DE3525718A1 - Verfahren zum messen der temperatur eines mediums und thermometer zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

PRINZ, LEISER, BUNKE & PARTNER

Patentanwälte ■ European Patent Attornsys T ·^Γ 9 C 7 1

Ernsbergerstraße 19 · 8000 München 60

18. Juli 1985

M.K. Juchheim GmbH & Co.
Moltkestraße 13-31
6400 Fulda / BRD

TEXAS INSTRUMENTS DEUTSCHLAND GMBH Haggertystraße 1
8050 Freising / BRD

Unser Zeichen: T 3817

Verfahren zum Messen der Temperatur eines Mediums und Thermometer zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Temperatur eines Mediums mittels eines elektrisch arbeitenden Temperaturfühlers, dessen Meßsignal sich nach einer e-Funktion ändert, wobei mit gleichem zeitlichem Abstand voneinander drei Temperaturmeßwerte erfaßt werden. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Thermometer zur Durchführung des Verfahrens.

Die Messung von Temperaturen auf elektrischer Basis hat in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen, insbesondere nachdem Temperaturfühler mit engen Toleranzen reproduzierbar zur Verfügung stehen. Es handelt sich

Schw/Gl

hierbei bevorzugt um sogenannte Meßwiderstände mit einer dünnen Widerstandsschicht, deren Widerstand sich temperaturabhängig ändert. Der über einen solchen Meßwiderstand fließende Strom, dessen Höhe sich im Milliampere-Bereich bewegt, ist dann ein Maß für die Temperatur. Als besonders zuverlässig und genau haben sich hierbei im Bereich zwischen -50 und 150⁰C PTC-Silizium-Temperatursensoren bewährt .

XO Als Medien, deren Temperatur gemessen werden soll, kommen sowohl feste Körper (Berührungsmessung) als auch Flüssigkeiten und Gase (Eintauchmessung) in Frage. Gefragt sind aber heute auf dem Gebiet der Herstellung, Veredelung und Lagerung von Nahrungsmitteln sogenannte Einsteckthermometer, d.h. das zu messende Medium ist beispielsweise eine pastose Masse oder ein nachgiebiger Stoff wie Fleisch, Wurst, Obst oder Gemüse.

Es liegt in der Natur der Sache, daß der Temperaturfühler nicht zu jedem Zeitpunkt die Temperatur des Mediums aufweist, sei es, daß der auf Raumtemperatur befindliche Temperaturfühler erst mit einem Medium von wesentlich anderer Temperatur in Berührung gebracht wird, oder daß sich die Temperatur des Mediums plötzlich ändert. Es ist bekannt, daß der Temperaturfühler, insbesondere die von ihm erzeugten Meßsignale, mit einer merklichen Zeitverzögerung, die durch seine Zeitkonstante bedingt ist, der tatsächlichen Temperatur folgen. Der Temperaturverlauf entspricht dabei in allen Fällen im wesentlichen einer e-Funktion, was anhand einer Kurvendarstellung im Verlaufe der Detailbeschreibung noch näher erläutert wird.

Das zeitliche Nachlaufen der Meßsignale hinter der Ist-Temperatur ist aber nicht nur durch die Zeitkonstante des Temperaturfühlers bedingt, sondern auch durch den Wärmeübergang vom Medium auf den Temperaturfühler. So ist z.B. die Zeitkonstante des Temperaturfühlers vom mechanischen Aufbau des Temperaturfühlers abhängig, da

der empfindliche Meßwiderstand in der Regel dem Medium nicht unmittelbar ausgesetzt werden kann, sondern in einem Schutzrohr untergebracht ist, gegenüber dem er aus elektrischen Gründen auch noch isoliert sein muß. Ein elektrischer Isolator ist aber in den meisten Fällen auch ein guter Wärmeisolator.

Auch der Wärmeübergang vom Medium an den Temperaturfühler ist von mehreren Faktoren abhängig, unter denen die Wärmeleitfähigkeit und der Massentransport zu nennen sind. Es ist beispielsweise ohne weiteres einleuchtend, daß das Schutzrohr des Temperaturfühlers sehr viel schneller die Temperatur von Fleisch als diejenige einer ruhenden Gasatmosphäre annimmt, da der Wärmeübergang auch zum Ausgleich der Temperatur des unvermeidbar massebehafteten Temperaturfühlers dient. Sämtliche Fälle dieser Art lassen sich jedoch mathematisch durch eine e-Funktion darstellen, die eine vom System aus dem Temperaturfühler und dem Medium, dessen Temperatur bestimmt werden soll, gebildete Zeitkonstante aufweist.

Bei einem guten Wärmeübergang vom Medium (Flüssigkeit) zum Temperaturfühler kann davon ausgegangen werden, daß die Endtemperatur, die sogenannte Beharrungstemperatur, nach etwa 5 bis 30 Sekunden erreicht ist. Da das Erreichen der Beharrungstemperatur in der Regel nicht vorhersehbar ist, müssen der Temperaturfühler und die Auswerteschaltung ständig an eine Stromquelle angeschlossen sein, um die Temperaturänderung und die asymptotische Annäherung der Temperatur an den Beharrungszustand verfolgen zu können. Obwohl der Ausdruck "asymptotische Annäherung" theoretisch eine unendliche Dauer des Vorgangs assoziiert, hat es sich in der Praxis als durchaus ausreichend erwiesen, diejenige Zeit abzuwarten, in der 90 % des Temperaturanstiegs stattfinden, und den Rest durch einen Korrekturfaktor zu bestimmen. Dennoch führt aber auch eine solche Maßnahme zu einer beträchtlichen Einschaltdauer des Thermometers, so daß eine baldige Erschöpfung

der Stromquelle (Batterie) die Folge ist. Außerdem wird die Beharrungstemperatur erst nach Ablauf einer relativ langen Zeitperiode nach Beginn eines Meßvorgangs angezeigt werden.
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Aus der DE-OS 31 3 5 853 ist ein Temperaturmeßverfahren bekannt, mit dessen Hilfe die Temperatur eines Mediums angezeigt werden soll, ohne daß abgewartet werden muß, bis der zur Temperaturmessung eingesetzte Fühler die Tem-

IQ peratur des Mediums erreicht hat. Bei diesem bekannten Meßverfahren werden an drei aufeinanderfolgenden, gleich weit voneinander entfernten Zeitpunkten drei Temperaturwerte erfaßt, und unter Verwendung von Zeitkonstanten, die von Charakteristiken des Fühlers und der Fühlerumhüllung abhängen, wird ein korrigierter Temperaturwert berechnet, der sich aus der Summe der zweiten erfaßten Temperatur und einem Korrekturfaktor zusammensetzt. Die Zeitkonstanten, die nicht genau bestimmbar sind, sondern empirische Werte darstellen, werden bei der Berechnung des Korrekturfaktors eingesetzt. In mehreren aufeinanderfolgenden Meßzyklen werden nacheinander weitere korrigierte Temperaturwerte berechnet, und die berechneten Werte werden jeweils mit dem zuvor berechneten Wert verglichen. Die Messung wird so lange fortgesetzt, bis zumindest sechs aufeinanderfolgende korrigierte Temperaturwerte sich nicht mehr um mehr als 0,05⁰F voneinander unterscheiden. Sobald dies festgestellt wird, wird der Meßvorgang abgebrochen und die ermittelte Temperatur als die zu messende Temperatur angezeigt. Bei diesem Meßverfahren müssen die Messungen auf jeden Fall so lange vorgenommen werden, bis sich die Fühlertemperatur nicht mehr wesentlich ändert, der Fühler also bereits annähernd die Temperatur des umgebenden Mediums erreicht hat. Erfahrungsgemäß dauert dies jedoch unter Umständen mehrere Minuten, so daß das Thermometer dementsprechend auch mehrere Minuten bei der Bestimmung einer Temperatur in Betrieb bleiben muß. Die Batterie des Thermometers hat daher nur eine begrenzte

Lebensdauer und muß somit relativ bald durch eine neue Batterie ersetzt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperaturmessung anzugeben, das bei größtmöglicher Batterieschonung sehr schnell nach Beginn der Messung eine Anzeige der zu messenden Temperatur ermöglicht. Ferner soll ein elektronisches Thermometer zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß aus dem zweiten und aus dem ersten Temperaturmeßwert eine erste Differenz sowie aus dem dritten und aus dem zweiten Temperaturmeßwert eine zweite Differenz gebildet werden und daß dann, wenn die gebildeten Differenzen kleiner als ein vorgegebener Grenzwert sind, einer der erfaßten Temperaturmeßwerte als die zu messende Temperatur des Mediums angezeigt wird, während dann, wenn die gebildeten Differenzen größer als der vorgegebene Grenzwert sind, die Temperatur des Mediums unter Verwendung der erfaßten Temperaturmeßwerte durch eine einzige Extrapolation bestimmt wird.

Bei dem Temperaturmeßverfahren genügt es im Grenzfall, nach Beginn des Meßvorgangs drei Temperaturmeßwerte zu erfassen und durch einen einzigen Extrapolationsvorgang die gewünschte Temperatur des Mediums zu bestimmen, die der Fühler erst an einem wesentlich späteren Zeitpunkt annehmen würde. Falls der Fühler bei Beginn des Meßvorgangs bereits die Temperatur des Mediums hat, darf keine Extrapolation durchgeführt werden, da sonst sehr große Meßfehler auftreten könnten. Durch die beim erfindungsgemäßen Verfahren angewendete Bildung der Temperaturdifferenzen und deren Auswertung wird dieser Fall ausgeschlossen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß vor der Durchführung der

^ Extrapolation die zweite Differenz von der ersten Differenz subtrahiert wird und daß dann, wenn das Ergebnis dieser Subtraktion kleiner als ein zweiter vorgegebener Grenzwert ist, mit zeitlicher Verzögerung weitere drei Temperaturmeßwerte erfaßt werden, die anstelle der drei zuerst erfaßten Temperaturmeßwerte der Auswertung zugrunde gelegt wurden. Bei dieser Weiterbildung wird ein weiterer Fall ausgeschlossen, bei dem eine Extrapolation zu großen Meßfehlern führen könnte. Dieser Fall tritt dann ein,

,Q wenn die Temperaturänderungskurve unmittelbar nach Beginn des Meßvorgangs einen nahezu linearen Verlauf hat, oder weil die Messung auf einer Kurve durchgeführt wurde, die einen Wendepunkt hat, was wegen des Vorhandenseins mehrerer zusammenwirkender thermischer Zeitkonstanten im System Medium-Fühler eintreten kann. Bei Anwendung der vorteilhaften Weiterbildung wird sichergestellt, daß in diesem Fall drei weitere Temperaturmeßwerte erfaßt werden, aus denen sich dann ein genauer Temperaturwert bestimmen läßt.

Im erfindungsgemäßen Thermometer kann die Anzeige der ermittelten Temperatur solange beibehalten werden, bis sich die Temperatur des Mediums ändert. Da die Dauer eines Meßtaktes zur Erfassung eines Temperaturmeßwerts nur etwa 250 Millisekunden beträgt, ist der Stromverbrauch extrem gering. Zur Veranschaulichung wird bezüglich der Stromaufnahme auf folgende Daten hingewiesen.

Stromaufnahme während eines

Meßtaktes: ca. 1 Milliampere

Stromaufnahme während der

Signalverarbeitung: zwischen 140 und 250 μΑ Ruhestromaufnahme des
Mikroprozessors einschließlich des Stromverbrauchs
für die Anzeige: ca. 4 μΑ

Bereits hieraus ergibt sich, daß durch die kurzzeitigen Meßvorgänge ein extrem verringerter Stromverbrauch erfolgt, der die Lebensdauer der Batterie um mehrere Zehner-

potenzen verlängert. Hierzu sei ausgeführt, daß heutzutage Batterien erhältlich sind, die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens eine Lebensdauer von zehn Jahren haben.

Das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Thermometer ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Mikroprozessor enthält, der den Temperaturfühler bei einem -,(-> Meßvorgang in gleichen zeitlichen Abständen abfragt, die dabei erfaßten Temperaturmeßwerte speichert und aus den gespeicherten Temperaturmeßwerten die Temperatur des Mediums bestimmt und der Anzeigeeinheit zuführt.

,j- Ein für die Verwendung im erfindungsgemäßen Thermometer geeigneter Mikroprozessor ist unter der Bezeichnung

TMS 7000
von der Firma Texas Instruments erhältlich.

_o_ Ein zum Mikroprozessor gehörendes System von Speichern enthält dabei das Programm für den zeitlichen Ablauf des Meßverfahrens, für die Durchführung der Rechenoperationen einschließlich des Algorithmus sowie zur Zuführung des Ergebnisses der Rechenoperationen zur Anzeigeeinheit.

Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens läßt sich die Stromaufnahme in der angegebenen Weise reduzieren. Eine in das Gehäuse eingebaute Batterie hat infolgedessen eine außerordentlich hohe Lebenserwartung

„₀ von etwa 10 Jahren, die auch die Lebenserwartung des gesamten Thermometers bestimmt. Hierbei muß man sich vor Augen halten, daß ein Auswechseln der Batterie nicht bzw. nicht ohne weiteres möglich ist, weil im Anschluß daran ein neuer Abgleich der gesamten Auswerteschaltung erforderlich ist, die bestimmte Vorrichtungen voraussetzt, die sich regelmäßig nicht in den Händen des Benutzers befinden.

Das nach der Erfindung ausgebildete elektronische Thermometer kann in einem Gehäuse untergebracht werden, dessen Abmessungen etwa 90 mmx 38 mmx 20 mm betragen, so daß das Thermometer als ausgesprochenes Taschenthermometer bezeichnet werden kann.

Der besondere Vorteil eines derart kleinen Thermometers liegt in der Tatsache begründet, daß man es beispielsweise irgendwelchen Produkten beim Durchlauf durch bestimmte Temperaturbehandlungsanlagen beigeben kann. Beispielsweise kann ein derartiges Thermometer zusammen mit dem zu überwachenden Gut in Kühlräumen verbleiben, ja selbst in Haushalten in Kühltruhen mit eingelegt werden, so daß ständig eine Temperaturkontrolle möglich ist.

Es ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn die Auswerteschaltung einen Speicher für die Maximaltemperatur besitzt. In diesen Speicher werden beispielsweise Signale für jeden neuen Temperaturwert eingespeichert, wenn dieser den vorher eingespeicherten Meßwert übersteigt. Mit einem solchermaßen ausgestatteten Thermometer kann beispielsweise in Kühl- oder Gefrieranlagen festgestellt werden, ob bei einem Stromausfall die obere Grenztemperatur überschritten worden ist.

Es ist wiederum besonders vorteilhaft, wenn die Auswerteschaltung einen Speicher für die Minimaltemperatur besitzt. Durch ein solchermaßen ausgestattetes Thermometer kann beispielsweise bei chemischen Prozessen festgestellt werden, ob ein vorgegebener unterer Grenzwert im tiberwachungsZeitraum unterschritten worden ist.

Sowohl die Maximal- als auch die Minimalwerte können durch eine Löschtaste gelöscht werden, so daß das Thermometer für die Erfassung neuer Maximal- bzw. Minimalwerte vorbereitet ist.

Ein derartiges Thermometer kann zusätzlich noch einen Maximalwertspeicher erhalten, dessen Speicherinhalt vom Benutzer nicht gelöscht werden kann. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise feststellen, ob das Gerät durch Überschreiten des auslegungsgemäßen Temperaturbereichs Schaden genommen hat. Der dabei aufgetretene maximale Temperaturwert kann im Herstellungsbetrieb abgefragt werden, um beispielsweise festzustellen, ob es sich um eine fehlerhafte Benutzung oder um einen Garantiefall handelt.

Wegen der kurzen Dauer des Meßvorgangs zeichnet sich das erfindungsgemäße Thermometer durch einen sehr geringen Stromverbrauch aus. Nach Erreichen der Beharrungstemperatur ist es beispielsweise völlig ausreichend, periodisch im zeitlichen Abstand von 30 Sekunden jeweils einen Eießvorgang auszuführen. In einem solchen Fall beträgt der Stromverbrauch trotz ständiger Anzeige nur etwa 60 mAh/Jahr. Der Übergang von den periodisch mit großen zeitlichen Abständen durchgeführten Meßvorgängen in einen sofort auszuführenden MeßVorgang mit Extrapolation kann beispielsweise durch Betätigen einer Steuertaste ausgelöst werden. Nach Beendigung der Extrapolation geschieht dann automatisch ein Rückfall in den Betriebzustand, in dem Meßvorgänge mit großen zeitlichen Abständen ausgeführt werden, sofern nicht das Programm für eine neue Schnellmessung abgerufen wird.

Auch der Abruf der Extremwerte kann durch Betätigen der gleichen Steuertaste herbeigeführt werden, wobei diese Taste zur Unterscheidung gewünschter Funktionen unterschiedlich lang oder unterschiedlich oft betätigt wird. So kann beispielsweise durch einen Tastendruck mit einer Dauer von mehr als einer Sekunde der maximale Temperaturwert abgefragt werden, während durch zweimalige Tasten- betätigung von jeweils mehr als einer Sekunde Dauer der minimale Temperaturwert abgerufen werden kann. Durch eine

entsprechende Blinkanzeige wird in diesen Fällen darauf hingewiesen, daß es sich um die Anzeige eines Speicherwerts und nicht um die Anzeige der aktuellen Temperatur handelt.

Durch eine weitere Tastenbetätigung von vorgegebener Dauer wird das Gerät wieder in den Zustand der Normalmessung zurückgeführt, und gleichzeitig werden die Speicherinhalte gelöscht.
10

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sowie seine Funktionsweise werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Vorderansicht des Thermometers in Ableseposition,

Figur 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Thermometers nach Figur 1,

Figur 3 eine Draufsicht auf das Thermometer nach

Figur 1,
25

Figur 4 ein Blockschaltbild der Schaltung des elektronischen Thermometers nach der Erfindung,

Figur 5 eine graphische Darstellung des Verlaufs des der Fühlertemperatur entsprechenden Meßsignals

in Abhängigkeit von der Zeit, für den Fall, daß der Fühler mit Zimmertemperatur von etwa 2O⁰C in ein Medium mit einer zu messenden Temperatur zwischen 75⁰C und 100⁰C gebracht wird, und 35

Figur 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens.

In den Figuren 1 bis 3 ist ein elektronisches Thermometer 1 dargestellt, das als Taschenthermometer ausgeführt ist und dessen Gehäuse 2 aus zwei halbschalenförmigen Gehäuseteilen 3 und 4 besteht. Aus dem Gehäuse 2 ragt ein Temperaturfühler 5 hervor, dessen von außen sichtbarer Teil aus einem Schutzrohr aus Chrom-Nickel-Stahl besteht. In diesem Schutzrohr kann wahlweise ein PTC-Silizium-Temperatursensor vom Typ TSF202, TSU202 bzw. TSF102 oder TSU102 untergebracht werden. Der Meßbereich erstreckt sich zwischen -50⁰C und +150⁰C; der Nennwiderstand des PTC-Sensors beträgt je nach Typ 2000 Ohm bzw. 1000 Ohm bei 25°C. Wahlweise kann auch ein Platin-Meßwiderstand des Typs PT 1000 angeschlossen werden.

im vorderen Gehäuseteil 3 befindet sich ein Sichtfenster 6 für eine Anzeigeeinheit 7, die als Flüssigkristallanzeige (LCD) mit den Abmessungen 22 mm χ 12 mm bei einer Ziffernhöhe von 5 mm ausgeführt ist. Die Anzeige ist vierstellig mit einem Komma und weiteren durch das Programm einschaltbaren Symbolen für die verschiedenen, weiter oben beschriebenen Meß- und Anzeigearten. Auch für die Anzeige in Grad Celsius bzw. Fahrenheit sind spezielle Symbole vorgesehen. Die Umschaltung erfolgt in diesem Fall herstellerseitig mittels einer Lötbrücke. Zur Auslösung des Ablaufs bestimmter Programmfunktionen dient eine Steuertaste 8, die unterhalb des Sichtfensters 6 angeordnet und als Folientaste ausgeführt ist.

Wie aus Figur 2 hervorgeht, befindet sich im Innern des Gehäuses 2 eine Leiterplatte 9, die die elektronischen Baueinheiten des Thermometers 1 und insbesondere einen Mikroprozessor 10 trägt.

Zur Stromversorgung dient eine Lithium-Batterie als Stromquelle 11. Eine für diesen Zweck bevorzugt geeignete Batterie ist eine Lithium-Batterie mit einer Ausgangsspannung von 3 V bei einer Kapazität von 1200 mAh, die unter der Bezeichnung BR-2/3A-1P von der Firma

National Panasonic vertrieben wird. Eine derartige Batterie hat eine Länge von 35 mm bei einem Durchmesser von 17 mm, läßt sich also auf sehr kleinem Raum unterbringen. Um das Thermometer 1 sicher in einer Tasche tragen zu können, ist an der Rückseite des Gehäuseteils 4 ein Clip 12 befestigt.

Das Blockschaltbild von Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung, die im Thermo- meter von Fig. 1 eingesetzt werden kann. Der Temperaturfühler 5 steht mit einem Momentanwertspeicher 13 in Verbindung, der an vom Mikroprozessor 10 gesteuerten Zeitpunkten das vom Temperaturfühler 5 abgegebene Meßsignal abtastet und zwischenspeichert. Das Meßsignal des Temperaturfühlers 5 kann beispielsweise eine Spannung sein, die an ihm auftritt, wenn durch ihn ein konstanter Strom hindurchgeschickt wird. Diese Spannung hat einen von der Temperatur abhängigen Wert. Mittels eines Analog-Digital-Umsetzers 14 kann der im Momentanwertspeicher zwischengespeicherte Meßsignalwert in ein digitales Signal umgesetzt werden, das in einem Speicher 15 abgespeichert werden kann. Der Mikroprozessor 10 hat Zugriff auf den Speicher 15, so daß er die darin abgespeicherten Meßsignalwerte bedarfsweise abrufen kann. Wie erwähnt, kann ein Meßzyklus durch Betätigen der Steuertaste 8 ausgelöst werden. Dem Mikroprozessor 10 sind ein Maximalwertspeicher 16 sowie ein Minimalwertspeicher 17 zugeordnet. Mit Hilfe von Löschtasten 18 und 19 kann der Inhalt des Maximalwertspeichers 16 bzw. des Minimalwertspeichers gelöscht werden. Mit dem Mikroprozessor 10 ist auch die Anzeigeeinheit 7 verbunden, von der die vom Mikroprozessor 10 in jedem Meßzyklus errechnete Temperatur angezeigt werden kann.

Unter Anwendung der in Figur 4 dargestellten Schaltung läuft ein Meßzyklus wie folgt ab:

~y>~ 4(0<

Es wird angenommen, daß die Temperatur des Temperaturfühlers 5 gleich einer Umgebungstemperatur von 20⁰C ist. Es soll die Temperatur T₀₀ eines Mediums bestimmt werden, die deutlich höher als die Umgebungstemperatur ist. In dem Diagramm von Figur 5 ist angenommen, daß die zu messende Temperatur T₀₀ etwa 80⁰C beträgt. Nachdem der Temperaturfühler mit dem Medium in Kontakt gebracht worden ist, dessen Temperatur gemessen werden soll, drückt der Benutzer die Steuertaste 8, worauf der Mikroprozessor 10 kurzzeitig einen konstanten Strom durch den im Temperaturfühler 5 enthaltenen PTC-Sensor schickt. Dieser konstante Strom hat einen Spannungsabfall zur Folge, der ein Maß für die Temperatur des PTC-Fühlers ist. Der Mikroprozessor 10 veranlaßt den Momentanwertspeicher 13 dann, die das Meßsignal des Temperaturfühlers 5 repräsentierende Spannung abzutasten und als ersten Meßsignalwert zwischenzuspeichern. Der Analog-Digital-Umsetzer 14 setzt den zwischengespeicherten Meßsignalwert in ein digitales Signal um, das an einem ersten Speicherplatz im Speicher 15 abgespeichert wird. Auf diesen ersten Meßtakt zur Bestimmung des ersten Temperaturwerts T₁ folgen zwei weitere Meßtakte, in deren Verlauf in der gleichen Weise ein zweiter Temperaturwert T₂ und ein dritter Temperaturwert T₃ erfaßt und an zwei Speicherplätzen im Speicher 15 abgespeichert werden. Für die Meßsignalwerte gilt:

T₁ = T₀₀ (1 - e τ ) T_ = T (1 - e τ )

2. oo

T. = T (1 - e τ )

J OO

Wegen der gleichen Abstände der Meßzeitpunkte gilt: 35

t₂ - t₁ = t₃ - t₂ = At.

Daraus ergibt sich für die gewünschte Beharrungstemperatur T aus:

OO

^T3 -

- 2T₂

Es ist zu erkennen, daß in der Formel für die Berechnung der Beharrungstemperatur T₀₀ keine Zeitkonstanten enthalten sind. Dies bedeutet, daß die zu messende Temperatur T unabhängig von Zeitkonstanten, also unabhängig von der Art des verwendeten Temperaturfühlers und von der Art des jeweils vorhandenen Mediums sehr schnell nach Erfassung der drei Meßwerte T₁, T₂ und T₃ durch Extrapolation bestimmt werden kann.

Vor der Berechnung der Beharrungstemperatur T₀₃ stellt der Mikroprozessor fest, ob die drei erfaßten Temperaturwerte gleich sind oder sich genügend weit voneinander unterscheiden. Diese Feststellung kann durch Bildung der Differenzen

und 25

= T₂ -

^Δ2 " ^T3 " ^T2

und durch Vergleich der Differenzen A₁ und Δ~ mit einem Grenzwert G₁ getroffen werden. Wenn beide Differenzen kleiner als der vorgegebene Grenzwert G₁ sind, bedeutet dies, daß die erfaßten Temperaturwerte nahezu gleich sind.

Dieser Fall tritt in der Praxis beispielsweise dann ein, wenn sich der Temperaturfühler 5 bereits längere Zeit in Kontakt mit dem Medium befindet, dessen Temperatur gemessen werden soll und dann die Steuertaste 8 betätigt wird. Der Temperaturfühler 5 hat dann bereits die Temperatur des Mediums, so daß sich die nacheinander erfaßten Temperaturwerte nicht oder nur wenig voneinander unterscheiden werden und eine unmittelbare Temperaturanzeige

vorgenommen werden kann. In diesem Fall darf keine Extrapolation unter Anwendung der oben angegebenen Formel durchgeführt werden, da sich sehr große Fehler ergeben können. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Ausdruck T₃ + T.. - 2T_ gegen Null geht, wenn die Temperaturwerte T., T- und T₃ gleich oder nahezu gleich sind, so daß sich bei der Extrapolation eine unzulässige Teilung durch Null ergeben würde. Es genügt in diesem Fall, den Mittelwert der erfaßten Temperaturwerte oder, falls der Grenzwert G. genügend klein festgelegt ist, den zuletzt erfaßten Temperaturwert T₃ unmittelbar in der Anzeigeeinheit 7 zur Anzeige zu bringen.

Es gibt einen weiteren Fall, bei dem die Anwendung der oben erwähnten Formel zur Berechnung der Beharrungstemperatur T₀₀ zu großen Fehlern führen kann, die aus der Tatsache resultieren, daß die Erfassung der Temperaturwerte nicht mit absoluter Genauigkeit möglich ist. Wenn der Temperaturfühler 5 mit dem Medium, dessen Temperatur bestimmt werden soll, in Kontakt gebracht wird und die Steuertaste 8 gedrückt wird, hat die Kurve, die die Temperaturänderung des Temperaturfühlers 5 veranschaulicht, unter Umständen einen Verlauf, der mehr oder weniger einem linearen Verlauf angenähert ist oder einen Wendepunkt hat.

Wenn die drei Werte T₁, T~ und T₃ in diesem Bereich der Temperaturänderungskurve erfaßt werden, ist es möglich, daß aufgrund von Meßungenauigkeiten oder weil die Messung auf einer Kurve mit Wendepunkt erfolgte, die Differenzen A₁ und A„ gleich groß werden. In diesem Fall würde die oben angegebene Formel zur Berechnung der Beharrungstemperatur T₀₀ zu einer unzulässigen Teilung durch Null führen, da in der Formel der Nenner den Wert 0 annimmt. Um zu verhindern, daß in diesem Fall eine Extrapolation zur Berechnung der Beharrungstemperatur T₀₀ durchgeführt wird, wird vor Durchführung der Extrapolation geprüft, ob die Differenz Δ~ um mehr als ein vorgegebener Grenzwert G₂ kleiner als die Differenz A₁ ist. Wenn gilt:

Δ₂ <

dann ist dies ein Zeichen dafür, daß die Messung auf einem

nahezu linearen Teil der Temperaturänderungskurve durchge-5

führt wurde, falls der Grenzwert G- genügend klein angesetzt wurde. Anstelle der Durchführung einer Extrapolation wird in diesem Fall nach Ablauf einer Zeitperiode von

2 bis 3 Sekunden ein erneuter Meßvorgang zur Erfassung der Temperaturwerte T₁, T_ und T, ausgeführt. Die dabei erfaßten Meßwerte liegen dann mit hoher Wahrscheinlichkeit in einem Bereich der Temperaturänderungskurve, der nicht linear ist, so daß dann entweder eine direkte Anzeige des Mittelwerts der erfaßten Temperaturwerte oder der zuletzt erfaßte Temperaturwert angezeigt wird, oder

° aber der Extrapolationsvorgang ausgeführt wird, wenn die Temperaturwerte T₁, T₂ und T₃ genügend verschieden voneinander sind. Selbst wenn es zu dieser Verzögerung um 2 bis

3 Sekunden kommt, wird die Beharrungstemperatur T₀₀ sehr schnell nach Drücken der Steuertaste 8 erhalten, insbe-

^O sondere sehr lange vor dem Zeitpunkt, an dem der Fühler die Behar rungs temperatur T₀₀ tatsächlich angenommen hat.

Gilt dagegen für die festgestellten Temperaturdifferenzen und Δ- die Beziehung:

^Δ1 - ^Δ2 > ^G2 '

dann ist dies eine Aussage dafür, daß die erfaßten Temperaturwerte auf dem gemäß einer e-Funktion verlaufenden Abschnitt der Temperaturänderungskurve liegen. In diesem Fall kann sofort eine Extrapolation zur Bestimmung der Beharrungstemperatur T₀₀ durchgeführt werden. In der Praxis kann je nach Art des verwendeten Temperaturfühlers die Beharrungstemperatur T₀₀ unter Umständen bereits nach 1 Sekunde bestimmt und angezeigt werden.

Anhand des in Fig. 6 dargestellten Flußdiagramms läßt sich das Meßverfahren kurz und übersichtlich wie folgt darstellen:

Nachdem der Meßvorgang gestartet worden ist (Block 28), erfolgt im Block 30 die Erfassung der Temperaturmeßwerte T₁, T₀ und T₇. Im Block 32 wird festgestellt, ob sich die Meßwerte genügend weit voneinander unterscheiden. Sind

c die Meßwerte nahezu gleich, erfolgt unmittelbar die Anzeige einer der gemessenen Temperaturen, vorzugsweise der zuletzt erfaßten Temperatur, oder eines Temperaturmittelwerts im Block 34. Unterscheiden sich die Meßwerte genügend weit voneinander, wird im Block 3 6 geprüft, ob

_ die erfaßten Temperaturwerte auf einem linearen Teil der Temperaturänderungskurve oder auf einer Kurve mit Wendepunkt liegen. Erweist sich die Kurve unter Anwendung der oben angegebenen Kriterien als exponentiell ansteigend, wird im Block 38 die Beharrungstemperatur T₀₀ durch

Extrapolation bestimmt und im Block 3 7 zur Anzeige gelb

bracht. Erweist sich die Kurve dagegen als nahezu linear (Δ₂ = Δ.) oder liegen zunehmende Differenzen vor (Kurve mit Wendepunkt), werden nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeit im Block 3 0 erneut drei Temperaturmeßwerte er-

faßt. Nachdem im Block 32 geprüft worden ist, ob sich die Λ Kj

zuletzt erfaßten Temperaturwerte genügend weit voneinander unterscheiden oder nicht, erfolgt wie zuvor eine direkte Temperaturanzeige oder nach Durchführung der Prüfung im Block 36, die dann mit Sicherheit den Fall des e-Funktions-

Verlaufs ergibt, ein Extrapolationsvorgang zur Bestimmung 2b

der Beharrungstemperatur T₀₀.

Nachdem die Beharrungstemperatur T₀₀ des Mediums, in dem sich der Temperaturfühler 5 befindet, bestimmt worden ist, führt der Mikroprozessor 10 das erzielte Ergebnis der Anzeigeeinheit 7 zu, so daß die errechnete Temperatur angezeigt wird. Der Mikroprozessor 10 geht anschließend selbsttätig in einen Wartezustand über, in dessen Verlauf er in zeitlichen Abständen, die groß im Vergleich zur Dauer eines Meßvorgangs sind, einen Meßvorgang der geschilderten Art durchführt und, falls die ermittelte Temperatur von der angezeigten Temperatur abweicht, den von der Anzeigeeinheit 7 angezeigten Temperaturwert korrigiert. Die vom Mikroprozessor 10 ermittelte Temperatur

kann auch in einen Maximalwertspeicher 16 eingegeben werden, wenn sie höher als die bereits im Maximalwertspeicher 16 abgespeicherte Temperatur ist. Auf diese Weise kann die im Verlauf mehrerer Meßvorgänge festgestellte Maximaltemperatur festgehalten werden. In gleicher Weise kann die ermittelte Temperatur auch im Minimalwertspeicher 17 jedesmal dann abgespeichert werden, wenn sie niedriger als die bereits in diesem Speicher zuvor abgespeicherte Temperatur ist. Dies ermöglicht es, die im Verlauf mehrerer Meßvorgänge erfaßte Minimaltemperatur festzuhalten. Mit Hilfe der Löschtasten 18 und 19 können der Maximalwertspeicher 16 und der Minimalwertspeicher 17 gelöscht werden, falls es erwünscht ist, die Extremwerte einer zukünftigen Reihe von Meßvorgängen ohne Bezugnahme auf eine früher durchgeführte Reihe von Meßzyklen festzuhalten.

Die Löschtaste 18 und die Löschtaste 19 sind in Figur 4 als zusätzliche Einheiten zur Steuertaste 8 dargestellt.

Es ist jedoch ohne weiteres möglich, die Funktionen der Löschtasten 18 und 19 durch die Steuertaste 8 zu verwirklichen, indem die jeweils gewünschten Funktionen, also das Auslösen eines Meßvorgangs, das Löschen des Maximalwertspeichers und das Löschen des Minimalwertspeichers,dadurch unterschieden werden, daß die Steuertaste 8 unterschiedlich lang oder unterschiedlich oft betätigt wird. Der Mikroprozessor 10 ist in der Lage, die Art der Betätigung der Steuertaste 8 zu erkennen und dementsprechend die verschiedenen Funktionen zu bewirken.

Dem Mikroprozessor 10 ist auch der in Figur 4 dargestellte weitere Maximalwertspeicher 20 zugeordnet, in dem jeder errechnete Temperaturwert abgespeichert wird, der höher ist als alle bisher gemessenen Temperaturwerte. Dieser Maximalwertspeicher 20 kann nicht gelöscht werden, so daß anhand seines Inhalts geprüft werden kann, ob das Thermometer unzulässig hohen Temperaturwerten ausgesetzt worden

-^ Lh

1 ist. Der Hersteller des Thermometers ist daher in der

Lage, benutzerseitige Fehlbedienungen, die zu einem Störfall geführt haben, nachzuweisen.

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Claims (9)

PRINZ, LEISER, BUNKE & PARTNER Patentanwälte · European Patent Attorneys 3525718 * Ernsbergerstraße 19 ■ 8000 München 60 18. Juli 1985 M. K. Juchhe im GmbH & Co. Moltkestraße 13-31 6400 Fulda / BRD TEXAS INSTRUMENTS DEUTSCHLAND GMBH Haggertystraße 1 8050 Freising / BRD Unser Zeichen: T 3817 Patentansprüche

1. Verfahren zum Messen der Temperatur eines Mediums mittels eines elektrisch arbeitenden Temperaturfühlers, dessen Meßsignal sich nach einer e-Funktion ändert, wobei mit gleichem zeitlichem Abstand voneinander drei Temperaturmeßwerte erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zweiten und aus dem ersten Temperaturmeßwert eine erste Differenz sowie aus dem dritten und aus dem zweiten Temperaturmeßwert eine zweite Differenz gebildet werden und daß dann, wenn die gebildeten Differenzen kleiner als ein vorgegebener Grenzwert sind, einer der erfaßten Temperaturme ßwerte als die zu messende Temperatur des Mediums angezeigt wird, während dann, wenn die gebildeten Differenzen größer als der vorgegebene Grenzwert sind, die Temperatur des Mediums unter Verwendung der erfaßten Temperaturmeßwerte durch eine einzige Extrapolation bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Durchführung der Extrapolation die zweite Differenz von der ersten Differenz subtrahiert wird und daß dann, wenn das Ergebnis dieser Subtraktion kleiner als ein zweiter vorgegebener Grenzwert ist, mit zeitlicher Verzögerung weitere drei Temperaturmeßwerte erfaßt werden, die anstelle der drei zuerst erfaßten Temperaturmeßwerte der Auswertung zugrunde gelegt werden.

IQ 3. Elektronisches Thermometer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Temperaturfühler, einer Anzeigeeinheit, einer Auswerteschaltung für vom Meßfühler erhaltene Temperaturmeßsignale sowie einer Stromquelle für die Auswerteschaltung und die Anzeigeeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Mikroprozessor (10) enthält, der den Temperaturfühler (5) bei einem Meßvorgang in gleichen zeitlichen Abständen abfragt, die dabei erfaßten Temperaturmeßwerte speichert und aus den gespeicherten Temperaturmeßwerten die Temperatur des Mediums bestimmt und der Anzeigeeinheit (7) zuführt.

4. Thermometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (10) die Temperatur des Mediums durch eine einzige Extrapolation bestimmt.

5. Thermometer nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Steuertaste (8) zur Auslösung eines Meßvorgangs .

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6. Thermometer nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor selbsttätig periodisch in zeitlichen Abständen, die sehr lang im Vergleich zur Dauer eines Meßvorgangs sind, die Durchführung eines Meßvorgangs veranlaßt.

7. Thermometer nach einem der Ansprüche 4 und 6, gekennzeichnet durch einen löschbaren Speicher (16) zum Abspeichern einer Maximaltemperatur.

8. Thermometer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch einen nicht löschbaren Speicher (20) für eine Maximaltemperatur.

9. Thermometer nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch einen löschbaren Speicher (17) für eine Minimaltemperatur.