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Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Temperaturdifferenzen Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanc.i:dnung zur messung kleiner Temperaturdifferenzen
mit Widerstandsthermometern, denen über Stromklemmen ein konstanter Strom zugeführt
ist, während an Potantialklemmen eine einer riemperatur äquivalente Spannung abgreifbar
ist.
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In verschiedene:1 Kühianlagen ist es aus Sicherheitsgründen notwendig,
daß Temperaturgefälle eines Kühlmittels längs einer Leitung beispielsweise mit einer
Genauigkeit von 0,1 0C zu messen und beim Überschreiten eines festgelegten Grenzwertes
einen Alarm auszulösen. Es besteht also einerseits die Forderung nach sehr großer
Genauiakeit, während andererseits die Kosten für eine derartige Uberwachungsanlage
möglichst gering sein sollen.
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Insbesondere in komplizierten Kühlanlagen ist eine relativ hohe Anzahl
von Meßstellen (z.E.: 250>' unumgänglich, so daß eine sichere Auswertung der
Meßergebnisse nur durch einen Prozeßrechner möglich ist, der in einer Meßzentrale
untergebracht ist und eine zeitmultiplexe Abfrage der Meßstellen vornimmt. Aus diesem
Grund stellt man auch bezüglich der Meßgeschwindigkeit hohe Anforderungen an die
jeweilige Schaltungsanordnung.
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Aus den VDE/VDI-Richtlinien "Technische Temperaturmessungen11 (VDE/VDI
3511, S. 21, Bild 21b) ist eine Schaltungsanordnung der obigen Art bekanntgeworden,
die nach dem Spannungs-Kompensationsverfahren arbeitet und in der dargestellten
Form zur Messung von absoluten Temperaturen geeignet ist.
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Bei der bekannten Schaltungsanordnung liegt eine der Zahl der Meßstellen
entsprechende Anzahl von Widerstandsthermometern in Reihe an einer Konstantstromquelle.
Die Te.lspannungen an den einzelnen Wiiferstandsthermometern , die ein Maß für die
temperatur der jeweiiigen Meßstelle sind werden über einen Meßstellenschalter abgegriffen
und einem selbstabgleichenden Kompensator zuzefbrt Der Kompensator erzeugt daraufhin
eine ablesbare Ausgangsspannung, die gleich groß wie die angelegte, jedoch entgegengesetzt
gerichtet ist; die Eichung des Kompensators kann unmittelbar in °C erço gen.
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Seinen Versorgungsstrom entnimmt der Kompensator einer weiteren Konstantstromquelle.
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Zunächst ist bei der beschriebenen Schaltungsanordnung als nachteilig
anzusehen, daß zwei Konstantstromquellen erforderlich sind, die unabhängig voneinander
auf bestimmte Absolutwerte einzuregeln sind.
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Will man mit der Schaltungsanordnung eine Temperaturdifferenz messen,
so muß als erstes jeder Einzelwert gemessen und gespeichert werden. Danach ist dann
aus diesen zwei relativ großen Absoluttemperaturen eine gegebenenfalls sehr kleine
Differenz zu bilden. Abgesehen von dem sehr großen Schaltugsaufwand können die dabei
auftretenden Fehler so groß werden, daß ein Einsatz der Schaltungsanordnung für
derartige Meßaufgaben von stornherein ausgeschlossen ist.
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Aufgabe der voriiegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung
der obigen Art zu schaffen, die beispielsweise einen zulässigen Fehler von 0,10C
bei der Temperaturdifferenzmessung mit Sicherheit einhält und sich, gemessen an
bekannten Schaltungsanordnungen, mit geringen finanziellen Kosten realisieren läßt.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die beiden äußeren Anschlußpunkte
zweier in Reihe geschalteter Widerstandsthermometer einerseits mit einem hochohmigen
Verstärker und andererseits mit einander entsprechenden Polen zweier Konstantstromquellen
verbunden sind und daß an der Verbindungsstelle der Widerstandsthermometer ein Rückleiter
angeschlossen ist.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand des in den Figuren 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Messung mehrerer Temperaturdifferenzen
und Fig. 2 bis 3 vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung.
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Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In Fig. 1 sind mit T1 ... T4 Widerstandsthermometer bezeichnet, die
den Temperaturen #1 1 ... z'%4 ausgesetzt sind.
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Durch jeweils zwei Widerstandsthermaneter T1/T2 und T3/T4 sind die
Temperaturdifferenzen # 1 - #2 und #3 - #4 zu messen.
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Daneben sind mit Q1 und Q2 Konstantstromquellen, mit V1 und v2 Verstärker,
mit V3 ein Spannungsverstärker, mit s ein Meßstellenschalter und mit F ein Regier
bezeichnet, dem ein Stellmotor M und ein Stellwiderstand R2 nachgeschaltet ist Die
Schaltungsanordnung zeichnet sich durch folgende Wirkungsweise aus: In der dargestellten
ersten Stellung des Meßstellenschalters S sind zwei gleiche, hintereinandergeschaltete
Widerstände R so mit den beiden Konstantstromquellen Q1 und Q2 verbunden,
daß
jeder Widerstand R von einem Konstantstrom I1 bzw. 12 durchflossen wird, wobei die
Stromrichtungen allerdings entgegengesetzt sind. Zu diesem Zweck sind die äußeren
Anschlußpunkte der in Reihe liegenden'Widerstände R an einander entsprechende Pole
der Konstantstromquellen Q1, Q2 angeschlossen, während die Rückführung der Konstantströme
I1, 12 über einen gemeinsamen, an der Verbindungstelle der Widerstände R a;igeschlossenen
Rückleiter vorgenommen wird.
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An den äußeren Anschlußpunkten der Widerstände R entsteht so eine
Differenzspannung, die proportional der Differenz der Konstantströme I1, I2 ist.
Diese Differenzspannung ist über weitere Kontakte des Meßstellenschalters S einem
Regler F zugeführt, der den Konstantstrom I1 der einen Konstantstromquelle Q1 über
einen Stellmotor M und einen Stellwiderstand R2 solange verändert, bis die Differenzspannung
zu Null geworden ist. In a diesem Fall stimmen die beiden Konstantströme I1 und
I2 überein.
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Nach dieser genauen Einstellung der Konstantströme I1, 12 kann nun
die erste Messung ( q 1 ~ 9 2) durchgeführt werden. In der zweiten Stellung des
Meßstellenumschalters sind die an zwei Meßstellen befindlichen Widerstandsthermometer
T1, T2 wie zuvor die Widerstände R an die Konstantstromquellen Q1' Q2 angeschaltet.
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An den äußeren Anschlußpunkten a, b der in Reihe geschalteten Widerstandsthermometer
T1, T2 sind weitere Leitungen angeschlossen
und durch den Meßstellenschalter
S an den Eingang eines Spannupgsverstärkers V3 gelegt, Die Rückführung der Konstantströme
I1, 12 erfolgt über getrennte Leitungen.
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In Fig. 1 sind die Leitungswiderstände, die unterschiedliche Werte
annehmen können, einheitlich mit RL bezeichnet. Unterschiedlich große Leitungswiderstände
RL beeinflussen das Meßergebnis jedoch nicht, da die Spannungsabfälle an den Widerstandsthermometern
durch eingeprägte Ströme hervoraerufen werden. Daneben sind mit dem Spannungsverstärker
V3 Spannungsmessungen ohne Stromentnahme durchzuführen.
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Sind die Temperaturen #1 und #2 identisch, so wird 2 zwischen den
Punkten a und b infolge der Gleichheit der Konstantströine I1 und I2 keine Differenzspannung
zu messen sein.
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Sobald aber die Temperaturen #1 und # 2 und mit auch die Werte der
Widerstandsthermometer T,, m voreinander abweichen, entsteht zwischen den Punkten
a und b eine der jeweiligen Temperaturdifferenz #1 - #2 äquivalente Spannung, die
der 1 -Spannungsverstärker V3 in eine zur Weiterverarbeitung geeignete elektrische
Größe umformt.
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In der dritten Stellung des Meßstellenschalters S erfolt in Analogie
zu den obigen Ausführungen die Messung der Teperaturdiiferenz # 3 - # 4 durch dle
Widerstandsthermometer T3, T4.
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Bei der beschriebenen Schaltungsanordnung ist es in bestimmten Zeitabständen
erforderlich, die Beträge der Konstantströme I1 und 12 zu kontrollieren und gegebenenfalls
nachzuregeln, da bei Konstantstromquellen im Dauerbetrieb gewisse Veränderungen
der Ausgangsströme eintreten können. Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen
Schaltungsanordnung liegt darin, daß infolge des zur Anwendung kommenden Meßprinzips
nur die Differenz der Konstantströme Ii, 12 hinreichend klein sein muß, während
bei bekannten Schaltungsanordnungen die Absolutbeträge zweier Ströme entsprechend
konstant zu halten sind.
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Ferner ist als besonders vorteilhaft anzusehen, daß aus der Schaltungsanordnung
ohne vorherige Messung und Speicherung von absoluten nemperaturen direkt eine einer
Temperaturdifferenz-äqui-alente Spannung hervorgeht.
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In Fig. 2 ist der in Fig. 1 enthaltene Stellwiderstand R2 durch digital
abgestufte Widerstände R21 ... R25 ersetzt.
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Je nach dem Ausgangssignal des Reglers F nimmt eine Steuerschaltung
M' eine Ab- bzw. Zuschaltung einzelner oder mehrerer Widerstände R21 ., t R25 vor.
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In Fig. 3 sind beide Verstärker V1 V2 durch eine Spannungsquelle U,
die mittels einer Zenerdiode Z stabilisiert ist, versorgt. Die an der Zenerdiode
Z anliegende Spannung wird
durch einen Umschalter U alternierend
zwei Kondensatoren cl, C2 zugeführt, an denen bei einer ausreichend hohen Umschaltfrequenz
gleiche, nahezu konstante Spannungen liegen. Diese Spannungen liegen an den Eingängen
der Verstärker V1, V2, so daß die Konstantströme I1, I2 nun durch Widerstände R1,
R4 einstellbar sind.
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Veränderungen der Konstantströme I1, I2 bei einer in Fig. 1 dargestellten
Schaltungsanordnung lassen sich auch dadurch vermeiden, daß die Eingangsspannungen
der Verstärker V1, V2 von zwei Normalelementen geliefert werden.
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Da die Verstärker V1, V2 sehr hochohmig sind, befinden sich die Normalelemente
im quasi unbelastetem Zustand.
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Auf eine weitere Regelung der Konstantströme I1, I2 kann in diesem
Fall verzichtet werden.
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Neben Temperaturdifferenzen können mit der Schaltungsanordnung nach
Fig. 1 auch absolute Temperaturen gemessen werden, wenn jeweils eines zweier in
Reide liegender Widerstandsthermometer durch einen temperaturunabhängigen Widerstand
ersetzt ist Wenn beispielsweise die Tem eratur #1 gemessen werden soll, und das
WiderstBndsthermometer T2 durch einen temperaturunabhängigen Widerstand ersetzt
ist, so entsteht zwischen den äußeren Anscblußpunkten a, b eine der Temperaturz»1
proportionale Differenzspannung.
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8 Seiten Besciireibung 7 Ansprüche 2 Blatt Zeichnungen mit 3 Figuren