DE2308887A1 - Temperatur-messeinrichtung fuer hohe umgebungstemperaturen - Google Patents

Temperatur-messeinrichtung fuer hohe umgebungstemperaturen

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Bruno Dipl-Ing Fuhrmann
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Description

Prof. Di?.-Ing. Hans Heinrich Emschermann 3 3 Braunschweig Helgolandstraae
Dipl.-Ing. Bruno Fuhrmann 33 Braunschweig Wodanstraße 36
Dr.-Ing. Dieter Huhnke 3 3 Braunschweig Sielkamp 21
Temperatur-Meßeinrichtung für hohe Umgebungstemperaturen
Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Temperaturmessung bei hoher Umgebungstemperatur.
Der Temperatur-Meßtechnik wird häufig die Aufgabe gestellt, Temperaturen an Meßorten zu messen, deren Umgebungstemperatur oberhalb der für übliche Temperatur-Meßeinrichtungen zulässigen Temperatur liegt. Ein Beispiel für eine derartige Meßaufgabe ist die Messung der Temperatur in Konservendosen während der Sterilisation im Autoklaven.
Eine übliche Temperatur-Meßeinrichtung besteht aus: Einem Temperaturaufnehmer, der die Temperatur in ein analoges elektrisches Meßsignal umwandelt, einer Zwischenschaltung, die das analoge Meßsignal verstärkt und gegebenenfalls digitalisiert, und einem Ausgeber, der den Meßwert entweder in analoger oder in digitaler Form anzeigt oder registriert.
In Sonderfällen kann das Meßsignal auch hinter der Zwischenschaltung einer weiteren Datenverarbeitungseinrichtung zugeführt werden.
Bekanntlich kann die Meßaufgabe dadurch gelöst werden, daß die gesamte Meßeinrichtung in einem wärmeisolierten Gefäß untergebracht wird. Als Ausgeber wird in diesem Falle ein Registriergerät benötigt, damit nach Abschluß der Messung das Meßergebnis als Kurven- oder Zahlenschrieb im Gefäß vorliegt. Die Temperatur im Gefäß steigt zwar durch die Wärmezufuhr von außen infolge unvollkommener Isolation und infolge der Ver-
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lustwärme der eingebauten Schaltung an, kann aber durch geeignete Dimensionierung der Isolation und der im Gefäß befindlichen Massen sowie sparsamen Energieverbrauch für begrenzte Zeit unterhalb der zulässigen Höchsttemperatur der Meßeinrichtung gehalten werden. Nachteilig ist bei dieser Methode insbesondere der Platzbedarf des Registriergerätes und dessen großer Energiebedarf, der einen großen Stromversorgungsteil erforderlich macht und die Temperatur im Gefäß rasch ansteigen läßt. Hinzu kommt die Empfindlichkeit von Registriergeräten gegen mechanische Stöße, die unter Umständen teure stoßdämpfende Einbaumaßnahmen erforderlich machen.
Statt die komplette Temperatur-Meßeinrichtung durch Einbau in ein wärmeisoliertes Gefäß thermisch zu schützen, kann man bekanntlich auch telemetrisch messen, d.h. der Temperatur-Aufnehmer wird über eine Meßleitung - das kann sein eine galvanische Leitung, eine Funkverbindung oder eine optische Verbindung - mit den übrigen, vom Meßort entfernt aufgestellten Gliedern der Meßkette verbunden. Auf diese Weise können besonders temperaturempfindliche Glieder der Meßeinrichtung der Einwirkung der hohen Umgebungstemperatur entzogen werden.
Die Verwendung von galvanischen Leitungen macht ein Meßverfahren schwerfällig und bringt eine Reihe von weiteren Nachteilen mit sich. Galvanische Leitungen bilden, insbesondere, wenn sie nicht fest verlegt werden können, einen Fremdkörper in technischen Einrichtungen, stören möglicherweise Bewegungsabläufe und sind selbst der Gefahr der Zerstörung ausgesetzt. Wenn das Meßobjekt sich während der Messung bewegt, treten zusätzliche Schwierigkeiten auf bzw. wird die Verwendung von galvanischen Leitungen unmöglich. Häufig wird versucht, durch eine Funkverbindung zwischen Gliedern der Meßkette einen Teil der geschilderten Schwierigkeiten zu vermeiden. Diese Funkverbindung erfordert zusätzlich zu den normalen Meßkettengliedern Sender bzw. Empfänger mit Modulations- und Demodulationseinrichtungen und damit, wegen des apparativen Aufwandes, zusätzliche Kosten. Die Funkverbindung kann erschwert oder unmöglich werden, wenn in metallisch abgeschirmten Behältern oder Räumen, z.B. Autoklaven, gemessen werden soll.
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Optische Verbindungen verlangen Spezialvorrxchtungen und werden deshalb nur in Sonderfällen eingesetzt. Im übrigen gelten für sie ähnliche Einschränkungen wie für Funkverbindungen.
Die nachstehend beschriebene Temperatur-Meßanlage vermeidet diese Nachteile.
Erfindungsgemäß wird die Meßeinrichtung in den Temperatur-Aufnehmer und zwei getrennte Baugruppen aufgeteilt und nur Baugruppe I in einem wärmeisolierten Gefäß untergebracht und während der Messung am Meßort aufgestellt.
einen ADU (Analog-Digital-Umsetzer), der das analoge Signal des Temperatur-Aufnehmers in ein digitales Signal umsetzt,
einen digitalen Meßwertspeicher, in dem dieses Signal binärcodiert gespeichert wird,
die für den Betrieb des ADU und des Meßwertspeichers erforderlichen Hilfsschaltungen (Taktgeber, Gatter und Ähnliches),
die zugehörige Stromversorgung.
diejenigen Schaltelemente, die erforderlich sind, um nach Abschluß der Meßzeit t die im Meßwertspeicher digital gespeicherten Meßwerte auszulesen und wexterzuverarbexten.
Baugruppe II kann z.B. ein digitales Anzeige- oder Registriergerät, aber auch einen DAU (Digital-Analog-Umsetzer) mit angeschlossenem analogen Registriergerät oder sonstige, zur weiteren Datenverarbeitung geeignete Schaltungen zuzüglich der jeweiligen Hilfsschaltungen (Gatter, Taktgeber und Ähnliches) sowie die Stromversorgungseinrichtung enthalten.
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-H-
Der Meßvorgang wird auf zwei Zeitabschnitte aufgeteilt. Während der eigentlichen Meßzeit, Zeitabschnitt t, ist der Temperatur-Aufnehmer an die Baugruppe I angeschlossen, und die von ihm gelieferten Temperatur-Meßwerte werden im Meßwertspeicher binär-codiert gespeichert. Als Temperatur-Aufnehmer sind Temperatur-Meßwiderstände oder Thermoelemente geeignet. Später, zu einem beliebigen Zeitpunkt nach Abschluß von Zeitabschnitt t, werden Baugruppe I und Baugruppe II elektrisch verbunden, und der Meßwertspeicher der Baugruppe I ausgelesen. Die gespeicherten digitalen Meßwerte können dann beispielsweise digital angezeigt oder registriert, sie können aber auch nach einer Digital-Analog-Umsetzung analog angezeigt oder registriert, und schließlich können sie auch weiteren datenverarbeitenden Systemen zugeführt werden.
Die in Baugruppe I benötigten Bauelemente zeichnen sich durch sehr geringen Platz- und Leistungsbedarf aus; als Meßwertspeicher können beispielsweise die auch als Zwischenspeicher in Rechenanlagen verwendeten hochintegrierten Bausteine eingesetzt werden. Die Aufteilung der Meßeinrichtung in zwei Baugruppen bewirkt also, daß nur ein kleines wärmeisoliertes Gefäß für den Einbau der Baugruppe I benötigt wird und daß ferner die maximale Betriebsdauer wegen der geringen Verlustenergie bzw. geringen Eigenerwärmung der eingebauten Schaltung groß ist.
Die binär-codierte Einspeicherung der Meßwerte geschieht taktmäßig. Es ist daher eine Stromersparnis dadurch erreichbar, daß in den Taktzwischenzeiten Teile der Meßanlage, z.B. unter anderem der Temperatur-Aufnehmer, abgeschaltet werden. Durch eine zeitweise Abschaltung des Temperatur-Aufnehmers kann ausserdem, sofern es sich um einen Temperatur-Meßwiderstand handelt, dessen Eigenerwärmung herabgesetzt werden. Selbstverständlich muß Sorge getragen werden, daß Ein- und Ausschalten keine zusätzlichen Störeffekte bewirken können.
Die maximal zulässige Betriebsdauer der Meßeinrichtung hängt unter anderem von der Güte der Wärmeisolation und von der Wärmekapazität der im Gefäß befindlichen Massen ab. Die Betriebsdauer kann also dadurch erhöht werden, daß in das Gefäß zusätzlich Massen mit hoher spezifischer Wärme eingebracht werden. Die Wärmeaufnahmefähigkeit und damit
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die Betriebsdauer können weiter gesteigert werden, wenn zur Ausnutzung der Schmelzwärme Massen in festem Aggregatzustand eingebracht werden, deren Schmelztemperatur kleiner als die maximal zulässige Betriebstemperatur der Meßeinrichtung ist.
Nachfolgend soll ein Ausführungsbeispiel der Temperatur-Meßeinrichtung beschrieben werden. Als Temperatur-Aufnehmer ist in dem Beispiel ein Platin-Temperatur-Meßwiderstand RT angenommen, dessen Widerstandsänderung mit Hilfe eines Analog-Digital-Umsetzers nach dem Kompensationsprinzip in einen binär-codierten Digitalwert umge wandelt wird.
Die Kompensationsschaltung (Bild 1) besteht aus sechs geschalteten Stromquellen (T-...Tg) und zwei konstanten Stromquellen T^, T«. Der Temperatur-Meßwiderstand RT wird von dem konstanten Strom IT der Stromquelle T^ gespeist. Der temperaturunabhängige Widerstand Ry wird durch den Strom Iy, geliefert von der konstanten Stromquelle T2 und die von einem Binär-Zähler geschalteten Stromquellen T-...Tg gespeist. Dabei dient der konstante Anteil I2 des Stromes Iy zur beliebigen Einstellung des Kompensations- bzw. Bezugspunktes.
Die Analog-Digital-Umwandlung geschieht wie folgt:
Zunächst sind die Stromquellen T-...Tg gesperrt und der Binär-Zähler in Nullstellung; Zähltakte (ZT) und Minutentakt (MT) laufen (siehe auch Impulsdiagramm, Bild 2). Liegt jetzt die Temperatur des Temperatur-Meßwiderstandes Rm und damit Sein Widerstandswert oberhalb des eingestellten Bezugspunktes, so ist U~ positiv und öffnet über den Verstärker V das Gatter G1 für den Zähltakt. Der Zähltakt wird im Binär-Zähler aufsummiert. Dabei steuert der Binär-Zähler über die Anschlüsse A ... F die binär-bewerteten Stromquellen T3...Tg an. Infolgedessen ergibt sich am Widerstand Ry eine treppenförmig ansteigende Spannung; der zugehörige, ebenfalls treppenförmige Verlauf von Uq ist im Impulsdiagramm für die Annahme, daß der Abgleich nach drei Zählimpulsen erzielt ist, eingezeichnet. Sobald die Spannungen an
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und Rv übereinstimmen, d.h. bei Abgleich, wird Uß = O. Es gilt:
Im · Rm = 1..Ry Cl)
daraus:
Rx = RVIV (2)
Wobei Iv = I2+ " a.Ii (3)
a. hat entweder den Wert 1 oder den Wert 0 und wird durch den Binär-Zähler Über die Anschlüsse A ... F gesteuert; I· ist durch Wahl der Widerstände R3 ... R3 binär gewichtet. Bei Abgleich, d.h. UD = 0, wird G1 gesperrt. Der Zählerstand entspricht damit, wie Gleichung (3) zeigt, der Summe der zum Abgleich erforderlichen gewichteten Ströme und damit der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Temperatur-Meßwiderstandes R™ und der durch I2 eingestellten Bezugstemperatur. Die Kompensationsschaltung, zusammen mit Verstärker, Gatter, Zähler, stellt also einen ADU dar, der das analoge Signal des Temperatur-Meßwiderstandes R™ in ein binär-codiertes Signal an den Ausgängen A ... F des Binär-Zählers umwandelt.
Die Ausgänge A ... F des Binär-Zählers sind über Umschaltgatterkombinationen G. ... Gp mit dem Meßwertspeicher (Bild 3) verbunden, der z.B. aus sechs parallelen Schieberegistern besteht. Der Ausgang von Gatter G„ der Kippschaltung Go/G_ liegt, von der negativen Flanke des Minutentaktes MT angesteuert, auf positivem Potential. Bei Nullabgleich (U0 = 0) entsteht an AV (Verstärker-Ausgang) eine negative Flanke, die über die Kippschaltung G_/G3, den monostabilen Multivibrator G- /G7, und über Gu, G1-, GT einen internen Speichertakt an den Meßwert-Speicher (Takt) gibt, der die Übernahme des gerade gemessenen Temperaturwertes, d.h. des Zählerstandes, in den/Speicher bewirkt. Da Gatter G1 (Bild 1) nur für U0 > 0 öffnet, werden nur Temperaturen oberhalb der Bezugstemperatur registriert.
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Das Auslesen des Meßwertspeichers in das Auswertegerät erfolgt über die Ausgänge A ... F durch Eingabe von Impulsen, die vom Auswertegerät geliefert werden, über ESpt (externer Speichertakt) und
Das Löschen aller Speicherzellen geschieht beim Einschalten des Gerätes, indem der Eingang g^ des Gatters G^, durch R und C verzögert, positives Potential erhält und somit der Meßwertspeicher (Takt) über Grp einige hundert Millisekunden Nullpotential hat (Bild 3).
Der Meßwertspeicher (Bild 3) besitzt mit den Dioden D. bis D- und dem Gatter G_ eine Schutzschaltung gegen Oberlauf. Dabei wird ausgenutzt, daß bei vollem Speicher mindestens einer der Speicherausgänge A ... F positives Potential hat. Dadurch erhält der Eingang von G„ positives Potential. Der Ausgang von Gg sinkt auf Nullpotential, ebenfalls der Eingang g2 des Gatters G7. Der monostabile Multivibrator G-/G- wird gesperrt, so daß keine Impulse mehr zum Meßwertspeicher (Takt) gelangen, d.h. keine weiteren Meßwerte übernommen werden.
Eine weitere Schutzschaltung, bestehend aus dem Transistor T11 und den Gattern G7, Gg, Gg (Bild 1) verhindert, daß der Zähler zu arbeiten beginnt, wenn der Temperatur-Meßwiderstand R„ nicht angeschlossen ist. Bei nicht angeschlossenem R„ wird der Transistor T11 (Bild 1) beim Einschalten der Meßeinrichtung durchgeschaltet und stellt über G9 den Binär-Zähler auf Null.
Soll anstelle eines Temperatur-Meßwiderstandes ein Thermoelement als Temperatur-Aufnehmer benutzt werden, so muß lediglich ein Teil der Eingangsschaltung des Analog-Digital-Umsetzers so geändert werden, daß auch in diesem Falle eine der Temperatur proportionale Spannungsänderung auftritt, die dann durch Änderung der Spannung am Widerstand Rv kompensiert werden muß. Im Analog-Digital-Umsetzer (Bild 1) ent-
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fallen die Bauelemente R1, T1, R-. Die Differenz der von dem an der Meßstelle befindlichen Thermoelement Th™ und einem auf konstanter Temperatur befindlichen Thermoelement Th~ gelieferten Thermospannungen wird verstärkt und mit der Spannung am Widerstand R„ verglichen, d.h. es wird wiederum die Spannungsdifferenz Un gebildet.
Ein Zusammenbau von Baugruppe I, Temperatur-Meßwiderstand und einer Konservendose, wie er bei Autoklaven zur Temperaturmessung im Inneren von Konservendosen Verwendung finden kann, muß eine Reihe von Punkten berücksichtigen. Die Konservendose und das wärmeisolierte Gefäß sollen formstarr miteinaner verbunden sein. Die Konservendose muß trotz Einführung des Temperatur-Meßwiderstandes dicht sein. Die Verbindung zwischen Temperatur-Meßwiderstand und wärmeisoliertem Gefäß muß dicht sein und eine gewisse Flexibilität besitzen. Die Temperatur im Inneren der Konservendose darf durch das Einbringen des Temperatur-Meßwiderstandes nicht wesentlich beeinflußt werden.
Ein Ausführungsbeispxel dieses Zusammenbaus zeigt Bild H. Konservendose 1 und wärmeisoliertes Gefäß 2 sind axial zueinander angeordnet und durch die Verspannvorrichtung 4 fest miteinander verbunden. Der gegenseitige Abstand ist durch ein geeignetes Distanzstück 3 vorgegeben. Als Temperatur-Meßwiderstand ist ein glasüberzogener Drahtwickel 5 vorgesehen, der auf einem Glasstiel 6 aufgeschmolzen ist. Der Glasstiel 6 ist durch ein mit einer Dichtung 9 versehenes Loch im Deckel der Konservendose eingeführt. Das freie Ende des Glasstieles ist in eine Metallhülse 7 eingeschmolzen, deren unteres Ende an einem Metallbalg 8 angeflanscht ist, um eine gewisse Flexibilität der Verbindung zu gewährleisten. Das freie Ende des Metallbalges ist mit einem SpezialStecker versehen, der mit der zugehörigen Steckdose auf dem Deckel des wärmeisolierten Gefäßes 2 eine druckwasserdichte Steckverbindung 11 bildet. Vom Temperatur-Me+widerstand führen die elektrischen Anschlußleitungen 10 - je nach der gewählten elektrischen Meßschaltung können es bis zu vier Leitungen sein - zum Eingang der Baugruppe I im Inneren des wärmeisolierten Gefäßes 2. Das wärmeisolierte Gefäß 2 besteht z.B. aus einem Metallzylinder mit eingebautem Dewar-Gefaß.
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Die Zeichnungen stellen folgendes dar:
Abbildung 1
Eine Kompensationsschaltung, bestehend aus Temperaturwiderstand R™, Vergleichswiderstand R.,, Verstärker V,
dem durch einen Binär-Zähler gesteuerten Analog-Digital-Umsetzer
und Hilfseinrichtungen;
Abbildung 2
Das Impulsdiagramm für Codierung und Meßwertspeicherung ;
Abbildung 3:
Den Meßwertspeicher mit Hilfseinrichtungen;
Abbildung U:
Den Zusammenbau von Baugruppe I mit dem Temperatur-Meßwiderstand und der Konservendose.
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Claims (4)

  1. Patentansprüche:
    Prof.Dr.-Ing.H.H. Emschermann 33 Braunschweig Helgolandstraße 59 F
    Dipl.-Ing. Bruno Fuhrmann 33 Braunschweig Wodanstraße 36
    Dr.-Ing. Dieter Huhnke 33 Braunschweig Sielkamp 21
    l.y Temperatur-Meßeinrichtung für hohe Umgebungstemperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsteil der Meßkette, bestehend aus einem ADU (Analog-Digital-Umsetzer) mit angeschlossenem Binär-Meßwertspeicher sowie den für den Betrieb des ADU und des Meßwertspeichers erforderlichen HiIfsschaltungen und der zugehörigen Stromversorgung, getrennt vom übrigen Teil der Meßkette, in einem wärmeisolierten Gefäß eingebaut wird.
  2. 2. Temperatur-Meßeinrichtung für hohe Umgebungstemperaturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Meßanlage zum Zwecke der Stromersparnis und der Vermeidung der Eigenerwärmung des Temperatur-Aufnehmers nur kurzzeitig an die Stromversorgung angeschlossen werden.
  3. 3. Temperatur-Meßeinrichtung für hohe Umgebungstemperaturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wärmeisolierenden Gefäß zusätzlich Massen mit hoher spezifischer Wärme eingebracht werden.
  4. 4. Temperatur-Meßeinrichtung für hohe Umgebungstemperaturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das wärmeisolierende Gefäß zusätzlich Massen mit großer Schmelzwärme und niedriger Schmelztemperatur eingebracht werden.
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    Leer'/eite
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