DE4200578A1 - Temperatur-sensor mit piezoelektrischem schwingkristall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatur-Sensor mit einem als Meßfühler dienen­ den temperaturabhängigen ersten piezoelektrischen Schwingkristall als fre­ quenzbestimmendes Glied eines ersten Oszillators mit nachgeschaltetem ersten Zähler und einem von der Temperatur weitgehend unabhängigen zweiten piezo­ elektrischen Schwingkristall als frequenzbestimmmendes Glied eines zweiten Oszillators mit nachgeschaltetem zweiten Zähler, wobei der Ausgang des ersten Zählers an eine Speichervorrichtung angeschlossen ist, die mit einer elektro­ nischen Auswerteschaltung zur Ermittlung eines Temperaturwertes durch Ver­ gleich beider Zählerstände verbunden ist, sowie ein Verfahren zur Temperatur­ messung.

Aus der DE-OS 33 18 538 ist ein elektronisches Fieberthermometer bekannt, das einen als Meßfühler dienenden Schwingquarz als frequenzbestimmendes Teil eines Oszillators aufweist, dessen Schwingungsfrequenz sich mit der Temperatur stark ändert; weiterhin ist ein zweiter Oszillator mit einem weitgehend temperatur­ stabilen Schwingquarz vorgesehen, dessen Frequenz bei Temperaturänderungen relativ stabil ist. An die Oszillatoren sind jeweils Frequenzteiler ange­ schlossen, um Tastimpulse zu erzeugen, mit deren Hilfe jeweils die Frequenz des anderen Oszillators gemessen und jeweils in einer Speichereinrichtung festgehalten wird; anschließend werden die Inhalte der ersten und zweiten Speichereinrichtung in einer Vergleichsschaltung miteinander verglichen, um die Inhalte der beiden Speicher miteinander zu vergleichen, so daß wahlweise der Inhalt des ersten oder des zweiten Speichers in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Vergleichsschaltung angezeigt werden kann und immer der maximale Meßwert gespeichert und angezeigt wird.

Weiterhin beschreibt die DE-PS 35 29 778 eine elektronische Temperaturmeß- und Anzeigeeinrichtung für Temperaturfühler mit beliebiger Kennlinie, die aus einem festprogrammierten Teiler mit einer ersten Torschaltung, einem festpro­ grammierten Teller mit einer zweiten Torschaltung, mit einem RS-Flip-Flop, einer Anzeige mit Anzeigezähler und Anzeigeverstärker, einem temperaturunab­ hängigen Oszillator mit Teller und einem Impulsformer mit einem weiteren Im­ pulsformer zur Herstellung von Taktimpulsen zur Meßablaufsteuerung sowie einem temperaturabhängigen Oszillator mit Impulsformer aufweist. Die zugehörige integrierte Schaltung enthält zwei maskenprogrammierbare Teile zur Kalibrierung der Temperaturkennlinie des temperaturabhängigen Oszillators.

Als problematisch erweist sich bei den genannten Temperaturmeßvorrichtungen der verhältnismäßig komplizierte Aufbau mit einer Vielzahl elektronischer Bauelemente sowie das Fehlen der Anschlußmöglichkeit an ein Datenübertragungs­ system zur Auswertung beziehungsweise Steuerung bei räumlicher Trennung, wie sie z. B. in einer Schaltwarte vorliegt.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Temperatursensor mit möglichst einfachem Aufbau anzugeben, der unter Verwendung üblicher Bauelemente geschaf­ fen werden kann; weiterhin soll ein Verfahren zur Temperaturmessung angegeben werden, das auf einfache Weise eine Linearisierung der Temperatur-Frequenz- Kennlinie eines solchen Sensors ermöglicht, wobei die ermittelten Temperatur­ daten zwecks weiterer Auswertung und Steuerung an ein Daten-Bus-System zwecks Steuerung und Auswertung unter räumlicher Trennung vom Temperatursensor wei­ tergeleitet werden können.

Die Aufgabe wird vorrichtungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Auswerteschaltung wenigstens eine Schnittstelle zum externen Datenaustausch auf. Die Auswerteschaltung enthält einen Mikroprozessor mit angeschlossenem Arbeits-, Festwertspeicher sowie Eingabe- und Ausgabeeinheit, die sämtlich durch ein Daten- und Steuer­ bus-System miteinander verbunden sind; der Festspeicher dient dabei als Korrektur-Wertspeicher zur Linearisierung der Temperatur-Frequenz-Kennlinie des im Meßfühler befindlichen piezoelektrischen Schwingkristalls.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens dem ersten Oszil­ lator ein Frequenzzähler nachgeschaltet, um die Frequenz des temperatursensi­ tiven Schwingkristalls aufzunehmen innerhalb eines Zeitintervalls, das von der Frequenz des als Zeitbasis dienenden Schwingkristalls vorgegeben wird.

Die Aufgabe wird verfahrensgemäß mittels der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird zu Beginn eines Zeitinter­ valls der zweite Zähler in seinen Ausgangszustand versetzt und gleichzeitig ein Startsignal zum ersten Zähler gesendet und bei Erreichen der vorgegebenen Zahl von Impulsen im zweiten Zähler ein Stopsignal ausgelöst, das an den er­ sten Zähler übermittelt wird. Nach Auslösung des Stopsignales wird aus der Zahl der im ersten Zähler ermittelten Impulse eine Adresse abgeleitet, der durch die Temperatur-Frequenzkennlinie des als Meßfühler dienenden ersten Schwingkristalls ein Temperaturwert zugeordnet wird.

Als vorteilhaft erweist sich die verhältnismäßig hohe Meßgenauigkeit aufgrund der hohen Auflösung der Zähler und der aus dem Festspeicher abrufbaren Korrek­ turwerte für die Temperatur-Frequenzkennlinie des als Meßfühler dienenden ersten piezoelektrischen Schwingkristalls sowie die Möglichkeit einer Tempera­ turkompensation des als Zeitbasis dienenden zweiten piezoelektrischen Schwing­ kristalls mittels Korrekturfaktor, der durch die Temperaturwerterfassung fest­ gelegt ist und als Umgebungstemperaturkompensation bezeichnet werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, die Anordnung in miniaturisierter Form einfach zu realisieren, wobei beispielsweise auf die Herstellung mittels der ASIC-Technik zurückgegriffen werden kann. Aufgrund des einfachen Aufbaus, ist auch eine verhältnismäßig hohe Zuverlässigkeit zu erreichen.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, daß der Temperatur-Sensor sowohl im Allein-Betrieb d. h. mit einem Meßfühler als auch in einem Temperatur-Meß­ system mit einer Vielzahl von Meßfühlern, die einer gemeinsamen elektronischen Schaltung angeschlossen sind, einsetzbar ist.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 und 2a, 2b näher erläutert.

Fig. 1 zeigt im Blockschaltbild den Aufbau des Temperatursensors;

Fig. 2a zeigt ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs der Zählvorgänge.

Fig. 2b zeigt im Ausschnitt die Temperatur-Frequenz-Kennlinie.

Gemäß Fig. 1 weist der erste Oszillator 1, als frequenzbestimmendes Glied ein erstes piezoelektrisches Schwingkristall 2 als Meßfühler auf, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Der Ausgang des mit einem Impulsgenerator versehenen Oszillators 1 ist mit einem ersten Zähler 3 verbun­ den, dessen Ausgang mit einem Register 4 verbunden ist. Das Register 4 ist mittels paralleler Übertragungsleitung 5 (3·8 bit-Übertragung nacheinander) mit der Auswerteeinheit 6 verbunden, die als Mikroprozessor ausgebildet ist. Oszillator 1 weist eine Frequenz im Bereich von 2²⁴ Hz auf.

Der zweite Oszillator 7 enthält als frequenzbestimmendes Glied einen weit­ gehend temperaturstabilen zweiten piezoelektrischen Schwingkristall 8, welcher eine temperaturunabhängige Frequenz als Basis des Zeitnormals für den Mikro­ prozessor erzeugt. Außerdem ist er mit Leitung 10 über UND-Glied 20 an den Eingang des zweiten Zählers 11 angeschlossen, der ein definiertes Zeitfenster (Gate Time) erzeugt. Zur Übertragung des von der Auswerteeinheit 6 ausgehenden Startsignales ist Leitung 13 mit den Startsignaleingängen des ersten Zählers 3 und über UND-Glied 20 des zweiten Zählers 11 verbunden. Der das Stopsignal bereitstellende Ausgang des zweiten Zählers 11 ist über Stopsignalleitung 14 mit dem Stopsignaleingang des ersten Zählers 3 und dem Eingang des UND-Glie­ des 20 verbunden. Die Auswerteeinheit 6 ist über eine bidirektionale Übertra­ gungsleitung 15 mit dem Festspeicher 16 verbunden, aus dem die zur Lineari­ sierung der Temperatur-Frequenzkennlinie erforderlichen Korrekturwerte mittels Adressierung abrufbar sind. Weiterhin sind in einer erweiterten Ausführungs­ form im Festwertspeicher zusätzlich Korrekturwerte für einen im thermischen Kontakt mit dem als Zeitnormal dienenden zweiten Schwingkristall 8 stehenden Thermosensors vorgesehen, über welchen eine Korrektur das Frequenzverhalten des zweiten Schwingkristalles bei sich ändernder Umgebungstemperatur möglich ist. Es handelt sich hier jedoch nur um eine zusätzliche Ausführungsform, auf die bei präzisionsgeschliffenen Schwingkristallen für die Zeitbasis verzichtet werden kann. Als Temperaturgeber 17 ist beispielsweise ein Thermistor einsetzbar, wobei mittels Wandler 18 aus der anliegenden Spannung über Auswerteeinheit 6 eine Abfrageadresse für den Festspeicher 16 zur Korrektur der Zählerstandsvorgabe für den zweiten Zähler 11 abgeleitet wird.

Im Folgenden ist unter Zuhilfenahme des in Fig. 2a dargestellten Zeitplanes die Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 näher erläutert.

Gemäß Kurve A der Fig. 2a wird vom ersten Oszillator 1 nach Fig. 1 eine temperaturabhängige Frequenz erzeugt, welche als Amplitude A entlang der Zeitachse t dargestellt ist. Mittels eines im Oszillator 1 befindlichen Impulsgenerators wird aus der sinusförmigen Wechselspannung gemäß Kurve B eine Folge von Impulsen erzeugt, deren Impulsabstände umgekehrt proportional der Frequenz des ersten Oszillators 1 sind. Die Impulse werden mittels Leitung 12 zum ersten Zähler 3 geleitet und dort gezählt, sofern am ersten Zähler 3 das von einem Startsignal-Impuls I gemäß Kurve C generierte Zeitfenster gemäß Kurve D anliegt. Der Beginn des Zeitfensters wird gemäß Kurve C durch den Start-Impuls I ausgelöst, an den sich eine Folge von Impulsen II in konstantem Zeitabstand T₂ anschließt; diese Impulsfolge wird ebenso wie die anhand des ersten Oszillators 1 beschriebene Folge aus einer im zweiten Oszillator 7 mittels zweitem Schwingkristall 8 erzeugten Sinusschwingung abgeleitet, wobei allerdings im Gegensatz zum ersten Oszillator 1 im zweiten Oszillator eine praktisch temperaturunabhängige Frequenz erzeugt wird. Das in Kurve D dargestellte Zeitfenster mit der Amplitude 1 wirkt zusammen mit den zu zählenden Impulsen gemäß Kurve B über eine logische UND-Verknüpfung auf den Zähler 3, so daß nur bei Anliegen beider Signale gemäß Kurven B und D der erste Zähler 3 in Funktion tritt. Das Zeitfenster D wird mittels eines Stopsignal-Impulses III gemäß Kurve C beendet, wobei der Stop-Signal-Impuls durch Überlauf des vorgegebenen Zählerstandes im zweiten Zähler 11 erzeugt wird.

Das Startsignal gemäß Kurve C für das Zeitfenster D wird entweder durch manuelle Betätigung, beispielsweise eines Starttasters oder durch zyklisches Starten im Prozessor, z. B. Ansteuerung der Auswerteeinheit 6 ausgelöst, wobei das auslösende Steuersignal beispielsweise über eine Daten-Bus-Leitung mittels Schnittstelle 21 in die Auswerteeinheit 6 gelangt; d. h., der zur Erzeugung des Zeitfensters D erforderliche Stopsignal-Impuls III wird durch eine vorgegebene Anzahl von Impulsen gemäß Kurve C ausgelöst, die aus einem mit dem zweiten Oszillator 7 verbundenen Impulsgenerator über Leitung 10 in den zweiten Zähler ll (Auf- oder Abwärtszähler) gelangen, wobei die Zahl der zwischen Startsignal und Stopsignal liegenden Impulse zur Erzeugung eines konstanten Impulsabstandes zwischen Start- und Stopsignal fest vorgegeben ist. Das heißt, daß durch das Startsignal eine logische 1 gemäß Kurve D erzeugt wird, die zusammen mit den aus dem Impulsgenerator des 2. Oszillators 7 austretenden Impulsen mittels logischer Und-Verknüpfung auf den Zählereingang des 2. Zählers ll solange gelangt, bis der vorgegebene Zählerstand erreicht ist und der Stopsignal-Impuls III die vom Startsignal-Impuls I ausgelöste logische 1 in eine logische 0 umwandelt, so daß keine weiteren Impulse in den Eingang des zweiten Zählers 11 gelangen können. Die vom ersten Zähler 3 ermittelte Zahl, der aus dem Impulsgenerator des ersten Oszillators 1 abgeleiteten Impulse, wird in einem Register 4 geladen, das mittels einer Übertragungsleitung 5 (3·8 bit-Übertragung) mit der Auswerteeinheit 6 in Verbindung steht. Da die Zahl der Impulse der Frequenz des als ersten Schwingkristall 2 ausgebildeten Meß­ fühlers direkt proportional ist, kann aus der in Register 4 gespeicherten Zahl eine Adresse abgeleitet werden, die einen Abruf des im Prozessor als Tempera­ turwert abgelegten Speicherinhaltes ermöglicht, so daß aufgrund der Adreß-Speicher-Zuordnung eine Linearisierung der Temperatur-Frequenzkennlinie möglich ist.

Weiterhin kann in der bereits oben genannten weiteren bevorzugten Ausführungsform ein verhältnismäßig einfacher zusätzlicher Temperatursensor 17, der beispielsweise als Thermistor ausgebildet ist, ein seiner Spannung entsprechendes Signal mittels Wandler 18 über Leitung 19 an die Auswerteeinheit 6 weiterleiten, wobei aus dem Signal ebenfalls eine Adresse für den Festspeicher 16 abgerufen wird, so daß gemäß Kurve E bei Temperaturerhöhung die Zahl der zur Auslösung des Stopsignals III erforderlichen vorgegebenen Impulse im 2. Zähler verringert und gemäß Kurve F bei Temperaturerniedrigung im Bereich des als Zeitbasis dienenden zweiten piezoelektrischen Schwingkristalls 8 die vorgegebene Zahl der Impulse für den 2. Zähler 11 erhöht, um einen konstanten Zeitabstand zwischen Start- und Stopsignal zu bewahren, wie es anhand der Kurve D erkennbar ist. Die Kurven A-F zeigen lediglich einen schematischen zeitlichen Zusammenhang.

Weiterhin ist es auch möglich, die Länge des Zeitfensters gemäß Kurve D durch Vorgabe eines ganz bestimmten Zählerstandes des zweiten Zählers 11 am Anfang des jeweiligen Zählzyklus zu variieren. Hierdurch kann beispielsweise die Auflösung der Genauigkeit des Meßverfahrens den jeweiligen Erfordernissen optimal angepaßt werden; weiterhin ist es möglich, auf einfache Weise eine Temperaturkompensation der Umgebungstemperatur bzw. eine Kalibration beispielsweise infolge Alterung der Schwingkristalle durch Vorgabe eines ganz bestimmten Zählerstandes im zweiten Zähler am Anfang des jeweiligen Zählzyklus vorzunehmen.

Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Frequenz des ersten Schwing­ kristalls 2, ist anhand der Fig. 2b erkennbar, wobei hier nur ein Ausschnitt aus der Kennlinie dargestellt ist. Anhand der auf Kennlinie L befindlichen Punkte M und N ist erkennbar, daß bei Temperaturerhöhung von Punkt M auf Punkt N um beispielsweise 1° C eine Verringerung der Frequenz um Δ f erfolgt.

Claims (14)

1. Temperatur-Sensor mit einem als Meßfühler dienenden temperaturabhängigen ersten piezoelektrischen Schwingkristall als frequenzbestimmendes Glied eines ersten Oszillators mit nachgeschaltetem ersten Zähler und einem von der Temperatur weitgehend unabhängigen zweiten piezoelektrischen Schwing­ kristall als frequenzbestimmendes Glied eines zweiten Oszillators mit nachgeschaltetem zweiten Zähler, wobei der Ausgang des ersten Zählers an eine Speichervorrichtung angeschlossen ist, die mit einer elektronischen Auswerteschaltung zur Ermittlung eines Temperaturwertes durch Vergleich beider Zählerstände verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zähler (3, 11) über wenigstens eine Leitung (13, 14) zur Übertragung von Start- und Stop-Signalen miteinander verbunden sind, wobei durch das Start-Signal beide Zähler (3, 11) jeweils auf einen vorgegebenen Ausgangszustand einstellbar sind und das Stop-Signal bei Erreichen eines vorgegebenen Zählerstandes des zweiten Zählers (11) auslösbar ist und daß das Stop-Signal zur Ermittlung des Zählerstandes des ersten Zählers (3) dient, aus dem ein Adressen-Signal zur Abfrage eines dem Zählerstand entsprechenden Temperaturwertes aus einem Festspeicher (16) ableitbar ist.

2. Temperatur-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Start-Signal wenigstens einer der beiden Zähler (3, 11) auf seine Null-Stellung zurücksetzbar ist.

3. Temperatur-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (6) einen die Start-Stop-Signale erzeugenden Mikropro­ zessor mit angeschlossenem Arbeitsspeicher, Festspeicher sowie Eingabe- Ausgabe-Einheit aufweist, die durch ein Bus-System miteinander verbunden sind.

4. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteschaltung (6) wenigstens eine Schnittstelle (21) zum externen Datenaustausch mit einem räumlich getrennten Steuergerät aufweist.

5. Temperatur-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an das Steuergerät ein Registriergerät angeschlossen ist.

6. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Festspeicher (16) als Korrekturwert-Speicher ausgebildet ist, aus dem Werte zur Linearisierung der Temperatur-Frequenzkennlinie des ersten piezoelektrischen Schwingkristalls (2) abrufbar sind.

7. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste piezoelektrische Schwingkristall (2) ein Schwingquarz ist.

8. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der zweite piezoelektrische Schwingkristall (8) in thermischem Kontakt mit einem zusätzlichen Temperatur-Sensor (17) steht, welcher mit dem Eingang der Auswerteschaltung (6) verbunden ist, wobei deren Fest­ speicher (16) zusätzliche Korrekturwerte zur Linearisierung der Tempera­ tur-Frequenzkennlinie des zweiten piezoelektrischen Schwingkristalls auf­ weist.

9. Verfahren zur Temperatur-Messung mittels eines ersten Oszillators, dessen frequenzbestimmendes Glied als temperaturabhängiger erster piezoelektri­ scher Schwingkristall eine von seiner Temperatur abhängige Frequenz er­ zeugt, die in eine Folge von Impulsen umgewandelt und einem ersten Zähler zugeführt wird wobei zur Auswertung die Zahl der Impulse dieses Zählers mit der Zahl der Impulse eines zweiten Zählers, dessen Folge von Impulsen aus einem weitgehend temperaturstabilen zweiten Oszillator abgeleitet wird, verglichen und das Vergleichs-Ergebnis in einer logischen Schaltung gespeichert und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse im ersten Zähler nur während eines Zeitintervalls gezählt werden, dessen Länge durch Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Impulsen festgelegt Ist, die dem zweiten Zähler zugeführt werden und daß nach Ablauf des Zeit- Intervalls die im ersten Zähler ermittelte Anzahl der Impulse gespeichert wird und ein der Anzahl der Impulse entsprechender Temperaturwert ermit­ telt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn des Zeit­ intervalls beide Zähler in ihren Ausgangszustand versetzt werden und daß bei Erreichen der vorgegebenen Zahl von Impulsen im zweiten Zähler ein Stop-Signal ausgelöst und an den ersten Zähler zwecks Ermittlung seines Zählerstandes übertragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangszustand wenigstens eines der beiden Zähler durch Vorgabe eines bestimmten Zählerstandes einstellbar ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach Auslösung des Stop-Signals aus der Zahl der im ersten Zähler ermittelten Impulse eine Adresse abgeleitet wird, mit deren Hilfe ein Korrekturwert der Temperatur-Frequenzkennlinie des ersten Schwingkristalls aus dem Festspeicher abgerufen und der logischen Schaltung zur Auswertung zugeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des zweiten Oszillators mittels eines temperaturstabilen zweiten piezoelektrischen Schwingkristalls erzeugt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des zweiten piezoelektrischen Schwingkristalls die Temperatur gemessen wird und aus dem Temperaturwert eine Adresse für den Festspeicher zur Korrektur des Zählerstandes für die vorgegebenen Impulse des zweiten Zählers abge­ leitet wird.