DE3639558A1 - Batteriebetriebene einrichtung zur messung von temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine batteriebetriebene Einrichtung zur Messung von Temperaturen gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Einrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 haben eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und können beispielsweise zur Messung der Körperkerntemperatur von biologischen Meßobjekten eingesetzt werden.

Insbesondere bei der Basaltemperaturmessung zur Erkennung der empfängnisfreien und der empfängnisgünstigen Tage beispielsweise zur biologischen Schwangerschaftsverhütung ist es erforderlich, die Körperkerntemperatur sehr genau und mit einer hohen Reproduzierbarkeit über Jahre hinweg zu messen. Da andererseits bei der biologischen Schwanger­ schaftsverhütung aufgrund der Basaltemperaturmessung eine tägliche Temperaturmessung erforderlich ist, ist die Verwendung eines stationären netzbetriebenen Temperatur­ meßgerätes nicht angeraten. Um eine tägliche Temperatur­ messung sicherzustellen, sollte das Temperaturmeßgerät klein und handlich und nicht auf eine äußere Energiever­ sorgung angewiesen sein, also über eine eigene Versor­ gungsbatterie bzw. einen Versorgungsakku vefügen.

Andererseits wirft die hochpräzise Messung von Temperatu­ ren mit batteriebetriebenen Einrichtungen an wechselnden Orten erhebliche meßtechnische Probleme auf, die sich unter anderem durch die schwankende, temperaturabhängige Versorgungsspannung, große Schwankungen der Umgebungstem­ peratur sowie die durch den Batteriebetrieb geringe Ener­ giekapazität der Versorgungsbatterie ergeben.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine batteriebetriebene Einrichtung zur Messung von Temperatu­ ren anzugeben, die auch bei schwankenden, temperaturab­ hängigen Versorgungsspannungen und großen Schwankungen der Umgebungstemperatur über lange Zeiten hinweg ein sehr hohes Auflösungsvermögen, eine gute Reproduzierbarkeit sowie eine hohe Langzeitstabilität der Messung gewähr­ leistet.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Überraschenderweise kann diese Aufgabe dadurch gelöst werden, daß von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, also von einer Einrichtung mit einer Meßbrücke, in die ein temperaturabhängiger Wider­ stand eingesetzt ist, ausgegangen und diese Einrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale weitergebildet wird. Die erfindungs­ gemäße Einrichtung geht dabei von folgender Erkenntis aus:

Eine Messung der Basaltemperatur, die eine weitgehend sichere Aussage über empfängnisfreie Tage gewährleistet, muß eine hochgenaue und reproduzierbare Temperaturmessung sein, deren Genauigkeit im Bereich von 36-42°C im Bereich von 0,025°C liegt. Um eine derartige Genauigkeit mit batteriebetriebenen Einrichtungen über lange Zeiträume hinweg zu erreichen, ist es unter anderem notwendig, Offset-Spannungsveränderungen des Verstärkers aufgrund von Alterungs- und/oder Temperatureinflüssen zu kompensieren. Die Verwendung von Operationsverstärkern, deren Offset- Spannung alterungs- und temperaturkompensiert ist, also beispielsweise von sogenannten Chopper-Verstärkern verbie­ tet sich aufgrund der hohen Kosten derartiger Verstärker von selbst. Weiterhin ist es nicht möglich, hochgenaue und hochstabilisierte Referenzspannungsquellen zur Temperatur­ messung einzusetzen, da der Energieverbrauch derartiger Spannungsquellen eine zu große Belastung für die Batterie darstellen würde.

Deshalb wird erfindungsgemäß als Temperatursensor auf einen Sensor zurückgegriffen, dessen Widerstandswert sich temperaturabhängig ändert. Dieser Sensor wird in an sich bekannter Weise in eine Halb- oder Voll-Meßbrücke geschal­ tet. Da insbesondere bei kleinen Temperaturmeßbereichen, wie sie zur Messung der Basaltemperatur erforderlich sind, die "Verstimmung" der Meßbrücke klein ist, ist es nicht erforderlich, an die Meßbrücke eine hochstabilisierte Spannung anzulegen. Unter Umständen genügt es gemäß An­ spruch 3 sogar, wenn an die Meßbrücke die Batteriespannung direkt ohne zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen angelegt ist. Erforderlich ist es aufgrund der Meßbrückenschaltung lediglich, die unter Umständen erheblichen Offset-Spannun­ gen von integrierten Halbleiterverstärkungen, die aufgrund von Umgebungstemperatur- und/oder Zeiteinflüssen auftre­ ten, zu kompensieren. Da eine derartige Kompensation entweder die Verwendung teurer Verstärker oder vom durch­ schnittlichen Benutzer nicht zu fordernde elektronische Kenntnisse voraussetzen würde, wird erfindungsgemäß auf einen Operationsverstärker zurückgegriffen, bei dem keine besonderen Maßnahmen zur Nullpunkts- und Temperaturkompen­ sation ergriffen sind, und die Offset-Fehlspannung durch das im folgenden beschriebene Meßprinzip kompensiert:

Hierzu sind drei Schalter vorgesehen, deren Schaltzustand eine Steuereinheit steuert. Der erste Schalter legt je nach Schaltzustand an die Brücke die Referenzspannung oder das Bezugspotential an. Ist das Bezugspotential angelegt, liegt zwischen den Eingangsklemmen des Operationsverstär­ kers keine äußere Spannung. Die auftretende Ausgangsspan­ nung ist damit die um den Verstärkungsfaktor des Opera­ tionsverstärkers verstärkte Offsetspannung. Ist dagegen die Referenzspannung an die Meßbrücke angelegt, so ist die Ausgangsspannung die um den Verstärkungsfaktor verstärkte "Summenspannung" aus "Brückenspannung" und "Offset-Span­ nung".

Durch Subtraktion des bei angelegtem Bezugspotential auftretenden Ausgangsspannungswertes vom Ausgangsspan­ nungswert bei angelegter Referenzspannung erhält man damit die tatsächliche "Brückenspannung" -natürlich verstärkt um den Verstärkungsfaktor-, die ein Maß für die Temperatur des Temperatursensors ist. Diese Subtraktion der beiden Ausgangsspannungswerte ermöglicht in einfacher und kosten­ günstiger Weise die in den Merkmalen (c) und (d) des Anspruchs 1 beanspruchte erfindungsgemäße Ausbildung. Die erfindungsgemäße Ausbildung hat darüber hinaus den Vor­ teil, daß der Energieverbrauch gering und ferner aufgrund der geringen im Temperatursensor verbrauchten Energie dessen Eigenerwärmung zu vernachlässigen ist. Gegenüber bekannten Schaltungen kann bei geeigneter Wahl des Meß­ zeit/Pausen-Verhältnisses der Energieverbrauch um den Faktor 10 ² bis 10 ³ gegenüber bekannten Einrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 verringert werden. Entsprechend verringert sich die Eigenerwärmung des Sen­ sors, was gerade bei Messungen in biologischem Gewebe äußerst vorteilhaft ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im Anspruch 2 ist eine einfache und kostengünstige Ausbil­ dung der Speicherschaltung gekennzeichnet, die darüber­ hinaus - da keine aktiven Elemente wie beispielsweise bei einer Sample- and Hold-Schaltung erforderlich sind - den Energieverbrauch weiter reduziert. Als Speicherkondensato­ ren können beliebige Kondensatoren verwendet werden, die frei von sogenannter Nachpolarisation sind, d.h. bei denen nach Entladung des Kondensators sich nicht von selbst wieder Spannungen im Inneren aufbauen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist eine überraschend hohe Langzeitstabilität und Meßgenauigkeit auf. Deshalb ist es möglich, die Ausgangsspannung der Batterie ohne zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen an die Brücke als Referenzspannung anzulegen (Anspruch 3). Hierdurch wird der Stromverbrauch der erfindungsgemäßen Einrichtung weiter verringert. Natürlich kann es in diesem Zusammen­ hang besonders vorteilhaft sein, Akku-Typen zu verwenden, deren Ausgangsspannung sich bei Entladung möglichst wenig ändert.

Die Steuerschaltung, die den Schaltzustand der einzelnen Schalter steuert, kann im Prinzip beliebig aufgebaut sein und die einzelnen Schalter in einem festen Taktverhältnis umschalten. Hierzu kann sie beispielsweise einen Taktgene­ rator aufweisen, dessen Ausgangssignal in einem vorgegebe­ nen Taktverhältnis mehrere Zustände annimmt, durch die die Umschaltung der einzelnen Schalter erfolgt (Anspruch 4).

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die gemäß Anspruch 5 zur Temperaturberechnung verwendete Mikroprozessorschal­ tung auch als Steuerschaltung für die Schalter zu verwen­ den. Die Mikroprozessorschaltung kann dabei einen internen Taktgeber oder ein spezielles Ablaufprogramm, dessen Länge genau bekannt ist, zur Steuerung der Schaltzustände auf­ weisen.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Mikroprozes­ sorschaltung die Zahl der Messungen pro Zeiteinheit ent­ sprechend der gemessenen Temperaturänderungs-Geschwindig­ keit (Anspruch 7) festlegt:

Im nahezu stationären Fall, also bei geringen Temperatur­ änderungen pro Zeiteinheit, sind dann entsprechend weniger Messungen erforderlich als bei schnellen Temperaturände­ rungen. Hierdurch wird die Belastung der Versorgungsbat­ terie weiter verringert und damit die Batterielebensdauer erhöht.

In jedem Falle ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schalter elektronische Schalter sind, da derartige Schal­ ter ohne großen Aufwand und mit geringem Stromverbrauch durch die Steuereinheit bzw. die Mikroprozessorschaltung betätigbar sind.

Die "getaktete" Messung, die die erfindungsgemäße Einrich­ tung ausführt, wird besonders vorteilhafterweise mit einer Digitalanzeige kombiniert, da die Speicherwirkung derarti­ ger Digitalanzeigen über eine bestimmte "Abfragezeit" "Anzeigeschwankungen" der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgleicht.

Als Digitalanzeige wird dabei vorteilhafterweise eine LCD- Anzeige verwendet, da bei einer derartigen Anzeige der Stromverbrauch und damit die Batteriebelastung gering sind.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann natürlich zu belie­ bigen Temperaturmessungen verwendet werden. Die erfin­ dungsgemäß erreichten Vorteile äußern sich jedoch in besonderem Maße bei einem batteriebetriebenen Handgerät, das zur Messung der Körpertemperatur und insbesondere der Basaltemperatur verwendet wird. Die Mikroprozessorschal­ tung kann im letzteren Falle auch zusätzliche Funktionen ausführen und beispielsweise empfängnisfreie Tage über die Digitalanzeige anzeigen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, in der zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung und

Fig. 2 die Signalbildung bei der in Fig. 1 dargestell­ ten Einrichtung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung, die eine Meßbrücke (1) aufweist, in die ein temperaturabhändiger Widerstand (2), beispielsweise ein Platinwiderstand, ein Heißleiter etc. eingesetzt ist. An die Brückenschaltung ist als Versorgungs- bzw. Referenzspannung die Klemmen­ spannung der auch zur Spannungsversorgung verwendeten Batterie (3) über einen elektronischen Schalter (4) ange­ legt. Die Brückenspannung ist an die Eingangsklemmen eines in bekannter Weise geschalteten Operationsverstärkers (5) angelegt, dessen Ausgangsanschluß über Schalter (6) bzw. (7) mit dem einen Anschluß eines Kondensators (8) bzw. dem einen Eingangsanschluß eines Subtrahierers (9) verbunden ist. Der Kondensator (8) ist ferner über den Schalter (7) mit dem anderen Eingangsanschluß des Subtrahierers (9) verbindbar.

Der Ausgangsanschluß des Subtrahierers (9) ist über einen Analog/Digital-Umsetzer (10) mit einer pauschal mit dem Bezugszeichen (11) bezeichneten Mikroprozessorschaltung verbunden, die über einen I/O-Anschluß auch den Schaltzu­ stand der Schalter steuert. Ferner ist eine Digitalanzeige (12) vorgesehen.

Die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert.

Fig. 2(A) zeigt den Verlauf (V) der Brückenspannung (Pb) als Funktion der Zeit (t) in Folge einer Temperaturände­ rung des temperaturabhängigen Widerstands. Zu den Zeit­ punkten T 1, T 2, . . . schaltet die Mikroprozessor-Schaltung (11) den elektronischen Schalter (4) für eine sehr kurze Zeit, in der sich weder der Meßwert noch die Offset- Fehlspannung des Verstärkers ändert, um, so daß die Batte­ riespannung an der Meßbrücke (1) anliegt. Am Ausgangsan­ schluß des Verstärkers ergibt sich durch Überlagerung der verstärkten Offset-Spannung und der Brückenspannung das in Fig. 2 (B) dargestellte Signal. Da mit Ausnahme der kurzen Zeitspannen (T 1, T 2, . . .) das Bezugspotential an der Brücke anliegt, ist die Ausgangsspannung des Verstärkers die mit dem Verstärkungsfaktor verstärkte Offset-Spannung, deren zeitlichen Verlauf beispielhaft Fig. 2 (C) zeigt.

Durch die in Fig. 2 (D) veranschaulichte Differenzbildung im Subtrahierer (9) erhält man die in Fig. 2 (E) darge­ stellte verstärkte Brückenspannung, ohne daß Nullpunkts­ driften etc. des Verstärkers das Ergebnis beeinflußt hätten.

In Fig. 2 (F) ist der Energiebedarf bzw. der Strom als Funktion der Zeit dargestellt. Wie Fig. 2 (F) zu entneh­ men ist, ist der Energiebedarf durch die nur zu bestimmten Zeitpunkte erfolgte Abfrage der Meßbrücke gegenüber Schal­ tungen, bei denen die Referenzspannung laufend an der Brücke anliegt um einen großen Faktor verringert. In vielen Einsatzfällen genügt es, wenn die Versorgungsspan­ nung für 10^-5 bis 10^-6 Sekunden angelegt wird und die Meßwerte im Abstand von einer 1/10 s abgefragt werden. In diesem Falle kann der Energiebedarf cirka um den Faktor 10³ bis 10⁴ verringert werden.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels ohne Beschränkung des in den Ansprüchen niederge­ legten allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben worden.

Claims (10)

1. Batteriebetriebene Einrichtung zur Messung von Tempe­ raturen mit einem Temperatursensor, dessen ohmscher Wider­ standswert sich temperaturabhängig ändert, und der in einen Zweig einer Voll- oder Halb-Meßbrücke geschaltet ist, an die eine Referenzspannung angelegt ist, und deren Brückenspannung ein Verstärker verstärkt, dessen Ausgangs­ signal ein Maß für die zu messende Temperatur ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• a) ein erster Schalter (4) legt je nach Schaltzustand an die Brücke (1) die Referenzspannung oder das Bezugs­ potential an,
• b) als Verstärker wird ein Operationsverstärker (5) ohne zusätzliche Nullpunkts- und Temperaturkompensation verwendet,
• c) ein zweiter und ein dritter Schalter (6,7) verbinden je nach Schaltzustand den Ausgangsanschluß des Opera­ tionsverstärkers mit einer Speicherschaltung (8) für die Ausgangsspannung bzw. dem einen Eingangsanschluß eines Subtrahierers (9) und die Speicherschaltung mit dem anderen Eingangsanschluß des Subtrahierers,
• d) eine Steuerschaltung (11) steuert die Schalter derart, daß in einem ersten Betriebszustand das Bezugspoten­ tial an der Meßbrücke anliegt und die Speicherschal­ tung die Offset-Ausgangsspannung des Operationsver­ stärkers speichert, und
  in einem zweiten Betriebszustand die Referenzspannung an der Meßbrücke anliegt und der Subtrahierer von der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers die in der Speicherschaltung gespeicherte Spannung subtrahiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschaltung ein über den zweiten Schalter mit dem Ausganganschluß des Opera­ tionsverstärkers verbindbarer Kondensator (8) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Batterie ohne zusätzliche Stabilisierung an die Brücke als Referenzspannung angelegt ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Taktgenerator aufweist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsanschluß des Subtrahierers über einen A/D-Umsetzer mit einer Mikropro­ zessorschaltung (11) verbunden ist, die die Temperatur be­ stimmt.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroprozessorschaltung auch als Steuerschaltung für die Schalter dient.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroprozessorschaltung die Zahl der Messungen pro Zeiteinheit entsprechend der gemessenen Temperaturänderungs-Geschwindigkeit festlegt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (4, 6, 7) elektro­ nische Schalter sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Digitalanzeige (12) für den gemessenen Temperaturwert vorgesehen ist.

10. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem batteriebetriebenen Handgerät zur Messung der Körpertemperatur von Lebewesen.