DE2737356A1

DE2737356A1 - Thermoelementanordnung zur temperaturerfassung

Info

Publication number: DE2737356A1
Application number: DE19772737356
Authority: DE
Inventors: Hisato Wakamatsu; Akio Yazawa
Original assignee: Nippon Soken Inc; NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1976-09-22
Filing date: 1977-08-18
Publication date: 1978-03-02
Also published as: US4135402A; DE2737356C2

Description

TlEDTKE - BüHLING - K'*NE - Gr. Patentanwälte:

Dipl.-Ing. H. Tiedtke Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. P. Grupe

Bavarlarlng 4, Postfach 20 2403 8000 München 2

Tel.: (0 89) 53 96 53 Telex: 5-24845 tipat cable: Germaniapatent München

18.August 1977

B 8399

case A237O-O2

Denso

Nippondenso Co. , Ltd.

Kariya-shi,Japan

und
Nippon Soken, Inc.

Nishio-shi,Japan

Thermoeleinentanordnung zur Temperaturerfassung

■Ό Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an einer Thermoelemente aufweisenden Anordnung zur Erfassung bzw. Ermittlung von Temperaturwerten und betrifft insbesondere eine Verbesserung der Anordnung einer Schaltung bzw. eines Schalt-Kreises in einer Temperaturerfassungseinrichtung, die z.B. entsprechend dem von dem zugehörigen, ein Thermoelement

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Dresdner Bank (München) KIo. 3939 844 Postscheck (München) Kto 670-43 KH

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als teniperaturempfindliches Bauelement aufweisenden Temperaturdetektor festgestellten Temperaturwert ein Schaltsignal abgibt.

üblicherweise sind bei einer Thermoelementanordnung zur Temperaturerfassung ein Temperaturdetektor und eine die festgestellten Signalwerte verstärkende und durch Abgabe von Schaltsignalen unterscheidende Schaltungsanordnung in einem gewissen Ausmaß getrennt voneinander angeordnet und durch Kompensationsleitungsdrähte miteinander verbunden, d.h. durch Leitungsdrähte, die aus speziellen Werkstoffen zur Temperaturkompensation bestehen. Außerdem wird zumindest an einem Punkt zwischen dem Temperaturdetektor und dem Schaltelement ein Verbindungsmechanismus wie etwa ein Anschlußteil, ein Verbindungsglied oder dgl. verwendet. Da jedoch die Kompensationsleitungsdrähte verglichen mit gewöhnlichen Verbindungsleitungen bzw. Leitungsdrähten teuer sind, verteuert sich durch die über Kompensationsleitungsdrähte erfolgende Verbindung des Temperaturdetektors mit der die Schaltsignale bildenden Schaltungsanordnung, die beide in einem gewissen Ausmaß getrennt voneinander angeordnet sind, nachteiligerweise die gesamte Temperaturerfassungseinrichtung. Da außerdem das Ausgangssignal des ein Thermoelement verwendenden Temperaturdetektors in der Größenordnung von einigen bis einigen 10 mV liegt und daher störanfällig ist, verursacht ein größerer Abstand zwischen dem Temperaturdetektor und der die Schaltsignale bildenden Schaltungsanordnung nachteiligerweise eine noch höhere Störanfälligkeit. Obwohl manchmal eine Abschirmung zur Verringerung der Störeinflüsse vorgenommen wird, steigen hierdurch die Kosten in Abhängigkeit von der Länge der Verbindungsdrähte bzw.-Leitungen weiter an. Aufgrund der Tatsache, daß die Verbindungseinrichtung wie etwa ein Verbindungsglied, ein Anschlußstück oder dgl. eine Kontaktverbindung darstellt, ist es außerdem möglich, daß durch Oxidation der Kontaktteile als Ergebnis eines sich über viele Stunden erstreckenden Gebrauchs der Kontaktteile oder

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aufgrund einer unzuverlässigen Verbindung ein fehlerhafter schlechter Kontakt hergestellt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Thermoelementanordnung zur Temperaturerfassung der in Rede stehenden Art eine Verringerung der Herstellungs-und Montagekosten sowie eine Verbesserung der Stabilitätskennwerte im Hinblick auf die Störanfälligkeit und eine erhöhte Zuverlässigkeit der erforderlichen Verbindungen usw. zu erzielen, indem der Temperaturdetektor und die die Schaltsignale bildende Schaltungsanordnung zur Verringerung der Länge der Kompensationsleitungsdrähte in einem möglichst geringen Abstand zueinander angeordnet werden und eine unlösbare Verbindung zwischen dem Temperaturdetektor und den Kompensationsleitungsdrahten sowie den Kompensationsleitungsdrähten und einer Signalverarbeitungsschaltung wie einer Schaltsignale bildenden Schaltungsanordnung durch Verlöten, Verschweißen oder dgl. hergestellt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Da sich die Signalverarbeitungsschaltung in der Nähe des Temperaturdetektors anordnen läßt, können die von dem Temperaturdetektor zu der die Schaltsignale abgebenden Schaltungsanordnung führenden Leitungsdrähte im Vergleich zu denjenigen üblicher Ausführungsformen beträchtlich verkürzt werden. Somit kann die erforderliche Menge an teuren Kompensationsleitungsdrähten klein und damit die Herstellungskosten der Temperaturerfassungsanordnung niedrig gehalten werden, und außerdem lassen sich Störeinflüsse bzw. die Störanfälligkeit auf ein Minimum reduzieren, was von beträchtlichem Vorteil ist.

Da ferner sämtliche Verbindungen von dem Temperaturdetektor über die Zuleitungsdrähte zu der Signalverarbeitungs-

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Schaltung unlösbar mittels Verlöten, Verschweißen oder dgl. vorgenommen sind, werden die bei der üblichen Kontaktverbindung auftretenden Fehlfunktionen vollständig verhindert und damit die Zuverlässigkeit der Anordnung beträchtlich verbessert, v/obei außerdem aufgrund der einstückigen bzw. integrierten Verbindung des Temperaturdetektors, der Signal-Verarbeitungsschaltung und der Verbindungseinrichtung die Handhabung der gesamten Anordnung wesentlich erleichtert bzw. vereinfacht wird, was ebenfalls von beträchtlichem Vorteil ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Eine vorzugsweise verwendete Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Außenansicht einer Ausführungsform der

Anordnung zur Temperaturerfassung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Ausführungsform der

Erfindung,

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild, das Einzelheiten

des Schalt-Kreises des Blockschaltbildes ge-2Q maß Fig. 2 zeigt,

Ficj. 4 ein Schaubild, das den Schaltarbeitspunkt in Abhängigkeit von Umgebungstemperaturkennwerten der Ausführungsform der Erfindung darstellt und

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Fig. 5 ein Schaubild, in dem die Strom-Ausgangs-

schaltkennlinie eines Stromschalt-Kreises über der Temperatur des Temperaturdetektors aufgetragen ist.

Fig. 1 stellt eine Außenansicht einer Ausfuhrungsform der Erfindung dar. Die Bezugszahl 100 bezeichnet einen Temperaturdetektor, der als Temperaturmeßelement ein zum Beispiel aus Chrome1-Alumel bestehendes, in den Temperaturerfassungsteil eingefügtes Thermoelement aufweist, dessen Wirkung auf dem thermoelektrischen Effekt beruht. Die Bezugszahl 200 bezeichnet einen ersten Leitungsdraht, der mit dem Temperaturdetektor 100 unlösbar verbunden ist und einen Kompensationsdraht 210 zur Anpassung des Thermoelementes aufweist. Der erste Leitungsdraht 200 ist vorzugsweise so kurz wie möglich ausgebildet. Die Bezugszahl 300 bezeichnet einen aus einer Schaltungsanordnung bestehenden Schaltteil, der einteilig innerhalb seines Gehäuses eine Signalverarbeitungsschaltung aufweist und mit dem ersten Leitungsdraht 2OO unlösbar in einem derartigen Abstand verbunden ist, daß

er über den Leitungsdraht 200 nicht so sehr von der Temperatur des Temperaturdetektorteils 100 beeinflußt wird. Die Bezugszahl 400 bezeichnet einen zweiten Leitungsdraht, während die Bezugszahl 500 ein Verbindungsglied bzw. einen Steckerteil bezeichnet, der lösbar mit einem (nicht gezeigten) weiteren Verbindungsglied bzw. Steckerteil verbindbar ist, wobei die beiden Bauelemente 400 und 500 im Handel erhältliche übliche Ausführungsformen sein können.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der Ausführungsform der Erfindung näher veranschaulicht, während Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild ist, das die Einzelheiten der den Schaltteil 300 bildenden und im wesentlichen als Signalverarbeitungsschaltung dienenden Schaltungsanordnung darstellt. Die Bezugszahl 310 bezeichnet einen Operations-

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Verstärker zur Verstärkung des Ausgangssignals des Thermoelementes, das im wesentlichen der festgestellten Temperatur proportional ist und von beiden Anschlüssen des Thermoelementes in dem Temperaturdetektor 100 über den in dem ersten Leitungsdraht 200 befindlichen Kompensationsdraht 210 abgegeben wird. Der Verstärkungsfaktor wird durch das Widerstandsverhältnis zwischen einem Eingangswiderstand 311 und einem Rückkopplungswiderstand 312 festgelegt. Die Bezugszahl bezeichnet einen Kondensator zur Verringerung der Verstärkung im Hochfrequenzbereich, während die Bezugszahl 314 einen Stabilisationswiderstand und die Bezugszahl 315 einen Wechselstromverstärker bezeichnen. Die Bezugszahl 320 bezeichnet einen Bezugsspannungsgenerator, der dem Verstärker 310 eine dem an einem Widerstand 321 abfallenden Spannungswert entsprechende Vorspannung zuführt und die Kompensationskennwerte des Kaltkontaktes des Thermoelementes durch Änderung der Bezugsspannung über einen Widerstand 322 und eine temperaturempfindliche Diode 32 3 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur festlegt. Die Bezugszahl 330 bezeichnet eine Detektorschaltung zur Erfassung eines Drahtbruches. Da der Temperaturdetektor 100 üblicherweise einen Innenwiderstand von weniger als ein 5. aufweist, ist normalerweise ein Widerstand 332 im wesentlichen an seinen beiden Endanschlüssen kurzgeschlossen. Wenn jedoch der Temperaturdetektor 100 oder der Kompensationsleitungsdraht 210 gebrochen ist, liegt über dem Widerstand 331 die an dem Widerstand 321 zu dem Widerstand 332 abfallende Spannung an. Indem dieser Spannungswert größer als derjenige gemacht wird, der von dem Temperaturdetektor 100 bei einer vorgegebenen bzw. eingestellten Temperatur abgegeben wird, arbeitet die einen Drahtbruch erfassende Detektorschaltung 330 in genau der gleichen Weise wie im Falle eines übermäßigen Temperaturanstiegs. Die Bezugszahl 340 bezeichnet eine Spannungsstabilisationsschaltung, die zur Stabilisierung bzw. Konstanthaltung der Quellenspannung dient und eine Konstantspannungsdiode bzw. Zenerdiode 341, einen Reihenwiderstand 342 und

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einen Kondensator 34 3 aufweist. Die Bezugszahl 350 bezeichnet einen Vergleicher, der die Ausgangsspannung des Vergleichers 310 mit der Ausgangsspannung des Bezugsspannungsgenerators 320 vergleicht und einen Schaltvorgang bei dem vorbestimmten Temperaturwert vornimmt. Dieser Vergleicher enthält einen Verstärker 353 sowie Widerstände 351, 352 und weist aufgrund einer Mittkopplung eine Hysterese-Kennlinie auf. Da durch Ausnutzung der temperaturabhängigen Kennlinie der Bezugsspannung des Bezugsspannungsgenerators 320 die Schaltarbeitspunkte des Vergleichers 350 sich in der in Fig. 4 dargestellten Weise ergeben, ist eine Kaltkontakt-Temperaturkompensation des Temperaturdetektors 100 möglich. Die Bezugszahl 360 bezeichnet eine Signalwert-Einstelleinrichtung, die einen Ausgangssignalpegel bzw. Ausgangssignalwert festlegt, der auf den Schaltvorgang übertragen wird. Das Ausgangssignal des Vergleichers 350 wird über Widerstände 363 und 364 einem Transistor 362 zugeführt und erfährt eine Stromverstärkung. Der obere Strompegel bzw. Stromwert wird sodann von einem Widerstand 361 festgelegt bzw. begrenzt, während der untere Strompegel bzw. Stromwert von einem Widerstand 342 bestimmt wird.

In Fig. 5 ist die Ausgangskennlinie der den vorstehend beschriebenen Schaltungsaufbau aufweisenden Schalteinheit 300 dargestellt. Durch entsprechende Bemessung der Form der gedruckten Schaltkarte bzw. Leiterplatte kann die Schalteinheit 300 bei dieser Ausführungsform der Erfindung ein Schutzgehäuse mit einem Außendurchmesser von 20 mm entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 1 aufweisen, wobei es jedoch auch möglich ist, den Außendurchmesser weiter zu verringern.

Außerdem können in der Praxis vorzugsweise eine Stromquelle, eine Strom-Unterscheidungsschaltung, eine Ausgangschaltung oder dgl. in Verbindung mit der Temperaturcrfassungsanordriung gemäß den Fig. 1 und 2 Verwendung finden.

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Die Stromquelle ist eine Gleichstromquelle, die über das Verbindungselement bzw. den Steckerteil 500 und den zweiten Leitungsdraht 400 der die Schalteinheit 300 bildenden Schaltungsanordnung die erforderlichen Spannungs-und Stromwerte zuführt. Die Strom-Unterscheidungsschaltung dient zur Bestimmung oder Unterscheidung des von der Stromquelle der die Schalteinheit 300 bildenden Schaltungsanordnung zugeführten und in Fig. 5 dargestellten Strompegels bzw. Stromwertes und Umsetzung des Stromwertes in ein EIN-AUS-Signal. Die Ausgangsschaltung dient zur Verstärkung oder Umsetzung dieses Signals in ein Leistungssignal, das sich für den Antrieb weiterer Einrichtungen in Abhängigkeit von dein EIN-AUS-Signal eignet.

Nachstehend sollen nun Betrieb und Wirkungsweise der den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisenden Thermoelementanordnung gemäß der Erfindung näher erläutert v/erden. Der Temperaturdetektor 100 erzeugt in Abhängigkeit von der Temperatur des an der Spitze des Detektors befindlichen temperaturempfindlichen Teiles eine thermoelektrische EMK in der Größenordnung einer Spannung von mehreren bis zu mehreren 10 mV, die über den ersten Leitungsdraht 200 dem Verstärker 310 der Schalteinheit 300 zugeführt wird. Die mit einem Faktor von mehreren Zehnerstufen verstärkte Spannung wird dem Vergleicher 350 zugeführt, wo sie mit der Spannung des Bezugsspannuncjsgenerators 320 verglichen und in ein i:iN-AUS-Signal umgesetzt wird. In diesem Falle sind der Verstürkungscjrad des Verstärkers 310 und die Bezugsspannung des Dezugsspannungsgenerators 320 in geeigneter Weise derart eingestellt, daß der Vergleicher 350 den Schaltvorgang einleiten kann, wenn die Temperatur an dem temperaturenipfindlichen Teil des Teniperaturdetektors 100 einen vorbestimmten Temperaturwert erreicht. Obv/ohl sich irn allgemeinen die Meßspannuncj des Thermoelementes an den Enden des Kompensationsdrahte:; 2 1ü in Abhängigkeit von der Temperatur an dem Kaltkontakt oder der Temperatur an den Enden des KompensationsdrahLes 21O ändert, kann der Schaltvorgang aufgrund der

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Temperaturkompensationseigenschaften des Bezugsspannungsgenerators 320 unabhängig von der Temperatur an den Kaltkontakt bei einem festen Temperaturwert erfolgen.

Das Ausgangssignal des Vergleichers 350 wird der Signalwert-Einstelleinrichtung 360 zugeführt. Sodann wird das Ausgangssignal in der in Fig. 5 dargestellten Weise entsprechend dem von dem Vergleicher 350 vorgegebenen EIN-AUS-Verlauf, d.h. , entsprechend der Temperatur an dem temperaturempfindlichen Teil des Temperaturdetektors 100, in einen Stromwert umgesetzt, der über den zweiten Leitungsdraht 400 und das Verbindungsglied bzw. den Steckerteil 500 einer (nicht dargestellten) entfernten Strom-Unterscheidungsschaltung zugeführt wird. Außerdem wird mittels der Spannungseinstellschaltung 340 die dem Verstärker 310, dem Vergleicher 350 und dem Bezugsspannungsgenerator 320 zugeführte Spannung konstant gehalten und dadurch der Schaltarbeitspunkt stabilisiert. Aufgrund des Aufbaus der einen Drahtbruch erfassenden Detektorschaltung 330 gibt der Vergleicher 350 ein Unterscheidungssignal wie im Falle eines übermäßigen Temperaturanstiegs ab, wenn der Temperaturdetektor 100 oder der Kompensationsdraht 210 unterbrochen werden bzw. sind, so daß eine umfassendere Störungserkennung und Störungsbeseitigung ermöglicht werden. Die Strom-Unterscheidungsschaltung gibt auch im Falle der Unterbrechung des zweiten Leitungsdraht es 4OO oder einer fehlerhaften bzw. schlechten Verbindung des Verbindungsgliedes bzw. Steckerteils 500 ein Unterscheidungssignal wie im Falle eines übermäßigen Temperaturanstiegs ab, da, wie in Fig. 5 dargestellt, ein hoher Stromwert für den Normalzustand, d.h. für eine niedrige Erfassungstemperatur, und ein niedriger Stromwert für einen übermäßigen Temperaturanstieg eingestellt bzw. festgelegt sind.

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Obwohl bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der erste Leitungsdraht 200 zwischen dem Temperaturdetektor 100 und der die Schalteinheit 300 bildenden Schaltungsanordnung angebracht ist, ist es natürlich auch möglich, den Temperaturdetektor 100 und die Schalteinheit 300 als ein Teil auszubilden und zusammen in einem Gehäuse anzuordnen.

Ausgehend von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist es darüberhinaus auch leicht möglich, lediglich den Verstärker zwischen dem ersten Leitungsdraht 200 und dem zweiten Leitungsdraht 400 als Signalverarbeitungsschaltung anzuordnen und den Vergleicher an einem weiter zu dem Verbindungsglied 500 gelegenen, in der Zeichnung nicht dargestellten Teil anzubringen, oder aber zusätzlich zu der in Fig. 2 dargestellten Anordnung eine Stromquelle, eine Strom-Unterscheidungsschaltung und eine Ausgangsschaltung jeweils einzeln oder zusammen in der Signalverarbeitungsschaltung anzuordnen.

Es wird somit eine Thermoelementanordnung zur Temperaturerfassung mit einem ein Thermoelement als Temperaturmeßelement aufweisenden Temperaturdetektor vorgeschlagen, bei der innerhalb eines mit dem Temperaturdetektor verbundenen Leitungsdrahtes in der Nähe des Temperaturdetektors eine Schaltungsanordnung wie etwa eine Schalteinheit bzw. eine Schaltsignale abgebende Schaltungsanordnung zur Verarbeitung eines der Umgebungstemperatur entsprechenden elektrischen Signals angeordnet ist. Der Temperaturdetektor und die Signal-Verarbeitungsschaltung sind unlösbar miteinander verbunden, wobei ein Kompensationsleitungsdraht zur Kompensation der Umgebungstemperatur lediglich über einen kurzen Abstand zwischen dem Temperaturdetektor und der Signalverarbeitungsschaltung geführt ist.

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Claims

Patentansprüche

I 1.yThermoelementanordnung zur Temperaturerfassunq ir.it einem Thermoelement zur Erzeugung einer auf dem »-.hen ■ ·. liih t r i sehen Effekt beruhenden Meßspannung, einem mi ι ii< r. Thermoelement verbundenen Leitungsdraht und einem lösbaren Verbindungselement zur Weiterleitung der über den Leitungsdraht zugeführten Meßspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsdraht in einen zur Anpassung des thermoelektrischen Effektes des Thermoelementes (100) dienenden ersten Leitungsdraht (200,210) und einen zweiten Leitungsdraht (400) durch eine zwischen den ersten und den zweiten Leitungsdraht geschaltete und mit diesen unlösbar verbundene elektrische Schaltungsanordnung (300) unterteilt ist, und daß die elektrische Schaltungsanordnung einen Bezugsspannungs generator (320), der eine in Abhängigkeit von seiner Umgebungstemperatur veränderliche Bezugsspannung zur Kompensation des thermoelektrischen Effekts des Thermoelementes (100)

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BAD ORIGINAL

erzeugt, und einen Verstärker (210) zur Verstärkung der Meßspannung aufweist.
2. Thermoelementanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen den Verstärker (310) und den zweiten Leitungsdraht (400)geschalteten und zusanmen mit dem Bezugsspannungsgenerator (320) in einer Baueinheit angeordneten Vergleicher (350), der die verstärkte Spannung mit der Bezugsspannung derart vergleicht, daß die verstärkte Spannung in ein EIN-AUS-Signal umgesetzt wird, das über den zweiten Leitungsdraht (400) an das lösbare Verbindungselement (500) weitergeleitet wird.
3. Thermoelementanordnung nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, daß zwischen den ersten Leitungsdraht (200, 210) und den Verstärker (310) eine Detektorschaltung (330) zur Erfassung eines Bruches des Thermoelementes (100) und des ersten Leitungsdrahtes (200,210) geschaltet ist, über die der Verstärker (310) zur Erzeugung der die Bezugsspannung übersteigenden verstärkten Spannung steuerbar ist.
4. Thermoelementanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusammen mit dem Bezugsspannungsgenerator (320) in einer Baueinheit angeordnete Spannungsreglerschaltung (340), die eine Zenerdiode (341) aufweist, welche dem Bezugsspannungsgenerator (320) eine konstante Spannung zuführt.

,
5. Thermoelementanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsspannungsgenerator (320) eine auf Temperaturänderungen ansprechende Diode (323) und einen mit der Diode in Reihe geschalteten Widerstand (322) , der die von der Diode geänderte Bezugsspannung bildet, aufweist.

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