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DE3714165C2 - - Google Patents

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Publication number
DE3714165C2
DE3714165C2 DE19873714165 DE3714165A DE3714165C2 DE 3714165 C2 DE3714165 C2 DE 3714165C2 DE 19873714165 DE19873714165 DE 19873714165 DE 3714165 A DE3714165 A DE 3714165A DE 3714165 C2 DE3714165 C2 DE 3714165C2
Authority
DE
Germany
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input
switch
comparator
resistor
positive
Prior art date
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Expired
Application number
DE19873714165
Other languages
English (en)
Other versions
DE3714165A1 (de
Inventor
Manfred 2000 Wedel De Swars
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Original Assignee
Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Elektronen Synchrotron DESY filed Critical Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority to DE19873714165 priority Critical patent/DE3714165A1/de
Publication of DE3714165A1 publication Critical patent/DE3714165A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE3714165C2 publication Critical patent/DE3714165C2/de
Granted legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • G01K7/24Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor in a specially-adapted circuit, e.g. bridge circuit
    • G01K7/245Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor in a specially-adapted circuit, e.g. bridge circuit in an oscillator circuit

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmeßschaltung, insbesondere für einen einzigen Bereich von annähernd 0°K bis 300°K, die einen Meßwiderstand aufweist, der abwechselnd von einer positiven und einer negativen Versorgungsspannung versorgt wird.
Es sind Temperaturmeßschaltungen bekannt, ohne daß hier eine bestimmte druckschriftliche Veröffentlichung angegeben werden kann. Ihr Meßwiderstand hat beispielsweise eine negative Temperaturkennlinie, d. h. mit zunehmender Temperatur nimmt der Widerstand ab, während er mit fallender Temperatur zunimmt. Wenn nun an die Meßschaltung ein konstanter Strom gelegt wird, dann steigt bei zunehmendem Widerstand die in dem Meßwiderstand verbrauchte Leistung und der Widerstand wird immer stärker erwärmt. Dies ist insbesondere bei sehr tiefen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts von größtem Nachteil, denn der Meßwiderstand erwärmt dabei das zu messende Medium, wodurch im ungünstigsten Fall sogar dessen Aggregatzustand geändert werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Temperaturmeßschaltung zu schaffen, die mit einem einzigen Meßbereich von annähernd 0°K bis 300°K arbeitet und bei der die Temperaturanzeigen in digitalisierter Form erhältlich sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient die Temperaturmeßschaltung der eingangs genannten Art, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Ende des Meßwiderstands über einen Spannungsteiler und einen ersten Umschalter an die positive bzw. negative Versorgungsspannung angeschlossen ist; daß das andere Ende des Meßwiderstandes an einen Eingang eines Komparators angeschlossen ist, dessen anderer Eingang auf Masse liegt; daß der Ausgang des Komparators mit dem Eingang eines Flip-Flops verbunden ist; daß ein Ausgang des Flip-Flops einen zweiten Umschalter steuert, der abwechselnd die positive und negative Versorgungsspannung über einen Widerstand an den mit dem Meßwiderstand verbundenen Eingang des Komparators legt; daß der Ausgang des Flip-Flops außerdem an einen Eingang eines EXKLUSIV ODER Glieds gelegt ist; daß an den anderen Eingang des EXKLUSIV ODER Glieds über den ersten Umschalter abwechselnd die positive bzw. negative Versorgungsspannung gelegt wird; daß der Ausgang des EXKLUSIV ODER Glieds am Eingang eines UND Glieds liegt, dessen anderer Eingang von den Taktimpulsen eines Taktgenerators beaufschlagt wird; daß die Taktimpulse außerdem an den Takteingang des Flip-Flops sowie an den Zähleingang eines ersten Zählers gelegt werden, dessen Ausgang den ersten Umschalter ansteuert; daß der Ausgang des UND Glieds an einen zweiten Zähler gelegt ist; und daß der Meßwiderstand eine negative Temperaturkennlinie besitzt.
Dadurch wird erreicht, daß in der Nähe des absoluten Nullpunkts nur eine geringe Erwärmung des Meßwiderstandes erfolgt, denn in diesem Temperaturbereich nimmt der Widerstand zu. Bei konstanter Meßspannung nimmt dadurch der durch den Meßwiderstand fließende Strom ab, so daß nur eine geringe Erwärmung des Meßwiderstandes erfolgt, die die Empfindlichkeit der Meßschaltung nicht beeinträchtigt.
Zur Kompensation von Offsetspannungen ist der Meßwiderstand vorzugsweise mit vier Anschlüssen versehen und mit einem Impedanzwandler beschaltet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert, es zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 Kurven zur Erläuterung der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine erste Temperaturmeßschaltung, die insbesondere für sehr tiefe Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts geeignet und bis zu Zimmertemperatur einsetzbar ist. Dadurch ist ein durchgehender Meßbereich von etwa 4°K bis 300°K bei befriedigender digitaler Auflösung erreichbar. Die Temperaturmessung erfolgte dabei mit Hilfe einer Widerstandsmessung, wobei der Meßstrom bei konstanter positiver bzw. negativer Meßspannung direkt digitalisiert wird. Als Meßwiderstand 1 wird ein Kohlesensor eingesetzt. Dieser hat eine negative Widerstandskennlinie, d. h. ihr Widerstand steigt bei abnehmender Temperatur an. Der Meßwiderstand 1 wird üblicherweise in das zu messende Medium gelegt. Bei einer Tieftemperaturmessung wird er beispielsweise in flüssigem Stickstoff, Sauerstoff oder Helium untergebracht, während alle anderen Teile der Schaltung außerhalb des Tieftemperaturmediums liegen.
Der Meßwiderstand 1 ist mit einem Ende an den Ausgang eines Operationsverstärkers 13 angeschlossen, der als Spannungsfolger einen Verstärkungsfaktor von V = 1 hat und den Meßwiderstand 1 von der Versorgungsspannung +U bzw. -U trennt. Der Eingang des Verstärkers 13 ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers 2 verbunden. Der Spannungsteiler 2 ist mit einem Ende an Masse M gelegt und mit dem anderen Ende an einen ersten Umschalter 3 angeschlossen. Der Schaltkontakt des Umschalters 3 schaltet zwischen zwei Klemmen 14 und 15 um, von denen die erste Klemme 14 mit der positiven Versorgungsspannung +U und die zweite Klemme 15 mit der negativen Versorgungsspannung -U beaufschlagt wird. Je nach Stellung des Schaltkontakts wird demnach die positive Versorgungsspannung +U oder die negative Versorgungsspannung -U an den Spannungsteiler 2 gelegt. In Abhängigkeit vom Abgriff des Spannungsteilers 2 wird dann ein Bruchteil ε der Versorgungsspannung an den Eingang des Verstärkers 13 gelegt, also +ε U oder -ε U. Der Operationsverstärker 13 liefert in einer ersten Meßphase eine positive und in einer zweiten Meßphase eine negative Gleichspannung an den Meßwiderstand 1, und zwar beispielsweise in einer Größenordnung von ±10 mV. Diese positiven und negativen Spannungen sollen dazu dienen, Polarisationsfehler auszuschalten, die durch Kontaktspannungen und Offsetspannungen des Verstärkers 13 und eines Komparators 4 entstehen. Die Umschaltperiode beträgt in einer Ausführungsform 3 Sekunden, so daß jeweils 1,5 Sekunden lang eine positive bzw. negative Gleichspannung an den Meßwiderstand 1 gelegt wird. Es erübrigt sich dadurch ein Offsetabgleich der Verstärker.
Der andere Anschluß des Meßwiderstandes 1 ist mit einem Eingang des Komparators 4 verbunden, und zwar mit dessen positivem Eingang. Der negative Eingang des Komparators 4 liegt an Masse M. Der Ausgang des Komparators 4 ist an den D-Eingang eines Flip-Flops 5 gelegt, der Taktimpulse von einem angedeuteten Taktimpulsgenerator 20 über die Klemme T aufnimmt. Der -Ausgang des Flip-Flops 5 betätigt einen zweiten Umschalter 6, genauer gesagt dessen Schaltkontakt 16, der zwischen einer ersten Klemme 17 und einer zweiten Klemme 18 umschaltet. Das andere Ende des Schaltkontakts 16 ist über einen Widerstand 7 mit dem Meßwiderstand 1 bzw. dem positiven Eingang des Komparators 4 verbunden. Zwischen dem positiven Eingang des Komparators 4 und Masse M liegt außerdem ein Kondensator 12, der zusammen mit dem Widerstand 7 ein RC-Glied bildet.
Die von dem Taktimpulsgenerator 20 erzeugten Taktimpulse T werden nicht nur an den T-Eingang des Flip-Flops 5 gelegt, sondern auch an den Eingang eines Zählers 10, der nach einer vorgegebenen Anzahl von Impulsen zurückgesetzt wird. Sein Ausgang steuert in der zuvor erwähnten Weise den Schaltkontakt des ersten Umschalters 3.
Der -Ausgang des Flip-Flops 5 ist außerdem an einen Eingang eines EXKLUSIV ODER Glieds 8 angeschlossen, dessen anderer Eingang mit dem Schaltkontakt des ersten Umschalters 3 verbunden ist. Dadurch wird das EXKLUSIV ODER Glied 8 stets mit Spannung beaufschlagt, deren Polarität jedoch wechselt. Der Ausgang des EXKLUSIV ODER Glieds 8 liegt an einem Eingang eines UND Glieds 9, an dessen anderem Eingang die Taktimpulse vom Taktimpulsgenerator 20 erscheinen. Der Ausgang des UND Glieds 9 ist mit einem Eingang eines Anzeigezählers 11 verbunden, dem gegebenenfalls ein nicht dargestellter Mikroprozessor und eine Temperaturanzeige nachgeschaltet sind.
Fig. 2 zeigt eine ähnliche Schaltung wie Fig. 1, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist der Meßwiderstand 1 in Vierdrahtmethode zur Kompensation von Offsetspannungen angeschlossen. In diesem Fall ist der Verstärker 13 als Differenzverstärker geschaltet, dessen positiver Eingang mit dem Spannungsteiler 2 und dessen negativer Eingang mit einem der vier Anschlußpunkte des Meßwiderstandes 1 verbunden ist. Ein weiterer Anschluß 21 ist mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 13 verbunden. An seinem gegenüberliegenden Ende weist der Meßwiderstand 1 ebenfalls zwei Anschlüsse 23 und 24 auf, von denen einer, nämlich der Anschluß 23 wiederum mit dem positiven Eingang des Komparators 4 verbunden ist, während sein vierter Anschluß 24 einerseits an einen Impedanzwandler 25 und andererseits an den Widerstand 7 sowie an eine Seite des Kondensators 12 anschließt. Der Impedanzwandler 25 dient dazu, einen Stromgenerator herzustellen, der einen negativen Widerstand -R liefert. Dies ist deswegen erforderlich, weil die Spannung am rechten Ende des Meßwiderstandes 1, also an der Seite des Differenzverstärkers 13 im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 1 von 0 verschieden ist.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Fig. 1 jedoch mit Offsetspannungskompensation, wobei wiederum gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In dieser Ausführungsform ist der Abgriff des Spannungsteilers 2 mit dem negativen Eingang des Komparators 4 verbunden, während der positive Eingang des Komparators 4 an den Ausgang des Differenzverstärkers 13 angeschlossen ist. Die vier Anschlüsse 21-24 des Meßwiderstandes 1 sind folgendermaßen angeschlossen: Der erste Anschluß 21 an Masse M; der zweite Anschluß 22 an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 13; der dritte Anschluß 23 an den positiven Eingang des Differenzverstärkers 13; und der vierte Anschluß 24 an den Impedanzwandler 25 sowie an den Widerstand 7 und den Kondensator 12. Diese Art des Anschließens des Meßwiderstandes 1 wird als Vierdrahtmethode bezeichnet; sie dient zur Eliminierung von Zuleitungswiderständen.
Die Temperaturmeßschaltung arbeitet folgendermaßen:
Es gibt zwei gleichlange Meßphasen, welche beispielsweise 10 000 Taktzeiten lang sind. Die gezeichneten Stellungen der elektronischen Umschalter 3 und 6 beziehen sich auf die erste Phase mit der Meßspannung +ε · U am rechten Ende von R x . Die Spannung am Komparatoreingang sei leicht positiv. Der Strom ε U/R x fließt durch R x . R ist so niederohmig, daß der nach -U durch den Umschaltkontakt 16 fließende Strom größer ist und die Spannung am Kondensator 12 ins Negative treibt. Daraufhin liefert der Komparator 4 spätestens nach einigen Taktzeiten den logischen Nullpegel an den D-Eingang des Flip-Flops 5. Das Umschalten von in den logischen Einspegel und damit verbunden das Umschalten von R nach +U erfolgt nicht sofort, sondern erst beim Eintreffen eines Taktimpulses an T. Auf diese Weise ist der Anzeigezähler 11 mit den Meßimpulsen gekoppelt. Nach dem Umschalten von R nach +U wirken beide Ströme gleichsinnig auf den Kondensator, so daß das Umladen des Kondensators in positive schneller als in die negative Richtung erfolgt. Beim nächsten Taktimpuls legt daher über der Umschalter 6 R wieder an -U und in der überwiegenden Zeit befindet sich der Umschalter 6 in der gezeichneten Stellung. Durch dieses Wechselspiel pendelt die Spannung am Kondensator 12 ständig um den Nullpunkt. In der gezeichneten Zählstellung liegen an den Eingängen des EXKLUSIV ODER Glieds links 0 und rechts +, dessen Ausgang ist dann positiv und das UND Glied gibt die Taktfrequenz auf den Anzeigezähler 11. Nach 10 000 Taktzeiten springt der rechte Umschalter 3 für weitere 10 000 Takte auf -U (2. Meßphase). Dann liegt am rechten Eingang des EXKLUSIV ODER Glieds Nullpotential und für die Freigabe des Anzeigezählers 11 muß nunmehr positiv sein, d. h. beide Umschalter 3 und 5 liegen dann überwiegend in der nicht gezeichneten Stellung. Man hat also in der 2. Meßphase die gleichen Zählbedingungen, nur die Polaritäten im Regelkreis sind umgekehrt. Zur Bestimmung einer Konversionsformel genügt es daher, nur die erste in Fig. 1 dargestellte Meßphase zu betrachten. In den Kondensator fließen der Strom ε U/R x in 10 000 Taktzeiten, der Strom in n gezählten Taktzeiten und in den restlichen (10 000-n) Takten der Strom . Da die mittlere in den Kondensator fließende Ladung (i. Taktzeiten) Null sein muß, gilt die Beziehung
Die Spannung hebt sich heraus und die Messung ist nur von Widerstandsverhältnissen abhängig (hohe Genauigkeit). Wird die Gleichung nach R x aufgelöst, dann gilt:
n ist darin die Anzahl der Zählimpulse in einer Phase. Die im Nenner auftretende Differenz wird bei der praktischen Ausführung dadurch vermieden, daß der Anzeigezähler 11 die halbe Kapazität des Taktzählers 10 besitzt. Bekanntlich gibt für Digitalzähler:
Zählerstand = Eingangstaktsignal modulo Zählkapazität.
In dem Beispiel besitzt dann der Anzeigezähler 4 Dekaden. Da R x immer positiv ist, muß 2n größer als 10 000 sein. Der Zähler läuft dann bei jeder Messung einmal über. Dadurch wird der Wert 10 000 im Nenner unterdrückt. Da der Zählerstand nach Meßphasen ausgewertet wird und 2n im Nenner steht, ist der Zählerstand mit dem Wert im Nenner identisch. Es gilt somit
N = Stand des Anzeigezählers am Ende der 2. Meßphase.
Dadurch, daß N im Nenner steht, liegt die praktische Obergrenze des Meßbereichs bei sehr hohen Widerstandswerten. Es ergibt sich dadurch eine besonders gute Anpassung der Digitalisierungskennlinie an die Temperaturkennlinie von Meßwiderständen mit negativer Charakteristik (Kohle). Auf diese Weise ist es möglich, mit einem einzigen Meßbereich den Temperaturbereich von einigen Grad Kelvin bis über die Zimmertemperatur hinaus abzudecken.
Die Verhältnisse sind in Fig. 4 für R x = 2 · ε · R anhand eines Zähldiagramms dargestellt. Darin wird auch die Wirkungsweise der Offsetkompensation gezeigt. Das Diagramm für eine Überlagerung der Meßspannung mit einer Offsetspannung vom gleichen Betrag ist gestrichelt dargestellt. Es werden dann in der ersten Phase R x = ∞ und in der zweiten Phase R x = ε · R vorgetäuscht. Die Offsetkompensation wirkt auch auf die internen Offsetspannungen der Verstärker und Komparatoren, so daß sich Abgleichelemente dafür erübrigen.

Claims (7)

1. Temperaturmeßschaltung, insbesondere für einen einzigen Bereich von annähernd 0°K bis 300°K, mit einem Meßwiderstand, der abwechselnd mit einer positiven und einer negativen Versorgungsspannung versorgt wird, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein Ende des Meßwiderstandes (1) über einen Spannungsteiler (2) und einen ersten Umschalter (3) an die positive bzw. negative Versorgungsspannung angeschlossen ist;
  • - daß das andere Ende des Meßwiderstandes (1) an einen Eingang eines Komparators (4) angeschlossen ist, dessen anderer Eingang auf Masse (M) liegt;
  • - daß der Ausgang des Komparators (4) mit dem Eingang eines Flip-Flops (5) verbunden ist;
  • - daß ein Ausgang des Flip-Flops (5) einen zweiten Umschalter (6) steuert, der abwechselnd die positive und negative Versorgungsspannung über einen Widerstand (7) an den mit dem Meßwiderstand (1) verbundenen Eingang (+) des Komparators (4) legt;
  • - daß der Ausgang des Flip-Flops (5) außerdem an einen Eingang eines EXKLUSIV ODER Glieds (8) gelegt ist;
  • - daß an den anderen Eingang des EXKLUSIV ODER Glieds (8) über den ersten Umschalter (3) abwechselnd die positive bzw. negative Versorgungsspannung gelegt wird;
  • - daß der Ausgang des EXKLUSIV ODER Glieds (8) am Eingang eines UND Glieds (9) liegt, dessen anderer Eingang von den Taktimpulsen eines Taktgenerator (20) beaufschlagt wird;
  • - daß die Taktimpulse außerdem an den Takteingang des Flip-Flops (5) sowie an den Zähleingang eines ersten Zählers (10) gelegt werden, dessen Ausgang den ersten Umschalter (3) ansteuert;
  • - daß der Ausgang des UND Glieds (9) an einen zweiten Zähler (11) gelegt ist; und
  • - daß der Meßwiderstand (1) eine negative Temperaturkennlinie besitzt.
2. Temperaturmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßwiderstand (1) ein Operationsverstärker (13) vorgeschaltet ist.
3. Temperaturmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Umschalter (6) ein elektronischer Schalter ist.
4. Temperaturmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zähler (10) nach einer vorgegebenen Taktzahl den ersten Umschalter (3) betätigt.
5. Temperaturmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Eingang des Komparators (4) außerdem über einen Kondensator (12) an Masse (M) gelegt ist.
6. Temperaturmeßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (1) vier Anschlüsse (21-24) aufweist, von denen zwei (21, 22) mit dem Verstärker (13) verbunden sind, während ein dritter Anschluß (23) am Komparator (4) liegt und daß an den vierten Anschluß (24) ein Impedanzwandler (25) sowie der Widerstand (7) mit dem zweiten Umschalter (6) angeschlossen ist.
7. Temperaturmeßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (1) vier Anschlüsse (21-24) aufweist, von denen der zweite und der dritte (22, 23) an gegenüberliegenden Enden des Meßwiderstands (1) angeordnete Anschluß mit den Eingängen des Verstärkers (13) verbunden ist, dessen Ausgang am positiven Eingang des Komparators (4) liegt, während der negative Eingang des Komparators (4) mit dem Abgriff des Spannungsteilers (2) verbunden ist, und daß der erste Anschluß (21) des Meßwiderstands (1) an Masse (M) und der vierte Anschluß (24) an einem Impedanzwandler (25) sowie über den Widerstand (7) am zweiten Umschalter (6) liegt.
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