DE2753871A1 - Elektronische temperaturmessvorrichtung - Google Patents

Description

Henkel, Kern, Feier fr Hfinzel Patentanwälte

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Möhbtraße37 Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd., D-8000München80

Kawasaki -shi, Japan Td^ 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld Telegramme: effipsoRJ

2.Dezember 1977

Elektronische Temperaturmeßvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Digitalthermometer zur Messung der Temperatur auf der Basis der Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts eines temperaturempfindlichen Widerstandselements. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Digitalthermometer zur Messung einer Temperatur, etwa der Körpertemperatur, auf der Grundlage einer Schwingfrequenzänderung infolge von TemperaturMnderung eines Oszillators, mit dem ein temperaturempfindliches Widerstandeelement als frequenzbestimmendes Element verbunden ist.

Ein typisches, bisheriges elektronisches Thermometer (JA-OS 68778/74) umfaßt einen Impulsoszillator, an den ein temperaturempfindlicher bzw. -abhangiger Widerstand, etwa ein Thermistor, als das die Schwingungsfrequenz bestimmende Element angeschlossen ist, eine Temperatur-Ausgangsschaltung mit einem an den Impulsoszillator angeschlossenen Zähler, eine mit dem Zähler

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verbundene Digital-Anzeigevorrichtung und eine Zeitentscheidungsschaltung zur Anlegung der Ausgangsimpulse des Impuls Oszillators an den Zähler während einer vorbestimmten Zeitspanne. Die Zeitentscheidungsschaltung ist so angeordnet, daß sie dem Zähler Impulse während einer Zeitspanne von einer Sekunde liefert. Infolgedessen zählt der Zähler die temperaturabhängige Schwingfrequenz des Impulsoszillators, und die Digital-Anzeigevorrichtung zeigt den gemessenen, der Schwingfrequenz entsprechenden Temperaturwert an. Bei diesem bisherigen Gerät wird die Temperatur unmittelbar anhand der temperaturabhängigen Schwingfrequenz gemessen, so daß Teile in Form von passiven Elementen erforderlich sind, die eine hohe Genauigkeit besitzen und nur einem geringen Alterungseinfluß unterworfen sind, Außerdem ist bei diesem bisherigen Gerät eine richtige bzw. genaue Temperaturmessung aufgrund einer möglichen Abweichung der Schwingfrequenz schwierig, die durch Schwankungen der Speisespannung und der Betriebsbedingungen der verwendeten aktiven Elemente hervorgerufen werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer elektronischen Digital-Temperaturmeßvorrlchtung, bei welcher die Notwendigkeit für mit hoher Genauigkeit arbeitende Teile entfällt, und bei welcher Meßfehler infolge von Schwingfrequenzabweichung, die von Änderungen oder Schwankungen in der Speisespannung und den Betriebsbedingungen der verwendeten aktiven Elemente herrührt, weitgehend vermindert werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Temperaturmeßvorrichtung der genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch einen Oszillator, an den ein temperaturempfindliches Widerstandselement und ein temperaturunempfindliches Widerstandselement abwechselnd als frequenzbestimmendes Element zur Lieferung einer temperatur-

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abhängigen Frequenz (f ) bzw. einer temperaturunabhängigen Frequenz (f_) ankoppelbar sind, und durch eine an den Oszillator angeschlossene Temperatür-Ausgangsschaltung zur Lieferung eines Temperaturmeßwerts auf der Grundlage der Gleichung

1 ^fx~^fx 1 ^fx"^fe

CO _x et/ _s

worin Tq = eine vorbestimmte Bezugstemperatur und

oo = einen Temperaturkoeffizienten des temperatürempfindlichen Widerstandeelements

bedeuten.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Flg. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Prinzips der Temperaturmessung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer elektronischen Temperatürme ßvor richtung gemäß einer AusfUhrungsform der Erfindung,

Flg. 3 ein Schaltbild eines Beispiels für einen astabilen Multivibrator, der als Temperatur frequenzwandler Impulsoszillator bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann.

Flg. 4 eine graphische Darstellung der Kennlinie eines als temperaturempfindlichee Widerstandselement dienenden Tennistors,

Flg. 5 ein Blockschaltbild einer abgewandelten AusfUhrungs-

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form der erfindungsgemäßen Temperaturmeßvorrichtung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer weiter abgewandelten AusfUhrungsform der Erfindung und

Fig. 7 ein Schaltbild einer Abwandlung des astabilen Multivibrators gemäß Fig. 6.

Flg. 1 veranschaulicht die grundsätzliche Anordnung gemäß der Erfindung, bei welcher ein Impulsoszillator 1, etwa ein astabiler Multivibrator der Art gemäß Fig. 3 vorgesehen 1st, an den ein temperaturempfindlicher Widerstand bzw.

iin.

ein Thermistor R und ein temperaturempfindlicher Normal-Widerstand R_ abwechselnd als frequenzbestimmendes Element

zur Lieferung einer temperaturabhängigen Frequenz f bzw. einer temperaturunabhängigen Frequenz f_ ankoppelbar sind. Weiterhin sind eine Recheneinheit bzw. Ausgangsschaltung 2 und eine Digitalanzeige 3 vorgesehen.

Im folgenden 1st das Prinzip der Temperaturmessung gemäß der Erfindung erläutert.

Beim astabilen Multivibrator gemäß Flg. 3 entspricht die Schwingfrequenz f bei angeschlossenem Thermistor R der Gleichung

f- - */R -C U)

Wenn der Normal-Widerstand, etwa ein Metallfolienwideretand

R_e, anges

Gleichung

R_e, angeschlossen ist, entspricht die Schwingfrequenz der

^fB *

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In Gleichungen (1) und (2) bedeutet k eine Proportionalitätskonstante. Der Widerstandswert des Thermistors R bei einer Bezügetemperatur Tq von z.B. 37 C wird so eingestellt, daß er praktisch dem Widerstandswert des Normal-Widerstands R_ entspricht.

Die Temperatur/tyideratands-Kennlinie des Thermistors ist allgemein als ausgezogene Linie In Flg. 4 aufgetragen. Die Körpertemperatur liegt allgemein in einem vergleichsweise engen Bereich von 35 - 42⁰C. In diesem Temperaturbereich kann die Kennlinie von R als nahezu linear angesehen werden, wie dies durch die gestrichelte Linie in Pig. 4 dargestellt 1st. Somit kann der Widerstandewert des Thermistors wie fiflgt wiedergegeben werden:

R_x-R₈(I-O(T-T₀)) (3)

Dabei bedeutet oO eine den Temperaturkoeffizienten des Thermistors angebende Konstante. Aus Gleichungen (1) und (2) ergibt sich die folgende Gleichung:

V^Rx

Gleichungen (3) und (4) ergeben

(5)

Mithin kann die Temperatur des Thermistors R durch die Recheneinheit 2 wiedergegeben werden, welche die vorbestimmte arithmetische bzw. Rechenoperation auf der Grundlage von Gleichung (5) durchfuhrt. Da dl· Meßwerte nur vom Verhältnis zwischen f und f abhängen, können höchst genaue Meßwerte

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bzw. -ergebnisse erzielt werden. Die erfindungsgemäße elektronische Temperaturmeßvorrichtung eignet sich besonders für ein klinisches Thermometer. Der Thermistor R ist dabei in einem Meßfühler eines solchen Thermometers untergebracht. Meßfühler und Thermometerkörper sind durch Zuleitungen miteinander verbunden. Das Umschalten zwischen den Widerstandselementen R. und R erfolgt auf elektronischem Wege innerhalb einer kurzen Zeitspanne.

Bei einer in Fig. 2 dargestellten, praktisch realisierbaren Ausführungsform der Erfindung ist ein Temperatur/Frequenzwandler-Impulsoszillator, etwa ein astabiler Multivibrator, vorgesehen. Wie erwähnt, sind an den Impulsoszillator 11 ein emperaturempfindliches Widerstandselement R , etwa ein Thermistor, und ein Normal-Widerstandselement R_, etwa ein

Metallfolien-Widerstand, der gegenüber Temperatur praktisch unempfindlich ist, abwechselnd als frequenzbestimmende Elemente ankoppelbar, um den Oszillator abwechselnde Impulsketten bzw. -reihen mit einer temperaturabhängigen Frequenz f und einer temperaturunabhängigen Vergleichs- bzw. Normalfrequenz f_ abgeben zu lassen. Die Ausgangsimpulsreihen der Frequenzen f_ und f des Impulsoszillators 11 werden über

X S

ein UND-Qlied 12 während eines vorgegebenen Zeitintervalls t_Q an einem Zähler 13 angelegt. Zu diesem Zweck sind ein Bezugsimpuls-Oszillator 14 zur Lieferung einer Impulsreihe mit einer Frequenz f_Q und ein 1/N-Frequenzteiler 15 vorgesehen. Letzterer bewirkt eine Frequenzteilung des AusgangsImpulses vom Oszillator 14 durch N zur Lieferung eines Bezugszeitsignals 16 mit einer Dauer von t_Q (=N/f_Q). Das UND-Glied 12 wird durch das Bezugszeitsignal 16 durchgeschaltet, so daß die Ausgangsimpulse des astabilen Multivibrators 11 während der Zeltspanne t_Q zum Zähler 12 durchlaufen können. Der Zähler 13 zählt die Impulsreihe f und die ImpJulsreihe f abwechselnd

χ s

während des gleichen Zeitintervalls t_Q. Die Zählungswerte

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des Zählers 1J werden der Recheneinheit 17 eingegeben, welche die gemessene Temperatur entsprechend einer vorgegebenen Gleichung unter Heranziehung der Zahlen bzw. Größen der Impulse f. und f_ berechnet, die vom Zähler 13 während derselben Zeltspanne bzw. desselben Intervalls t_Q gezählt worden sind. Die berechnete Temperatur wird durch eine Digitalanzeige 18 wiedergegeben.

Der astabile Multivibrator 11 kann beispielsweise einen Aufbau gemäß Flg. 3 besitzen. OemäB Flg. 3 sind dabei CMOS-Umsetzer I₁ und I₂, ein Schalter SW₁ zum abwechselnden Anschließen des temperaturempfindlichen Widerstandselements bzw. Thermistors R und des Normal-Widerstandselements R_ an den Oszillator sowie ein Kondensator C vorgesehen, der ein anderes frequenzbestimmendes Element darstellt. Wenn der Widerstand R mit dem astabilen Multivibrator verbunden ist, entspricht der Zählwert M des Zählers 1} der folgenden Gleichung:

M„ - £ «t₀ - J£»N (6)

Wenn der Widerstand R₀ an den astabilen Multivibrator enge-

schlossen ist, entspricht der Zählwert M. der Gleichung

Bei Einbeziehung der Gleichungen (6) und (7) In Gleichung (5) ergibt sich

, M„-M_

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Ersichtlicherweise enthält Gleichung (8) die vorher bekannte Bezugstemperatur T_Q (z.B. 37⁰C), den Temperaturkoeffizienten ^ des Thermistors (z.B. 5x1o~v°C) und die beiden Zählwerte M_ und M₁₅ des Zählers 1}. Die Recheneinheit 17 be-

X S

rechnet Gleichung (8), die eine Abwandlung von Gleichung (5) darstellt, um den für die Sichtanzeige an die Anzeigevorrichtung 18 anzulegenden Meßtemperaturwert zu ermitteln.

Wie aus Gleichung (8) hervorgeht, muß die Recheneinheit beider Ausführungsform gemäß Fig. 2 eine Divisionsoperation durchführen. Bei einer anderen AusfUhrungsform der Erfindung kann die Temperatur mittels einer einfachen arithmetischen bzw. Rechenoperation berechnet werden.

In diesem Zusammenhang 1st zu beachten, daß die Zeitspanne t_Q, während welcher die Auegangsimpulse des astabilen Multivibrators 11 gezählt werden, innerhalb der Zeltspanne liegen muß, die eine Berechnung des Werts T (Temperatur) nach Gleichung (8) mit ausreichender Genauigkeit zuläßt. Die Temperatur T kann anhand der Zahl M_ von Impulsen mit der

Frequenz f_ berechnet werden, die während derselben Zeitspanne

wie die Zeltspanne t (=1o /ßc T) gezählt werden, während welcher die vorgegebene Zahl (Ip /oty) von Impulsen mit der Frequenz f zu zählen ist. Durch Einsetzen von M =1oⁿ/o£/ in Gleichung (8) erhält man

T₀ + 10"ⁿ(M_x-M₈) - 10"ⁿ{10ⁿT₀+(M_x-M₈)) ... (9)

Gemäß Gleichung (9) wird unter der Voraussetzung, daß n=2, Tq*37#oo°C und Μ_χ=2ο.οοο {pc =5x1 o~'), die Temperatur T wie folgt erhalten

T » (23,700 - M₈)/100 (10)

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Gleichung (1o) zeigt, daß die Temperatur T einfach dadurch

erhalten werden kann, daß die Zahl N_n von Impulsen mit

ο der Frequenz f_ innerhalb der Zeitspanne t_rt«=1o /et -f von

S UX

der vorgegebenen Zahl von 23.700 substrahiert wird. Wenn beispielsweise der Normal-Widerstand R. und der Thermistor R mit dem astabilen Multivibrator mit den Schwingfrequenzen von 2oo,oO kHz für f bzw. 199,56 kHz für f verbunden sind, so gilt t_Q=1oo,22 ms und M₈=2oo44. Infolgedessen wird nach Gleichung (1o) T*36,56⁰C erhalten. In der Praxis braucht die Recheneinheit bzw. -schaltung nur 23.700-M«, zu berechnen und das Subtraktionsergebnis, d.h. 3656 an eine Vierziffer-Anzeigevorrichtung mit einem Dekodiertreiber anzulegen.

Fig. 5 zeigt ein AusfUhrungsbeispiel für den erfindungsgemässen Grundgedanken der Ableitung der Meßtemperatur mittels der vorstehend beschriebenen Subtraktionsoperation. Bei dieser Ausführungsform 1st ein Zähler 19 vorgesehen, der ein Ausgangssignal mit dem Pegel "1" liefert, sobald er 1oⁿ/o6 (z.B. 20.000) Ausgangsimpulse mit der temperaturabhängigen Frequenz f vom astabilen Multivibrator 11 bei an diesem angeschlossenem Thermistor R gezählt hat, und wobei weiterhin ein Aufwärts/Abwärts-Zähler 2o vorgesehen ist, in welchem die Ausgangsimpulse mit der Bezugsfrequenz f_Q des Bezugsfrequenz-Oszillators 14 zur Bestimmung der Zeitspanne gezahlt werden, während welcher der Zähler 19 die 1oⁿ/tt/ Ausgangsimpulse mit der Frequenz f zählt, um dabei die Zeit spannung zu bestimmen, während welcher der Zähler die Ausgangsimpulse der Frequenz f zählt.

Weiterhin sind Flip-Flops 21 und 22, ein Umsetzer 23, UND-Glieder 24 bis 27 und ein mit den Schalter SW₁ im astabilen Multivibrator 11 (mechanisch) gekoppelter Schalter SW₂ zur Anlegung von Steuersignalen an die Flip-Flops 21 und 22 vor-

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gesehen, so daß der Zähler 19, wenn der Thermistor R mit dem astabilen Multivibrator verbunden ist, die temperaturabhängigen Ausgangsimpulse f des Multivibrators zählt und der Aufwärts/Abwärts-Zähler 2o durch die Ausgangsimpulse des Bezugs-Oszillators 14 zum Aufwärts- bzw. Hochzählen angesteuert wird. Wenn dagegen der Normal-Widerstand R₃ mit dem Multivibrator verbunden ist, zählt der an die Recheneinheit bzw. -schaltung 17 angeschlossene Zähler 13 die Normal-Ausgangsimpulse mit der Frequenz f_ vom Multivibrator, wobei der Aufwärts/Abwärts-Zähler 2o aufgrund der Bezugs-Ausgangsimpulse des Bezugs-Oszillators 14 abwärts zählt.

Wenn der Thermistor R im Betrieb über den Schalter SW₁ mit dem astabilen Multivibrator 11 gekoppelt ist, bewirkt der Schalter SWg, daß ein Signal des Pegels "1^M an die RUckstellklemme R des Flip-Flops 21 und ein Signal des Pegels "0" über den Umsetzer 23 an die Rückstellklemme des anderen Flip-Flops 22 angelegt wird. Hierdurch werden das mit dem Eingang des Zählers I9 verbundene UND-Glied 25 und das an den HochζahleIngang U des Aufwärts/Abwärts-Zählers angeschlossene UND-Glied 26 durch den RUckstellausgang Q ("I") des Flip-Flops 21 aktiviert bzw. durchgeschaltet. An dererseits werden die UND-Glieder 24 und 27 durch den Rückstellausgang Q ("0") des Flip-rFlops 22 gesperrt. Infolgedessen werden die Ausgangsimpulse der Frequenz f des astabilen Multivibrators 11 durch den Zähler I9 gezählt, und der Aufwärts/ Abwärts-Zähler 2o zählt infolge der AusgangsImpulse des Bezugs-Oszillators 14 vom Ausgangswert, z.B. 0, aufwärts. Bei einer Zählung von 1oⁿ/oc/ Impulsen liefert der Zähler I9 ein Ausgangssignal des Pegels ⁿ1ⁿ zum Setzen bzw. Durchschalten des Flip-Flops 21. Hierdurch werden die UND-Glieder 25 und gesperrt, wo-durch die Zähloperation der Zähler 19 und 2o

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beendet wird.

Wenn dann der Normal-Widerstand R_ mit dem astabilen Multi-

vibrator verbunden wird, wird das Flip-Flop 22 gesetzt, um am Ausgang Q eine "1" zu liefern, wodurch wiederum die UND-Glieder 24 und 27 aktiviert werden. Infolgedessen werden die Ausgangsimpulse der Frequenz f_ durch den Zähler 1} gezählt, während die Ausgangsimpulse des Bezugs-Oszillators 14 den Zähler 2o auf 0 abwärts zählen lassen. Wenn der Inhalt des Aufwärts/Abwärts-Zählers 2o zu 0 wird, wird das Flip-Flop 22 gesetzt, um die UND-Glieder 24 und 27 zu sperren und daraufhin die Zähloperationen der Zähler 13 und 2o zu beenden. Die Hochzählzelt des Aufwärts/Abwärts-Zählers 2o von 0 aus entspricht genau seiner Abwärts-Zählzelt auf 0. Die Zeitspanne, während welcher der Zähler IJ die Ausgangsimpulse der Frequenz f. zählt, entspricht daher genau der Zeltspanne, während welcher der Zähler 19 Io /cc Impulse mit der Frequenz f. zählt. Die Recheneinheit 17 kann daher auf vorher beschriebene Welse die Temperatur T unter Zugrundelegung des temperaturabhängigen Werts ML, der vorbestimmten Bezugstemperatür T_Q und des vom Zähler 19 zu zählenden, vorgegebenen Werts Μ_χ (1oⁿ/o^ ) entsprechend der Gleichung T= Io~ⁿ(10¹¹T^M_x-M₈) berechnen, die eine Abwandlung von Gleichung (5) darstellt.

Die AusfUhrungsform gemäß Fig. 5 benötigt zwei Zähler zum Zählen der Ausgangsimpulse vom astabilen Multivibrator sowie eine Rechenschaltung bzw. -einheit. Wie aus der Beziehung Τ=1ο"^η(1ο^ηΤ_Λ+Μ,,-Μ_β) hervorgeht, kann die Zähl- und Rechenoperation mittels eines einzigen Aufwärts/Abwärts-Zählers durchgeführt werden. Ein Beispiel hierfür 1st in Fig. 6 veranschaulicht.

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Die AusfUhrungsfoim gemMfl Fig. 6 besteht aus einem Temperatur/ Frequenzwandler-Oszillator bzw. einem astabilen Multivibrator 1o1, einem Bezugs-Oszillator 1o2, einem Schrittzähler 1o3 eines 2-Bit-Ringzählers, einem rechnenden Aufwärts/Abwärts-Zähler 1o4 zum Zählen der Ausgangsimpulse des Oszillators 1o1 zwecks Lieferung eines Temperatur-Meßwerts, einem Konstantengenerator 1o5 zum Voreinstellen eines vorgegebenen Anfangs- bzw. Ausgangswerts im Zähler 1o4, einem Aufwärts/Abwärts- bzw. Basiszähler 1o6 zum Zählen der Ausgangsimpulse des Bezugs-Oszillators 1o2 zwecks Bestimmung der Zählzelt des Zählers 1o4, einem Maximal-Reglaterspelcher 1o7 zur Speicherung des maximalen bzw. größten Werts des Zählers 1o4, einer an den Registerspeicher 1o7 angeschlossenen Digitalanzeige 1o8 zur Darstellung des größten Temperatürmeβ-werts, einem Komparator I09 zum Vergleichen der Inhalte des Speichers 1o7 und des Zählers 1o4, einem Zähler Ho zur Lieferung eines Ausgangssignals "1", wenn M Ausgangsimpulse des Bezugs-Oszillators 1o2 gezählt worden sind, sowie logischen Torschaltungen 111 bis 123·

Wenn beim Schaltkreis gemäß Fig. 6 ein nicht-dargestellter· Hauptstromschalter umgelegt wird, wird ein anfänglicher Freimachimpule erzeugt. Dieser Impuls wird über das ODER-Glied 111 an die FREI-Klemme CLR des Schrittzählers 1o}, über das ODER-Glied 125 an die FREI-Klemme CLR des Baelszählers I06 und unmittelbar an die FREI-Klemme CLR des Registerspeichere 1o7 und des Zählers Ho angelegt. Der anfängliche Freimachimpuls wird außerdem über das ODER-Glied 117 an die LADE-Klemme LD des Zählers 1o4 angelegt, mit dem Ergebnis, daß eine vorgegebene Konstante, z.B. 3·7οο, vom Konstantengenerator 1o5 in den Zähler 1o4 eingegeben wird. Weiterhin wird dieser anfängliche Impuls über das ODER-Glied 121 dem astabilen Multivibrator Ιοί aufgeprägt, um einen elektronischen Schalter

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SW₁₁ zum Verbinden des Thermistors R_x mit dem astabilen Multivibrator zu schließen. Zu diesem Zeitpunkt öffnet sich ein anderer, mit dem Normal-Widerstand R_ verbundener

Schalter SW₁₂* Der Oszillator lot beginnt daher auf einer vom Widerstandswert des Thermistors R abhängigen Frequenz zu schwingen, während der Bezugs-Oszillator 1o2 ebenfalls auf der Frequenz f_Q schwingt.

Wenn der anfängliche Freimach-Impuls nicht mehr anliegt, wird der Ausgang "0" des Schrittzählers I03 auf einen hohen Wert bzw. Pegel gebracht, um die Operation "Schritt 0" einzuleiten. Dabei werden die beiden UND-Glieder 118 und 122 aktiviert bzw. durchgeschaltet, wobei die Aufwärts/Abwärts -Steuerklemmen U/D der Zähler 1o4 und I06 an hohem Pegel liegen, so daß diese Zähler als Aufwärtszähler für die an TAKT-Klemmen CO erscheinenden Impulse arbeiten. Der Zähler 1o4 zählt die über das UND-Olied II8 und das ODER-Glied 12o eingehenden Impulse der Frequenz f vom voreingestellten Anfangswert 3.700 entsprechend der Bezugstemperatur T_Q (37°C) bis auf 23.700. Wenn der Zählwert des Zählers 1o4 die GrUBe 23.700 erreicht, liefert der Zähler to4 ein Signal "1". Der Zähler I06 zählt die fiber die UND-Glieder 122 und 124 eingehenden Impulse mit der Frequenz f_Q. Zu dem Zeltpunkt, zu welchem der Zähler 1o4 das Signal "1" erzeugt, wird über das UND-Glied II3 und das OBER Glied 112 ein Impuls an die TAKT-Klemme CO des Schrittzählers I03 angelegt, so daß der Ausgang 1 des Schrittzählers I03 zur Einleitung der Operation "SCHRITT 1" auf den hohen Pegel tibergeht. Beim SCHRITT 1 beenden die Zähler 1o% und I06 ihre Zählvorgänge, und das Ausgangssignal des ODER-Glieds 121 ist "0*, so daß der Schalter SW₁₁ geöffnet und der Sehalter SV-g geschlossen wird. Weiterhin wird der Zähler Ho durch ein an die AKTIYIER-Klemme E angelegtes Signal "1" aktiviert bstr. durchgeschaltet» um nach etwa 9 ■* ein Aignal "1" zu liefern, wenn die

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Frequenz des Bezugs-Oszillators 1o2 gleich 445 kHz beträgt, d.h. nach 4.ooo Zählungen. Der Inhalt des Schrittzählers

103 wird bei Eingang des Auagangssignals vom Zähler 11o um 1 erhöht, wodurch der "SCHRITT 2" eingeleitet wird. SCHRITT 1 (2) ist vorgesehen, um die Operationen der Zähler

104 und 1o6 während der Zeit des Umschaltens zwischen Thermistor R und Normal-Widerstand R anzuhalten. Beim SCHRITT 2 werden die UND-Glieder 119 und 123 aktiviert bzw. durchgeschaltet und die Klemmen von U/D der Zähler 1o4 und 1o6 auf einen niedrigen Pegel gebracht. Infolgedessen wird der Inhalt des Zählers 1o4 in Abhängigkeit von den über das UND-Glied 119 und das ODER-Glied 12o zügeführten Taktimpulsen mit der Frequenz f von 23.700 abwärts gezählt. Gleichzeitig wird der Inhalt des Zählers I06 in Abhängigkeit von den über das UND-Glied 123 und das ODER-Glied 124 gelieferten Taktimpulsen der Frequenz f_Q von der während der vorhergehenden Hochzähloperation erreichten Zählung abwärts gezählt. Der Zähler I06 liefert ein Ausgangssignal "1", wenn sein Inhalt auf den Anfangs- bzw. Ausgangswert 0 zurückkehrt, wobei dieses Signal wiederum über das UND-Glied 115 und das ODER-Glied 112 an den Schrittzähler angelegt wird, um dadurch "SCHRITT 3" einzuleiten. In SCHRITT 3 sind die UND-Glieder 118, 119, 122 und 123 gesperrt, so daß die Zähler 1o4 und I06 zu arbeiten aufhören. Zu diesem Zeitpunkt besitzt der Inhalt des Zählers 1o4 die Oröße 23.700-M₃. In SCHRITT 3 erfolgt das Umschalten zwischen dem Thermistor R und den Normal-Widerstand R,, und der Komparator 1o9 beginnt in

S *

Abhängigkeit von einem START-Signal bzw. Ausgangssignal 3 des Schrittzählers I03 zu arbeiten. Der Komparator I09 vergleicht den Inhalt des Zählers 1o4 mit dem Inhalt des Speichers I07. Wenn bei diesem Vergleich der Inhalt des Zählers 1o4 größer 1st als derjenige des Speichers 1o7, d.h. wenn CCD> NRM , wird ein Signal an die LADE-Klemme LD des

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Speichers 1o7 angelegt, um den Inhalt des Zählers 1o4 in den Speicher 1o7 einzugeben. Durch den Speicher 1o7 wird der Höchstwert der gemessenen Temperatur wie im Fall eines klinischen Quecksilber-Thermometers gespeichert bzw. fest gehalten und durch die Digitalanzeige-Vorrichtung 1o8 angezeigt. Nach Abschluß des VergleichsVorgangs des Komparators 1o9 wird ein ENDE-Signal Über das UND-Glied 116 und das ODER-Glied 112 zum Schrittzähler 1o3 und außerdem über das ODER-Glied 117 zur LADE-Klemme des Zählers 1o4 geleitet. Daraufhin geht der Schrittzustand wieder auf den "SCHRITT 0" zurück, und der Anfangswert (3.700) wird wiederum In den Zähler 1c4 eingegeben/Die bisher beschriebenen Schrittzyklen werden durch den Schrittzähler wiederholt, während die Temperaturanzeige unverändert bleibt, sofern die gemessene Temperatur nicht ansteigt.

Wenn bei Verwendung der AusfUhrungsform gemäß Flg. 6 als klinisches Thermometer die gemessene Temperatur unterhalb des normalen Körpertemperaturbereichs (35-42°C) liegt, überschreitet der Inhalt des Zählers I06 möglicherweise den maximalen Zählungswert, der vom Zähler I06 erreichbar ist, bevor der Zähler I06 seine maximale bzw. größte Zählung (23.700) erreicht. In diesem Fall kann die Schaltung so ausgelegt sein, daß der Zähler I06 ein ÜBERLAUF-Ausgangssignal zum Freimachen des Zählers I06 selbst sowie des Schrittzählers und zum Eingeben der Konstante 3.700 In den Zähler 1o4 erzeugt.

Das elektronische Thermometer gemäß der Erfindung eignet sich für die Auslegung als Integrierter Schaltkreis unter Verwendung von CMOS-Transistoren, so daß es sehr klein ausgebildet sein und vorzugsweise Batterien als Stromquelle verwenden kann. Wie vorstehend beschrieben, kann die Temperatur innerhalb einer kurzen Zeltspanne durch Vergleich der Frequenzen f und

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f_ gemessen werden, die erzeugt werden, wenn der Thermistor R bzw. der Normal-Widerstand R an den Impuls-Oszillator angeschlossen sind. Meßfehler aufgrund von Abweichungen der Schwingfrequenz infolge von Schwankung der Speisespannung werden im Vergleich zu den bisherigen Gerfiten, welche die Frequenz f unmittelbar messen, erheblich verringert. Außerdem brauchen nicht unbedingt hochpräzise Bauteile verwendet zu werden. Der Bezugs-Oszillator 1o2 braucht nicht über einen längeren Zeitraum hinweg eine hohe Frequenzstabilität zu besitzen, so daß ein billiger piezoelektrischer Keramlkvibrator PCV als Oszillator ausreichend ist.

Wie aus Gleichung (3) hervorgeht, ist es wünschenswert, daß der Thermistor R bei der Bezugstemperatur T_Q einen vorgegebenen Widerstandswert (z.B. 1o ΚΠ.) und einen vorgegebenen Temperaturkoeffizienten 00 (z.B. 5x1o"') besitzt. Tatsächlich zeigen Jedoch Thermistoren gleicher Bauart vom Herstellungsverfahren abhängige Schwankungen Im Widerstandswert und im Temperaturkoeffizienten. Aus diesem Grund ist es schwierig, Thermistoren mit dem gewünschten bzw. vorgesehenen Widerstandswert und Temperaturkoeffizienten herzustellen. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß ein erster variabler bzw. Regelwiderstand r. mit dem Thermistor R und ein zweiter Regelwiderstand r₂ mit einer Parallelschaltung aus dem Thermistor R„ und dem Normal-Widerstand R_ auf die in Flg. 6 gezeigte Welse in Reihe geschaltet werden. Der erste Widerstand r₁ dient zum Kompensieren des Widerstandswerts des Thermistors R , während der zweite Widerstand r_o eine Kompensation des Temperaturkoefflzlenten X gewährleistet.

Ein allgemeiner Ausdruck für Thermistoren, deren Widerstandewert und Temperaturkoeffizient Schwankungen unterworfen sind, bestimmt sich durch folgende Gleichung

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R_x-R₁, (1-O₀(T-T₀)) (H)

Beispielswelse betragen Ηη,₀=9,9ο KfI und o^₀=5, Anhand von Gleichung (11) bestimmt sich die gemessene Temperatur durch die Gleichung

^To + S₀-U-

Aus Gleichung (12) geht hervor, daB die vorstehend genannte Ausführungsform, im Gegensatz zu der von Gleichung (3) abgeleiteten Gleichung T=T_Q4^(1- _£) bei Verwendung nur des

^RB

Thermistors R„ und des Normal-Widerstands R. keine genaue Messung zu gewährleisten zu vermag, wenn Thermistoren der

Werte R-, /R_ und α^06 verwendet werden. O

Bei Verwendung des Oszillators gemäß Fig. 6 läßt sich die gemessene Temperatur T durch folgende Gleichung ausdrucken

m _». * / Λ Χ X *\ Πι)

^ΤΟ ⁺ ά⁽¹ > ⁽¹³⁾

Wenn die Widerstände r. und r_g wie folgt eingestellt bzw. Justiert sind:

O₀ ) (11)

r, » -£ R₁^ - R
2 α "T₀ a

ändert sich Gleichung (13) zu

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Dies bedeutet, daß die Temperaturmeßvorrichtung auch bei Verwendung des Thermistors mit der Eigenschaft bzw. Kennlinie gemäß Gleichung (11) durch entsprechen*Einstellung der Widerstände r. und r_? so geeicht werden kann, daß eine genaue Temperaturmessung möglich ist.

In der Praxis wird der Meßfühler der Temperaturmeßvorrichtung in eine Thermostatkammer eingesetzt, deren Temperatur auf die Bezugstemperatur T_Q geregelt wird. Dabei wird die Temperaturanzeige durch Einstellung des ersten Regelwiderstands r^ auf T₀ gesetzt, worauf die Temperatur der Thermostatkammer auf T. (^T₀) eingestellt wird. Hierauf wird der zweite Regelwiderstand r« so eingestellt, daß die Temperaturanzeige den Wert T₁ wiedergibt. Nach dieser Einstellung genügen die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Regelwiderstands r. bzw. r₂ den Beziehungen nach Gleichung (14). Wahlweise kann der erste Widerstand r. gemäß Fig. 7 mit dem Normal-Widerstand R_a in Reihe geschaltet sein,

Die Erfindung 1st nicht auf die vorstehend beschriebenen AusfUhrungsformen beschränkt, solange die Temperatür-Ausgangsschaltung die Jeweiligen Temperaturen auf der Grundlage von Gleichung (5) mißt. Im Falle einer Zählungsgröße der Impulse f_Q von N , wenn die Zählungsgröße der Impulse f gleich M„ beträgt (Zählzeit t), und im Fall der Zählung bzw. Zählungsgröße der Impulse f_Q von N_g, wenn die Zählungsgröße der Impulse f gleich M_ entspricht (Zählzelt t ), werden im allgemeinen die folgenden Gleichungen erhalten:

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M„ - f - f

^{X X x} } (16)

S 8

^X ° ^X } (17)

^Ns ^β V¹S

Sofern gilt M »Μ_β, kann Gleichung (5) unter Heranziehung der Gleichungen (16) und (17) wie folgt modifiziert werden:

(18)

Ersichtlicherweise kann die Temperatur auf der Basis von Gleichung (18) gemessen werden. Um beispielsweise bei der AusfUhrungsform gemäß Flg. 6 die Temperatur auf der Basis von Gleichung (18) zu messen, kann diese AusfUhrungsform so abgewandelt werden, daß die Impulse f_Q des Bezugs-Oszillators 1o2 an den Zähler 1o4 und die Ausgangsimpulse des astabilen Multivibrators Ιοί an den Zähler 1o6 angelegt werden.

Außerdem läßt sich die Temperaturkennlinie des Thermistors gemäß Fig. 4 ungefähr wie folgt darstellen:

x l+a(T-T-)

In diesem Fall ergibt sich folgende Gleichung

(20)

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Die Temperatur-Ausgangsschaltung vermag die Temperatur auf der Grundlage der Gleichung (2o) zu messen.

Obgleich die vorstehend offenbarten AusfUhrungsformen der Erfindung in Verbindung mit Celsiusgraden bzw. Celsius-Thermometern erläutert sind, läßt sich das erfindungegemäBe Thermometer selbstverstHndllch auch IUr die Messung von Fahrenheit-Graden auslegen.

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Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Temperaturmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch einen Oszillator (1), an den ein temperaturempfindliches Widerstandselement (R_x) und ein temperaturunempfindliches Widerstandselement (R₈) abwechselnd als frequenzbestimmendes Element zur Lieferung einer temperaturabhängigen Frequenz (f ) bzw. einer temperaturunabhängigen Frequenz (f₀) ankoppelbar sind« und durch eine an den Oszillator angeschlossene Temperatur-Ausgangs sohaltung (2) zur Lieferung eines Temperaturmefiwerts (T) auf der Grundlage der Gleichung

   ^T0

   worin T₀ = eine vorbestimmte Bezugstemperatur und

   ot/ a einen Temperaturkoeffizienten des temperaturempfindlichen Widerstandselements

   bedeuten.

   -2-Bl/eg

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   ORIGINAL INSPhCl hD
2. 2. Elektronische Temperaturmeßvorrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, bestehend aus einem Impulsoszillator mit einem temperaturempfindlichen Widerstandselement als frequenzbestimmendes Element, einer Temperatur-Ausgangsschaltung mit einem an den Impulsoszillator angeschlossenen Zähler zum Zählen der Ausgangsimpulse des Oszillators während einer vorgegebenen Zeitspanne zwecks Lieferung eines Temperaturmeßwerts auf der BasIe der während der vorgegebenen Zeitspanne gezählten Impulse, und einer Zeitentscheidungsschaltung zur Bestimmung der Impulszählzelt des Zählers, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator so angeordnet ist, daß das temperaturempfindliche Widerstandselement und ein Normal-Widerstandselement, das fUr Temperatur praktisch unempfindlich ist, abwechselnd mit dem Oszillator verbindbar sind, daß die Temperatur-Ausgangsschaltung so ausgelegt ist, daß der Zähler während der von der Zeitentscheidungsschaltung bestimmten Zeitspanne die Impulse zählt, die erzeugt werden, wenn zumindest das Normal-Widerstandselement mit dem Impulsoszillator verbunden ist, und daß ein Temperaturmeßwert durch Berechnung unter Heranziehung von Impulazahlen, die während der von der Zeltentscheidungsschaltung bestimmten Zeitspanne gewonnen werden, wenn das temperaturempfindliche Widerstandselement und das Bezugswiderstandselement abwechselnd mit dem Impulsoszillator verbunden sind, lieferbar 1st.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler der Temperatür-Ausgangsschaltung ein Aufwärts/Abwärts-Zähler ist, der aufgrund erster Ausgangsimpulse des Impulsoszillators von einem Anfangs- bzw. Ausgangswert auf einen vorgegebenen Wert

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   hochzählt, wenn das temperaturempfindliche Widerstands element mit dem Impulsoszillator verbunden 1st, und der aufgrund zweiter AusgangsImpulse des Impulsoszillators abwärts zählt, wenn das Normal-Widerstandselement mit diesem Oszillator während der Zeitspanne, während welcher der Zähler aufgrund der ersten Ausgangsimpulse vom Anfangswert auf den vorgegebenen Wert hochzählt, verbunden 1st» so daß durch den Inhalt des Zählers ein Temperaturmeßwert lieferbar 1st.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeltentscheldungsschaltung einen Bezugsoszillator, mit diesem verbundene Einrichtungen zur Lieferung eines Aktivler- oder Durchschaltlmpulses einer vorgegebenen Dauer und ein zwischen den Ausgang des Impulsoszillators und den Zähler der Temperatür-Ausgangsschaltung geschaltetes UND-Glied aufweist, das durch den Aktivierimpuls durchschaltbar ist, um die Ausgangs impulse des Oszillators an den Zähler anzulegen.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler der Temperatür-Ausgangsschaltung Ausgangsimpulse des Impulsoszillators zu zählen vermag, die bei an diesen angeschlossenem Normal-Widerstandselement erzeugt werden, daß die Zeitentscheidungsschaltung einen zusätzlichen Zähler umfaßt, der eine vorgegebene Zahl von Ausgangsimpulsen des Impulsoszillators zu zählen vermag, die bei mit diesem verbundenem temperaturempfindlichen Widerstandselement erzeugt werden, daß ein Bezugsoszillator, ein an diesen angeschlossener Aufwärts/Abwärts-Zähler, der während der Zeltspanne, während welcher der aas ätz Ii ehe Zähler die vorgegebene Zahl

   -4-

   von Ausgangsimpulsen des Bezugsoszillators zählt, von einem Anfangs- bzw. Ausgangswert hochzuzählen und nach Abschluß des Zählvorgangs des zusätzlichen Zählers die Ausgangsimpulse des Bezugsoszillators abwärts zu zählen vermag, und eine Steuereinrichtung vorgesehen sind, welche den Aufwärts/Abwärts-Zähler die Ausgangs-Impulse des Bezugsoszillators während der Zeltspanne, in welcher der zusätzliche Zähler die vorgegebene Zahl von Ausgangsimpulsen des Impulsoszillators zählt, die bei an diesen angeschlossenen temperaturempfindlichen Widerstandselement erzeugt werden, hochzählen IKSt und den Zähler der Temperatür-Ausgangsschaltung während des Abwärtszählvorgangs des Aufwärts 'Abwärts-Zählers die Ausgangsimpulse des Impulsoszillators zählen läßt, die bei mit letzterem verbundenem Normal-Widerstandselement erzeugt werden.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsoszillator einen mit dem temperaturempfindlichen Element in Reihe geschalteten ersten Elch- bzw. Abgleichwiderstand und einen sowohl mit dem temperaturempfindlichen Widerstandselement als auch mit dem Normal-Widerstandselement in Reihe geschalteten zweiten Elch- bzw. Abgleichwiderstand aufweist.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Impulsoszillator ein nur mit dem Normal-Widerstand in Reihe geschaltetes erstes Eichbzw. Abglelchwiderstandselement und ein zweites Elchbzw. Abglelchwlderstandselement aufweist, das sowohl mit dem temperaturempfindlichen Wi-derstandselement als auch mit dem Normal-Widerstandselement in Reihe geschaltet ist.

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