DE2308887C3 - Temperaturmeßverfahren und -einrichtung mit Speicherung der Meßwerte in einem temperaturisolierten Gefäß - Google Patents

Temperaturmeßverfahren und -einrichtung mit Speicherung der Meßwerte in einem temperaturisolierten Gefäß

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Temperatur, wobei der von einem Temperaturfühler durch eine der jeweiligen Temperatur entsprechende Widerstandsänderung erzeugte Meßwert analog-digital in einem temperaturisolierten Gefäß umgesetzt und danach in Halbleiterspeichern gespeichert und nach Abschluß der Messung ausgelesen wird.
Ein derartiges Verfahren ist bereits in der DE-OS 02 394 vorgeschlagen worden. Jedoch wird dieses Verfahren mit Hilfe von Thermistoren als Temperaturfühler durchgeführt wodurch sich eine nichtlineare Meßcharakteristik ergibt und eine Kompensation zunächst erforderlich macht. Darüber hinaus besteht die in der DE-OS 24 02 394 vorgeschlagene Meßeinrichtung aus einem relativ großen temperaturisolierten Gefäß, was die Handhabung erschwert
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art derart durchzuführen, daß eine möglichst störungsfreie, sichere und exakte Messung möglich ist und die Temperaturmeßeinrichtung selbst relativ kompakt ausgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht daß eine mit der Temperatur lineare Widerstandsänderung erzeugt wird sowie die analog-digitale Umsetzung
dadurch erfolgt, daß der Spannungsabfall im Temperaturfahler mit einem digital einstellbaren Referenzspannungsabfall verglichen wird, und daß dem Binärzähler so lange Zählimpulse zugeführt werden, bis die beiden verglichenen Spannungsabfäile dadurch gleich groß geregelt worden sind, daß entsprechend den gezählten Zählimpulsen vom Binärzähler der Referenzspannungsabfall eingestellt und dem Spannungsabfall am Temperaturfühler gleichgemacht wird, sowie nach erfolgten Abgleichen der Zählerstand in die Halbleiterspeicher eingegeben wird.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Stromversorgung über die Analog-Digital-Umsetzung in gewissen Meßtakten erfolgt Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die dazu erforderliche Schaltung raummäßig klein gehalten werden und benötigt relativ wenig Leistung, so daß die maximale Betriebsdauer wegen der geringen Veriüstenergie bzw. geringen Eigenerwärmung der eingebauten Schaltung groß ist Die binä." -kodierte Einspeicherung der Meßwerte geschieht taktmäßig. Es ist daher eine Stromersparnis dadurch erreichbar, daß in den Taktzwischenzeiten Teile der Meßanlage, z.B. unter anderem der Temperaturaufnehmer, abgeschaltet werden. Durch die zeitweise Abschaltung des Temperaturaufnehmers kann außerdem, sofern es sich um einen Temperaturmeßwiderstand handelt, dessen Eigenerwärmung herabgesetzt werden. Selbstverständlich muß dabei Sorge getragen werden, daß Ein- und Ausschalten keine zusätzlichen Störeffekte bewirken können.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn die Temperaturmessung bei vollem Speicher abgeschaltet wird. Somit erfolgt eine Blockierung, und bereits gespeicherte Meßwerte können nicht überschrieben werden. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die im Meßwertspeicher beinhalteten digitalen Meßwerte beim Auslesen im Speicher erhalten bleiben, indem sie vom Ausgang des Speichers zu dessen Eingang zurückgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nach der Erfindung durch eine Temperaturmeßeinrichtung ausgeführt, die aus einem thermisch isolierten Gefäß besteht, in dem eine mit einem Temperaturfühler elektrisch verbundene Meß- und Speicherschaltung angeordnet ist, die aus einem Analog-Digital-Umsetzer, einem Halbleiterspeicher sowie erforderlichen Hilfsschaltungen, wie Stromversorgung und Taktgeber, besteht. Dabei ist diese Temperaturmeßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturfühler ein Platin-Meßwiderstand verwendet wird, der mit einer Konstant-Stromquelle verbunden und an einem Ein- so gang eines Differenzverstärkers angeschlossen ist und der andere Eingang des Differenzverstärkers mit einem temperaturunabhängigen Widerstand verbunden ist, der an eine Parallelschaltung von Stromquellen ange-.chlossen ist, von denen eine Stromquelle einen konstanten Strom liefert und die anderen Stromquellen an die Ausgänge eines Binärzählers gelegt sind und der Eingang des Binärzählers über ein Gatter zum Steuern des Binärzählers mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist. Weitere vorteilhafte Ausführun- to gen der erfindungsgemäßen Temperaturmeßeinrichtung sind in den Ansprüchen 6 bis 11 enthalten. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung unterteilt sich demnach praktisch in zwei getrennte Baugruppen, und zwar eine erste Baugruppe I1 die einen Analog-Digital-Um- « setzer beinhaltet, der das analoge Signal des Temperaturaufnehmers in ein digitales Signal umsetzt, einen digitalen Meßwertspeicher, in dem dieses Signal binär-kodiert gespeichert wird, die für den Betrieb des Analog-Digital-Umsetzers und des Meßwertspeichers erforderlichen Hilfsschaltungen (Taktgeber, Gatter und ähnliches) sowie die zugehörige Stromversorgung, und eine zweite Baugruppe II, die diejenigen Sichaltelemente umfaßt, die erforderlich sind, um nach Abschluß der Meßzeit Γ die im Meßwertspeicher digital gespeicherten Meßwerte auszulesen und weiterzuverarbeiten. Diese zweite Baugruppe kann z.B. ein digitales Anzeige- oder Registriergerät, aber auch einen 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. Der Meßvorgang wird also auf zwei Zeitabschnitte aufgeteilt Während der eigentlichen Meßzeit, Zeitabschnitt t, ist der Temperaturaufnehmer an die Baugruppe I angeschlossen, und die von ihm gelieferten Temperaturmeßwerte werden im Meßwertspeicher binär-kodiert gespeichert Später zu einem beliebigen Zeitpunkt nach Abschluß von Zeitabschnitt t werden die Baugruppe I und die Baugruppen II elektrisch verbunden und der Meßwertspeicher der Baugruppe I ausgelesen. Die gespeicherten digitalen Meßwerte können dann beispielsweise digital angezeigt und registriert werden, sie können aber auch nach einer Digital-Analog-Umsetzung analog angezeigt und registriert werden, und schließlich können sie auch weiteren datenverarbeitenden Systemen zugeführt werden.
Anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert Es zeigt
A b b. 1 eine Kompensationsschaltung, bestehend aus Temperaturwiderstand Rt, Vergleichswiderstand Rv, Verstärker V, dem durch einen Binär-Zähler gesteuerten Analog-Digital-Umsetzer und Hilfseinrichtungen,
Abb. 2 das Impulsdiagramm für Codierung und Meßwertspeicherung,
A b b. 3 den Meßwertspeicher mit Hilfseinrichtungen,
A b b. 4 den Zusammenbau von Baugruppe I mit dem Temperaturmeßwiderstand und der Konservendose.
Binär-Codierung des Meßwertes
Die Kompensationsschaltung (Abb. 1) besteht aus sechs geschalteten Stromquellen (T3... Ts) und zwei konstanten Stromquellen Ti, T2. Der Temperatur-Meßwiderstand Rr wird von dem konstanten Strom It der Stromquelle 71 gespeist. Der temperaturunabhängige Widerstand Rv wird durch den Strom Iv, geliefert von der konstanten Stromquelle Ti, und die von einem Binär-Zähler geschalteten Stromquellen T3... Γβ gespeist Dabei dient der konstante Anteil /2 des Stromes Iv zur beliebigen Einstellung des Kompensations- bzw. Bezugspunktes.
Die Analog-Digital-Umwandlung geschieht wie folgt:.
Zunächst sind die Stromquellen T3... 7J gesperrt und der Binär-Zähler in Nullstellung; Zähltakte (ZT) und Minutentakt (MT) laufen (siehe auch Impulsdiagramm, A b b. 2\ Liegt jetzt die Temperatur des Temperatur-Meßwiderstandes /?rund damit sein Widerstandswert oberhalb des eingestellten Bezugspunktes, so ist Ud positiv und öffnet über den Verstärker Vdas Gatter d für den Zähltakt Der Zähltakt wird im Binär-Zähler aufsummiert. Dabei steuert der Binär-Zähler über die Anschlüsse A...Fdie binär-bewerteten Stromquellen T3... Τ» an. Infolgedessen ergibt sich am Widerstand Rv eine treppenförmig ansteigende Spannung; der zugehö-
rige, ebenfalls treppenförmige Verlauf von Ud ist im Impulsdiagramm für die Annahme, daß der Abgleich nach drei Zählimpulsen erzielt ist, eingezeichnet Sobald die Spannungen an Ar und Rν übereinstimmen, d. h. bei Abgleich, wird Ud - 0. Es gilt:
daraus:
Rr
RVI
v'v
h '
Iy = I2 + OjIj
(1)
10
15
a, hat entweder den Wert 1 oder den Wert 0 und wird durch den Binär-Zählcr über die Anschlüsse A...F gesteuert; /, ist durch Wahl der Widerstände R3... Ra binär gewichtet Bei Abgleich, d. h. Ud — 0, wird Gi 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-Meowiderstandes Rt und der durch h eingestellten Bezugstemperatur. Die Kompensationsschaltung, zusammen mit Verstärker, Gatter, Zähler, stellt also einen ADU dar, der das analoge Signal des Temperatur-Meßwiderstandes Λ7-in ein binär-codiertes Signal an den Ausgängen A...F des Binär-Zählers umwandelt
Speicherung des Meßsignals
Die Ausgänge A...F des Binär-Zählers sind über Umschaltgatterkombinationen Ga... Gf mit dem Meßwertspeicher (A b b. 3) verbunden, der z. B. aus sechs parallelen Schieberegistern besteht Der Ausgang von Gatter Gj der Kippschaltung G2/G3 liegt, von der negativen Flanke des Minutentaktes MT angesteuert, auf positivem Potential. Bei Nullabgleich (Ud — 0) entsteht an A V (Verstärker-Ausgang) eine negative Flanke, die über die Kippschaltung GJGu den monostabilen Multivibrator GsZG7, und über G*, Gs, Gt einen internen Speichertakt an den Meßwert-Speicher (Takt) gibt, der die Übernahme des gerade gemessenen Temperaturwertes, d.h. des Zählerstandes, in den Meßwert-Speicher bewirkt Da Gatter Gi (A b b. 1) nur für Up > 0 öffnet werden nur Temperaturen oberhalb der Bezugstemperatur registriert
50
Ausleser, und Löschen des gespeicherten Meßsignals
Das Auslesen des Meßwertspeichers in das Auswertegerät erfolgt über die Ausgänge A'... Fdurch Eingabe von Impulsen, die vom Auswertegerät geliefert werden, über ESpt (externer Speichertakt) und Gt.
Das Löschen aller Speicherzellen geschieht beim Einschalten des Gerätes, indem der Eingang g\ des Gatters G4, durch R und Cverzögert, positives Potential erhält und somit der Meßwertspeicher (Takt) über Gr einige hundert Millisekunden Nullpotential hat (Abb. 3).
Schutzschaltungen und Mehrfach-Auslesung
Der Meßwertspeicher (Abb.3) besitzt mit den Dioden A bis A und dem Gatter Gt 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 G8 positives Potential. Der Ausgang von Gi sinkt auf Nullpotential, ebenfalls der Eingang gi des Gatters Gi. Der monostabile Multivibrator GtIGi 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 Tu und den Gattern G7, G8, G9 (A b b. 1) verhindert, daß der Zähler zu arbeiten beginnt wenn der Temperatur-Meßwiderstand Rrnicht angeschlossen ist Bei nicht angeschlossenem Rt wird der Transistor Γη (Abb. 1) beim Einschalten der Meßeinrichtung durchgeschaltet und stellt über G9 den Binär-Zähler auf Nuii.
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 Ry kompensiert werden muß. Im Analog-Digital-Umsetzer (Abb. 1) entfallen die Bauelemente R1, Ti, RT. Die Differenz der von dem an der Meßstelle befindlichen Thermoelement 77>rund einem auf konstanter Temperatur befindlichen Thermoelement The gelieferten Thermospannungen wird verstärkt und mit der Spannung am Widerstand Rv verglichen, d. h, es wird wiederum die Spannungsdifferenz i/ogebildet
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 miteinander 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 Ausführungsbeispiel dieses Zusammenbaus zeigt A b b. 4. 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 giasüberzogener Drahtwickei 5 vorgesehen, der auf einen 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-Meßwiderstand 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-Gefäß.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Messen einer Temperatur, wobei der von einem Temperaturfühler durch eine der jeweiligen Temperatur entsprechende Wider-Standsänderung erzeugte Meßwert analog-digital in einem temperaturisolierten Gefäß umgesetzt und danach in Halbleiterspeichern gespeichert und nach Abschluß der Messung ausgelesen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Temperatur lineare Widerstandsänderung erzeugt wird, sowie die analog-digitale Umsetzung dadurch erfolgt, daß der Spannungsabfall im Temperaturfühler mit einem digital einstellbaren Referenzspannungsabfall verglichen wird, und daß dem Binärzähler so lange Zählimpulse zugeführt werden, bis die beiden verglichenen Spannungsabfälle dadurch gleich groß geregelt worden sind, daß entsprechend den gezählten Zählimpulsen vom Binärzähler der Referenzspannungsabfall eingestellt und dem Spannungsabfall am Temperaturfühler gleichgemacht wird, sowie nach erfolgtem Abgleichen der Zählerstand in die Halbleiterspeicher eingegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung für die Analog- 2s Digital-Umsetzung in gewissen Meßtakten erfolgt
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessung bei vollem Speicher abgeschaltet wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Meßwertspeicher beinhalteten digitalen Meßwerte beim Auslesen im Speicher erhalten bleiben, indem sie vom Ausgang des Speichers zu dessen Eingang zurückgeführt werden.
5. Temperatur-Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einem thermisch isolierten Gefäß, in dem eine mit einem Temperaturfühler elektrisch verbundene Meß- und Speicherschaltung angeordnet ist, die aus einem Analog-Digital-Umsetzer, einem Halbleiterspeicher sowie erforderlichen Hilfsschaltungen wie Stromversorgung und Taktgeber besteht, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturfühler ein Platin-Meßwiderstand (Rt) verwendet wird, der mit einer Konstant-Stromquelle (R\ Ti) verbunden und an einem Eingang eines Differenzverstärkers (V) angeschlossen ist und der andere Eingang des Differenzverstärkers (V) mit einem temperaturunabhängigen Widerstand (Rv) verbunden ist, der an eine Parallelschaltung von Stromquellen (Ri T2, R3 T3 bis Rt T8) angeschlossen ist, von denen eine Stromquelle (R^ Ti) einen konstanten Strom (I2) liefert und die anderen Stromquellen (R3 T3 bis Rg Ts) an die Ausgänge (A, B, C, D, E, F) eines Binärzählers gelegt sind, und der Eingang des Binärzählers über ein Gatter (G\) zum Steuern des Binärzählers mit dem Auegang des Differenzverstärkers (V) verbunden ist.
6. Temperatur-Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere Eingänge des Gatters (G\) mit Taktgeber (ZT-MT) für den Zähltakt und den Meßtakt verbunden sind.
7. Temperatur-Meßeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (A — F^des Binärzählers über Umschaltgatter-Kombinationen (Ca— G^ mit Eingängen eines Meßwertspeichers verbunden sind, dessen Ausgänge (A'-F') einerseits zum Anschluß eines Auswertgerätes geeignet sind und andererseits an Eingängen der Umschaltgatter-Kombinationen (Ga-Cf) zurückgeführt sind.
8. Temperatur-Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Takteingang des Meßwertspeichers mit einer Speichertaktschaltung verbunden ist, die aus einer von dem Differenzverstärker ^ und dem Meßtaktgeber (Mj) angesteuerten Kippschaltung aus zwei Gattern (G 2, G 3) besteht, deren Ausgang über einen monostabilen Multivibrator (Gh, Gi) und über weitere Gatter (Ct, G5, G1) an den Takteingang angeschlossen ist
9. Temperatur-Meßeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet daß die Ausgänge (A'—F'Jdes Meßwertspeichers an eine Schutzschaltung zum Abschalten der Messung bei vollem Speicher angeschlossen sind, wozu die Meßwertspeicher-Ausgänge (A'-P^ über Dioden (D1-Ck) an ein Gatter (Gt) gelegt sind, dessen Ausgang mit einem Eingang des Gatters (Gj) der Multivibrator-Schaltung (G6, G1) verbunden ist
10. Temperatur-Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß ein Rückstelleingang des Binärzählers mit einer Schutzschaltung zum Verhindern des Meßvorganges bei nicht angeschlossenem Meßwiderstand (Ri) verbunden ist wozu die Konstantstromquelle (Rt T\) auf die Basis eines Transistors (Tu) geschaltet ist dessen Kollektor mit einem Gatter (Gi) verbunden ist dessen Ausgang am Rückstelleingang liegt sowie ein weiterer Eingang des Gatters (G)) mit einem an den Kollektor ebenfalls angeschlossenen Verzögerungsglied (RC) über ein Gatter verbunden ist
11. Temperatur-Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß das thermisch isolierte Gefäß als Dewar-Gefäß ausgebildet ist
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