NO155679B

NO155679B - Elektronisk termometer.

Info

Publication number: NO155679B
Application number: NO801678A
Authority: NO
Inventors: Jean-Marie Bellet; Edmond Desjaques
Original assignee: Bioself Int Inc
Priority date: 1979-06-07
Filing date: 1980-06-05
Publication date: 1987-01-26
Also published as: EP0022061B1; DK245580A; ES492062A0; CH637474A5; EP0022061A3; EP0022061A2; DE3069405D1; NO801678L; US4371271A; ES8101272A1; ATE9842T1; JPS5649930A; NO155679C; CA1161920A

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et elektronisk termometer. Det vanlige kvikksølvtermometer gir vanligvis tilfredsstillende nøyaktighet, men oppviser likevel forskjellige ulemper, idet særlig avvisningen av temperaturverdien iblant ikke er hensiktsmessig for praktiske formål og oppviser en viss risiko for feiltagelse. Man har derfor forsøkt å erstatte det vanlige termometer med en elektrisk eller elektronisk tempera-turmåleinnretning.

Det er således kjent å anvende termoelementer for mange tek-niske formål, idet det ene av elementets to sveisepunkter i bruk plasseres i kontakt med det område hvor temperaturen skal måles, mens det annet sveisepunkt bringes i kontakt med et medium som holdes på en nøyaktig kjent temperatur, for eksempel smeltende is under normalt trykk, som gir en referansetemperatur på 0°C. En spenningsmåling mellom de to sveisepunkter angir temperaturforskjellen mellom disse punkter, hvilket gjør det mulig å utlede den temperatur som skal måles sammenlignet med referansetemperaturen. Behovet for en ref er ansetemperatur er imidlertid; en ulempe i dette tilfelle.

Det er videre kjent en fremgangsmåte som utnytter det forhold at vanlige motstandselementer har en motstandsverdi som varierer med temperaturen. Det er også kjent at halvledere, dioder og transistorer oppviser temperaturavhengige karakter-istiske verdier. Videre er det tilgjengelig spesielle motstandselementer med en motstandsverdi som varierer betraktelig med temperaturen, enten med en positiv eller negativ faktor, men vanligvis anvendes elementer med negativ temperaturkarakteristikk. En fremgangsmåte for måling av temperaturen omfatter således måling av den strøm som passerer et sådant motstandselement under en gitt påtrykt spenning for derved å utlede elementets motstand og således dets temperatur. Det foreligger forskjellige varianter av disse fremgangsmåter, men alle oppviser sa^mme ulempe, nemlig at det kreves en spennings-eller strømreferanse som er meget stabil og meget nøyaktig.

På denne bakgrunn er det et formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe et elektrisk termometer som hverken krever et medium holdt på en referansetemperatur, eller en refer-ansestrøm eller -spenning som oppviser høy nøyaktighet og god stabilitet.

Oppfinnelsen gjelder således et elektronisk termometer som omfatter en temperaturføler i form av en temperaturfølsom impedans, fortrinnsvis et motstandselement hvis motstandsverdi varierer med temperaturen, og anordnet for å bringes i kontakt med et område hvis temperatur skal måles, samt en målekrets med en første og en annen oscillator som er anordnet tett inntil hverandre og er helt identisk utført bortsett fra at den temperaturfølsomme impedans inngår som frekvensbestemmende element i den første oscillator, mens en tilsvarende, ikke temperaturfølsom impedans inngår som tilsvarende element i den annen oscillator, mens telleutstyr er anordnet for opptelling av den første oscillators frekvens.

På denne bakgrunn av prinsippielt kjent teknikk fra for eksempel US-patentskrift 4.150.573 har så det elektroniske termometer i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at nevnte telleutstyr er anordnet for å styres slik av et styresignal som frembringes av digitale styrekretser i avhengighet av den annen oscillators frekvens, at telleutstyret bringes til å avgi digital datainformasjon tilsvarende den avfølte temperatur og i samsvar med nevnte opptelling av den første oscillators frekvens.

Løsningen på det ovenfor angitte problem går således i henhold til oppfinnelsen med andre ord ut på at det anordnes i inn-byrdes nærhet to oscillatorer av likeartet konstruksjon, bortsett fra at den første oscillator er forbundet med et fjernt-liggende motstandselement og således avgir en frekvens fX

som avhenger av den temperatur som skal måles T . Denne frekvens f måles ved opptelling under en tidsperiode som avhenger av frekvensen F^ for den annen oscillator. Denne

avhenger av frekvensen F for den annen oscillator. Denne frekvens F kan oppvise en frekvensdrift på grunn av varier-ende temperatur Tq for kretsene i den annen oscillator eller variasjoner i effekttilførselen. På grunn av at de to oscillatorer ligger inntil hverandre og er av samme konstruksjon, vil imidlertid også frekvensen f være utsatt for tilsvarende variasjoner, således at variasjonenes påvirkning av den endelige opptellingsprosess praktisk talt oppheves.

Det bør bemerkes at dette arrangement er fullstendig orginalt og nytt i forhold til en konvensjonell løsning hvor formålet ville være å frembringe en fullstendig stabil referansefrekvens, samt på den annen side å eliminere alle fluktuasjoner i den første oscillator som ikke skriver seg fra det mostands-element som anvendes for temperaturmålingen. Dette ville kreve en perfekt stabilisert effekttilførsel samt en krets som var omhyggelig kompensert for temperaturvariasjoner, eller, hvis mulig, anordnet i et hus hvor temperaturen reguleres ved hjelp av termostat. En sådan løsning ville imidlertid kreve en komplisert apparatutførelse og således oppvise alle de ulemper som er nevnt ovenfor.

Den foreliggende løsning i henhold til oppfinnelsen gjør det

imidlertid mulig på enkel måte å oppnå en nøyaktighetsgrad som ellers ville kreve komplisert utstyr. Løsningen i henhold til oppfinnelsen kan også kombineres med konvensjonell elektronisk kompensering for temperaturdrift eller variasjoner i kraft-forsyningen, forutsatt at dette kompensasjonsutstyr anordnes symmetrisk for begge de to oscillatorer. I dette tilfelle vil fordelene ved de to løsninger samvirke og således øke den opp-nådde presisjon.

Det vil forstås at løsningen i henhold til oppfinnelsen tillater enten å oppnå en gitt presisjon med forholdsvis enkle kretser, eller i vesentlig grad å forbedre den presisjon som er oppnådd ved kretser som i seg selv allerede er konstruert for å nedsette den uheldige virkning av de ovenfor angitte

forandringer av driftsbetingelsene.

Løsningen i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig enten å konstruere mer nøyaktig utstyr enn tidligere ved en gitt kom-pleksitet, eller enklere og mer praktisk utstyr som likevel har en ganske tilfredstillende nøyaktighet. Det elektroniske termometer i henhold til oppfinnelsen kan anvendes som et laboratorieinstrument, et metereologisk måleinstrument, et medisinsk termometer eller lignende. Det forhold at målere-sultatet oppnås i digital form utgjør naturligvis en vesentlig fordel sammenlignet med analoge målinger, da resultatet således anvises på meget lettlest måte, og eventuelt kan lagres som datainformasjon i form av et digitalsignal.

Foreliggende oppfinnelse vil bli bedre forstått ut i fra følgende beskrivelse av noen utførelseseksempler under hen-visning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser skjematisk arbeidsprinsippet for et elektronisk

termometer i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 2 viser skjematisk de anvendte kretser i et sådant elek tronisk termometer. Fig. 3 viser skjematisk den anvendte krets for en annen ut-førelse av det elektroniske termometer i henhold til oppfinnelsen, og Fig. 4 viser det ytre utseende av en utførelse av foreliggende

elektroniske termometer.

Et elektronisk termometer i henhold til foreliggende oppfinnelse omfatter, slik som vist i fig. 1, et følsomt element 1 som er beregnet på å bringes i kontakt med det område hvis temperatur Tx skal måles, idet dette element har en impedans som er avhengig av temperaturen T X, en måleoscillator 2 sammenkoblet med det følsomme element 1 og innrettet for å frembringe en frekvens f^ som er avhengig av T , samt en referanseoscillator 3 som frembringer en referansefrekvens f . De to oscillatorer 2 og 3 ligger tett inntil hverandre og er av samme utførelse bortsett fra det forhold at den første oscillator er tilkoblet motstandselementet 1 som ligger i vesentlig avstand fra oscillatorene. Begge oscillatorer 2 og 3 har derfor prinsippielt samme temperatur T , som vanligvis er romtemperaturen, og oscillatorene er også tilkoblet samme elektriske kraftforsyning. Hvis således en temperaturforandring eller en forandring i effekttilførselen påvirker frekvensen f vil den samme forandring også påvirke frekvensen fx på samme måte. Begge de to frekvenser f Log f overføres til en digital krets 4, som virker på samme måte som en logisk krets, og er godt beskyttet eller immun mot enhver forandring av de ytre driftsforhold. I disse kretser 4 sammenlignes frekvensen f med frekvensen f , på sådan måte at virkningen av variasjoner i ytre forhold praktisk talt oppheves ved denne sammenligning.

I de kretser som er vist i fig. 2, er det følsomme element 1 en temperaturfølsom motstand 31, for eksempel på 600 kX2,

og med en temperaturkarakteristikk på 5 %/ °C, nemlig ca.

30 kf2/ °C omkring sin nominelle verdi. Denne temperatur-følsomme motstand er koblet inn i oscillatorkretsen for en relaksjonsoscillator 2 som er dannet av en invertertrigger 33 og et RC-nettverk som omfatter en kondensator 34 og en motstand 32 i parallell med den temperaturfølsomme motstand 31. Motstanden 32 er ikke uomgjengelig nødvendig, særlig i det tilfelle hvor den temperaturfølsomme motstand 31 har god lineær temperaturavhengighet innenfor sitt arbeidsområde. Oscillatoren 2 frembringer logiske pulser med en frekvens

f som avhenger av temperaturen T . Disse pulser passerer gjennom en OG-port 40 inn i en teller 16.

Referanseoscillatoren 3 er av lignende konstruksjon som den første oscillator 2 og ligger inntil denne. Denne oscillator 3 omfatter en invertertrigger 36 samt et RC-nettverk med en kondensator 37 og en motstand 35. Referanseoscillatoren 3 har en frekvens f r av samme størrelsesorden som f x' , idet f for eksempel tilsvarer den geometriske middelverdi mellom øvre og nedre grensefrekvens for arbeidsområdet for f . Denne frekvens f overføres gjennom en OG-port 51 til en frekvensdeler som deler den mottatte frekvens med et tall som er uttrykk for den inverse verdi av den relative nøyaktighet som tilsiktes ved målingen. Hvis det for eksempel antas at f er av størrelsesorden 100.000 Hz, og f rinnstilles lik denne verdi, mens en nøyaktighet på 1 milliontedel ønskes ved opptelling av frekvensen f kan deletrinnet hensiktsmessig være en frekvensdeler med en delefaktor på 1 million eller nær denne verdi, for eksempel 2^ (2"*"^ = 1024). Frekvensdeleren 18 avsluttes med en multivibrator 53, hvis inverterte utgangssignal styrer uOG-portene 40 og 51, og hvis ikke inverterte utgangssignal styrer to påfølgende monostabile multi-vibratorer 55 og 56, hvorav den første er anordnet for inn-skrivning av telleresultatet, mens den annen sørger for tilbakestilling. Utgangssignalet fra den annen multivibrator 56 er tilsluttet ELLER-portene 42 og 57, som styrer tilbake-stillingen av henholdsvis telleren 16 og frekvensdeleren 18. Telleren 16 er koblet til en hukommelse 21 samt til en første inngang A for en komparator 20, hvis annen inngang B er forbundet med hukommelsen 21. Innholdet i hukommelsen 21 kan overføres til en dekoder 22 som styrer en anvisningsinnretning 23. Denne dekoder er anordnet for å omvandle tallinnholdet av hukommelsen 21, som tilsvarer et vilkårlig enhetssystem avhengig av kretsarrangementet til en tallverdi som tilsvarer et vanlig enhetssystem, samt omvandling av denne tallverdi til styresignaler for anvisningsenheten. Hvis termometeret trenger kalibrering, kan dette utføres fra dekoderen. En kalibrering kan imidlertid også utføres ved frekvensdeleren 18 eller ved oscillatorene, men for produksjon i større serier er det å foretrekke at en kalibrering kan finne sted i forbindelse med de logiske og digitale kretser heller enn ved analoge kretser.

Termometerkretsen omfatter videre en styre- og effektenhet 60. I tillegg til andre arbeidsfunksjoner har denne enhet 60 som oppgave å utføre den innledende tilbakestilling av telleren 16, frekvensdeleren 18 og hukommelsen 21. For dette formål styrer enheten 60 en monostabil multivibrator 61, hvis utgang er forbundet med en tilbakestillingsinngang for hukommelsen 21, samt med ELLER-portene 42 og 57 som styrer tilbakestil-lingen av henholdsvis telleren 16 og frekvensdeleren 18.

Kretsen i fig. 2 virker nå på følgende måte. Når termometeret settes i drift, avgir enheten 60 effekt til og driver de øvrige kretser, samt påvirker multivibratoren 61 til å utføre den innledende tilbakestilling av telleren 16, frekvensdeleren 18 og hukommelsen 21. De to oscillatorkretser 2, 3 avgir sine respektive frekvenser f og f^. Når frekvensdeleren 18

har avsluttet en måleperiode, innstilles dens sluttrinn 53 på enerverdien og linjen 54 sperrer portene 40 og 51 for blok-kering av telleprosessen. Samtidig avgir den første monostabile multivibrator 55 en styrepuls som setter igang komparatoren 20. Hvis telleinnholdet i telleren 16 er høyere enn tallinnholdet i hukommelsen 21, vil tellerens telleverdi bli lagret i hukommelsen 21. Ved slutten av den avgitte puls fra den første monostabile multivibrator 55, vil den annen monostabile multivibrator 56 sende ut en puls for tilbakestilling av telleren 16 og frekvensdeleren 18, innbefattet dens slutt-trinn 53, hvilket atter åpner portene 40 og 51 således at en ny måleperiode kan starte.

Hvis målingen i den nye måleperiode gir et høyere resultat, og temperaturen T med andre ord har øket, vil sammenligningen i komparatoren føre til at den sistnevnte verdi lagres. Termometeret arbeider således som et maksimumtermometer.

Det bør bemerkes at referanseoscillatoren ligger inntil eller i nærheten av målekretsen 2 og er av lignende utførelse, bortsett fra det temperaturfølsomme motstandselement 31. Videre mottar de to oscillatorer driveffekt fra samme kilde. Idet oscillatorene ligger inntil hverandre vil de prinsippielt ha samme temperatur T . Hvis således frekvensen f for den

3 X

første oscillator, som er en funksjon av temperaturen T

ytterligere influeres av en temperaturforandring eller en forandring i effekttilførselen, vil referansesekvensen fr bli påvirket i samme retning, da samme ytre forandringer virker på referanseoscillatoren 3. Hvis for eksempel en sådan ytre forandring fører til senkning av frekvensen f X, vil den også senke frekvensen f ri samme forhold, hvilket vil øke telleprosessens varighet, således at virkningen av de ytre forandringer tilslutt vil bli opphevet.

Den logiske del av kretsen i fig. 2 er oppbygget av forholdsvis enkle kretselementer, slik som tellere, porter og registre. For de logiske funksjoner i den krets som er vist i fig. 2, eller i enda høyere grad for mer kompliserte krets-funksjoner, kan det imidlertid være mest hensiktsmessig å anvende en mikroprosessor. I den krets som er angitt i fig. 3 vil man lett finne følerelementet 1 som er koblet til måle-oscillatoren 2, som i sin tur er forbundet med telleren 16. I denne figur er det også vist at referanseoscillatoren 3 er forbundet med frekvensdeleren 18. Den viste krets 70 i denne figur er en mikroprosessorkrets som styrer telleren 16 og frekvensdeleren 18, særlig for tilbakestilling av disse en-heter, henholdsvis over linjene 73 og 74. Kretsen 70 mottar på den annen side signaler fra enhetene 16 og 18 over linjene 73 og 71.

Den viste mikroprosessor 70 kan være anordnet for å foreta en sammenligningsfunksjon med det formål å lagre bare den høyeste av de målte temperaturer. Den kan imidlertid også anordnes for å utføre mer kompliserte funksjoner, for eksempel å registrere både den største og minste måleverdi, og kan være innrettet for å lagre verdier for opptegning av en temperatur-kurve som funksjon av tiden. En mikroprosessor kan også direkte styre en anvisningsenhet uten anvendelse av en mellom-liggende dekoder. En sådan krets kan også lett anvendes for kalibrering utført under fremstillingen, idet denne kalibrering utføres i form av en modifisering av hukommelsesinnholdet eller modifisering av logiske forbindelser, hvilket er å foretrekke fremfor en analog kalibrering. Som et grensetilfelle kan en hensiktsmessig mikroprosessorkrets til og med gjøre det mulig å utelate telleren 16 og frekvensdeleren 18, og denne mikroprosessorkrets vil da tilsvare de digitale kretser som er vist ved henvisningstallet 4 i fig. 1.

Fig. 4 viser det ytre utseende av en utførelse i form av et elektronisk termometer for medisinsk bruk. Følerelementet 1 er anbragt ved ytterenden av en langstrakt utstikker fra ter-mometerlegemet. På siden av termometeret er det tydelig vist en anvisningsinnretning med temperaturverdien 38,65°C. Seks anvisningsfelter av typen "syv segmenter", med angivelse av desimaler, tillater anvisning av temperaturen i hundredeler, idet også måleenheten er vist, nemlig her °C.

Claims

Elektronisk termometer som omfatter en temperaturføler i form av en temperaturfølsom impedans, fortrinnsvis et motstandselement (1) hvis motstandsverdi varierer med temperaturen, og anordnet for å bringes i kontakt med et område hvis temperatur (Tx) skal måles, samt en målekrets med en første og en annen oscillator (2, 3) som er anordnet tett inntil hverandre og er helt identisk utført bortsett fra at den temperaturfølsomme impedans inngår som frekvensbestemmende element i den første oscillator (2), mens en tilsvarende, ikke temperaturfølsom impedans inngår som tilsvarende element i den annen oscillator, mens telleutstyr (16) er anordnet for opptelling av den første oscillators frekvens (fx),

karakterisert ved at nevnte telleutstyr (16) er anordnet for å styres slik av et styresignal (73) som frembringes av digitale styrekretser (18, 70) i avhengighet av den annen oscillators frekvens (fr), at telleutstyret bringes til å avgi digital datainformasjon tilsvarende den avfølte temperatur () og i samsvar med nevnte opptelling av den første oscillators frekvens (f ).

x