DE3130499A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum messen einer temperaturdifferenz - Google Patents

Description

• Verfahren und Schaltungsanordnung zum Messen einer
• Temperaturdifferenz Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hochpräzisen Messen einer Temperaturdifferenz ohne Verwendung einer Brückenschaltung, einer stabilisierten Spannungsquelle.
• und.temperaturstabiler Widerstände, mit Hilfe von Widerstands-Temperaturfühlern sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Bekannte Schaltungen für hochpräzise Messungen einer Temperaturdifferenz mit Hilfe von Widerstandssensoren sind meist als Brückenschaltungen ausgebildet. Dieselben verwenden extrem temperaturstabile Widerstände und stabilisierte Spannungsquellen. Da eine Brückenschaltung vom Prinzip her nicht linear ist, muß eine Linearisierung durch zusätzlichen Aufwand erkauft werden.
• In der Praxis kann eine solche Schaltung z.B. in einem Wärmemengenzähler Anwendung finden. Hierbei wird die gemessene Temperaturdifferenz in Impulse umgewandelt, deren Breite proportional der Temperaturdifferenz. ist.
• Wenn sodann die Impulsrate proportional zum Volumenstrom der Wärmeträgerflüssigkeit gemacht wird, so ist die integrierte Impulsfläche ein Maß für die Wärmemenge. Die Umsetzung einer Spannungsdifferenz in eine Impulsbreite ist als solche bekannt.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung einer ohne die Verwendung einer Brückenschaltung streng linearen Möglichkeit der Messung einer Temperaturdif- ferenz. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Analogschalter mit Hilfe eines externen Signals so gesteuert wird, daß zwei Widerstands-Temperaturfühler wechselweise an eine Konstantstromquelle angeschlossen werden und die abgenommenen Meßwerte in einer Schaltung, bestehend aus Operationsverstärkern, in eine der Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturfühlern proportionale Impulsbreite umgewandelt werden.
• Das vorliegende Verfahren arbeitet auch ohne eine Brückenschaltung, ohne eine stabilisierte Spannungsquelle oder hochtemperaturkonstante Widerstände sehr genau. Darüberhinaus ist eine zusätzliche Linearisierung der Widerstands-Temperaturfühler - mit einer Charakteristik ähnlich derjenigen bei Platinfühlern - auf vergleichsweise einfache Weise möglich. Vorteilhaft ist die Verwendung dieses Verfahrens in einem Wärmemengenzahler, wobei z.B.
• a) die gemessene Temperaturdifferenz in Impulse umgewandelt wird, deren Breite proportional der Temperaturdifferenz ist, b) die Impulsrate proportional zum Volumenstrom der Wärmeträgerflüssigkeit gemacht wird und c) die Impulsfläche-als Maß für die Wärmemenge integriert wird.
• Von Vorteil ist hierbei, daß die Impulsfläche ein direktes Maß für die gezählte Wärmemenge darstellt. Im Falle der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenhang mit einem Wärmemengenzähler kann die spezifische Wärmekapazität des Wassers (K-Wert) bei wachsender Temperatur gleitend verkleinert wird. Dies ist in sehr einfacher Weise mit Hilfe von nur einem zusätzlichen Widerstand möglich.
• Eine dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend vorteilhafte Schaltungsanordnung sieht vor, daß die beiden Widerstands-Temperaturfühler einenends an Masse liegen und anderenends über einen steuerbaren Analogschalter wechselweise mit der Konstantstromquelle und dem zweiten Operationsverstärker verbindbar sind, wobei der eine Schalter mit dem Ausgang der Konstantstromquelle und seine Verbindungsleitung zu den Widerstands-Temperaturfühlern über das andere Schaltersystem mit dem Pluseingang des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist.
• Für die Ansteuerung der Operationsverstärker ist es sinnvoll, daß die beiden als Stromquelle geschalteten Operat. ionsverstärker A1 und A3 an einem gemeinsamen Spannungsteiler liegen, wobei der Spannungsteiler einenends an Masse und anderenends an einer Batteriespannung liegt, während zwischen je zwei Widerständen Verbindungsleitungen einmal zum Pluseingang des ersten und dritten Operationsverstärkers und zum anderen zum Pluseingang des vierten Operationsverstärkers führen. Diese beiden Widerstände sind in ihrer Temperaturstabilität nicht kritisch, da sie zueinander im Verhältnis stehen. Dies hat zur Folge, daß keine hochpräzisen Widerstände erforderlich sind.
• Ein weiteres schaltungstechnisches Merkmal der Erfindung sieht vor, daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers mit dem Minuseingang des vierten Operationsverstärkers über einen weiteren Widerstand und einen Kondensator verbunden ist. Letzterer dient in vorteilhafter Weise zur Bildung eines Referenzpegels.
• Zweckmäßigerweise ist der vierte Operationsverstärker durch eine Diode rückgekoppelt, die bei durchgeschaltttem ersten Schalterpaar als starke Gegenkopplung zur Ableitung des Integrationsstrom wirkt und die bei durchgeschaltetem zweiten Schasterpaar sperrt, so daß der Integrationsstrom den Kondensator auflädt.
• Was die Korrektur des K-Wertes anbetrifft, so läßt sich dieselbe in einfacher Weise dadurch vornehmen, daß zwischen den Ausgang des zweiten Teiloperationsverstärkers und den Minuseingang des dritten Teiloperationsverstärkers ein einzelner weiterer Widerstand gekoppelt ist, der den Integrationsstrom in Abhängigkeit vom Temperaturfühler Rk steuert und bei geeigneter Dimensionierung einen gleitenden K-Faktor bewirkt.
• Darüber hinausgehende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche. Im folgenden wird an Hand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert: Die beiden Temperaturfühler Rw und Rk liegen einenends an Masse und anderenends am Analogschalter AS und können über S1 und S2 mit der Konstantstromquelle A1 und über und und S2' mit dem zweiten Operationsverstärker A2 verbunden werden. Das aus den erwähnten vier Schaltern bis S2' bestehende Schaltersystem stellt einen sogenannten Vierfach-Analjogschalter dar, der als kompakte Baueinheit ausgebildet ist, was in der Zeichnung durch ein mit gestrichelter Linienführung gezeichnetes Kästchen angedeutet wurde.
• Der Operationsverstärker At und der Operationsverstärker A3 sind in bekannter Weise als Stromquellen ft geschaltet und bilden mit den weiteren Operationsverstärkern A3 und A4 den Vierfach-Operationsverstärker A1 bis A4. Die beiden z.B. in Form von Pt-Widerständen ausgebildeten Temperaturfühler Rw und Rk werden durch Impulse wechselweise von dem konstanten Strom I1 der Konstantstromquelle A1 gespeist. Die Widerstände R1 bis R3 sind in Serie geschaltet. Das andere Ende des Widerstandes R3 liegt an Masse, während dasjenige des Widerstandes R1 an der Spannungsquelle UB liegt: Zwischen den Widerständen R1 und R2 zweigt eine Verbindung zum Pluseingang von A1 ab, die die Steuerspannung für die Operationsverstärker bzw. Stromgeneratoren A1 und A3 liefert. Zwischen den Widerständen R2 und R3 zweigt eine weitere Verbindung zum Pluseingang von A4 ab, die eine Hilfsspannung liefert, um den Pluseingang von A4 über Masse zu halten. Diese beiden Widerstände R1 und R2 zusammen ergeben den gemeinsamen Spannungsteiler zur Ansteuerung beider Stromquellen, deren Schaltung als Weiche bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung ist. Die konstanten Ströme berechnen sich aus den Beziehungen I. I = - UB - R1 und (R1 + R2 + R3).. R4 II. 12 = UB . R1 (R1 + R2 + R3) R5 Wenn nun die Schalter S1, S1' über die externe Steuerung ST leitend werden, tritt am Ausgang von A2 eine Spannung U = I1 . Rw auf, d.h. also eine dem Temperaturwiderstand proportionale Spannung. Dieselbe liegt während der Impuls- breite des Spannungsimpulses an. In dieser Zeitspanne arbeitet A4 mit starker Gegenkopplung durch die Diode D1. Der ständig anstehende Integrationsstrom I2 fließt über die Diode D1 ab. In diesem Schaltungszustand stelIt sich die Spannungsdifferenz mi6 Berücksichtigung des Offsetfehlers auf Null und die Spannung über dem Kondensator C1 auf einen Referenzpegel ein. Dadurch erhält die Schaltung eine automatische Null-Stellung. Auch der Offsetfehler von A4 wird eliminiert. Durch diese spezielle Schaltungsanordnung können auch negative Temperaturen bT = Tw - Tk < 0 gemessen werden. Die Schaltung kann ohne Vertauschung der Temperaturfühler für Wärmemengen- und Kältemengenmesser Verwendung finden. Dies ist wichtig bei Klimaanlagen.
• Anschließend werden über Steuerimpulse der externen Steuerung ST die Schalter S2, S2' leidend geschaltet.
• Dadurch ändert sich die Spannung am Ausgang von A2 in negativer Richtung, wobei der Spannungssprung AU zwischen den Temperaturfühlern Rw und Rk proportional zur Temperaturdifferenz AT ist. Bei einem solchen negativen Sprung geht der Ausgang von A4 ähnlich einem Komparator schlagartig hoch, wodurch die Gegenkopplung Der aufgehoben wird, weil die Diode D1 strom I2 lädt nun den Kondensator C1 so lange streng linear auf, bis die Differenz zwischen Minus- und Pluseingang von A4 wieder Null ist. Die Impulslänge t am Ausgang von A4 ist durch den linearen Aufladevorgang streng proportional dem Spannungssprung AU- und damit auch der Temperaturdifferenz AT - am Eingang. Es gilt folgende Beziehung III. t = C1 C AU mit 12 IV. AU = 11 . (Rw - Rk) Die Unabhängigkeit der Impulsbreite von der anliegenden Batteriespannung UB beruht auf dem Gleichlauf der bei den Ströme 11 und I2, der dadurch erzielt wird, daß beide Stromquellen vom gemeinsamen Potential 1 ge-.
• steuert werden. Die beiden Gleichungen I und II in III und IV eingesetzt ergeben folgende von UB unabhängige Beziehung t = C (Rw - Rk) R5 R4 Dieser Beziehung läßt sich entnehmen, daß die beiden wichtigen Widerstände R4 und R5 in ihrer Temperaturstabilität nicht kritisch sind, da sie zueinander in einem Verhältnis stehen.
• Dies unterscheidet die vorliegende Schaltung von üblichen Brückenschaltungen zur Temperaturdifferenzmessung. I2 erzeugt über R6 einen konstanten Spannungsabfall, der nur bei kleinem AU bzw. AT eine merkliche iiegative Korrektur des Ausgangssignals bewirkt.
• Dieses Verhalten entspricht einer näherungsweisen Linearisierung der Widerstandscharakteristik von Platin. Der gleiche Effekt kann auch zur Unterdrückung sehr kleiner Temperaturdifferenzen verwendet werden.
• Wird die vorstehend beschriebene Temperaturmeßschaltung in Verbindung mit einem Wärmemengenzähler verwendet, so ist eine gleitende Korrektur der spezifischen Wärmekapazität des Wassers (K-Wert) erwünscht.
• Dies bedeutet, daß der K-Wert bei wachsender Temperatur verkleinert werden soll. Eine solche K-Wert-Korrektur kommt zustande, indem die absolute Rücklauftemperatur TR über RK die Meßwerte am Ausgang von A4 bei größer werdenden Rücklauftemperaturen nach unten korrigiert. Dies wird durch Einführung des Widerstandes R7 zwischen den Ausgang von A2 und den Minuseingang von A3 erzielt. Dieses Leitungsteil ist in der Zeichnung - wegen seines Möglichkeitscharakters -mit gestrichelter Linienführung angedeutet. Damit kann der Strom I2 in Abhängigkeit von Rk gesteuert werden und der Meßwert verändert sich am Ausgang von A4 gleitend. Die richtige Einstellung von R7 wird nach vorhandenen Korrekturtabellen durchgeführt.

Claims (15)

1. Konrad Abel, Dipl.-Ing., Neurottstr. 8, D-6834 Ketsch Öysten Lanzen, Dipl.-Ing.

   Midskogw. 11, N-2020 Skedsmorkorset, Norwegen Patentansprüche Ül. Verfahren zum hochpräzisen Messen einer Temperaturdifferenz ohne Verwendung einer Brückenschaltung, einer stabilisierten Spannungsquelle und temperaturstabiler Widerstände, mit Hilfe von Widerstands-Temperaturfühlern, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß ein Analogschalter (AS) mit Hilfe eines externen Signals (ST) so gesteuert wird, daß zwei Widerstands-Temperaturfühler (Rw, Rk) wechselweise an eine Konstantstromquelle (A1) angeschlossen werden und die abgenommenen Meßwerte in einer Schaltung, bestehend aus Operationsverstärkern (A2, A3, A4) in eine der Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturfühlern proportionale Impulsbreite umgewandelt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, das g e k e n n z e i c h -n e t ist durch die Verwendung in einem Wärmemengenzähler.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Speisung der beiden Temperaturfühler (Rw; Rk) über den Anschlagschalter (AS) mit gleichem Konstantstrom geschieht.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß über die Einstellung -eines Widerstandes (R7) eine K-Wert Korrektur erzielt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß in der Schaltung eine automatische Nullstellung und eine automatische Korrektur des Offset-Fehler-s verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen i und 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sowohl negative als auch positive Temperaturdifferenzen gemessen werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h ne t , daß die gleiche Schaltung ohne Änderung und ohne Umtausch der Temperaturfühler sowohl in Verbindung mit Wärmemengen- als aüch in Verbindung mit Kältemengenmessungen eingesetzt wird.
8. 8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens -nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Widerstands-Temperaturfühler (Rw; Rk) einenends an Masse liegen und anderenends über einen steuerbaren Analogschalter (AS) wechselweise mit der Konstantstromquelle (A1) und dem zweiten Operationsverstärker (A2) verbindbar sind.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das eine Schaltersystem (Sl/S2) mit dem Ausgang der Konstantstromquelle (A1) und seine Verbindungsleitung zu den Widerstands-Temperaturfühlern (Rw; Rk) über das andere Schaltersystem (S1'/S2') mit dem Pluseingang des zweiten Operationsverstärkers (A2) verbunden ist.
10. 10. Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden als Stromquellen geschalteten Operationsverstärker (A1 und A3) an einem gemeinsamen Spannungsteiler (R1 bis R3) liegen.
11. 11. Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (A2) mit dem Minuseingang des vierten Operationsverstärkers (A4) über einen weiteren Widerstand (R6) und einen Kondensator (C1) verbunden ist.
12. 12. Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Operationsverstärker (A4) durch eine Diode (D1) rückgekoppelt ist, die bei durchgeschaltetem ersten Schalterpaar (S1, S1') als starke Gegenkopplung zur Abteilung des Integrationsstroms (I2) wirkt, und die bei durchgeschaltetem zweiten Schalterpaar (S2' S2') sperrt, so daß der Integrationsstrom den Kondensator (C1) auflädt.
13. 13. Anordnung nach Anspruch 12, da d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Integrationsstrom (12) den Kondensator (C1) solange streng linear auflädt, bis die Spannungsdifferenz an den Eingängen des Operationsverstärkers (A4) Null wird und dadurch am Ausgang dieses Operationsverstärkers eine der Temperaturdifferenz propo-rtionale Impulslänge erscheint.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 12 und einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n- n z e i c h n e t , daß bei geschlossenem erstem Schalterpaar (S1, S1') der Integrationsstrom (I2) abgeleitet wird und dadurch eine automatische Nullstellung des Operationsverstärkers (A4) und eine Eliminierung des Offset-Fehlers erfolgt.
15. 15. Anordnung nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (A2) und den Minuseingang des dritten Qperationsverstärkers (A3-) ein einzelner weiterer Widerstand (R7) gekoppelt ist, der den Integrationsstrom (I2) in Abhängigkeit vom Temperaturfühler (Rk) steuert und bei geeigneter Dimensionierung einen gleitenden K-Faktor bewirkt.