DE102012208159B4

DE102012208159B4 - Signalkonditionierung eines Temperatursensors

Info

Publication number: DE102012208159B4
Application number: DE102012208159.3A
Authority: DE
Inventors: Dieter Genschow
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: DE102012208159A1

Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen eines Temperatur-Messsignals, umfassend eine Konditionierungsschaltung, die mit einer Stromsenke verbindbar oder verbunden ist, welche ausgebildet ist, einen elektrischen Stromfluss zu bewirken, dessen Stromstärke von der Temperatur an der Stromsenke abhängig ist, und die ausgebildet ist, der Stromsenke Strom zuzuführen und als Temperatur-Messsignal ein elektrisches Wechselsignal zu erzeugen, dessen Frequenz vom Betrag der Stromstärke an der Stromsenke abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Temperatur-Messsignals ausgestattete Temperatur-Messvorrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignals.
Bekannte Vorrichtungen zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignals basieren auf einer Messung einer temperaturabhängigen Stromstärke. Hierfür werden Standardschaltungen wie Brückenschaltungen oder spezielle Differenzverstärker-Schaltungen (instrumentation amplifier) verwendet. Auch die Verwendung spannungsabhängiger Oszillatoren zur Wandlung temperaturabhängigen Spannungen in Ströme ist bekannt.
Aus dem Dokument US 7,914,204 B2 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignals unter Verwendung von Oszillatoren bekannt. Ein erster Oszillator mit einer geringen Temperaturempfindlichkeit und ein zweiter Oszillator mit einer hohen Temperaturempfindlichkeit erzeugen Wechselspannungssignale, die den Eingängen eines Multiplexers zugeführt werden. Ein Frequenz-Digital-Wandler übersetzt eine Frequenzdifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen des Multiplexers in ein digitales Ausgangssignal, welches wiederum in einen Temperaturwert übersetzt werden kann. Auch DE 24 40 961 A1 zeigt die Verwendung von Oszillatoren zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignales. EP 0 018 349 A1 und DE 33 16 528 A1 zeigen Vorrichtungen zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignales, die über die Ladedauer eines zugeschalteten Kondensators auf eine proportionale Temperatur schließen. In DE 10 2004 038 564 A1 ist die Verwendung eines Modulators zusammen mit einem Temperatursensor zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignales beschrieben. JP 2004-221762 A beschreibt die Umwandlung eines Temperaturwertes in eine auswertbare digitale Größe. In DE 27 43 233 A1 ist die Umwandlung eines Temperaturwertes in eine digitale Anzeige beschrieben.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Temperatur-Messvorrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen, mit einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Temperatur-Messsignals, welche eine Konditionierungsschaltung umfasst, die

– mit einer Stromsenke verbindbar oder verbunden ist, welche ausgebildet ist, einen elektrischen Stromfluss zu bewirken, dessen Stromstärke von der Temperatur an der Stromsenke abhängig ist, und die
– ausgebildet ist, der Stromsenke Strom zuzuführen und als Temperatur-Messsignal ein elektrisches Wechselsignal zu erzeugen, dessen Frequenz vom Betrag der Stromstärke an der Stromsenke abhängt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignals umfasst die Schritte:

– Zuführen eines elektrischen Stroms zu einer Stromsenke, welche einen von der Temperatur an der Stromsenke abhängigen Wert der Stromstärke bewirkt; und
– Erzeugen des Temperatur-Messsignals in Form eines Wechselspannungssignals, dessen Frequenz vom Betrag der Stromstärke an der Stromsenke abhängig ist.

Die Vorteile der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend zusammenhängend beschrieben.
Die Lösung der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine einfache, nachgeschaltete digitale Auswertung des erzeugten Temperatur-Messsignals. Die Temperaturabhängigkeit der Ausgabe einer der erfindungsgemäßen Temperatur-Messvorrichtung nachschaltbaren und in einem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehenen Auswerteeinheit spielt bei der vorliegenden Erfindung eine sehr geringe Rolle, so dass ein genaues und gegenüber Temperaturschwankungen an der Auswerteeinheit robustes Messergebnis erzielt werden kann. Temperaturschwankungen einer in Ausführungsformen nachschaltbaren Auswerteschaltung sind bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung also wesentlich weniger einflussreich als bei den einleitend beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen. Bei sehr niederfrequenten Änderungsraten, wie sie bei Temperaturmessungen auftreten, ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung in bevorzugten Ausführungsformen einen deutlich verringerten Rauschanteil.
Bei der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung bildet die Stromsenke den Fühler der Temperatur-Messvorrichtung. Die Stromstärke an der Stromsenke ist temperaturabhängig und bildet insofern ein primäres Messsignal. Diese Stromstärke wird von der verbundenen Konditionierungsschaltung in ein elektrisches Wechselsignal gewandelt. Die Frequenz des Wechselsignals kann daher als Maß für die vom Sensor erfasste Temperatur ausgewertet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung gelingt es schließlich, das von der Stromsenke erzeugte und zu wandelnde Sensorsignal sogar als sehr schwaches Sensorsignal nach Übertragung über eine relativ weite Strecke von beispielsweise 20 cm auch mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln genau zu wandeln, insbesondere ohne Präzisionsschaltungen verwenden zu müssen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die jeweiligen zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können zur Bildung weiterer Ausführungsformen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Konditionierungsschaltung

– einen Energiespeicher, der sich durch Abgabe eines Entladestroms über die Stromsenke entladen kann;
– ein steuerbares Schaltelement, welches in einem ersten Schaltzustand ein Aufladen des Energiespeichers ermöglicht und in einem zweiten Schaltzustand das Aufladen verhindert; und
– eine Steuereinheit, welche mit dem Schaltelement verbunden ist und welche ausgebildet ist, einen Ist-Ladezustand des Energiespeichers mit einem vordefinierten Soll-Ladezustand des Energiespeichers zu vergleichen und je nach Vergleichsergebnis das Schaltelement zum Ermöglichen des Aufladens des Energiespeichers in definierten Zeitabschnitten oder zum Verhindern des Aufladens anzusteuern.

Bei dieser Ausführungsform gelingt die Stromzuführung zur Stromsenke über das Entladen des Energiespeichers. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht also, das Sensorsystem gleichzeitig mit Energie zu versorgen.
Zugleich wird durch den Wechsel von Aufladen des Energiespeichers und Entladen des Energiespeichers, wobei das Entladen mit der temperaturabhängigen, durch die Stromsenke bestimmten Stromstärke erfolgt, ein temperaturabhängiger elektrischer Prozess mit zwei Phasen geschaffen, der eine geeignete Grundlage für das zu erzeugende elektrische Wechselsignal bildet. Durch die Wirkung des Schaltelements kann der Energiespeicher aufgeladen werden, wenn der Ist-Ladezustand des Energiespeichers nicht seinem Soll-Ladezustand entspricht (erste Halbperiode eines Lade-Entlade-Zyklus). Sobald der Soll-Ladezustand erreicht ist, bewirkt die Steuereinheit ein Umschalten des Schaltelements, welches dann ein weiteres Aufladen des Energiespeichers verhindert. In diesem Moment beginnt der Energiespeicher mit seiner Entladung über die Stromsenke (zweite Halbperiode eines Lade-Entlade-Zyklus). Die Stromstärke des Entladestroms hängt hierbei allein von der Temperatur an der Stromsenke ab. Sobald der Ist-Ladezustand des Energiespeichers unter vorgegebenen Soll-Ladezustand abgesunken ist, beginnt der Lade-Entlade-Zyklus erneut mit dem Aufladen des Energiespeichers.
Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht darüber hinaus auch die Verwendung üblicher Standardbauelemente, wie aus der nachfolgenden Beschreibung weiterer Ausführungsbeispiele hervorgeht. Daher kann die Vorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel besonders kostengünstig realisiert werden. Insbesondere eignet sich das vorliegende Ausführungsbeispiel für eine zusätzlich platzsparende Integration der gesamten Vorrichtung auf einem Sensorchip.
Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist der Steuereinheit vorteilhafterweise an ihrem ersten Signaleingang ein von einer Referenzeinheit erzeugtes Referenzsignal zugeführt, das den Soll-Ladezustand des Energiespeichers anzeigt. Der Steuereinheit ist weiterhin an ihrem zweiten Signaleingang ein Ist-Signal zugeführt, das den Ist-Ladezustand des Energiespeichers anzeigt. Die Steuereinheit ist weiterhin vorzugsweise ausgebildet, das Steuersignal zum Ansteuern des Schaltelements mit jeweils einem von genau zwei Signalzuständen auszugeben, um das Schaltelement entweder in den ersten Schaltzustand oder in den zweiten Schaltzustand zu versetzen, so dass das Steuersignal aufgrund des Umschaltens zwischen seinen zwei Signalzuständen Signalflanken aufweist, deren zeitlicher Flankenabstand die Frequenz des von der Konditionierungsschaltung ausgegebenen Temperatur-Messsignals definiert.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass es als das Temperatur-Messsignal für die Frequenzmessung ein besonders einfaches Signal mit zwei Zuständen erzeugt, welches über eine einfach zu implementierende Frequenzzählung ausgewertet werden kann.
Der Energiespeicher kann in unterschiedlichen Ausführungsformen unterschiedlich ausgestaltet sein. Bevorzugt enthält er oder besteht er aus einer zur Stromsenke parallel geschalteten Kapazität, die durch einen oder mehrere Kondensatoren gebildet sein kann. Jedoch sind auch andere Arten von Energiespeicher denkbar, beispielsweise eine Induktivität.
Die Steuereinheit umfasst bei Verwendung eines Kondensators als Energiespeicher beispielsweise
– eine Referenzspannungsquelle, die ausgebildet ist, eine Gleichspannung eines vorbestimmten Betrages als Referenzspannung zu erzeugen;
– eine Komparatorschaltung, der an einem ersten Eingang als das Ist-Signal eine über dem Kondensator abfallende erste Spannung zugeführt ist und der an einem zweiten Eingang als das Referenzsignal die Referenzspannung zugeführt ist, und die ausgebildet ist, an ihrem Ausgang als das Temperatur-Messsignal ein Komparator-Ausgangssignal zu abzugeben, das alterniert zwischen
a) einer ersten Ausgangsspannung, die anliegt, solange die erste Spannung nicht größer ist als die Referenzspannung, und
b) einer von der ersten Ausgangsspannung verschiedenen zweiten Ausgangsspannung, die anliegt, solange die erste Spannung größer ist als die Referenzspannung.
Die Versorgungsspannung für die von dieser Ausführungsform gebildete Sensorschaltung ist durch die Referenzspannung gegeben. Auf diese Weise ist es möglich, zum einen die Sensorschaltung mit Energie zu versorgen, insbesondere den Energiespeicher zu versorgen und gleichzeitig die Wandlung für das auszugebende Temperatur-Messsignal von einer Stromstärke an der Stromsenke in eine von der Konditionierungsschaltung ausgegebene Frequenz des Wechselspannungssignals zu realisieren.
Die Kapazität des Kondensators, welcher zur Stromsenke parallel geschaltet ist, ist bei dieser Ausführungsform bestimmend für eine beim Betrieb der Vorrichtung auftretende Zeitkonstante, welche den Frequenzbereich für die Auswertung des Temperatur-Messsignals bestimmt. Durch Wahl der für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Kapazität kann ein für eine nachfolgende Signalübertragung oder Signalverarbeitung mit gewünschten Eigenschaften angepasste Frequenz eingestellt werden. Hierauf wird weiter unten näher eingegangen.
Bevorzugt hat der Kondensator ein Dielektrikum mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten. Bevorzugt ist ein Dielektrikum, das einen Temperaturkoeffizienten α_C von höchstens +/–100·10^–6[K^–1] hat, vorzugsweise +/–60·10^–6[K^–1], speziell bevorzugt +/–30·10^–6[K^–1] hat. Als Dielektrikum geeignet ist beispielsweise NP0, das auch als CG bekannt ist. NP0-Dielektrika sind aus nicht-ferroelektrischen Keramikmaterialien gebildet.
In einer einfachen Ausführungsform enthält das Schaltelement eine Reihenschaltung einer Diode und eines ohmschen Widerstands. Mit dieser Ausführungsform gelingt es, die Temperaturabhängigkeit des Ladestroms, der durch das Schaltelement fließt, gering zu halten.
Zur Erzielung einer besonders geringen Temperaturabhängigkeit des Ladestroms hat das Schaltelement in einer weiteren, etwas aufwändigeren Ausführungsform eine Reihenschaltung eines Transistors und eines (weiteren) ohmschen Widerstands. Diese Ausbildung des Schaltelements kann alternativ zur Verwendung einer Diode und eines ohmschen Widerstands verwendet werden. Der Transistor ist vorzugsweise ein Feldeffekt-Transistor (FET), insbesondere ein MOSFET, beispielsweise in Form eines PMOS-Transistors. Mit einem FET gelingt eine gute Reduzierung der Temperaturabhängigkeit des Ladestroms, der durch das Schaltelement fließt. Die Verwendung eines FETs bewirkt darüber hinaus gegenüber bekannten Lösungen mit Schottky-Dioden oder Bipolar-Transistoren eine weitere Verringerung der Empfindlichkeit des Betriebs der Konditionierungsschaltung gegenüber Temperatureinflüssen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die eine noch weiter reduzierte Temperaturabhängigkeit aufweist, ist die Reihenschaltung des Transistors und des (weiteren) ohmschen Widerstands parallel zur Reihenschaltung der Diode und des ohmschen Widerstands geschaltet. Bei geeigneter Dimensionierung der ohmschen Widerstände in dieser Parallelschaltung kann der Temperaturkoeffizient auf nahezu 1 gebracht werden.
Die Stromstärke des Ladestroms des Kondensators kann durch eine Dimensionierung der Bauelemente des Schaltelements und durch eine Dimensionierung der Kapazität des Kondensators bestimmt werden. Im Schaltelement sind hierfür die vorgesehenen ohmschen Widerstände sowie der Drain-Source-Widerstand R_DS des FETs bestimmend. Der Ladestrom ist vorteilhafterweise sehr viel größer als der Entladestrom des Kondensators. Vorzugsweise ist der Ladestrom etwa 100 Mal größer als der Entladestrom. In einer anderen Ausführungsform ist der Ladestrom 500 Mal größer als der Entladestrom. Besonders bevorzugt ist der Ladestrom 1000 Mal größer als der Entladestrom. Je größer der Unterschied, desto geringer der Einfluss von Fehlern, die die Ladezeit beeinflussen können.
Bevorzugt ist der ohmsche Widerstand im Schaltelement sehr viel größer als der Drain-Source-Widerstand des Transistors, um Temperatureinflüsse des Transistors gering zu halten. Insbesondere sollte der ohmsche Widerstand mindestens 10 Mal größer gewählt werden als der Widerstand R_DS des Transistors.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Komparatorschaltung einen Operationsverstärker auf, dessen Ausgang über einen Rückkoppelwiderstand auf den zweiten Eingang, der ein nicht invertierender Eingang des Operationsverstärkers ist, zurückgeführt ist. Zwischen dem Kondensator und der Komparatorschaltung ist ein erster ohmscher Widerstand zwischengeschaltet. Der erste ohmsche Widerstand ist aus einem Widerstandsmaterial mit geringem Temperaturkoeffizienten gebildet. Ein geeignetes Beispiel eines solchen ohmschen Widerstandes ist ein Metallschichtwiderstand. Auf diese Weise gelingt es, die Hysterese der Komparatorschaltung für eine zusätzliche Stabilisierung der Schaltung zu nutzen.
Eine weitere Reduzierung von Temperatureinflüssen kann erzielt werden, wenn unterschiedliche Schaltkreiselemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung Temperaturkoeffizienten mit unterschiedlichen Vorzeichen aufweisen. Auf diese Weise können sich Temperatureinflüsse auf den Schaltkreis der Vorrichtung zumindest teilweise aufheben. So kann die Leistungsfähigkeit weiter gesteigert werden.
Die erfindungsgemäße Temperatur-Messvorrichtung umfasst weiterhin eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, das Temperatur-Messsignal zu empfangen, seine Frequenz zu bestimmen, die bestimmte Frequenz unter Zugriff auf eine in der Auswerteschaltung abgespeicherte Zuordnungsvorschrift einem Temperaturwert zu-zuordnen und den bestimmten Temperaturwert in digital kodierter Form auszugeben.
Wie bereits weiter oben erläutert, hat diese Temperatur-Messvorrichtung den Vorteil, eine besonders genaue Temperaturmessung mit geringem schaltungstechnischem Aufwand erzielen zu können. Die Temperatur kann mit einer Genauigkeit von weniger als 0,1°C genau gemessen werden. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit durch einen Mikrocontroller gebildet, dem das Temperatur-Messsignal in digitaler Form zugeführt ist. Der Mikrocontroller ist aufgrund des Fehlens eines analog-digital-Wandlers besonders einfach zu gestalten, was zum einen die Baugröße und zum anderen die Kosten der Temperatur-Messvorrichtung verringert.
Der Mikrocontroller ist in einer Ausführungsform ausgebildet, eine Energieversorgung der verbundenen Vorrichtung zum Erzeugen des Temperatur-Messsignals abzuschalten. Die Vorrichtung muss auf diese Weise nur so lange wie nötig mit Strom versorgt werden und kann komplett abgeschaltet werden, wodurch sie äußerst stromsparend betrieben werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand weiterer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Temperaturmessvorrichtung;
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Signalkonditionierungsschaltung;
3 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Temperatur-Messsignals,
4 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Temperatur-Messsignals,
5 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Temperatur-Messsignals,
6 zeigt ein Diagramm mit einer Darstellung einer normierten Frequenzabweichung der drei Schaltungen der 1 bis 3 bei 25°C, 35°C und 45°C.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Temperaturmessvorrichtung 100. Die Temperaturmessvorrichtung hat ein Sensorelement 102 in Form einer Stromsenke 102. Mit ihr verbunden oder verbindbar ist eine Konditionierungsschaltung 104, an deren Ausgang eine Auswerteeinheit 106 angeschlossen ist.
Die Stromsenke 102 bewirkt im Betrieb der Vorrichtung 100 einen elektrischen Stromfluss, mit anderen Worten: einen Messstrom, dessen Stromstärke von der Temperatur an der Stromsenke abhängig ist. Die Konditionierungsschaltung 104 führt der Stromsenke 102 diesen Messstrom zu und erzeugt als Temperatur-Messsignal ein elektrisches Wechselsignal, dessen Frequenz vom Betrag der Stromstärke dieses Messstroms an der Stromsenke abhängt.
Die Auswerteeinheit 106 empfängt das Temperatur-Messsignal und bestimmt seine Frequenz. Die bestimmte Frequenz wird von der Auswerteeinheit 106 unter Zugriff auf eine in der Auswerteeinheit abgespeicherte Zuordnungsvorschrift einem Temperaturwert zugeordnet, welcher typischerweise in digital kodierter Form ausgegeben wird.
Diese Vorrichtung ist besonders geeignet für Anwendungen, bei denen ein nur schwacher Messstrom, beispielsweise im Bereich zwischen 100 und 200 µA durch die Stromsenke fließt und ein relativ großer Abstand von beispielsweise 10 bis 30 cm zwischen der Stromsenke und der Konditionierungsschaltung 104 gegeben ist. Dieser große Abstand ist in 1 durch eine gepunktete Unterbrechung einer Verbindung zwischen der Stromsenke 102 und der Konditionierungsschaltung 104 angedeutet.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels der Konditionierungsschaltung 104. Die Konditionierungsschaltung 104 umfasst in diesem Beispiel einen Energiespeicher 108, der sich durch Abgabe eines Entladestroms über die Stromsenke entladen kann. Ein steuerbares Schaltelement 110 welches in einem ersten Schaltzustand ein Aufladen des Energiespeichers 108 ermöglicht und in einem zweiten Schaltzustand das Aufladen verhindert. Schließlich ist eine Steuereinheit 112 vorgesehen, welche mit dem Schaltelement 110 verbunden ist und welche ausgebildet ist, einen Ist-Ladezustand des Energiespeichers 108 mit einem vordefinierten Soll-Ladezustand des Energiespeichers zu vergleichen und je nach Vergleichsergebnis das Schaltelement zum Ermöglichen des Aufladens in definierten Zeitabschnitten oder zum Verhindern des Aufladens anzusteuern.
Die Steuereinheit 112 gibt das Steuersignal zum Ansteuern des Schaltelements 110 mit jeweils einem von genau zwei Signalzuständen aus, um das Schaltelement entweder in den ersten Schaltzustand oder in den zweiten Schaltzustand zu versetzen. Auf diese Weise weist das Steuersignal aufgrund des Umschaltens zwischen seinen zwei Signalzuständen Signalflanken auf, deren zeitlicher Flankenabstand die Frequenz des von der Konditionierungsschaltung an ihrem Ausgang ausgegebenen Temperatur-Messsignals definiert.
3 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignals. Die Vorrichtung wird im Folgenden auch als Temperatursensor oder einfach als Sensor bezeichnet. Im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel der 1 ist in dieser Darstellung lediglich die Auswerteeinheit 106 nicht dargestellt.
Eine Stromsenke 202 ist mit einer Konditionierungsschaltung 204 verbunden. Die Stromsenke 202 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel für einen temperaturabhängigen Stromfluss ausgelegt, dessen Stromstärke Itemp sich proportional mit der Temperatur des Sensors ändert und je nach Temperatur im Bereich von 150µA +/– 20µA liegt. Selbstverständlich kann die Stromsenke 202 auch für andere Werte der Stromstärke ausgelegt werden.
Zum Einsatz im Zusammenwirken mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können unterschiedliche Arten von Stromsenken verwendet werden. In einer Ausführungsform wird eine Konstantstromsenke verwendet. Darunter wird hier eine Stromsenke verstanden, bei der der Strom vom Betrag einer über der Stromsenke abfallenden Spannung unabhängig ist. Auf diese Weise wird – natürlich in den Grenzen eines vorgesehenen Arbeitsbereiches – eine besonders einfache Kalibrierung einer Temperaturmessvorrichtung ermöglicht, weil die Entladungskurve als Funktion der Zeit einer Geraden entspricht. Jedoch ist bei entsprechend anzupassender Kalibrierung die Verwendung anderer Stromsenken ebenso möglich. So können beispielsweise als Stromsenke Bauelemente mit temperaturabhängiger Dioden- oder Transistorkennlinie, oder Thermistoren, also Heiß- oder Kaltleiter (NTC-Widerstand oder PCT-Widerstand) verwendet werden.
Die Konditionierungsschaltung 204 enthält im Wesentlichen eine Komparatorschaltung 212 und einen zur Stromsenke 202 parallelgeschalteten Energiespeicher in Form eines Kondensators 208. Der Kondensator 208 hat ein Dielektrikum mit niedrigem Temperaturkoeffizient, z.B. NP0. Über die Wahl der Kapazität des Kondensators 208 wird eine Zeitkonstante eingestellt, welche für die Frequenz des ausgangsseitig anliegenden Wechselspannungssignals Ftemp mit bestimmend ist. Beispielsweise hat der Kondensator 208 eine Kapazität von 22 nF. Andere Werte der Kapazität sind je nach den Erfordernissen einer gegebenen Anwendung wählbar.
Die Komparatorschaltung 212 weist einen Operationsverstärker 212.1 auf. Seinem mit einem Minuszeichen gekennzeichneten invertierenden Eingang, der nach dem Sprachgebrauch des einleitenden Teils der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche dem ersten Eingang der Komparatorschaltung 212 entspricht, ist eine über dem Kondensator 208 gegenüber Masse abfallende Spannung zugeführt. Diese Spannung ist aufgrund der Parallelschaltung von Kondensator 208 und Stromsenke 202 zugleich die über der Stromsenke 202 gegenüber Masse abfallende Spannung. Mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 212.1, der mit einem Pluszeichen gekennzeichnet ist, ist eine Referenzspannungsquelle 212.2 verbunden. Auf diesen nicht invertierenden Eingang ist über einen Rückkopplungswiderstand 212.3 zugleich das am Ausgang des Operationsverstärkers 212.1 anliegende Wechselspannungssignal Ftemp zurückgeführt. Eine vorhandene Energieversorgung des Operationsverstärkers ist vorliegend der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die Konditionierungsschaltung 204 umfasst weiterhin ein Schaltelement 210. Das Schaltelement 210 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einer Diode 210.1 und einem Ladewiderstand 2010.2 gebildet, die in Reihe geschaltet sind. Als Beispiel für eine geeignete Diode sei eine Diode vom Typ BAT54 genannt. Es können vorteilhafterweise auch Dioden mit einer geringeren Temperaturabhängigkeit Verwendung finden. Der Ladewiderstand 210.2 ist beispielsweise 10 Ohm.
Über den Widerstand 210.2 und die Diode 210.1 wird der Kondensator 208 aufgeladen, solange der Ausgang der Komparatorschaltung, 212, also des Operationsverstärkers 212.1, auf einem hohen Pegel (Potentialwert) liegt. Sobald die Spannung am Kondensator 208 über den von der Vref vorgegebenen Wert angestiegen ist, schaltet der Operationsverstärker 212.1 das Ausgangssignal um auf einen niedrigen Pegel, und der Ladevorgang ist beendet. In diesem Moment entlädt sich der Kondensator 208 wieder mit einem Entladestrom, der eine von der Stromsenke 202 und damit auch von der Temperatur bestimmte Stromstärke Itemp hat. Diese temperaturabhängige Stromstärke des Entladestroms Itemp bestimmt die Zeitkonstante der Entladung des Kondensators 208. Sobald die Spannung am Kondensator unter den von der Referenzspannungsquelle 212.1 vorgegebenen Wert Vref abgesunken ist, startet der Zyklus erneut mit dem Aufladen des Kondensators 208.
Eine Versorgungsspannung der Sensorschaltung kann durch die Referenzspannung Vref bereitgestellt werden. Die Schaltung macht es also möglich, zum einen die Sensorschaltung mit Energie zu versorgen und gleichzeitig den temperaturabhängigen Strom zur Stromsenke 202 anhand der ausgegebenen Frequenz zu messen.
4 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignals in Verbindung mit einer Auswerteschaltung. Die hier dargestellte Vorrichtung bildet also insgesamt eine Temperatur-Messvorrichtung im Sinne der in einigen abhängigen Ansprüchen definierten Ausführungsbeispiele.
Die Vorrichtung zur Erzeugung des Temperatur-Messsignals gleicht von der Grundstruktur her dem Ausführungsbeispiel der 3. In 4 werden der besseren Vergleichbar-keit halber Bezugszeichen verwendet, die sich von denen der 3 nur in einer vorangestellten „3“ statt „2“ unterscheiden. Insofern wird auf die Ausführungen zu 3 verwiesen. Nachfolgend werden zunächst die Unterschiede des gegenüber diesem oben beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert, welche im Wesentlichen in der Gestaltung des Schaltelements 310 gegenüber dem Schaltelement 210 der 3 liegen.
Das Schaltelement 310 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Feldeffekttransistor (nachfolgend auch als Transistor und als MOSFET bezeichnet) 310.1 und, wie auch die Schaltung der 3, einen Ladewiderstand 310.2. Zusätzlich ist dem Gateanschluss des MOSFET 310.1 ein Gatewiderstand 310.3 vorgeschaltet.
Diese Elemente sind zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 312.1 und dem Kondensator 308 in Reihe geschaltet.
Über den Ladewiderstand 310.2 und den Transistor 310.1 wird durch dieses Schaltelement der Kondensator 308 aufgeladen, wenn der Ausgang des Operationsverstärkers 312.1 auf niedrigem Pegel (Masse, GND-Potential) liegt. Sobald die Spannung am Kondensator 308 über den durch die Referenzspannung Vref vorgegebenen Wert angestiegen ist, schaltet der Operationsverstärker 312.1 den Transistor 310.1 hochohmig, und der Ladevorgang ist beendet. In diesem Moment beginnt der Kondensator 308, sich zu entladen. Sobald die Spannung am Kondensator 308 unter den von Vref vorgegebenen Wert abgesunken ist, startet der Zyklus erneut mit dem Aufladen des Kondensators.
Der Ladestrom des Kondensators 308 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch den Ladewiderstand 310.2 und den Drain-Source-Widerstand (RDS) des MOSMET 310.1 bestimmt. Er ist vorteilhafter Weise sehr viel größer zu wählen als der Entladestrom Itemp. Bevorzugt ist der Ladestrom etwa 100 bis 1000-mal größer als der Entladestrom. Damit ist sichergestellt, dass Fehler, welche die Ladezeit beeinflussen, um diesen Faktor, also 100 bis 1000-mal weniger Gewicht in der resultierenden Frequenz des ausgegebenen Wechselspannungssignals Ftemp haben als der Entladestrom. Vorteilhafterweise sollte auch der Ladewiderstand Rch sehr viel größer sein als der Drain-Source-Widerstand RDS, um Temperatureinflüsse des Transistors 310.1 gering zu halten. So ist 310.2 typischerweise mindestens 10x größer gewählt als RDS.
Der Einsatz des MOSFET 310.1 bewirkt im Vergleich mit alternativen Lösungen wie Schottky-Dioden oder Bipolar-Transistoren eine weitere Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber Temperatureinflüssen auf die Auswerteschaltung 306. Die Temperaturabhängigkeit des Ladestroms, der durch den Transistor 310.1 und den Widerstand 310.2 fließt, ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel gegenüber dem der 1 um einen Faktor 5 oder mehr reduziert.
Eine Hysterese der Komparatorschaltung 312 wird durch die Widerstände 312.3 und 312.4 eingestellt. Sie dient einer weiteren Stabilisierung der Schaltung. Diese Widerstände sind aus einem Widerstandsmaterial mit geringem Temperaturkoeffizient (z.B. Metallschicht-Widerstände) hergestellt.
Als Beispiel für eine konkrete Schaltungsauslegung des Schaltelements 310 beim Ausführungsbeispiel der 4 beträgt der Gatewiderstand 310.3 100 Ohm, handelt es sich bei dem Transistor 310.1 um einen PMOS-Transistor und beträgt der Ladewiderstand 310.2 10 Ohm. Eine geeignete Hysterese wird beispielsweise mit einem Widerstand 312.4 von 10 kOhm und einem Rückkopplungswiderstand 312.3 von 100 kOhm erzielt.
Das Ausführungsbeispiel der 4 zeigt weiterhin einen mit dem Ausgang der Komparatorschaltung 312 verbundenen Mikrocontroller 306. Der Mikrocontroller 306 bildet eine Auswerteeinheit zur Frequenzermittlung anhand des zugeführten Wechselspannungssignals Ftemp und somit zur Ermittlung und Ausgabe eines Temperaturwertes auf der Grundlage der temperaturabhängigen Frequenz des Wechselspannungssignals Ftemp. Durch Ausgabe des Temperatur-Messsignals in Form eines Wechselspannungssignals mit zwei Signalzuständen, welches die Temperaturinformation in seiner Frequenz enthält, ist die Übertragungsstrecke besonders robust gestaltet und die Auswertung des Wechselspannungssignals mittels des Mikrocontrollers 306 stark vereinfacht. Als Folge dessen kann ein sehr einfacher Mikrocontroller ohne Analog-Digital-Wandler verwendet werden. Das eingangsseitig empfangene analoge Wechselspannungssignal wird also ohne Analog-Digital-Wandlung ausgewertet. Die Frequenzzählung und die nachfolgende Zuordnung und Ausgabe eines entsprechenden Temperaturwertes erfolgen programmgesteuert.
Die vom Microcontroller 306 herangezogene Zuordnungsvorschrift spiegelt eine Kalibrierung je nach verwendetem Sensorelement (Konstantstromsenke, Heißleiter, Kaltleiter, etc.) wider.
Der für den Betrieb geeignete Frequenzbereich wird durch den Mikrocontroller 306 vorgegeben. Der Mikrocontroller wird nur in einem bestimmten Frequenzbereich, dessen Werte sehr viel kleiner als die eigene Taktfrequenz sind, die Frequenz genau bestimmen können. Je größer der Abstand zwischen diesem Frequenzbereich und der Taktfrequenz, desto genauer die Messung. Auf der anderen Seite muss die Frequenz des Signals Ftemp möglichst hoch sein, um viele Messungen (jeder Lade-Entladezyklus ist eine Messung im Rahmen der Frequenzzählung) in einer bestimmten Zeit zu machen, die dann gemittelt werden. Bevorzugt bei Verwendung von Standard-Mikrocontrollern sind Frequenzen des Signals Ftemp zwischen 1kHz und 100kHz.
Bei Verwendung geeigneter Auswertealgorithmen im Microcontroller 306 kann dieser während der Messung in den Schlafmodus gehen und damit den Energieverbrauch der Schaltung reduzieren. Weiterhin kann die Sensorschaltung nur so lange wie nötig mit Strom versorgt werden, aber auch komplett abgeschaltet werden, um in einem Power-Down-Modus äußerst stromsparend zu sein.
Durch Verwendung von Standardbauelementen kann die Anwendung äußerst kostengünstig realisiert werden, was eine sehr gute Einsetzbarkeit des Prinzips ermöglicht.
Eine Integration der Komparatorschaltung 312 in den Sensorchip kombiniert die genannten positiven Eigenschaften mit dem Vorteil des sehr geringen Platzbedarfs.
5 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Variante einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignals. Auch hier ist gegenüber dem Beispiel der 3 und 4 im Wesentlichen nur das Schaltelement 410 verändert. Es wird von einer Parallelschaltung eines Zweiges mit einem Gatewiderstand 410.3 und einem Transistor 410.1 (wie in 4) sowie eines weiteren Zweiges mit einer Diode 410.4 und einem Widerstands 410.5 gebildet. Dieser Parallelschaltung ist der Ladewiderstand 410.2 nachgeschaltet. Durch diese Maßnahme kann der Temperaturkoeffizient durch geeignete Dimensionierung des Gatewiderstands 410.2 auf nahezu 1 gebracht werden.
6 zeigt ein Diagramm mit einer Darstellung eines normierten Temperaturkoeffizienten der Frequenzabweichung der drei Schaltungen der 3 bis 5 im Temperaturbereich zwischen 25°C und 45°C. Mit a, b und c markierte Geraden zeigen die dem Ausführungsbeispiel der 3, 4, bzw. 5 entsprechende Charakteristik. Der jeweilige normierte Wert ist durch Division des bei der jeweiligen Temperatur bestimmten Frequenzwertes des Ausgangssignals Ftemp mit dem bei 25°C bestimmten Frequenzwert des Ausgangssignals Ftemp berechnet.
Grundsätzlich hat eine Auswerteschaltung bekanntlich selbst eine Temperaturabhängigkeit und verursacht dadurch Messfehler. Optimal wäre es, wenn die Temperatur der Konditionierungsschaltung keinerlei Einfluss auf die Frequenz des Ausgangssignals Ftemp hätte. Es zeigt sich, dass ein solcher idealer Verlauf, nämlich eine Unabhängigkeit des Frequenzabhängigkeit des Signals Ftemp von der Temperatur an der Schaltung, mit dem Ausführungsbeispiel der 5 erzielt werden kann (Gerade c). Die Ausführungsbeispiele der 3 und 4 (Geraden a und b) zeigen jedoch, dass mit reduzierten Schaltungsaufwand bei Anwendungen mit etwas reduzierten Genauigkeitsanforderungen ebenfalls eine geeignete Temperaturcharakteristik mit nur geringem Einfluss der Konditionierungsschaltung auf das Ausgangssignal Ftemp erzielt werden kann.

Claims

Temperatur-Messvorrichtung, umfassend eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Temperatur-Messsignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Erzeugen eines Temperatur-Messsignals eine Konditionierungsschaltung aufweist, die – mit einer Stromsenke verbindbar oder verbunden ist, welche ausgebildet ist, einen elektrischen Stromfluss zu bewirken, dessen Stromstärke von der Temperatur an der Stromsenke abhängig ist, und die – ausgebildet ist, der Stromsenke Strom zuzuführen und als Temperatur-Messsignal ein elektrisches Wechselsignal zu erzeugen, dessen Frequenz vom Betrag der Stromstärke an der Stromsenke abhängt, und dass die Temperatur-Messvorrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, die ausgebildet ist, das Temperatur-Messsignal zu empfangen, seine Frequenz zu bestimmen, die bestimmte Frequenz unter Zugriff auf eine in der Auswerteeinheit abgespeicherte Zuordnungsvorschrift einem Temperaturwert zu-zuordnen und den bestimmten Temperaturwert in digital kodierter Form auszugeben.
Temperatur-Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Konditionierungsschaltung umfasst: – einen Energiespeicher, der sich durch Abgabe eines Entladestroms über die Stromsenke entladen kann; – ein steuerbares Schaltelement, welches in einem ersten Schaltzustand ein Aufladen des Energiespeichers ermöglicht und in einem zweiten Schaltzustand das Aufladen verhindert; und – eine Steuereinheit, welche mit dem Schaltelement verbunden ist und welche ausgebildet ist, einen Ist-Ladezustand des Energiespeichers mit einem vordefinierten Soll-Ladezustand des Energiespeichers zu vergleichen und je nach Vergleichsergebnis das Schaltelement zum Ermöglichen des Aufladens in definierten Zeitabschnitten oder zum Verhindern des Aufladens anzusteuern.
Temperatur-Messvorrichtung nach Anspruch 2, bei der – der Steuereinheit an ihrem ersten Signaleingang ein von einer Referenzeinheit erzeugtes Referenzsignal zugeführt ist, das den Soll-Ladezustand des Energiespeichers anzeigt, und – der Steuereinheit an ihrem zweiten Signaleingang ein Ist-Signal zugeführt ist, das den Ist-Ladezustand des Energiespeichers anzeigt.
Temperatur-Messvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, ein Steuersignal zum Ansteuern des Schaltelements mit jeweils einem von genau zwei Signalzuständen auszugeben, um das Schaltelement entweder in den ersten Schaltzustand oder in den zweiten Schaltzustand zu versetzen, so dass das Steuersignal aufgrund des Umschaltens zwischen seinen zwei Signalzuständen Signalflanken aufweist, deren zeitlicher Flankenabstand die Frequenz des von der Konditionierungsschaltung ausgegebenen Temperatur-Messsignals definiert.
Temperatur-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der – der Energiespeicher einen zur Stromsenke parallel geschalteten Kondensator umfasst, und bei der die Steuereinheit umfasst: – eine Referenzspannungsquelle, die ausgebildet ist, eine Gleichspannung eines vorbestimmten Betrages als Referenzspannung zu erzeugen; – eine Komparatorschaltung, der an einem ersten Eingang als das Ist-Signal eine über dem Kondensator abfallende erste Spannung zugeführt ist und der an einem zweiten Eingang als das Referenzsignal die Referenzspannung zugeführt ist, und die ausgebildet ist, an ihrem Ausgang als das Temperatur-Messsignal ein Komparator-Ausgangssignal zu abzugeben, das alterniert zwischen a) einer ersten Ausgangsspannung, die anliegt, solange die erste Spannung nicht größer ist als die Referenzspannung, und b) einer von der ersten Ausgangsspannung verschiedenen zweiten Ausgangsspannung, die anliegt, solange die erste Spannung größer ist als die Referenzspannung.
Temperatur-Messvorrichtung nach Anspruch 5, bei dem der Kondensator ein Dielektrikum aufweist, das einen Temperaturkoeffizienten α_C von höchstens +/–100·10^–6[K^–1] hat, vorzugsweise +/–60·10^–6[K^–1], speziell bevorzugt +/–30·10^–6[K^–1].
Temperatur-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der das Schaltelement eine Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes enthält.
Temperatur-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der das Schaltelement eine Reihenschaltung eines Feldeffekt-Transistors und eines ohmschen Widerstands enthält, welche im Falle des Vorliegens einer Vorrichtung nach Anspruch 7 parallel zur Reihenschaltung der Diode und des Widerstandes geschaltet ist.
Temperatur-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der das Schaltelement und der Kondensator so dimensioniert sind, dass ein Ladestrom des Kondensators 100 bis 1000-mal größer ist als der Entladestrom.
Temperatur-Messvorrichtung nach Anspruch 8 und 9, bei der der ohmsche Widerstand des Schaltelements mindestens um einen Faktor 10 größer ist als ein Drain-Source-Widerstand R_DS des Transistors.
Temperatur-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei der – die Komparatorschaltung einen Operationsverstärker aufweist, dessen Ausgang über einen Rückkoppelwiderstand auf den zweiten Eingang, der ein nicht invertierender Eingang des Operationsverstärkers ist, zurückgeführt ist, – zwischen dem Kondensator und der Komparatorschaltung ein erster Widerstand zwischengeschaltet ist, und bei der – der erste Widerstand aus einem Widerstandsmaterial mit geringem Temperaturkoeffizienten gebildet, beispielsweise als Metallschicht-Widerstand ausgebildet ist, dessen Temperaturkoeffizient kleiner +/–200ppm/K, vorzugsweise kleiner +/–100ppm/K und speziell kleiner +/–20ppm/K ist.
Temperatur-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, welche, als System gekoppelter Schaltkreiselemente betrachtet, unter ihren Schaltkreiselementen mindestens zwei Schaltkreiselemente aufweist, deren Temperaturkoeffizienten unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
Temperatur-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Auswerteeinheit durch einen Mikrocontroller gebildet wird, dem das Temperatur-Messsignal in digitaler Form zugeführt ist.
Verfahren zur Erzeugung eines Temperatur-Messsignals, umfassend – Zuführen eines elektrischen Stroms zu einer Stromsenke, welche einen von der Temperatur an der Stromsenke abhängigen Wert der Stromstärke bewirkt; und – Erzeugen des Temperatur-Messsignals in Form eines Wechselspannungssignals, dessen Frequenz vom Betrag der Stromstärke an der Stromsenke abhängig ist, – Empfangen des Temperatur-Messsignals, – Bestimmen der Frequenz des Temperatur-Messsignals, – Zuordnen der bestimmten Frequenz zu einem Temperaturwert unter Zugriff auf eine abgespeicherte Zuordnungsvorschrift und – Ausgeben des bestimmten Temperaturwertes in digital kodierter Form.