DE1573257C3 - Anordnung zur genauen Temperaturmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur genauen Temperaturmessung mit Widerstandsthermometer, bei der in Reihe mit einer Konstantstromquelle ein Widerstandsthermometer und ein hochtemperaturkonstanter Referenzwiderstand angeordnet sind und die Spannungen über beiden Widerständen mittels eines Umschalters abgegriffen werden, dem eine Meßeinrichtung nachgeschaltet ist.

Um Temperaturen an einer Meßstelle genau zu erfassen, ist es beispielsweise bekannt, ein Widerstandsthermometer im Zweig einer Brückenschaltung vorzusehen, die verbleibenden drei Zweige mit bekannten Festwiderständen zu beschälten, in die eine Brükkendiagonale eine konstante Spannung einzuspeisen und in die anderen Brückendiagonale ein anzeigendes Spannungsmeßinstrument zu schalten. Eine solche bekannte Anordnung zeigt die Fig. 1 der Zeichnung. Hier ist 1 das die Temperatur an der Meßstelle registrierende Widerstandsthermometer, 2, 3, 4 sind bekannte Festwiderstände, 5 ist ein in Temperaturen geeichter Spannungsmesser und 6 eine Konstantspannungsquelle. Während das Widerstandsthermometer 1 an der Meßstelle liegt, werden beispielsweise bei einer zentralen Datenerfassung alle anderen Elemente der Brückenschaltung an der Datenerfassungsstelle liegen. Bei dieser bekannten Meßschaltung liegen die Zuleitungen für das Widerstandsthermometer teilweise ebenfalls im Bereich des Meßortes. Um in der Messung genau zu bleiben, dürfen sich die Widerstände der Zuleitungen nicht oder nur sehr wenig mit der Temperatur ändern, d. h. man muß Manganin oder ähnliche teure Materialien verwenden.

Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, wurde bereits eine andere Meßanordnung vorgeschlagen. Diese zeigt die Fig. 2 der Zeichnung. Bei dieser Anordnung speist eine Konstantstromquelle 7 das Widerstandsthermometer 8. Die am Widerstandsthermometer abfallende Spannung wird abgegriffen und mit einer umgekehrt gepolten Hilfsspannungsquelle in Serie geschaltet. Die resultierende Spannung kann sodann direkt mit einem in Temperaturwerten geeichten Voltmeter angezeigt werden oder aber auch nach Verstärkung und Analog-Digital-Umsetzung digital erfaßt werden. Man wird die Hilfsspannung zweckmäßig so wählen, daß sie beispielsweise bei einer Temperatur von 0° C die durch den Konstantstrom am Widerstandsthermometer hervorgerufene Spannung kompensiert. Mittels eines um den Nullpunkt sehr empfindlichen Verstärkers können sodann bereits sehr geringe Spannungsschwankungen zur Anzeige gebracht werden. Aber auch diese Meßanordnung hat einen entscheidenden Nachteil, der darin besteht, daß bereits geringste Inkonstanzen der Konstantstromquelle bzw. der Hilfsspannungsquelle einen großen Fehler in der Temperaturanzeige bewirken.

Es ist außerdem eine Anordnung zur genauen Temperaturmessung mit Widerstandsthermometer bekanntgeworden, bei der in Reihe mit einer Konstantstromquelle ein Widerstandsthermometer und ein Referenzwiderstand angeordnet sind. Die Spannungen über beiden Widerständen werden mittels eines Umschalters abgegriffen, dem eine Meßeinrichtung nachgeschaltet ist. Bei der bekannten Anordnung wird mittels des Umschalters und des Referenzwiderstandes zwar eine Eichung der Meßeinrichtung für einen bestimmten Meßwert jedoch keine Differenzbildung zwischen Meßwert und Referenzwert erzielt. Die Meßeinrichtung der bekannten Anordnung arbeitet nach dem Ausschlagverfahren, bei dem sich im allgemeinen Meßfehler ergeben, die in der Größenordnung von einem Prozent des Meßwertes bei Vollausschlag liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu erstellen, durch die eine sehr genaue Temperaturmessung ermöglicht wird, und zwar unter Ausschaltung sowohl von Einflüssen langsamer Schwankungen des Stromes der Konstantstromquelle als auch von Einflüssen langsamer Schwankungen von Eigenschaften der Meßeinrichtung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Umschalter im Zeitmultiplex von einem Takt gesteuert wird, daß ihm ein Speicher nachgeschaltet ist, daß die Differenz der Spannungen über Widerstandsthermometer und Referenzwiderstand in einem Glied gebildet wird und daß der Differenzwert als gemessene Temperatur angezeigt wird.

Bei der Anordnung zur genauen Temperaturmessung nach der Erfindung wird zwar ebenfalls die Unterdrückung eines bestimmten Meßbereiches mittels einer Gegenspannung vorgenommen. Da jedoch die Gegenspannung vom Referenzwiderstand abgegriffen wird und da weiter die Meßspannung sowie die Referenzspannung von der gleichen Meßeinrichtung gemessen und deren Werte danach gespeichert werden, lassen sich sowohl Einflüsse infolge von Schwankungen des Stromes der Konstantstromquelle als auch Einflüsse infolge von Schwankungen der Eigenschaf-

ten der Meßeinrichtung eliminieren. Bei der nachfolgenden Differenzbildung der zweckmäßigerweise digital gespeicherten Werte ergeben sich praktisch keine Fehler mehr. Durch die Maßnahmen nach der Erfindung wird daher insgesamt eine sehr genaue Messung von Temperaturen ermöglicht.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand des in F i g. 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die Meßstellen, bestehend jeweils aus einem Widerstandsthermometer 8', 8", 8'" ... liegen über Schalter 12', 12", 12'" ... in Reihe mit einem Referenzwiderstand 13. Jeweils zwei Widerstände werden nach dem Schließen eines der Schalter 12,12",12'"... von einem konstanten, eingeprägten Strom I^_oast, den eine Konstantstromquelle 7 liefert, durchflossen.

Übliche Widerstandsthermometer besitzen einen Widerstand von 100 Ω bei 0⁰C und eine Widerstandsänderung von 3,85 Ω pro 10⁰C. Sollen Temperaturänderungen in der Größenanordnung von 0, 1° C noch angezeigt werden, so versagen die meisten der bekannten Temperaturmeßanordnungen oder es ergeben sich die eingangs erwähnten Schwierigkeiten bei ihrer Realisierung. Es ist daher ein hochtemperaturkonstanter Referenzwiderstand 13, beispielsweise ein Wickelwiderstand aus Manganin, vorgesehen, der zweckmäßigerweise so dimensioniert ist, daß er ebenfalls einen Wert von 100 Ω aufweist. Demzufolge ergibt sich sowohl an dem jeweiligen Widerstandsthermometer als auch an dem Referenzwiderstand bei einer Meßtemperatur von 0° C ein gleicher Spannungsabfall.

Eine weitere Forderung ist, daß der Spannungsabgriff den Meßkreis nicht belasten darf. Zwischen der Spannungsmeßeinrichtung und dem Abgriff sind also entkoppelnde Einrichtungen vorzusehen. Hierzu eignen sich im besonderen Verstärker 10 mit hohem Eingangs widerstand.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 geschieht die Anzeige digital. Aus diesem Grund erfolgt nach der Entkopplung und Verstärkung in dem Verstärker 10 eine Analog-Digital-Umsetzung in einem A-D-Umsetzer 11.

Würde man nun zwei Meßkanäle für die beiden Spannungsabgriffe vorsehen, so liegt zwar der Meßwert pro Kanal kontinuierlich an, und die Differenz könnte mittels eines Rechenwerkes 16 ermittelt sowie einer Digitalanzeige 17 angezeigt werden. Dies hätte jedoch den Nachteil der Verfälschung der Genauigkeit, da die Verstärker und A-D-Umsetzer nie eine genau gleiche Charakteristik aufweisen werden. Hinzu kommt der Nachteil der doppelten Auslegung.

ίο Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, nur einen Meßkanal aufzubauen, zwischen beiden Spannungsabgriffen einen Umschalter 14 vorzusehen und im Zeitmultiplex zu arbeiten, d. h. beide Meßstellen zeitlich nacheinander abzufragen. Zwischen dem

is D-A-Umsetzer und dem Rechenwerk ist sodann noch ein Speicherglied 15 vorzusehen, in das die Meßwerte nacheinander abgespeichert werden und auf Abruf in das Rechenwerk 16 übernommen werden können.

. Die Verwendung eines Meßkanals hat den wesentlichen Vorteil, daß die Güte des Meßergebnisses durch Schwankungen der Verstärker- oder Umsetzercharakteristik, die gegenüber der Abfragefrequenz der Meßstellen langsam verlaufen, überhaupt nicht berührt wird.

Es können außerdem neben einer Meßstelle mit einem Widerstandsthermometer 8' weitere parallel angeordnete Meßstellen mit den Widerstandsthermometern 8", 8'" ... durch die gleiche Meßanordnung miterfaßt werden. Hierzu sind Schalter 12',12",12'"... mit jeweils drei Kontakten vorgesehen. Über zwei Kontakte des Schalters wird die abgegriffene Spannung den entsprechenden Kontakten des Umschalters 14 zugeführt, ein dritter Kontakt verbindet den einen Anschluß des Widerstandsthermometers mit dem einen Pol der Konstantstromquelle.

Prinzipiell kann die Differenzbildung und die Anzeige der gemessenen Temperatur in bekannter Weise auch analog erfolgen. Die Verarbeitung durch ein digitales Rechenwerk und die digitale Anzeige wird zweckmäßig dann angebracht sein, wenn es sich um eine große zentrale Datenerfassungsanlage für eine Vielzahl von Meßstellen handelt, bei der ein kleiner Digitalrechner ohnehin erforderlich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur genauen Temperaturmessung mit Widerstandsthermometer, bei der in Reihe mit einer Konstantstromquelle ein Widerstandsthermometer und ein hochtemperaturkonstanter Referenzwiderstand angeordnet sind und die Spannungen über beiden Widerständen mittels eines Umschalters abgegriffen werden, dem eine Meßeinrichtung nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (14) im Zeitmultiplex von einem Takt gesteuert wird, daß ihm ein Speicher (15) nachgeschaltet ist, daß die Differenz der Spannungen über Widerstandsthermometer (8' ...) und Referenzwiderstand (13) in einem Glied (16) gebildet wird und daß der Differenzwert als gemessene Temperatur angezeigt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadyjrch gekennzeichnet, daß zwischen dem differenzbildenden Glied (16) und dem Umschalter (14) ein Analog-Digital-Umsetzer (11) vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallel angeordnete Widerstandsthermometer(8', 8", 8'"...) vorgesehen sind, von denen jeweils eines mittels eines Schalters (12', 12", 12'" ...) in Serie zu dem Referenzwiderstand (13) gelegt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine zyklische Abfrage der Widerstandsthermometer.