DE3912658C2 - Method and arrangement for temperature measurement - Google Patents
Method and arrangement for temperature measurementInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Temperatur messung mit mindestens einem Temperaturfühler, der wenigstens einen Schwingquarz enthält, dessen Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur veränderlich ist und dessen Anzahl von Schwingungen in einer bestimmten Zeit gemessen wird, um hieraus die Temperatur zu berechnen, wobei ein Signal erzeugt wird, das in Abhängigkeit der Anzahl der Schwingungen moduliert und zu einer entfernten Auswertestelle übertragen wird, und auch eine Anordnung zur Durchführung des Ver fahrens.The invention relates to a method for temperature measurement with at least one temperature sensor, the at least contains a quartz crystal, the frequency of which depends of the temperature is variable and its number of Vibrations measured in a given time from this calculate the temperature, generating a signal will, depending on the number of vibrations modulated and transmitted to a remote evaluation point is, and also an arrangement for performing the Ver driving.
Es ist bereits eine Anordnung zur Fernmessung des Wärme verbrauchs an einer Mehrzahl von Verbrauchsstellen bekannt (DE 31 28 706 C2). Bei dieser Anordnung sind Temperaturfühler vorgesehen, die jeweils Schwingquarze enthalten, deren Schwingungen entweder direkt oder nach einer Frequenzunter setzung in einer vorgegebenen Reihenfolge einer gemeinsamen Signalleitung aufgeschaltet werden. Der Meßzyklus wird von einem Startimpuls einer an die gemeinsame Signalleitung angeschlossenen Auswerteeinheit ausgelöst. In den Temperatur fühlern sind Schwingquarze angeordnet, deren Frequenz sich pro Temperaturgrad nur wenig ändert (ca. 50 ppm/K). It is already an arrangement for remote heat measurement known at a plurality of consumption points (DE 31 28 706 C2). In this arrangement there are temperature sensors provided, each containing quartz crystals, the Vibrations either directly or after a frequency sub setting in a given order of a common Signal line be switched on. The measuring cycle is from a start pulse to the common signal line connected evaluation unit triggered. In the temperature Quartz crystals are arranged, the frequency of which is per The temperature level changes only slightly (approx. 50 ppm / K).
Bei dem aus der DE 33 18 538 A1 bekannten gattungsgemäßen Verfahren wird die Anzahl der Perioden der Schwingungsfrequenzen einer ersten Oszillatorschaltung während seiner Tastzeit gezählt und das gezählte Ergebnis decodiert und angezeigt. Ein Zähler zählt die Schwingungsfrequenz eines zweiten Oszillators unter Verwen dung dieses Tastimpulssignales.In the generic method known from DE 33 18 538 A1, the Number of periods of the oscillation frequencies of a first oscillator circuit counted during its scanning time and the counted result is decoded and displayed. A counter counts the oscillation frequency of a second oscillator using extension of this pulse signal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebe nen Gattung dahingehend weiterzuentwickeln, daß durch Vorverarbeitung der innerhalb einer bestimmten Zeit anfallenden Schwingungen des Schwingquarzes Signale erzeugt werden, die weniger störanfällig sind und sich ohne Verlust der Meßinformation über weitere Strecken übertragen lassen.The invention has for its object a method of the description NEN genus to further develop that by preprocessing the Vibrations of the quartz crystal occurring within a certain time Signals are generated that are less susceptible to interference and are without loss of Have measurement information transmitted over further distances.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anzahl der während der bestimmten Zeit auftretenden Schwingungen von einem vorgegebenen Wert subtra hiert wird und daß danach ein der Differenz entsprechendes Signal erzeugt und zur Auswertestelle übertragen wird. Die Differenz zwischen dem vorgegebenen Wert und der Anzahl der Schwingungen in der Meßzeit ist ein direkt gespreiztes Maß für die Temperatur. Durch Subtraktion eines dem übertragenen Signal entsprechenden Werts vom vorgegebenen Wert wird in der Auswertestelle der Meßwert zurückge wonnen. Anhand der Kennlinie der Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit läßt sich die Temperatur des Schwingquarzes bestimmen.The object is achieved in that the number of during vibrations occurring at a specified time from a predetermined value Hiert and that then a signal corresponding to the difference is generated and Evaluation point is transferred. The difference between the given value and the number of vibrations in the measuring time is a directly spread measure for the temperature. By subtracting one corresponding to the transmitted signal The measured value is returned at the evaluation point won. On the basis of the characteristic curve of frequency as a function of time determine the temperature of the quartz crystal.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein voreingestellter Wert einer Abwärts- Zählereinheit mit der Frequenz der Schwingungen eines den Schwingquarz enthal tenden Oszillators in der bestimmten Zeit heruntergezählt, wobei der Zählerinhalt danach mit einer anderen Frequenz unter Erzeugung des Signals auf Null herunter gezählt wird.In a preferred embodiment, a preset value of a downward Counter unit with the frequency of the vibrations containing the quartz crystal tendency oscillator counted down in the specified time, the counter content then down to zero at a different frequency to generate the signal is counted.
Eine andere günstige Möglichkeit besteht darin, in einer, den voreingestellten Wert enthaltenden Aufwärts-Zählereinheit Zählimpulse mit der Frequenz der Schwingun gen eines den Schwingquarz enthaltenden Oszillators in einer bestimmten Zeit aufzusummieren und danach mit einer anderen Frequenz unter Erzeugung des Signals die Aufwärts-Zählereinheit bis auf den voreingestellten Wert hochzuzählen.Another cheap option is to set the default value containing up counter unit counts with the frequency of the oscillation against an oscillator containing the quartz crystal in a certain time to sum up and then with a different frequency to produce the Signals the up counter unit up to the preset value.
Günstig ist es, wenn die andere Frequenz von einem Oszillator abgeleitet wird, der einen Schwingquarz aufweist, dessen Frequenz weitgehend temperaturunempfind lich ist. Bei dieser Anordnung kann die Modulation mit Hilfe eines temperaturunab hängigen Taktes erzeugt werden.It is advantageous if the other frequency is derived from an oscillator that has a quartz crystal, the frequency of which is largely insensitive to temperature is. With this arrangement, the modulation can be carried out using a temperature-independent dependent clock are generated.
Eine Anordnung für die Temperaturmessung mit mindestens einem Temperaturfüh ler, der wenigstens einen Schwingquarz enthält, dessen Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur veränderlich ist und dessen Anzahl von Schwingungen in einer bestimmten Zeit gemessen wird, um hieraus die Temperatur zu berechnen, wobei ein Signal erzeugt wird, das in Abhängigkeit von der Anzahl der Schwingungen moduliert und zu einer entfernten Auswertestelle übertragen wird, ist zur Durchfüh rung des im Anspruch 1 beschriebenen Verfahrens erfindungsgemäß derart ausge bildet, daß ein im Temperaturfühler mit dem Schwingquarz verbundener Oszillator mit einer, einen voreingestellten Wert enthaltenden Zählereinheit verbunden ist, deren Freigabeeingang für die Schwingungen des Oszillators von einer Trigger- und Modulationsschaltung steuerbar ist, die über eine Zweidrahtleitung für die Versor gung mit Betriebsspannung und für die Signalübertragung an eine Steuer- und Auswerteschaltung angeschlossen ist, die durch der Betriebsspannung überlagerte Steuersignale bestimmter zeitlicher Folge und Höhe einen Zeitgeber im Tempera turfühler anstößt und über die Trigger- und Modulationsschaltung den Zähleingang der Zählereinheit für die bestimmte Zeit für die Schwingungen des Oszillators freigibt, wobei die Differenz zwischen dem voreingestellten Wert und dem Zählerin halt nach dem Ende des jeweiligen Steuersignals von der Trigger- und Modulations schaltung während einer vom Zeitgeber erzeugten Zeitspanne in das modulierte Signal umgesetzt wird, das die Zweidrahtleitung beaufschlagt. Die Differenz des vorgegebenen Werts und der Anzahl von Schwingungen wird nach dem Ende der Meßzeit aus der Zählereinheit ausgelesen. Es sind nur zwei Leitungen für die Übertragung nötig. Die Signale für die Meßwertübertragung werden der Betriebs spannung überlagert.An arrangement for temperature measurement with at least one temperature sensor ler that contains at least one quartz crystal, the frequency of which depends is variable by temperature and its number of vibrations in one a certain time is measured in order to calculate the temperature, a signal is generated depending on the number of vibrations modulated and transmitted to a remote evaluation point is to be carried out tion of the method described in claim 1 according to the invention forms an oscillator connected to the quartz crystal in the temperature sensor is connected to a counter unit containing a preset value, their release input for the oscillations of the oscillator from a trigger and Modulation circuit is controllable via a two-wire line for the supplier supply with operating voltage and for signal transmission to a control and Evaluation circuit is connected, which is superimposed by the operating voltage Control signals of certain chronological order and amount a timer in tempera door sensor and the counter input via the trigger and modulation circuit the counter unit for the specific time for the oscillations of the oscillator releases, the difference between the preset value and the counter stops after the end of the respective control signal from the trigger and modulation switching into the modulated during a period of time generated by the timer Signal is implemented that acts on the two-wire line. The difference of the predetermined value and the number of vibrations is after the end of the Measurement time read out from the counter unit. There are only two lines for that Transfer needed. The signals for the measured value transmission become operational voltage superimposed.
Die Zählereinheit kann insbesondere eine von dem voreingestellten Wert ausgehen de Abwärts-Zählereinheit sein. In dieser steht die Differenz des vorgegebenen Werts sofort nach dem Ende der Meßzeit zur Verfügung.The counter unit can in particular start from the preset value de down counter unit. This is the difference between the specified value immediately after the end of the measurement period.
Es ist auch möglich, daß die Zählereinheit eine den voreingestellten Wert enthalten de und bis zu diesem Wert zählende Aufwärts-Zählereinheit ist.It is also possible for the counter unit to contain a preset value de and up counting unit counting up to this value.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Temperaturfühler je über eine Zweidrahtleitung mit einem seriellen Bus verbunden, an den die Steuer- und Aus werteschaltung angeschlossen ist, wobei die Zeitgeber der Temperaturfühler auf unterschiedliche Sendefreigabezeiten, die sich nicht überlappen, eingestellt sind. Bei dieser Ausführungsform kann eine Vielzahl von Temperaturfühlern mit einer einzigen Auswerte- und Steuerschaltung verbunden sein.In a preferred embodiment, several temperature sensors are each one Two-wire line connected to a serial bus to which the control and off value circuit is connected, the timer of the temperature sensor on different transmission release times that do not overlap are set. At This embodiment can use a variety of temperature sensors with a single one Evaluation and control circuit be connected.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist die Abwärts-Zählereinheit einen ersten und einen zweiten Abwärts-Zähler auf, wobei der erste Abwärts-Zähler mit seinem Zähleingang an den Oszillator, mit seinem Freigabeeingang an die Trigger- und Modulationsschaltung und mit seinen Ausgängen an Voreinstelleingänge des zweiten Abwärts-Zählers angeschlossen ist, der mit seinem Ausgang und seinem Übernahmeeingang an die Trigger- und Modulationsschaltung und mit seinem Zähleingang über einen Frequenzuntersetzer an den Oszillator sowie mit seinem Freigabeeingang an den Zeitgeber angeschlossen ist.In an expedient embodiment, the down counter unit has one first and a second down counter, the first down counter with its counter input to the oscillator, with its enable input to the trigger and modulation circuit and with its outputs on preset inputs of the second down counter is connected, with its output and its Takeover input to the trigger and modulation circuit and with its Counting input via a frequency reducer to the oscillator and with its Enable input is connected to the timer.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Abwärts- Zählereinheit einen ersten und einen zweiten Abwärts-Zähler aufweist, daß die Zähleingänge der Abwärts-Zähler wechselweise an den Ausgang des Oszillators und an einen Ausgang eines Frequenzuntersetzers anlegbar sind und daß die Ausgänge der Abwärts-Zähler bei der Verbindung der Zählereingänge mit dem Frequenzunter setzer in Abhängigkeit von einem Freigabesignal des Zeitgebers an die Trigger- und Modulationsschaltung anlegbar sind, die die Dauer der Verbindung des jeweiligen Zähleingangs mit dem Oszillator steuert. Bei dieser Ausführungsform wird in einem Abwärts- Zähler die Differenz gebildet, während der andere Abwärts- Zähler ausgelesen wird. Hieraus ergibt sich ein kürzerer Meß- und Übertragungszyklus.In another preferred embodiment it is provided that the downward Counter unit has a first and a second down counter that the Counter inputs of the down counter alternately to the output of the oscillator and can be applied to an output of a frequency reducer and that the outputs the down counter when connecting the counter inputs to the frequency sub setters depending on an enable signal from the timer to the trigger and Modulation circuit can be applied, the duration of the Connection of the respective counter input to the oscillator controls. In this embodiment, in a downward Counter formed the difference while the other downward Meter is read out. This results in a shorter measurement and transmission cycle.
Bei einer besonders günstigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Abwärts-Zählereinheit zwei Abwärts-Zähler aufweist, deren Zähleingänge wechselweise an den Ausgang des Oszillators oder an den Ausgang eines Frequenzuntersetzers angeschlossen sind, der von einem Oszillator mit einem Schwingquarz gespeist wird, dessen Frequenz nahezu temperaturunabhängig ist, wobei die Ausgänge der Abwärts-Zähler bei der von einem Freigabe signal abhängigen Verbindung der Zähleingänge mit dem Frequenzuntersetzer jeweils an einen Ausgang zu der Zweidraht leitung anlegbar sind. Mit dieser Anordnung werden Signale erzeugt, deren Pulsbreite oder Frequenz nahezu unabhängig von der Temperatur ist. Die Anordnung eignet sich auch als "stand alone" Temperaturfühler.In a particularly favorable embodiment, that the down counter unit has two down counters, their counter inputs alternately to the output of the oscillator or connected to the output of a frequency reducer are fed by an oscillator with a quartz crystal whose frequency is almost independent of temperature, whereby the outputs of the down counter when released by a signal dependent connection of the counter inputs with the Frequency reducers each have an output to the two-wire line can be applied. With this arrangement signals generates whose pulse width or frequency is almost independent of the temperature is. The arrangement is also suitable as a "stand alone "temperature sensor.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.The invention is described below with reference to a drawing illustrated embodiments described in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zur Temperaturmessung, Fig. 1 is a diagram of an arrangement for temperature measurement,
Fig. 2 ein Zeitdiagramm von Signalen, die bei der Anordnung gemäß Fig. 1 auftreten, Fig. 2 is a timing diagram of signals which occur in the arrangement of Fig. 1,
Fig. 3 ein Zeitdiagramm von Zeitfenstern für mehrere Tempera turfühler, Fig. 3 is a time chart of time slots for a plurality of temperature turfühler,
Fig. 4 eine in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte Abwärts- Zählereinheit im einzelnen, Fig. 4 is a shown in Fig. 1 in the block diagram down counter unit in greater detail,
Fig. 5 eine andere Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Abwärts-Zählereinheit im einzelnen und Fig. 5 shows another embodiment of the down counter unit shown in Fig. 1 in detail and
Fig. 6 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform einer Anordnung zur Temperaturmessung. Fig. 6 is a circuit diagram of another embodiment of an arrangement for temperature measurement.
Eine Anordnung zur Temperaturmessung enthält in einem Temperaturfühler (1) einen Schwingquarz (10), bei dem es sich um einen Temperaturmeßquarz handelt, dessen Schwingfrequenz eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit von zum Beispiel 30 bis 100 ppm/°C aufweist. Der Schwingquarz (10) ist Teil eines Oszillators (12). Es kann eine Schwingfrequenz von etwa 4 bis 10 MHz verwendet werden.An arrangement for temperature measurement contains in a temperature sensor ( 1 ) a quartz crystal ( 10 ), which is a quartz crystal whose oscillation frequency has a pronounced temperature dependence of, for example, 30 to 100 ppm / ° C. The quartz crystal ( 10 ) is part of an oscillator ( 12 ). An oscillation frequency of approximately 4 to 10 MHz can be used.
An den Ausgang des Oszillators (12) ist der Zähleingang einer Abwärts-Zählereinheit (13) angeschlossen. Ein Ausgang des Oszillators (12) ist weiterhin mit einem Frequenzuntersetzer (14) verbunden, dessen Ausgang an einen weiteren Zähleingang der Abwärts-Zählereinheit (13) angeschlossen ist. Der Ausgang des Frequenzuntersetzers (14) ist weiterhin mit einem Eingang eines Zeitgebers (15) verbunden, dessen Ausgang an einen Freigabe eingang der Abwärts-Zählereinheit (13) angeschlossen ist. Ein weiterer Freigabeeingang der Abwärts-Zählereinheit (13) steht mit dem Ausgang einer Trigger- und Modulationsschaltung (16) in Verbindung, die ausgangsseitig auch an den Zeitgeber (15) angeschlossen ist. Ein Eingang der Trigger- und Modulations schaltung (16) ist mit einem Ausgang der Zählereinheit (13) verbunden. Die Trigger- und Modulationsschaltung (16) steht mit einer Auswerte- und Steuerschaltung (17) über eine Zweidraht leitung (18) in Verbindung, von der in Fig. 1 nur eine Leitung dargestellt ist, da die andere Leitung zum Beispiel von Masse gebildet wird. Die Auswerte- und Steuerschaltung (17) ist insbesondere entfernt von der Trigger- und Modulationsschaltung (16) angeordnet. Zwischen der Zweidrahtleitung (18) und der Auswerte- und Steuerschaltung (17) befindet sich ein serieller Bus (19), an den weitere, ebenso wie der Temperaturfühler (1) aufgebaute Temperaturfühler (2), (3), (4), (5) über Zweidraht leitungen (6), (7), (8), (9) angeschlossen sind. Der Schwing quarz (10) ist mit einem Trimmkondensator (20) verbunden.The counting input of a down counter unit ( 13 ) is connected to the output of the oscillator ( 12 ). An output of the oscillator ( 12 ) is also connected to a frequency reducer ( 14 ), the output of which is connected to a further counting input of the down counter unit ( 13 ). The output of the frequency reducer ( 14 ) is also connected to an input of a timer ( 15 ), the output of which is connected to a release input of the down counter unit ( 13 ). Another enable input of the down counter unit ( 13 ) is connected to the output of a trigger and modulation circuit ( 16 ), which is also connected to the timer ( 15 ) on the output side. An input of the trigger and modulation circuit ( 16 ) is connected to an output of the counter unit ( 13 ). The trigger and modulation circuit ( 16 ) is connected to an evaluation and control circuit ( 17 ) via a two-wire line ( 18 ), of which only one line is shown in FIG. 1, since the other line is formed, for example, by ground . The evaluation and control circuit ( 17 ) is in particular arranged at a distance from the trigger and modulation circuit ( 16 ). Between the two-wire line ( 18 ) and the evaluation and control circuit ( 17 ) there is a serial bus ( 19 ), to which further temperature sensors ( 2 ), ( 3 ), ( 4 ), (like the temperature sensor ( 1 )) are connected. 5 ) via two-wire lines ( 6 ), ( 7 ), ( 8 ), ( 9 ) are connected. The quartz crystal ( 10 ) is connected to a trimming capacitor ( 20 ).
Auf den Zweidrahtleitungen (6), (7), (8), (9), (18) werden jeweils Betriebsspannungen und Signale übertragen, die von der Auswerte- und Steuerschaltung der Temperaturfühler (1), (2), (3), (4), (5) kommen. In jedem Temperaturfühler (1), (2), (3), (4), (5) ist ein Trimmerkondensator (20) zum Abgleich des Temperaturfühlers vorhanden.Operating voltages and signals are transmitted on the two-wire lines ( 6 ), ( 7 ), ( 8 ), ( 9 ), ( 18 ) which are transmitted from the evaluation and control circuit of the temperature sensors ( 1 ), ( 2 ), ( 3 ), ( 4 ), ( 5 ) come. In each temperature sensor ( 1 ), ( 2 ), ( 3 ), ( 4 ), ( 5 ) there is a trimmer capacitor ( 20 ) for adjusting the temperature sensor.
Die Fig. 2 zeigt typische Signale auf den Zweidrahtleitungen (7), (8), (9), (18) in Abhängigkeit von der Zeit, die in Abszissenrichtung dargestellt ist. Die Amplitude der Spannung ist in Ordinatenrichtung dargestellt. Die Auswerte- und Steuer schaltung (17) hat die Möglichkeit, der Betriebsspannung Steuersignale (21) zu überlagern, indem sie die Betriebsspannung bis auf eine untere Schwelle (22) absenkt. Die steigende Flanke (24) des Steuersignals (21) löst in der Trigger- und Modula tionsschaltung (16) die Erzeugung eines Triggersignals aus, das den Zähleingang der Abwärts-Zählereinheit (13) für die Schwingungen des Oszillators (12) freigibt und den Zeitgeber (15) anstößt. In der Abwärts-Zählereinheit (13) wird von einem eingestellten Wert aus abwärts gegen den Zählstand Null hingezählt. Fig. 2 shows typical signals on the two-wire lines ( 7 ), ( 8 ), ( 9 ), ( 18 ) depending on the time, which is shown in the abscissa direction. The amplitude of the voltage is shown in the ordinate direction. The evaluation and control circuit ( 17 ) has the option of superimposing control signals ( 21 ) on the operating voltage by lowering the operating voltage to a lower threshold ( 22 ). The rising edge ( 24 ) of the control signal ( 21 ) triggers the generation of a trigger signal in the trigger and modulation circuit ( 16 ), which releases the counting input of the down counter unit ( 13 ) for the oscillations of the oscillator ( 12 ) and the timer ( 15 ) abuts. The down counter unit ( 13 ) counts down from a set value against the count zero.
Mit der fallenden Flanke (23) des Steuersignals (21) wird die Freigabe des Zähleingangs der Abwärts-Zählereinheit (13) beendet. Die Länge der Zählzeit (A), die Zeit zwischen steigender Flanke (24) und fallender Flanke (23) ist fest vorgegeben. Die Schwelle (22), die von der Trigger- und Modulationsschaltung (16) ebenfalls überwacht wird, muß niedriger sein als die tiefsten Spannungen, die bei der Modulation auf den Zweidrahtleitung (7), (8), (9), (18) auftreten. Am Ende der Zählzeit, die in Fig. 2 mit (A) bzeichnet ist, hat die Abwärts-Zählereinheit (13) einen Zählerstand erreicht, bei dem es sich um die Differenz zwischen dem eingestellten Wert und der Anzahl von Schwingungen handelt, die während der Zählzeit (A) vom Oszillator (12) erzeugt worden sind. Diese Differenz wird unter Steuerung des Zeitgebers (15) der Trigger- und Modulationsschaltung (16) zugeführt, die impulsdauermodulierte oder impulscodemodulierte Signale der Betriebsspannung überlagert.With the falling edge ( 23 ) of the control signal ( 21 ) the release of the counting input of the down counter unit ( 13 ) is ended. The length of the counting time (A), the time between the rising edge ( 24 ) and the falling edge ( 23 ) is fixed. The threshold ( 22 ), which is also monitored by the trigger and modulation circuit ( 16 ), must be lower than the lowest voltages which are present in the modulation on the two-wire line ( 7 ), ( 8 ), ( 9 ), ( 18 ) occur. At the end of the counting time, which is denoted by (A) in Fig. 2, the down counter unit ( 13 ) has reached a counter reading, which is the difference between the set value and the number of oscillations that occur during the Count time (A) from the oscillator ( 12 ) have been generated. This difference is fed to the trigger and modulation circuit ( 16 ) under the control of the timer ( 15 ), which superimposes pulse duration modulated or pulse code modulated signals on the operating voltage.
Die Zeitgeber (15) erzeugen in den Temperaturfühlern (1), (2), (3), (4), (5) jeweils Zeitfenster (25), die zu verschiedenen Startzeiten beginnen, im allgemeinen aber gleich lang sind. Es kann vorteilhaft sein, ungleich lange Zeitfenster zu setzen, wenn Temperaturen mit der gleichen Auflösung übertragen werden sollen, die verschiedene Temperatur-Bereiche abdecken, z. B. Wassertemperaturen von -40-120°C und Außentemperaturen von -20 bis +40°C. Die Startzeiten der Zeitfenster (25) sind so aufeinander abgestimmt, daß sich die Zeitfenster (25) nicht überlappen. Zwischen den einzelnen Zeitfenstern (25) sind . Lücken vorhanden.The timers ( 15 ) each generate time windows ( 25 ) in the temperature sensors ( 1 ), ( 2 ), ( 3 ), ( 4 ), ( 5 ) that start at different start times, but are generally of the same length. It may be advantageous to set unequal time windows if temperatures with the same resolution are to be transmitted, which cover different temperature ranges, e.g. B. Water temperatures from -40-120 ° C and outside temperatures from -20 to + 40 ° C. The start times of the time windows ( 25 ) are coordinated so that the time windows ( 25 ) do not overlap. Are between the individual time windows ( 25 ). There are gaps.
Während der Zeitfenster (25) wird der Inhalt der jeweiligen Abwärts-Zählereinheit (13) ausgelesen und beispielsweise in ein impulsdauermoduliertes Signal umgewandelt, das der Betriebs spannung überlagert wird. Die Fig. 2 zeigt impulsdauer modulierte Signale (26), (27), (28), (29), (30), die den Inhalten der Abwärts-Zählereinheiten (13) der Temperaturfühler (1), (2), (3), (4), (5) entsprechen und in der durch die Zeitfenster (25) vorgegebenen Reihenfolge der Betriebsspannung überlagert sind. Die impulsdauermodulierten Signale (26), (27), (28), (29), (30) werden von der Auswerte- und Steuerschaltung (17) empfangen und ausgewertet, indem sie wiederum in digitale Werte umgesetzt werden, die je von dem in der Abwärts-Zählereinheit (13) eingestellten Wert subtrahiert werden, wodurch sich die während des jeweiligen Steuersignals (21) aufgetretene Zahl der Schwingungen des Oszillators (12) ergibt, aus der die Temperatur des Schwingquarzes (10) berechnet wird. Durch die Übertragung von Signalen, die der Differenz zwischen dem Voreinstellwert und der Zahl der Schwingungen während der Meßzeit entsprechen, wird eine größere Unempfindlichkeit gegen Störeinflüsse und eine größere Reichweite der Übertragung erzielt.During the time window ( 25 ), the content of the respective down counter unit ( 13 ) is read out and, for example, converted into a pulse duration modulated signal which is superimposed on the operating voltage. Fig. 2 shows the pulse width modulated signals (26), (27), (28), (29), (30) the contents of the down counter units (13) of the temperature sensor (1), (2), (3 ), ( 4 ), ( 5 ) correspond and are superimposed in the order of the operating voltage given by the time window ( 25 ). The pulse duration modulated signals ( 26 ), ( 27 ), ( 28 ), ( 29 ), ( 30 ) are received and evaluated by the evaluation and control circuit ( 17 ) by in turn being converted into digital values, each of which in the down-counter unit ( 13 ) set value are subtracted, resulting in the number of oscillations of the oscillator ( 12 ) that occurred during the respective control signal ( 21 ), from which the temperature of the quartz crystal ( 10 ) is calculated. By transmitting signals that correspond to the difference between the preset value and the number of vibrations during the measuring time, greater insensitivity to interference and a greater range of transmission is achieved.
Statt einer Trigger- und Modulationsschaltung (16), die impuls dauermodulierte Signale der Zweidrahtleitung, zum Beispiel (18), aufprägt, kann auch eine Trigger- und Modulationsschaltung verwendet werden, die impulscodemodulierte Signale erzeugt. In Fig. 2 sind im, Anschluß an das zweite Steuersignal (21) Gruppen von nicht näher bezeichneten Nadelimpulsen dargestellt, die je Gruppe während der Dauer eines Zeitfensters (24) gesendet werden. Die Anzahl der Nadelimpulse pro Gruppe entspricht zum Beispiel der gemessenen Temperatur in °C.Instead of a trigger and modulation circuit ( 16 ) which impresses pulse-permanently modulated signals of the two-wire line, for example ( 18 ), a trigger and modulation circuit can also be used which generates pulse-code-modulated signals. In Fig. 2, following the second control signal ( 21 ), groups of unspecified needle pulses are shown, which are sent per group for the duration of a time window ( 24 ). For example, the number of needle pulses per group corresponds to the measured temperature in ° C.
Die Fig. 4 zeigt den Aufbau der Abwärts-Zählereinheit (13). Ein erster Abwärts-Zähler (31) ist eingangsseitig mit dem Ausgang des Oszillators (12) verbunden. Die Ausgänge des Abwärts- Zählers (31) sind mit Voreinstelleingängen eines zweiten Abwärts-Zählers (32) verbunden, dessen Ausgänge an die Trigger- und Modulationsschaltung (16) angeschlossen sind. Der Zähleingang des Abwärts-Zählers (32) ist mit dem Ausgang des Frequenzuntersetzers (14) verbunden. Der Freigabeeingang des Abwärts-Zählers (32) ist an den Ausgang des Zeitgebers (15) angeschlossen. Der Freigabeeingang des Abwärts-Zählers (31) steht mit dem Ausgang der Trigger- und Modulationsschaltung (16) in Verbindung, die auch den Übernahmeeingang des Abwärts-Zählers (32) steuert. Mit der steigenden Flanke (24) wird der Abwärts-Zähler (31) für die Schwingungen des Oszillators (12) freigegeben, der zum Beispiel Rechteckimpulse ausgibt. Fig. 4 shows the structure of the down counter unit ( 13 ). A first down counter ( 31 ) is connected on the input side to the output of the oscillator ( 12 ). The outputs of the down counter ( 31 ) are connected to preset inputs of a second down counter ( 32 ), the outputs of which are connected to the trigger and modulation circuit ( 16 ). The counting input of the down counter ( 32 ) is connected to the output of the frequency reducer ( 14 ). The enable input of the down counter ( 32 ) is connected to the output of the timer ( 15 ). The enable input of the down counter ( 31 ) is connected to the output of the trigger and modulation circuit ( 16 ), which also controls the takeover input of the down counter ( 32 ). With the rising edge ( 24 ) the down counter ( 31 ) for the oscillations of the oscillator ( 12 ) is released, which outputs, for example, rectangular pulses.
Von dem voreingestellten Wert zählt der Abwärts-Zähler (31) gegen Null, bis die fallende Flanke (23) auftritt, durch die einerseits der Zähleingang des Abwärts-Zählers (31) gesperrt und andererseits der Zählerinhalt in den Abwärts-Zähler (32) durch Freigabe der entsprechenden Eingänge übernommen wird. Wenn der durch die Flanke (23) angestoßene Zeitgeber (15) sein Zeitfenster (25) erzeugt, wird der Zähleingang des Abwärts-Zählers (32) freigegeben. Der Inhalt des Abwärts-Zählers (32) wird durch Ausgangssignale des Frequenz untersetzers (14) bis zum Inhalt Null vermindert. Eine dem Inhalt des Zählers (32) entsprechende Zahl gelangt zur Trigger- und Modulationsschaltung (16) und wird von dieser in ein impulsdauer- bzw. impulscodemoduliertes Signal verwandelt. Das zur Auswerte- und Steuerschaltung (17) übertragen wird.From the preset value, the down counter ( 31 ) counts towards zero until the falling edge ( 23 ) occurs, on the one hand blocking the count input of the down counter ( 31 ) and on the other hand counting the counter content into the down counter ( 32 ) Approval of the corresponding inputs is taken over. When the timer ( 15 ) triggered by the edge ( 23 ) generates its time window ( 25 ), the count input of the down counter ( 32 ) is released. The content of the down counter ( 32 ) is reduced by output signals of the frequency reducer ( 14 ) to zero content. A number corresponding to the content of the counter ( 32 ) arrives at the trigger and modulation circuit ( 16 ) and is converted by the latter into a pulse duration or pulse code modulated signal. That is transmitted to the evaluation and control circuit ( 17 ).
In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform einer Zählereinheit (13) dargestellt. Die Schaltung beinhaltet im wesentlichen zwei identische Abwärtszähler (35), (36). Die Zähleingänge der beiden Abwärts-Zähler (35), (36) sind jeweils entweder an den Ausgang des Oszillators (12) oder an den Ausgang des Frequenzunter setzers (14) angeschlossen. Die Umschaltung wird durch einen Ein-Bit-Speicher, zum Beispiel ein Flipflop (37) gesteuert, das eingangsseitig mit der Trigger- und Modulationsschaltung (16) verbunden ist. Der Ausgang des Abwärts-Zählers (36) ist wechselweise mit dem Ausgang des Abwärts-Zählers (35) an den Eingang der Trigger- und Modulationsschaltung (16) ange schlossen.Another embodiment of a counter unit ( 13 ) is shown in FIG . The circuit essentially comprises two identical down counters ( 35 ), ( 36 ). The count inputs of the two down counters ( 35 ), ( 36 ) are each connected either to the output of the oscillator ( 12 ) or to the output of the frequency converter ( 14 ). The switchover is controlled by a one-bit memory, for example a flip-flop ( 37 ), which is connected on the input side to the trigger and modulation circuit ( 16 ). The output of the down counter ( 36 ) is alternately connected to the output of the down counter ( 35 ) at the input of the trigger and modulation circuit ( 16 ).
Die beiden Abwärts-Zähler (35), (36) arbeiten wechselweise in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen, die jeweils durch die steigende Flanke (24) getrennt sind, in unterschiedlicher Funktion. In einem Zyklus wird zum Beispiel der Abwärts-Zähler (35) vom Oszillator (12) mit Zählimpulsen versorgt. Der Abwärts-Zählvorgang erstreckt sich über die Länge der Zählzeit (A). In diesem Zyklus ist der Zähleingang des Abwärts-Zählers (36) gegen Zählimpulse des Oszillators (12) gesperrt und für Impulse des Frequenzuntersetzers (14) offen. Der Inhalt des Abwärts-Zählers (36) entspricht zu Beginn des Zyklus der Differenz zwischen voreingestelltem Wert und Anzahl der Zählimpulse während der Zählzeit (A) im vorhergehenden Zyklus. Wenn der Zyklus zu Ende ist, befindet sich im Abwärts-Zähler (35) die Differenz zwischen voreingestelltem Wert und Anzahl der Zählimpulse während der Länge der Zählzeit (A), die in den Zyklus hineinfällt. Der Abwärts-Zähler (36) wird, wenn der Zeitgeber (15) sein Zeitfenster (25) erzeugt, bis auf den Inhalt Null herabgezählt. Mit der nächsten steigenden Flanke (24) ist der Zyklus beendet und es beginnt ein neuer Zyklus, in dem mittels des Flipflops (37) der Zähleingang des Abwärts-Zählers (35) vom Oszillator (12) auf den Frequenzuntersetzer (14) umgeschaltet wird, während dies beim Abwärts-Zähler (36) umgekehrt verläuft. Infolgedessen wird im Abwärts-Zähler (36) die Differenz zwischen dem voreingestellten Wert und der Anzahl der Oszillatorimpulse während der Zählzeit (A) gebildet, und der Abwärts-Zähler (35) wird im Zeitfenster (25) auf den Wert Null herabgezählt, bis mit der nächsten steigenden Flanke ein neuer Zyklus beginnt. Die Umschaltung der Ausgänge der Abwärts-Zähler (35), (36) auf den Eingang der Trigger- und Modulationsschaltung (16) ist derart, daß jeweils derjenige Abwärts-Zähler, dessen Inhalt auf Null herabgezählt wird mit der Trigger- und Modulationsschaltung (16) verbunden ist. Die Trigger- und Modulationsschaltung (16) generiert die Impuls breite der modulierten Signale mit Hilfe eines temperaturempfind lichen Taktes. Dies stört insofern nicht, als in der Steuer- und Auswerteschaltung (17) anhand einer gespeicherten Kennlinie eine Korrektur durchgeführt werden kann. Die aus dem gleichen Grunde auftretenden Schwankungen in der Definition des Sendeintervalls sind vernachlässigbar. The two down counters ( 35 ), ( 36 ) work alternately in two successive cycles, each separated by the rising edge ( 24 ), in different functions. In one cycle, for example, the down counter ( 35 ) is supplied with counting pulses by the oscillator ( 12 ). The countdown extends over the length of the counting time (A). In this cycle, the counting input of the down counter ( 36 ) is blocked against counting pulses from the oscillator ( 12 ) and is open to pulses from the frequency reducer ( 14 ). The content of the down counter ( 36 ) corresponds to the difference between the preset value and the number of counts during the counting time (A) in the previous cycle at the beginning of the cycle. When the cycle is over, the down counter ( 35 ) has the difference between the preset value and the number of counts during the length of the count time (A) that falls into the cycle. The down counter ( 36 ) is counted down to the content zero when the timer ( 15 ) generates its time window ( 25 ). The cycle ends with the next rising edge ( 24 ) and a new cycle begins, in which the flip-flop ( 37 ) switches the counting input of the down counter ( 35 ) from the oscillator ( 12 ) to the frequency reducer ( 14 ), while the down counter ( 36 ) does the opposite. As a result, the difference between the preset value and the number of oscillator pulses during the counting time (A) is formed in the down counter ( 36 ), and the down counter ( 35 ) is counted down to the value zero in the time window ( 25 ) until with a new cycle begins on the next rising edge. The switching of the outputs of the down counters ( 35 ), ( 36 ) to the input of the trigger and modulation circuit ( 16 ) is such that the down counter whose content is counted down to zero is triggered by the trigger and modulation circuit ( 16 ) connected is. The trigger and modulation circuit ( 16 ) generates the pulse width of the modulated signals using a temperature-sensitive clock. This does not interfere insofar as a correction can be carried out in the control and evaluation circuit ( 17 ) on the basis of a stored characteristic curve. The fluctuations in the definition of the transmission interval that occur for the same reason are negligible.
Um die erforderliche Genauigkeit der Temperaturmessung zu erhalten, ist ein Abgleich der einzelnen Temperaturfühler notwendig. Dies kann entweder durch die Verwendung eines Trimmkondensators oder durch geringfügige Variationen in der Programmierung der Zähler erzeugt werden.To ensure the required accuracy of temperature measurement received is an adjustment of the individual temperature sensors necessary. This can be done either by using a Trim capacitor or by slight variations in the Programming the counters can be generated.
Die Fig. 6 zeigt eine Anordnung zur Temperaturmessung, die auch als "stand alone"-Temperaturfühler eingesetzt werden kann. Die Anordnung enthält einen Schwingquarz (100), dessen Frequenztemperatur abhängig ist und der mit einem Oszillator (101) verbunden ist, der an Zähleingänge zweier Abwärts-Zähler (108), (109) angeschlossen ist. Ein zweiter Schwingquarz (102), der an einen Trimmerkondensator (103) angeschlossen ist und dessen Frequenz weitgehend temperaturstabil ist, ist mit einem Oszillator (104) verbunden. Im Oszillator (104) ist ein Frequenzuntersetzer (105) nachgeschaltet, der ausgangsseitig ebenfalls über nicht dargestellte Durchschaltungen mit den Zähleingängen der Abwärts-Zähler (108), (109) verbunden ist. Weiterhin ist der Frequenzuntersetzer (105) mit einem Zeitgeber (106) verbunden, an den eine Logikschaltung (111) angeschlossen ist, die die Freigabe der Zähleingänge der Abwärts-Zähler (108), (109) durch Schwingungen des Oszillators (101) oder des Frequenzuntersetzers (105) steuert. Den Abwärts-Zählern (108), (109) sind ausgangsseitig jeweils ODER-Verknüpfungsglieder (107), (110) nachgeschaltet, die ebenfalls durch die Logik schaltung (111) gesteuert werden und die an einen Ausgang (112) angeschlossen sind, dem die Trigger- und Modulations schaltung (16) nachgeschaltet ist. Fig. 6 shows an arrangement for temperature measurement, which can also be used as a "stand alone" temperature sensor. The arrangement contains a quartz crystal ( 100 ) whose frequency temperature is dependent and which is connected to an oscillator ( 101 ) which is connected to counting inputs of two down counters ( 108 ), ( 109 ). A second quartz crystal ( 102 ), which is connected to a trimmer capacitor ( 103 ) and whose frequency is largely temperature-stable, is connected to an oscillator ( 104 ). A frequency reducer ( 105 ) is connected downstream in the oscillator ( 104 ) and is also connected on the output side to the counting inputs of the down-counters ( 108 ), ( 109 ) via circuits (not shown). Furthermore, the frequency reducer ( 105 ) is connected to a timer ( 106 ), to which a logic circuit ( 111 ) is connected, which enables the counting inputs of the down counters ( 108 ), ( 109 ) by oscillations of the oscillator ( 101 ) or the Frequency reducer ( 105 ) controls. The down counters ( 108 ), ( 109 ) are connected on the output side to OR gates ( 107 ), ( 110 ), which are also controlled by the logic circuit ( 111 ) and which are connected to an output ( 112 ) to which the Trigger and modulation circuit ( 16 ) is connected downstream.
Die Abwärts-Zähler (108), (109) werden wechselweise mit Schwingungen des Oszillators (101) zur Bildung einer Differenz zwischen einem voreingestellten Wert und Signalen des Frequenzuntersetzer (105) versorgt, mit denen der Zählerstand auf Null zurückgeführt wird. Während der Differenzbildung sind die Ausgänge der Abwärts-Zähler (108), (109) gesperrt. Während des Leerzählens sind die Ausgänge der Abwärts-Zähler (108), (109) an den Signalausgang (112) angeschlossen. Mit der in Fig. 6 dargestellten Anordnung steht ein temperaturstabiler Takt zur Verfügung, so daß die auf der Zweidrahtleitung (18) beispiels weise impulsdauermoduliert übertragenen Signale der Impulsdauer nicht mit der gemessenen Temperatur ändern.The down counters ( 108 ), ( 109 ) are alternately supplied with oscillations of the oscillator ( 101 ) to form a difference between a preset value and signals of the frequency reducer ( 105 ), with which the counter reading is reduced to zero. The outputs of the down counters ( 108 ), ( 109 ) are blocked during the difference formation. During the empty counting, the outputs of the down counters ( 108 ), ( 109 ) are connected to the signal output ( 112 ). With the arrangement shown in Fig. 6, a temperature-stable clock is available so that the pulse duration modulated signals on the two-wire line ( 18 ), for example, do not change the pulse duration with the measured temperature.
In Fig. 2 sind zwei weitere mögliche Zählzeiten, die mit B und C bezeichnet sind, dargestellt. Die Zählzeit B erstreckt sich von der Flanke (23) des einen Steuersignals (21) bis zur Flanke (23) des nächsten Steuersignals (21) in der Steuersignal folge. Die Zählzeit C erstreckt sich von der Flanke (23) des einen Steuersignals (21) bis zur Flanke (24) des nächsten Steuer signals (21) in der Steuersignalfolge.In FIG. 2, two further possible beats, which are designated by B and C, is shown. The counting time B extends from the edge ( 23 ) of one control signal ( 21 ) to the edge ( 23 ) of the next control signal ( 21 ) in the control signal sequence. The counting time C extends from the edge ( 23 ) of one control signal ( 21 ) to the edge ( 24 ) of the next control signal ( 21 ) in the control signal sequence.
Im folgenden werden an Hand eines Zahlenbeispiels die Verhältnisse bei der Überragung einer Differenz verdeutlicht. Es sei ein Quarz mit 50 ppm/K Temperaturgang gegeben. Die gewünschte Auflösung betrage 0,1 K ≘ 5 ppm.In the following, using a numerical example Clarified conditions when transferring a difference. It be given a quartz with 50 ppm / K temperature response. The Desired resolution is 0.1 K ≘ 5 ppm.
Es soll insgesamt ein Temperaturbereich von 100 K erfaßt werden, der z. B. im Außentemperaturbereich zwischen -40°C und +60°C liegt.A total temperature range of 100 K should be covered be the z. B. in the outside temperature range between -40 ° C and + 60 ° C.
Um diese Voraussetzungen zu erfüllen, müssen 2 × 105 Zähltakte gezählt werden. Es gilt: 1 Zähltakt ≘ 5 ppm ≘ 0,1 K.To meet these requirements, 2 × 10 5 counting cycles must be counted. The following applies: 1 counting cycle ≘ 5 ppm ≘ 0.1 K.
Um einen Temperaturbereich ΔT von 100 K mit der gewünschten Auflösung übertragen zu können, werden 1000 Zähltakte benötigt.Around a temperature range ΔT of 100 K with the desired To be able to transmit resolution, 1000 counts are required.
Nun wird die Quarzfrequenz, das Teilerverhältnis und der Voreinstellwert der Zählereinheit so gewählt, daß z. B. bei -40°C 2 × 105 - 1000 Zähltakte gezählt werden, während bei z. B. +60°C 2 × 105 Zähltakte gezählt werden. Damit ergibt sich 1 Zähltakt pro 0,1 K Temperaturdifferenz. Now the quartz frequency, the division ratio and the preset value of the counter unit are selected so that, for. B. at -40 ° C 2 × 10 5 - 1000 counting cycles, while at z. B. + 60 ° C 2 × 10 5 counts can be counted. This results in 1 counting cycle per 0.1 K temperature difference.
Die Übertragung der Differenz hat folgende Vorteile:
Wird eine Pulsdauermodulation verwendet, dann muß die
Pulsdauer mit den oben beschriebenen Anordnungen nur auf den
Wert 10-3 genau bestimmt werden. Wenn die Signale direkt
übertragen werden, d. h. ohne Differenzbildung, dann ist für den
oben erwähnten Temperaturbereich eine Genauigkeit von 5 × 10-6
notwendig.Transferring the difference has the following advantages:
If pulse duration modulation is used, the pulse duration with the arrangements described above only has to be determined to the value 10 -3 . If the signals are transmitted directly, ie without forming a difference, then an accuracy of 5 × 10 -6 is necessary for the temperature range mentioned above.
Wird ein durch 1000 Zähltakte bestimmter Temperaturbereich für die Messung vorgesehen, dann kann ein einfach aufgebauter Zähler mit 3 Stellen verwendet werden, der z. B. ein Abwärts zähler ist. Das "Überlauf-Ausgangs-Signal" (Overflow) wird zum Zurücksetzen des Zählers auf den voreingesteilten Wert benutzt. Am Ende der Meßzeit A, B oder C enthält ein solcher Zähler die Temperaturinformation in Form eines Wertes, der der Differenz zwischen Voreinstellwert und Zähltakten während der Meßzeit entspricht.Is a temperature range determined by 1000 counting cycles for provided the measurement, then a simply constructed 3-digit counter can be used, the z. B. a downward is counter. The "overflow output signal" (overflow) becomes Reset the counter to the preset value used. At the end of measuring time A, B or C, such a counter contains the Temperature information in the form of a value that is the difference between the preset value and counting cycles during the measuring time corresponds.
An Stelle einer Abwärts-Zählereinheit kann auch eine Aufwärts-Zählereinheit verwendet werden, die bis zu einem voreingestellten Wert hochzählt. Die Aufwärts-Zählereinheit, die z. B. zwei Aufwärts-Zähler analog zu den oben beschriebenen Abwärts-Zählereinheiten enthält, zählt vom Zählstand Null die in der Zählzeit A, B oder C anfallenden Zähltakte. Danach wird mit einer weiteren Frequenz der Zählstand bis auf den voreinge stellten Wert erhöht. Die Differenz zwischen dem Zählstand am Ende der Zählzeit und dem voreingestellten Wert wird über tragen.Instead of a down counter unit, a Up counter unit can be used up to one preset value. The up counter unit that e.g. B. two up-counters analogous to those described above Down counter units, counts from the zero count in the counting time A, B or C. Then with another frequency the count down to the pre set value increased. The difference between the count on The end of the counting time and the preset value is over wear.
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