DE3330915C2

DE3330915C2 - Vorrichtung zur Ermittlung eines Temperaturwertes mittels mindestens eines temperaturabhängigen Fühlerwiderstandes

Info

Publication number: DE3330915C2
Application number: DE19833330915
Authority: DE
Inventors: Kjeld Nordborg Aagaard; Iver Joergensen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1983-08-27
Filing date: 1983-08-27
Publication date: 1986-09-04
Also published as: SE8403843L; DK400784A; JPH0338535B2; DK400784D0; SE8403843D0; CA1213672A; DK163610C; DE3330915A1; JPS6071925A; DK163610B

Abstract

Eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Temperaturwertes mittels mindestens eines temperaturabhängigen Fühlerwiderstandes (F1, F2) besitzt eine Auswerteschaltung, die einen von der Temperatur des Fühlerwiderstandes abhängigen Spannungsabfall verarbeitet. Der Fühlerwiderstand (F1, F2) liegt mit zwei festen Eichwiderständen (G, D) in Reihe an einer gemeinsamen Stromquelle (1). Der Grundwiderstand (G) hat einen unteren Eichwert (Re1), den der Fühlerwiderstand bei einer vorgegebenen tieferen Temperatur annimmt. Der Differenzwiderstand (D) hat einen Differenz-Eichwert (Rd) solcher Größe, daß die Reihenschaltung der Eichwiderstände einen oberen Eichwert (Re2) hat, den der Fühlerwiderstand bei einer vorgegebenen höheren Temperatur annimmt. Die Auswerteschaltung ermittelt den aktuellen Temperaturwert aus mindestens einem Meß-Spannungsabfall (Vf1, Vf2) unter Berücksichtigung einer Eichkennlinie, die sich aus mindestens einem Eichwert (Re1, Re2, Rd) und dem zugehörigen Eich-Spannungsabfall (Ve1, Ve2, Vd) ergibt. Dies führt zu einer sehr einfach aufgebauten Vorrichtung, die sich leicht justieren läßt.

Description

bei einer Messung einer Temperaturdifferenz, beispielsweise der Differenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur, der Einfluß des Grundwiderstandes herausfällt und man allein mit dem Bezugs-Spannungsabfall des Differenzwiderstandes arbeiten kann. Da nur noch die Toleranz dieses Widerstandes in das Rechenergebnis eingeht, und zwar nur mit einem Bruchteil der Gesamttoleranz, nämlich im Vei hältnis der Temperaturdifferenz zum gesamten Temperaturbereich dieses Bezugswiderstandes, ergibt sich eine besonders genaue Messung.

Die Anwendung nach Anspruch 3 ist besonders vorteilhaft, weil sie es erlaubt, Wärmemengen mit hoher Genauigkeit zu messen. Kerner kann ein und dieselbe digitale Rechenschaltung nicht nur die Umrechnung der Meßwerte in Temperaturwerte, sondern aus den zugeführten Daten auch die Wärmemenge berechnen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die Reihenschaltung der Bezugs- und Fühlerwiderstände,

F i g. 2 schematisch eine Auswerteschaltun^, für eine Vorrichtung zur Messung der in einem Wärmetauscher übertragenen Wärmemenge und

F i g. 3 in einem Diagramm eine bei der Auswertung verwendete Kennlinie.

Gemäß Fig. 1 liegt ein Vorlauf-Fühlerwiderstand Fi, der einen temperaturabhängigen aktuellen Wert Rn besitzt, und ein Rücklauf-Fühlerwiderstand Fz, der einen temperaturabhängigen aktuellen Wert Rn besitzt, in einer Reihenschaltung mit zwei Bezugswiderständen, nämlich einem Grundwiderstand G und einem Differenzwiderstand D, an einer gemeinsamen Stromquelle 1. Der die Reihenschaltung durchfließende Strom / beträgt beispielsweise 1 mA ± 5%. Der Grundwiderstand hat einen definierten Wert, nämlich den unteren Bezugswert Ra, der beispielsweise 100 Ohm ± 0,01% beträgt Der Differenzwiderstand hat einen definierten Wert, nämlich den Differenz-Bezugswert Ra, der beispielsweise 50 Ohm ± 0,01% beträgt. Die Reihenschaltung der Bezugswiderstände G und D hat daher ebenfalls einen definierten Wert, nämlich den aberen Bezugswert R_e 2, der demnach 150 Ohm beträgt Die Fühlerwiderstände F\ und Fj sind bei dieser Ausführungsform PTl 00-Widerstände, so daß der untere Bezugs- wert Re 1 dem Wert der Fühlerwiderstände bei 0⁰C und der obere Bezugswert R_e2 dem Wert der Fühlerwiderstände bei etwa 130⁰C entspricht Bei fließendem Strom / lassen sich an den Fühlerwiderständen Fi und F2 die Meß-Spannungsabfälle V_t 1 bzw. Vf2 abgreifen. An den Bezugswiderständen G und D bzw. ihrer Reihenschaltung lassen sich die Bezugs-Spannungsabfäile V_c 1 bzw. V₁/bzw. V_c2 abgreifen. Im Betrieb werden jedoch höchstens zwei dieser Bezugs-Spannungsabfäile benötigt, da sich der dritte Bezugs-Spannungsabfall hieraus berechnen läßt

Wie Fig.2 zeigt, liegen an den Eingängen 2 eines Multiplexers 3 die bereits erwähnten 3ezugs-Spannungsabfälle V_ci und V, 2, die Meß-Spannungsabfälle Vf \ und Vf 2 sowie ein dem Durchfluß durch die Wärmetauscheranlage entsprechender Durchfluß-Spannungsabfall V_q und ein dessen Kalibrierung bewirkender Bezugs-Spannungsabfall Ve 3 an. Die Eingänge 2 werden unter dem Einfluß eines über einen Steuereingang 4 zugeführten Adressinsignals nacheinander abgefragt, wobei beispielsweise die Meß- und Durchfluß-Spannungsabfälle Vtu Vn unti V_q wenigstens einmal pro Sekunde und die übrigen Bazugs-Spannungsabfälle V₁.1.

V_e2 und Vc3 etwa alle zehn Sekunden an den Ausgangs des Multiplexers 3 geleitet werden. Dieser Ausgang 5 steht — gegebenenfalls über einen nicht veranschaulichten Verstärker — mit einem Analog-Digital-Umsetzer 6, im einfachsten Fail einem spannungsabhängigen Oszillator, in Verbindung, der die entsprechenden Digitalsignale über einen Optokoppler 7 an die Rechenschaitung 3 eines Mikroprozessors 9 abgibt Der Mikroprozessor erzeugt auch die Adressensignale für den Multiplexer 3, die an dessen Steuereingang 4 über einen weiteren Optokoppler 10 abgegeben werden. Der Mikroprozessor 9 weist verschiedene Speicherbereiche auf, beispielsweise einen Zwischenspeicher 11 zur Zwischenspeicherung der über den Multiplexer 3 zugeführten und digitalisierten Signale und einen Speicher 12, der einen Eingang 13 besitzt, über den einige oder alle Bezugswerte R_e i, Rc2 bzw. Rd eingegeben werden können. Durch die Optokoppler 7 und 10 ist die Eingangsstufe der so gebildeten Auswerteschaltung 14 von dem übrigen Gerät galvanisch getrennt Der Mikroprozessor S weist femer eine Zeitbasis 15 auf, die beispielsweise mit einem sehr genau arbeitenden Kristall versehen ist

Mit einem Ausgang 16 des Mikroprozessors 9 ist ein Gerät 17 verbunden, das zwei mechanische Zähier 17' und 18 sowie eine Anzeigevorrichtung 19 aufweist Der Zähler 17' summiert beispielsweise laufend den Durchfluß und der Zähler 18 die Wärmemenge. Die Anzeigevorrichtung 19 kann mit Hilfe von Umschaltern 20 auf verschiedene Werte umgeschaltet werden, beispielsweise auf Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur, Differenztemperatur, minimale Differenztemperatur, Durchflußmenge, Skalenwert der Durchflußmenge, Wärmemenge u. dgl.

Ein weiterer Ausgang 21 ist mit einem Digital-Analog-Umsetzer 22 verbunden, an dessen Ausgang 23 programmierbar Stromsignale abgegeben werden können, beispielsweise für die Wärmemenge, die Durchflußmenge, die Vorlauf temperatur, die Rücklauf temperatur oder die Differenztemperatur. Der Stromausgang kann beispielsweise durch ein eingeprägtes Stromsignal von 4 bis SO mA gebildet sein.

Ein weiterer Ausgang 24 des Mikroprozessors 9 führt zu mehreren Optokopplern 25,26,27 and 28. Der Optokoppler 25 gibt Impulse synchron zum Zähler 17, also zur Durchflußmenge, der Optokoppler 26 Impulse synchron zum Zähler 18, also zur Wärmemenge, ab. Der Optokoppler 27 kann beispielsweise einen Alarm weitergeben, wenn die Differenztemperatur kleiner ist als die eingestellte Minimaldifferenztemperatur. Der Optokoppler 28 kann ein Fehlersignal abgeben, beispielsweise in Abhängigkeit von einem Fühlerfehler, vom Ausfall des Stroms u. dgl.

Mehrere Einstellschalter 29 dienen dazu, die Wärmemengen-Meßvorrichtung auf verschiedene Anwendungen einzustellen. Sa kann beispielsweise oie minimale Differenztemperatur, der Stromausgang im Digital-Analog-Wandler 22 oder der Multiplikationsfaktor für die Zähler 17' und 18 eingestellt werden. Vier Umschalter 30 für binärcodierte Dezimalziffern erlauben es, den Endbereich der Durchflußmengenskala von 0 bis 9999 nvVh einzustellen.

In F i g. 3 ist über dem Spannungsabfall Vder Wert R c der Widerstände dargestellt. Die veranschaulichte Kennlinie K ergibt sich, wie die eingetragenen Daten zeigen, wenn man zwei der Bezugs-Wertepaare /?«· \l V\ bzw. Rc₂ZVi bzw. RJ V₁/ einträgt. Wenn darüber hinaus die Meß-Spannungsabfälle V_n bzw. Vn bekannt sind, läßt sich der zugehörige Wert Rr\ bzw. R₁₂ der Fühler-

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widerstände Fi bzw. F₂ ohne weiteres errechnen. Wenn Wegen der Differenzbildung der aktuellen Werte der

durch irgendwelche äußeren Umstände, z. B. durch eine Fühlerwiderstände braucht die Umrechnung nur noch Änderung des Stromes /, die Kennlinie sich ändert, so mit dem Differenz-Bezugiswert und dem zugehörigen behalten die Werte der Fühlerwiderstände trotzdem Bezugs-Spannungsabfall oder deren Äquivalenten zu den richtigen Wert. s erfolgen. Diese Vereinfachung ist zulässig, wenn Fiihlcr-

Beispielsweise kann man aus den in F i g. 3 angegebe- widerstand und Temperatur nicht gemäß einer Kurvennen Daten nachstehende Gleichung über die Steigung funktion sondern linear voneinander abhängig sind oder der Kennlinie K bilden wenn Abweichungen von dieser Linearität nicht merk

lich ins Gewicht fallen, insbesondere bei kleinen Tempe- ? ίο raturdifferenzen. £.

Bei einer Differenzbildung spielt daher lediglich noch ψ< die Steigung der Kennlinie K eine Rolle, bei der nur der .': Differenzwiderstand D beachtet werden muß. Der :^;

Hieraus ergibt sich durch einfache Umformung die Grundwiderstand C ist herausgefallen. Infolgedessen ist Gleichung. 15 nur die Toleranz des Differenzwiderstandes D zu be- ';

rücksichtigen und dieser auch nur im Verhältnis der '■

jf Differenz der Meß-Spanniungsabfälle Vn- Vn zu dem

Rf ι ⁼ Re⁺ (Vfi ~ K) - -y- Bezugs-Spannungsabfall Vjam Differenzwiderstand.

^d Wenn beispielsweise bi;i einem PTlQQ Widerstand

μ der Differenz-Bezugswert 50 Ohm ± 0,01% beträgt

wobei und der Differenzbereich von 0 bis 130⁰C geht, so ent

spricht TC etwa 380 Milliohm. Die Gesamttoleranz des

Rf \ der aktuelle Wert des Fühlerwiderstandes, Differenzwiderstandes D beträgt ± 5 Milliohm. Dies V_n der zugehörige Netz-Spannungsabfall, entspricht 0,013⁰C bei 130⁰C Differenz. Die Genauig- R_e der untere oder obere Bezugswert, 25 keit pro 1°C der Differenz liegt demnach bei 0,0001⁰C/ V_e der zugehörige Bezugs-Spannungsabfall, ⁰C Auch bei sehr kleinen Temperaturdifferenzen erge- Rd der Differenz-Bezugswert oder die Differenz zwi- ben sich daher keine merklichen Fehler.

sehen oberem und unterem Bezugswert und Die bi ichriebene Vorrichtung läßt sich auch für an-

Vd der zugehörige Bezugs-Spannungsabfall oder die dere Anwendungszwecke der Temperaturmessung an- : zugehörige Bezugs-Spannungsabfall-Differenz ist 30 wenden, beispielsweise zur Überwachung oder Rege- "1%

lung von Prozessen in maritimen und industriellen AnIa- [', Auf diese Weise ergibt sich der aktuelle Wert des gen.

Fühlerwiderstandes aus drei gemessenen Spannungsab- Es können auch andere temperaturabhängige Wider- ;

fällen und zwei gespeicherten Bezugswerten. Aus dem stände verwendet werden, beispielsweise Nickelfühler.

so gewonnenen aktuellen Wert läßt sich in üblicher 35 :

Weise die Temperatur des Fühlerwiderstandes berech- Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

nen» auch wenn kein linearer Zusammenhang zwischen

Fühlertemperatur und Fühlerwiderstand besteht

Insbesondere kann der mindestens eine Fühlerwiderstand durch einen PTlOO-Widerstand gebildet sein, des- 40
sen Widerstandswert sich zusätzlich zu einem linearen
Teil quadratisch in Abhängigkeit von der Temperatur
ändert

Bei einer Differenzbildung kann man auch die nachstehende Gleichung 45

V,x-V,i V_d

aus F i g. 3 herleite;., woraus sich die folgende Gleichung

ergibt: '

Rfi-R/2= W₁-V/i)^f- 55 I

^d υ

wobei jj

/?/i der aktuelle Wert des ersten Fühlerwiderstands, 60 @

Vf 1 der zugehörige Meß-Spannungsabf all, |] Rn der aktuelle Wert des zweiten Fühlerwiderstandes, {$ Vf₂ der zugehörige Meß-Spannungsabf all, pj Rd der Differenz-Bezugswert oder die Differenz zwi- j

sehen oberem und unterem Bezugswert und 65 &

Vd der zugehörige Bezugs-Spannungsabfall oder die ||

zugehörige Bezugs-Spannungsabfall-Differenz ist fi

Claims

1 2 tung, bei der die Rechenschaltung aus der Differenz Patentansprüche: zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur einer Wännetauscheranlage, der gemessenen Durchfluß-

1. Vorrichtung zur Ermittlung eines Temperatur- menge und gegebenenfalls einem tempera turabhänwertes mittels mindestens eines temperaturabhängi- 5 gigen Wärmekoeffizienten die übertragene Wärmegen Fühlwiderstandes, der mit einer Bezugswider- menge berechnet

Standsanordnung in Reihe an einer gemeinsamen

Stromquelle liegt, wobei die Bezugswiderstandsan-

Ordnung einen festen Wert, den oberen Bezugswert,

hat, den der Fühlwiderstand bei einer vorgegebenen io

höheren Temperatur annimmt, sowie mittels einer Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Auswerteschaltung, die Spannungsabfälle an jedem Ermittlung eines Temperaturwertes mittels mindestens Fühlerwiderstand und an der Bezugswiderstandsan- eines temperaturabhängigen Fühlerwiderstandes nach Ordnung verarbeitet und den aktuellen Temperatur- dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
wert unter Berücksichtigung einer Kennlinie ermit- 15 Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-OS telt, die sich unter Zuhilfenahme von Bezugswert 32 00353) besteht die Bezugswiderstandsanordnung und zugehörigem Spannungsabfall ergibt, da- aus einem einzigen Bezugswiderstand mit einem festen durch gekennzeichnet, daß die Bezugswi- Wert,der dem oberen MeSbereichsendwert entspricht derstandsanordnung aus der Reihenschaltung eines In Reihe mit diesem Bezugswiderstand liegt ein Schal-Grundwiderstandes (G) und eines DifferenzwJder- 20 ter, ein Vorwiderstand, der bei der Auswertung keine Standes (X^'besteht, von denen der Grundwiderstand Rolle spielt, ein Fühlerwiderstand, der die eigentliche einen festes'Wert, den unteren Bezugswert (Ra), MeBtemperatur ermitteln soll, und ein Umgebungstemhat den der Fühlerwiderstand (Fi, F2) bei einer vor- peraturfühlerwiderstand. Die Spannungsmessungen ergegebenen tieferen Temperatur annimmt, und der folgen jeweils bei geschlossenem Schalter und offenem Differenzwiderstand einen festen Wert, den Diffe- 25 Schalter. Durch Subtraktion sollen offset- und driftberenz-Bezugswert (Rd), solcher Größe hat daß die freite Meßwerte erhalten werden. Wie dies im einzelnen Reihenschaltung den oberen Bezugswert hat, und geschieht, ist nicht angegeben. Jedenfalls erfordert es daß zur Festlegung der Kennlinie (K) zwei Bezugs- einigen Aufwand, ma hieraus den genauen Verlauf der Spannungsabfälle (V_c\, K₂, Vj) an Grundwider- Kennlinie festzulegen. Auch ist nicht ohne weiteres erstand, Differenzwiderstand oder deren Reihenschal- 30 kennbar, wie an den Widerständen Spannungsabfälle tung abgreifbar sind. ' gemessen werden sollen, wenn die Stromquelle "durch

2. Vorrichiung zur Ermittlung eines Temperatur- den Schalter abgeschaltet ist

wertes mittels zweier temperaturabhängiger Fühler- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorwiderstände, die mit einer Bezugswiderstandsanord- richtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, nung in Reihe an einer gemeinsamen Stromquelle 35 bei der die gewünschten Temperaturen auf einfachere liegen, wobei die Bezugswidei^^andsanordnung ei- Weise und mit größerer Genauigkeit ermittelt werden nen festen Wert den oberen Bezugswert hat den können.

die Fühlerwiderstände bei einer vorgegebenen hö- Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden heren Temperatur annehmen, sowie mittels einer Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Auswerteschaltung, die Spannungsabfälle an jedem 40 Durch Verwendung zweier Beztyswiderstände wird Fühlwiderstand und an der Bezugswiderstandsan- erreicht, daß die Kennlinie durch Messung von zwei Ordnung verarbeitet und den aktuellen Temperatur- Bezugs-Spannungsabfällen genau festgelegt ist Aus wert unter Berücksichtigung einer Kennlinie ermit- diesen beiden Werten läßt sich sowohl die Neigung als telt, die sich unter Zuhilfenahme von Bezugswert auch die Lage mit Bezug auf die Abszisse genau bestim- und zugehörigen Spannungsabfall ergibt, dadurch 45 men. Die Bezugswiderstände können in der gleichen gekennzeichnet, daß die Bezugswiderstandsanord- Größenordnung liegen, so daß Meßfehler bei der Spannung aus der Reihenschaltung eines Grundwider- nungsmessung einen geringen Einfluß haben. Mit Hilfe Standes (G) und eines Differenzwiderstandes (D) be- der so ermittelten Kennlinie lassen sich die aktuellen steht, von denen der Grundwiderstand einen festen Temperaturwerte anhand der Fühler-Spannungsabfälle Wert, den unteren Bezugswert (Re\), hat, den die 50 auf einfache Weise ermitteln.

Fühlerwiderstände (F\, Fj) bei einer vorgegebenen Bei dieser Anordnung kann ein für die Fühlertempetieferen Temperatur annehmen, und der Differenz- ratur aussagekräftiges Signal unmittelbar als Spanwiderstand einen Wert, den Differenz-Bezugswert rvingsabfall am Fühlerwiderstand gewonnen werden. (Rd) solcher Größe hat, daß die Reihenschaltung den Durch Umrechnung unter Zuhilfenahme der Kennlinie, oberen Bezugswert hat, daß der von der Auswerte- 55 die sich aus den Bezugs-Spannungsabfällen und den geschaltung (14) zu ermittelnde Temperaturwert die speicherten Bezugswerten ergibt, erhält man sehr geDifferenz der von den beiden Fühlerwiderständen naue Werte des Fühlerwiderstandes, aus denen sich entgemessenen Temperaturen ist, und daß zur Festle- sprechend genau die zu ermittelnde Temperatur ergibt gung der Neigung der Kennlinie (K) der Bezugs- Es genügt, wenn zu Anfang der Wert der festen Bezugsspannungsabfall (Vd) am Differenzwiderstand ab- 60 widerstände, also der Bezugswert, genau eingespeichert greifbar ist wird. Im Betrieb ergibt sich dann eine Selbstjustierung

3. Vorrichtung, bei der die Auswerteschaltung ei- der Vorrichtung. Da sämtliche Widerstände von demselnen Analog-Digital-Wandler und eine digitale Re- ben Strom durchflossen werden, spielen insbesondere chenschaltung aufweist, welche die Berechnung der Schwankungen des die Spannungsabfälle hervorrufenaktuellen Ohmwerte der Fühlerwiderstände und de- 65 den Stromes keine Rolle.

ren Umrechnung in Temperaturwerte durchführt, Eine alternative Lösung ist durch die kennzeichnen-

nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die den Merkmale des Anspruchs 2 gegeben.

Anwendung auf eine Wärmemengenmeßvorrich- Hier wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß