DE2409841A1

DE2409841A1 - Temperaturmessbruecke mit platinwiderstandsfuehler

Info

Publication number: DE2409841A1
Application number: DE2409841A
Authority: DE
Inventors: Arnfried Dipl Ing Preuss
Original assignee: Howaldtswerke Deutsche Werft GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1974-03-01
Publication date: 1975-09-04
Also published as: FR2262796B3; FR2262796A1; US4044613A

Description

fcotenflngenleur Georg Hanstnannn VbI

t Hamburg SO Attona · Julius-Leber-Straß· 21 240984Ί

Anmelder; Howaidtswerke - Deutsche Werft Aktiengesellschaft Hamburg und Kiel, 23 Kiel 14, Schwentinestraße

Temperaturmeßbrücke mit Platinwiderstandsfühler

Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturmeßbrücke mit Platinwiderstandsfühler . zur genauen Messung insbesondere kleiner Temperaturschwankungen bei direkter Anzeige des Meßwertes.

Beim Aufbau einer Vorrichtung für hochgenaue Messungen von physikalischen Größen steht im Vordergrund das Bemühen, möglichst alle Tehlerverursachenden Einflüsse zu vermeiden. Bei der elektrischen Messung nichtelektrischer Größen ist prinzipiell ein Fühler erforderlich, der die nichtelektrische Größe in eine elektrische Größe umwandelt, die ihrerseits im allgemeinen auch von anderen Einflußgrößen (Feuchte, Druck, Strahlung etc.) abhängig und somit mit gewissen Fehlern behaftet ist. Die gleiche Betrachtungsweise gilt auch für die eigentliche Meßeinrichtung. Auch hier bringt jede weitere Umformung der Fühlerausgangsgröße zusätzliche Fehler. Deshalb wird möglichst solchen Meßverfahren der Vorzug gegeben, die den direkten Vergleich der Fühlerausgangsgröße mit einem genauen Vergleichsnormal erlauben. Diesem Prinzip· des "Wagens" entsprechen die vielfältigen Ausführungsformen von Meßbrücken.

Insbesondere bei Temperaturmeßbrücken sind vielfältige Schaltungen bekannt geworden, die sich meist auf den Typ der Wheatstonebrücke zurückführen lassen. Als Temperaturfühler wird für genaue Messungen der Platinwiderstandsfühler verwendet, dessen nichtlineare Temperatur-Widerstands-Charakteristik durch die Beziehung '^(/^'j^l^i^^oitv'^ßrjj gegeben ist, wobei R der Widerstandswert bei 0 C ist, o<w bzw. /3 spezifische Konstanten sind und ty die jeweilige Temperatur angibt.

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Eine bekannte Brückenanordnung mit dem Temperaturfühler den Festwiderständen R-, R- und dem variablen Nachstellwiderstand R (y), welcher sich aus einem festen Anteil R und einem von der Nachstellgröße y abhängigen Teil^lR . y zusammensetzt, ist in Fig. 1 skizziert. Bei dieser Schaltungsart müssen die Brückenwiderstände R₁, R« und R (y) von sehr hoher Stabilität sein, denn jede Änderung bewirkt eine Brückenverstimmung, die nicht auf eine Änderung der Meßgröße zurückzuführen ist, aber eine solche vortäuscht. Dieser Effekt kommt umso stärker zum Tragen, je kleiner die zu messende Widerstandsvariation des Fühlers ist. Ein solcher Fall ist z.B. beim Messen von Wassertemperaturen im Meer gegeben, wo bei relativ kleinen Temperaturschwenkungen Änderungen von einigen Hunderstel Grad Celsius gemessen werden sollen. * - "·■-.-

Eine andere Schaltungsart^ die mit nur einem gehauigkeitsbestimmenden Widerstand auskommt, ist in Fig. 2 dargestellt, in der zwei Brückenwiderstände durch einen induktiven.Spannungsteiler T ersetzt sind. Nachteilig an dieser Schaltung ist, daß die Größe des Abgleichwiderstandes R (y) in der gleichen Größenordnung liegen muß, wie der Widerstandswert des Fühlers. Da naturgemäß die temperaturabhängige Widerstandsänderung des Fühlers nur gering ist, muß der variable Anteil y^3 R (Stellwiderstdnd) sehr niederohmig ausgeführt werden, was bei Stufenwiderständen mit großem Aufwand verbunden ist. Dabei ist zu beachten, daß wegen der gewünschten Linearität der Anzeige y keine Leitwertschaltung, die wesentlich günstigere Werte erlauben würde, angewendet werden kann. Ein weiterer Nachteil der Schaltung nach Fig. 2 liegt darin, daß bei Verwendung oder Austausch von Fühlern mit unterschiedlicher Charakteristik nicht nur der Nullpunkt mit R neu justiert, sondern auch die Teilung des Stellwiderstandes Y'Δ R korrigiert werden muß, was im allgemeinen mit großen

Schwierigkeiten verbunden ist.

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Eine weitere bekannte Meßanordnung, die ebenfalls rrilfc nur einem als Vergleichsnormal dienenden Festwiderstand auskommt und für hochgenaue Temperaturmessungen mit Widerstandsthermometern geeignet ist, ist in stark vereinfachter Form in Fig.3 dargestellt. Der Abgleich der Brücke erfolgt durch Verändern des Übersetzungsverhältnisses ü_o eines Übertragers. Im Abgleichfall ist der Spannungsabfall am Vergleichswiderstand R~ gleich dem Spannungsabfall am Meßföhlerwiderstand R Es gilt also

U_{1 B} R₃ . I₁ β R(,/) . i₂ = u₂

Wegen I, « U₁ · i_o und i« = ü- . i_o gilt auch R₃ . U₁ . ig s R(^) . U₂ . i₃ oder ß ^Ü1

3 =
2

Nachteilig an' dieser Meßanordnung ist natürlich, daß aus dem gemessenen übersetzungsverhältnis wohl auf den absoluten Widerstandswert R(/iT) des Fühlers, nicht aber unmitttelbar auf den zugehörigen Temperaturwert«/ geschlossen werden kann. Wegen der nichtlinearen Temperatur-Widerstands-Charakteristik ist immer eine Umrechnung erforderlich, was gerade bei automatischen Meßmethoden unerwünscht ist.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu schaffen, die die genannten Nachteile nicht aufweist und eine lineare Temperaturanzeige ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine den Meßfühler R(/5*) enthaltende, fest abgeglichene Wheatstone-Brücke verwendet wird, deren vom Meßwert^"* abhängige Ausgangsspannung durch einen von einer Nachstellgröße y veränderbaren ohmschen Spannungsteiler so nachgebildet wird,

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daß bei einer vorhandenen Nichtlinearität des Fühlers im Abgleichfall ein linearer Zusammenhang derart entsteht, daß J*= const. · y wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teiler der fest abgeglichenen Wheatstone-Brücke als induktiver Spannungsteiler ausgebildet ist, und daß zur Korrektur der Nichtlinearität des Fühlers die Speisespannung für den veränderbaren ohmschen Teiler in einem bestimmten Verhältnis •aus der Brücken-Speisespannung hergeleitet wird.

Die Funktion der Brücke wird anhand von Fig. 4 und Fig. 5 beschrieben. In der OS 1591927 ist nachgewiesen worden, daß die Ausgangsspannung einer 5;heatstone-Brücke, die einen sich mit einer Verstellgröße χ verändernden Widerstand χ · ^R

enthält, durch einen Nachbildungsteiler, der einen sich mit einer Nachstellgröße y verändernden Widerstand y · /A R enthält, so nachgebildet werden kann, daß χ = const · y wird. Es gilt nämlich in der entsprechenden Schaltung nach Fig. 4 füx* die Ausgangsspannung u, der Wheatstone-Brücke,

B) Z

während die Spannung υ am Nachbildungsteiler mit

U
S

Wird hier ü.· υ = -^ gesetzt, dann vereinfacht sich die Ab gleichbedingung zu

oder

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Der Zusammenhang zwischen der Verstellgröße χ und der Nachstellgröße y ist also linear. Bemerkenswert ist außerdem, daß die .Stufung /\ R des Abgleichwiderstandes frei gewählt werden

kann, obwohl mit der Wahl des Fühlers die Größen Δ R und . . χ

Rk vorgegeben sind. Damit kann der Nachbildungsteiler bequem mit.solchen Widerständen aufgebaut werden, die preiswert und mit hinreichender Toleranz gefertigt werden können. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ergibt sich daraus, daß bei nicht veränderbaren Fühlereigenschaften /i R und R. und bei nicht veränderbarer Charakteristik A R (Skala, Abstufung) des Abgleichwiderstandes die Konstante in Zusammenhang χ =Con*i«y durch Variation von R— im Nachbildungsteiler geändert werden kann. Dies bedeutet die einfache Anpassung an unterschiedliche Fühlercharakteristiksn.Hervorzuheben ist auch, daß die Meßbereichslage allein durch Ru bestimmt wird, während der Nachbildungsteiler mit seinen Eigenschaften lediglich den Bereichsumfang bestimmt. Er muß deshalb insbesondere bei kleinen Meßbereichen nicht die Stabilitätsbedingungen erfüllen, wie der Widerstand R^.

Wird nun die Brücke in der V/eise modifiziert, daß bei einem BrückenteilerverhältnisT^K£'"f a'as Übersetzungsverhältnis ü / 0,5 gewählt wird, dann geht die Abgleichbedingung über in

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■ Man erkennt, daß der zweite Term im Nenner nicht zu Null wird und abhängig ist vony; d.h. der Zusammenhang zwischen dex* Verstellgröße χ und der Nachstellgröße y wird nicht linear. Diese Tatsache kann dazu benutzt werden, um die vorhandene Nichtlinearität des Meßfühlers auszugleichen.

Fig. 5 zeigt eine praktische Ausführungsform der Temperatur-Meßbrücke, bei der vorteilhafterweise der Nachbildungsteiler mit einem variablen Leitwert G(y ) = £ G .y und dem festen Leitwert G realisiert ist und dessen Speisespannung einem Abgriff des induktiven Spannungsteilers T entnommen wird.

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Claims

Patentanspruch

Hit Wechselstrom gespeiste Temperatur-Meßbrücke, die eine den Meßfühler R(<^) enthaltende fest abgeglichene Wheatstone-Brücke enthält, deren vom Temperatur-Meßwerte abhängige Ausgangsspannung durch einen von einer Nachstellgröße y veränderbaren ohmschen Spannungsteiler so nachgebildet wird, daß bei einer vorhandenen Nichtlinearität des Fühlers R(<i/ ) ein linearer Zusammenhang derart entsteht, daß^T*= const · y wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teiler der fest abgeglichenen Wheatstone-Brücke als induktiver Spannungsteiler ausgebildet ist und daß zur Korrektur der Nichtlinearität des Fühlers die Speisespannung für den veränderbaren (ohmschen) Teiler in einem bestimmten Verhältnis (Uj₄) aus der Brücken-Speisesponnung hergeleitet wird.

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