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Für Präzisionstemperaturmessungen
werden nach dem Stand der Technik Temperaturmessgeräte eingesetzt,
die über
Platinwiderstände
als Messfühler
verfügen.
Um das Widerstandsignal auswerten zu können, werden bei diesen Instrumenten wechselspannungsgespeiste
Transformatorbrücken verwendet,
wie sie zum Beispiel in US3,584,296 [1] .beschrieben werden. Zur
Berechnung der Temperatur aus Widerstand werden Funktionen nach
ITS-90 [2] beziehungsweise DIN EN 60751:1996 verwendet. Mit dieser
Methode ist es möglich,
Temperaturen mit einer Genauigkeit von 10 mK zu messen, wenn die eingesetzten
Messfühler
und Geräte
individuell kalibriert werden [3]. Die Nachteile dieser Methode
sind zum einen in der sehr langsamen Messdatenerfassung (ca. 4s
pro Messung) und dem hohen Preis der Messfühler zu sehen.
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Als
kostengünstiger
erweist sich der Einsatz Thermistoren als Elemente zur Temperaturmessung. Da
diese einen größeren Temperaturkoeffizienten
als Platinwiderstände
aufweisen, kann auf die langsame Bestimmung des Widerstandes mit
den oben beschriebenen Brückenmethoden
verzichtet werden. In einer Vielzahl von Patenten wie zum Beispiel GB2118307
[4], EP0180393 [5], DE3601675 [6], DE10114831 [7], JP60029624 [8]
und andere werden Thermistoren als frequenzbestimmende Bauteile
in RC und RCL Schwingkreisen eingesetzt. Die temperaturabhängige Frequenz
wird mit einem Mikrokontroller ausgewertet. Es ist bekannt, dass
die Kapazität,
der in diesen Schwingkreisen eingesetzten Kondensatoren nicht über eine
genügende
Langzeitstabilität
verfügt
und dadurch auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreise beeinflusst.
Thermometer die auf diesem Prinzip basieren sind daher nicht für Präzisionsmessungen
mit einer Genauigkeit von 10 mK in einer großen Temperaturspanne von 120K
geeignet. Ein Einkanalthermometer, das auf dem Oszillationsprinzip
basiert ist in DE3601675 [5] beschrieben, wobei eine Auflösung von
10mK im engen Temperaturbereich von 35°C bis 42°C erreicht wird. In den Patenten
JP61013115 [9] und JP61118631 [10] werden Methoden vorgeschlagen,
bei denen ein Thermistor mit einem konstanten Strom beaufschlagt wird
und anschließend
die resultierende Spannung gemessen wird. Mit beiden Methoden ist
es aber nicht möglich,
die geforderte Genauigkeit von 10mK zu erreichen, da durch den für eine genaue
Spannungsmessung nötigen
hohen Stromfluss, eine die Genauigkeit herabsetzende Erwärmung der
Thermistoren, hervorgerufen wird. Es gibt in der Literatur eine
Reihe von Beispielen [11], [12] und [13], bei den eine Temperaturauflösung von
1mK oder besser erreicht wird. Dabei darf natürlich die erreichte Auflösung, also
die kleinste unterscheidbare Temperaturdifferenz, nicht mit der
Genauigkeit verwechselt deren, die ein Maß der Abweichung der gemessenen Temperatur
vom Ideal der nach ITS -90 vorgebenden Temperatur darstellt. Bei
sämtlichen
in der Literatur vorhanden Beispielen findet sich kein Aufbau, mit dem
einzelne Fühler
mit einer individuellen Kalibrierfunktion ausgewertet werden, so
dass es damit nicht möglich
ist, die geforderte Genauigkeit von 10 mK zu erreichen.
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In
der Literatur findet sich kein Beispiel, bei dem es möglich ist,
die Anzahl der Messkanäle
zu skalieren, ohne die Messgeschwindigkeit herabzusetzen. Ebenso
gibt es kein Messgerät,
dass über eine
integrierte Zeitbasis verfügt.
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Nach
dem Stand der Technik wird bei der Verwendung von Thermistoren als
Temperaturfühler die
Steinhart- Hart- Gleichung zur Berechung der Temperatur aus dem
gemessenen Widerstand herangezogen, wobei jedoch keine für jeden
Thermistor individuell ermittelte Parameter eingesetzt werden, sondern
nur Standartparameter für
einen gegeben Typ.
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Problem
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Der
in den Patentansprüchen
angebenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, kostengünstig an
mehr als einer Stelle Temperaturen im Bereich von 120K mit einer
Genauigkeit von 10 mK und einer Geschwindigkeit von mehr als 8 Messungen
pro Sekunde zu messen. Eine Erhöhung
der Anzahl der Messkanäle
darf zu keiner Herabsetzung der Messgeschwindigkeit führen. Zur
Untersuchung von zeitabhängigen
Temperaturänderungen
ist eine Zeitbasis notwendig. Die Aufnahme, Speicherung und Auswertung,
auch graphisch, soll mit einer Datenverarbeitungsanlage erfolgen.
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Lösung
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Alle
aufgeführten
Probleme werden durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.
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Der
weite Messbereich 120 K wird durch eine geeignete Thermistor- Widerstandkombination
nach Patentanspruch 1 erreicht. Die geforderte Genauigkeit von l0mK
wird durch die Kombination von Patentanspruch 1, Patentanspruch
2, geeigneten Analog/Digitalwandlern nach Anspruch 3, der Erfassung der
Information nach Anspruch 4 und der Berechung der Temperaturinformation
nach Patentanspruch 6 erreicht. Als Nebeneffekt ergibt sich dabei
eine Auflösung
von mindestens 1 mK die naturgemäß deutlich über der
Messgenauigkeit liegt. Die Forderung nach der hohen Messgeschwindigkeit
und geschwindigkeitsunschädlichen
Skalierbarkeit wird durch die Patentansprüche 3 und 4 erreicht. Die Untersuchung von
zeitabhängigen
Temperaturänderungen
wird durch die integrierte Zeitbasis nach Anspruch 7 ermöglicht.
Die Aufnahme, Speicherung und Auswertung des Thermometers wird durch
die Patentansprüche
4, 8 und 9 ermöglicht.
Der Forderung nach kostengünstigen
Messfühlern
wird den Patentanspruch 1 nachgekommen.
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Erreichte Vorteile
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Die
durch diese Erfindung erreichten Vorteile bestehen insbesondere
darin, das über
eine weiten Messbereich von –80°C bis +120°C mit einer
Genauigkeit von 10mK Temperaturen an einer großen Anzahl von Messstellen
gemessen werden können.
Dabei bei hat die Anzahl der Messstellen keinen Einfluss auf die
Messgeschwindigkeit. Durch den Einsatz von Thermistoren wird eine
deutliche Kostenreduzierung gegenüber Platinthermometern erreicht, wobei
erstmals mit Messfühlern
dieses Typs, eine Genauigkeit von l0mK über einen weiten Bereich erreicht
wird. Mit der integrierten Zeitbasis ist es außerdem möglich, zeitabhängige Temperaturverläufe zu messen.
Eine Auswertung und Aufnahme der gewonnenen Messwerte, und Steuerung
des Thermometers erfolgt mit einer Datenverarbeitungsanlage.
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Beschreibung vom Ausführungsbeispielen
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Beispiel
1. 32-Kanal Tieftemperaturthermometer mit einem Messbereich von – 80°C bis 40°C
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In 2 ist
ein mögliches
Blockschaltbild für
ein 32-Kanal Tieftemperaturthermometer dargestellt.
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Messfühler:
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Als
Messfühler,
RT, werden vorzugsweise Präzisionsthermistoren
eingesetzt. Beispiele hierfür stellen
die Typen Accu-Curve der Firma Rhopoint Components Ltd oder Typen
BetaCurve der Firma BetaTHERM Corporation dar. Diese Fühler verfügen von
Haus aus, innerhalb eines Temperaturbereich von – 40°C bis 150°C beziehungsweise von 0°C bis 70°C, eine Genauigkeit
von 0,2°C.
Diese Fühler
werden in einem abgeschlossen Glas oder Metallrohr eingebettet und über abgeschirmte
Messleitungen und geeigneten Steckern mit dem Messgerät verbunden.
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Potentiometerschaltung:
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Um
den temperaturabhängigen
Widerstand dieser Fühler
in eine messbare temperaturabhänige Spannung
umzuwandeln, wird der Thermistor RT in eine
Spannungsteilerschaltung, wie in 1 dargestellt
geschaltet. Am Serienwiederstand R1 fällt nach dem Ohmschen Gesetz
eine temperaturabhängige Spannung
ab. Dieser Widerstand ist so zu dimensionieren, dass zum einen ein
geeignet großer
Spannungsbereich mit der Temperatur durchschritten wird und zum
anderen die Stromfluss durch den Thermistor begrenzt wird, um eine
Eigenerwärmung
zu vermeiden. Je nach eingesetzten Thermistortyp erweist sich hierfür ein Wert
zwischen 10 Ω und
10 MΩ als optimal.
Um Fehler durch den Widerstand zu vermeiden, werden hierfür vorzugsweise
Präzisionswiderstände mit
möglichst
geringer Drift eingesetzt. Beispiele hierfür wären Widerstände vom Typ Econistor der Firma
Rhopoint Components Ltd oder Typ RC55 von Welwyen oder Vishay Typ
CNS020.
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Spannungsfolgerschaltung:
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Um
die Potentiometerschaltung, durch die Spannungsmessung mittels des
Analog/Digitalwandlers nicht zu belasten, ist es vor allem beim
Einsatz von hochohmigen Kombinationen aus Widerstand und Thermistor
nötig,
eine Pufferstufe mit hochohmigen Eingang zu verwenden. Beim Einsatz
von niederohmigen Kombinationen kann diese Stufe entfallen.
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Für diese
Stufe eignet sich vorzugsweise eine Spannungsfolgerschaltung, die
mittels eines Operationsverstärkers
realisiert wird. Da die Fehler dieser Stufe, vor allem der Drift
des Offsets des Operationsverstärkers
das Messergebenbiss stark verfälschen
würden,
werden hier vorzugsweise Typen mit möglichst kleinem Offset und
Offsetdrift eingesetzt. Vorzugweise eigenen sich hierfür besonders
Choppermodelle wie der AD8551 von Analog Devices, der LTC2050 oder
auch der TLC2G54 und der TLC4501 der Firma Texas Instruments. Dank
der niedrigen Frequenzbandbreite dieser Bausteine ergibt sich auch
eine sehr gute Unterdrückung
von Einstrahlungs- und Einströmungsstörungen.
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Analog/Digitalwandler:
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Zur
Umwandlung der Spannungen der Potentiometerschaltungen werden vorzugsweise
mehrere Mehrkanalige Analog/Digitalwandler eingesetzt. Um die geforderte
Messgenauigkeit zu erreichen, ist es nötig mindesten 17 Bit Wandler
einzusetzen. Darüber
hinaus müssen
diese Wandler auch in den anderen Eigenschaften über eine ausreichende Genauigkeit
verfügen.
Vorzugsweise eignen sich für
diesen Zweck ein Delta/Sigma Wandler. Um eine einfache Parallelisierung
zu ermöglichen,
empfiehlt es sich, solche Modelle einzusetzen, die über ein
SPI oder ähnliches
serielles Interface verfügen.
Damit ist es möglich,
sämtliche
Wandler synchron über
eine gemeinsame Datenleitung zu steuern. In diesem Beispiel werden
für diesen
Zweck vier Wandler mit jeweils acht Kanälen eingesetzt. Die Ergebnisse
der Wandler werden über
separate Datenleitung zur Datenverarbeitungsanlage übertragen.
Dadurch ist eine beliebige Skalierbarkeit der Messkanäle gegeben, ohne
die Messdauer zu beeinflussen. Vorzugsweise werden für diesen
Zweck 24- Delta/Sigma Wandler wie der ADS1218 oder der ADS1241 der
Firma Texas Instruments, LTC2804 von der Firma Linear Technologie
oder AD7718 der Firma Analog Devices eingesetzt.
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Spannungsreferenz:
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Um
die geforderte Messgenauigkeit zu erreichen, ist es vorteilhaft,
sowohl die Potentiometerschaltungen wie auch die Analog/Digitalwandler
aus der gleichen Spannungsreferenz zu speisen. Ungenauigkeiten,
die durch Fehler der Referenz hervorgerufen werden, heben sich dann
gegenseitig auf und spielen keine Rolle mehr. Der typische Bereich
für die Referenzspannung
liegt im Bereich von 1 bis 10V und wird passend zum Analog/Digitalwandler
und zur gewählten
Kombination der Potentiometerschaltung gewählt. Vorzugweise wird für jeden
Analog/Digitalwandler und die dazugehörigen Potentiometerschaltung
eine separate Spannungsreferenz eingesetzt so dass die Schaltung
beliebig skaliert werden kann. Typische Bauteile für diesen
Zweck stellen Beispielsweise die Referenzen vom Typ AD588 von der
Firma Analog Devices, vom Typ LM385 der Firma Texas Instruments
oder MAX6325 der Firma Maxim dar.
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Rechnerinterface:
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Über ein
galvanisch getrenntes Interface werden die Analog/Digitalwandler
an den Steuerrechner angeschlossen. Vorzugweise kommen hier kapazitive
Koppelbausteine wie der ISO508 oder Optokoppler wie der PC317 zum
Einsatz. Der Anschluss erfolgt dabei beispielsweise über den
parallelen Druckerport.
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Berechnung der Temperaturinformation:
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Üblicherweise
wird zur Berechnung von Temperaturen aus Widerständen von Thermistoren, die
von Steinhart und Hart aufgestellte Gleichung. verwendet.
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Für die Koeffizienten
A, B und werden vom Hersteller der Thermistoren angegeben Werte
verwendet. Damit ist mit den Termistoren Firma Rhopoint Components
Ltd oder von der Firma BetaTHERM Corporation eine Genauigkeit von
0,2°C erreichbar.
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Da
aber bei dem hier beschriebenen Gerät schon eine Transformation
der Windstandswerte in Spannungswerte durchgeführt wird, welche letztlich auch
gemessen werden, ist es natürlich
sinnvoller, Gleichung (1) in die Gleichung für den Spannungsteiler aus
1,
Gleichung (2) einzusetzen.
mit U
REF als
der Speisespannung der Spannungsteilerschaltung.
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Für allerhöchste Genauigkeit
ist sollte die Steinhart-Hart Gleichung, in die allgemeiner Form (Gleichung
(3)) erweitert werden..
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Wird
nun Gleichung (2) nach R aufgelöst
und in Gleichung (3) eingesetzt und der Kehrbruch davon genommen,
so wird eine Gleichung (4) erhalten, mit der es möglich ist
die Temperatur aus der mit dem Analog/Digitalwandler bestimmten
Spannung zu bestimmen.
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Für allerhöchste Genauigkeitsansprüche ist es
nötig die
Parameter A, anhand einer Eichkurve zu bestimmen, anstatt die von
Hersteller angegeben Werte zu verwenden. Hierfür bietet es sich an, die Messfühler in
ein Ölbad
mit genau bekannter Temperatur einzutauchen und die Ausgangspannungen
der Potentiometerschaltungen zumessen. Durch Variation der Badtemperatur,
ist es möglich
Spannungswerte bei verschiedenen Temperaturen aufzuzeichnen. Mit
einer nichtlinearen Fitmethode ist möglich Gleichung (4), die bei
einem gewählten
Wert von i, vorzugsweise i=3 bis 5, abgebrochen worden ist, auf
die gefundenen Spannungstemperatur Wertepaare anzupassen, wodurch
die Koeffizienten Ai, der Wert des Widerstandes
der Potentiometerschaltung und die Referenzspannung erhalten werden.
Für allerhöchste Genauigkeitsansprüche ist
es natürlich
sinnvoll immer den gleichen Thermistor mit dem selben Widerstand
zu paaren. Mit dieser Aufwändigen
Kalibriermethode ist es möglich
eine Genauigkeit von 10mK über
den gesamten Bereich von –80°C bis +40°C zu erreichen.
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Zeitbasis:
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Zur
Aufnahme von Zeitabhängigen
Temperaturverläufen
ist eine Integration einer Zeitbasis in das Thermometer nötig. Hierzu
bieten sich vorzugsweise Echtzeituhren vom Typ DS1305 von Dalles
oder ähnliche
Modelle, die von einer Vielzahl von Herstellern angeboten werden
an. Die Auswertung der Zeitbasis erfolgt ebenso über eine Datenverarbeitungsanlage.
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Aufnahme, Speicherung
und Auswertung der Messwerte
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Zur
Aufnahme der Messdaten und zur Steuerung des Messgerätes, insbesondere
der Analog/Digitalwandler und der Echtzeituhr wird eine Datenverarbeitungsanage,
vorzugsweise ein IBM-Kompatibler PC mit 32-Bit Windows Betriebsystem
eingesetzt. Damit ist es möglich
die von Analog/Digitalwandlern gemessene Spannungen in Temperaturen umzurechnen
und die Messwerte zu speichern. Ebenso ist es damit möglich während der
Messung wie auch nach der Messung die erhaltenen Messwerte numerisch
und graphisch Darzustellen.
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Beispiel 2. 32-Kanal Tieftemperaturthermometer
mit einem Messbereich von 0C bis 120°C
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In 2 ist
ein mögliches
Blockschaltbild für
ein 16-Kanal Thermometer dargestellt.
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Messfühler:
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Die
Messfühler
entsprechen denen, die im Beispiel 1 aufgeführt wurden.
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Potentiometerschaltung:
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Im
Gegensatz zum Beispiel 1 wird hier die in 4 dargestellte
Schaltung verwendet, wodurch sich eine für hohe Temperaturen besser
geeignete Kennlinie ergibt.
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Spannungsfolgerschaltung:
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- Die Spannungsfolgerschaltung entspricht Beispiel 1
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Analog/Digitalwandler:
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- Die Analog/Digitalwandler entsprechen Beispiel 1
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Spannungsreferenz:
-
- Die Spannungsreferenz entspricht Beispiel 1
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Rechnerinterface:
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- Das Rechnerinterface entspricht Beispiel 1
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Berechnung der Temperaturinformation:
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Im
Gegensatz zum Beispiel 1 gilt hier für die Ausgangspannung folgender
Zusammenhang,
Zur Berechnung der Temperatur
dient folgende Formel:
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In
Analogie zum Beispiel 1 werden auch die eine Kalibrierung die Parameter
Ai, der Serienwiderstand R1 und
die Referenzspannung bestimmt.
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Mit
dieser Kalibriermethode ist es auch hier möglich eine Genauigkeit von
l0mK über
den gesamten Bereich von 0°C
bis +120°C
zu erreichen.
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Zeitbasis:
-
- Die Zeitbasis entspricht Beispiel 1
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Aufnahme, Speicherung
und Auswertung der Messwerte
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Analog zu Beispiel 1
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Beispiel 3 Portables 4
Kanal Messgerät
mit Messbereichen von –80°C bis 40°C und 0°C bis +120°C
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In
Abbildung 5ist ein mögliches
Blockschaltbild für
ein Portables 4-Kanal Thermometer dargestellt. Diese Gerät verfügt über zwei
Kanäle
für tiefe Temperaturen
und über
zwei Kanäle
für hohe
Temperaturen. Um das Gerät
portabel zu gestalten verfügt es über eine
eigenen Microkontoller und über
eigne Anzeigevorrichtung so dass ein Betrieb ohne Steuerrechner
möglich
ist. Die gemessenen Daten können auch über eine
geeignetes Interface an einen Rechner übertragen werden.
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Messfühler:
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Die
Messfühler
entsprechen denen, die im Beispiel 1 aufgeführt wurden.
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Potentiometerschaltung:
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Für die beiden
Tieftemperaturkanäle
wird die Potentiometerschaltung nach Beispiel 1 eingesetzt für die Hochtemperaturkanäle wird
die Schaltung nach Beispiel 2 verwendet.
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Spannungsfolgerschaltung:
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Die
Spannungsfolgerschaltung entspricht dem Beispiel 1.
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Analog/Digitalwandler:
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Die
Analog/Digitalwandler entsprechen Beispiel 1
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Spannungsreferenz:
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Die
Spannungsreferenz entspricht Beispiel 1. Wahlweise kann auch hier,
soweit vorhanden eine in den Analog/Digitalwandler integrierte Spannungsreferenz
verwendet werden.
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Berechnung der Temperaturinformation:
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Die
Berechnung der Temperaturinformation erfolgt für die Tieftemperaturkanäle nach
Beispiel 1 für
die Hochtemperaturkanäle
nach Beispiel 2.
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Zeitbasis:
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Als
Zeitbasis kann die gleiche Zeitbasis wie in Beispiel 1 eingesetzt
werde.
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Aufnahme, Speicherung
und Auswertung der Messwerte
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Zur
Aufnahme der Messdaten und zur Steuerung des Messgerätes, insbesondere
der Analog/Digitalwandler und der Echtzeituhr wird ein Microkontoller
eingesetzt. Damit ist es möglich
die von Analog/Digitalwandlern gemessene Spannungen in Temperaturen
umzurechnen und die Messwerte zu speichern. Die erfassten Temperaturmesswerte
werden an einer geigenden Anzeigevorrichtung beispielsweise einem
LCD oder LED Display angezeigt.
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Rechnerinterface:
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Über ein
Interface können
die erfassten Messwerte an einen Computer übertragen werden. Für diesen
Zweck wird vorzugsweise in USB oder RS-232 oder ähnliches Interface eingesetzt.
-
Literatur:
-
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lead wire resistancecompensation means, US3,584,296, (1971).
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- [3] A. H. G.C.M Meijer, Thermal Sensors, Delft (1994).
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- [7] C. MIN-YUNG; H. CHIH-WIE, Integrierte Schaltung für elektronische
Thermometer, DE10114831 (2002)
- [8] W.YOSHIHIRO, THERMOMETER, JP60029624, (1985)
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(1986)
- [10] S. TSUTOMU; H. AKIHIKO, RESISTANCE/TEMPERATURE SIGNAL CONVERTER
CIRCUIT OF THERMOMETER USING THERMISTOR, JP61118631, (1986)
- [11] A.W. Sloman, P. Buggs, J. Molloy und D. Stewart, Meas.
Sci. Technol, 7, (1996)
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- [13] G.V. Zheleznyak, A.I. Lomeyko und A. A. Lyubitskiy, Oceanology,
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- [14] S. R. Hart, J. S. Steinhart, Deep Sea Research,15, 497
(1968)