DE1573239C - Vorrichtung zum Messen oder Steuern der zeitlichen Temperaturanderung eines Messraumes - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Tempe- Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im ein-

raturfühlern, die eine sich in Abhängigkeit von der zelnen erläutert. Es zeigt

Temperatur eines Meßraums ändernde Fühleigenschaft F i g. 1 ein Schaltbild des Ausführungsbeispiels, haben, zum Messen oder Steuern der zeitlichen Tempe- F i g. 2 gemessene Diagramme der angezeigten raturänderung dieses Raumes, bei der als Temperatur- 5 Temperaturdifferenz der Thermistoren in Abhängigfühler zwei an im gleichen Zeitpunkt gleiche Tempe- keit von der Temperaturzunahme in ⁰C pro Sekunde raturen aufweisenden Meßraumstellen einsetzbare bei verschieden großen thermischen Trägheitskon-Thermistoren mit verschiedener thermischer Trägheits- stallten des einen Thermistors.

konstante vorgesehen sind, die je in einem Zweig einer Eine Vorrichtung zum Messen oder Steuern der

Brückenschaltung liegen, deren Strom in der Brücken- io zeitlichen Temperaturänderung eines Meßraumes, der

diagonale eine lineare Funktion der Differenz der auch mit einem Medium gefüllt sein kann, weist zwei

durch die Thermistoren angezeigten Temperaturen ist. in ihren elektrischen Eigenschaften gleiche Thermi-

<jj In der Regel bedarf es eines verhältnismäßig großen stören R₁ und R_s auf, die einen negativen Temperatur-

2' Aufwandes, zu erreichen, daß der Strom in der koeffizienten ihres Widerstandes von 4% pro ⁰C

Brückendiagonale einer solchen Brückenschaltung 15 besitzen und deren Widerstandr in Abhängigkeit

J' eine lineare Funktion der zu messenden Größe ist. von der Temperatur T in ⁰K durch die Funktion

τ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die lineare _r _ ^6/7-
S, Abhängigkeit des Stroms in der Brückendiagonale

► von der Differenz der durch die Thermistoren ge- wiedergegeben werden kann, α und b sind hierbei i; zeigten Temperaturen bei einer Vorrichtung der ein- 20 konstante Größen. Wie F i g. 1 zeigt, sind die beiden j gangs genannten Art mit möglichst einfachen Mitteln Thermistoren R₁ und R_s so in die beiden parallelen

> zu erreichen. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß da- Zweige einer Brücke geschaltet, daß sie an ihrer einen ; durch gelöst, daß jeder der beiden parallelen Brücken- Klemme miteinander verbunden sind. Den anderen zweige aus der Reihenschaltung eines der beiden Teil jedes Brückenzweigs bildet ein temperatur- ' einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden 25 unabhängiger Widerstand S₁ bzw. S₂, die beide den

\ Thermistoren und eines temperaturunabhängigen Wi- gleichen Widerstandswert besitzen. Dieser Wider-

derstandes besteht, dessen Größe so gewählt ist, daß standswert ist so gewählt, daß der Wendepunkt der die

£ der Wendepunkt der die Abhängigkeit des Stromes Abhängigkeit des Stromes einer aus einem der beiden

ji einer solchen Reihenschaltung von der Temperatur Thermistoren R₁ oder R₈ und einem der beiden Wider-

, bei konstanter Spannung wiedergebenden Funktion 30 stände S₁ oder S₂ bestehenden Reihenschaltung von

bei einer vorgegebenen, bei beiden Zweigen gleichen der Temperatur bei konstanter Spannung wieder-

' Temperatur liegt. gebenden Funktion bei einer vorgegebenen, beiden

Zur Linearisierung der Brücke sind also keine zu- Zweigen gleichen Temperatur liegt. Der lineare Bereich

! sätzlichen Schaltelemente vorgesehen, da außer den dieser Strom-Temperatur-Kurve beträgt etwa 5O⁰C,

beiden Thermistoren sowieso noch zwei Widerstände 35 wenn die Widerstände S₁ und S₂ folgende Bedingung

; für eine vollständige Brückenschaltung erforderlich erfüllen

ί sind. Die Größe dieser temperaturunabhängigen Wi- „ „ _ b — 2 T_m

\ derstände ist jedoch so gewählt, daß die Kurve, die die 1 — 2 — b + 2T_m ™'

Abhängigkeit des Stromes von der Temperatur bei ^m

konstanter Spannung der vorgeschlagenen Reihen- 40 Hierbei bedeutet R_m den Widerstandswert der schaltung wiedergibt, einen Wendepunkt aufweist, und Thermistoren bei der Temperatur T_n, die gleich der zwar bei einer vorgesehenen, bei beiden Zweigen Temperatur ist, bei der der Wendepunkt der Stromgleichen Temperatur. Zweckmäßigerweise wird der Temperatur-Kurve liegt, der mit dem Mittelpunkt Abgleichpunkt der Brückenschaltung in diesen Punkt des linearen Teils dieser Kurve zusammenfällt,
gelegt. 45 Der Thermistor R₁ der beiden gleichen Thermistoren Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die einen ist an der Außenfläche seines kugeligen Endes geätzt besonders großen linearen Bereich aufweist, ist der und mit einem Überzug versehen, der aus einem Widerstandswert der temperaturunabhängigen Wider- sulfonierten Alkyl-Naphthalin-Äther besteht,
stände kleiner als der Widerstandswert der Ther- Zu Versuchszwecken wurde die Schichtdicke stufenmistoren bei der vorgegebenen Temperatur.· 5° weise erhöht, so daß die thermische Trägheitskonstante Um die Abstimmung der Brückenwiderstände auf- des Thermistors R₁ sich änderte, ohne die elektrischen einander prüfen und die Brücke abgleichen zu können, Eigenschaften des Thermistors zu beeinflussen. Die ist es vorteilhaft, zwei in Reihe geschaltete Eich- Thermistoren wurden bei drei Temperaturen geeicht, widerstände vorzusehen, die mittels eines Umschalters und zwar bei 15° C, 20⁰C (T_m) und 25° C. Die Widerwahlweise an Stelle des einen Thermistors in den 55 standswerte, die sich bei diesen Temperaturen ein-Brückenzweig einschaltbar sind und deren Wider- stellten sowie die Werte von b, S₁ — S₂ und die Widerstandswert gleich dem Widerstand der Thermistoren Standszunahme R& der Thermistoren bei einer Tempebei der vorgegebenen Temperatur bzw. gleich der raturänderung von 0,01° C sind im Ausführungsbei-Zunahme des Thermistorwiderstands von diesem Wert spiel

aus bei einer bestimmten Temperaturänderung ist, 60 T= 15° C R=R = 128 700 Ohm

wobei parallel zum letztgenannten Widerstand ein im j _ 20⁰ (T_m) R_m— 101*700 Ohm

geschlossenen Zustand diesen Widerstand kurz- r=25°C R = R₈ = 81200 0hm

schließender Schalter liegt, sowie einen in seinem £ _ 3957

Widerstandswert veränderbaren Abgleichwiderstand g _ 7g ^qO Ohm

vorzusehen, der mittels eines Umschalters an Stelle 65 ^ _ 4^33 ohm
eines Thermistors in einen Brückenzweig einschaltbar

ist. Der Strom in der Brückendiagonale ändert sich bei

Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines in der dieser Brücke linear mit der Änderung der Temperatur

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jedes der beiden Thermistoren JR₁ und R_s. Ferner ist seinem Kopf von kaltem Wasser umspült. Mittels der Diagonalstrom gleich Null, wenn die Temperatur des Widerstandes 7 wurde der Schreibstift des Anbeider Thermistoren gleich ist. Bei der Messung sind Zeigegeräts 1 in die gewünschte Lage bezüglich des die Thermistoren R₁ und R_s sehr nahe nebeneinander Registrierstreifens gestellt und dann wurde der Anangeordnet, damit auf sie die gleiche Temperatur ein- 5 trieb des Registrierstreifens eingeschaltet. Nun wurde wirkt. der Zweiwegehahn gedreht, so daß wärmeres Wasser

Um gegebenenfalls noch vorhandene Abweichungen den Thermistorkopf umspülte. Die vom Anzeigegerät 1

des Diagonalstroms von der Linearität zu beseitigen, während der Messung aufgezeichnete Kurve wies

ist in die Brückendiagonale ein Anzeigegerät 1 gelegt, ein exponentiell Ansteigen in Abhängigkeit von der

das einen sehr hohen Eingangswiderstand besitzt. Im io Auslenkung bis zur maximalen Auslenkung auf. Der

Ausführungsbeispiel beträgt der Eingangswiderstand Punkt, der einer Auslenkung von 63 % der maximalen

10 Megohm. Auslenkung entspricht, wurde festgestellt und daraus

Zum Zwecke der Eichung der Brücke ist es not- die Zeit ermittelt, die erforderlich war, um diesen

wendig, die Widerstandsänderung der Thermistoren Punkt zu erreichen. Diese Zeit entspricht der Trägheits-

bei einer geringen Temperaturänderung von beispiels- 15 konstanten μ. Für die Schichten mit verschiedener

weise 0,01 ° C, wobei zweckmäßigerweise als Ausgangs- Dicke wurden auf diese Weise folgende Werte er-

temperatur die Temperatur T_n gewählt wird, zu mittelt

kennen. Für die Widerstandsänderung gilt bei einer , s _ _{n 1}. _n r_Q. _{n 7R}. _{1 41}. _{9 SR}. _fiic

Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur ^r

gemäß der oben angegebenen Gleichung folgender 20 Der niedrigste Wert der thermischen Trägheits-Zusammenhang konstante ist derjenige, den der unbeschichtete, rasch d_r —br . ₀ ansprechende ThermistorR₈ besitzt, während die ~~jZi ~ rpz (Omri/ C). anderen Werte für verschieden starke Schichten des

aufgetragenen sulfonierten Alkyl-Naphthalin-Äther

Für eine Temperäturänderung von 0,01⁰C bei der 25 besteht.

Temperatur T_m erhält man damit als Wert der Wider- Zur Kontrolle der Anzeige der Geschwindigkeit

Standsänderung der Temperaturänderung wurden die Thermistoren

η _ η 01 ^^r — ^^m foh 1 *^{n e}*^u Gefäß ^mit Wasser gebracht, das ständig um-

^d ~~ ' ^y ~~ "LQQ j¹2 gerührt und gleichmäßig mit bekannter Geschwindig-

30 keit mittels eines Heizwiderstandes erwärmt wurde.

Wie F i g. 1 zeigt, sind im Ausführungsbeispiel zum Die Erwärmungsgeschwindigkeit oder Temperatur-Zwecke der Eichung zwei in Reihe geschaltete Eich- zunähme pro Zeiteinheit η und die angezeigte Temwiderstände 2 und 3 vorgesehen, die mittels eines peraturdifferenz Δ T wurden nach dem unten erUmschalters 4 wahlweise an Stelle des Thermistors R₁ läuterten Verfahren gemessen. Der Wasserbehälter in den Brückenzweig einschaltbar sind. Der Wider- 35 bestand aus Polyäthylen und enthielt 25 ml Wasser, standswert des Eichwiderstandes 2 ist gleich des Der Heizwiderstand hatte eine Größe von 100 Ohm, Widerstandswerts des Thermistors U₁ bei der Tempe- und das Wasser wurde mittels eines Vibrationsratur T_m, also gleich R_m, Der Widerstandswert des schaufelmischer umgewälzt. Die Messungen wurden Widerstandes 3 ist gleich der Widerstandszunahme für jede Schicht mit dem Wert μ_ί für die thermische des Thermistors bei einer Temperaturänderung von 40 Trägheitskonstante in Verbindung mit dem Thermi-0,01° C, also gleich R_d. Parallel zum Widerstand 3 stör R_s, der eine geringe Trägheit aufweist, ausist ein Drucktastenschalter 5 gelegt, der im ge- geführt. Zunächst wurde bei einer Temperaturschlossenen Zustand den Widerstand 3 kurzschließt. änderungsgeschwindigkeit von 0,008° C pro Sekunde

Um die Brücke auch mit nur einem Thermistor die Ausschlagsänderung des Anzeigegeräts 1 ermittelt, abgleichen zu können, was die Messung der Ansprech- 45 wobei jedoch nur der Thermistor R_s in die Brückenzeit der Thermistoren erleichtert, ist, wie F i g. 1 zeigt, schaltung eingeschaltet war, um eine genaue Eichung mittels eines Umschalters 6 an Stelle des Thermistors zu ermöglichen. Sodann wurden unter denselben Rs eine Reihenschaltung zweier Widerstände 7 und 8 Bedingungen beide Thermistoren in die Brückenin den Brückenzweig einschaltbar. Der Widerstand? schaltung eingeschaltet und die Temperaturdifferenz Δ Τ ist in seiner Größe veränderbar. Die an der Brücke 50 aufgezeichnet. Der Eichwiderstand 3 wurde auch anliegende Spannung, die von einer Batterie 9 erzeugt hier zur Eichung verwendet. Diese Messungen wurden wird, ist mittels eines Spannungsteilers 10 innerhalb für fünf andere Werte der Temperaturänderungsdes gesamten Spannungsbereichs der Batterie 9 ein- geschwindigkeit η wiederholt, und aus den einzelnen stellbar. Meßergebnissen wurde dann die Beziehung zwischen

Zum Messen der thermischen Trägheitskonstante 55 der Änderungsgeschwindigkeit η und der aufgezeich-

wurden die Thermistoren einzeln in einen Wasser- neten Temperaturdifferenz Δ T für den kleinsten

strom gehalten, dessen Temperatur mittels eines Wert der thermischen Trägheitskonstanten (p_s = 0,59

Zweiwegehahns, der an zwei Zuleitungen für kaltes Sekunden) bestimmt. Diesen Zusammenhang zeigt

bzw. warmes Wasser angeschlossen war, auf ge- die unterste Kurve in der F i g. 2. Anschließend wurden

wünschte Werte einstellbar war und mit wählbarer 60 die Dicke der das Kugelende des Thermistors ,R₁

Änderungsgeschwindigkeit eingestellt werden konnte. umgebende Schicht schrittweise vergrößert und für

Der ins Wasser eingetauchte Thermistor lag während jeden Wert der thermischen Trägheitskonstanten die

der Messung im einen Zweig der Brücke, während in vorstehend erläuterten Messungen wiederholt. Die den anderen Brückenzweig an Stelle des anderen bei diesen Messungen ermittelten Wertepaare sind

Thermistors die Abgleichwiderstände 7 und 8 ge- 65 ebenfalls in F i g. 2 angegeben,

schaltet waren. Als Anzeigegerät 1 wurde ein schrei- Die auf diese Weise ermittelten Kurven ermöglichen

bendes Gerät benutzt. es nun, bei Messungen auf Grund der vom Anzeige-

Bei der Messung war zunächst der Thermistor an gerät angezeigten Werte der Temperaturdifferenz ΔΤ

die unbekannten Werte der Temperaturänderungsgeschwindigkeit η zu bestimmen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung mit Temperaturfühlern, die eine sich in Abhängigkeit von der Temperatur eines Meßraumes ändernde Fühleigenschaft haben, zum Messen oder Steuern der zeitlichen Temperaturänderung dieses Raumes, bei der als Temperaturfühler zwei an im gleichen Zeitpunkt gleiche Temperaturen aufweisenden Meßraumstellen einsetzbare Thermistoren mit verschiedenen thermischen Trägheitskonstanten vorgesehen sind, die je in einem Zweig einer Brückenschaltung liegen, deren Strom in der Brückendiagonale eine lineare Funktion der Differenz der durch die Thermistoren angezeigten Temperaturen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beidenparallelen Brückenzweige aus der Reihenschaltung e,ines der beiden, einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Thermistoren (R₁, R_s) und eines temperaturunabhängigen Widerstandes (S₁, S₂) besteht, dessen Größe so gewählt ist, daß der Wendepunkt der die Abhängigkeit des Stromes einer solchen Reihenschaltung von der Temperatur bei konstanter Spannung wiedergebenden Funktion bei einer vorgegebenen, bei beiden Zweigen gleichen Temperatur liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des temperaturunabhängigen Widerstands (S₁, S₃) kleiner ist als der Widerstandswert des Thermistors (R₁, R_s) bei der vorgegebenen Temperatur.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Reihe geschaltete Eichwiderstände (2, 3) vorgesehen sind, die mittels eines Umschalters (4) wahlweise an Stelle des einen Thermistors (.R₁) in den Brückenzweig einschaltbar sind, und daß deren Widerstandswerte gleich dem Widerstand der Thermistoren (R₁, R_s) bei der I vorgegebenen Temperatur bzw. gleich der Zu- j nähme des Thermistorwiderstands von diesem j Wert aus bei einer bestimmten Temperatur- j änderung sind und das parallel zu dem letzt- j genannten Widerstand (3) ein im geschlossenen Zustand diesen Widerstand (3) kurzschließender Schalter (5) liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein in seinem Widerstandswert veränderbarerer Abgleichwiderstand (7, 8) vorgesehen ist, der mittels eines Umschalters (6) an Stelle eines Thermistors (R_s) in einen Brückenszweig einschaltbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen