DE4430722A1 - Schaltung zur Übergangsstellenkompensation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Übergangsstellenkom­ pensation für Temperaturmessungen mittels Thermoelementen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Thermoelement besteht immer aus zwei Drähten unterschiedli­ cher Materialien, die ein Thermopaar bilden und an einem Ende miteinander verschweißt sind. Bevorzugt werden Thermopaare ver­ wendet, deren Thermospannungen nur von der Temperaturdifferenz zwischen dem verschweißten "heißen" Ende an der Meßstelle und dem "kalten" Ende an der auswertenden Meßschaltung. Die Abhän­ gigkeit vom absoluten Temperaturniveau soll dabei möglichst ge­ ring sein. So bilden z. B. Nickelchrom-Nickel (NiCr-Ni) für einen Temperaturbereich von -200 bis +1300°C ein geeignetes Thermo­ paar.

Bei Temperaturmessungen mit Thermoelementen muß ein zur Auswer­ tung nachgeschalteter Thermospannungsverstärker in besonderer Weise auf das verwendete Thermomaterial abgestimmt sein. Dabei ist zu berücksichtigen, daß an der Übergangsstelle der Thermo-Zweidrahtleitung (z. B. NiCr-Ni) auf Kupferleiterbahnen (Cu-Cu) eine Kontaktspannung entsteht, welche von der "kalten" Über­ gangsstellentemperatur T_C abhängt und der an der "heißen" Meß­ stelle erzeugten Thermospannung U_H entgegenwirkt. Befinden sich beide Kontaktstellen der Übergangsstelle auf gleicher Temperatur T_C, so wird die an der Meßstelle erzeugte Thermospannung U_H um den Betrag der Übergangsspannung U_C reduziert.

Die Thermo- und die Übergangsspannung U_H, U_C steigen näherungs­ weise linear mit der Temperatur an. Daher ist es üblich, bei ei­ ner definierten Übergangsstellentemperatur (z. B. T_C = 0°C), mit­ tels zweier Kalibrierpunkte (z. B. 0°C und 1200°C) die Verstär­ kung und den Nullpunkt des Thermospannungsverstärkers so festzu­ legen, daß sich entlang der so festgelegten Eichgeraden eine Ausgangsspannung von z. B. 1 V bei 100°C bei einer Empfindlichkeit oder Skalierung von 10 mV/°C ergibt. Abweichungen von der Linea­ rität kann der Anwender für bekannten Thermopaare einer bekann­ ten Normtabelle oder -kurve entnehmen. Die Linearisierung der Thermospannungskennlinie kann auch hard- oder softwaremäßig in einer nachgeschalteten Linearisierungstufe implementiert sein.

Wenn nun die Übergangsstelle eine von Null verschiedene Tempera­ tur T_C ≠ 0 aufweist, so wirkt der Thermospannung U_H eine andere Übergangsspannung U_C entgegen, als die der Kalibrierung des Thermospannungsverstärkers zugrundeliegende. Da auch die auftre­ ten Übergangsspannung U_C näherungsweise linear mit der Übergangs­ stellentemperatur T_C ansteigt, gilt insgesamt in linearer Nähe­ rung, daß die Meßstellentemperatur T_H um den Betrag der Über­ gangsstellentemperatur T_C reduziert wird. Es ist daher üblich, zu der Ausgangsspannung des Thermospannungsverstärkers eine Kom­ pensationsspannung U_CC zu addieren, welche dem entsprechend ska­ lierten Spannungssignal für die Übergangsstellentemperatur T_C entspricht (Kaltlötstellenkompensation). Daher kann die Kompen­ sationsspannung von einem handelsüblichen elektronischen Thermo­ meter mit skaliertem Spannungsausgang extern aufbereitet und be­ reitgestellt werden. Durch die Kaltlötstellenkompensation wird die Messung auf die normierten Verhältnisse einer Übergangsstel­ lentemperatur T_C = 0°C zurückgeführt.

Zur definierten Ausbildung der Übergangsstelle und Erfassung der Übergangsstellentemperatur T_C dient ein Thermoelementadapter, welcher Eingänge zum Anschluß von einer oder mehreren Thermo-Zweidrahtleitungen aufweist. Innerhalb eines Adaptergehäuses führen entsprechende Thermo-Zweidrahtleitungen von jedem Eingang zu einer isothermalen Zone, in der die Übergänge sämtlicher Thermo-Zweidrahtleitungen auf Kupferleitungen stattfinden. Für die isothermalen Zone, insbesondere bei Anwendungen im Kraft­ fahrzeug, hat zunehmend eine Ausführung an Bedeutung gewonnen, bei der die Übergangsstellen voneinander elektrisch isoliert in einen Isothermalklotz aus Metall eingebettet sind. Zusätzlich befindet sich in dem Isothermalklotz ein Temperaturmeßfühler zur Messung der Übergangsstellentemperatur T_C. Ist diese bekannt, kann in der bereits dargestellten Weise der Einfluß der Über­ gangsstellentemperatur T_C kompensiert werden.

In der GB 2 233 457 A ist zur Erfassung der Übergangsstellentem­ peratur T_C ein Pt-Meßwiderstand (Pt = Platin) zentral in den Isothermalklotz eines Vielkanal-Thermoelementadapters eingebet­ tet. Dies entspricht dem allgemeinen Aufbau handelsüblicher Ge­ räte. Darüberhinaus wird in dieser Schrift mittels zusätzlicher Temperatursensoren versucht, geringe lokale Temperaturabweichun­ gen innerhalb des viele Übergangsstellen umfassenden Isothermal­ klotzes zu erfassen, um möglichst genau die lokale Übergangs­ stellentemperatur für jedes Thermoelement ermitteln zu können.

Üblicherweise wird als Meßwiderstand ein Pt100-Element verwen­ det, das einen Widerstand von 100 Ohm bei 0°C aufweist. Die Auf­ bereitung des Temperatursignals geschieht in der Regel extern mittels eines handelsüblichen Pt-Thermometer-Verstärker mit ei­ ner integrierten Linearisierung der Widerstands-Temperatur-Kenn­ linie. Das Ausgangssignal ist in gleicher Weise skaliert (10 mV/°C) wie das Ausgangssignal U_T des Thermoelementverstärkers, welchem es als Kompensationsspannung U_CC hinzuaddiert wird. Aus der Summe beider Signale ergibt sich das gesuchte und gleicher­ maßen skalierte Spannungssignal U = U_T + U_CC für die Meßstel­ lentemperatur T_H. Jede Ungenauigkeit in der Messung von T_C und der daraus abgeleiteten Kompensationsspannung U_CC beeinträchtigt die Genauigkeit der Bestimmung der Meßstellentemperatur T_H.

Insbesondere für Temperaturmessungen an Aggregaten im Kraftfahr­ zeug während Testfahrten kann die Übergangsstellentemperatur T_C Werte in einem vergleichsweise großen Bereich von -25°C bis +85°C annehmen. Legt man bei der Bildung der Kompensationsspan­ nung U_CC wie aus dem Stand der Technik bekannt, die lineare Ab­ hängigkeit von der Übergangsstellentemperatur T_C zugrunde, so ergeben sich für die Kompensationsspannung U_CC insbesondere an den Intervallgrenzen größere Abweichungen von der realen Thermo­ spannungskennlinie der zu kompensierenden Übergangsspannung U_C.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zur Übergangsstel­ lenkompensation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 da­ hingehend weiterzubilden, daß die Genauigkeit von Temperaturmes­ sungen mittels Thermoelementen gesteigert wird, indem das Ver­ fahren zur Ermittlung der Kompensationsspannung U_CC verbessert wird. Die erfindungsgemäße Schaltung soll insbesondere für den den Einsatz bei Kraftfahrzeugversuchen geeignet sein.

Diese Aufgabe wird den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteil­ hafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.

Erfindungsgemäß wird die generierte Kompensationsspannung U_CC aus der gemessenen Übergangsstellentemperatur T_C abgeleitet, wo­ bei die Nichtlinearität der Thermospannungskennlinie des Über­ gangs der Thermodrähte auf Kupfer (z. B. NiCr-Ni auf Cu-Cu) weit­ gehend berücksichtigt wird.

Die Erfindung behebt den Nachteil der bekannten Schaltungen, bei denen die Nichtlinearität der Thermospannungskennlinie des Übergangs z. B. NiCr-Ni auf Cu-Cu vernachlässigt wird. Bei ge­ nauerer Betrachtungsweise muß nämlich die Kompensationsspannung U_CC so gewählt sein, daß nicht die Übergangsstellentemperatur T_C sondern die Übergangsspannung U_C addiert wird, welche entspre­ chend der genannten Thermospannungskennlinie in einem schwach nichtlinearen Zusammenhang zu der Übergangsstellentemperatur T_C steht.

Eine besonders vorteilhafte, weil kostenneutrale Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die nichtlinearen Korrekturen zur Nachbildung der nichtlinearen Übergangsspannung U_C innerhalb des verwendeten Temperatur-Spannungs-Umsetzers in einem Schritt mit einer integrierten Kennlinienkorrektur für den verwendeten Temperaturmeßfühlers durchgeführt wird.

Insbesondere wenn als Temperaturmeßfühler ein Platin-Meßwider­ stand und zur Auswertung ein entsprechender Thermometerverstär­ ker (Temperatur-Spannungs-Umsetzer) verwendet wird, der auf eine Linearisierung der Pt-Widerstandskennlinie vorbereitet ist, er­ gibt sich eine kostenneutrale Ausführungsform, die auch in Ana­ logtechnik realisierbar ist: Lediglich durch ein gezielte Über­ kompensation der Nichtlinearität der Widerstandskennlinie durch eine andere Bemessung der vorgesehenen Mittel zur Linearisierung kann innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches eine nicht­ lineare Übertragungsfunktion eingestellt werden, welche die ge­ wünschte Thermospannungskennlinie approximiert. Damit kann die Generierung der nichtlinearen Kompensationsspannung U_CC mit han­ delsüblichen Pt-Thermometerverstärkern in konventioneller Ana­ logtechnik kostenneutral realisiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in den Thermoelementadapter der erfindungsgemäße Temperatur-Spannungs-Umsetzer integriert, wobei der Thermoelementadapter mittels Mi­ niaturbauteilen innerhalb eines IC-Hybridgehäuses aufgebaut ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung dargestellt und näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Schaltungsaufbau zur Temperaturmessung mit der erfindungsgemäße Schaltung zur Übergangsstellenkompensation.

Fig. 2 zeigt einen an sich bekannten Pt-Thermometerverstärker (Temperatur-Spannungs-Umsetzer) zur Aufbereitung der Übergangs­ stellentemperatur T_C.

Fig. 3 zeigt für Temperaturen T_C im Bereich von -30°C bis +100°C die sich gemäß einer Summenkennlinie einstellende nichtlineare Übertragungsfunktion (13, durchgezogene Linie) eines erfindungs­ gemäßen Platin- Thermometerverstärkers sowie die nachzubildende Nichtlinearität der Übergangsspannung U_C (14, gestrichelte Li­ nie), jeweils dargestellt als Abweichung eines angezeigten Tem­ peratur-Istwertes T_ist von einer Eichgeraden T_soll (Sollwert).

Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch den innerhalb eines IC-Hybridgehäuses aufgebauten erfindungsgemäßen Thermoelementadap­ ter.

Der Schaltungsaufbau in Fig. 1 zeigt ein Thermoelement 1 zur Messung der Meßstellentemperatur T_H, das sich beispielsweise aus dem Thermopaar NiCr und Ni aufbaut, und über eine Zweidrahtlei­ tung 2 aus dem gleichen Thermomaterial mit einer Übergangsstelle 3 leitend verbunden ist. Bei der Übergangsstelle 3 findet der Übergang der Thermo-Zweidrahtleitung 2 in eine zugeordnete Kup­ fer-Zweidrahtleitung 4 statt. Die Kupferleitungen 4 leiten die resultierende, um den Betrag der Übergangsspannung U_C reduzier­ ten Thermospannung U_H des Thermoelementes 1 auf den Eingang des Thermospannungsverstärkers 5 weiter. Der Thermospannungsverstär­ ker 5 ist in der bereits geschilderten Weise geeicht und gibt ein z. B. auf 10 mV/°C skaliertes Ausgangssignal U_T für ab, wel­ ches bei einer Übergangsstellentemperatur von T_C = 0°C genau der Meßstellentemperatur T_H entspricht.

Die Übergangsstelle 3 ist in einen Isothermalklotz aus gut wär­ meleitendem Material eingebettet, der eine isothermale Zone 6 bildet, welche mindestens einen Temperaturmeßfühler 8 zur Erfas­ sung der Übergangsstellentemperatur T_C mit einschließt. Die iso­ thermale Zone kann noch weitere Übergangsstellen (nicht in der Zeichnung dargestellt) für weitere Thermoelemente und entspre­ chende Ausgängen für die jeweiligen Thermospannungsverstärker einschließen. Der Isothermalklotz bzw. die isothermale Zone 6, die Übergangsstelle 3 und der Temperaturmeßfühler 8 bilden eine Baueinheit, die als Thermoelementadapter 7 bezeichnet wird.

Das Signal des Temperaturmeßfühlers 8 wird durch einen Tempera­ tur-Spannungs-Umsetzer 9 aufbereitet, an dessen Ausgang das Kom­ pensationssignal U_CC bereitsteht. Dieses wird in einem Summierer 10 mit dem Ausgangssignal U_T des Thermospannungsverstärkers 5 zu einem Summensignal U addiert. Weiterhin kann vorgesehen sein, das Summensignal einer Linearisierungsstufe 11 zuzuführen, wel­ ches die Nichtlinearität der Thermospannungskennlinie des Ther­ moelementes 1 in dem gesamten Temperaturbereich der Meßstel­ lentemperatur T_H ausgleicht. Am Ausgang steht dann ein genaues, skaliertes Temperatursignal 12 bereit, welches um die Thermos­ pannungskennlinie bereinigt und bei dem die Übergangsspannung U_C kompensiert ist.

Der Temperatur-Spannungs-Umsetzer 9 weist in der Regel eine Li­ nearisierung 9.1 der Kennlinie des Temperaturmeßfühler 8 auf. Mittels der Linearisierung 9.1 wird erreicht, daß der Tempera­ tur-Spannungs-Umsetzer 9 ein Kompensationsspannung U_CC abgibt, die linear mit der Temperatur T_C anwächst und in gleicher Weise auf z. B. 10 mV/°C skaliert ist wie der Thermospannungsverstärker 5. Erfindungsgemäß ist jedoch weiterhin eine Kennliniengenerie­ rung 9.2 vorgesehen, welche die nichtlinearen Abweichungen der Übergangsspannung U_C von der Temperaturgeraden entsprechend der Thermospannungskennlinie des Übergangs des Thermopaares auf Kup­ fer generiert. Die Kompensationsspannung U_CC wächst damit nicht mehr linear mit der Übergangsstellentemperatur T_C sondern gibt den nichtlinearen Verlauf der Übergangsspannung U_C in Abhängig­ keit von T_C wieder.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Linearisierung der Kennlinie des Temperaturmeßfühlers und die Generierung der Thermospannungskennlinie in einer einzigen Transformation 9.3 mittels einer entsprechenden Summenkennlinie durchgeführt wird.

Als Temperaturmeßfühler 8 mit insgesamt guten Eigenschaften ist beispielsweise ein Pt-Meßwiderstand einsetzbar. Ein Nachteil von Pt-Meßwiderständen ist jedoch, daß der Widerstand nur näherungs­ weise linear mit der Temperatur wächst, so daß man für den Tem­ peratur-Spannungs-Umsetzer 9 eine Schaltung benötigt, die eine Widerstandsänderung in eine Spannung abbildet und dabei die nichtlineare Widerstands-Temperatur-Kennlinie ausgleicht. Eine einfache aber effiziente Schaltung zur Linearisierung und Um­ wandlung in eine Spannung ist in der Fig. 2 dargestellt. Diese Schaltung ist bekannt aus dem Aufsatz: DE-Z Technisches Messen tm, Heft 11/1988, F. Kreid, "Effiziente Linearisierung für Pla­ tin-Temperaturfühler", Seiten 438 bis 443.

In einem weiten Temperaturbereich folgt der als Temperaturmeß­ fühler dienende Pt-Meßwiderstand 8′ näherungsweise einer Wider­ stands-Temperatur-Kennlinie

R_T = R₀(1 + AT + BT²) (a)

mit den Konstanten A = 3,90802_*10^-3 K^-1 und B = -0,580195_*10^-6 K^-2. R₀ ist der Widerstand bei T = 0 und beträgt üblicherweise 100 Ohm (Pt100-Widerstand) oder 1000 Ohm (Pt1000-Widerstand).

Die im Temperatur-Spannungs-Umsetzer eingesetzte Verstärker­ schaltung 9′ in Fig. 2 besteht aus einem Operationsverstärker mit dem Meßwiderstand R_T als Temperaturmeßfühler 8′ im negativen Rückkopplungszweig. Ein Teil der Ausgangsspannung wird über einen aus den Widerständen R₃ und R₄ bestehenden Spannungsteiler auf den Eingang des Operationsverstärkers positiv zurückgekoppelt, der Rückkopplungsfaktor k ergibt sich aus dem Verhältnis k = R₃/(R₃+R₄). Bezüglich der Dimensionierung der Widerstände R₁ und R₂ wird auf den genannten Aufsatz verwiesen.

Die Ausgangsspannung U_A der Verstärkerschaltung 9′ stellt die invertierte Kompensationsspannung -U_CC bereit, so daß noch eine Invertierschaltung nachgeschaltet werden muß (nicht darge­ stellt), um die Kompensationsspannung U_CC zu erhalten. Die Tem­ peraturabhängigkeit der Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung 9′ ist durch die Übertragungsfunktion U_A(R_T) gegeben:

U_A(R_T) = - U_ref (R_T-R₀)/[(R₀+R₁)(1-k) - k(R_T-R₀)] (b)

Wie die Gleichung zeigt, läßt sich die Nichtlinearität der Über­ tragungsfunktion U_A(R_T) mit Hilfe des Rückkopplungsfaktors k einstellen. Positive Werte von k, die einer positiven Rückkopp­ lung entsprechen, ergeben eine überproportionale Anhebung der Ausgangsspannung für größere temperaturbedingte Widerstandszu­ wächse R_T-R₀ und damit einen Ausgleich des durch die Pt-Wider­ standskennlinien bedingten unterproportionalen Anstiegs des Pt-Widerstandes R_T bei hohen Temperaturen. Der Rückkopplungsfaktors k wird gemäß dem Stand der Technik daher so gewählt, daß die Nichtlinearität der Übertragungsfunktion U_A(R_T) die Nichtlinea­ rität der Pt-Widerstandskennlinie kompensiert.

Ein systematische Verfahren zur Bestimmung des Rückkopplungsfak­ tors k besteht darin, die obige Näherungsformel (a) für die Wi­ derstands-Temperatur-Kennlinie in die Gleichung (b) für die Übertragungsfunktion U_A(R_T) einzusetzen und die erhaltene Funk­ tion in eine Taylorreihe bezüglich der Temperatur T zu entwickeln. Die Bedingung, daß das zweite (quadratische) Glied der Taylorreihe verschwinden oder zumindest minimal werden soll, liefert den optimalen Wert für den Rückkopplungsfaktor k, sofern eine Linearisierung des Temperaturverhaltens des Meßwiderstandes R_T erreicht werden soll. In dieser Weise und mit den oben ange­ gebene Werten für die Konstanten A und B sowie R₁ = R₀ kann für den optimalen Rückkopplungsfaktor k ein Wert von ungefähr k = 7,5% bestimmt werden. Weitere systematische Verfahren sind in dem oben genannten Aufsatz dargestellt.

Erfindungsgemäß wird das beschriebene Verfahren dahingehend ab­ gewandelt, daß der Rückkopplungsfaktor k hinsichtlich der Abhän­ gigkeit der Übertragungsfunktion U_A(R_T) von der Temperatur T nicht auf einen möglichst linearen Verlauf sondern gezielt auf einen nichtlinearen Kennlinienverlauf eingestellt wird, wel­ cher in einem bestimmten Temperaturbereich eine Thermospannungs­ kennlinie approximiert.

In Fig. 3 ist für Temperaturen T_C im Bereich von -30°C bis +100°C als gestrichelte Linie 14 die Nichtlinearität der Über­ gangsspannung U_C für einen NiCr-Ni auf Cu-Cu (Typ K) Übergang dargestellt. Die Übergangsspannung U_C ist als Abweichung des realen Spannungswertes in Temperatureinheiten (Temperatur-Ist­ wert T_ist) von einer Eichgeraden (Sollwert T_soll) dargestellt. Die Eichgerade wird hier durch Kalibrierpunkte bei 0°C und unge­ fähr 65°C festgelegt, weshalb dort die Abweichung T_ist-T_soll verschwindet, und entspricht dem in den bekannten Verfahren zu­ grundegelegten linearen Verlauf für die Kompensationsspannung U_CC.

Aus dem dargestellten Kennlinienverlauf wird deutlich, daß sich in dem für die Anwendung bei Kraftfahrzeugversuchen relevanten Temperaturbereich die Kennlinie gut durch eine Korrekturfunktion zweiten Grades approximieren läßt. Soll ein solcher Verlauf mit der Verstärkerschaltung in Fig. 2 nachgebildet werden, so kann beispielsweise im Sinne einer Taylorreihenentwicklung der linea­ re Anteil der Korrekturfunktion durch eine Korrektur des Ver­ stärkungsfaktors und der quadratische Anteil durch eine entspre­ chend Anpassung des Rückkopplungsfaktors k berücksichtigt wer­ den. In Abwandlung des bereits erwähnten Verfahrens zur Bestim­ mung von k mittels Taylorreihenentwicklung, bestimmt sich hier der Wert für k aus der Bedingung, daß die Korrekturen zweiter Ordnung in T nicht verschwinden sondern dem quadratischen Anteil der Korrekturfunktion für die Übergangsspannung U_C entsprechen soll. Alternativ ist auch ein Bestimmungsverfahren denkbar, bei dem beispielsweise mit einer Methode der Minimierung der Summe der Fehlerquadrate die Übertragungsfunktion U_A(R_T) optimal an die gewünschte Kennlinie von U_C angepaßt wird. Der sich erge­ bende Rückkopplungsfaktor k beträgt ungefähr k = 15%. Die mit die­ sem Wert für k erzielte Übertragungsfunktion U_A(R_T) ist als durchgezogenen Linie 13 in der Fig. 3 dargestellt, wiederum in Temperatureinheiten und als Abweichung T_ist-T_soll von der Eich­ geraden (T_soll).

Die Übereinstimmung der gestrichelten 14 und der durchgezogenen Linie 13 ist in dem interessierenden Temperaturbereich recht gut, wodurch insbesondere bei tiefen und bei hohen Temperaturen, wo sich größere Abweichungen von der Eichgeraden ergeben, eine deutliche Verbesserung gegenüber den bekannten Verfahren er­ reicht wird, die lediglich eine Linearisierung der Kennlinie des Meßwiderstandes vorsehen.

Aufgrund der einfachen analogen Schaltungstechnik mit der erfin­ dungsgemäß die Thermospannungskennlinie 14 des Übergangs gene­ riert wird, kann der Temperatur-Spannung-Umsetzer 9 mit diskre­ ten Miniaturbauteilen in einfacher SMD-Technik (SMD = Surface Mounted Device) aufgebaut und in das Gehäuses des Thermoelemen­ tadapters 7′ integriert werden.

Die Fig. 4 zeigt eine für die Anwendung im Kraftfahrzeug beson­ ders geeignete Ausführungsform für einen Thermoelementadapter 7′ mit integrierter Aufbereitung der Übergangsstellentemperatur T_C. Erfindungsgemäß werden die Übergangsstelle 3, der Temperaturmeß­ fühler 8 und der Temperatur-Spannungs-Umsetzer 9 innerhalb eines kompakten IC-Hybridgehäuses 15a, 15b integriert. Dabei erfolgt die Kontaktierung aller nach außen führenden Kupferleiterbahnen, z. B. für Ausgabe der Kompensationsspannung U_CC oder für eine Spannungsversorgung, mittels an der Unterseite aus der Gehäuse-Bodenplatte 15a herausragender und voneinander isolierter An­ schlußstifte 16. Die Anschlußstifte 16 sind für eine Leiterplat­ tenmontage des Thermoelementadapters 7′ vorgesehen und können direkt eingelötet werden. Die Thermo-Zweidrahtleitungen 2 werden als isolierte Drähte seitlich durch kleine Öffnungen in das In­ nere des Gehäuses 15a, 15b geführt, worin die Thermodrähte 2 durch eine Vergußmasse 17 fixiert sind.

Das Gehäuse 15a, 15b ist zwecks einer guten Wärmeabfuhr aus Me­ tall und wird aus einer Bodenplatte 15a und einem topfförmigen Deckel 15b zusammengebaut. Der Innenraum des Gehäuses 15a, 15b ist mit einer gut wärmeleitenden aber elektrisch isolierenden Vergußmasse 17 ausgefüllt. Die Bodenplatte 15 a dient als Kühl­ element für die bodennahen Bauteile 18, die an der Unterseite einer Platine 19 angebracht sind. Oberhalb der Platine 19 ist als Temperaturmeßfühler 8 ein Pt-1000-Meßwiderstand angeordnet.

Die wärmeabgebenden aktiven Bauelemente 9, 18 sind an der Unter­ seite der Platine 19 plaziert, damit sie ihre Wärme unmittelbar an die Bodenplatte 15a abgeben und möglichst wenig die isother­ male Zone 6 oberhalb der als Wärmebarriere dienenden Platine 19 beeinflussen. Der Innenraum des Gehäuses 15a, 15b wird damit durch die als Wärmebarriere wirkende Platine 19 unterteilt in die isothermale Zone 6 oberhalb der Platine 19 und eine Zone un­ terhalb der Platine 19 zur Weiterleitung der von Bauteilen 9, 18 an der Unterseite der Platine 19 erzeugten Wärme an die Boden­ platte 15a des Gehäuses 15a, 15b.

Die isothermale Zone 6 wird insbesondere durch das Ausgießen des Gehäuses 15a, 15b mit der Vergußmasse 17 hergestellt, welche eine homogene Temperaturverteilung unterstützt. Innerhalb der isothermalen Zone 6 ist die Übergangsstelle 3 in direkter Nähe zum Temperaturfühler 8 angeordnet.

Gegenüber einem Pt100-Meßwiderstand hat ein Pt1000-Meßwiderstand den Vorteil, daß der Einfluß der Zuleitwiderstände weitaus ge­ ringer ist und somit eine hohe Langzeitstabilität sichergestellt und eine Nachkalibrierung nicht erforderlich ist. Daher wird mit einer einfachen 2-Leiter-Aufbereitung bereits eine hohe Meßge­ nauigkeit erreicht, so daß keine 4-Leiter-Aufbereitung wie bei einem pt100-Meßwiderstand benötigt wird, um die gleiche Meßge­ nauigkeit zu erzielen. Aufgrund des dadurch reduzierten Schal­ tungsaufwandes ist eine Miniaturisierung leichter möglich. Ein weitere Vorteil ist, daß bei gleichem Meßstrom der Pt1000-Meßwi­ derstand eine um das 10fache höhere Ausgangsspannung liefert, was einen größeren Signal/Rauschabstand ermöglicht. Es ist ein handelsüblicher Pt1000-Meßwiderstand in kleiner kompakter Bau­ form auf Keramiksubstrat verwendbar.

Der so ausgebildete Thermoelementadapter 7′ kann nun so ausge­ bildet sein, daß die von ihm bereitgestellte Kompensationsspan­ nung U_CC entweder lediglich eine Kennlinienkorrektur des Pt1000-Meßwiderstandes beinhaltet oder aber die erfindungsgemäße Sum­ menkennlinie aus der Kennlinienkorrektur für den Meßwiderstand zuzüglich der Thermospannungskennlinie für die Übergangsspannung U_C.

Die leichte und kompakte Bauform des erfindungsgemäßen Ther­ moelementadapters mit integrierter Aufbereitung der Übergangs­ stellentemperatur ermöglicht einen Einsatz auch an rotierenden Teilen. Ein weiterer Vorteil dieser Bauform ist der verringerte Verkabelungsaufwand durch die Vorbereitung auf eine Leiterplat­ tenmontage.

Aufgrund der genauen Ermittlung der Kompensationsspannung U_CC kann auch unter thermodynamischen Gesichtspunkten der die iso­ thermale Zone bildende Isothermalklotz klein und leicht ausge­ führt werden, da die Kompensationsspannung schnell und genau der temporären Übergangsstellentemperatur angepaßt wird.

Claims (10)

1. Schaltung zur Übergangsstellenkompensation für Temperaturmes­ sungen mittels Thermoelementen bestehend aus

• - einem Thermoelementadapter mit Eingängen zum Anschluß von min­ destens einem Thermoelement und zugeordneten Ausgängen zum An­ schluß von Thermospannungsverstärkern, wobei innerhalb einer isothermalen Zone ein kontrollierten Übergang der Thermodrähte auf Kupferleiterbahnen stattfindet und ein Temperaturmeßfühler die Übergangsstellentemperatur T_C erfaßt,
• - einem Temperatur-Spannungs-Umsetzer, welcher den Temperatur­ meßfühler auswertet und eine Kompensationsspannung U_CC bereit­ stellt und
• - einer jedem Thermospannungsverstärker nachgeschalteten Sum­ mierstufe, in der dem Ausgangssignal des Thermospannungsverstär­ kers U_T die Kompensationsspannung U_C hinzuaddiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur-Spannungs-Umsetzer (9) eine Kennliniengenerierung (9.2, 9.3) aufweist, welche die Übergangsstellentemperatur T_C mittelbar oder unmittelbar ge­ mäß eines nichtlinearen Zusammenhanges auf die Kompensationsspa­ nnung U_CC abbildet, derart daß die Kompensationsspannung U_CC (13) in einem bestimmten Temperaturbereich eine nichtlineare Thermospannungskennlinie (14) des verwendeten Thermoelementes nachbildet.

2. Schaltung zur Übergangsstellenkompensation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Temperatur-Spannungs-Umsetzer (9) in einer Linearisierungsstufe (9.1) die Übergangsstellentempera­ tur T_C aus dem Signal des Temperaturmeßfühlers (8) ermittelt wird, wobei eine Linearisierung der Kennlinie des Temperaturfüh­ lers (8) erfolgt, und anschließend in der Kennliniengenerierung (9.2) die Thermospannungskennlinie (14) nachgebildet wird.

3. Schaltung zur Übergangsstellenkompensation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Temperatur-Spannungs-Umsetzer (9) in einer Transformation (9.3) das Signal des Temperaturfühlers (8) unmittelbar auf die Kompensationsspannung U_CC abgebildet wird, wobei mit einer zugrundegelegten Summenkennlinie sowohl die Kennlinie des Temperaturfühlers (8) als auch die Thermospan­ nungskennlinie (14) berücksichtigt wird.

4. Schaltung zur Übergangsstellenkompensation nach Anspruch 1, wobei der Temperaturmeßfühler ein Meßwiderstand mit positivem Temperaturkoeffizient ist und der Temperatur-Spannungs-Umset­ zer Mittel zur Kennlinienkorrektur in analoger Schaltungstech­ nik, insbesondere zur Linearisierung der nichtlinearen Wider­ stands-Temperatur-Kennlinie aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bemessung dieser Mittel so gewählt ist, daß Abweichungen von einer lineare Temperatur-Spannungs-Kennlinie generiert wer­ den, welche in einem bestimmten Temperaturbereich die Thermos­ pannungskennlinie (14) approximieren.

5. Schaltung zur Übergangsstellenkompensation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur-Spannungs-Umsetzer (9) eine mit einem Operationsverstärker aufgebaute Verstärker­ schaltung (9′) aufweist mit einem negativen und einem positiven Rückkopplungszweig, wobei in den negativen Rückkopplungszweig der Meßwiderstand (8′, R_T) eingeschleift ist und der positive Rückkopplungszweig das Ausgangssignal mit auf einen positiven Eingang des Operationsverstärker rückkoppelt, wobei der Rück­ kopplungsfaktor mittels Widerständen (R₃, R₄) einstellbar ist.

6. Schaltung zur Übergangsstellenkompensation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (8′) ein Platin-Meßwiderstand ist.

7. Schaltung zur Übergangsstellenkompensation nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (1) aus einem NiCr-Ni-Thermopaar (Typ K) gebildet und der Rückkopplungsfaktor auf 14% bis 16% bemessen ist.

8. Schaltung zur Übergangsstellenkompensation nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur-Spannungs-Umsetzer (9, 9′) in den Thermoelementadapter (71) integriert ist.

9. Schaltung zur Übergangsstellenkompensation nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoelementadapter (7′) von einem Metallgehäuse (15a, 15b) umgeben ist, dessen Innenraum al­ le elektrische Komponenten (8, 9, 18) aufnimmt und ansonsten mit einer sehr gut wärmeleitenden aber elektrisch isolierenden Ver­ gußmasse (17) ausgefüllt ist, wobei alle Außenanschlüsse als An­ schlußstifte (16) aus der Bodenplatte (15a) des Gehäuses heraus­ ragen und alle Thermo-Zweidrahtleitungen (2) als isolierte Dräh­ te durch Öffnungen im Gehäusedeckel (15b) in das Innere des Ge­ häuses (15a, 15b) hineingeführt und durch die Vergußmasse (17) fixiert sind.

10. Schaltung zur Übergangsstellenkompensation nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Gehäuses (15a, 15b) durch eine als Wärmebarriere wirkende Platine (19) unter­ teilt ist in die isothermale Zone (6) oberhalb der Platine (19) und eine Zone unterhalb der Platine (19) zur Weiterleitung der von Bauteilen (9, 18) an der Unterseite der Platine (19) erzeug­ ten Wärme an die Bodenplatte (15a) des Gehäuses (15a, 15b).