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Elektrisches Widerstandsthermometer Die Erfindung betrifft ein elektrisches
Widerstandsthermometer mit linearer Anzeigeeinrichtung zur Messung der Temperatur
von Flüssigkeiten und Gasen in einem grossen Bereich, mit einer abgleichbaren Meßschaltung,
in deren Messzweig ein Messwiderstand aus Platindraht mit einer genormten Temperatur-Widerstands-Kennlinie
liegt und bei welcher im Vergleichszweig zur Nachbildung der Temperatur-Widerstands-Kennlinie
linear veränderbare Widerstände und Festwiderstände in Parallel- und Reihenschaltung
liegen Elektrische Widerstandsthermometer eigenen sich insbssondere zur Messung
der Temperatur von Flüssigkeiten und Gasen.
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Dabei wird ein Platindraht als Temperaturfühler bebnützt, dessen elektrischer
Widerstand bei steigender Temperatur zunimmt. Diese Widerstandszunahme wird in einer
BrUcken-Schaltung oder in einem Konstant-Stromkreis durch Vergleich mit einem von
Hand oder mittels eines Stellmotors veränderbaren Vergleichswiderstand gemessen,
wobei zur Anzeige des Messwertes das Einstellorgan des Vergleichswiderstandes mit
einer Anzeigeeinrichtung des Widerstandsthermometers gekoppelt ist.
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Die Temperatur-Widerstands-Kennlinie des wegen seiner Altèrungsbeständigkeit
anderen Metallen vorgezogenen Platins ist nur in erster Näherung linear; mit zunehmender
-Tempe ratur wächst der elektrische Widerstand weniger als proportional an. Aus
diesem Grunde lässt sich nur bei Widerstandsthermometern mit kleinen Messbereichen
oder mit geringer Messgenauigkeit als Vergleichswiderstand ein linear veränderbarer
Widerstand, beispielsweise ein Schleifdrahtwiderstand mit gleichmässiger Wicklung,
alleine verwenden, wenn die Anzeigenskala eine lineare Teilung aufweist. Sollen
mit digital anzeigenden Widerstandsthermometern höher Genauigkeit grössere Messbereiche
Überstrichen werden, so ist es unumgänglich, die Charakteristik des linear einstellbaren
Vergleichswiderstandes an diejenige des Platindrahtes anzupassen.
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Die Anpassung der Kennlinie des Vergleichswiderstandes an die genormte
Temperatur-Widerstands-Kennlinie des Platins ist ein Problem, welches mittels zwischen
das Einstellorgan des VergleÆichswiderstandes und der Anzeigeeinrichtung eingesetzter,,mechanisc.her
Survensft.euerungen nur sehr unbefriedigend gelöst werden konnte. Die. technische
Entwicklung ging: daher. in die. Richtung der Nachbildung der Platin-Charakteristik
mitte-ls elektrischer Schaltungen.
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Es ist bekannt, die Kennlinie eines linear einstellbaren Vergleichswiderstandes
durch Parallel- und Vorschaltung je eines Festwiderstandes an die Charakteristik
des Platinfühlers anzugleichen. Diese Nachbildung stellt eine NSherungslösung dar,
die bis.zu Messtemperaturen von einigen hundert Grad Celsius befriedigende Ergebnisse
liefert; mit zunehmender Temperatur nimmt die Messgenauigkeit jedoch rasch ab und
die .Nachbildung versagt bei Messtemperaturen über 400 Grad (Deutsche Auslegeschrift
1.115.066).
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Zur Erweiterung des Messbereiches von elektrischen Widerstandsthermometern
und zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist eine die Temperatur-Widerstands-Charakteristik
eines Platinthermometers nachbildende Schaltung bekannt geworden, bei welcher diese
Schaltung zwei unter Aufrechterhaltung ihres Summenwertes gegenläufig veränderbare,
parallelgeschaltete
Widerstandszweige mit linearer Einste-llung
aufweist. Mit dieser Schaltung ist theoretisch eine exakte Anpassung an die Temperatur-Widerstands-Kennlinie
von Platinwiderständen bis zu etwa 600 Grad Celsius mbglich, und die praktische
Messgenauigkeit liegt innerhalb der üblichen Grenzen von elektrischen Widerstandsthermometern.
Bereits wenig oberhalb dieser Grenze ist jedoch die Nachbildung schon recht ungenau
und die dadurch entstehenden Messfehler wachsen bei steigenden Temperaturen so stark
an, dass sich eine Ausdehnung des Messbereiches Über 600 Grad mit dieser Schaltung
verbietet (Deutsche Auslegeschrift 1.282.321).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einem elektrischen Widerstandsthermometer
mit linearer Anzeige durch Vergrösserung des Temperaturbereiches und gleichzeitiger
Erhöhung der Messgenauigkeit neue technische Anwendungsmöglichkeiten zu erschliessen.
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Diese Aufgabe findet ihre Lösung darin, dass bei einem Widerstandsthermometer
der eingangs erwähnten Art der Vergleichszweig einen linear veränderbaren Widerstand,
einen mit einem Festwiderstand parallelgeschalteten linear veränderbaren Widerstand
sowie einen linearen Widerstand mit veränderbarem Mittelabgriff, dessen Enden miteinander
verbunden
sind, aufweist, die in Reihe geschaltet sind und deren
Abgrifforgane durch ein gemeinsames, mit der Anzeigeeinrichtung verbundenes Stellglied
betätigt werden.
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Die Nachbildung der Temperatur-Widerstands-Kennlinie eines Platindraht-Messwiderstandes
mit einem derartig aufgebauten Vergleichazweig reicht so weit und ist derart genau,
dass - wie Messungen und eine Nachrechnung der Charakteristik (Stellung der Abgrifforgane
- elektrischer Widerstand) dieses linear veränderbaren Vergleichswiderstandes im
Vergleich zur Platin-Kenlinie zeigen - eine Ausdehnung des Messbereiches bis 800
Grad Celsius und darüber möglich ist.
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Diese Tatsache erschliesst dem digital anzeigenden Widerstandsthermometer
neue Anwendungsgebiete, z.B. in der anorganischen Chemie bei der Messung der Temperaturen
von Schmelzen von Metallen und Salzen sowie bei Kernreaktoren.
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Die erzielbare Messgenauigkeit ist bei 800 Grad besser als + 0,5 Prozent.
Als abgleichbare Meßschaltung, in deren Messzweig der Platindraht liegt, und welche
den erfindungegemflssen Vergleichszweig aufweist, dient eine Brücken- oder Halbbrücken-Schaltung;
es kann aber ebensogut eine elektronische Konstantstromquelle Verwendung inden.
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Nach einem besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung werden die
Anfagswiderstände und die EndwldrstXnde der
veränderbaren Widerstände
von deren Abgrifforganen nicht Uberstrlchen. Dadurch lässt sich die Messgenauigkeit
des vorgeschlagenen Widerstandsthermometers betrSchtlich erhöhen, weil die Anspring
und Endwerte sowie die aufgrund ungleichmAssig ausgefUhrter Drahtwicklungen bedingten
Anfangs- und End-Nichtlinearitäten der verSnderbaren WiderstAnde nicht schädlich
in Erscheinung treten können.
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In einer bevorzugten AusfUhrungsform des erfindungsgemässen Widerstandsthermometers
ist der Festwiderstand einstellbar ausgebildet. Dies erleichtert die Einjustierung
des Nullpunktes des Gerätes.
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Zu den veränderbaren Widerständen ist ein fester Vorwiderstand in
Reihe geschaltet. Dieser ergänzt den kleinsten mittels der veränderbaren Widerstände
einstellbaren Widerstandswert zum Widerstand des verwendeten Messwlderstandes.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können den Klemmen einer
Spannungsquelle die Enden eines linearen, mit einem veränderbaren Mittelabgriff
versehenen Widerstandes angeschlossen sein, dessen Abgrifforgan vom Stellglied betätigt
wird, Diese Schaltung stellt einen Analogausgang des elektrischen Widerstandsthermometers
dar, der zum AnX schluss von Mehrfach-Schreibern oder elektronischen Rechengeräten
wie
etwa Prozessrechnern dient.
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Zweckmässig werden innerhalb des Vergleichszweiges sowie beim Analogausgang
als veränderbare Widerstände handels-Ubliche Mehrfach-Wendel-Potentiometer verwendet,
deren Abgrifforgane derart mit dem Stellglied verbunden sind, dass sie die erste
und die letzte Wendel nicht überstreichen.
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Durch Verwendung handelsüblicher Potentiometer mit Mehrfach-Wendelung
lässt sich die Herstellung des vorgeschlagenen Widerstandsthermometers verbilligen
und die Measgenauigkeit erhöhen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen
erläutert. Es zeigen; Figur 1 den Aufbau des neuen Widerstandsthermometers, in schematischer
Darstellung Figur 2 die Schaltung des Vergleichszweiges.
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Ein erfindungsgemassas- elektrisches Widerstandsthermometer besteht
aus einer BrückensChaltung 1, einer Anzeigeeinrichtung 2 und einem Analogausgang
3.
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Die Brückenschaltung 1 enthält in ihrem Messzweig einen
Messwiderstand
4 aus Platindraht, der in einem Fühler 5 sitzt, während ihr Vergleichszweig zur
Nachbildung der Temperatur-Widerstands-Kennlinie des Messwiderstandes 4 einen verEnderbaren
Vergleichswiderstand 6 aufweist. Zwei feste, gleichgrosse Brückenwiderstände 7 vervollständigen
die BrÜckenschaltung 1, die von einer in der'einen BrUkkendiagonalen liegenden Stromquelle
8 her gespeist wird.
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In die andere Brückendiagonale ist ein Verstärker 9 eingeschaltet,
welcher die Brückendiagonalspannung verstärkt und der Wicklung 10 eines gepolten
Relais zufÜhrt.
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Als digitale Anzeigeeinrichtung 2 dient ein dreistelliges Zählwerk
mit drei Zahlenrollen 11, die Über ein (nicht dargestelltes) Getriebe mit einem
Stellmotor 12 gekuppelt sind. Der Stellmotor 12 entnimmt seine Antriebsenergie Über
einen Wechselkontakt 13 des gepolten Relais einer Gleichstromquelle 14 Die Anzeigeeinrichtung
2 und der verSnderbare Vergleichswiderstand 6 sind über ein Stellglied 15 in Gestalt
einer Drehwelle untereinander verbunden.
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Der Analogausgang 3 wird mit Gleichspannung aus einer Spannungsquelle
16 versorgt. Die Spannungsquelle 16 ist mit den Enden eines linearen und einen veränderbaren
Mittelabgriff aufweisenden Widerstandes 17 verbunden, dessen
Abgrifforgan
18 vom Stellglied 15 (der Drehwelle) mitgenommen wird. Mittels des Widerstandes
17 werden den Klemmen 19 Teilspannungen der Spannungsquelle,16 zugeführt.
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In den Vergleichszweig der Brückenschaltung 1 ist eine Parallel- und
Reihenschaltung von mehreren festen und veränderbaren Widerständen eingeschaltet.
Der Vergleichswiderstand 6 besteht erfindungsgemäss aus einem festen Vorwiderstand
20, einem mit ihm in Reihe liegenden linear veränderbaren Widerstand 21 mit einem
Abgriff 22, aus einem ebenfalls in Reihe geschalteten, weiteren linear veränderbaren
Widerstand 23 mit einem Abgriff 24, dem jedoch ein einstellbarer Festwiderstand
25 parallel liegt, sowie aus einem linearen Widerstand 26 mit vergnderbarem Mittelabgriff
27, dessen miteinander verbundene Enden am Abgriff 24 des davorliegenden Widerstandes
23 angeschlossen sind. Die Abgrifforgane 22, 24 und 27 der drei mit dem Vorwiderstand
20 in Reihe liegenden Widerstände 21, 23 und 26 werden durch das Stellglied 15,
welches mit dem Stellmotor 12 und der Anzeigevorrichtung s gekuppelt ist, gemeinsam
betitigt.
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Als Widerstinde 17, 21, 23 und 26 finden handelsübliche Mehrfach-Wendel-Potentiometer
mit gleicher Anzahl von Wendeln Verwendung. Für einen Temperatur-Messbereich db
Widerstandsthermometers
von 0 bis 800 Grad Celsius werden Zehnfach-Wendel-Potentiometer benützt, deren Schleiferwellen
mittels Zahnrädern als Stellglied 15 gemeinsam betätigt werden und die ebenfalls
Über Zahnräder mit der Anzeigeeinrichtung 2 und dem Stellmotor 12 in Verbindung
stehen.
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Um die Anspring- und Endwerte sowie die Anfangs- und End-Nichtlinearitäten
aller dieser Potentiometer zu unterdrUkken, geschieht die Kupplung der Schleiferwellen
mit dem Stellmotor 12 und den Zahlenrollen 11 so, dass die Potentiometerwicklungen
des ersten und des letzten Wendels von den Potentiometerschleifern nicht Uberstrichen
werden. Somit steht für je 100 Grad Temperatur des gesamten Messbereiches eine Wendel,
entsprechend einer Umdrehung der Schleiferwelle, zur Verfügung.
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Wird als Meiswiderstand 4 ein genormter Platindraht verwendet, dessen
elektrischer Widerstand bei O Grad Celsius gerade 100 Ohm beträgt, so kdnn-n für
einen Messbereich von O bis 800 Grad Celsius zur Darstellung der Widerstände 21
und 23 Zehnfach-Wendel-Potentiometer von 200 Ohm, und zur Darstellung des Widerstandes
26 ein derartiges Potentiometer mit 10 Ohm Widerstand verwendet werden; der feste
Vorwiderstand
20 muss dabei einen Wert von 59,8 Ohm, und der Festwiderstand 25 einen solchen von
550 Ohm besitzen.
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Der derart bemessene Vergleichswiderstand 6 besitzt dann, wenn die
Schleifer der Potentiometer gerade am Ende des ersten Wendels stehen und somit nur
die diesen ersten Wendeln entsprechenden Anfangswiderstände 28 (vergleiche Figur
2) in Verbindung mit dem Vorwiderstand 20 und dem Festwiderstand 25 wirksam sind,
in Übereinstimmung mit dem Widerstand des Platindrahtes genau 100 Ohm. Die Zunahme
des ohm'schen Widerstandes dieses Vergleichswiderstandes bei jeder Umdrehung der
Schleiferwellen entspricht der Widerstandszunahme des Platindrahtes bei dessen Temperaturerhöhung
um jeweils 100 Grad Celsius, sodass nach acht Umdrellungen der dem Widerstand des
Platindrahtes bei 800 Grad entsprechende ohm'sche Widerstand erreicht wird, wobei
die ondwiderstände 29 wiederum ausgespart werden. Die Drehwinkel-Widerstands-Kennllnie
des Vergleichswiderst:andes ist dabei nicht linear und sie entspricht genau der
nichtlinearen Temperatur-Widerstands-Kennlinie des Platindrahtes.