DE2610468A1

DE2610468A1 - Kaltverbindungskompensator zur verwendung in thermoelementenkreisen

Info

Publication number: DE2610468A1
Application number: DE19762610468
Authority: DE
Inventors: Betty Ruth Hollander; William Earl Mckinley
Original assignee: Omega Engineering Inc
Current assignee: Omega Engineering Inc
Priority date: 1975-03-13
Filing date: 1976-03-12
Publication date: 1976-09-30
Also published as: GB1531423A; CA1069337A; JPS51117084A

Description

-a

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Kaltverbindungskompensator zur Verwendung in Thermoelementenkreisen·

In Thermoelementenkreisen ist es bei gewissen Messungen notwendig, zwei identische Thermoelemente zu verwenden und, wahrend eines bei einer Bezugsteuiperatur gehalten wird, das andere zum Messen der Temperatur der'zu untersuchenden Umgebung zu benutzen. Unter Laborbedingungen wird die Temperatur des ersten Thermoelements gewöhnlich durch Verwendung eines Eisbades auf dem Gefrierpunkt (0 C) oder mittels eines temperaturgesteuerten Ofens auf einer höheren festgesetzten Temperatur gehalten, und das erste Thermoelement wird gewöhnlich als Bezugsele— ment oder "Kaltverbindung" bezeichnet. Oas andere Thermoelement wird in die untersuchte Umgebung eingeführt und ist als "Fuhlverbindung" oder "Heißuerbindung" bekannt. Die bekannten herko mmlichen Methoden zur Aufrechterhaltung einer gleichmaßigen Temperatur der ersten temperaturgesteuerten l/erbindung sind zwar zum Einsatz unter Laborbedingungen zufriedenstellend; sie sind jedoch in bezug auf Gewicht, Größe, Kosten, Stromverbrauch, Wartung, Anwarmezeit und Eiserneuerung oder -verschmutzung fur viele Industrisanwendungen, insbesondere was Flug-

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zeug— und Raketengeschoßanuendungen anbetrifft, unpraktisch·

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Zurverfügungstellung eines Kaltlotstellenkompensators zur Verwendung in Thermoelementenkreisen, der das physikalische und elektrische Äquivalent eines Eisbad-Bezugsthermoelements bei 0 C bietet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Zurverfügungstellung eines äußerst vielseitigen Kaltuerbindungskompensators, der nicht großer als ein herkömmlicher Schnelltrenn-Thermoelementanschluß und leicht tragbar ist.

Ein zusatzliches Ziel der Erfindung ist die Zurverfügungstellung eines Kaltlotstellenkompensators, der von einer austauschbaren unabhängigen druckknopfartigen Quecksilberbatterie aus betrieben werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Kaltverbindungskompensator folgende Teile:-

(i) einen ersten Eingangsanschluß zum Anschluß an ein erstes Element eines FühlthBrmopaars, uiobei besagter erster Anschluß aus einem Material einer Therraoverbindung besteht;

(ii)einen zusiten Eingangsanschluß zum Anschluß an ein zweites Element des besagten Fühlthermopaars, wobei der besagte Anschluß aus besagtem einen Material einer Thermoverbindung bestehtj
(iii) einen ersten mit besagtem ersten Anschluß eine Thermoverbindung bildenden

Leiter;
(iv) einen zweiten mit besagtem zweiten Anschluß eine Thermoverbindung bildenden Leiter;

(v) ersten und zweiten Ausgangsklemmen;
(vi) einer elektrischen Verbindung zwischen besagtem ersten Leiter und besagter erster Ausgangsklemme;

(vii) einen Spannungserzeugerkreis zwischen besagtem zweiten Leiter und besagter zweiter Ausgangsklemme, wobei der besagte Erzeugerkreis so konstruiert ist, daß über einen Temperaturbereich hinweg die bei jeglicher Temperatur erzeug-

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le Spannung gegenüber dem von den besagten Thermoverbindungen bei jener Temperatur erzeugten Spannungsdifferential eine symmetrische Ablenkspannung darstellt.

In einer bevorzugten Form ist der Spannungserzeugerkreis eine ülheatsbne—Bruckenanordnung einschl. einer Speisebatterie, bei der ein Zweig üliderstandselemente enthalt, deren Wert sich entsprechend den Temperaturschuiankungen verändert, z.B. Thermistoren·

Zweckdienlicherueise ist der Kompensator in einem Baustein angeordnet, in dem die Eingangsanschlusse Steckkontakte oder Steckbuchsen bilden oder in diesen eingeschlossen sind, zur Verwendung mit einer herkömmlichen weiblichen oder mannlichen Stopselanschluß-Thermoelement eneinheit.

Ein wichtiger Vorteil kann bei der Erfindung durch Computer-üJahl der Widerstände fur die Briickenschaltung erzielt werden, die den Charakteristiken eines eng aufeinander abgestimmten Thermistorenpaars gleichen, das die gleiche oder ungefähr die gleiche Temperatur-üliderstandskurve, z.B. innerhalb .2 C Austauschbarkeit oder am besten innerhalb 1 C Austauschbarkeit, hat·

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung ist die Möglichkeit eines Austausches der Widerstandsteile der Schaltung, z.B. durch Stöpseln alternativer Einheiten, so daS das gleiche abgestimmte Thermistorenpaar fur verschiedene Schaltkreise sowie Metall-Metall-Kombinationen verwandt werden kann·

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung ist die Möglichkeit des Austausches des Thermistorteils der Schaltungsanordnung zusatzlich oder anstelle des Austausches dBs Uiderstandsteils der Schaltungsanordnung.

Die Stromversorgung des Spannungserzeugerkreises wird durch eine Primärbatterie erzielt, und mindestens die Batterie und die Schaltungsanordnung können gekapselt werden. Andernfalls kann der Batteriestrorakreis Schalteinrichtungen enthalten·

Die obigen und alle anderen Ziele, Merkmale und Vorzüge werden aus der folgenden Beschreibung einer Anwendungsform eines Kaltlotstellenkompensators unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen hervorgehen.

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Abbildung 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kaltlotstellen-

kompensatorbausteins mit für die Aufnahme der Stifte eines männlichen Steckkontaktes angepaßten Steckbuchsen;

Abbildung 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Kompensatorbausteins mit männlichen Stiften zum Eingriff in eine weibliche Steckbuchse;

Abbildung 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Kompensatormoduls, bei dem die Abdeckteile getrennt gezeigt und die Stifte forgelassen morden sind·

Abbildung 4 ist ein Schaltbild der Innenbestandteile und Anschlüsse des {Compensators gemäß Zeichnungen 1, 2 und 3·

Es wird zuerst auf Abb. 4 Bezug genommen; die Einheit hat Klemmen 1 und 2 zur Aufnahme dBs Eingangs eines Fühlthermoelements JJH. Leiter lja und 2ji bestehen beide aus der gleichen Thermoelementlegierung, und Leiter IJb und 2b_ bestehen beide aus Kupfer. Leiter 2£ verbindet Klemme 2 mit einer Thermoelementlotstelle 3_g, und Leiter 2b_ verbindet Lotstelle 3g direkt mit einer Ausgangsklemme 3 eines Ausgangskiern— eenpaars 3,4, das an ein Meßinstrument odex einen Aufzeichner ΓΠ angeschlossen ist. Leiter la verbindet Klemme 1 mit einer Thermoelementlötstelle 3 , und Leiter Ib verbindet Punkt 3g mit einer Brückenschaltung. Der aus Kupfer bestehende Leiter 4b_ verbindet die Bruckenschaltung mit Ausgangsklemme 4. Thermolotstellen 3₅ und 3_fi «erden zwischen den Thermoelementlegierungsleitern la_ und 2£ und den Kupferleitern lb_ und 2jb gebildet· Ein Zweig der Brücke wird durch Widerstände R und R₅ sowie Regelwiderstand P hintereinandergeschaltet, und der andere Zweig der Brücke udrd durch zwei Thermistoren "Π. und 1- sowie Nebenschlußwiderstand O gebildet. Ein Widerstand R_ß ist zentral über die Brücke angeschlossen und bietet einen Ausgang fur Leiter IJb und 4Jd. Eine Batterie _B und Widerstand R sind zu den Enden der Brücke hintereinandsrgeschaltet.

Werte der Widerstände Rl, R2, R5, RS und D sind in der folgenden Tabelle fur verschiedene Thermopaare aufgeführt:

und T₂ = (z.B. YSl 44031 10k (I 25°C, oder YSl 44006)

Thermistoren

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oder jades gleichwertige Thermistorenpaar, das die gleichen Temperatur— oder UJiderstandscharakteristiken aufweist«

Widerstand	Eisen Konstanten	Chromel Alumel	Platin Platinlegierung	Chromel Konstanten	Kupfer Konstanten
^R1	15k	15k	150k	15k	15k
«2	110	57,6	95,3	68,1	61,9
^R5	1,105k	565,1	1,409k	693,1	626,4
^R6	150	124	174	200	124
D	3,74k	3,3Bk	2,5k	3,65k	3,65k

J3 ist eina Einzellenbatterie, wie z.B. "Flallory" PX625. £ ist ein Regelwiderstand — 50 Ohm·

Das System umfaßt zu/ei temperaturempfindliche Elemente (Thermistoren), die mit den Kaltlotsteilen 5 und 6 thermisch integriert sind. Der Kreis uird durch Batterie 0i gespeist. Die Ausgangsspannung durch Widerstand R~ ist proportional zu der zwischen einer voreingestellten gleichwertigen elektronischen Bezugstemperatur und der Temperatur einer Heißlotstellentstehenden Ungleichheit. Bei diesem System kann die Bezugstemperatur 0 C gewählt werden.

Da die Kaltlotstellen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind, uird in ihnen eine thermisch erzeugte Spannung gebildet. Diese Spannung wurde als Fehlerspannung erscheinen, es sei denn, sie wird neutralisiert. Dieses geschieht durch automatische Einfuhrung einer symmetrischen Ablenkspannung in den Kreis. Diese hebt die Fehlerspannung auf und halt das elektrische Äquivalent einer statischen Bezugsverbindungstemperatur über einen weiten Umgebungstemperaturbereich bei einem hohen Genauigkeitsgrad aufrecht. Durch Integration der Kupferleitungen mit den Kaltlötstellen uird das Thermoelementmaterial selbst nicht mit der Eingangsklemme der Meßuorrich— tung JN in Verbindung gebracht, so daß Nebenfehler ausgeschaltet sind«

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— ο —

Die Schaltung ist eine Brücke fur das Thermistorenpaar T-, T₂, und die entsprechenden Widerstände gemäß der hierin enthaltenen Tabelle sind durch Computerausgabe zur Erzielung einer fast gleichmäßigen Temperatur-Widerstandskurve gewählt morden· Das Thermistorenpaar T₁, T₂ wird vorzugsweise so identisch wie möglich gewählt, und die Widerstände sollten so gewählt werden, daß sie innerhalb 2%, wenn möglich innerhalb 1% der in der Tabelle auf Seite 6 angeführten Werte liegen·

Als nächstes wird auf Zeichnungen 1 bis 3 Bezug genommen; der Baustein besteht aus einem Korper 6 mit einer großen 7 und einer kleineren Abdeckung B, die so ausgeführt sind, daß sie von in Locher 10 eingesetzte und in fluttern 11 eingreifende Metallschrauben 9 auf dem Korper 6 gehalten werden« An einem Ende des Korpers 6 liegen zwei Eingangssteckbuchsen 12,13, vor, die den Klemmen 1 bzw· 2 (s.Abb· 4) entsprechen und jeweils mit den Eingangsleitern l£ und 2£ verbunden sind. Am anderen Ende des Korpers 6 liegen Schraubklemmen 3,4, vor, die den Ausgangsklemmen 3 und 4 der Zeichnung 4 entsprechen· Als Zwischenlage erhalt der Korper eine entfernbare Platte 14 isolierenden Materials, auf der die Widerstände R., fL, R₅, R- und D sowie dBr Regeluiderstand £ montiert sind· Ein aufeinander abgestimmtes Thermistorenpaar T₁, T₂ kann für verschiedene Schaltungen und Netal!kombinationen durch mcdularen Austausch der Uiderstandsteile der Schaltung durch Einstopsein alternativer Einheiten verwandt werden· Auf der Platte 14 befindet sich eins Ausbuchtung 15 zur Aufnahme der durch einen Federkontakt gehaltenen Batterie _B. Auf der Außenflache des Korpers 6 befindet sich eine drehbar abnehmbare Abdeckung 17 fur die Batterie J3, die gleichzeitig als Zufuhrschalter dient und ζ·Β· drei von einer Markierung 18 angezeigte Positionen haben kann, die die Zustande "aus", "offnen" und "ein" anzeigen. Der Schalter ist in dem Schaltbild der Abb. 4 nicht dargestellt; er konnte fortgelassen werden,und die Einheit könnte für die Dauer des normalen Betriebslebens der Batterie, angenommen 2000 Std. oder mehr, gespeist bleiben. Er wurde in dem Schaltschema in Zeichnung 4 in der Verbindung mit einem der Pole der Batterie _B zu sehen sein·

Die Vorrichtung kann in den erregten Zustand versetzt und dann gekapselt werden, um am Ende des nützlichen Betriebslebens der Batterie weggeworfen zu werden·

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Durch Einfuhrung eines spitzen Gegenstandes wie z.B. einer Bleistiftspitze, -'-ch eine Öffnung in der Abdeckung 17 kann von einer Batterietestlampe 19 Gebrauch gemacht werden, die parallel zur Batterie gebracht wird und den Zustand der Batterie anzeigt·

Die Eingangssteckbuchsen 12 und 13 können als Steckbuchsen eines herkömmlichen ■innlich/weiblichen Steckanschlusses dienen, z. B. in der in Abb. 1. dargestellten Form, bei der die Steckbuchsen zur Aufnahme der Stifte 21, 22 eines herkömmlichen mannlichen Thermoelementsteckers 23 angepaßt worden sind·

Die Steck'buchsen 12 und 13 können weiterhin, wie in Abb· 2 dargestellt, entfernbare Stifte 24 und 25 aufnehmen, so daß der Baustein dann mannliche Stifte 24 und 25 zur Einführung in die Steckbuchsen einer herkonmlichen weiblichen Thermoelementzentralbuchse 26 besitzt« Die Stifte 24 und 25 sind vorzugsweise unterschiedlichen Durchmessers und aus unterschiedlichen FIetallen.

Bsi einer praktischen Anwendung konnte der Bausteinkorper 6 folgende Abmessungen haben:

Lange ■ .......... 7,6 cm

Breite «······... 2,5 cm

Dicke ········.· 1,3 cm

Gewicht, mit Batterie, ca« 56 g.

Der gesamte Kaltlötstellenbaustein kann unter Verwendung der Stifte 24 und 25 in jede beliebige herkömmliche Thermoelementplatte oder in jeden beliebigen mannlichen oder weiblichen Steckanschluß gestöpselt werden. Er kann höchst bestandig, d.h· mit einer Beständigkeit, die besser als * 1 C bei jeglicher Temperatur über einen Bereich von 1 ID C bis £ 50 C ist, gemacht werden. Seine Ausgangsklemmen können mit gewohnlichen Kupferleitungen an Zahler, Aufzeichner oder Potentiometer angeschlossen werden. Die kleine "druckknopfartige" Batterie (z.B. Plallory PX625) kann über 2500 Stunden ununterbrochenen Betriebs geben. Die Schaltungsbestandteile benotigen keine Anwarmzeit, Der Baustein kann vorzugsweise auf übliche Art mit einem Farbencode fur das Paar metallener Thermoelemente, mit denen er zusammenarbeiten soll, versehen werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Ein Kaltlotstellenkompensator, gekennzeichnet durch:

(i) einen ersten Eingangsanschluß(2) zum Anschluß an ein erstes Element eines Fühlthermopaars, wobei dieser erste Anschluß aus einem Material einer Thermouerbindung besteht;
(ii) einen zweiten Eingsngsanschluß(l) zum Anschluß an ein zweites Element besagten Fuhlthermopaars, wobei dieser besagte zweite Ansdhluß aus besagtem Material einer Thermoverbindung besteht;

(iii) einen ersten Leiter (2a_), der mit besagtem ersten Anschluß(2) eine Thermouerbindung bildet;
(iv) einen zweiten Leiter (la), der mit besagtem zweiten Anschluß (l) eine Thermoverbindung bildet;

(v) eine erste und zweite Ausgangsklemme (3,4);
(vi) eine elektrische Verbindung (2Jd) zwischen besagtem ersten Leiter (2a) und

besagter erster Ausgangsklemme (3);
(vii) einen Spannungserzeugerkreis (lb, T₁, T₂, R-j, R₂* %» R_ß» P» B"» ⁿ, 4£)

zwischen besagtem zweiten Leiter (la_) und besagter zweiter Ausgangsklemme (4), wobei der besagte Erzeugerkreis so konstruiert ist, daß über einen Temperaturbereich die bei jeglicher Temperatur erzeugte Spannung gegenüber dem von den besagten Thermoverbindungen bei jener Temperatur erzeugten Spannungsdifferential eine symmetrische Ablenkspannung darstellt.

2· Ein Kaltlotstellenkompensator gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem besagten Spannungserzeugerkreis um einen Wheatstone-BriJckenkreis einschl. einer Speisebatterie (B) handelt, wobBi ein Zweig der Brücke won Widerstanden (T-, T„) gebildet wird, deren ü/iderstandskiert entsprechend der Temperatur schwankt.

3. Ein Kaltlotstellenkompensator gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den besagten Widerstanden um Thermistoren (T₁, T«) handelt.

4. Ein Kaltlotstellenkompensator gemäß jeglichem der Patentansprüche 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß besagte erste und zweite Eingangsanschlusse

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(2, 1) Stsckbuchsen (12, 13) sind, dia zur Aufnahme der Stifte (21,22) einer Thermoelementenstopseleinheit adaptiert worden sind«

5· Ein Kaltlotstellenkompensator gemäß Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Stopselvorrichtungen (24,25) in jenen Steckfassungen (12, 13) zum Eingriff in eine Thermoelementenbuchseneinheit (26) angeordnet sind«

6· Ein KaltlStstellenkompensatorbaustein, gekennzeichnet durch:-

(a) einen Korper (6) einschließlich abnehmbar aufsteckbarer Abdeckung (7, 8) und

(b) einen in besagtem Korper (6, 7, 8) montierten Kaltlotstellenkompensator gemäß Patentanspruch 1, mit besagten zuganglich an der Außenseite des besagten Korpers (6,7,8) angeordneten ersten und zweiten Eingangsanschlüssen (2,1)·

7· Ein Kaltlotstellenkompensatorbaustein, gekennzeichnet durch:

(a) einen Körper (6,7,8) einschließlich einer Abdeckung (8) und

(b) einen in besagtem Körper (6,7,8) angeordneten Kaltlotstellenkompensator gemäß Patentanspruch 2, wobei sich besagte erste und zweite Eingangsanschlüsse (2,1) zuganglich an der Außenseite des besagten Korpers (6,7,) befinden und besagte Abdeckung (8) entfernbar ist und somit Zugang zu den ersten und zweiten Ausgangsklemmen (3,4,) bietet«

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