.

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

Pig. 1 eine Blockdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung Fig. 2 "eine Anordnung mit komplementären bipolaren Transistoren

Pig. 3 eine Darstellung der Temperaturmeßspannung ü (T) und die zugehörigen Linearisierungsbedingungen zur Bemessungsberechnung der Anordnung

Fig. 4. eine Anordnung für Differenztemperaturmessungen

Die Anordnung gemäß Figur 1 beruht auf der Bildung einer Stromdifferenz zwischen einem Konstantstrom IC und einem Meßstrom IT, die über einen Arbeitswiderstand RM als lineare Temperaturmeßspannung abzugreifen ist, wobei die Widerstandsänderung eines den Meßstrom IT bestimmenden Thermistors R (T) einem exponentiellen Verlauf folgt. Anhand der Figur 2 wird die Anordnung beschrieben. Die an sich bekannte Stromquellenschaltung ist für die Konstant stromquelle mit einem pnp-Transistor T 1 und für die Meßstromquelle mit einem npn-Transistor T 2 aufgebaut. Ein Widerstand RC und die über die an einem Einsteller RT 1 abgegriffene und um die Flußspannung der Basis-Emitter-Diode des Transistors T 1 verminderte Referenzspannung U 1 bestimmen den Konstantstrom IC. Zweckmäßig wird dieser Konstant strom IC so gewählt, daß die gesamte Schaltung nicht mehr als 14 Milliwatt aufnimmt, um eine Eigenerwärmung sicher auszuschließen. Die Meßstromquelle nimmt einen Strom auf, der vom Widerstandswert der Reihenschaltung des Thermistors R (T) und eines Widerstandes RK sowie von der an einem Einsteller RT 2 abgegriffenen und um die Flußspannung UF 2 der Basis-Emitter-Diode des Transistors T 2 verminderten Referenzspannung U 2 bestimmt ist. Der über den Arbeitswiderstand RM fließende Differenzstrom erzeugt einen Spannungsabfall, der als lineare Temperaturmeßspannung U (T) abnehmbar ist. Die Anordnung liefert aber nur hinreichend lineare Temperaturmeßspannungen U (T), wenn ein nach an sich bekannten Zusammenhängen entwickeltes Verfahren zur Bemessung von Strömen, Spannungen und Widerständen angewandt wird. Gemäß der Figur 3 wird ein solches Verfahren dargestellt. Der in dieser Figur 3 skizzierte gerade Verlauf zwischen einer oberen Meßspannungsgrenze U und einer unteren Meßspannungs-

grenze U . ist der anzustrebende idealisierte Verlauf der Iimm

nearen Temperaturmeßspannung U(T), die geschwungene Kurve der praktisch realisierbare Verlauf der linearen Temperaturmeßspannung U(T). Es wird festgelegt, daß ein Wertepaar, bestehend aus einer oberen Temperaturmeßspannung Uo und einer unteren Meßtemperatur Tu, die untere noch mit zulässigem Linearitätsfehler zu messende Temperatur bestimmt und das W^rtepaar, bestehend aus einer unteren Temperaturmeßspannung Uu und einer oberen Meßtemperatur To, die obere noch mit zulässigen Linearitätsfehler zu messende Temperatur bestimmt. Kriterium für die Linearität ist der Wendepunkt der Kurve der Temperaturmeßspannung U(T), für den das Wertepaar einer mittleren Temperaturmeßspannung Uw und einer mittleren Meßtemperatur Tw sowie der Widerstandswert R (Tw) des Thermistors R (T) bestimmt sind. Von den festgelegten Wertepaaren obere Temperaturmeßspannung Uo und untere Meßtemperatur Tu sowie untere Temperaturmeßspannung Uu und obere Meßtemperatur To wird die Steilheit Δυ/Δ τ der Kurve der Temperaturmeßspannung U (T) im Wendepunkt abgeleitet. Außerdem werden für die Dimensionierung folgende technisch bedingte Größen'festgelegt, die Betriebsspannung US der Anordnung, die mittlere Temperaturmeßspannung Uw wird zweckmäßig mit 0,5 . US (Betriebsspannung) bestimmt und die Größe des Konstant stromes IC für zweckmäßig ca. 10 ... 15 Milliwatt Verlustleistung der gesamten Anordnung ist

^ 10 · · · 15 mW ¹⁰ ~ US

Der Thermistor R (T) zur Meßgrößenwandlung kann im Gegensatz zu anderen Anordnungen prinzipiell beliebig ausgewählt werden. Es hat sich aber als zweckmäßig erwiesen, daß für hohe Betriebsspannungen US, größere zulässige Linearitätsfehler und hohe mittlere Meßtemperaturen Tw Thermistoren R (T) mit höheren Widerstand-swerten bevorzugt werden sollten. Werden dagegen Anordnungen benötigt für niedrige Betriebsspannungen US, geringste Linearität sabweichungen , niedrige mittlere Meßtemperaturen Tw sowie große Temperaturmeßbereiche, so sind Thermistoren R (T)

mit niedrigen Widerstandwerten einzusetzen. Im Berechnungsverfahren sind Größen mit einem * als berechnete Größen definiert, während.die gleichen Größen ohne Zeichen ausgewählte Bauelementewerte bzw. damit berechnete Größen sind.

Nach der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich als Gleichung für die Temperaturmeßspannung U (T)

U (T) = RM (IC - IT) . II

wobei der Konstantstrom IC und der Meßstrom IT entsprechend den Stromquellenanordnungen folgendermaßen berechnet werden:

TC =

U-I , K 1 - DF 1 III

RC _{IT =} Π 2 K 2 -^UF 2 _IV

Hierbei bedeuten:

K 1 Teilerfaktor des Einstellers RT 1 K 2 Teilerfaktor des Einstellers RT 2 UP 1 Plußspannung der Basis-Emitterstrecke des Transistors T UF 2 Flußspannung der Basis-Emitterstrecke des Transistors T UE 1 Emitterspannung vom Transistor T 1 UE 2 Emitterspannung vom Transistor T 2

Setzt man für U 1 . K 1 - UP 1 = UE 1 und für U 2 . K 2 - UP 2 = UE 2 und setzt man erfindungsgemäß

UE 1 = UE 2 = UE

so ergibt sich die Gleichung für den Temperaturmeßspannungsverlauf zu

- /τη λ _ RM . UE _ RM . UE _y

^U ^¹-* ~ RC - R(T)+RK

Das ist die Ausgangsgleichung, in der alle Größen durch die Wertefestlegungen und Linearitätsbedingungen zu bestimmen sind,

In der Gleichung bedeutet: τη M TT "Ρ

57; = U , d. h. die allein durch den Konstantstrom

ti L/ max

IC am Arbeitswiderstand RM erzeugte Spannung. Außerdem wird RM . UE = A (Konstante) gesetzt. Damit wird

RC = I VI

max

Die Ausgangsgleichung lautet dann:

U _(T) _ U _ A

max R (T) +RK

Da die Exponentialfunktion für jeden Thermistor R (T) nach der Gleichung

R (T) = R₂₀ . exp [b ( ψ - j^ )| VIII

festliegt, kann der Verlauf der Temperaturmeßspannung U (T) nur für bestimmte Temperaturbereiche linearisiert werden. Eine Linearisierung für beliebige Temperaturbereiche mit beliebiger Genauigkeit ist nicht möglich. Die Genauigkeit und der Bereich der Linearisierung wird allein vom Typ des Thermistors R (T) bestimmt. Die Linearisierung wird also korrekt nur für den festgelegten Wendepunkt und die Steilheit in diesem Punkt vorgenommen. Dazu ist Gleichung VII zweimal zu differenzieren und es wird gesetzt

U' (T) = -7—^7 sowie

•ü" (T) = 0

Für U¹ (T) ergibt sich: _R

A . R (T) . 5-5-

ü· (T) = - — ^l— IX

R (T) + RK ^a

und für U " (T) = 0 ergibt sich:

. B

- 1 + 1

' R*K = R (Tw) . 2 Tw X

B

2 Tw

Für Gleichung IX mit U' (T) = -^-| wird

A* - AJl B . R (Tw) XI

" AT' ·

Gleichung X und XI in Gleichung VII eingesetzt ergibt

max Δ Τ .Β . _Λ

Nach der Gleichung

UE ¹^ RC . IC mit Gleichung I

wird ein mittlerer Wert für die Ermitterspannung UE bestimmt, da entsprechend einem Merkmal der Erfindung die Stromquellen mittels der Referenzspannungen U 1, U 2 kalibriert werden sollen, d. h. über die Emitterspannungen UE. werden alle noch vorhandenen Fehler der Schaltungsbemessung korrigiert.

Mit UE wird dann nach der Gleichung (RC wird nach Gleichung VI bestimmt!)

RM . UE _{= u} RC max

RM* zu -

RM* = ~γ~ . RC U a

bestimmt. Für die berechneten Größen RC*, RZ* und RM* werden ungefähr wertgleiche Widerstände mit Wertetoleranzen bis zum Vielfachen der geforderten Linearitätsabweichungen ausgewählt. Mit den Werten dieser Widerstände werden erneut berechnet:

A nach Gleichung XI und

U nach Gleichung XII

max s-

Damit kann die Gleichung VII für jeden Termistor R (T) gelöst werden. Setzt man.für U (T) = Uw und' für T = Tw, so erhält man den Nullpunktfehler AUw der Schaltung zu

AUw = Uw-U(Tw) XIII

Zweckmäßig kann die Anordnung mit der Gleichung VIII für die Grenzen der unteren Meßtemperatur Tu und der oberen Meßtemperatur To berechneten und mit geringsten Toleranzen ausgesuchten Widerständen anstelle des Thermistors R (T) kalibriert werden. Die zugehörigen Kalibrierspannungen und Temperaturen werden nach Gleichung VII und XIII bestimmt.

Die Anordnung gemäß der Figur 4 besteht aus zwei zur Differenzspannungsbildung zusammenwirkenden Anordnungen entsprechend Figur 2. Die Referenzspannungen dieser Schaltung werden erfindungsgemäß über einen Widerstandsspannungsteiler aus der Betriebsspannung US abgeleitet.

Claims

Erfindungsansprüche:

1. Anordnung zur Temperaturmessung mit Thermistoren zur
Meßgrößenwandlung, dadurch gekennzeichnet, daß eine kalibrierbare Konstantstromquelle (1) in Reihe zu einer kalibrierbaren 'Meßstromquelle (2) mit einem dazu parallelen
Arbeitswiderstand (RM) geschaltet ist, wobei die Meßstromquelle (2) einen Strom aufnimmt, der dem Widerstandswert

der Reihenschaltung des zur Meßgrößenwandlung benutzten Thermistors (R (T) ) und eines Widerstandes (RK) umgekehrt proportional ist.

2. Anordnung nach Punkt.1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Konstantstromquelle (1) und die Meßstromquelle (2) mit bipolaren komplementären Transistoren (T 1, T 2) aufgebaut sind und die strombestimmenden Widerstände in den Emitterstromkreisen angeordnet sind.

3· Anordnung nach Punkt 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabfälle über den strombestimmenden Widerständen für Konstantstromquelle (1) und Meßstromquelle (2) gleich oder annähernd gleich sind.

4. Anordnung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquellen für Konstant stromquelle (1) und Meßstromquelle (2) thermisch gekoppelt sind.

5. Anordnung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anordnungen und ein Differenzen bildender Verstärker zusammengeschaltet sind.

6. Anordnung nach Punkt 1 bis 5,. dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungen für alle Stromquellen über Spannungsteiler aus der Betriebsspannung (US) der Anordnung zu gewinnen s ind .

Hierzu 3 So\ev\ Z