DE2737356C2 - Thermoelektrische Meßanordnung zur Erfassung einer Grenztemperatur - Google Patents

Description

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eine lösbare Steckverbindung einer geeigneten Anzei- zwischen einem Eingangswiderstand 311 und einem geeinrichtung zuführt, so daß auch bei größerer Entfer- Rückkoppjungswiderstand 312 festgelegt Die Bezugsnung der Anzeigeeinrichtung kerne Verlängerung des zahl 313 bezeichnet einen Kondensator zur Verringeaufwendigen Ausgleichsleitungsabschnitts zwischen rung der Verstärkung im Hochfrequenzbereich, wäh-Thermoelement und Schaltungsanordnung, sondern ge- 5 rend die Bezugszahi 314 einen Stabilisationswiderstand gebenenfalls lediglich eine Verlängerung der einfachen und die Bezugszahl 315 einen Wechselstromverstärker Verbindungsleitung zwischen der Steckverbindung und bezeichnen. Die Bezugszahl 320 bezeichnet eine Komder Anzeigeeinrichtung erforderlich ist pensationsschaltung, die dem Verstärker 310 eine dem Darüber hinaus wird von einem Verstärker und ei- an einem Widerstand 321 abfallenden Spannungswert nem Vergleicher in Verbindung mit einer eine Bezugs- io entsprechende Vorspannung zuführt und die Kompenspannung erzeugenden Kompensationsschaltung ein sationskennwerte des Kaltkontaktes des Thermcelestarkes Impulssignal als Ausgangsschaltsignal erzeugt, mentes 100 durch Änderung der Bezugsspannung über das gegenüber dem üblicherweise gebildeten analogen einen Widerstand 322 und eine temperaturempfindliche Ausgangssignal den Vorteil höherer Störunanfälligkeit Diode 323 in Abhängigkeit von der Umgebungstempeaufweist und eine zweifelsfreie Feststellung des Unter- 15 ratur festlegt Die Bezugszahi 330 bezeichnet eine De- bzw. Überschreitens einer vorgegebenen Grenztempe- tektorschaltung zur Erfassung eines Leitungsbruches, ratur ermöglicht Da das Thermoelement 100 üblicherweise einen Innen-Vortefihafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in widerstand von weniger als ein Ω aufweist, ist normalerden Unteransprüchen angegeben. weise ein Widerstand 332 im wesentlichen an seinen Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Aus- 20 beiden Endanschlüssen kurzgeschlossen. Wenn jedoch führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung das Thermoelement 100 oder der Au^leichsleitungsabnäher beschrieben. Es zeigt schnitt 210 gebrochen ist, liegt am Widerstand 331 die Fig. 1 eine Außenansicht eines Ausführungsbeispiels am Widerstand 321 zum Widerstand 332 abfallende der thermoelektrischen Meßanordnung, Spannung an. Indem dieser Spannungswert größer als F i g. 2 ein Blockschaltbild der thermoelektrischen 25 derjenige gemacht wird, der von dem Thermoelement Meßanordnung gemäß Fig. 1, 100 bei einer vorgegebenen bzw. eingestellten Tempe-F i g. 3 ein detailliertes Schaltbild der Schaltungsan- ratur abgegeben wird, arbeitet die Detektorschaltung Ordnung der thermoelektrischen Meßanordnung gemäß 330 in der gleichen Weise wie im Falle eines übermäßi-F i S- 2, gen Temperaturanstiegs. Die Bezugszahl 340 bezeich-Fig.4 Schaltsignalarbeitspunkte in Abhängigkeit 30 net eine Spannungsreglerschaltung, die zur Stabilisievon Umgebungs-Grenztemperaturwerten, und rung bzw. Konstanthaltung der Quellenspannung dient F i g. 5 den Verlauf eines von der thermoelektrischen und eine Zenerdiode 341, einen Reihenwiderstand 342 Meßanordnung abgegebenen Schaltsignals. und einen Kondensator 343 aufweist Die Bezugszahl F i g. 1 stellt eine Außenansicht eines Ausführungsbei- 350 bezeichnet einen Vergleicher, der die Ausgangsspiels der thermoelektrischen Meßanordnung dar. Die 35 spannung des Vergleichers 310 mit der Ausgangsspan-Bezugszahl 100 bezeichnet ein zum Beispiel aus Chro- nung der Kompensationsschaltung 320 vergleicht und rnel-Alumel bestehendes, in den Temperaturerfassungs- ein Schaltsignal bei einem Grenztemperaturwert abteil eingefügtes Thermoelement, dessen Wirkung auf gibt Dieser Vergleicher 350 enthält einen Verstärker dem thermoelektrischen Effekt beruht Die Bezugszahl 353 sowie Widerstände 351, 352 und weist aufgrund 200 bezeichnet eine Meßsignalleitung, die mit dem 40 einer Mittkopplung eine Hysterese-Kennlinie auf. Da Thermoelement 100 unlösbar verbunden ist und einen dur^h Ausnutzung der temperaturabhängigen Bezugs-Ausgleichsleitungsabschnitt 210 zur Anpassung des Spannungskennlinie der Kompensationsschaltung 320 Thermoelementes 100 aufweist. Die Meßsignalleitung die Schaltsignalarbeitspunkte des Vergleichers 350 sich 200 ist vorzugsweise so kurz wie möglich ausgebildet in der in F i g. 4 dargestellten Weise ergeben, ist eine Die Bezugszahl 300 bezeichnet eine Schaltungsanord- 45 Kaltkontakt-Temperaturkompensation dts Thermoelenung zur Signalverarbeitung, die mi* der Meßsignallei- mentes 100 möglich. Die Bezugszahl 360 bezeichnet eitung 200 unlösbar in einem derartigen Abstand verbun- ne Signalwert-Einstelleinrichtung, die einen Ausgangsden ist daß sie über die Meßsignalleitung 200 nicht so signalpegel bzw. Ausgangssignslwert für das Schaltsisehr von der Temperatur des Thermoelementes 100 be- gnal festlegt Das Ausgangssignal des Vergleichers 350 einflußt wird. Die Bezugr^ahl 400 bezeichnet einen An- 50 wird über Widerstände 363 und 364 einem Transistor schlußleitungsabschnitt während die Bezugszahl 500 362 zugeführt und erfährt eine Stromverstärkung. Der ein Steckv;rbindungsglied bezeichnet, das lösbar mit obere Strompegel bzw. Stromwert wird sodann von ei j einem (nicht gezeigten) weiteren Verbindungsglied bzw. nem Widerstand 361 festgelegt bzw. begrenzt, während ; Steckerteil verbindbar ist, wobei die beiden Bauelemen- der unte/e Strompegel bzw. Stromwert von einem Wij te 400 und 500 im Handel erhältliche übliche Ausfüh- 55 derstand 342 bestimmt wird.

j rungsformen sein können. In F i g. 5 ist der Ausgangssignalverlauf der den vor-

) Fig.2 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der stehend beschriebenen Aufbau aufweisenden Schal-

j thermoelektrischen Meßanordnung näher veranschau- tungsanordnung 300 dargestellt Durch entsprechende

[ licht, während F i g. 3 ein elektrisches Schaltbild der als Bemessung der F^rm einer gedruckten Leiterplatte

Signalverarbeitungsschaitung dienenden Schaltungsan- ω kann die Schaltungsanordnung 300 ein Schutzgehäuse te Ordnung 300 darstellt Die Bezugszahl 310 bezeichnet mit einem Außendurchmessef von 20 mm gemäß F i g. 1 g! einen Operationsverstärker zur Verstärkung des Aus- aufweisen, wobei: es jedoch auch möglich ist, den Au-

II gangssignals des Thermoelementes 100, das im wesentli- ßendurchmesser weiter zu verringern.

chen der festgestellten Temperatur proportional ist und Außerdem können in der Praxis vorzugsweise eine

von beiden Anschlüssen des Thermoelementes 100 über 65 Stromquelle, eine Stom-Unterscheidungsschaltung, ei-

den in der Meßsignalleitung 200 befindlichen Aus- ne Ausgangsschaltung oder dgl. in Verbindung mit der

gleichsleitungsabschnilt ?Λ0 abgegeben wird. Der Ver- thermoelektrischen Meßanordnung gemäß den F i g. 1

Stärkungsfaktor wird durch das Widerstandsverhältnis und 2 Verwendung finden.

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Die Stromquelle ist eine Gleichstromquelle, die über in F i g. 5 dargestellt, ein hoher Stromwert für den Nor-

die Steckverbindung 500 und den Anschlußleitungsab- malzustand, d. h. für eine niedrige Meßtemperatur, und

schnitt 400 der Schaltungsanordnung 300 die erforderli- ein niedriger Stromwert für einen übermäßigen Tempe-

chen Spannungs- und Stromwerte zuführt Die Strom- raturanstieg eingestellt bzw. festgelegt sind.

Unterscheidungsschaltung dient zur Bestimmung oder 5 Obwohl bei dem vorstehend beschriebenen Ausfüh-

Unterscheidung des von der Stromquelle der Schal- rüngsbeispiel der Ausgleichsleitungsabschnitt 210 zwi-

tungsanordnung 300 zugeführten und in Fig.5 darge- sehen dem Thermoelement 100 und der Schaltungsan- g;

stellten Strompegels bzw. Stromwertes und Umsetzung Ordnung 300 angebracht ist, ist es natürlich auch mög- §

des Stromwertes in ein Schaltsignal. Die Ausgangsschal- lieh, das Thermoelement 100 und die Schaltungsanord-

tung dient zur Verstärkung oder Umsetzung dieses io nung 300 als ein Teil auszubilden und zusammen in ei-

Schaltsignals in ein Leistungssignal, das sich für den An- nem Gehäuse anzuordnen.

trieb weiterer Einrichtungen in Abhängigkeit vom Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Aus-Schaltsignal eignet, führungsbeispiel der thermoelektrischen Meßanord-

Nachstehend wird näher auf Betrieb und Wirkungs- nung besteht weiterhin die Möglichkeit lediglich den weise der den vorstehend beschriebenen Aufbau auf- 15 Verstärker zwischen dem Ausgleichsleitungsabschnitt weisenden thermoelektrischen Meßanordnung einge- 210 und dem Anschlußleitungsabschnitt 400 als Signalgangen. Das Thermoelement 100 erzeugt in Abhängig- Verarbeitungsschaltung anzuordnen und den Vergleikeit von der Temperatur des an der Spitze befindlichen eher an einem weiter zu dem Steckverbindungsglied

ieinpef aiui cmpfifidSichcü TciicS eine iiicrinücickinschc gelegenen, iü dsr Zeichnung nicht dargestellten Teil 3i5-EMK in der Größenordnung einer Spannung von meh- 20 zubringen, oder aber zusätzlich zu der in Fig. 2 dargereren bis zu mehreren 10 mV, die über die Meßsignallei- stellten Anordnung eine Stromquelle, eine Strom-Untung 200 dem Verstärker 310 der Schaltungsanordnung terscheidungsschaltung und eine Ausgangsschaltung je-300 zugeführt wird. Die mit einem Faktor von mehreren weils einzeln oder zusammen in der Signalverarbei-Zehnerstufen verstärkte Spannung wird dem Verglei- tungsschaltung anzuordnen.

eher 350 zugeführt, wo sie mit der Bezugsspannung der 25

Kompensationsschaltung 320 verglichen und in ein Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Schaltsignal umgesetzt wird. Hierbei sind der Verstärkungsgrad des Verstärkers 310 und die Bezugsspannung der Kompensationsschaltung 320 in geeigneter Weise derart eingestel'v daß der Vergleicher 350 das Schaltsignal abgeben kann, wenn die Temperatur am temperaturempfindlichen Teil des Thermoelements 100 einen vorbestimmten Grenztemperaturwert erreicht. Obwohl sich im allgemeinen die Meßspannung des Thermoelementes 100 an den Enden des Ausgleichsleitungsab-Schnitts 210 in Abhängigkeit von der Temperatur am K-sltkontükt oder d?r Temⁿcratur an den Enden des Ausgleichsleitungsabschnitts 210 ändert, kann die Abgabe des Schaltsignals aufgrund der Temperaturkompensationseigenschaften der Kompensationsschaltung 320 unabhängig von der Temperatur am Kaltkontakt bei einem festen Temperaturwert erfolgen.

Das Ausgangssignal des Vergleichers 350 wird der Signalwert-Einstelleinrichtung 360 zugeführt. Sodann wird das Ausgangssignal in der in F i g. 5 dargestellten Weise entsprechend dem vom Vergleicher 350 vorgegebenen Schaltsignal-Verlauf, d. h, entsprechend der Temperatur am temperaturempFindlichen Teil des Thermoelements 100, in einen Stromwert umgesetzt, der über den Anschlußleitungsabschnitt 400 und das Steckverbindui.gsglied 500 einer (nicht dargestellten) entfernten Strom-Unterscheidungsschaltung zugeführt wird. Außerdem wird mittels der Spannungsreglerschaltung 340 die dem Verstärker 310, dem Vergleicher 350 und der Kompensationsschaltung 320 zugeführte Spannung konstant gehalten und dadurch der Schaltsignalarbeitspunkt stabilisiert Aufgrund des AufDaus der Detektorschaltung 330 gibt der Vergleicher 350 ein Schaltsignal wie im Falle eines übermäßigen Temperaturanstiegs ab, wenn das Thermoelement 100 oder der Ausgleichsleitungsabschnitt 210 unterbrochen werden bzw. sind, so daß eine umfassende Stönmgserkennung und Stöningsbeseitigung ermöglicht werden. Die Strom-Unterscheidungsschaltung gibt auch im Falle der Unterbrechung des Anschlußleitungsabschnitts 400 oder einer fehlerhaften bzw. schlechten Verbindung des Steckverbindungsgliedes 500 ein Unterscheidungssignal wie im Falle eines übermäßigen Temperaturanstiegs ab, da, wie

Claims (3)

1 2 störanfällig ist, führt ein größerer Abstand zwischen Patentansprüche: dem Thermoelement und der Schaltungsanordnung nachteiligerweise zu einer noch höheren Störanfällig-

1. Thermoelektrische Meßanordnung zur Erfas- keit Eine Abschirmung zur Verringerung von Störeinsung einer Grenztemperatur, mit einem Thermoele- 5 flüssen bedingt einen weiteren Kostananstieg in Abhänment, einer mit dem Thermoelement über eine Meß- gigkeh von der Länge der Meßsignalieitung. Schließlich Signalleitung gekoppelten und eine Bezugsspannung können durch Oxidation von Kontaktteilen bei Iängezur Berücksichtigung der Kompensationskennwerte rem Gebrauch oder aufgrund einer schlechten Verbindes Kaltkontaktes des Thermoelementes erzeugen- dung Kontaktmängel auftreten.

den Kompensationsschaltung und einem Verstärker >,o So ist es z. B. aus der DE-OS 22 17 954 bekannt, Therzur Verstärkung des Meßsignals, dadurch ge- moelemente entweder über zu einem Ort mit konstankennzeichnet, daß die Meßsignalleitung (200, ter Raumtemperatur führende Ausgleichsleitungen aus 400) in einen mit dem Thermoelement (100) fest ver- dem gleichen Material wie die Thermoschenkel bzw. bundenen kurzen Ausgleichsleitungsabschnitt (210) aus Sonderwerkstoffeu, die am Kaltkontak*. des Ther- und einen ausgangsseitig mit einer Steckverbindung ir moelementes keine EMK erzeugen, oder unter Verwen-(500) gekoppelten Anschlußleitungsabschnitt (400) dung einer Schaltungsanordnung zur Kompensation der unterteilt ist, daß zwischen dem Ausgleichsleitungs- am Kaitkontakt des Thermoelementes auftretenden abschnitt (210) und dem Anschlußleitungsabschnitt Thermogegenspannung anzuschließen und d^;e resultie-(400) die Kompensationsschaltung (320), der Ver- rende Meßspannung dann einem Verstärker zuzufühstärker plO) und ein eingangsseitig mit dem Verstär- 20 ren. Wesentliches Bauelement der Kompensationsschalker (310) und der Kompensationsschaltung (320) und tung ist hierbei eine Halbleiterdiode mit temperaturabausgangsseitig mit dem Anschlußleitungsabschnitt hängigem Innenwiderstand oder die zum gleichen (400) verbundener Vergleicher (350) angeordnet ist. Zweck dienende Kollektor-Emitter-Strecke eines Trander die Ausgangsspannung des Verstärkers (310) in sistors, die in unmittelbarer Nähe des Kaltkontaktes anAbhängigkeit von dem Vergleich mit der Bezugs- 25 geordnet wird und somit in etwa dessen Temperatur spannung in ein über den Anschlußleitungsabschnitt annehmen kann. Die Kompensation des in der Größen-(400) der Steckverbindung (500) zugeführtes, das Er- Ordnung von maxi-aal einigen zehn mV liegenden Meßreichen der Grenztemperatur anzeigendes Schaltsi- signals des Thermoelementes erfolgt somit bereits vor gnal (F i g. 5) umsetzt, und daß ein das Thermoele- dem Verstärkereingang, wodurch zwangsläufig eine gement (100) und den mit ihm verbundenen Aus- 30 wisse Ungenauigkeit sowie eine relativ hohe Störanfäigleichsleiti'ngsabschnitt (210) umschließendes Ge- ligkeit aufgrund der geringen Signalspannung hingehäuse und ein die Schaltungsanordnungen (300) um- nommen werden müssen.

schließendes Gehäuse als baueinheit fest miteinan- Darüber hinaus ist aus der DE-OS 22 46 738 eine

der verbunden sind. thermoelektrische Meßanordnung mit einer als Tempe-

2. Thermoelektrische MeLinordnung nach An- 35 raturvergleichsstelle wirkenden Kompensationsschalspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bau- tung bekannt, die ein Vergleichsthermoelement sowie einheit zwischen dem Ausgleichsleitungsabschnitt ein über eine Brückenschalturig mit Temperaturfühler (210) und dem Verstärker (310) eine Detektorschal- und einen Regelverstärker gespeisten Heizelement umtung (330) zur Erfassung eines Bruches des Thermo- faßt und in eine aus einem Miniai'Tstecker bestehende elementes (100) und/oder des Ausgleichsleitungsab- 40 Steckverbindung zwischen Meßstelle bzw. Meß-Therschnitts (210) angeordnet ist. moelement und Anzeigevorrichtung eingebaut ist, wo-

3. Thermoelektrische Meßanordnung nach An- durch ermöglicht werden soll, daß eine solche Temperaspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der turvergleichsstelle als vollständiges, relativ störanfälli-Baueinheit eine Spannungsregierschaltung (340) an- ges Bauteil auf Lager gehalten werden kann. Hierbei ist geordnet ist, welche die Kompensationsschaltung 45 jedoch die Temperaturvergleichsstelle und das Thermo-(320) mit einer Konstantspannung versorgt element nicht zusammengelegt, sondern da eine Steckverbindung mit der Temperaturvergleichsstelle vor-

zugsweise am Gehäuse der Anzeigevorrichtung befestigt ist, um eine sonst erforderliche batterieabhängige 50 Stromversorgung zu vermeiden, muß zwangsläufig eine

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische längere Leitungsverbindung zum Thermoelement her-

Meßanordnung zur Erfassung einer Grenztemperatur gestellt werden, was die Störanfälligkeit erhöht und die

gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Verwendung kostspieliger langer Ausgleichsleitungen

Üblicherweise sind bei einer thermoelektrischen erfordert !

Meßanordnung ein zur Temperaturmessung dienendes 55 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

Thermoelement und eine zugehörige Schaltungsanord- thermoelektrische Meßanordnung gemäß dem Oberbe-

nung in einem gewissem Ausmaß getrennt voneinander griff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß

angeordnet und über Meßsignalleitungen miteinander in Verbindung mit einer möglichst störunanfälligen BiI-

verbunden, die aus speziellen Werkstoffen zur Tempe- dung des Meßsignals der zum Anschluß des Thermoele- f

raturkompensation bestehen. Außerdem ist zwischen 60 mentes erforderliche Ausgleichsleitungsabschnitt weit- I

dem Thermoelement und der Schaltungsanordnung ein gehend verkürzt werden kann.

Anschlußteil, Verbindungsglied oder dergleichen erfor- _ύ Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Paderlich. Da jedoch derartige Meßsignalleitungen vergli- tentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst,
chen mit üblichen Verbindungsleitungen teuer sind, ver- Erfindungsgemäß sind somit ein Thermoelement, ein teuert sich hierdurch nachteiligerweise die gesamte 65 äußerst kurzer Ausgleichsleitungsabschnitt und eine beMeßanordnung. Da darüber hinaus das Ausgangssignal reits das endgültige verstärkte Meßsignal abgebende eines Thermoelements in der Größenordnung von eini- Schaltungsanordnung als Baueinheit ausgeführt, die das gen mV bis zu einigen 10 mV liegt und daher ziemlich z. B. für eine Anzeige vorgesehene Ausgangssignal über