DE2307296C3

DE2307296C3 - Anordnung zur Messung von Temperaturen

Info

Publication number: DE2307296C3
Application number: DE2307296A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr.-Ing. Haeusler; Roland Horn; Werner Ing.(Grad.) Kirschner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-02-14
Filing date: 1973-02-14
Publication date: 1980-02-21
Also published as: DE2307296A1; DE2307296B2; JPS49114975A; US3943434A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung von Temperaturen mit temperaturproportionaler Anzeige unter Verwendung einer zwei temperaturabhängige Widerstände enthaltenden Brükke.

Der zunehmende Einsatz von Digitalvoltmetern in der Meß- und Automatisierungstechnik, sowie die Prozeßrechner gesteuerte Meßwertfassung, erfordern zur Vermeidung lästiger Umrechnungen Geber, deren Ausgangsspannungen proportional zu der in ein elektrisches Signal umgewandelten Meßgröße sind.

In der Temperaturmessung sind neben den Thermoelementen die Widerstandsthermometer

R(t)= R₀{\+0it+ßt² + yt^y)

die verbreitesten Temperaturgeber, die üblicherweise in einer Brückenschalt.ung betrieben werden. Arbeitet die Brücke nach dem Ausschlagsverfahren, so ist die in der Brückendiagonale entstehende Spannung jedoch nicht bü. streng zur Temperatur proportional. Dieser bekannten Erscheinung (vgl. ATM J 910 14. Okt. [1968] S. 217 —220) kann bei der Verwendung von Zeigerinstrumenten durch eine nichtlineare Skala begegnet werden. Da bei Verwendung von Digitaivoltmetem diese Möglichkeit entfällt, müssen zur Linearisierung schaltungstechnische Maßnahmen ergriffen werden. Bekanntlich läßt sich beim Einsatz von Nickel-Widerstandsthermometern durch geeignete Dimensionierung der einfachen Wheatstonschen-Brücke der quadratisch von der Temperatur abhängende Term in der Brückendiagonalspannung eliminieren. Es ist auch bekannt, daß dies in dieser einfachen Form bei Einsatz der wegen besserer Reproduzierbarkeit und eines größeren zulässigen Temperaturbereichs wichtigeren Platinwiderstandsthermometer grundsätzlich nicht möglich ist

Es sind also zur Linearisierung kompliziertere Schaltungen erforderlich, wozu in der genannten Literaturstelle ohne Dimensionierungsangaben und erzielbare Ergebnisse schon Hinweise auf die Verwendung zweier Platin-Widerstandsthermometer und mehrfach Brücken gemacht wurden. Die Mehrfachbrückensystem ist durch die deutsche Auslegeschrift 11 82 873 bekannt, die sich auf eine linear anzeigende Temperaturmeßschaltung bezieht. Weiterhin ist eine Schaltanordnung zur Linearisierung der Kennlinie für Thermowiderstände mittels aktiver Schaltelemente in Gegenkopplung (deutsche Auslegeschrift 1138 251) bekannt, ;n der die Nichtlinearität der Widerstandsänderung in einer Gegenkopplungsschaltung mit Transistoren vermindert wird.

Bei einem anderen bekannten Widerstandsthermometer (deutsche Offenlegungsschrift 15 73 167) ist ein weiterer Vorschlag zur Linearisierung durch geeignetes Zusammenschalten von Widerständen mit entgegengesetztem Vorzeichen des quadratisch von der Temperatur abhängigen Widerstandstermes gemacht worden. Dieser Vorschlag ist für die Brückenschaltung ungeeignet, da selbst ein linear von der Temperatur abhängender Widerstand zu einer nichttemperaturproportionalen Brückenspannung führt. Die für diese vorgeschlagene Linearisierung notwendige Kombination verschiedener Materialien grenzt bei Verwendung genormter Widerstände Materialien grenzt bei Verwendung genormter Widerstände die Kombination auf den für Nickel zulässigen Temperaturbereich ein. Die Kombination beschränkt sich ferner in Ermangelung weiterer Parameter grundsätzlich aul die Eliminierung des quadratisch von der Temperatur abhängenden Terms. Dieser Beschränkung ist auch der in der Zeitschrift »Electronic-Journal« Juni (1970) Heft 6, S. 48-51 beschriebene Temperatur-Meßwertverstärker unterworfen, bei dem eine zum Widerstandszuwachs proportionale Spannung in einem Multiplikator quadriert und mit einem geeigneten Faktor versehen der Spannung wieder hinzugefügt wird, da in der Ausgangsspannung der kubisch von der Temperatur abhängende Term grundsätzlich nicht eliminiert werden kann, wenn der quadratische verschwinden soll.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Temperaturmeßanordnung der genannten Art anzugeben, bei welcher ohne Zuhilfenahme aufwendiger Multipliziereinheiten eine geeignet dimensionierte Brücke zur Temperaturmessung eingesetzt werden kann, in deren Diagonalspannung sowohl der quadratische als auch der kubisch von der Temperatur abhängende Term verschwinden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste BrUckenzweig aus einer Parallelschaltung zweier Serienschaltungen aus je einem konstanten Widerstand und je einem temperaturabhängigen

Widerstand und der zweite Bruckenzweig aus einer Serienschaltung zweier konstanter Widerstände besteht, daß ferner in den ersten Brückenzweig ein konstanter Strom eingeprägt ist, derart, daß die Stromzuführung zwischen den beiden konstanten Widerständen und die Stromabführung zwischen den beiden temperaturabhängigen Widerständen liegt, daß am zweiten Bruckenzweig eine Spannung eingeprägt ist, die der im ersten Brückenzweig entstehenden Spannung entspricht, wöbe! ein Anschlußpunkt des zweiten Brückenzweiges gleiches Potential führt wie die Stromabführung des ersten Brückenzweiges und daß der Ausgang für die temperaturproportionale Spannung zwischen die beiden konstanten Widerstände des zweiten Brückenzweiges und zwischen einen konstanten und einen temperaturabhängigen Widerstand des ersten Brückenzweiges gelegt ist.

Vorteilhafterweise sind die beiden Bnickenzweige über einen nicht invertierenden Verstärker miteinander verbunden und die temperaturabhängigen Widerstände gleich.

An Hand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert

Die Figur zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. In den einen Brückenzweig, der aus einer Parallelschaltung zweier Serienschaltungen aus je einem konstanten Widerstand R₃ bzw. R₅ und je einem temperaturabhängigen Widerstand ftt bzw. Re besteht, wird der Strom i'o eingeprägt. Dabei entsteht, bezogen auf den Schaltungsnullpunkt B an A der Spannungsabfall

renden Verstärkers V dem zweiten, aas den konstanten Widerständen R\ und R₂ bestehenden Bruckenzweig zugeführt. Im Gegensatz zu einfachen Wheatstoneschen-Brücken und zum in (ATM ] 910 14. OkL [1968] S. 217 —220) angegebenen Vorschlag, einen zweiten Platinwiderstand in der Brückendiagonale anzuordnen, strebt bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit dem durch den Verstärker Ventkoppelten Brückenzweigen die zwischen den Punkten C und D entstehende Brückendiagonalspannung Ua bei wachsenden Äjft/und R_b(t)_: d.h. bei wachsender Temperatur U keinen endlichen Grenzwert, sondern nur einer zu R₅ proportionalen Größe zu. Damit bleibt einmal das für die bisherigen Brückenschaltungen so typische Zurückbleiben der Brückendiagonalspannung hinter der Temperatur aus, zum anderen stehen mit den Verhältnissen R₂/R\ bzw. R₃ZRtO und R₃/R₆₀ zwei Variable zur Verfügung, die sich zur Eliminierung des quadratisch und des kubisch von der Temperatur abhängenden Terms in der Brückendiagonalspannung heranziehen lassen. So lassen sich unter Verwendung zweier gleicher Platinwiderstände

25 R₄= R₆ = A₅₀(I ₊oct+ßt²+yt³)
mit den genormten Koeffizienten

30

α = 3,9 · 10-³/°C,J? = -0,6 · 10-⁶/(°C)²

γ = 4,35 - 10-'0/(⁰C)³

U_n =

(R₃ + R₄) (R₅ + R₆)

bei den Widerstandsverhältnissen

R₃ + R* + R₅+ R₆ ° ·

R₅ZR₆O = 5,82 und R₁ZR₂ = R₃ZR₄₀ = 10,863

Diese Spannung wird, ohne daß dieser Brückenzweig
strommäßig belastet wird, mittels des nicht invertie- folgende Ergebnisse erzielen:

1,3341

-1,3469

Bei einer idealen Meßanordnung wäre das Verhältnis 55 bis +200⁰C Temperaturen mit einer Linearität <±l%o

U η von -200 bis +500⁰C mit einer Linearität von < ± 1 %

—ΤΓ^~ und im gesamten für iPlailinwiderstände genormten

Bereich von -200 bis +800⁰C mit einer Linearität eine Konstante. Nach der Tabelle lassen sich mit der < 1,65% messen,
erfindungsgemäßen Anordnung im Bereich von —200 60

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung von Temperaturen mit temperaturproportionaler Anzeige unter Vervvendung einer zwei temperaturabhängige Widerstände enthaltenden Brücke, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Brückenzweig aus einer Parallelschaltung zweier Serienschaltungen aus je einem konstanten Widerstand (R^, Rs) und je einem temperaturabhängigen Widerstand (Ra, Re) und der zweite Srückenzweig aus einer Serienschaltung zweier konstanter Widerstände (R_u Ri) besteht, daß ferner in den erste Brückenzweig ein konstanter Strom (io) eingeprägt ist, derart, daß die Stromzuführung zwischen den beiden konstanten Widerständen (Ri, Rs) und die Stromabführung zwischen den beiden temperaturabhängigen Widerständen (R_A, Rb) liegt, daß am zweiten Brückenzweig eine Spannung (Uo) eingeprägt ist, die der im ersten Brückenzweig entstehenden Spannung entspricht, wobei ein Anschlußpunkt des zweiten Brückenzweiges gleiches Potential führt wie die Stromabführung des ersten Brückenzweiges und daß der Ausgang (CD) für die temperaturproportionale Spannung (Ua) zwischen die beiden konstanten Widerstände (Ru R2) des zweiten Brückenzweiges und zwischen einen konstanten (Ri) und einen temperaturabhängigen Widerstand (R*) des ersten Brückenzweiges gelegt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Brückenzweige über einen nicht invertierenden Verstärker (V) miteinander verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Widerstände (Ra, Rb) gleich sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Widerstände (Ra, Rb) in an sich bekannter Weise in einem Bauelement mit vier Anschlüssen untergebracht sind.