DE3133054C2 - Temperaturmeßfühler - Google Patents

Abstract

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 Analogspannung oder einem digitalen Code dargestellt. Eine Temperaturänderung ändert die Feldstärke des Magneten und damit den Fluß in dem weichmagnetischen Teil. Die Spule erfaßt die Änderung des Flusses als eine Änderung der Verzögerungszeit und ergibt damit eine Temperaturmessung.

Description

impulsen über die Spule fließenden Stroms,

Fig.6a eine Ansicht des weichmagnetischen Kerns und einem Ferrit-Permanentmagneten, und

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

In der Zeichnung sind durchgehei.d identische oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ein Temperaturmeßfühler 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das aus Messing mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und über ein Schraubgewinde 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 Permanentmagnet 4 fest angeordnet, zu dem unter Zwischenlage eines Isoliermaterials etwa eines keramischen Isolators 5 mit kanalförmigem Querschnitt ein weichmagnetischer amorpher Kern 6 parallel liegt Der weichmagnetische Kern 6 erstreckt sich durch einen Spulenkörper 7, auf den eine elektrische Spule 8 gewikkelt ist, deren Wicklungsenden über Anschlüsse 9 bzw. 10 an ZuJeitungsdrähte 11 bzw. 12 angeschlossen sind. 13 bezeichnet einen Kunststoff-Verschlußstopfen.

Entsprechend einer Temperaturänderung ändert sich die Magnetfeldstärke des Permanentmagneten 4 und demzufolge auch der Magnetfluß innerhalb des weichmagnetischen Kerns 6. Eine derartige Temperaturänderung wird dadurch gemessen, daß unter Verwendung einer elektrischen Verarbeitungsschaltung oder einer elektronischen Verarbeitungseinheit die Flußänderung in dem weichmagnetischen Kern 6 ermittelt wird.

F i g. 2a zeigt eine Form einer elektrischen Verarbeitungsschaltung 100. Die Schaltung 100 weist einen Anschluß 101, der an eine vorgegebene Gleichspannung in der Größenordnung von beispielsweise +5V angeschlossen ist, und einen Eingangsanschluß 102 auf, an dem Spannungsimpulse mit einer Frequenz in der Größenordnung von beispielsweise 5 bis 25 kHz anliegen. Ein über seine 3asis mit dem Eingangsanschluß 102 verbundener NPN-Transistor 103 ist durchgeschaltet, wenn die Impulsspannung positiv ist, und gesperrt, wenn die Impulsspannung Massepegel annimmt, und steuert das Durchschalten bzw. Sperren eines PNP-Transistors 104. Damit liegt bei positiver Impulsspannung an der elektrischen Spule 8 eine Versorgungsspannung Vcc an, während die Spule 8 während des Messepegels der Impulsspannung spannungslos ist. An einem Widerstand 105 entsteht eine dem durch die Spule 8 fließenden Strom proportionale Spannung, die mittels eines durch einen Widerstand 106 und einen Kondensator 107 gebildeten Integrators integriert wird. Die integrierte Spannung liegt an einem Ausgangsanschluß 108 an. F i g. 2b zeigt graphisch die Signalverläufe der Eipgangsspannung und der Ausgangsspannung der in Fi g. 2a gezeigten Schaltung. Eine Verzögerungszeit td, die mii 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 das Integral der Spannung an dem Widerstand 105 darstellt, hängen von der Temperatur des Permanentmagneten 4 ab.

F i g. 3a zeigt eine weitere elektrische Verarbeitungsschaltung 120. Hierbei sind der NPN-Transistor 103 und der PNP-Transistor 104 während der Zeit positiver Eingangsspannung IN durchgeschaltet, so daß an der Spule 8 Spannung anliegt. Während der Zeit des Massepegels der Eingangsspannung IN und die Transistoren 103 und 104 gesperrt. Zwei N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren FETi und FET 2 bilden zusammen eine Konstantstromquelle, die den Stromfluß in der Spule 8 konstant hält Die Stärke des über den Feldeffekttransistor FETT, fließenden Stroms kann mittels eines veränderbaren Widerstands 122 eingestellt werden. Die an dem mit den Feldeffekttransistoren FETi und FET2 verbundenen Anschluß der Spule 8 entstehende Spannung wird zwei in Kaskade geschalteten invertierenden Verstärkern INX und IN 2 zugeführt, die die Spannung verstärken und formen.

Fig.3b zeigt graphisch die Signaiverläut'e der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der Schaltung gemäß Fig. 3a. Die Schaltung 120 gibt ein Ausgangssignal OUT in Form von Spannungsimpulsen ab. die jeweils bezüglich eines Eingangsimpulses IN um eine Verzögerungszeit td verzögert sind, deren Dauer von der Temperatur des Permanentmagneten 4 abhängt

F i g. 4 zeigt eine Zählerschaltung 140. die die Verzögerungszeit td in einen entsprechenden digitalen Code umsetzt. Bei jeder Anstiegsflanke einer Eingangsspannung IN wird ein Flip-Flop F1 gesetzt, so daß dessen Q-Ausgangssignal auf hohen Pegel »1« wechselt und hierdurch ein UND-Glied A 1 zum Durchlassen von durch einen Taktimpulsoszillator 141 erzeugten Impulsen zu einem Zählimpulseingang CK eines Zählers 142 durchgeschaltet wird. Ein Ausgangsimpuls OUTund das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops F1 werden an ein UND-Glied A 2 angelegt, das ein Signal des Pegels »1« erzeugt, wenn der Ausgangsimpuls OUT auf hohen Pegel ansteigt. Hierdurch wird das Flip-Flop Fl rückgesetzt, so daß dessen (?-Ausgangssignal den Pegel »0« annimmt. Dadurch wird das UND-Glied A 1 gesperrt und damit die Zuführung von Taktimpulsen zu dem Zähler 142 unterbrochen. Erzeugt das UND-Glied A 2 das Ausgangssignal mit dem Pegel »1«, so wird ein den Zählstand des Zählers 142 darstellender Code in einen Zwischenspeicher 143 eingespeichert.

Nach dem Rücksetzen des Flip-Flops Fl und der Speicherung des Zählstands im Zwischenspeicher 143 läßt ein UND-Glied A 3 einen Taktimpuls durch, der den Zähler 142 löscht. Das Ausgangscodesignal des Zwischenspeichers 143 stellt die Anzahl der während des Zeitintervalls td gezählten Taktimpulse und damit die Größe der Verzögerungszeit td dar.

Eine in F i g. 5 gezeigte elektronische Verarbeitungseinheit 160 weist einen Einzelbaustein-Mikrocomputer 161, einen Verstärker 162, einen N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor F£Tl,derals Konstantstromquelle wirkt, einen Widerstand 163, einen Kondensator 164, einen Verstärker 165 und einen Taktimpulsgenerator 166 auf. Der Widerstand 163 und der Kondensator 164 bilden ein Filter, das Spannungschwingungen mit Frequenzen unterdrückt, die höher als die Frequenz der Eingangs- und der Ausgangsimpulse sind. Der Mikrocomputer 161 erzeugt in Abhängigkeit von den Taktimpulsen mit einer vorgegebenen Frequenz in einem Bereich von 5 bis bis 30 kHz und führt sie dem Verstärker 162 zu. Zugleich überwacht der Mikrocomputer 161 die an dem Verbindungspunkt zwischen dem N-Kanal-Feldeffekttransistor F£T1 und einem Anschluß der Spule entstehende Spannung über die Ausgangsspannung des Verstärkers 165 und zählt die Taktimpulse, die während des mit dem Anstieg des von dem Mikrocomputer abgegebenen Impulses beginnenden und mit dem Anstieg der Ausgangsspannung des Verstärkers 165 auf einen vorgegebenen Pegel endenden Zeitintervalls auftreten. Dieses Zeitintervall entspricht der Verzöge-

rungszeit td.

Gemäß den vorangehenden Ausführungen kann der Temperaturmeßfühler 1 gemäß F i g. 1 mit verschiedenen elektrischen oder elektronischen logischen Verarbeitungseinheiten verbunden werden, um ein elektrisches Signal zu liefern, das eine Temperaturänderung des Permanentmagneten 4 angibt.

Gemäß den Fig.6a und 6b läßt sich eine Flußänderung messen, indem parallel zu dem weichmagnetischen Kern 6 unter Ausbildung eines Luftzwischenraums ein Ferrit-Permanentmagnet 4 mit einem Temperaturkoeffizienten von —0,2%/°C angeordnet wird. Der Ferrit-Permanentmagnet 4 wird zuerst mit Heißluft erwärmt. Während des nachfolgenden Abkühlens wird die von dem Magneten 4 verursächie Flußänderung über den in der elektrischen Spule 8 angeordneten amorphen Kern 6 ermittelt.

Mögliche Werte für verschiedene Parameter und das Material des weichmagnetischen Teils sind folgende:

Weichmagnetischer Kern 6:

Material und Atomgewicht-Prozentanteil:

Fe^o, Ni4o. Pm und Ββ
Dicke: 0,058 mm

Breite- 1,8 mm

Länge: 40 mm

Blattanzahl: 4

Elektrische Spule 8:
Windungszahl:

1000 (Duchmesser 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 linken Ende (Fig.6a)des weichmagnetischen Kerns6 ein N-PoI erzeugt wird.)

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

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 Temperaturmeßfühler eine Temperaturmessung auf einfache Weise ermöglicht Die an den Fühler angeschlossene elektrische Verarbeitungsschaltung ist einfach aufgebaut Insbesondere kann eine Halbleitereinheit mit hohem Integrationsgrad wie ein Einzelbaustein-Mikroccmputer dafür verwendet werden, die Meßimpulse zu erzeugen und die Verzögerungszeit zwischen den Meßimpulsen und den Stromimpulsen in der elektrischen Spule zu ermitteln.

Der weichmagnetische Kern 6 hat einen Querschnitt geringer Fläche, so daß leicht eine magnetische Sättigung erzielt wird. Die elektrische Spule 8 hat eine große Windungsanzahl, so daß der weichmagnetische Kern 6 mit einer verhältnismäßig niedrigen Spannung bzw. mit einer verhältnismäßig geringen Stromstärke magnetisch gesättigt werden kann. Der Permanentmagnet 4 ist klein gehalten.

Die Zeit T, die von dem Augenblick des Anlegens einer Spannung an die um den weichmagnetischen Kern 6 herum angeordnete Spule 8 bis zum Sättigen des weichmagnetischen Kerns 6 notwendig ist, kann annähernd folgendermaßen ausgedrückt werden:

wobei E die angelegte Spannung, N die Windungsanzahl der Spule, 0_m den maximale Fluß, der annähernd gleich dem Sättigungsfluß ist, und Φ_χ den auf das äußere Magnetfeld zurückzuführenden Fluß bezeichnen. Wenn

sich die Größe des Busses Φ_χ, der dem weichmagnetischen Teil aufgeprägt wird, entsprechend einer Temperaturänderung des Permanentmagneten 4 ändert, ändert sich auch die Zeit T.

Das für den Kern 6 verwendbare amorphe magnetische Material wird durch Abschrecken eines flüssigen Metalls gewonnen und besitzt die Form eines dünnen Blatts. Das Material ist ferromagnetisch und zeigt hohe magnetische Sättigungswerte, hohe Permeabilität (μ™*>10³) und niedrige Koerzitivkraft (< 1,0Oe).

Gleichzeitig besitzt es sehr hohe Bruchfestigkeit, hervorragende Elastizität und hervorragende Beständigkeit Diese Eigenschaften des amorphen Materials erleichtern die Signalverarbeitung und steigern die Genauigkeit hinsichtlich der Bestimmung der Größe der

Zeit T. Ferner ist die Herstellung des Fühlers vereinfacht und seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen bzw. Vibrationen oder Stoßen verbessert

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 ;gen interpretierte Fehlmessungen auf, so daß sich such Patentansprüche: mit diesem Temperaturmeßfühler, bei dem zudem auch die vorstehend bereits erörterten weiteren Nachteile

1. Temperaturmeßfühler mit einem Permanent- auftreten, keine exakte und fehlerfreie Temperaturmesmagneten der nahe einem hinsichtlich seiner Tem- 5 sung erzielen läßt

peratur zu messenden Objekt angeordnet ist und Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen

dessen magnetische Feldstärke sich entsprechend ei- Temperaturmeßfühler gemäß dem Oberbegriff d*s Paner Temperaturänderung ändert, einem in der Nähe tentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß eine zuverdes Permanentmagneten angebrachten weichma- lässige und exakte Temperaturermittlung sichergestellt enetischen Kern, um den eine spannungsgespeiste io ist ^

Spule gewickelt ist und einer der Spule nachgeschal- Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden ι eil

teten Auswerteschaltung, dadurch gekenn- des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst,
zeichnet daß der Permanentmagnet (4) und der Beim erfindungsgemäßen Temperaturmeßfühler ist

Kern (6) von einem gemeinsamen Gehäuse (2) um- somit zwischen dem Permanentmagnet und dem gegeben und durch einen den Kern (6) thermisch gegen 15 meinsam mit dem Permanentmagneten in einem Geden Permanentmagneten (4) isolierenden Isolator (5) häuse angeordneten und von der Spule umgebenen getrennt sind, daß die Spule (8) mit einer eine ma- Kern ein thermischer Isolator angebracht, der ein thergnetische Sättigung des weichmagnetischen Kerns misches Obersprechen zwischen dem in manchen An-(6) bewirkenden Impulsspannung gespeist wird, und wendungsfällen relativ hohe Temperaturen annehmendaß die Auswerteschaltung (105 bis 107; FETi, 20 den Permanentmag! eten und der in ihren elektrischen FET2 22, INi, IN2, 140; 161, 163 bis 166, FETi) Eigenschaften wie beispielsweise ihrem ohmschen Wiein die ermittelte Temperatur darstellendes Aus- derstand temperaturabhängigen Spule verhindert. Dagangssignal in Abhängigkeit von dem Zeitintervall mit werden durch derartige Spuleneigenschaftsverän- (td) zwischen dem Anlegen der Impulse der Impuls- derungen beim Stand der Technik auftretende Meßverspannung und der magnetischen Sättigung des 25 Zerrungen ausgeschaltet. Die hierdurch erzielbare MeB-weichmagnetischen Kerns erzeugt. genauigkeitssteigerung wird durch die Imoulsspeisung

2 Temperaturmeßfühler nach Anspruch 1, da- der Spule noch weiter erhöht, indem nunmehr die Temdurch gekennzeichnet, daß der Kern (6) aus einem peraturermittlung in Abhängigkeit von dem temperaamorphen magnetischen Material besteht turabhängigen Zeitintervall zwischen den Anstiegsflan-

3 Temperaturmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, 30 ken der in die Spule eingespeisten und der spulenausdadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (5) eine gangsseitig auftretenden Impulse erfolgt. Hiermit ist keramische Vorrichtung aufweist nicht nur eine sehr weitgehende Unabhängigkeit von

Spannungs- und Stromänderungen der Versorgungs-

Spannungsquelle gewährleistet sondern es läßt sich

35 auch das Verzögerungszeitintervall sehr leicht und exakt, d. h. besser als die beim Stand der Technik herange-

Die Erfindung betrifft einen Temperaturmeßfühler zogenen Stromveränderungen, auswerten,
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Ge-

Aus der DE-PS 9 53 925 ist ein derartiger Tempera- genstand der Unteransprüche.

turmeßfühler mit einem U-förmigen Magnetjoch be- 40 Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Auskannt, zwischen dessen beiden Schenkeln ein hinsieht- führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung lieh seiner Magnetflußdichte stark temperaturabhängi- näher erläutert. Es zeigt

ger Permanentmagnet in direkter Berührung mit dem F i g. 1 eine Längsschnittansicht eines Ausfuhrungs-

} Magnetjoch angeordnet ist Um den Mittelteil des U- beispiels des Temperaturmeßfühlers,

förmigen Jochs ist eine mit einer sinusförmigen Span- 45 Fig.2a ein Schaltbild einer an den in F1 g. 1 gezeig-

^! nung gespeiste Spule gewickelt, deren Induktivität sich ten Temperaturmeßfühler angeschlossenen elektn-

j entsprechend der die Spule durchsetzenden Magnet- sehen Verarbeitungsschaltung zur Abgabe einer Ana- |

flußdichte verändert. Allerdings sind die zur Tempera- logspannung, die der ermittelten Temperatur entspricht, |

Übermittlung herangezogenen Veränderungen des F i g. 2b eine graphische Darstellung, der Signalver- |

Spulenstroms relativ gering und können zusätzlich in 50 laufe des Eingangs- und des Ausgangssignals der in erheblichem Ausmaß von Störungen wie z. B. Änderun- F i g. 2a gezeigten Verarbeitungsschaltung,
gen der Versorgungsspannung oder temperaturabhän- F i g. 3a ein Schaltbild einer weiteren, an den in F ig. 1

gig auftretenden Veränderungen des ohmschen Wider- gezeigten Temperaturmeßfühler angeschlossenen elekstands der Spule beeinflußt sein, so daß keine exakte irischen Verarbeitungsschaltung fur die Erzeugung von fehlerfreie Temperaturermittlung möglich ist. 55 Impulsen, die eine der ermittelten Temperatur entspre-

Weiterhin offenbart die DE-PS 9 46 092 einen Tem- chende Verzögerungszeit anzeigen,
peraturmeßfühler zur Ermittlung der Temperatur von F i g. 3b eine graphische Darstellung der Signalver-

rotierenden Teilen, der ^:n ähnlicher Weise wie der aus laufe des Eingangs- und des Ausgangssignals der in Entgegenhaltung 1 bekannte Meßfühler ein U-förmiges F i g. 3a gezeigten Verarbeitungsschaltung,
Magnetjoch aufweist, um das eine mit einer sinusförmi- 60 F i g. 4 ein Blockschaltbild einer Zählerschaltung, die gen Wechselspannung gespeiste Spule gewickelt ist. die Verzögerungszeit zwischen einem Eingangsimpuls Der magnetische Rückschluß erfolgt über einen an dem und einem Ausgangsimpuls der Verarbeitungsschaltung sich drehenden Teil angebrachten Ring aus einem Mate- gemäß F ig. 3a in einen digitalen Code umsetzt,
rial dessen Magnetisierungskurve im Bereich der Soll- Fig.5 ein Blockschaltbild einer mit dem in Fig. 1 |

temperatur stark temperaturabhängig ist. Aufgrund von 65 gezeigten Temperaturmeßfühler verbundenen elektrounvermeidlichen Schwankungen des Abstands zwischen nischen Verarbeitungseinheit zur Bestimmung der Verdem U-förmigen joch und dem an dem Drehteil ange- zögerungszeit eines in Abhängigkeit von an die Spule brachten Ring treten jedoch als Temperaturschwankun- des Temperaturmeßfühlers angelegten Spannungs-