-
Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Mediums
-
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur
Messung der Temperatur eines Mediums, insbesondere einem Fieberthermometer, nach
der Gattung des Hauptanspruchs.
-
Vorrichtungen dieser Art, insbesondere Fieberthermometer, sind bereits
bekannt. Derartige Fieberthermometer sollen im Temperaturbereich von 30 °C bis 50
°C die Isttemperatur mit einer Meßgenauigkeit von + 0,1 °C erfassen. Gleichzeitig
wird vom Meßgerät erwartet, daß es die Isttemperatur nach einer möglichst kurzen
Meßzeit anzeigt. Diese Forderungen werden von den bekannten Fieberthermometern der
eingangs genannten Art nur teilweise erfüllt, da bei ihnen einerseits der temperaturabhängige
Meßwiderstand als Pille mit negativem Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist, die
eine verhältnismäßig hohe Fertlggsstreng hat und einen Abgleich ihres Widerstandes
und einen Abgleich des Temperaturkoeffizienten dieses Widerstandes nicht erlaubt,
und da andererseits die Ansprechzeit des Thermometers eine Funktion der Wärmekapazität
des Sensors und damit abhängig von der Formgestaltung des Meßfühlers ist.
-
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung
der Temperatur eines Mediums mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat
demgegenüber den Vorteil, daß der Meßwiderstand durch Abgleich der Teilwiderstände
auf einen bestimmten Widerstandswert und/oder auf einen bestimmten Temperaturkoeffizienten
im Zwischenbereich der Temperaturkoeffizienten der Teilwiderstände eingestellt werden
kann.
-
Weiterbildungen des Gegenstandes nach Anspruch 1 ergeben sich aus
den Unteransprüchen 2 bis 12. Anspruch 13 bringt den weiteren Vorteil, daß die Meßzeit
auch ohne Verringerung der Wärmekapazität des Sensors erniedrigt werden kann. Weiterbildungen
des Gegenstandes nach Anspruch 13 bringen die Ansprüche 14 bis 17. In Anspruch 18
wird ein Fieberthermometer vorgeschlagen, das die Messung der Temperatur des menschlichen
Körpers aus der Atemluft ermöglicht. In Anspruch 19 wird ein besonders vorteilhaftes
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Mediums
vorgeschlagen, das es ermöglicht, die Meßgenauigkeit dieser Vorrichtung erheblich
zu verbessern.
-
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur
1 einen aus einem Vorwiderstand und einem Meßwiderstand bestehenden Spannungsteiler,
bei dem der Meßwiderstand aus der Serienschaltung eines temperaturabhängigen und
eines temperaturunabhängigen Widerstandes besteht und bei dem an dem zwischen dem
Vorwiderstand und dem Meßwiderstand liegenden Abgriff die Meßspannung abgenommen
ist, Figur 2a und 2b eine erste Version einer Meßsonde, bei der nur die beiden Teilwiderstände
des Meßwiderstandes in der
Meßsonde untergebracht sind, Figur 3a
und Figur 3b eine zweite Version einer Meßsonde, bei der außer den beiden den Meßwiderstand
bildenden Teilwiderständen auch noch der Vorwiderstand und ein Heizwiderstand in
der Meßsonde untergebracht sind, Figur 4 das zu der zweiten Version gehörende elektrische
Schaltbild des Spannungsteilers und des Heizwiderstandes zusammen mit der zugehörigen
Auswerteschaltung, Figur 4a das zu der zweiten Version des Tantal-Nickel-Elektrothermometers
gehörende Heizstrom-Temperatur-3iagramm, Figur 5a und Figur 5b eine dritte Version
einer Meßsonde, die besonders auf die Atemluftmessung zugeschnitten ist.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 zeigt einen Spannungsteiler,
der aus einem temperaturunabhängigen Vorwiderstand RV und einem tempertaturabhängigen
Meßwiderstand Rrn besteht, wobei der Meßwiderstana RT einen temperaturabhängigen
Teilwiderstand R21 und einen temperaturunabhängigen Teilwiderstand R22 enthält,
die ihrerseits zueinander in Reihe geschaltet sind. Statt dessen ist es aber auch
möglich, die Widerstände R21 und R22 parallel zu schalten. Das freie Ende des Widerstandes
R21 ist an Masse gelegt, während das freie Ende des Vorwiderstandes RV an eine gegebene
Referenzspannung U3 angeschlossen ist. Am Abgriff des Spannungsteilers wird die
temperaturabhängige Meßspannung U abgenommen.
-
m Der Meßwiderstand RT ist in einer Meßsonde enthalten, die bei der
Temperaturmessung auf die Meßtemperatur T gebracht wird.
-
Der Meßwiderstand RT wird durch Abgleich seines temperaturunabhängigen
Teilwiderstandes R22 auf einen bestimmten Temperaturkoeffizienten im Zwischenbereich
der Temperaturkoeffizienten der Teilwiderstände R21, R22 eingestellt. Danach wird
das Teilerverhältnis des Spannungsteilers RV, RT durch Abgleich des Vorwiderstandes
RV auf einen vorgegebenen festen Wert eingestellt.
-
Besonders vorteilhaft dabei ist, daß die Kennliniensteilheit des Meßwiderstandes
RT und das Teilerverhältnis Rv, RT der Vorrichtung zur Temperaturmessung eingestellt
werden können, ohne daß der eigentliche temperatur empfindliche Teilwiderstand R21
abgeglichen werden muß. Der Abgleich von temperaturempfindlichen Widerständen unter
Energiebedarf z.B. mittels Laser führt zu einer Erwärmung des Widerstandes während
des Abgleichs und damit selbst bei sehr sorgfältigem Vorgehen zu einer Fehleinstellung
des Widerstandswertes. Dieser Nachteil entfällt beim vorgeschlagenen Abgleichverfahren
und es wird erreicht, daß bei vorgegebener genau eingestellter Referenzspannung
UB die Meßspannung U bei å jedem Meßfühler exakt der zu m messenden Meßtemperatur
T entspricht. Damit sind Meßfühler und Auswerteelektronik austauschbar, ohne daß
zur Erhöhung der Meßgenauigkeit eine Anpassung erforderlich ist.
-
Der Vorwiderstand RV ist dabei in der Meßsonde integriert, wenn die
von der Auswerteschaltung bedingte Versorgungsspannung nicht in ihm eine die Isttemperaturmessung
verstammende Eigenerwärmung aufgrund der verbrauchten elektrischen Leistung hervorruft.
Ist dies der Fall, so muß der Vorwiderstand RV thermisch entkoppelt vom temperatur
abhängigen Widerstand R in der Meßsonde eingebaut sein. Er kann auch in der Auswerteschaltung
untergebracht werden.
-
In den Figuren 2a und 2b ist eine Meßsonde dargestellt, die nur den
aus den beiden Teilwiderständen R21 und R22 bestehenden Meßwiderstand RT enthält.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist also vorgesehen, daß der Vorwiderstand RV thermisch
entkoppelt ist. Die beiden Teilwiderstände R21 und R22 sind hier der Einfachheit
halber mit 21 und 22 bezeichnet. Diese Widerstände sind in Dünnschichttechnik auf
eine Substratplatte 2 aufgebracht. Die freien Enden der beiden im Ausführungsbeispiel
hintereinandergeschalteten Teilwiderstände 21 und 22 sind mit Anschlußleitungen
24 verbunden, die über Lötstellen 43 mit diesen freien Enden kontaktiert sind. Die
Substratplatte 2 mit
ihren Teilwiderständen 21 und 22 ist von einer
Masse 3 umschlossen, die gegen Desinfektionsmittel resistent ist und die thermische
Sterilisation ermöglicht. Die Masse 3 kann beispielsweise durch Umspritzen hergestellt
sein. Sie soll eine möglichst geringe Wärmekapazität besitzen. Zur Verbesserung
der Ansprechzeit -ist die Masse 3 im Bereich 31 des Widerstandes 21 so schmal gemacht
worden, wie es die Anforderung an die mechanische Stabilität zuläßt. Zur Erleichterung
der Rektalmessung, vor allem bei Kleinkindern, kann die Spitze des Meßfühlers abgerundet
sein, was bei 32 angedeutet ist. Die das Substrat 2 mit seinen Widerständen 21 und
22 umschließende Masse 3 ist über eine schlecht wärmeleitende Klebeschicht 11 an
einem stabilen Rohr 1 befestigt, wobei eine Bördelung 12 für zusätzliche Haftung
sorgt. Durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit der Klebeschicht 11 wird dem Gesichtspunkt
der geringen Wärmekopplung Rechnung getragen.
-
Es entsteht hierbei praktisch keine Vergrößerung der Wärmekapazität
der Meßsonde durch den Anschluß an das Rohr 1.
-
In den Figuren 3a und 3b ist eine Meßsonde dargestellt, in der außer
den Teilwiderständen R21 und R22 des Meßwiderstandes RT auch der Vorwiderstand RV
untergebracht ist.
-
Für die beiden Teilwiderstände R21 und R22 des Meßwiderstandes RT
sind wie in den Figuren 2a und 2b die Bezugsziffern 21 und 22 verwendet. Der Vorwiderstand
RV ist mit 23 bezeichnet. Die schaltungsmäßige Verbindung dieser drei Widerstände
entspricht dem Schaltbild gemäß Figur 1.
-
Die Substratplatte ist wieder mit 2, die Lötstellen mit 43, die das
Substrat umschließende Masse mit 3, das Anschlußrohr mit 1, die Klebeschicht mit
11, die Bördelung mit 12 und die Verschmälerung der Masse 3 mit 31 bezeichnet.
-
Auf der Rückseite der Substratplatte 2 ist erfindungsgemäß ein Heizwiderstand
44 angebracht. Der Heizwiderstand 44 hat den Zweck, die Meßsonde bei der Messung
bis wenig unter die Meßtemperatur zu erwärmen. Der Heizwiderstand 44 ist im zugehörigen
Schaltbild der Figur 4 mit RH bezeichnet.
-
Mit 24 sind wieder die nach außen geführten Anschlußleitungen bezeichnet.
-
Der Heizwiderstand 44 muß nicht auf der Rückseite der Substratplatte
2 angebracht sein. Er kann auch auf ein zweites Plättchen, Rücken an Rücken mit
dem Sensorsubstrat 2, aufgebracht sein.
-
In Figur 4 ist das elektrische Schaltbild des Fieberthermometers nach
den Figuren 3a und 3b dargestellt. Der aus dem Vorwiderstand RV und dem Meßwiderstand
RT bestehende Spannungsteiler ist wie in Figur 1 ausgebildet. Der Meßwiderstand
RT besteht also auch aus den hintereinandergeschalteten Teilwiderständen R21 und
R22. Die am Abgriff des Spannungsteilers abgenommene Meßspannung U ist einer Auswerteschaltung
50 zugeführt, die m ihrerseits an eine Anzeigevorrichtung 51 angeschlossen ist.
-
Der auf der Rückseite der Substratplatte 2 angebrachte Heizwiderstand
44 ist hier mit RH bezeichnet. Der Heizwiderstand RH ist einerseits an Masse angeschlossen,
andererseits von einem Heizstromregler 52 gespeist, der mit der Auswerteschaltung
50 zusammenarbeitet, so daß der Heizwiderstand RH den Meßwiderstand RT während der
Messung auf eine Temperatur aufheizt, die größer als dessen Anfangstemperatur, jedoch
kleiner als die zu messende Temperatur T ist.
-
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der temperaturabhängige
Teilwiderstand R21 aus einer auf ein elektrisch nichtleitendes Substrat aufgebrachten
Tantalschicht und aus einer auf diese Tantalschicht aufgebrachten Nickelschicht
besteht und daß der temperaturunabhängige Teilwiderstand 322 der Vorwiderstand RV
und gegebenenfalls auch der Heizwiderstand R jeweils aus einer Tantalschicht bestehen,
die aus dem Schichtsystem Tantal-Nickel jeweils durch Abätzen der Nickelschicht
hergestellt ist.
-
Bei der Herstellung des Spannungsteilers ist es besonders vorteilhaft,
wie folgt vorzugehen: Zunächst wird auf ein elektrisch nichtleitendes Substrat ganzflächig
eine Tantalschicht und auf diese Tantalschicht ganzflächig eine Nickelschicht aufgebracht.
Aus diesem Zweischichtsystem wird dann zuerst die Grundgeometrie
des
Widerstandsnetzwerks ausgeätzt. Aus dieser Grundgeometrie werden durch Abätzen der
Nickelschicht die Widerstände RV und R22 hergestellt. Der noch mit der Nickelschicht
behaftete Teil der Grundgeometrie des Schaltungsnetzwerks bildet dann den temperaturabhängigen
Teilwiderstand R21.
-
Bei dem so hergestellten Spannungsteiler wird dann die Temperaturabhängigkeit
des aus den Teilwiderständen R21, R22 bestehenden Meßwiderstandes RT gemessen und
anschließend der Temperaturkoeffizient des Meßwiderstandes RT durch Variation des
Widerstandswertes seines Teilwiderstandes R22 auf die untere Grenze des Toleranzbandes
seiner Fertigungsstreuung abgeglichen, so daß der Temperaturkoeffizient des Meßwiderstandes
RT den gewünschten Wert erreicht. In einem weiteren Arbeitsgang wird dann durch
Variation des Widerstandswertes des Vorwiderstandes RV das Teilerverhältnis des
Spannungsteilers RV, Rm auf den gewünschten Wert abgeglichen, ohne daß dabei der
Meßwiderstand nocheinmal verändert werden müßte.
-
Die Heizstromregelung im Heizwiderstand RH ist in Figur 4 und Figur
ka angedeutet und wird durch die Temperatur der Meßsonde wie folgt gesteuert: Bei
der Temperatur Tg wird das Meßgerät eingeschaltet.
-
Da Tg kleiner als T1 ist, wird auch sofort der volle Heizstrom vom
Heizstromregler 52 über den Widerstand RH gezogen. (Der Widerstand RH ist ein temperaturunabhängiger
Tantal-Widerstand, da er aus dem Schichtsystem Tantal-Nickel durch Abätzen der Nickelschicht
entstanden ist.) Erreicht die Meßsonde die Temperatur T1, dann wird der Heizstrom
zurückgeregelt und spätestens zum Zeitpunkt, da die Meßsonde die Temperatur T2 erreicht,
welche kleiner als 370 ist, ganz abgeschaltet.
-
Ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Fieberthermometers ist
in den Figuren 5a und 5b dargestellt.
-
Bekanntlich ist die Atemluft besonders zur schnellen Fiebermessung
geeignet. Das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 5a und 5b ist deshalb auf diese
Atemluftmessung zugeschnitten. In einem Rohr 1, das auf der einen Seite offen, auf
der anderen Seite für den Eingang der Atemluft mit Löchern versehen ist, sind die
in Figur 1 dargestellten Widerstände RV, R21 und R22 hier zur Verringerung der Wärmekapazität
auf einem als Folie ausgebildeten Substrat 2 untergebracht, wobei die Widerstände
R21 und R22 der Einfachheit halber wieder mit 21 und 22 bezeichnet sind. Zur Befestigung
der Folie 2 dienen die Halterungen 4 und 41, wobei die Halterungen 4 möglichst massearm,
vorzugsweise durchlöchert, auszuführen sind und die Halterung 41 von den Halterungen
4 thermisch möglichst gut zu entkoppeln ist, da sie zur Wärmeabfuhr der eventuell
im Vorwiderstand RV erzeugten Wärme dient, welcne dann zur Vorwärmung des Rohres
dienen kann.
-
L e e r s e i t e