DE19512243A1

DE19512243A1 - Temperaturmeßgerät

Info

Publication number: DE19512243A1
Application number: DE1995112243
Authority: DE
Inventors: Hans-Rainer Dipl Ing D Langner
Original assignee: Raytek GmbH
Current assignee: Raytek GmbH
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Temperaturmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zur Temperaturmessung, insbesondere zur berührungslosen Messung von Meßobjekttemperaturen, werden üblicherweise sogenannte Pyrometer verwendet. Das Wirkprinzip eines Pyrometers besteht darin, die von der Oberfläche eines Meßobjektes ausgehende Infrarotstrahlung in geeigneter Weise zu erfassen und in einen Temperaturwert umzuset zen. Dabei wird das Meßsignal nicht alleine durch die physikalischen Eigenschaften des Meßobjektes bestimmt, sondern es wird auch durch die Temperaturen des Detek tors und der Umgebung beeinflußt. So emittiert der op tische Kanal selbst Infrarotstrahlung, die auf den De tektor gelangt und in das Meßsignal eingeht. Es sind daher schon eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht wor den, um diese unerwünschten Temperatureinflüsse auf das Meßsignal zu kompensieren.

Nach der US-A-4 142 417 werden zwei Infrarotdetektoren in Brückenschaltung verwendet, wobei nur ein Detektor mit der Strahlung des Meßobjektes beaufschlagt wird, während der zweite Infrarotdetektor abgedunkelt bleibt. Das Ausgangssignal des abgedunkelten Infrarotdetektors dient zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten des ersten Infrarotdetektors. Diese Kompensationsschaltung ist relativ aufwendig, da zwei Infrarotdetektoren benö tigt werden, wobei diese Detektoren untereinander nur geringe Fertigungstoleranzen aufweisen dürfen. Die Ko sten für zwei gleichartige Infrarotdetektoren sind ent sprechend hoch.

Eine Lösung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 wird beispielsweise in der DE-C-33 07 784 beschrieben. Sie basiert darauf, die Temperatur des Infrarotdetektors und die Temperatur der Umgebung mit zwei Meßfühlern un abhängig voneinander zu messen und an geeigneter Stelle innerhalb der Schaltung des Pyrometers zur Kompensation zu verwenden. Es wird dabei ein spezieller Meßfühler angegeben, dessen Temperaturkoeffizient an die Tempera turcharakteristik des Detektors angepaßt ist und der zwecks Anpassung der Verstärkung in die Gegenkopplungs schleife eines Verstärkers eingebaut wird. Der zweite Meßfühler, der gegenüber dem ersten Meßfühler einen ne gativen Temperaturkoeffizienten aufweist, wird zur Bil dung eines gehäusetemperaturabhängigen Kompensationssi gnals verwendet. Die Losung ist durch die Verwendung von zwei Meßfühlern mit verschiedenen Temperaturkoeffi zienten relativ aufwendig und insbesondere für ein Py rometer mit separatem, sehr kleinem Meßkopf aus techno logischen Gründen wenig geeignet.

Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, daß Temperaturmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend weiterzuentwickeln, daß es schaltungs technisch einfacher und kostengünstiger herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird lediglich ein einziger Meßfühler verwendet, durch den alle erforder lichen Kompensationssignale erzeugt werden können. Es wird davon ausgegangen, daß im thermisch ausgeglichenen Zustand die Temperatur des Detektors auch ein Maß für die Umgebungstemperatur ist und daher die Verwendung von zwei Meßfühlern physikalisch nicht begründet ist. Die Eigenerwärmung des Detektors aufgrund der Absorp tion von Wärmestrahlung bleibt erwiesenermaßen vernach lässigbar klein.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung wer den anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung ist als Blockschaltbild ein Tempera turmeßgerät dargestellt, enthaltend

a) einen Detektor 1 zur Erzeugung eines Detektorsignals Um in Abhängigkeit von der Temperaturstrahlung eines nicht dargestellten Meßobjekts,
b) einen Meßfühler 2 zur Erzeugung eines der Temperatur des Detektors 1 entsprechenden Meßfühlersignals
c) sowie den Einfluß der Temperatur des Detektors kom pensierende Signalverarbeitungseinrichtungen 3, 4, 5, 7 zur Erzeugung eines Meßsignals entsprechend der Temperatur des Meßobjekts.

Der Meßfühler 2 steht in thermischem Kontakt mit dem als Infrarotdetektor ausgebildeten Detektor 1. Der Meß fühler 2 wird beispielsweise durch einen temperaturab hängigen Widerstand, einen sogenannten Thermistor, ge bildet.

Die Signalverarbeitungseinrichtungen bestehen im we sentlichen aus einer ersten, zweiten, dritten und vier ten Signalverarbeitungseinrichtung 3, 4, 5 und 7. Die erste Signalverarbeitungseinrichtung 3 wird im vorlie genden Ausführungsbeispiel durch eine Mehrfachstrom quelle 3 gebildet, in die das Meßfühlersignal, d. h. die über den Thermistor abfallende Spannung, eingespeist wird, um drei detektortemperaturabhängige elektrische Teilsignale, im vorliegenden Fall Teilströme, zu erzeu gen. Diese Teilströme werden mit einer Operationsverstärkerschaltung und einem Multitransi stor-Array erzeugt, wobei die Kollektorströme der Mul titransistoren die temperaturgesteuerten Teilströme darstellen.

Die zweite und dritte Signalverarbeitungseinrichtung werden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch jeweils einen Multiplizierer 4, 5 gebildet, während die vierte Signalverarbeitungseinrichtung durch eine Sum mierstufe 7 verwirklicht wird.

Anhand des Blockschaltbildes wird nachfolgend die Funk tionsweise des erfindungsgemäßen Temperaturmeßgerätes erläutert:
Als Meßfühler 2 kommt ein Thermistor mit positivem Tem peraturkoeffizienten zur Anwendung. Der Widerstand des Meßfühlers kann direkt als Steuergröße verwendet werden oder es wird die über diesen Meßfühler abfallende Span nung (bei konstantem Querstrom) als Steuergröße für die weitere Signalverarbeitung verwendet.

Die als Mehrfachstromquelle 3 ausgebildete erste Signalverarbeitungseinrichtung erzeugt drei Teilströme I₁ (T), I₂ (T) und I₃ (T)
Die beiden Signalverarbeitungeinrichtungen werden durch Steilheits-Multiplizierer 4 und 5 gebildet. Diese elek tronischen Schaltungen zeichnen sich dadurch aus, daß zusätzlich zu den von Operationsverstärkern bekannten Eingängen U_p und U_n weitere Steuereingänge I_a, I_b vor handen sind. Durch geeignete Beschaltung dieser zu sätzlichen Eingänge I_a, I_b wird die Steilheit G der Multiplizierer verändert.

Für das Ausgangssignal I₄(T) des Steilheits-Multipli zierers 4 gilt formelmäßig folgender Zusammenhang:

I₄(T) = I_a/I_b _* G _* U_m [1]

wobei
I_a, I_b = Steuersignale an den Eingängen I_a und I_b des Multiplizierers
G = nominelle Steilheit des Multipli zierers
U_m = verstärktes Meßsignal des Detektors.

Das von einem Verstärker 6 verstärkte Meßsignal des De tektors 1 ist von der Temperatur des Detektors 1 abhän gig. Für thermische Detektoren gilt die folgende Abhän gigkeit

U_m = U_m(E) _* (1 + α₁T) [2]

wobei der Temperaturkoeffizient α₁ vom Detektortyp ab hängig ist. Typische Werte für α₁ liegen im Bereich von -1%/K bis +1%/K. Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf einen Temperaturkoeffizienten α₁ < 0.

Um die detektortemperaturabhängige Detektorempfindlich keit zu kompensieren ist es bei einem negativen Tempe raturkoeffizienten im Signal U_m erforderlich, die Tem peraturabhängigkeit des ersten Teilstroms I₁(T) ent sprechend der folgenden Beziehung einzustellen:

I₁(T) = I₁ _* (1 + α₁T) [3]

Dadurch erhält man für das Ausgangssignal I₄(T) des Multiplizierers 4 in Verbindung mit Formel [1]:

I₄(T) = [I_a/I_b _* (1 + α₁T)] _* G _* U_m(E) _* (1 + α₁T) [4a]

Darin sind I_a, I₁ und U_m(E) temperaturunabhängige Grö ßen, wodurch auch das Ausgangssignal I₄(T) des Multi plizierers 4 temperaturunabhängig ist:

I₄(T) = I_a/I₁ _* G _* U_m(E) [4b]

Der in der Mehrfachstromquelle 3 erzeugte zweite Teil strom I₂(T) erzeugt mit Hilfe des Widerstandes R₂ die Eingangsspannung U_p für den Steilheitsmultiplizierer 5. Für diesen Multiplizierer gilt (analog zur Formel [1]) die Beziehung

I₅(T) = I_a/_b _* G _* R₂ _* I₂(T) [5]

Für I₂(T) wird analog zur Formel [3] die folgende Tem peraturabhängigkeit eingestellt:

I₂(T) = I₂ _* (1 + α₂T) [6]

Auf den invertierenden Eingang U_n des Multiplizierers 5 wird ebenfalls ein Strom I_c gegeben, der über einen Wi derstand R₃ fließt. Dadurch kann der konstante Anteil innerhalb von I₂(T) variiert und speziell auch auf 0 eingestellt werden. Dadurch vereinfacht sich die Formel [6] und man erhält für I₂ (T):

I₂(T) = I₂ _* α₂T [7]

Der dritte Teilstrom I₃(T) steuert den Übertragungsfak tor des Steilheits-Multiplizierers 5. Für diesen Strom gilt ebenfalls eine lineare Beziehung zur Meßgröße Tem peratur

I₃(T) = I₃ _* (1 + α₃T) [8]

Für das Ausgangssignal des Multiplizierers 5 erhält man aus den Formeln [5], [7], [8] ein detektortemperaturab hängiges, nichtlineares Offsetsignal I₅(T):

I₅(T) = [I₃ _* (1 + α₃T)/I_b _* G _* R₂ _* I₂ _* α₂T [9a]

beziehungsweise umgeformt

I₅(T) = α₂′ _* T + α₃′ _* T² [9b]

Das Ausgangssignal des Multiplizierers 5 ist entspre chend der Formel [9b] durch ein Polynom zweiter Ordnung mit der Meßtemperatur T verknüpft. Durch geeignete Wahl der Temperaturkoeffizienten α₂′ und α₃′ erhält man im interessierenden Temperaturbereich von 0°C bis 85°C eine sehr gute Näherung für den zugrundeliegenden phy sikalischen Zusammenhang: Das Ausgangssignal I₅(T) ist ein detektortemperaturabhängiges, nichtlineares Offset signal für ein Meßsignal, daß man für die Berücksichti gung der Infrarotstrahlung aus der Umgebung des Meßob jekts benötigt.

Das Offsetsignal I₅(T) wird in einer Summierstufe mit dem verstärkten und empfindlichkeitskompensierten De tektorsignal I₄(T) zusammengeführt. Dadurch erhält man ein offset- und empfindlichkeitskompensiertes Meßsignal I₇(T), das eine eindeutige Abbildung der Temperatur des Meßobjekts darstellt. In einer nachgeschalteten Li nearisierungsstufe 8 kann aus diesem Meßsignal auf schaltungstechnischem oder rechentechnischem Wege die Temperatur T_m des Meßobjekts bestimmt und ausgegeben werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Signal des Detektors 1 auf vereinfachte Weise kompensiert. Als Temperaturfühler 2 wird ebenfalls ein Thermistor ver wendet, der als Teil einer Brückenschaltung mit mehre ren Ausgangssignalen arbeitet. Die Ausgangssignale wer den durch ein Multitransistor-Array erzeugt, wobei die Kollektorströme des Multitransistors die temperaturge steuerten elektrischen Teilsignale darstellen. Eine Vereinfachung wird durch das Einspeisen eines ersten Teilstromes I₁′ (T) in den Steuereingang I_a des Steil heitsmultiplizierers 4 erreicht. Bei einem Temperatur koeffizienten α′₁ < 0 ergibt sich für I₁′ (T):

I₁′ (T) = I₁′ _* (1 + α₁′T) [3′]

Das Ausgangssignal I₄′ (T) des Multiplizierers 4 ergibt sich durch folgende Beziehung:

I₄′ (T) = [I₁ _* (1 + α₁′T)/I_b] _* G _* U_m _* (1 + α₁T) [4a′]

und bei α₁′ = -α₁ ergibt sich:

I₄′(T) = I₁ _* G/I_b _* U_m _* (1-α₁²T²) [4b′]

wobei mit α₁²T² « 1 der verbleibende Fehler hinrei chend klein ist.

Claims

1. Temperaturmeßgerät, enthaltend

a) einen Detektor (1) zur Erzeugung eines Detektorsignals (U_m) in Abhängigkeit von der Temperaturstrahlung eines Meßobjekts,
b) einen Meßfühler (2) zur Erzeugung eines der Temperatur des Detektors entsprechenden Meßfühlersignals
c) sowie den Einfluß der Temperatur des Detektors kompensierende Signalverarbeitungseinrichtungen (3, 4, 5, 7) zur Erzeugung eines Meßsignals (I₇(T)) entsprechend der Temperatur des Meßob jekts,

gekennzeichnet durch folgende Signalverarbeitungs einrichtungen:

d) eine vom Meßfühlersignal gespeiste erste Signal verarbeitungseinrichtung (Mehrfachstromquelle 3) zur Erzeugung von wenigstens drei detektortempe raturabhängigen elektrischen Teilsignalen (I₁(T), I₂(T), I₃(T)),
e) eine das Detektorsignal (U_m) mit dem ersten Teilsignal (I₁(T)) verarbeitende, die detektortemperaturabhängige Detektorempfindlich keit kompensierende zweite Signalverarbeitungs einrichtung (Multiplizierer 4) zur Erzeugung ei nes empfindlichkeitskompensierten Detek torsignals (I₄ (T)),
f) eine das zweite und dritte Teilsignal (I₂(T), I₃(T)) multiplizierende dritte Signalverarbei tungseinrichtung (Multiplizierer 5) zur Erzeu gung eines detektortemperaturabhängigen, nicht linearen Offsetsignals (I₅(T))
g) sowie eine das empfindlichkeitskompensierte De tektorsignal (I₄(T)) und das nichtlineare Off setsignal (I₅(T)) summierende vierte Signalver arbeitungseinrichtung (Summierstufe 7) zur Er zeugung eines offset- und empfindlichkeits kompensierten Meßsignals (I₇(T)).

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (2) in thermischem Kontakt mit dem Detektor 1 steht.

3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (2) durch einen temperaturabhängi gen Widerstand gebildet wird.

4. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Signalverarbeitungseinrichtung durch integrierte Halbleiterschaltungen in Form von Mehr fachtransistoren oder Mehrfachstromquellen gebildet wird.

5. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Signalverarbeitungsein richtung durch jeweils einen Multiplizierer (4, 5) gebildet wird.

6. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Detektor (1) und erster signalverarbei tender Einrichtung (Multiplizierer 4) ein Verstärker (6) für das Detektorsignal vorgesehen ist.

7. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die vierte signalverarbeitende Einrich tung (Summierstufe 7) eine Linearisierungsstufe (8) anschließt.

8. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Teilsignale der ersten Signalverarbei tungseinrichtung durch drei Teilströme (I₁(T), I₂(T), I₃(T)) gebildet werden.