DE69133262T2

DE69133262T2 - Schaltkreis zum Heizen und Fühlen der Temperatur mit einem einzelnen Widerstand

Info

Publication number: DE69133262T2
Application number: DE69133262T
Authority: DE
Inventors: Michael J. O'neill
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1991-01-04
Filing date: 1991-12-10
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2011-12-11
Also published as: DE69133262D1; JP3174118B2; US5098196A; EP0498063B1; EP0498063A2; JPH04310830A; EP0498063A3

Description

Die Erfindung betrifft kalorimetrische analytische Geräte, und insbesondere Differentialrasterkalorimetrie mit einem einzelnen Element, welches für jedes Probenmaterial sowohl für das Heizen der Probe als auch für ihre Temperaturmessung zugeordnet wird.
Hintergrund der Erfindung
Die thermische Differentialanalyse (DTA) ist ein altes und wohl bekanntes Verfahren, bei welchem Wärme gleichzeitig einem Probenmaterial und einem Referenzmaterial zugeführt wird. Da das Probenmaterial verschiedene physikalische und chemische Veränderungen, wie Kristallisation, Schmelze, Gefrieren, Oxidation, etc. durchläuft, wird seine Temperatur durch Veränderungen der inneren Energie beeinflußt. Bei einfacher DTA wird der Temperaturunterschied zwischen der Probe und der Referenz aufgenommen, und es können aus diesen Daten Berechnungen angestellt werden um die Änderungen der inneren Energie, welche in der Probe auftreten, zu bestimmen. In einem fortgeschritteneren Gerät, wie es in der US 3 263 484 offenbart ist, verwendet eine Rückkopplungs-Schaltung die Differentialtemperaturmessung um ein Spannungsdifferential zu bewirken, in welchem Fall eine Differentialleistung berechnet wird, um die Änderungen der inneren Energie zu bestimmen.
In früheren Heiz- und Temperatursensor-Anordnungen, wie sie in dem oben aufgeführten Patent gelehrt werden, wurde die Probe durch Zuführen von elektrischer Energie zu einem Widerstandsheizelement geheizt, während die Probentemperatur mit einem unabhängigen Widerstandsmesselement oder durch ein Thermoelement gemessen wurde. Eine Anordnung verwendet einen vergleichsweise kleinen Ofen, der dazu ausgelegt ist einen Probenbehälter aufzunehmen und umfasst Widerstandsheizungen und Temperaturmesselemente, die in dem Ofen relativ zu dem Probenbehälter angeordnet sind. In einer weiteren Form enthält das Temperaturmesselement ein Thermoelement, welches in der Nähe, aber allgemein beabstandet von dem Ofen angeordnet ist. Diese Anordnungen leiden an einem oder mehreren Nachteilen, einschließlich einem thermischen Verzug zwischen Heizung und Sensor, elektrischen Verlusten, vergleichsweise großer Probenhalterkapazität, Schwierigkeiten bei der Ofenherstellung, einer großen Menge elektrischer Leitungen und relativer Komplexität und Kosten bei der damit verbundenen Schaltung.
Allgemein wird für jede Probe, die getestet oder verglichen werden soll, ein Gerät mit zwei Widerstandselementen in einer Tasse oder einem Tiegel untergebracht. Ein Element wird von einem Heizstrom zum Heizen der Probe durchlaufen, wobei der Heizstrom durch Vergleich mit einem Sollwert gesteuert wird. Das andere Widerstandselement, welches vom gleichen Typ einer Widerstandspule sein kann, wie das erste, wird zum Messen der Temperatur durch Messung der Änderungen des Widerstands mit der Temperatur verwendet.
US Patent Nr. 3 527 923 offenbart die Verwendung eines einzelnen Elements sowohl für das Heizen, als auch für das Messen. Eine spezielle Schaltung wechselt zwischen Messen der Element-Spannung und einer vorgegebenen Spannung und koppelt eine Rechteckwelle zurück, welche die Differenz zwischen diesen Spannungen repräsentiert, wodurch der durchschnittliche Heizstrom in dem Element gesteuert wird. Diese Schaltung ist nicht für eine Messung und Verwendung der Temperaturdifferenz zwischen Elementen in zwei Proben vorgesehen.
Aus der UK 1211429 ist eine Schaltung bekannt, die zur Heizung von Material und zur Messung seiner Temperatur dient. Ein Gleichstrom wird für die Heizung verwendet und ein Wechselstrom wird dazu verwendet, eine Meßspannung zu induzieren, welche gefiltert wird, und ein Signal erzeugt, das die Temperatur repräsentiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine neue Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Wärme und zur Messung der Temperatur gleichzeitig mit einem einzelnen Widerstandsmaterial für jedes Probenmaterial in einem analytischen Instrument zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe eine neue Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Stroms zur Erzeugung von Wärme in zwei Widerstandselementen zu schaffen, wobei jedes Element mit einem separaten Probenmaterial verbunden wird und zum gleichzeitigem Messen der Differenzspannung, die eine Differenztemperatur zwischen den Elementen repräsentiert. Eine weitere Aufgabe ist es eine Rückkopplung der Differenztemperatur zur Steuerung der Heizströme zur Regelung der Temperaturdifferenz auf Null zu schaffen, und den erforderlichen Leistungszuwachs darzustellen. Es ist eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung eine zusätzliche Rückkopplung der durchschnittlichen Temperatur zur Regelung der durchschnittlichen Heizströme zu schaffen. Schließlich ist es eine weitere Aufgabe eine verbesserte Schaltung zur Erzeugung eines Stroms bei sehr hoher Impedanz zu schaffen.
Die oben aufgeführten und andere Aufgaben werden durch eine Schaltungsanordnung erreicht, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Dort, wo das Widerstandselement nahe bei dem Probenmaterial ist, heizt der Heizstrom das Probenmaterial, und das gefilterte Signal stellt gleichzeitig ein Maß für die Temperatur des Probenmaterials dar.
Zum Heizen und Vergleichen von zwei Probenmaterialien wird eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 geschaffen. Das gefilterte Signal schafft dadurch ein Maß für die Differenztemperatur zwischen den Widerstandselementen und den zugehörigen Probenmaterialien. Dort, wo es eine Differenz beim Heizen des Probenmaterials gibt und daher zwischen den Widerstandselementen um dadurch ein Spannungsdifferential beim Erzeugen des gefilterten Signals zu bewirken, wird das erste stromerzeugende Mittel so ausgelegt, daß es das gefilterte Signal erhält, damit ein entsprechendes Stromdifferential zwischen den Heizströmen erzeugt wird, um die Differenz zwischen der Heizung zu kompensieren und dadurch das Spannungsdifferential zu reduzieren.
In einer bevorzugten Ausführung werden die Meßspannungen gemittelt und die erste Frequenz gefiltert, damit ein Rückkoppel-Signal erzeugt wird, welches mit einem Referenzsignal verglichen wird, um ein Fehler-Signal zu erzeugen. Die Stromquelle erhält dann das Fehler-Signal und das gefilterte Signal um die Heizströme zu bewirken.
Einer der Heizströme ist die Summe eines Basisstroms und eines positiven Strominkrements und der andere ist die Summe aus dem Basisstrom und einem negativen Strominkrements. Der Basisstrom repräsentiert das Fehlersignal und jedes Strominkrement ist in der Größenordnung gleich der Hälfte des Stromdifferenzials.
Das Gerät kann weiterhin Mittel zum Berechnen des Produkts aus dem Stromdifferenzials und einem Durchschnitt der Heizspannungen enthalten als Maß für die Zunahme der Leistung, die für die Kompensation der Differenz beim Heizen gebraucht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
l ist ein vereinfachter vertikaler Schnitt eines Teils eines analytischen Instruments, welches die Erfindung enthält.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung nach der Erfindung.
3 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung einer Stromquelle nach der Erfindung.
4 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung zur Berechnung der Differentialleistung die durch die Schaltung nach 2 angewendet wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
l stellt einen Teil 10 eines analytischen Instruments, wie ein Differentialraster-Kalorimeter (DSC), dar, zum Beispiel ein Kalorimeter vom Typ Perkin-Elmer DSC-7, welches die Erfindung umfasst. Ein Heizblock 12 aus Silber oder einem anderen geeigneten wärmeleitenden Material wird durch eine Heizwendel 14 auf der Außenseite und Kanäle 16 für ein fließendes Kühlgas durch den Block bei einer nominalen Temperatur gehalten. Ein Deckel 18 aus einem ähnlichen Material sitzt auf dem Block und die umschlossene Kammer 20 kann eine oxidative, inerte oder eine andere Atmosphäre enthalten. Eine Stütze 22 erstreckt sich vertikal in die Kammer von einem linearen Aktuator 24 oder einer anderen Stütze außerhalb des Blocks und hält eine Plattform 26 aus Platin oder einem anderen geeigneten Material, das gegenüber Umwelteinflüssen resistent ist, in der Kammer. Ein Paar Probentassen 28, 30 ist auf der Plattform angebracht. Die Probenmaterialien werden in den Tassen platziert, eine Probe 32 allgemein mit einem Standard und die andere Probe 34, welche einige thermische Eigenschaften hat, die mit denen des Standards verglichen werden sollen. Die oben genannten Eigenschaften sind im allgemeinen gewöhnlich für ein DSC.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung hat jede Probentasse ein einzelnes zugeordnetes Widerstandselement 36, 38 in der Nähe der zugehörigen Probe, wobei jedes Element sowohl zum Heizen des Probenmaterials, als auch zum Messen seiner Temperatur fungiert. Jedes Element hat einen Elementwiderstand der mit der Temperatur veränderlich ist, d. h. auf sie anspricht. Die einzelnen Elemente werden anstatt zweier Elemente in einem konventionellen DSC für jede Probe verwendet. Jedes Element kann jedoch der gleiche Typ Widerstandselement sein, wie etwa eine flache Platinwendel, die in einem konventionellen Gerät verwendet wird, typischerweise in einem Bereich von etwa 10 Ohm bis 35 Ohm über einen Temperaturbereich von 0°C bis 700°C. Leitungen 40 von den Elementen werden durch eine Stütze 22 geführt und zur Schaltung 42 geleitet.
2 ist ein Diagramm, das die Schaltung 42 der Erfindung darstellt. Eine Brückenschaltung 44 wird teilweise durch die Widerstandselemente 36, 38 gebildet, die passende Elementwiderstände haben sollten. Ein Paar passender Serien-Widerstände 46, 48 mit wesentlich höherem Widerstand als diese Elemente, wie etwa 500 Ohm sind in Reihe mit diesen Elementen geschaltet, wodurch zwei Spannungsteiler 50, 52 gebildet werden, die parallelgeschaltet sind um die Brücke zu bilden. Ein Ausgleichspotentiometer 54 mit hohem Widerstand wird vorteilhafterweise zwischen diesen Widerständen als Brücke geschaltet. In Kombination mit der Spannungsquelle 66, bildet die Brücke ein Strommittel 67 zum Anlegen eines Meßstroms durch jedes Element.
Für jedes Paar der Elemente wird ein ausgewählter Heizstrom von einem ersten Strommittel 56 durch Leitungen 58, 60 zu jeweils zugehörigen Verbindungspunkten 62, 64 zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen und den Widerstandselementen geleitet. Jeder getrennte Heizstrom erzeugt Wärme in seinem zugehörigen Element 36, 38, welches dadurch dem zugehörigen Probenmaterial 32, 34 in der Tasse (l) Wärme zuführt. Die Heizströme werden bei einer ersten Frequenz erzeugt, die vorteilhafterweise im wesentlichen Null ist, d. h. es werden vorzugsweise Gleichströme zum Heizen verwendet. Diese Ströme bilden die Haupttemperatur-Steuerung für die Probenmaterialien. Konventionelle Rückkopplung der durchschnittlichen Probenhalter-Temperatur zwingt die Blocktemperatur über die äußere Wendel 14 und das Kühlgas in den Kanälen 16 zu folgen.
In den zweiten Strommitteln 67 legt eine Brückenspannungsversorgung 66 eine Spannung parallel an Leitung 69 mit einer zweiten Frequenz über die kombinierten Widerstände an. Diese Frequenz ist signifikant unterschiedlich zu der ersten Frequenz, so daß die zugehörigen Signale voneinander gefiltert werden können. In einem bevorzugten Fall ist die erste Frequenz Null (Gleichstrom-Heizströme), die zweite Frequenz sollte wenigstens 100 Hz, zum Beispiel 6 KHz sein. Die Wechselstrom-Wellenform ist irgendeine angenehme Wellenform, wie eine Sinuswelle oder, wie gezeigt, eine Rechteckwelle. Die angelegte Spannung bewirkt den Meßstrom, der eine Meßspannung an jedem der Widerstandselemente 36, 38, induziert. Mit ausreichend hohen Serienwiderständen 46, 48 wird in jedem der Widerstandselemente 36, 38 ein zugehöriger Meßstrom erzeugt, der vorzugsweise erheblich geringer als der Heizstrom ist um nicht signifikant zur Heizung der Elemente beizutragen. Typische Werte sind 100 mA für jeden Heizstrom und 5 mA für jeden Meßstrom.
Ein Koppelkondensator 68 und ein Transformer 70 werden zwischen zwei Verbindungspunkten 62, 64 angeordnet, damit ein Hochpassfilter den Gleichstrom filtert und ein Wechselspannungs-Differential zwischen diesen Punkten durchlässt, wobei das Differential die Differenz zwischen den Meßspannungen über den Widerstandselementen sind. Eine konventionelle Verstärker- und Demodulatoreinheit 72 nimmt die gefilterte Spannung auf und verstärkt sie bei der zweiten Frequenz und schafft ein gefiltertes (Gleichspannungs-)Signal T_d an einer Leitung 74, daß proportional zur Differentialspannung ist.
Der Verstärker/Demodulator 72 kann eine Einheit vom gleichen Typ sein, wie sie für ähnliche Zwecke in dem oben aufgeführten Model DSC-7 Kalorimeter verwendet wird. Da die Widerstände der Elemente 36, 38 im allgemeinen proportional zu deren jeweiligen Temperatur sind, repräsentiert das gefilterte Signal T_d aus dieser Einheit die Temperaturdifferenz zwischen den Elementen und damit zwischen den daranliegenden Probenmaterialien. Insbesondere wird dies als Temperaturdifferential bestätigt, wenn eine Differentialheizquelle in einer der Proben, wie eine exotherme oder endotherme Reaktion in. dem Material existiert. Eine nach außen führende Leitung 76 erzeugt ein Auslese-Signal des Temperatur-Differentials.
Ein weiterer, ähnlicher Verstärker/Demodulator 78 hinter einem Filterkondensator 80 und einem hohen Erdungswiderstand 82 wird dazu verwendet um den Gleichspannungsanteil zu filtern und ein Signal an der Leitung 83 zu schaffen, das die durchschnittliche Temperatur T_av der Elemente repräsentiert. In diesem Fall wird die durchschnittliche Spannung an einem Kontaktpunkt 84 zwischen einem Paar passender Widerstände 86, d. h. 1K, detektiert, wobei sie jeweils von den Kontaktpunkten 62', 64' (jeweils entsprechend den Punkten 62, 64) abgenommen wird.
Leitungen 88 zwischen der Brückenversorgung und den Verstärker/Demodulator-Schaltungen werden konventionell verbunden um die Frequenzen zur phasensensitiven Demodulation zu koppeln.
Die obige Schaltung wird für ein Differentialkalorimeter, welches zwei Widerstandselemente aufweist, verwendet. Es versteht sich, daß die Konzepte der Erfindung auch mit einem einzelnen Element verwendet werden können, zum Beispiel wenn ein einzelnes Probenmaterial aufgeheizt und beobachtet werden soll. Nur ein einzelner Heizstrom wird benötigt und wird in eine Spannungsteilerschaltung eingespeist, die im wesentlichen die gleiche ist, wie auf einer Seite der Brücke 44 (l). Eine Meß-Wechselspannung wird über dem Element gemessen, mit Herausfiltern der Frequenz des Heizstroms, welcher vorzugsweise ein Gleichstrom ist. Das gefilterte Signal ist ein Maß für die Temperatur in dem Element und sein zugehöriges Probenmaterial. Das Signal kann zum Regeln des Heizstroms zurückgekoppelt werden, zum Beispiel um eine gleichbleibende Temperatur aufrecht zu erhalten.
Eine durchschnittliche Gleichspannung V_av wird an dem Punkt 96 zwischen einem ähnlichen Paar passender Widerstände 94 von den Verbindungspunkten 62', 64' abgenommen. Der Wechselspannungsanteil wird durch einen Tiefpass-Filter, der einen Kondensator 102 enthält zur Erde herausgefiltert. Diese Spannung wird zur Berechnung einer Differential-Leistung, wie nachfolgend erläutert, verwendet.
Das Strommittel 56 enthält eine Hochimpedanz-Stromsteuerung als weiteres Mittel zur Trennung der Heizungs- und Meßfunktionen, d. h. zur Verhinderung von Störungen zwischen den Heiz- und den Meßströmen und den zugehörigen Schaltungen. Es sind die Aufgaben der Stromsteuerungen einen durchschnittlichen oder Basisheizstrom zu jedem Element durch Rückkopplung zu steuern, zur Steuerung der durchschnittlichen Temperatur und ein Stromdifferential zu schaffen, wie es gebraucht wird, um jede Differenz zwischen den Temperaturen der Widerstandselemente, die durch eine thermische Differenz zwischen den Probenmaterialien verursacht wird, auf Null zu regeln.
Mit der Rückkoppel-Schleife 92 wird das durchschnittliche Spannungssignal T_va, das die durchschnittliche Temperatur repräsentiert, über einen Widerstand 103 an ein Steuerteil 105 der Stromsteuerung 56 angelegt. Weniger bevorzugt kann auch die durchschnittliche Gleichspannung V_dc für diese Rückkopplung verwendet werden. Ein Referenz-Gleichspannungssignal V_r wird von der Steuerung 104 genommen, die so eingestellt oder programmiert ist, wie es gewünscht ist damit die durchschnittliche Temperatur gehalten oder geändert wird. Diese Steuerung kann eine programmierte Nicht-Linearität in einem Maße umfassen, das erforderlich ist um Nicht-Linearitäten der Schaltung zu kompensieren. Die Referenzspannung V_r und das durchschnittliche Temperatursignal T_av werden mit einem Operationsverstärker 106 mit einer Rückkopplung 108 mit 200K verglichen um eine Fehlerspannung V_e zu erzeugen. Die Fehlerspannung ist positiv, d. h. V_r ist etwa 2 bis 8 Volt und T_av ist ähnlich, aber größer.
Die gefilterte Signalspannung T_d, welche die Differentialtemperatur repräsentiert, wird ebenfalls an Leitung 74 zu dem Steuermittel 105 rückgekoppelt. Die Fehlerspannung V_e und das gefilterte Signal T_d werden addiert und durch einen Operationsverstärker 110 invertiert, damit ein erstes Signal -V_e-T_d an einer Leitung 112 erzeugt wird. Zu diesem letzteren Signal wird die Fehlerspannung V_e erneut addiert und die Kombination wird mit einem Operationsverstärker 114 invertiert, damit ein zweites Signal – V_e + T_d an Leitung 116 erzeugt wird. Die „R"-Widerstände in diesen Operationsverstärker-Schaltungen werden mit Verhältnissen ausgewählt, wie sie in der Figur gezeigt sind, wobei R geeigneterweise 10K ist. Die ersten und zweiten Signale werden zu den jeweiligen gesteuerten Stromquellen 118, 120 gekoppelt, damit proportionale, modifizierte Heizströme über Leitungen 58, 60 zu den jeweiligen Widerstandsheizelementen bewirkt werden. Eine Stromsteuerung mit hoher Impedanz ist einer Spannungssteuerung vorzuziehen, ein Paar Konstantstromschaltungen wird für die Quellen 118, 112 mit den jeweiligen Eingängen von den zwei Signalen verwendet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine modifizierte Transistorschaltung vom in 3 gezeigten Typ für die Schaltungen 118 und 120 verwendet. Ein PNP-Transistor 122 mit einer positiven Spannung an seinem Emitter weist an seinem Kollektor einen Monitorwiderstand 124 auf, der etwa ein Ohm hat. Der Eingang an der Transistorbasis kommt von einem Operationsverstärkereingang 126 über einen 5 K Widerstand 128, der von der Emitterspannung über einen Widerstand 130 vorgespannt ist. Jeder Eingang des Operationsverstärkers hat einen optionalen Widerstand 133 zu einer Basisklemme (im allgemeinen Erde), wobei diese passende Widerstände sind. Das erste oder zweite Signal, die in 3 als V_in bezeichnet sind, (von Leitung 112 oder 116 in 2) wird an einen invertierenden Eingang des Operationsverstärkers über einen ersten Eingangswiderstand 132 angelegt und der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers ist weiterhin über einen zweiten Eingangswiderstand 134, der an den ersten angepasst ist, geerdet. Für eine allgemeinere Verwendung dieser Schaltung braucht der zweite Eingang nicht direkt geerdet werden und V_in kann über die Eingangswiderstände angelegt werden; in diesem Fall kann V_in die Differenz zwischen den jeweiligen Spannungen sein, die relativ zu Erde an die ersten und zweiten Eingangswiderstände angelegt werden. Die Transistor Kollektor-Seite des Monitorwiderstands 124 ist über einen ersten Rückkoppelwiderstand 136 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden und die andere Seite des Monitorwiderstands ist über einen zweiten Rückkoppelwiderstand 138 von gleichem Wert (innerhalb etwa 0,1%) mit dem invertierenden Eingang verbunden. Auf diese Weise wird die Spannung über dem Monitor gemessen und genau über die Eingänge des Operationsverstärkers angelegt.
Die Eingangs-, die Rückkopplungs- und (falls verwendet) die Erdungs-Widerstände sollten wesentlich größer sein als der Wert R_M des Monitor-Widerstands 124. Zum Beispiel sind die Rückkopplungswiderstände R_F jeder 10K und die Eingangswiderstände R₁ die Hälfte von R_F. Der Ausgangsstrom I in einem Lastwiderstand 140 an einem Stromausgangspunkt 142 von dem Monitor 124 wird aus der Formel I/V_in = R_F/R_MR_I bestimmt. V_in fungiert also als Steuerspannung. Der Lastwiderstand 140 ist im vorliegenden Fall eines der Widerstandselemente 36 oder 38 (2).
Ein Teil der Schaltung innerhalb der Box 144 (gestrichelte Linie) ist eine konventionelle Stromquelle mit hoher Impedanz, die eine typische Impedanz von etwa 100K hat. Die zugehörige Schaltung in 3, die oben nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert wurde, erhöht die Impedanz auf Megaohm selbst bei Frequenzen bis 100 KHz. Die sehr hohe Impedanz ist vorteilhaft bei dem Einzelelement-Heiz/Meß-Aspekt der Erfindung, damit das Übersprechen der Heiz- und Meßfunktionen minimiert wird.
In einer weitergehenden Betrachtung von 3 repräsentiert die Box 144 irgendeinen konventionellen oder gewünschten Spannungs-Stromwandler, zum Beispiel eine andere Quelle hoher Impedanz, welche die gezeigte Transistor-Operationsverstärker-Kombination ersetzt. Es gibt also für den Wandler 144 einen positiven Eingang 146 (verwirklicht durch den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers in 3), einen negativen Eingang 148 (verwirklicht durch den nicht-invertierenden Eingang) und einen Stromausgangspunkt 150 zu dem Monitor 124. Eine einfachere Version kann von einem einfachen Operationsverstärker als Wandler Gebrauch machen; in diesem Fall wird der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers als positiver Eingang für den Wandler verwendet und der invertierende Eingang für den negativen Eingang.
Der Monitorstrom über dem Punkt 142 ist der Heizstrom, der dem zugehörigen Widerstandselement zugeführt wird. Der Strom, der durch ein Element führt ist ein Basisstrom plus die Hälfte des Stromdifferentials und der Strom durch das andere Element ist die Basis minus der Hälfte des Differentials.
Wie in dem oben aufgeführten US-Patent Nr. 3 236 484 gelehrt wird, ist die Differentialleistung, die an die Widerstandselemente angelegt wird, ein nützliches Maß in einem DSC für die Differentialheizung oder Kühlen einer Testprobe im Vergleich mit einem Standard. Im vorliegenden Fall ist die Differentialleistung das Produkt der Multiplikation der durchschnittlichen Spannung und des Differentialstroms.
Eine geeignete Schaltung 162 zur Berechnung der Differentialleistung ist in 4 dargestellt. Dort sind drei Abschnitte, ein erster, analoger Abschnitt 164, ein digitaler Abschnitt 166 und ein zweiter analoger Abschnitt 168. Der digitale Abschnitt ist irgendein konventioneller Typ mit analog-digital-Wandlern und kann, zum Beispiel eine Perkin-Elmer TAC-7 Digitaleinheit sein, die in dem DSC-7-System verwendet wird.
In dem ersten, analogen Abschnitt 164 wird das gefilterte Signal T_d, welches plus oder minus bis zu 5 Volt betragen kann, summiert 170 mit 5 Volt, damit ein immer positives Signal erzeugt wird. An dem digitalen Eingang wird diese analoge Spannung zu einer Frequenz konvertiert 172, d. h. bis zu 5 MHz, und 5*10⁵ wird bei 174 subtrahiert (um die analogen 5 Volt, die addiert wurden, zu entfernen), damit ein digitales Differenzsignal erzeugt wird. Das Ergebnis ist ein digitales Maß für die Differentialleistung W_d, die als solche bei der Computeranalyse oder zur Darstellung verwendet werden kann. Optional, d. h. für ein analoges Auslesen mit einem Aufzeichngerät, kann das Ergebnis auch zu einem Offset von 2*10¹⁷ addiert werden 180, zurück in eine analoge Spannung mit dem gleichen Bereich wie die Eingangsspannung konvertiert werden 182 und 5 Volt subtrahiert 184 um einen plus/minus-analogen Differentialleistungs-Ausgang W_a zu schaffen.
Während die Erfindung oben detailliert unter Bezugnahme auf die spezifischen Ausführungsbeispiele beschrieben wurde fallen verschiedene Änderungen und Modifikationen in den Bereich der beigefügten Ansprüche und wird dem Fachmann deutlich. Die Erfindung soll daher nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Schaltungsanordnung (42) zum Heizen und Temperatur messen in einem analytischen Gerät (10), wobei (a) ein einzelnes Widerstandselement (36 oder 38) einen auf Temperatur ansprechenden Element-Widerstand hat, (b) und zum Heizen einer Probe (32 oder 34) durch erste Strommittel (56) bei einer ersten Frequenz verwendet wird, und (c) zum Messen der Probentemperatur mit zweiten Strommitteln (67) bei einer zweiten Frequenz, (d) Meßmittel vorgesehen sind zum Messen der Spannung an dem Widerstandselement (36 oder 38), (e) der Messstrom simultan mit dem Heizstrom angelegt wird und (f) die Meßmittel Filtermittel (68, 70) zum Herausfiltern der ersten Frequenz enthalten, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, welches repräsentativ für die Meßspannung ist, wodurch das gefilterte Signal ein Maß für die Temperatur des Widerstandselements bildet, dadurch gekennzeichnet, daß (g) die ersten Strommittel (118 oder 120) eine Quelle hoher Impedanz (56) für den Heizstrom umfassen, welche enthält (h) einen Spannung-zu-Strom-Wandler (144), der eine Stromausgangsklemme (150) hat, eine positive Eingangsklemme (146) mit einem davon ausgehenden ersten Eingangswiderstand (132), und eine negative Eingangsklemme (148) mit einem zweiten davon ausgehenden Eingangswiderstand (134), wobei der erste und zweite Eingangswiderstand (132, 134) im wesentlichen gleich sind, (i) Steuermittel (105) zum Anlegen einer Steuerspannung an den ersten und zweiten Eingangswiderständen (132, 134), (j) einen Kontrollwiderstand (124), der zwischen der Ausgangsklemme (150) und einem Stromausgangspunkt (142) verbunden ist, (k) einen ersten Rückkopplungswiderstand (136), der zwischen der Ausgangsklemme (150) und der negativen Eingangsklemme (148) verbunden ist, und (l) einen zweiten Rückkopplungswiderstand (138), der zwischen dem Ausgangspunkt (142) und der positiven Eingangsklemme (146) verbunden ist, wobei der erste und zweite Rückkopplungswiderstand (136, 138) im wesentlichen gleich sind, und wobei die Rückkopplungswiderstände (136, 138) und die Eingangswiderstände (132, 134) jeder wesentlich größer sind als der Kontrollwiderstand (124), und wobei der Stromausgangspunkt (142) mit dem Widerstandselement (36 oder 38) verbunden ist um darin einen Heizstrom zu bewirken, wodurch der Heizstrom auf die Steuerspannung anspricht.
Schaltungsanordnung (42) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (36 oder 38) nahe bei dem Probenmaterial (32 oder 34) positionierbar ist, derart, daß das Widerstandselement (36 oder 38) mit dem Heizstrom das Probenmaterial (32 oder 34) heizt und das gefilterte Signal ein Maß für die Temperatur des Probenmaterials liefert.
Schaltungsanordnung (42) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz im wesentlichen Null ist, so daß der Heizstrom im wesentlichen ein Gleichstrom ist und die zweite Frequenz wenigstens etwa 100 Hertz beträgt.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Strommittel einen Spannungsteilerkreis (44) umfassen, welcher das Widerstandselement (36 oder 38) enthält.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrom wesentlich niedriger ist, als der Heizstrom.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gefilterte Signal zu den ersten Strommitteln (118 oder 120) rückgekoppelt wird um den Heizstrom zu regeln.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (105) das gefilterte Signal aufnimmt um die Steuerspannung als Antwort auf das gefilterte Signal zu erzeugen.
Schaltungsanordnung (42) zum Heizen und Messen einer Temperaturdifferenz in einem analytischen Gerät (10), enthaltend (a) ein Paar Widerstandselemente (36, 38) von denen jedes einen entsprechenden auf Temperatur ansprechenden Element-Widerstand hat, (b) erste Strommittel (118, 120) zum Bewirken getrennter Heizströme in jedem der Widerstandselemente (36, 38) bei einer ersten Frequenz, (c) zweite Strommitteln (67) zum Bewirken getrennter Meßströme in jedem der Widerstandselemente (36, 38) bei einer zweiten Frequenz um an jedem der Elemente (36, 38) eine korrespondierende auf den Element-Widerstand ansprechende Messspannung zu induzieren, und (d) Meßmittel zum Messen der Spannungsdifferenz zwischen den Messspannungen, wobei die Messströme gleichzeitig mit den Heizströmen bewirkt werden und die Meßmittel Filtermittel (68, 70) zum Herausfiltern der ersten Frequenz enthalten, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, welches repräsentativ für die Spannungsdifferenz ist, wodurch das gefilterte Signal ein Maß für die Temperaturdifferenz zwischen den Widerstandselementen (36, 38) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß (e) die ersten Strommittel (118, 120) eine Stromquelle hoher Impedanz (56) für jeden der Heizströme umfassen, welche für jedes verbundene Widerstandselement (36, 38) enthält (f) einen Spannung-zu-Strom-Wandler (144), der eine Stromausgangsklemme (150) hat, eine positive Eingangsklemme (146) mit einem davon ausgehenden ersten Eingangswiderstand (132), und eine negative Eingangsklemme (148) mit einem zweiten davon ausgehenden Eingangswiderstand (134), wobei der erste und zweite Eingangswiderstand (132, 134) im wesentlichen gleich sind, (g) Steuermittel (105) zum Anlegen einer Steuerspannung an den ersten und zweiten Eingangswiderständen (132, 134), (h) einen Kontrollwiderstand (124), der zwischen der Ausgangsklemme (150) und einem Stromausgangspunkt (142) verbunden ist, (i) einen ersten Rückkopplungswiderstand (136), der zwischen der Ausgangsklemme (150) und der negativen Eingangsklemme (148) verbunden ist, und (j) einen zweiten Rückkopplungswiderstand (138), der zwischen dem Ausgangspunkt (142) und der positiven Eingangsklemme (146) verbunden ist, wobei der erste und zweite Rückkopplungswiderstand (136, 138) im wesentlichen gleich sind, und wobei die Rückkopplungswiderstände (136, 138) und die Eingangswiderstände (132, 134) jeder wesentlich größer sind als der Kontrollwiderstand (124), und wobei der Stromausgangspunkt (142) mit dem zugehörigen Widerstandselement (36 oder 38) verbunden ist um darin einen ausgewählten Heizstrom zu bewirken, der Heizstrom auf die Steuerspannung anspricht.
Schaltungsanordnung (42) nach Anspruch 8, weiterhin enthaltend Differenz-Heizmittel zum Erzeugen einer Differenz beim Heizen zwischen den Widerstandselementen (36, 38) um dadurch eine Spannungsdifferenz bei der Erzeugung des gefilterten Signals zu bewirken, wobei die ersten Strommittel (118, 120) das gefilterte Signal aufnehmen um eine zugehörige Stromdifferenz zwischen den Heizströmen zu erzeugen, um die Differenz beim Heizen zu kompensieren und dadurch die Spannungsdifferenz zu reduzieren.
Schaltungsanordnung (42) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzheizmittel jedes ein Widerstandselement (36, 38) enthalten, welche nahe bei einem unterschiedlichen von zwei Probenmaterialien (32, 34) positionierbar ist, derart, daß ihnen Wärme zuführbar ist, derart, daß das gefilterte Signal ein Maß für die Temperaturdifferenz der Probenmaterialien (32,34) liefert.
Schaltungsanordnung (42) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizströme jeweils Heizspannungen an jedem Widerstandselement (36, 38) induzieren und die Vorrichtung weiterhin Mittel (78, 80, 82) zum Messen einer mittleren Spannung der Heizspannungen enthält und Mittel zur Berechnung des Multiplikationsprodukts aus der mittleren Spannung und der Stromdifferenz als ein Maß für das Kraftinkrement, welches zur Kompensation der Heizdifferenz verwendet wird.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hälfte der Stromdifferenz als positives Strominkrement an eines der Widerstandselemente (36 oder 38) angelegt wird und die Hälfte der Stromdifferenz als negatives Inkrement an ein anderes der Widerstandselemente (36 oder 38) angelegt wird.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (42) weiterhin Mittelwertbildende Spannungen an den Widerstandselementen (36, 38) umfasst um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, und in welcher das erste Strommittel (118, 120) eine Quelle hoher Impedanz (56) für die Heizströme enthält und Steuermittel (105) zum Vergleichen des Rückkopplungsmittels und eines Referenzsignals zum Erzeugen eines Fehlersignals, wobei das Strommittel (56) das Fehlersignal und das gefilterte Signal aufnimmt um die Heizströme zu bewirken, wobei einer der Heizströme die Summe eines Basisstroms und eines positiven Strominkrements ist, ein anderer der Heizströme die Summe eines Basisstroms und eines negativen Strominkrements ist, wobei der Basisstrom das Fehlersignal repräsentiert, und jedes Strominkrement die gleiche Größe hat wie die halbe Stromdifferenz.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das mittelwertbildende Mittel die Meßspannungen mittelt und die erste Frequenz daraus herausfiltert um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, welches ein Mittel der Meßspannungen repräsentiert.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz im wesentlichen Null ist, so daß die Heizströme im wesentlichen Gleichströme sind und die zweite Frequenz wenigstens etwa 100 Hertz ist.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Strommittel eine Brückenschaltung (44) enthalten, die die Widerstandselemente (36, 38) enthält.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßströme wesentlich geringer sind als die Heizströme.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (144) im wesentlichen aus einem Operationsverstärker (126) besteht, mit einem invertierenden Eingang, der die positive Eingangsklemme (146) bildet und einem nicht-invertierenden Eingang, der die negative Eingangsklemme (148) bildet.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (144) einen PNP-Transistor (122) mit einer positiv vorgespannten Basis enthält und einen Kollektor, der die Ausgangsklemme (150) bildet, und einen Operationsverstärker (126) mit einem nicht-invertierenden Eingang, der die positive Eingangsklemme (146) bildet, einem invertierenden Eingang, der die negative Eingangsklemme (148) bildet und einem Verstärkerausgang (128), der über einen Widerstand mit der vorgespannten Basis verbunden ist.
Schaltungsanordnung (42) nach einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom von dem zugehörigen Widerstandselement zu einer Basisklemme geleitet wird und das erste Strommittel weiterhin ein Paar im wesentliche gleicher Erdungswiderstände (133) enthält, von denen jeder zwischen einer unterschiedlichen der Eingangsklemmen (146, 148) und der Basisklemme verbunden ist und wesentlich größer ist als der Kontrollwiderstand (150).
Schaltungsanordnung (42) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizströme die jeweiligen Heizspannungen in den Widerstandselementen (36, 38) induzieren, die Vorrichtung weiterhin Differenz-Heizmittel zum Bewirken einer Differenzheizung zwischen den Widerstandselementen (36, 38) enthält um dadurch zu bewirken, daß die Spannungsdifferenz das gefilterte Signal erzeugt, und das erste Strommittel (118, 120) die Stromquelle hoher Impedanz (56) für die Heizströme umfasst, Mittelwertbildende Mittel zur Bildung des Mittelwertes der Meßspannungen zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals, das den Mittelwert der Meßpannungen repräsentiert und Mittel zum Vergleichen des Rückkopplungssignals und eines voreingestellten Signals um ein Basissignal zu erzeugen, wobei die Stromquelle (56) das Basissignal aufnimmt, und das gefilterte Signal zum Erzeugen des Heizstroms, wobei einer der Heizströme die Summe eines Basisstroms und eines positiven Strominkrements ist und ein anderer Heizstrom die Summe eines Basisstroms und eines negativen Strominkrements ist derart, daß der Basisstrom das Basissignal repräsentiert und die Strominkremente die gleiche Größe aufweisen um die Differenz beim Heizen zu kompensieren und dadurch die Spannungsdifferenz zu reduzieren.