DE2852570A1 - Temperatur-messvorrichtung - Google Patents

Temperatur-messvorrichtung

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DE2852570A1 DE19782852570 DE2852570A DE2852570A1 DE 2852570 A1 DE2852570 A1 DE 2852570A1 DE 19782852570 DE19782852570 DE 19782852570 DE 2852570 A DE2852570 A DE 2852570A DE 2852570 A1 DE2852570 A1 DE 2852570A1
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    • G01K1/20—Compensating for effects of temperature changes other than those to be measured, e.g. changes in ambient temperature

Description

MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO., LTD. Kadoma City/ Osaka Pref., Japan
Temperatur-Meßvorrichtung "
beanspruchte Priorität:
5. Dezember 1977# Japan, Nr. Sho 52-146295
Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperatur-Meßvorrichtung,· in der eine temperaturempfindliche Einrichtung, z.B. ein Heißleiter oder ein Temperaturmeßwiderstand verwendet wird. Die Erfindung zielt darauf ab, .Schwankungen, Streuungen oder Fehler gemessener Temperaturwerte, die von einer Temperaturveränderung, die die Schaltungseinrichtungen der Temperatur-Maßvorrichtung umgibt, und einer Spannungsänderung der Energieversorgung herrühren, zu unterdrücken.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Temperatur-Meßvorrichtung, die eine aus einer temperaturempfindlichen
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Einrichtung bestehende Brückenschaltung 1 aufv/eist, eine Energiequelle 2, einen Verstärker 3 und zur Messung von Temperatürwerten ein Anzeigegerät 4, z.B* ein Meßgerät oder ein numerisches Anzeigegerät.
Für die Temperatur-Maßvorrichtung ist es notwendig, Widerstandseinrichtungen mit vorzugsweise kleinem Temperaturkoeffizienten Ausnahme der temperaturempfindlichen Einrichtung in der Brückenschaltung 1 auszuwählen. Es ist auch erforderlich, die Tempe-
ratur-Meßvorrichtung so aufzubauen, daß die Energiequelle 2 und der Verstärker 3 durch Temperaturveränderung v/enig beeinflußt v/erden. Es gibt mehrere Wege für Gegenmaßnahmen gegen den oben erwähnten Einfluß bei der Temperaturmessung j
i. Die Energiequelle 2 und der Verstärker 3 sind in ihrem
Schaltungsaufbau besonders ausgelegt; ii.Schaltungselemente sind von solchen Transistoren, IC1S, Widerständen und Kondensatoren u.dgl. ausgewählt,
die günstige Temperatureigenschaften haben und iii.Schaltungen bzw. Stromkreise und Einrichtungen werden geeigneterweise zum Kalibrieren und/oder Kompensieren der Temperaturveränderung verwendet.
Die oben erwähnten Gegenmaßnahmen verursachen eine Verteuerung der Temperatur-Heßvorrichtung.
Ein anderes Beispiel einer herkömmlichen Temperatur-Meßvorrichtung ist in Fig. 2 gezeigt. Die Vorrichtung v/eist einen Oszillator
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bzw. Schwingkreis 5 auf, der eine Zeitkonstantenschaltung 6, die mindestens aus einem Widerstand und einem Kondensator besteht, auf v/eist, und die eine Schwingungsfrequenz oder eine Breite der Oszillationsimpulse bestimmt. In der Schaltung 6 ist ein Widerstand eine temperaturempfindliche Einrichtung, die als ein Temperaturmeßfühler verwendet ist. Ein Block 7 kennzeichnet den restlichen Teil der Oszillatorschaltung 5, mit Ausnahme der Zeitkonstantenschaltung 6. Die Vorrichtung weist auch einen Bezugsfrequenzoszillator 8 auf, der gewöhnlich ein Oszillator ist, in dem ein Schwingkristall bzw. Kristalloszillator verwendet wird und der zur Messung der Frequenz der Oszillatorschaltung 5 oder der Breite deren Schwingimpulse bestimmt ist. Des weiteren ist ein Frequenzzähler 9, der die Anzahl der Ausgangsimpulse der Oszillatorschaltung 5 während eines Zyklus der Ausgangsimpulse des Bezugsfrequenzoszillators 8 zählt, eine Umwandlungsschaltung 10, die eine gezählte bzw. berechnete Zahl des Frequenzzählers 9 in einen in Temperatur skalierten Wert umwandelt, und ein Anzeigegerät 11 zur Darstellung eines Temperaturwertes vorgesehen.
In der Temperatur-Meßvorrichtung nach Fig. 2 wird die Temperatur durch Messung der Schwankung der Oszillatorfrequenz der Oszillatorschaltung 5 unter Verwendung einer bestimmten Bezugsfrequenz festgestellt. Die Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung 5 ändert sich, wenn sich die Temperatur um die temperaturempfindliche Einrichtung - verändert. Diese Frequenzänderung wird bezogen auf die Bezugsfrequenz ermittelt. Um aufgrund einer Veränderung der Umgebungstemperatur um die Temperatur-Meß-
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einrichtung herum eine fehlerinduzierende Wirkung auf die elektrischen Teile zu verringern, ist es erforderlich, daß die Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung 5 von der Umgebungstemperatur nicht beeinträchtigt wird und außerdem daß die Bezugsfrequenz des Bezugsoszillators 8 im Hinblick auf die Veränderung der Umgebungstemperatur stabil ist. Das bedeutet, daß die Tempex-aturabhängigke it der verwendeten Einrichtungen mit Ausnahme der temperaturempfindlichen Einrichtung in der Oszillatorschaltung 5 klein sein muß und der Schaltungsaufbau zur Erreichung dieses Zweckes aufgebaut bzw. ausgelegt sein muß . Für den Bezügsoszillator δ führt diese Anforderung zur Verwendung eines Kristalloszillators, dessen Temperaturkoeffizient für die Schwingungsfrequenz äußerst klein ist.
Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Temperaturmessung mit Fehlern behaftet ist, die von der Veränderung der Spannung der Energiequelle herrühren. Dies.ist nicht so überaus problematisch für die Stabilisierung der Spannung der Energiequelle, wenn kommerzielle Elektrizität bzw. Stromversorgung vorhanden ist, obwohl es sehr viel kostet, eine stabilisierte Spannung zu erzeugen. Dies ist scharf von einem Fall zu unterscheiden, bei dem eine Batterie bzw. Batterieenergiequelle verwendet wird, so. daß Batterien hoher Spannung erforderlich werden, um dadurch die Spannung zu stabilisieren, und wobei der Energieverbrauch zur Spannungsstabilisierung ansteigt und zu einer kurzen Lebensdauer der Batterien führt.
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ι Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Temperatur-L'leßvorrichtung zur Messung einer exakten Temperatur auch bei Temperaturbeeinflussung von Schaltungselementen mit einfachem Aufbau zu erreichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Temperatur-Meßvorrichtung der eingangs erwähnten /irt so gestaltet, wie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil einer Tender· a tür-Meß vorrichtung ohne eine Bezugsfrequenzoszillatorschaltung, die einen Kristalloszillator verwendet, ohne eine stabilisierte Batteriespannungsquelle, ohne besondere Schaltungselemente mit kleinem Temperaturkoeffizienten oder einem besonderen Verstärker mit geringer thermischer Drift zu schaffen.
Die Erfindung ermöglicht eine Temperatur-Meßvorrichtung mit einer temperaturempfindlichen Einrichtung, z.B. einem Thermistor, und einem Bezugswiderstand mit kleinem Temperaturkoeffizienten des Widerstands, die wechselweise mit einer elektrischen Schaltung, die abhängig von der Widerstandsänderung ein Ausgangssignal erzeugt, verbunden werden. Jie Vorrichtung hat einen Speicher, der ein
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Bezugsausgangssignal von einem Bezugswiderstand bei einer bestimmten Bezugstemperatur der Umgebung und von einer Bezugsspannung einer Energiequelle speichert. Der gemessene Temperaturwert wird dabei unter Verwendung des gespeicherten Bezugsausgangssignals geeicht.
Die Figuren zeigen folgendes, wobei die Erfindung insbesondere anhand der Blockdiagramme der Figuren 3 und 4 nachstehend noch näher erläutert ist:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Temperatur-Meßvorriehtung vom Brücken (schaltungs)-typ;
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Temperatur-Meßvorrichtung eines Pulsbreitenmodulationstyps oder eines Frequenzmodulationstyps;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Temperaturmeßvorrichtung; und . "
Fig, 4 ein Blockdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Temperaturmeßvorrichtung.
Um die Anforderungen für eine exakte Temperaturmessung zu erfüllen, ist eine erfindungsgemäße Temperaturmeßvorrichtung
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so aufgebaut, daß Meßfehler während der Temperaturmessung, die durch die Umgebungstemperatur und die Energieversorgungsspannung verursacht werden, zur Zeit des Einschaltens der Temperaturmeßvorrichtung oder zu jedem bestimmten Zeitintervall ermittelt werden. Die Veränderung, die den Fehlern entspricht, wird gespeichert und die Eichung bzw. Kalibrierung der gemessenen Temperaturwerte unter Verwendung der gespeicherten Werte durchgeführt. Das bedeuteb, daß die Meßfehler, die von der Temperaturveränderung herrühren, die die verwendeten Schaltungselemente und einen verwendeten Schaltungsaufbau beeinträchtigen ozw. beeinflussen, durch die oben erwähnte Eichung beseitigt werden. Die Meßgenauigkeit ist dementsprechend verbessert, und die Herstellkosten der Meßvorrichtung sind niedriger als bei herkömmlichen Vorrichtungen. Deshalb ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, daß die verwendeten Schaltungselemente und der eingesetzte Schaltungsaufbau eine besonders kleine Abhängigkeit von der Umgebungstemperaturveränderung und der Spannungsveränderung der Energiequelle haben müssen.
Die erfindungsgemäße Temperatur-Meßvorrichtung ist auch so aufgebaut, daß die Schwankungsmessung, die Speicherung derselben, die Temperaturmessung und die Eichung derselben automatisch gesteuert und sequentiell bzw. aufeinanderfolgend durchgeführt v/erden.
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Wenn die Temperatur-Meßvorrichtung eingeschaltet wird, wird sie in einen Prüf- bzw. Kontroll (modus)-betrieb gesetzt, oder erfolgt dies innerhalb eines solchen Betriebes. Zunächst wird zudem Zeitpunkt eine Auswirkung von Veränderungen, die durch die Umgebungstemperatur verursacht sind, und der Zustand der Energieversorgungsspannung gemessen und digital gespeichert. Danach wird die Vorrichtung in einenMeß-(modus)-betrieb gesetzt und eine Temperatur an einem gewünschten Ort gemessen. Der gemessene Temperaturwert wird · durch den bereits gespeicherten Veränderungswert aufgrund der Umgebungstemperatur und der Energiequelle geeicht und ein geeichtes Ergebnis angezeigt oder aufgezeichnet. Der oben erwähnte vollständige Betrieb wird einmal durchgeführt, wenn die Temperaturmessung durchgeführt werden soll, und endet in kurzer Zeit, z.B. eine Messung der Körpertemperatur. Das oben erwähnte Beispiel des Gesamtbetriebs kann wie folgt zusammengefaßt werden:· Einschalten der Stromversorgung - Kontrollbetrieb - Meßbetrieb - Ausschalten der Stromversorgung.
Wenn die Temperaturmessung kontinuierlich und über eine lange Zeit durchgeführt v/erden mußr wobei die Umgebungstemperatur sich verändern kann, werden zufriedenstellende Ergebnisse durch intermittierendes Schalten der Temperatur-Meßvorrichtung in den Kontrollbetrieb zu geeigneten Zeitintervallen erhalten. Die Zeitskala bzw. Zeit, die für den Kontrollbetrieb benötigt wird, kann etwa 10 bis 100
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Millisekunden klein gemacht werden. Das bedeutet, daß die Temperaturmessung deshalb ohne wesentliche Unterbrechung durcngeführt werden kann. Auch besteht keine Schwierigkeit für fortwährende kontinuierliche Anzeige der gemessenen Werte, wenn das Anzeigegerät den genau vor einem Schalten der Temperatur-Meßvorrichtung in den Kontrollbetrieb gemessenen Wert für die Zeitspanne des Meßbetriebs halten und danach anzeigen kann.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Temperatur-Meßvorrichtung.
Kin Meßverfahren basiert auf einem Systemaufbau, in dem der gemessene Wert resultierend bzw. im Endeffekt durch digitale Verarbeitung erhalten wird.
Die Temperatur-Meßvorrichtung nach Fig. 3 weist einen Oszillator 12, z.B. einen monostabilen Multivibrator, auf, eine Temgeratur-Fühleinrich.tung 13 bzw. eine temperatursnjp.£i.ndlioTie Einrichtung, z.B. einen Heißleiter, einen Temperaturmeßwiderstand bzw. thermischen Widerstand, o.dgl., einen Vergleichswiderstand 14, insbesondere ohmschen Widerstand, mit kleinem Temperaturkoeffizienten des Widerstands, einen Kondensator 15 zur Bildung einer Zeitkonstantenschaltung mit der Einrichtung 13 oder dem Widerstand 14, einen Schalter 16, einen Block 17, der den restlichen Teil des Oszillators 12 mit Ausnahme der Zeitkonstanten-
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is ,
schaltung kennzeichnet, eine Schaltersteuerungsschaltung 18 zur Steuerung des Schalters 16, einen Taktgeber 19 (clock generator) zur Erzeugung einer Bezugsfrequenz, einen Zähler bzw. ein Zählwerk 20,. einen Speicher 21, eine Eichschaltung 22, eine Umwandlungsschaltung 23, ein. .Anzeige- oder ein /aufzeichnungsgerät 24 und eine Steuerschaltung 25,
Der Schalter 16 wird zum Umschalten zwischen den zwei Einrichtungen 13 und 14 entsprechend dem Prüfbetrieb bzw. Meßbetrieb verwendet. Der Zähler 20 zählt die Anzahl der Pulse bzw. Impulse, die vom Oszillator 12 während eines Zyklus voäü Taktimpulsen kommen, die vom Taktgebergenerator 19 stammen. Die Eichschaltung 22 eicht temperaturabhängige Veränderungen von Meßwerten des Zählers 2O unter Verwendung eines Ausgangs bzw. Ausgangssignals der Speicherschaltung 21.
Die Umwandlüngsschaltung 23 wandelt die gezählte Anzahl Impulse des Ausgangs der Eichschaltung 22 in Temperaturwerte bzw. temperaturskalierte Werte um. Die umgewandelten Vierte werden durch das Anzeige- oder Aufzeichnungsgerät 24 angezeigt oder aufgezeichnet. Die Steuerschaltung 25 steuert sequentiell die Schaltungen der Temperatur-Meßvorrichtung.
Der Betrieb der Temperatur-Meßvorrichtung läuft folgendermaßen ab: Der Oszillator 12 kann ein normaler Frequenzoszillator sein. In diesem Beispiel wird jedoch angenommen, daß der Oszillator 12 ein monostabiler Multivibrator ist.
§09823/0 8 S3
Wenn die Ternperatur-Meßvorrichtung durch die Steuerschaltung 25 in den Kontrollbetrieb gesetzt ist, ist ein Anschluß des Schalters 16 ir.it dem Vergleichswiderstand 14 verbunden^ und der Oszillator 12 erzeugt dann Impulse, deren Impulsbreite hauptsächlich durch den Widerstand 14 und den Kondensator 15 des Oszillators 12 bestimmt ist. Die Impulsbreite wird auch durch die Umgebungstemperatur und die Spannung der Energiequelle beeinträchtigt.
Ein Widerstand Rc(T) des Widerstands 14 und eine Kapazität C(T) des Kondensators 15 können bei einer Temperatur T im allgemeinen folgendermaßen ausgedrückt werden:
Rc(T):= Rco{i + fRc(T)} (1) bzw.
C(T) = CO{1 + fc(T)J (2).
Hierbei ist Rc» ein Widerstand und Cn eine Kapazität bei einer Bezugstemperatur TQ, und fR (T) und fc(T) Funktionen, die von der Umgebungstemperatur T abhängig bzw. die O • bei T = TQ sind.
Die Oszillatorschaltung 12 ist so aufgebaut, daß die Impulsbreite t (T,V), die durch den Widerstand 14 und den Kondensator 15 des Oszillators Ώ. bestimmt ist, proportional zu dem Produkt aus Rc(T) und C(T) ist, wobei t (T,V) = K(T,V) χ Rc (T) χ 'C(T)ist. K(T,V) ist eine Proportional-Variable, die von der Umgebungstemperatur T und der Spannung V der Energiequelle abhängt. Es kann K(T,V) = KQ| 1 + ^(T1V)J (3) geschrieben werden, 909823/08 5 9
wobei K-. ein konstanter Wert bei der Bezugstemperatur T ist. Dementsprechend ist die Impulsbreite t (T,V) bei der willkürliehern Umgebungstemperatur T und der Spannung V der Energiequelle
to(T,V) = K0 Rc0 C0
fRc<T>}-
1 + fK(T,V)}{i + fRc(T)){i + fc(T)}
Hierbei ist t Q eine Impulsbreite bei der Bezugstemperatiar der Umgebung und der Bezugsspannung der Energiequelle im Kontrollbetrieb.
Andererseits hängt auch eine Zeitdauer bzw. Periode t des Taktgebergenerators 19 vonder Umgebungstemperatur und der Spannung der Energiequelle ab und kann wie folgt ausgedrückt werden:
Hierbei ist t Q eine Bezugszeitdauer des Taktgebergenerators 19 bei der Bezugstemperatur TQ der Umgebung und der Bezugsspannung Vn der Energiequelle, t ist die Periode des Takt-
Kj S
gebergenerators 19 bei einer willkürlichen Temperatur T der Umgebung und einer Spannung V der Energiequelle. f„ (T,V) entspricht der Veränderung der Proportional-Variablen bei der Umgebungstemperatur T und der Spannung V der Energiequelle, und
fR (T) und fc (T) sind Veränderungen eines Widerstandes bzw. eines Kondensators oder einer Kapazität, die die Periode des Taktgebergenerators 19 bestimmen.
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Im Kontrollbetrieb wird die Impulsbreite t (T,V) des Oszillators
12 vom Zähler 20 gezählt, indem die Periode t des Taktgebergenerators 19 als eine Ueferenzperiode bzw. als Referenzzyklus genommen wird. Ein Zählwert Nc (T,V) bei einer willkürlichen Umgebungstemperatur T und einer Spannung V ist dann durch folgende Gleichung gegeben:
NC(T V) - IS?±!1 - ^O I1 * V^^U1 - fRo(T)U1
{ι
= Nco-KV(T,V).
Nc0 ist ein Wert, der bei der Bezugstemperatur TQ der Umgebung und der Bezugsspannung VQ der Energiequelle berechnet bzw. gezählt wird, und der Koeffizient Ky(T1V) eine Funktion, die die Veränderung des gezählten Wertes bei einer willkürlichen Temperatur T der Umgebung und einer willkürlichen Spannung V darstellt.
Der gezählte Wert Nc(T,v) wird durch die Steuerschaltung 25 zum Speicher 21 weitergeleitet und darin gespeichert. Nachdem der gezählte Wert N53(T,V) im Speicher 21 gespeichert ist, wird die Temperatur-Heßvorrichtung durch die Steuerschaltung 25 in den Heßbetrieb gesetzt und der Anschluß des Schalters 16 dann vom Verglcichswiderstand 14 zur Temperaturfühleinrichtung 13 durch Betätigung der Schaltersteuerschaltung 13 umgeschaltet.
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Die Temperatur der Temperaturfuhleinrichtüng 13 ist abhängig von bzw» entspricht der temperatur an einer Meßstelle. Deshalb entspricht t (T,V) des Oszillators 12 der Meßtemperatur, wobei die Veränderung, die aufgrund der Umgebungstemperatur und der Spannung der iJnergiequelle, die von der Bezugstemperatur T der Umgebung bzw. der Bezugsspannung V der Energiequelle verschieden sind, berücksichtigt ist.
£>ie Impulsbreite t (T,V) der Impulse des Oszillators 12 im Meßbetrieb kann ebenso durch Sie Gleichung ausgedrückt werden: ."-.-. ..
. tm(T,V) = K(T1V).Rm(T)*C(T) (7).
Hierbei ist lim (T) ein temperaturabhängiger Widerstand der Temperaturfühleinrichtung 13, C(T) die temperaturabhängige . Kapazität des Kondensators 15 und K(T,V) die Proportional-Variable.
Die letzteren zwei Werte C(T) und K(T,V) sind die gleichen wie im Kontrollbetrieb, da sich die beiden Betriebsweisen nur dadurch unterscheiden, daß der Bezugswiderstand 14 durch die Temperaturfühleinrichtüng 13 ersetzt ist. Deshalb erhält man:
tm(T,V) =
fC<T)} — (8)*
Hierbei ist R1n= Rm0 ji + fRm (TI)} '»-."-
1X" ist die Temperatur am gewünschten Meßort, t -Q ist eine
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Impulsbreite für den Meßbetrieb bei der Bezugstemperatur TQ der Umgebung und der Bezugsspannung V der Energiequelle.
Wenn die Impulsbreite t (T,V) des Oszillators 12 im Meßbetrieb durch den Zähler 20 in öeaug auf die Zeitdauer tg(T,V) der Bezugs impulse vom Taktgebergenerator 19 gezählt wird, erhält man einen berechneten Wert Nm(T,V).
V) -
fCs(T)]
fRa(T)|
Nmn ist ein berechneter Wert im Meßbetrieb bei der Bezugstemperatur Tn der Umgebung und der Bezugsspannung VQ der Energiequelle. Das bedeutet, daß NmQ der berechnete Wert ist, der Nm in den Wert bei der Bezugstemperatur TQ der Umgebung und der Bezugs spannung V0 umwandelt.
Unter Verwendung der Gleichung (6) für Nc im Kontrollbetrieb kann die Gleichung (9) wie folgt umgeschrieben v/erden:
Nmn s Nm ♦
0
n s Nm ♦ * ·· 0 Nc 1 + fRm(T')
N ist der für den Kontrollzus^ana berechnete Wert, der im c
Speicher 21 gespeicnert ist. Nm ist der für den Meßbetrieb berechnete Wert, der im Zähler 20 gespeichert ist. NcQ ist bei der Bezugstemperatur der Umgebung (z.B. bei 20°C) und der Bezugsspannung berechnet (die Berechnung von NcQ wird als ein Verfahrens-
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schritt bei bzw. für die Eichung oder Einstellung eines vollständigen Gerätes durchgeführt).
f, (T1) ist die Funktion, die der Temperaturabhängigkext der Temperaturfülleinrichtung 13 entspricht und wird erhalten, wenn die Art und Eigenschaften der Temperaturfühleinrichtung 13 einmal bestimmt sind.
Unter der Annahme, daß der Temperaturkoeffizient des Vergleichs widerstandes 14 im Kontrollbetrieb O ist, ist die Funktion
f„ Null, und die Gleichung (10) wird deshalb: Nc 1
Die Gleichung (11) stellt dar, daß der berechnete Wert Nm, der bei der Temperaturmessung bei einer beliebigen Temperatur T der Umgebung und einer Spannung V der Energiequelle bestimmt wurde, in einen berechneten Wert Nni umgewandelt wird, der gleich einem Wert ist, der bei der Bezugstemperatur TQ und der Bezugsspannung VQ der Energiequelle berechnet wurde.
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Dieser arithmetische Abgleich zur Eichung wird durch die Eichschaltung 22 unter Verwendung der gespeicherten Werte Nc0 und Nc durchgeführt. Diese Eichung sieht eine Möglichkeit zur Temperaturmessung vor, die eine Messung völlig frei von der Veränderungsauswirkung der Umgebungstemperatur und der Spannung der Energiequelle auf die elektrischen Schaltungen der Meßvorrichtung gewähi'leistet. Der geeichte berechnete Wert wird durch die Umwandlungsschaltung 23 in einen Temperaturwert umgewandelt und durch das Gerät 24 angezeigt oder aufgezeichnet.
Die Temperaturmessung mit der erfindungsgemäßen Temperatürmeßvorrichtung liefert exakte Ergebnisse, da der gemessene Wert nach der Eichung angezeigt wird und deshalb unabhängig von der Tatsache ist, daß die Impulse vom Oszillator 12 und dem Taktgebergenerator 19 dazu neigen, von der Umgebungstemperatur und der Spannung der Energiequelle beeinträchtigt zu werden. Daneben ist es nicht notwendig, teure Schaltungselemente mit besonders kleinem Temperaturkoeffizienten zu verwenden. Beispielsweise wird eine ausreichend gute Meßgenauigkeit ohne Verwendung eines Kristalloszillators bzw. Schwingkristalls für den Taktgebergenerator 19 erreicht.
In der erfindungsgemäßen Temperaturmeßvorrichtung kommt die einzige Auswirkung der Veränderung der Umgebungstemperatur von der Temperaturabhängigkeit des Vergleichswiderstandes 14 bei der Anwendung im Kontrollbetrieb, Die Auswirkung der Veränderung der Umgebungstemperatur wird im Prinzip durch den Temperaturkoeffizienten des Vergleichswiderstands 14 bestimmt.
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Mit anderen Worten, nur durch Verwendung eines Vergleichswiderstands mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten wird auf diese Weise eine so exakte Messung erhalten, daß die Genauigkeit der Messung innerhalb des Bereichs der Fehler fällt,die durch die Veränderung des Temperaturkoeffizjenten des Vergleichswiderstandes 14 bestimmt werden.
In dieser Hinsicht weist die Erfindung einen Vorteil gegenüber der herkömmlichen Vorrichtung auf, bei der die Genauigkeit durch Temperaturabhängigkeit von mehr als zwei Schaltungselementen und einer Schwingungsschaltung beeinträchtigt wird. Die Temperaturabhängigkeit des Vergleichswiderstands 14 der Erfindung hat fast nichts mit der Spannungsveränderung der Energiequelle zu tun. Dies ist ein deutlicher Vorteil im Vergleich mit der herkömmlichen Temperaturmeßvorrichtung. Dies weist auf einen bedeutsameren Vorteil hin, da die Spannung,bezogen auf die ümschaltzeitdauer (mehrere 10 msec^zwischen dem Kontrollbetrieb und dem Meßbetrieb sich relativ langsam verändert. Dies ist ähnlich zum Fall, in dem Batterien als Spannungsquelle verwendet werden und die Spahnungsveränderung allmählich mit dem Entladen der Batterien geschieht. Wenn Batterien als Spannungsquelle für die erfindungsgemäße Temperaturmeßvorrichtung verwendet werden, ist es dementsprechend überhaupt nicht erforderlich, die Spannungsquelle zu stabilisieren, so daß eine hohe Spannung oder eine zusätzliche Energie, die zur Stabilisierung notwendig wäre, gespart werden können. Wenn beispielsweise eine Batteriequelle von 5 bis 10 V verwendet wird, ist es möglich, sie etwa um 20 % zu verringern
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bzw. zu entladen. Zusätzlich wird die Lebensdauer der Batteriequelle infolge geringen Energieverbrauchs zum Betreiben der Temperaturmeßvorrichtung beträchtlich verlängert.
Fig. 4 zeigt ein zweit-** anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Eine Temperatur-Meßvorrichtung nach Fig. 4 weist eine temperaturempfindliche Einrichtung bzw. Temperaturfühleinrichtung 26, z.B. einen Heißleiter oder einen Temperaturmeßwiderstand bzw. thermischen Widerstand, auf, einen Vergleichswiderstand 27, insbesondere ohmscnen Widerstand, mit einem kleinen TemperaturKo^ffizienten, eine Energiequelle 28 zur Versorgung der in Reihe liegenden Einrichtung 26 und des Widerstands 27 mit Strom, einem Schalter 29 zum Umschalten der elektrischen Verbindung zwischen der Temperaturfühleinrichtung 26 und dem Vergleichswiderstand 27, einer Schaltersteuerschaltung 30 zur Steuerung des Schalters 29, einen Verstärker 31, einen Speicher 32, eine Eichschaltung 33, eine Umwandlungsschaltung 34, ein Anzeigegerät 35 und eine Steuerschaltung
Die Temperaturmeßvorrichtung nach Fig. 4 weist mit Ausnahme des Verstärkers 31, der Einrichtung 26, des Widerstands 27, der Energiequelle 28 und des Schalters 29 ähnliche Schaltungen bzw. Teile wie Fig. 3 auf. Die Teile bzw. Blöcke der Fig. 4 werden automatisch durch die Steuerschaltung 36 gesteuert. Dies geschieht wie durch die Steuerschaltung 25 in Fig. 3. Der Betrieb der Temperaturmeßvorrichtung nach Fig. 4 wird nachstehend erläutert.
Wenn die Temperaturmeßvorrichtung in einen Kontroll-(Zustand)-
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Betrieb gebracht wird, wird ein Anschluß des Schalters 29 mit dem Widerstand 27 verbunden. Der Strom wird von der Spannungsquelle 28 einer verbundenen Reihenschaltung, die aus der Temperaturfühleinrichtung 26 und dem Widerstand 27 besteht, zugeführt, so daß eine Spannung bzw. ein Spannungsabfall an beiden Anschlüssen des Widerstandes 27 erzeugt wird. Dementsprechend ist eine AusgangsEpannung des Verstärkers 31 proportional zur Spannung an·beiden Anschlüssen des Widerstands und abhängig von der Auswirkung von Veränderungen einer Umgebungstemperatur und einer Spannung der Energiequelle.
Der Strom I, der von der Energiequelle 28 dem Widerstand 27 und damit einem Widerstand Kc des Widerstandes 27 zugeführt wird, kann unter Berücksichtigung der Auswirkung der Veränderungen der Umgebungstemperatur T und der Spannung V der Energiequelle wie folgt dargestellt werden:
I (T ,V) = I0 {i + fjttCV)} . (12),
Rc(T) = Rco{i + fRc(T)} (13),
fj (T,V) und fRc(T) sind Funktionen, die die Veränderungen des Widerstands Rc(T) und des Stromes I (T/V) aufgrund der Umgebungstemperatur T bzw. der Spannung V der Energiequelle 28 darstellen. Beide Funktionen werden bei einer Bezugstemperatur T und einer Bezugsspannung VQ der Energiequelle Null.
Die Spannung E zwischen beiden Anschlüssen des Widerstandes R
beträgt:
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Io{ 1 + fRc(T)](i + T1(T1V)] — (14).
Eine Verstärkung bzw. ein VorsLärkungsgrad G(T,V) des Verstärkers 31 ii:ü cvbenso abhängig von der Auswirkung der Veränderungen der Umgebungstemperatur T und der Spannung V der Energiequelle und kann gleicherweise! dargestellt v/erden als:
G(T,V) = G0 {i -,· fG(T,V) } (15).
f_(T,V) ist eine Funktion, die die Veränderungen des Verstär-
kungsgradcs G(T,V) aufgrund dar Temperatur T und der Spannung V darstellt und wird Null bei T = TQ und V = VQ.
Eine Ausgangsspannung Ec(T,V) des Verstärkers 31 ist: Ec(T, V) r. Rc-I'G
Rc(T)H1 + V^M1 + fG(T'V)j + ^(T1V)]JI + fG(T,V)j (16).
Hierbei ist Ec eine Ausgangsspannung des Verstärkers 31 bei der Bezugstomperatur T der Umgebung und der Bezugsspannung V0 der Energiequelle im Kontrollbetrieb« Die Ausgangsspannung Ec(T,V) des Verstärkers 31 wird durch Steuerung der Steuerschaltung 36 weitergeleitet, um im Speicher 32 zur Speicherung gesetzt und darin gespeichert zu werden.
Nach der Speicherung der Ausgangsspannung Ec(T,V) des Verstärkers 31 im Speicher 32 wird die Temperaturmeßvorrichtung durch die Steuerschaltung 36 in einen lleßbetrieb verändert bzw. geschaltet. Die Schaltercteuerschaltung 3o wird betätigt und der Anschluß dos Schalters 29 mit der Temperaturfühlein-
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richtung 26 verbunden. Die Temperaturfühleinrichtung 26 ist Gegenstand einer zu messenden Temperatur bzw. ist dieser ausgesetzt, und eine Spannung zwisclcn-beiden Anschlüssen der Teniperaturfühleinrichtung 2G spricht auf die Meßtemperatur an. Die Ausgangsspannung Ec(T,V) des Verstärkers 31 weicht aber im allgemeinen von der Spannung bei der Bezugstemperatur T und der Bezugsspannung VQ ab.
Ein Widerstand Rm(T) der Temperaturfühleinrichtung 26 wird mit der zu messenden -Temperatur T1 verändert und kann ausgedrückt, werden als:
Rm(T') = Rm0 ,{ 1" + fRm(T·)} (17)..
Die Ausgangsspannung Em (T,V) des Verstärkers 31 im Meßbetrieb
Em(T,V) = Rm«3>G
= RrVVGO
Em_ ist die Äusgangsspannung des Verstärkers 31 bei der Bezugstemperatur T und der Bezugsspannung V der Energiequelle im Meßzustand. Aus den zwei Gleichungen (16) und (18) erhält man:
Ec 1 + f / \
Emn = Em(T,V) — . Rc(T)·. (19).
U Ec(T, V) 1 + fRrn(T')
Ec (T, V) ist die Ausgangsspannung'"des Verstärkers 31 im Kontrollbetrieb. Dieser Wert ist im Speicher 32 gespeichert. Em (T,V) ist die Aungangsspannung des Verstärkers 31 im Meßbetrieb.
EcQ ist auf die Bezugstemperatur der Umgebung und die Bczugs-
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spannung berechnet. Lc0 wird in einem Verfahrensschritt für bzw. bei der Einstellung einer vollständigen Temperatur-Meßvorrichtung ermittelt und der bestimmte Wert wird im Speicher 32 gespeichert, i; (T1) ist die Funktion, die der Temperaturabhängigkeit der Ternperatur-Fühleinrichtung 26 entspricht^und wird erhalten, wenn die Art und die Eigenschaften der Temperatur-Fühleinrichtung 26 einmal festgelegt sind.
Unter der Annahme, daß der Temperaturkoeffizient des Vergleichswiderstandes 27 im Kontrollbetrieb O ist, ist die Funktion fRc(T)
O, und deshalb wird die Gleichung (19) zu: Ec 1
Emn = Em 2 . (20).
0 Ec 1 + f»n(T')
Die Gleichung (20) bringt zum Ausdruck, daß der berechnete Wert Em, der in der Temperaturmessung bei einer beliebigen Umgebungstemperatur T und einer Spannung V der Energiequelle ermittelt wurde, in einen berechneten Wert Emn umgewandelt wird, der gleich einem Wert ist, der bei der Bezugstemperatur Tn und der Bezugsspannung V"o der Energiequelle berechnet wurde.
Dieser arithmetische Eichungsausgleich wird durch die Eichungsschaltung 33 unter Verwendung der gespeicherten Werte EcQ und Ec durchgeführt. Diese Eichung bzw. Kalibrierung schafft eine Möglichkeit zur Temperaturmessung, die eine Messung vollkommen frei von der Auswirkung der Veränderung der Umgebungstemperatur und der Spannung der Energiequelle auf die elektrischen Schaltungen der Temperatur~-Gießvorrichtung gewährleistet. Der geeichte, berechnete Wert wird durch die Umwandlungsschaltung 33 in einen temperatur;.;kulierten Wert bzv/. Temperaturv/ert umge-
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wandelt und durch das Gerät 35 angezeigt oder aufgezeichnet.
Bei der erfindungsgemäßen Temperatur-Meßvorrichtung ist es für einen Scnaltungsaufbau und die Schaltungselemente nicht notwendig f ihre Temperaturabhängigkeit äußerst niedrig zu halten. Dies ist ein Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Temperatur-Meßgerät vom Brückentyp, bei dem die Meßgenauigkeit durch Temperaturabhängigkeit und Spannungsveränderung an drei Widerständen mit Ausnahme einer Temperatur-Fühleinrichtung in einer Brückenschaltung und durch solche Veränderungen, die von einer Verstärkerschaltung aufgenommen werden bzw. herrühren, beeinträchtigt werden. Wenn man die Temperaturmeßgenauigkeit in den herkömmlichen Temperatur-Meßgeräten verbessern möchte, ist es deshalb teuer, da die Teir.peraturkoeffizienten der drei Widerstände, ebenso die thermische Drift der Verstärkerschaltung, niedrig sein sollen und die Spemnung der Energiequelle stabilisiert sein soll.
Entsprechend der Erfindung ist es nicht erforderlich, einen Verstärker mit geringer thermischer Drift und eine stabilisierte Energiequelle zu verwenden, so daß die Herstellungskosten verringert werden, da die Temperaturmeßfehler aufgrund von Veränderungen der Umgebungstemperatur und der Spannung der Energiequelle durch die arithmetische Kalibrierung bzw. Eichung beseitigt v/erden können.
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Claims (6)

1.) Temperatur-Meßvorrichtüng mit. einer temperaturempfindlichen Einrichtung und einer elektrischen Schaltung zur Erzeugung von Äusgangssignalen, die auf elektrische Zustände der temperaturempfindlichen Einrichtung ansprechen, gekennzeichnet durch
einen Vergleichswiderstand (14; 27) mit einem bekannten Temperaturkoeffizienten, der in der elektrischen Schaltung zur Erzeugung eines Bezugsausgangssignals bei einer vorbestimmten Bezugstemperatur der Umgebung und einer Bezugsspannung einer Energiequelle (28) einbezogen ist;
einen Speicher (21; 32) zur Speicherung des Beaugsausgangssignals;
eine Steuerschaltung (25; 36) zum wechselweisen Schalten, um Ausgangssignale von der temperaturempfindlichen Einrichtung (13; 26) und vom Vergleichswiderstand (14; 27) zu erzeugen und eine Eichschaltung (22; 33) zur Eichung eines Meßfehlers aufgrund von Veränderungen der Umgebungstemperatur und einer Spannung einer Energiequelle unter Verwendung des gespeicherten Bezugsausgangssignals und der Ausgangssignale der temperaturempfindlichen Einrichtung (13; 26) und des Vergleichswiderstands (14 ; 27).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswiderstand (14; 27) einen niedrigen Widerstandstemperaturkoeffizienten auf v/eist -
009823/0859 ORiQlNAt INSPECTED
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Schalter (16? 29) zum Umschalten elektrischer Verbindungen zwischen dem Vergleichswiderstand (14; 27) und der temperatur" empfindlichen Einrichtung (13; 26);
einen Impulsgeneratur (19) zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsbreite entsprechend Widerstandswerten des Vergleichswiderstandes (14; 27) und der temperaturempfindlichen Einrichtung (13; 26); und
einen Zähler (20) zum Zählen von Anzahlen von Taktimpulsen während Zeitperioden, die von Impulsen des Impulsgeneraturs (19) bestimmt werden.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung in der Steuerschaltung (25; 36) zum Weiterleiten und Setzen des Bezugsausgangssignals in den Speicher (21; 32) und anschließend an die Weiterleitung zur Verbindung mit der temperaturempfindlichen Einrichtung (13; 26) anstelle des Vergleichswiderstandes (14; 27).
5. Vorrichtung nach einem dar Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichschaltung (22; 33) für eine arithmetische Berechnung
ausgelegt ist, wobei VcQ das Bezugsausgangssignal ist, Vc und Vm Ausgangssignale des VergleichswiderStandes (14; 27) bzw. der temperaturempfindlichen Einrichtung (13j 26) und 1 + f (T) eine Funktion ist, die die thermischen Eigenschaften
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der temperaturempfindlichen Einrichtung bei einer Temperatur T, die im Hinblick auf die Bezugstemperatur genormt ist, darstellt«
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung des Vergleichswiderstandes (27), der temperaturempfindlichen Einrichtung (26) und einer Energiequelle (28), und einen Verstärker (31) zur Verstärkung einer Spannung am Vergleichswiderstand (27) oder an der temperaturempfindlichen Einrichtung (26), die durch einen Umschalter (29)c der wechselweise einen Eingangsanschluß des Verstärkers (31) mit entsprechenden Enden des Vergleichswiderstands (27) und der temperaturempfindlichen Einrichtung (26) verbindet, abnehmbar ist.
7ο Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (36) ein Ausgangssignal· des Verstärkers
(31) von dem Vergleichswiderstand (27) zum Speicher (32) weiterleitet und daß anschließend an die Weiterleitung die Steuerschaltung (36) eine elektrische Verbindung des Verstärkers
(31) zum Vergleichswiderstand (27) auf die temperaturempfindliche Einrichtung (26) umschaltet.
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