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Die Erfindung betrifft einen thermischen Sensor zur Steuerung
eines Klimageräts und insbesondere einen Sensor zur Messung
der tatsächlichen Temperatur mit Kompensation je nach
Windgeschwindigkeit
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Nach dem Stand der Technik steuert ein Klimagerät die
Luftstromtemperatur usw. lediglich auf der Basis der über einen
Thermistor oder dergleichen gemessenen Lufttemperatur. Es ist
jedoch allgemein bekannt, daß die tatsächliche Temperatur,
die der menschliche Körper empfindet, sich in Abhängigkeit
von der Windgeschwindigkeit ändert. So zeigt beispielsweise
die Fig. 12, daß die tatsächliche Temperatur mit
zunehmender Windgeschwindigkeit immer stärker abfällt. Aus diesem
Grunde sollte der Steuerung eines Klimageräts unter
Berücksichtigung des Einflusses sowohl der Windgeschwindigkeit wie
auch der Lufttemperatur der Vorzug gegeben werden.
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Diesbezüglich gibt es ein vorbekanntes Verfahren zur
Steuerung eines Klimageräts unter Berücksichtigung der
Windgeschwindigkeit, bei dem nicht nur die Lufttemperatur mit einem
Temperaturfühler gemessen wird, sondern auch die
Windgeschwindigkeit mittels eines thermischen Windgeschwindigkeits-
Sensors.
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In diesem Falle werden jedoch außer einem
Windgeschwindigkeits-Sensor und einem Temperaturfühler noch eine Schaltung
zur Berechnung der Windgeschwindigkeit aus dem jeweiligen
Wärmeverlust bzw. Temperaturabfall, ein
Temperaturmeßinstrument zur Kompensation, eine Schaltung zur Berechnung der
tatsächlichen Temperatur nach erfolgter Kompensation unter
Berücksichtigung der Windgeschwindigkeit und dergleichen
benötigt. Es ist also unvermeidlich, daß die Vorrichtung
entsprechend komplex ist.
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In der DE-A-1798439 wird ein thermischer Sensor mit vier
Widerständen in einer Brücke beschrieben, über die eine
konstante Spannung beaufschlagt wird. Einer dieser Widerstände
ist der Strahlungswärme einer Heizspule ausgesetzt, über die
eine regelbare Spannung beaufschlagt wird, um so die Abgabe
einer vorgegebenen Wärmemenge an die Spule zu bewirken. Die
resultierende Spannungsänderung über den Widerstand hinweg
wird zur Ableitung einer Spannung über die Brücke benutzt,
deren Größe eine korrigierte Temperatur darstellt.
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Die US-A-4504157 beschreibt den Einsatz von
temperaturkompensierten thermischen Sensoren in zwei verschiedenen
Ausführungen. In der mit konstanter Temperatur arbeitenden
ersten Ausführung wird ein Windkälteffekt über eine Spannung
erfaßt, die durch einen zur Konstanthaltung der vom Sensor
gemessenen Temperatur eingesetzten Strom ausgelöst wird. Sind
also drei von vier das Befinden eines Individuums
beeinflussenden Variablen konstant, so läßt sich die vierte
Variable berechnen. Die zweite Ausführung erfaßt eine von
vier Variablen, beispielsweise die Windgeschwindigkeit, durch
Messung einer Temperaturänderung zwischen der Temperatur
einer Heizvorrichtung und der Umgebungstemperatur, wenn die
Heizvorrichtung durch einen Konstantstrom beheizt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Messung der
entsprechend der Windgeschwindigkeit kompensierten tatsächlichen
Temperatur mit einer einfachen Vorrichtung in der Weise, daß
die Temperatur eines Heizelements mit der gleichen
Windgeschwindigkeitsabhängigkeit des Temperaturabfalls wie beim
tatsächlichen Temperaturabfall nicht durch Berechnung der
Windgeschwindigkeit aus dem windbedingten Temperatur- abfall
wie bei Verwendung eines thermischen
Windgeschwindigkeits-Sensors oder dergleichen üblich ermittelt wird,
sondern durch Messen der Windgeschwindigkeit direkt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Temperaturfühler, eine
Heizvorrichtung zum Beheizen des Temperaturfühlers sowie eine
elektrische Stromversorgung vorgeschlagen, um die
Heizvorrichtung mit einer elektrischen Leistung zu versorgen, die
durch den Konvektionswärmeübergangskoeffizienten des
Temperaturfühlers bestimmt ist, so daß die
Windgeschwindigkeitsabhängigkeit des Temperaturabfalls beim Temperaturfühler eng
dem des tatsächlichen Temperaturabfalls beim menschlichen
Körper entspricht. Die Vorrichtung ist so konzipiert, daß
sie die tatsächliche Temperatur Tv eines menschlichen Körpers
erfaßt, bei der es sich um die Temperatur Ta kompensiert mit
der Windgeschwindigkeit Vb aus der vom Temperaturfühler
gemessenen Temperatur Tg handelt.
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Anders ausgedrückt wird ein aus der nachstehenden Formel < 1)
errechnete Kompensationskonstante c eingestellt, indem
zunächst einmal die erreichte Endtemperatur Tgb des
Temperaturfühlers bei normaler Windgeschwindigkeit (beispielsweise
0.1 m/s) und Umgebungstemperatur gemessen wird:
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c = Tgb - Ta . . . (1)
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Da diese Kompensationskonstante c abhängigkeitsfrei von der
Lufttemperatur Ta konstant gehalten wird, wird die
tatsächliche
Temperatur des menschlichen Körpers unter
Berücksichtigung der umgebungsmäßigen Lufttemperatur und
Windgeschwindigkeit nach der folgenden Formel (2) berechnet:
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Tv = Tg - C . . . (2)
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Mit anderen Worten: die die Lufttemperatur und
Windgeschwindigkeit berücksichtigende tatsächliche Temperatur Tv wird
ermittelt durch Abzug der Konstanten c, die experimentell aus
der Temperatur Tg des Temperaturfühlers bei Beheizung über
eine vorgegebene elektrische Leistung bestimmt wurde.
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Mittels dieser Vorrichtung wird die mit der
Windgeschwindigkeit Vb kompensierte tatsächliche Temperatur durch Messen der
Temperatur des Temperaturfühlers erfaßt, da dessen
windgeschwindigkeitsabhängiges Temperaturgefälle eng dem
tatsächlichen Temperaturabfall eines menschlichen Körpers
entspricht, wenn der Temperaturfühler über die elektrische
Stromversorgung mit einer vorbestimmten elektrischen Leistung
beheizt wird. Es wird also die die Lufttemperatur Ta und die
Windgeschwindigkeit Vb berücksichtigende tatsächliche
Temperatur mit einer einen einzelnen Temperaturfühler und einfache
Schaltungen umfassenden Vorrichtung erfaßt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Erfassung der Lufttemperatur und
Windgeschwindigkeit berücksichtigenden tatsächlichen
Temperatur mit einer einfach gestalteten Vorrichtung und läßt
sich ein als angenehm empfundener Luftzustand einstellen.
Indem die um die Windgeschwindigkeit kompensierte
tatsächliche Temperatur erfaßt wird über die gemessene Temperatur
eines Temperaturfühlers, der mittels einer Heizvorrichtung
über die Stromversorgung mit einer vorbestimmten
elektrischen Leistung entsprechend dem
Konvektionswärmeübergangskoeffizienten des Temperaturfühlers beheizt wird, ist die
Windgeschwindigkeitsabhängigkeit des Temperaturabfalls beim
Temperaturfühler eng an den tatsächlichen Temperaturabfall
des menschlichen Körpers angelehnt.
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Konkret ausgedrückt ist eine genaue Steuerung eines
Klimageräts auf eine jeweils vorgegebene tatsächliche Temperatur
möglich, wenn dieses mit verschiedenen Steuerelementen wie
beispielsweise einer Ausgangstemperatur-, einer
Ausgangsrichtungs- oder bei Einsatz eines regelbaren Kompressors
einer Leistungsregelung ausgestattet ist.
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In den beiliegenden Zeichnungen bedeuten:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild, das eine mit einem
erfindungsgemäßen thermischen Sensor verbundene Schaltung grob
darstellt;
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Fig. 2 einen schematischen Senkrechtschnitt, aus dem grob
die Zusammensetzung des thermischen Sensors hervorgeht;
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Fig. 3 ein Kurvenbild, welches die Bestimmung der absoluten
Windgeschwindigkeit erläutern soll;
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Fig. 4 bis Fig. 9 verschiedene Darstellungen einer weiteren
Ausführungsform, und zwar: Fig. 4 ein Blockschaltbild
entsprechend dem in Fig. 1; Fig. 5 eine grob gezeichnete
Perspektivansicht, in welcher verschiedene Steuerfunktionen
für die Klimatisierung über einen thermischen Sensor einem
Fernsteuergerät vorgenommen werden; Fig. 6 (a) und 6 (b) ein
Verdrahtungs- bzw. Wellenformschema zur prinzipiellen
Darstellung eines Steuersystems für die Zuführung einer
konstanten Leistung zu einem Thermistor mit Analogvervielfacher
für einen thermischen Sensor mit Selbstbeheizung; Fig. 7 (a)
und Fig. 7 (b) ein Verdrahtung- bzw. Wellenformschema zur
prinzipiellen Darstellung eines unter Zufuhr einer konstanten
Leistung bzw. Energie arbeitenden Treibersystems mit dem
gleichen Analogvervielfacher; Fig. 8 ein Blockschaltbild,
das eine Schaltung darstellt; und Fig. 9 ein entsprechendes
Detailschaltbild;
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Fig. 10 ein Diagramm zur Darstellung der
Temperaturabfalländerung je nach Windgeschwindigkeit, wenn eine Wärmemenge
beim Temperaturfühler in einer konkreten Ausführungsform
verändert wird;
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Fig. 11 ein Diagramm, das eine einzelne Kurve in gleicher
Weise darstellt, wenn eine optimale Wärmemenge des
Temperaturfühlers festliegt; und
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Fig. 12 ein Diagramm zur Darstellung des tatsächlichen
Temperaturabfalls bei einem menschlichen Körper je nach
Windgeschwindigkeit.
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Die beste Art der Durchführung der vorliegenden Erfindung sei
nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben:
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Fig. 1 zeigt im Groben die Anordnung eines
erfindungsgemäßen thermischen Sensors (A) zur Steuerung eines
Klimageräts, wobei der Sensor (1) wie aus Fig. 2 ersichtlich eine
kugelförmige elektrische Isolierung (2) aufweist. Der
Temperaturfühler (3) und die um diesen herumgelegte
Heizvorrichtung (4) zum Beheizen dieses Fühlers (3) durch Zufuhr einer
elektrischen Leistung sind von der kugelförmigen
elektrischen Isolierung (2) umschlossen.
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Die Heizvorrichtung (4) ist mit einer als elektrische
Stromversorgung dienenden leistungskonstanten Schaltung (5)
verbunden. Der Temperaturfühler (3) wird beheizt, indem die
Heizvorrichtung (4) mit einer vorbestimmten elektrischen
Leistung versorgt wird, die nach dem
Konvektionswärmeübergangskoeffizienten
des Temperaturfühlers (3) bestimmt wird
dergestalt, daß die Windgeschwindigkeitsabhängigkeit des
Temperaturabfalls beim Temperaturfühler (3) derjenigen beim
tatsächlichen Temperaturabfall eines menschlichen Körpers eng
entspricht.
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Weiter werden ein Ausgangssignal aus dem Temperaturfühler (3)
in eine Schaltung (6) zur Berechnung der Temperatur sowie ein
Ausgangssignal von dieser in eine Steuerschaltung (7) eines
Klimageräts (nicht dargestellt) gegeben, um dessen Betrieb zu
steuern. Die tatsächliche Temperatur Tv, d. h. der um die
Windgeschwindigkeit Vb kompensierte Wert der Lufttemperatur
Ta, wird aus der gemessenen Temperatur Tg des
Temperaturfühlers (3) bei Beheizung durch die Heizvorrichtung (4) unter
Zufuhr einer vorbestimmten elektrischen Leistung durch die
Schaltung (6) zur Berechnung der Temperatur errechnet.
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Für den Fall der vorbeschriebenen Ausführungsform bedeutet
dies, daß die Heizvorrichtung (4) über die
Konstantleistungsschaltung (5) mit einer konstanten elektrischen
Leistung versorgt und der Temperaturfühler (3) durch die
Heizvorrichtung (4) beheizt wird. Diese der Heizvorrichtung (4)
über die Konstantleistungsschaltung (5) zugeführte
konstante elektrische Leistung wird bestimmt durch den
Konvektionswärmeübergangskoeffizienten des Temperaturfühlers (3),
so daß die Windgeschwindigkeitsabhängigkeit des
Temperaturabfalls beim Temperaturfühler (3) derjenigen des
tatsächlichen Temperaturabfalls beim menschlichen Körper eng
entspricht. Aus diesem Grunde wird die entsprechend der
Windgeschwindigkeit Vb kompensierte tatsächliche Temperatur Tv
von der Schaltung (6) zur Temperaturberechnung aus der
gemessenen Temperatur Tg des Temperaturfühlers (3) errechnet.
Damit läßt sich die tatsächliche Temperatur unter
Berücksichtigung der Lufttemperatur Ta sowie der
Windgeschwindigkeit Vb mit einer einfachen Vorrichtung ableiten, die nur
einen einzigen Temperaturfühler (3), die
Konstantleistungsschaltung (5) und die Schaltung (6) zur Berechnung der
Temperatur aufweist.
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Mit der vorbeschriebenen Ausführungsform läßt sich eine
absolute Windgeschwindigkeit nicht berechnen. Wird jedoch wie
aus Fig. 3 ersichtlich der Temperaturfühler (3) von der
Heizvorrichtung (4) intermittierend beheizt, so besteht die
Möglichkeit der Berechnung nicht nur der tatsächlichen
Temperatur Tv, sondern auch der Windgeschwindigkeit Vb.
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Liegen die dem Wärmefühler (3) zugeführten Wärmemengen bei
M&sub1;, M&sub2;, sein Konvektionswärmeübergangskoeffizient bei hc, die
Temperaturen des Temperaturfühlers (3) bei Tg&sub1;, Tg&sub2;, die
Lufttemperatur bei Ta und die absolute Windgeschwindigkeit
bei V, so lassen sich die Wärmemengen M&sub1;, M&sub2; wie folgt
darstellen:
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M&sub1; = hc (Tg&sub1; - Ta) . . . (3)
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M&sub2; = hc (Tg&sub2; - Ta) . . . (4)
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Beide Gleichungen (3), (4) lassen sich umsetzen zu:
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hc = (M&sub1; - M&sub2;) / (Tg&sub1; - Tg&sub2;) . . . (5)
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V = f (hc) . . . (6)
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Wird also die Relation der Gleichung (6) experimentell
vorbestimmt, so kann der Absolutwert der Windgeschwindigkeit durch
die Gleichung (5), (6) bestimmt werden.
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Auch läßt sich ein solcher thermischer Sensor (A) zur
Steuerung eines Klimageräts mit einem Feuchtigkeits- bzw.
Strahlungsfühler zusammenschalten.
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Weiterhin wird bei der vorbeschriebenen Ausführungsform der
Temperaturfühler (3) durch die Heizvorrichtung (4) beheizt.
Wenn wie aus Fig. 4 ersichtlich jedoch der Temperaturfühler
(3) auch mit einem Selbstheizelement versehen werden kann, so
ist eine Heizvorrichtung (4) der für die vorbeschriebene
Ausführungsform erwähnten Art nicht erforderlich und läßt sich
die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter vereinfachen sowie
insbesondere das Klimagerät wirksam fernbedienen.
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Wie beispielsweise aus Fig. 5 ersichtlich, ist ein
thermischer Sensor (A') in einem Gehäuse (12) einer Fernbedienung
(11) zur funktionellen Steuerung des Klimageräts (10)
untergebracht, wobei dieses Gehäuse (12) der Fernbedienung (11)
mit Schlitzöffnungen (13), (13) als Luftdurchlässe versehen
ist. Es sind verschiedene Bedienungstasten (14), (14)
vorgesehen, wobei die Anordnung der Fernbedienung (11) so erfolgen
muß, daß der thermische Sensor (A') von einem aus einer
Ausblasöffnung (10a) des Klimageräts (11) über die Schlitze
(13), (13) austretenden Luftstrom beaufschlagt wird.
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Als selbstbeheizter Temperaturfühler (3') wie vorerwähnt kann
ein Thermistor, eine Diode, ein metallischer Widerstand aus
Platin oder dergleichen, ein Transistor, ein
Feldeffekttransistor usw. eingesetzt werden.
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Es folgt eine Beschreibung der genauen Anordnung bei Einsatz
eines Temperaturfühlers (3') in selbstbeheizter Ausführung.
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Die Verwendung eines solchen selbstbeheizten
Temperaturfühlers ist im Wege zweier unterschiedlicher Verfahren möglich:
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(I) Verfahren zur Berechnung einer äquivalenten tatsächlichen
Temperatur aus der Temperatur des Fühlers (die sich in
Abhängigkeit von der Lufttemperatur, der Strahlung, der
Windgeschwindigkeit
usw. ändert), wenn dem Thermistor oder
dergleichen eine konstante elektrische Leistung zugeführt wird
(Konstantleistungsverfahren).
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(II) Verfahren zur Berechnung der tatsächlichen Temperatur
aus einer zusätzlichen elektrischen Leistungsmenge, wodurch
der Fühler auf eine vorbestimmte Temperatur oberhalb der
Lufttemperatur aufgeheizt wird.
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Beim letztgenannten Verfahren (II) können bei Einsatz nur
eines üblichen Proportionalreglers Zustände wie
Überschiessen, Pendeln usw. leicht auftreten und ist eine PI- oder PID-
Steuerung erforderlich, da die thermische Zeitkonstante des
Thermistors bei ca. 10&sup0; 10² Sekunden liegen dürfte. Somit
stellt sich das Problem, daß die konstruktive Gestaltung der
Schaltungen und ihre Einstellung schwierig werden können. Bei
dieser Ausführungsform gibt es hinsichtlich des
Konstantleistungsverfahrens drei verschiedene Möglichkeiten, nämlich
(1) das Konstantleistungs-Näherungsverfahren mit Zuführung
einer konstanten Spannung und eines konstanten Stroms, (2)
das Konstantleistungs-Thermistorverfahren entsprechend einer
analogen oder digitalen Berechnung, und (3) das
Konstantleistungs-Treiberverfahren mit Zufuhr einer konstanten
Energie. Jede dieser Versionen wird nachfolgend beschrieben.
(1) Konstantleistungs-Näherungsverfahren mit Zufuhr einer
konstanten Spannung und eines konstanten Stroms
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Eine elektrische Eigenschaft des Thermistors ist
näherungsweise durch die folgende Formel (7) beschrieben:
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R = T(T=T0) · exp [B (1/T - 1/T0)] . . . (7)
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Da der Konstantwert B im allgemeinen 3000 5000 (º/K)
beträgt, erreicht bei einer Temperaturänderung von 20 bis 40ºC
die Widerstandsänderung 220 380 %, so daß es für die
Zuführung einer konstanten elektrischen Leistung einer gewissen
Berechnung bedarf. Wird andererseits ein Temperaturfühler mit
geringer Veränderung seiner Eigenschaft in Ansprechung an die
Temperatur benutzt, so besteht die Möglichkeit, selbst bei
einem konstanten Strom (bzw. einer konstanten Spannung) die
Schwankung des Verbrauchs gering zu halten.
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Eine Diode wird als mittels eines konstanten Stroms
angetriebenes Element eingesetzt. Der Vorwärtsspannungsabfall der
Diode beträgt etwa 0.6 0.7 V und weist einen
Temperaturkoeffizienten von ca. 2 + 3 mV/ºC auf, obwohl eine
geringfügige Änderung durch Vorwärtsstrom, produktionsbedingte
Streuung usw. stattfindet. Somit verbleibt die Schwankung der
elektrischen Leistung innerhalb ±8 12 %, wenn die
konstante elektrische Leistung innerhalb des Temperaturbereichs
20 45ºC verarbeitet wird.
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Als mit konstanter Spannung betriebenes Element werden auch
Verarmungstyp- Feldeffekttransistoren (Normalstellung EIN)
eingesetzt. So wird beispielsweise eine vorgebene höhere
Spannung als die Abschnürspannung der Konstantstromschaltung
mittels eines J-FET (Feldeffekttransistors) beaufschlagt.
Hierbei läßt sich die Temperatur messen, weil die Spannung
des Konstantstroms die Temperaturabhängigkeit ausweist.
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Insgesamt weist diese Ausführung folgende Merkmale auf: 1.
der Schaltungsaufbau ist einfach und billig und 2. die Kosten
für den Temperaturfühler sind gering, 3. doch ist der
Konstantleistungsantrieb nicht genau und 4. gibt es keinerlei
Sicherheiten hinsichtlich Streuung der Empfindlichkeit des
Elements, säkularer Änderung usw. Besonders hinsichtlich
Empfindlichkeitsstreuung des Elements sollte eine Prüfung
dahingehend vorgenommen werden, ob eine Kompensation in ein
oder zwei Punkten erforderlich ist, um die
eigenschaftsmäßige Entsprechung sicherzustellen.
(2) Konstantstrom-Steuerverfahren mit Analogberechnung
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Mit diesem Verfahren wird eine Spannung (oder ein
elektrischer Strom) gesteuert, um das Produkt der Konstantwerte von
Strom und Spannung zu halten bzw. die Spannung proportional
dem Reziprokwert des Stroms (oder der Strom proportional zum
Umkehrwert der Spannung) beaufschlagt.
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Generell gibt es Probleme hinsichtlich Kosten,
Energiequellenspannung, elektrischem Leistungsverbrauch usw., da in
Analogvervielfachern (Teilern) meistens ein logarithmischer
und ein reziprok-logarithmischer Verstärker bzw. ein
variables Steilheitsverfahren zur Anwendung kommen. Auch
stellen sich Probleme dahingehend, daß ein Transistorpaar
mit entsprechend angepaßten Eigenschaften usw. erforderlich
ist, wenn diskrete bzw. einzelne Elemente benutzt werden.
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Wo ein schnelles Ansprechen nicht gefordert ist, kann ein
Vervielfacher oder Teiler in integrierter Ausführung
eingesetzt werden. Weiter ist hier ein Aufbau aus diskreten Teilen
ohne weiteres möglich. Ein Prinzip dieses Anwendungsfalls
zeigt die Fig. 6.
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Wird also der Zustand eines Schalters (SW) von EIN nach AUS
in einer Schaltung wie in Fig. 6 (a) dargestellt verändert,
so beginnt ein Operationsverstärker (A1) wie aus Fig. 6 (b)
ersichtlich im Integralverhalten zu arbeiten. Die Zeit T, bei
der Ausgangspegel des Komparators (A2) einen hohen Wert
erreicht, ist dargestellt in der nachfolgenden Formel (8), in
welcher Fehler des Operationsverstärkers (A'), Einschaltzeit
usw. der Einfachheit halber unberücksichtigt sind und die
Eingangsspannung Vin innerhalb der Rückstellzeit als konstant
betrachtet ist:
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T = C · R (Vref/Vin) . . . (8)
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Ist jede Wellenform so gestaltet, daß ein konstanter Wert VH
bei hohem Ausgangspegel des Komparators (A') und ein Erdpegel
(GND-Pegel) bei niedrigem Ausgangsniveau vorliegt und eine
Glättung per Tiefpaßfilter erfolgt, so ergibt sich der
Ausgang V0 des Tiefpaßfilters aus der nächsten Formel (9)
bei einer Periodendauer TO des Schalters, so daß man einen
zum Eingang umgekehrt proportionalen Ausgang erhält:
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V0 = VH (T//0)
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= VH · C · R · Vref / Vin · T0) . . . (9)
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In einer Thermistorspannungs-Treiberschaltung ist eine
Konstantleistung beaufschlagbar, wenn der Thermistorstrom auf
den Eingang dieser Schaltung gelegt und die
Thermistorspannung entsprechend der Ausgangsspannung verändert wird.
Auch in diesem Fall erhält man einen zum
Thermistorwiderstand proportionalen Ausgangswert, wenn die Spannung bei
hohem Komparatorausgangspegel proportional der
Thermistorspannung ist.
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Weiterhin sind in der Strom-Treiberschaltung die
Spannungsregelung und die Messung des Thermistorwiderstands
(Konduktanz) in dem vorbeschriebenen Ablauf direkt möglich.
(3) Konstantleistungs-Treiberverfahren mit Konstantenergie
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Dieses Verfahren ist im großen und ganzen als nachteilig zu
betrachten bei Verwendung einer Batterie oder dergleichen,
wenn die Energiequellenspannung niedrig und einphasig ist, da
die den Integrator umfassenden Schaltungen als
Umkehrverstärker konzipiert sind.
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Damit sollte ein Verfahren, das den Einsatz einer Schaltung
ohne aktiven Integrator vorsieht, näher untersucht werden.
Mit Bezug auf das Laden und Entladen eines Kondensators (C)
in der Schaltung gemäß Fig. 7 (a) ist festzustellen, daß
der Kondensator (C) über einen Widerstand (r) auflädt, wenn
sich der Schalter (S1) in der EIN- und der Schalter (S2) in
der AUS-Stellung befindet. Umgekehrt findet eine Entladung
des Kondensators über den Widerstand (R) statt, wenn der
Schalter (S1) aus- und der Schalter (S2) eingeschaltet ist.
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Liegt die Endspannung E zwischen den beiden Platten des
Kondensators (C) bei Beginn des Ladevorgangs bei E&sub2;, so läßt
sich die Änderung der Spannung E entsprechend Fig. 7 (b) bei
E = E&sub2; wie folgt ableiten:
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E = E&sub0; (E&sub0; - E&sub2;) e-t/C·R . . . (10)
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Die Zeit T&sub1; für das Aufladen bis zum Erreichen der Spannung
E&sub1; beträgt:
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t&sub1;= C · r · ln [(E&sub0; - E&sub2;) / (E&sub0; - E&sub1;)] . . . (11)
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Wird der Schalter (S1) auf AUS und Schalter (S2) auf EIN
gestellt, wenn die Spannung E des Kondensators E&sub1; wird, so
beginnt ein Entladezyklus, wobei folgende Formel gilt:
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E = E&sub1; · e-(t-t1)/C·R . . . (12)
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Andererseits ist die bis zum Erreichen der Spannung E&sub2;
erforderliche Zeit
t&sub2; wie folgt
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t&sub2; = C · R · ln (E&sub1; / E&sub2;) . . . (13)
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Sodann beträgt die vom Kondensator (C) während eines Lade-
und Entladezyklus an den Widerstand (R) abgegebene Energie ε:
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ε = C (E&sub2;² - E&sub1;²) / 2 . . . (14)
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Sind also die Spannungen E&sub1;, E&sub2; und die Kapazität des
Kondensators (C) sämtlichst konstant, so wird auch die vom
Widerstand (R) während eines Lade- und Entladezyklus verbrauchte
Energie konstant gehalten. Bei Wiederholung des Lade- und
Entladezyklus wird zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt t&sub0; (t&sub0; ≥ T&sub1;
+ t&sub2;) mit der nächsten Formel eine mittlere ver- brauchte
Leistung P ausgewiesen und steht zur Ansteuerung der
Schaltung die folgende konstante Leistung zur Verfügung:
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P = ε / t&sub0; . . . (15)
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Wird der Widerstand R durch einen Thermistor ersetzt, kann
die Ansteuerung bzw. der Antrieb über
Thermistor-Konstantleistung erfolgen. Da die Entladungszeit nach der
vorstehenden Formel (13) proportional dem Thermistorwiderstand ist,
kann bei Ansteuerung mit konstanter Leistung gleichzeitig die
Messung des Thermistorwiderstands erfolgen, wenn die
Entladezeit gemessen wird. In diesem Fall ist die erwähnte
vorgegebene Zeit t&sub0; begrenzt auf t&sub0; ≥ t&sub1; + t&sub2;, weil die
Spannungsquelle E&sub0; nicht wesentlich am Ablauf beteiligt ist.
Weiter wird nach Möglichkeit der Widerstand (r) zur
Begrenzung des Ladestroms vorgesehen, damit der letztere auf
einen innerhalb des zulässigen Brummstroms des Kondensa- tors
(C) liegenden Wert beschränkt ist und damit ein
Überschießen der geladenen Spannung infolge Verzögerungs in
einem Spannungsprüfer, Schaltsensor etc. verringert werden
kann.
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Die Fig. 8 und 9 zeigen beispielsweise ein Blockschema
einer Schaltung zur Durchführung eines solchen
Konstantleistungs-Treiberverfahrens mit konstanter Energie bzw. ein
entsprechendes Detailschaltbild. Wie dargestellt weist die
Schaltung auf einen Lade- und Entladesteuerungsteil (20) mit
ersten und zweiten Auffang-Flipflops (20a), (20b) in einer
solchen Anordnung, daß die Steuerung des Kondensatorlade-
und -entladevorgangs mit dem Empfang eines Taktsignals aus
einem Oszillator (OSC) beginnt; einen Ladeschalter (21) in
Form eines Transistors (Tr1), über den das Laden des
Kondensators (C) mit dem Empfang eines Ausgangssignals vom ersten
Auffang-Flipflop (20a) des Lade- und Entladesteuerungsteils
(20) erfolgt; einen Entladeschalter (22) in Form eines
Transistors (Tr2), über den invers das Entladen des
Kondensators (C) mit dem Erhalt des Ausgangssignals vom zweiten
Flipflop (20b) des Lade- und Entladesteuerteils (20)
vorgenommen wird; einen Kondensatorspannungs-Vergleichsteil (23)
mit ersten und zweiten Komparatoren (23a), (23b), der eine
Referenzspannung Vref H, Vref L mit der Spannung des
Kondensators (C) über beide Komparatoren (23a), (23b) vergleicht,
um die beiden Auffang-Flipflops (20a), (20b) des Lade- und
Entladesteuerteils (20), den Widerstand (r) zur Begrenzung
des Ladestroms und den Thermistor (R) als Last ein- bzw.
zurückzustellen.
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Der Ausgang beider Auffang-Flipflops (20a), (20b) wird bei
jeder positiven Flanke des Impulses aus dem Oszillator (OSC)
zurückgestellt. Mit dem Empfang dieses Rückstellsignals
werden zum Beginn der Ladung des Kondensators (C) der erste
Transistor (Tr1) auf EIN und der zweite Transistor (Tr2) auf
AUS geschaltet. Wenn die Spannung des Kondensators (C) die
vorerwähnte vorgegebene Bezugsspannung Vref H erreicht, wird
der Ausgang beider Flipflops (20a), (20b) durch den Ausgang
des zweiten Komparators (23b) eingestellt. Der zweite
Transistor (Tr2) wird auf EIN und der erste Transistor (Tr1) auf
AUS gestellt, damit der Kondensator (C) mit dem Entladen
beginnen kann. Ist das Entladen des Kondensators (C) bis auf
die vorgegebene Spannung Vref L erfolgt, so wird der Ausgang
der zweiten Flipflops (20b) durch das Ausgangssignal des
ersten Komparators (23a) zurückgestellt, damit der
Kondensator (C) die Entladung unterbricht. Anschließend wird
dieser Zustand bis zum Erscheinen der nächsten positiven
Kante des Taktsignals aus dem Oszillator (OSC) vorgehalten.
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Somit wird durch Messen der Entladezeit (Dauer der EIN-
Schaltzeit des zweiten Transistors (Tr2)) ein
Lastwiderstandswert abgeleitet. Liegt eine
Zirkakonstantleistungswirkung aufgrund einer Lastschwankung, einer
Quellenspannungsschwankung usw. nicht vor, so läßt sich auch diese
Situation durch Überwachung der EIN- oder AUS-Schaltzustände
der beiden Transistoren (Tr1, TR2) (normalerweise befinden
sich beide Transistoren (Tr1), (Tr2) im AUS-Zustand) über die
positive Kante des Taktimpulses aus dem Oszillator (OSC)
erfassen.
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Liegt die oberste und unterste Grenze des Kondensators bei
Vref H, Vref L und der Lastwiderstandswert bei R, so läßt
sich die Entladezeit tdc durch die folgende Formel
darstellen:
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tdc = C · R · ln (Vref H / Vref L) . . . (16)
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Bei einer Schwingungsdauer des Oszillators (OSC) t&sub0; beträgt
die mittlere zugeführte Leistung P:
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P = (1/2) · C (Vref H² - Vref L²) / t&sub0;
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= (1/2) · {(Vref H² - Vref L²) / (ln Vref H
- ln Vref L))1/R)tdc/T0t) . . . (17)
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Damit errechnet sich die mittlere zugeführte Leistung über
die Schaltfrequenz, wenn der Anschluß über einen
Lastwiderstand mit bekannter Leistung vorgenommen ist. Auch wird
umgekehrt die zuführte Leistung richtig eingestellt, ohne
durch den Einfluß einer Kapazitätsschwankung des
Kondensators beeinflußt zu sein, wobei als Grundlage die
nachstehende Form (18) gilt, in welcher der Faktor t&sub0; über den
Widerstand mit bekannter Leistung so eingestellt ist, daß
die Schaltfrequenz konstant gehalten wird:
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tdc/t = a · R · P . . . (18)
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wobei:
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a = 2 (ln Vref H - ln Vref L)/(Vref H²
- Vref²)
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Weiterhin läßt sich eine säkulare Änderung, wie sie
unvermeidlich in Kondensatoren hoher Leistung auftritt, durch
gelegentliche Durchführung dieser Operation überprüfen bzw.
revidieren.
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Die Wirkungen einer konkreten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sollen nunmehr beschrieben werden: Der
fortschreitende Abfall der Ausgangstemperatur des
Temperaturfühlers mit der Windgeschwindigkeit ist in Fig. 10
gestrichelt dargestellt für einen selbstbeheizten Temperaturfühler
in Form eines Perlthermistors von 1.5 mm Durchmesser und die
Windgeschwindigkeitsabhängigkeit des tatsächlichen
Temperaturabfalls (siehe Fig. 12) als durchgezogene Linie. Wie aus
dieser Figur ersichtlich, wird die Temperaturänderung umso
größer, je mehr die Selbstbeheizleistung des Thermistors im
Bereich von 5 mW bis 15 mW ansteigt, wobei die Kurve bei 10
mW der Kurve des tatsächlichen Temperaturabfalls am stärksten
angenähert ist.
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Damit wird über den mittleren quadratischen Durchschnittswert
S die optimale Wärmemenge bestimmt, wobei:
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S = (tatsächliche Temperatur - Ausgangswert
Wärmefühler)² . . . (20)
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Eine Beziehung zwischen diesem mittleren Durchschnittswert S
und der Wärmemenge des Wärmefühlers zeigt die Fig. 11. Aus
der gleichen Figur ist ersichtlich, daß hinsichtlich der
Wärmemenge mit nahezu 10 mW in diesem Beispiel ein optimaler
Wert vorliegt.
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Mit dem aus einem einzigen Temperaturfühler und einer
einfachen Schaltung bestehenden erfindungsgemäßen thermischen
Sensor läßt sich die tatsächliche Temperatur unter
Berücksichtigung von Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit messen.
Insbesondere ist die Vorrichtung zur Herstellung eines
angenehmen Luftzustands durch aktualisierende Steuerung eines
Klimageräts geeignet.