DE3133054A1 - Temperaturfuehler - Google Patents

Description

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RUPE " KELLMANN DipL-Chem. G. Bühling

- Dipf.-Ing. R. Kinne

ν Dipf.-Ing. P. Grupe

Dipl.-Ing. B. Pellmann

Savarlarfng 4, Postfach 20 24 C 8000 München 2

Tel.: 089-539653

Telex: 5-24845 trpat

cable; Germaniapatent Münchc

21.August 1981

DE 1306

case W-1633

Aisin Seiki Kabushiki Kaisha
Kariya city, Japan

Temperaturfühler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturfühler ' und insbesondere auf einen Temperaturfühler, der eine durch eine Temperaturänderung hervorgerufene Änderung der Magnetfeldstärke eines Magneten in ein elektrisches Signal umsetzt. ·

Herkömmliche Temperaturfühler enthalten Thermistoren, deren Widerstand sich entsprechend einer Temperaturänderung verändert. Die Nachteile derartiger Vorrichtungen bestehen darin, daß die Gleichförmigkeit und Austauschbarkeit gering sind, die Steuerung der Materialkomponenten und der thermischen Eigenschaften schwierig ist, eine Linearität des elektrischen Signals schwer erzielbar ist und der Fühler durch Schlag bzw. Stoß zerstört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturfühler mit hoher Widerstandsfestigkeit gegenüber
Schwingungen bzw. Vibrationen und Stoßen zu schaffen.

VT/22

Deutsche Bank (München! Kto 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

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Ferner soll mit der Erfindung ein Temperaturfühler geschaffen werden, bei dem nur eine verhältnismäßig einfache Verarbeitung eines Temperaturmeßsignals notwendig ist.

Weiterhin soll es der erfindungsgemäße Temperaturfühler ermöglichen, Temperaturdaten unter Verwendung einer verhältnismäßig einfachen Abnahmelogik in der Form einer integrierten Schaltung hohen Integrationsgrads (LSI) wie eines Mikrocomputers auszulesen.

Der erfindungsgemäße Temperaturfühler hat einen Permanentmagneten, der in einem Gehäuse nahe dem Objekt angeordnet ist, dessen Temperatur zu messen ist, und ein weichmagnetisches Teil, das von einer elektrischen Spule umgeben ist und in der Nähe des Permanentmagneten angeordnet ist. Das weichmagnetische Teil hat einen Querschnitt geringer Fläche, so daß leicht eine magnetische Sättigung erzielt wird. Die elektrische Spule hat eine große Windungsanzahl, so daß das weichmagnetische Teil mit einer verhältnismäßig niedrig angelegten Spannung bzw. mit einer verhältnismäßig geringen Stromstärke magnetisch gesättigt werden kann. Der Permanentmagnet wird in seinen Körperausmaßen klein gehalten, jedoch stark genug ausgebildet, an das weichmagnetische Teil ein Magnetfeld mit notwendiger Stärke abzugeben.

Die Zeit T, die von dem Augenblick des Anlegens einer Spannung an eine um das weichmagnetiche Teil herum angeordnete Spule an bis zum Sättigen des weichmagnetischen Teils notwendig ist, kann annähernd folgendermaßen ausgedrückt werden:

wobei E die angelegte Spannung ist, N die Windungsanzahl

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der Spule ist, φ der maximale Fluß ist, der annähernd gleich dem Sättigungsfluß ist,-und φ der auf ein äußeres Magnetfeld zurückzuführende Fluß ist. Sobald sich die Größe des Flusses φ , der dem weichmagne_ttischen Teil aufgeprägt wird, entsprechend einer Temperaturänderung des Permanentmagneten ändert, ändert sich auch die Zeit T. Sobald sich somit die Temperatur des Permanentmagneten ändert, so daß eine Änderung hinsichtlich des dem weichmagnetischen Teil 'aufgeprägten externen Flusses ψ ent- steht, ändert sich die Dauer der Zeit vom Anlegen einer Spannung an die Spule bis zum Erreichen einer vorgegebenen Spulenstrom-Stärke. Demgemäß ist bei dem erfindungsgemäßen Temperaturfühler eine elektrische Schaltung oder eine elektronische Halbleitervorrichtung vorgesehen, die die Größe der Zeit T ermittelt und ein elektrisches Signal in der Form eines Spannungspegels oder eines digitalen Codes abgibt, das diesen Wert anzeigt. Bei einem vorzugsweise gewählten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zur Bildung des weichmagnetischen Teils ein amorphes magnetisches-Signal verwendet. Da ein derartiges amorphes magnetisches Teil durch Abschrecken aus Metall in der Flüssigphase hergestellt werden muß, wird es als ein dünnes Blatt geformt. Es zeigt Ferromagnetismus .und hat einen hohen Wert magnetischer Sättigung, hohe Permeabilität (n ^ ίο ) und niedrige Koerzitivkraft (^_1.0 Oe),

• m 3.x.

während es sehr hohe Bruchfestigkeit, hervorragende Elastizität und hervorragende Beständigkeit zeigt. Einige weichmagnetische Materialien sind in dem Artikel "Soft Magnetic Properties of.Metallic Glasses - Recent Developrnents", J.Appl. Phys. 50(3), März 1979, Seiten 1551 bis 1556 von Hasegawa u.a. beschrieben. Weichmagnetische Materialien werden unter der Handelsbezeichnung. METGLAS (TM) von der Allied Chemical Corp., vertrieben. Diese Eigenschaften eines amorphen Materials sind bei der Verwendung in dem erfindungsgemäßen Temperaturfühler vorteil-

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haft. Ihre Anwendung erleichtert auf vorteilhafte Weise
die Signalverarbeitung und steigert die Genauigkeit hinsichtlich der Bestimmung der Größe der Zeit T. Ferner
ist die Herstellung des Fühlers weniger kompliziert, während seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen bzw. Vibrationen oder Stoßen verbessert ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines Temperaturfühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 a ist ein Schaltbild einer an den in Fig. 1 gezeigten Temperaturfühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung zur Abgabe einer Analogspannung, die der ermittelten Temperatur

entspricht.
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Fig. 2 b ist eine graphische Darstellung, die .Kurvenformen des Eingangs- und des Ausgangssignals der in Fig. 2a gezeigten Verarbeitungsschaltung zeigt.

Fig. 3 a ist ein Schaltbild einer weiteren, an den in Fig. 1 gezeigten Temperaturfühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung für die Erzeugung von Impulsen, die eine der ermittelten Temperatur entsprechende Verzögerungszeit anzeigen.

Fig. 3 b ist eine graphische Darstellung, die die Kurvenformen des Eingangs- und des Ausgangssignals der in Fig. 3a gezeigten Verarbeitungsschaltung zeigt. 35

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Fig. A its I ein Blockschaltbild einer Zählerschaltung, die eine Verzögerungszeit zwischen einem Eingangsimpuls und einem Ausgangsimpuls der Verarbeitungsschaltung nach Fig. 3a in einen digitalen Code umsetzt.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer mit dem in Fig. 1 gezeigten Temperaturfühler verbundenen elektronischen Verarbeitungseinheit zur Bestimmung der Verzögerungszeit eines im Ansprechen auf- eine an eine Spule des Temperaturfühlers von einem Einzelbaustein-Mikrocomputer her angelegte Spannungsimpulse über die Spule fließenden Stroms.

Fig. 6 a ist eine Vorderansicht einer Anordnung mit einem weichmagnetischen Teil und einem Ferrit-Permanentmagneten bei einer Messung zur Ermittlung einer auf einer Temperaturänderung in dem Magneten beruhenden Flußänderung in dem weichmagnetischen Teil.

Fig. 6 b ist eine graphische Darstellung, die bei der Messung mit der Anordnung nach Fig. 6a erzielte Daten zeigt.

In der Zeichnung sind durchgehend bei allen Figuren identische oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet; im einzelnen hat nach Fig. 1 ein Temperaturfühler 1 ein Gehäuse 2, das aus Messing mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist und über

einen Schraubgewindeteil 14 an einem geeigneten feststehenden Teil eines Objekts angebracht wird, dessen Temperatur zu messen ist. An einem unteren Teilbereich 3 des Gehäuses 2 ist ein Permanentmagnete festgelegt. Parallel

nc zu dem Magneten 4 ist über ein Isoliermaterial wie einen Keramikisolator 5, der einen kanalförmigen Querschnitt

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hat, ein weichmagnetisches amorphes Teil 6 angeordnet. Das weichmagnetische Teil 6 erstreckt sich durch einen Spulenkörper 7 hindurch, auf den eine elektrische Spule 8 gewickelt ist, deren Wicklungsenden über Anschlüsse 9 bzw. 10 an Zuleitungsdrähte 11 bzw. 12 angeschlossen sind. 13 ist ein Kunststoff-Verschlußstopfen.

Wenn der Permanentmagnet 4 Wärme ausgesetzt wird, ändert sich entsprechend der Temperaturänderung die Magnetfeldstärke des Permanentmagneten 4. Demzufolge ändert sich auch der Fluß innerhalb des weichmagnetischen Teils 6. Eine derartige Temperaturänderung in dem Permanentmagneten 4 wird dadurch gemessen, daß unter Verwendung einer elektrischen Verarbeitungsschaltung oder einer elektronischen

■5" Verarbeitungseinheit die Flußänderung in dem weichmagnetischen Teil ermittelt wird.

Die Fig. 2a zeigt eine Form einer elektrischen Verarbeitungsschaltung 100. Die Schaltung 100 hat einen Anschluß

101, der an eine vorgegebene Gleichspannung in der Größenordnung von beispielsweise +5V anzuschließen ist. Die Schaltung hat ferner einen Eingangsanschluß 102, an den Spannungsimpulse mit einer Frequenz in der Größenordnung von beispielsweise 5 bis 25 kHz angelegt werden. Ein mit

seiner Basis an den Eingangsanschluß 102 angeschlossener NPN-Transistor 103 ist durchgeschaltet, während die Impulsspannung positiv ist, und wird gesperrt, wenn die Impulsspannung Massepegel annimmt. Wenn der> Transistor 103 durchgeschaltet bzw. gesperrt wird, wird ein PNP-Transi-

stör 104 durchgeschaltet bzw. gesperrt. Damit wird während der Zeit, während der die an den Eingangsanschluß 102 angelegte Impulsspannung positiv bleibt, an die elektrische Spule 8 eine Versorgungsspannung Vcc angelegt, während an die Spule keine Spannung während des Massepegels der Impulsspannung angelegt wird. An einen Widerstand

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105 entsteht eine zu dem durch die Spule 8 fließenden Strom proportionale Spannung, die mittels eines Integrators aus einem Widerstand 106 und einem Kondensator 107 integriert wird, wobei die integrierte Spannung an einem Ausgangsanschluß 108 auftritt. Die Fig. 2b zeigt graphisch die Kurvenformen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der in Fig. 2a gezeigten Schaltung. Eine Verzögerungszeit td, die mit dem Anstieg der Eingangsspannung IN beginnt und endet, wenn die Spannung an dem Widerstand 105 einen vorgegebenen Pegel übersteigt, sowie die integrierte Spannung Vx, die ein Integral der Spannung an dem Widerstand 105 darstellt, hängen von der Temperatur de:> Permanentmagneten 4 ab.

Die Fig. 3a zeigt eine weitere elektrische Verarbeitungsschaltung 120. In diesem Fall sind ein NPN-Transistor 103 und ein PNP-Transistor 104 während der Zeit positiver Eingangsspannung IN durchgeschaltet, wodurch an die Spule 8 Spannung angelegt wird. Während der Zeit des Massepegels der Eingangs spannung IN sind der Transistor 103 und der Transistor 104 gesperrt. Ein Paar von N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren FETl und FET2 bilden zusammen eine Konstantstromquelle, die einen Stromfluß über die Spule konstant hält» Die Stärke des über den Feldeffekttransistor FET2 fließenden Stroms kann mittels eines veränderbaren Widerstands 122 eingestellt werden. Die an dem mit den Feldeffekttransistoren FETl und FET2 verbundenen Anschluß der Spule entstehende_v Spannung wird einem Paar von in Kaskade geschalteten invertierenden

on '

^ou Verstärkern INI und IN2 zugeführt, die die Spannung verstärken und formen.

Die Fig. 3b zeigt graphisch die Kurvenformen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der Schaltung nach Fig. 3a. Die Schaltung 120 gibt ein Ausgangssignal OUT in Form von Spannungsimpulsen ab, die jeweils bezüglich eines

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Eingangsimpulses IN um eine Verzögerungszeit td verzögert sind, deren Dauer von der Temperatur des Permanentmagneten 4 abhängt.

Die Fig. 4 zeigt eine Zählerschaltung 140, die die Dauer der Verzögerungszeit td in einen entsprechenden digitalen Code umsetzt. Bei der Schaltung nach Fig. 4 wird von der Anstiegsflanke einer Eingangsspannung IN ein Flip-Flop Fl gesetzt, wodurch dessen Q-Ausgangssignal auf hohen Pegel "1" wechselt, der ein UND-Glied Al zum Durchlassen von mittels eines Taktimpulsoszillators 141 erzeugten Impulsen an einen Zählimpulseingang CK eines Zählers 142 durchschaltet. Ein Ausgangsimpuls OUT und das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops Fl werden an ein UND-Glied A2 angelegt, das hohen Pegel "1" abgibt, wenn der Ausgangs}mpuls OUT auf hohen Pegel ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Flip-Flop Fl rückgesetzt, wodurch dessen Q-Ausgangssignal auf niedrigen Pegel "0" zurückkehrt. Dadurch wird das UND-Glied Al gesperrt und damit die Zufuhr von Taktim-

pulsen zu dem Zähler 142 unterbrochen. Während der Zeit, während der das UND-Glied A2 das Ausgangssignal "l" abgibt, wird ein den Zählstand in dem Zähler 142 darstellender Code in einen Zwischenspeicher 143 eingespeichert.

Nach dem Rücksetzen des Flip-Flops Fl und dem Beschicken des Zwischenspeichers 143 mit dem Zählstand-Code läßt ein UND-Glied A3 einen Taktimpuls durch, um den Zähler 142 zu löschen. Ein Ausgangscodesignal des Zwischenspeichers 143 gibt die Anzahl der während des Zeitintervalls

^ου td durchgelassenen Taktimpulse an und stellt damit die Größe der Verzögerungszeit td dar.

Eine in Fig. 5 gezeigte elektronische Verarbeitungseinheit 160 hat einen Einzelbaustein-Mikrocomputer (integrierte Halbleitereinheit mit hohem Integrationsgrad, LSI) 161,

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einen Verstärker 162, einen N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor FETl, der als Konstantstromquelle wirkt, einen Widerstand 163, einen Kondensator 164, einen Verstärker 165 und einen Taktimpulsgenerator 166. Die Zusammenschaltung aus dem Widerstand 163 und dem Kondensator 164 bildet ein Filter, das Spannungsschwingungen mit Frequenzen unterdrückt, die höher als die Frequenz der Eingangs- und der Ausgangsimpulse sind. Der Mikrocomputer 161 bildet im Ansprechen auf die Taktimpulse Impulse mit einer vorgegebenen Frequenz in einem Bereich von 5 bis 30 kHz und führt sie dem Verstärker 162 zu. Zugleich überwacht der Mikrocomputer 161 die an dem Verbindungspunkt zwischen dem N-Kanal-FeldeffekttransJstor FETl und einem Anschluß der Spule entstehende Spannung über die Ausgangsspannung des Verstärkers 165 und zählt die Taktimpulse, die während der Zeitdauer erzeugt werden, die mit dem Anstieg des von dem Mikrocomputer abgegebenen Impulses beginnt und mit dem Anstieg der Ausgangsspannung des Verstärkers 165 auf einen vorgegebenen Pegel endet. Dieses

Zeitintervall entspricht der Verzögerungszeit td, für deren Wert der Mikrocomputer ein Ausgangscodesignal bildet.

Gemäß den vorangehenden Ausführungen kann der Temperatur-

fühler 1 nach Fig. 1 mit verschiedenen elektrischen Verarbeitungsschaltungen oder elektronischen logischen Verarbeitungseinheiten verbunden werden, um ein elektrisches Signal zu liefern, das eine Temperaturänderung des Permanentmagneten 4 innerhalb des Temperaturfühlers 1 angibt.
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Gomäß den Fig. 6a und 6b wird eine Flußänderung dadurch gemessen, daß parallel zu dem weichmagnetischen Teil 6 bzw. zu dem Teil 6 aus dem weichmagnetischen Material und von diesem Teil durch einen Luftzwischenraum getrennt
ein Ferrit-Permanentmagnet 4 mit einem Temperaturkoeffi-

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zienten von -0,2 %/ C angeordnet wird. Der Ferrit-Permanentmagnet 4 wird zuerst mit Heißluft erwärmt und dann sich selbst überlassen, um damit während des Abkühlens die von dem Magneten verursachte Flußänderung mittels des in der elektrischen Spule angeordneten amorphen Fühler-Teils zu ermitteln.

Die bestimmten Werte verschiedener Parameter und das Material des weichmagnetischen Teils sind folgende: 10

Weichmagnetisches Teil 6:

Material und Atomgewicht-Prozentanteil: Fe40, Ni40, P14, und B6
15

Dicke: 0,058 mm

Breite: 1,8 mm

Länge: 40 mm

Blattanzahl: 4
20

Elektrische Spule 8:

Windungsanzahl: 1000 (Durchmesser 0,12 mm)

Ferrit-Permanentmagnet 4

Durchmesser: 12 mm
Länge: 40 mm

Zwischenraum zwischen dem Magneten 4 und dem weichmagnetischen Teil 6: 10 mm

Meßvorrichtung und Eingangsimpulsfrequenz:. Schaltung 100, 5 kHz.

Spannungspolung: N-N (Der Anschluß der Spule 8 an die elektrische Schaltung 100 ist so getroffen, daß an dem

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in Fig. 6a linken Ende des weichmagnetischen Teils 6 ein N-PoI erzeugt wird.)

Aus der graphischen Darstellung in Fig. 6b ist ersiohtlieh, daß mit einem Anstieg der Temperatur in dem Ferrit-Magneten 4 dessen magnetische Feldstärke abnimmt. Die Ausgangsspannung Vx nimmt linear und stufenlos entsprechend der Steigerung der Temperatur des Magneten ab, wodurch über einen beachtlich weiten Temperaturbereich ein linearer Zusammenhang herbeigeführt wird.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, wird eine einem Temperatur-bzw. Wärme-Eingangssignal entsprechende Änderung der magnetischen Eigenschaften mittels eines einfachen Aufbaus in ein elektrisches Signal umgesetzt, so daß der Temperaturfühler eine Temperaturmessung auf einfache Weise ergibt. Von großer Bedeutung ist es, daß die an den Fühler angeschlossene elektrische Verarbeitungsschaltung einfach aufgebaut ist. Insbesondere kann

eine Halbleitereinheit mit hohem Integrationsgrad wie

ein Einzelbaustein-Mikrocomputer dafür verwendet werden, einen Meßimpuls zu erzeugen und eine Verzögerungszeit, zwischen dem Meßimpuls und einem Stromimpuls durch die „r elektrische Spule abzuleiten.

Es wird ein Temperaturfühler angegeben, der einen .Permanentmagneten, welcher an einem Objekt angebracht ist, dessen Temperatur zu messen ist, ein weichmagnetisches Teil, das in dem Magnetfeld des Magneten angeordnet ist, und eine elektrische Spule aufweist, die um das weichmagnetische Teil herum angeordnet ist. Die elektrische Spule wird an einem Wicklungsende mit Spannungsimpulsen gespeist, während das andere Wicklungsende in Reihe zu einem Widerstand geschaltet ist, um an diesem einen Spannungsabfall zu ermitteln. Die Verzögerungszeit des Spannungsabfalls in Bezug auf den Spannungsimpuls wird mit einer

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Analogspannung oder einem digitalen Code dargestellt. Eine Temperaturänderung ändert die Feldstärke des Magneten und damit den Fluß in dem weichmagnetise_then Teil. Die

Spule erfaßt die Änderung des Flusses als eine Änderung der Verzögerungszeit und ergibt damit eine Temperaturmessung.

Claims (4)

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   Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne
   Dipl.-lng. R Grupe
   Dipl.-lng. B. Pellmann

   Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

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   cable: Germaniapatent München

   21.August 1981

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   case W-1633

   Patentansprüche

   Temperaturfühler, gekennzeichnet durch einen Permanentmagneten (4), dessen magnetische Feldstärke sich entsprechend einer Temperaturänderung ändert und der an einem Objekt angeordnet ist, dessen Temperatur zu messen ist, einen Kern (6) aus magnetisch weichem Material, der tn der Nahe? döi* Pe rmfintmt magneton emRf'ordnet. int, und eine um den Kern herum angeordnete elektrische Spule (8), die eine Änderung des Magnetflusses über den Kern erfaßt, welche durch eine Temperaturänderung über eine Änderung der Magnetfeldstärke des Permanentmagneten hervorgerufen wird.
2. 2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (6) aus einem amorphen magnetischen Material besteht.
3. 3. Temperaturfühler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zwischen den Permanentmagneten (4) und den Kern (6) gesetzten Isolator (5).
4. 4. Temperaturfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (5) eine keramische Vorrichtung aufweist.

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   Vl/22

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