DE19803351A1 - Thermoelektrisches Bauteil und Verfahren zu dessen Gebrauch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vergleichsstellen-Komparatoren zur Ver­ wendung in thermoelektrischen, Thermoelement- oder Thermistor-Schaltungen sowie bei Widerstandstemperatur-Schaltungen, sowie Verfahren zu deren Gebrauch.

Bei thermoelektrischen Meßschaltungen ist es bei gewissen Mes­ sungen notwendig, zwei identische Thermoelemente zu verwenden. Während man ein Thermoelement auf einer Referenztemperatur hält, verwendet man das andere Thermoelement dazu, die Tempera­ tur einer zu untersuchenden Umgebung zu messen. Unter Laborbe­ dingungen wird die Temperatur des ersten Thermoelementes ge­ wöhnlich auf den Gefrierpunkt gehalten (0°C), indem man ein Eisbad verwendet, oder mittels eines temperaturgesteuerten Ofens auf einer etwas höheren, festgelegten Temperatur. Das er­ ste Thermoelement wird gewöhnlich als Referenz oder als Ver­ gleichsstelle bzw. kaltes Ende bzw. kalte Lötstelle ("junction") bezeichnet. Das andere Thermoelement wird in der zu untersuchenden Umgebung eingesetzt und ist als Meßstelle oder heißes Ende bekannt. Die herkömmlichen bekannten Verfahren zum Halten der ersten, temperaturgesteuerten Lötstelle auf ei­ ner konstanten Temperatur sind zum Gebrauch unter Laborbedin­ gungen zufriedenstellend. Diese Verfahren sind doch bei vielen industriellen Anwendungen und insbesondere bei Luftfahrt- und Flugkörper-Anwendungen hinsichtlich vieler Faktoren nicht pra­ xisgerecht, wie Gewicht, Größe, Kosten, Leistungsverbrauch, Wartungsnotwendigkeit, Aufwärmzeit und Eisaustausch oder Kontaminierung. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung erset­ zen, wie es nachstehend beschrieben ist, die obigen Verfahren.

Die meisten bislang verwendeten, in der Praxis eingesetzten Konstruktionen sind relativ groß und schwierig zu gebrauchen, da es notwendig ist, eine Anzahl von separaten Einzelgeräten vorzusehen, die man durch Leitungen untereinander verbinden muß. Ferner ist eine Verdrahtung zwischen der Thermoelementlöt­ stelle bzw. dem Thermoelementende selbst und der Ausrüstung zur Anzeige und/oder Aufzeichnung erforderlich.

Bei der Verwendung von thermoelektrischen Schaltungen ist es wünschenswert, eine sogenannte "Linearisierung" vorzusehen. Dieser Begriff beschreibt den Vorgang, durch den eine elektri­ sche Schaltung die in starkem Maße nicht-lineare Kurve der thermoelektrischen Spannung über der Temperatur in eine lineare Ausgangskurve des Bauteils von Spannung über Temperatur konver­ tiert.

Jede Kalibrierung führt in der Praxis zu einer einzigartigen, nicht-linearen Kalibrierungskurve. Indem man diese Linearisie­ rung vorsieht, ist es nicht notwendig, daß der Benutzer eine Vergleichstabelle benutzt, um eine lineare mit einer nicht li­ nearen Kurve in Beziehung zu setzen. Statt dessen kann er ein­ fach den Ausgang des Bauteils messen und weiß dann beispiels­ weise, daß eine Ausgangsspannung von einem Millivolt einer ge­ messenen Temperatur von beispielsweise 1°C oder 1°F entspricht.

Auch bei Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) und Thermistoren besteht eine Notwendigkeit, eine ähnliche Korrektur vorzusehen. Der Ausgang eines RTD ist über der Temperatur zwar bereits li­ near, die Ausgangskurve ist jedoch einzigartig und ist mit ei­ nem Offset versehen. Bei der vorliegenden Erfindung gewährlei­ stet die eingesetzte Linearisierung, daß der Benutzer den Aus­ gang des RTD messen kann und dann weiß, daß eine Ausgangsspan­ nung von beispielsweise 1 Millivolt einer gemessenen Temperatur von entweder 1°C oder 1°F entspricht.

Die folgenden Dokumente offenbaren Vergleichs­ stellen-Kompensatoren zur Verwendung mit Thermoelement-Schaltungen:

US-A-1,205325, US-A-1,228,678, US-A-1,411,033, US-A-3,225,597, US-A-3,650,154, US-A-3,916,691, US-A-4,133,700, kanadische Pa­ tentveröffentlichung 691809, Produktbeschreibung 803-A von Ome­ ga Engineering, Inc. mit 4 Seiten, Katalog Nr. C021 von Conso­ lidated Omega Devices Inc. mit 6 Seiten, und "Cold Junction Compensation for Thermocouple Sensors" von Avasthy, Juli 1973, Seiten 211 bis 212, Institution of Engineers (Indien), Band 53, Teil 6.

Das oben erwähnte US-Patent US-A-4,133,700 offenbart einen Ver­ gleichsstellen-Kompensator, der das elektrische Equivalent zu einem Eisbad-Referenzthermoelement bei einer ausgewählten Tem­ peratur bereitstellt, z. B. 0°C. Eingangsverbinder zum Anschluß an herkömmliche Thermoelementeinheiten bilden Thermoelementmeß­ stellen mit Leitern, die mit einer batteriebetriebenen Wheatstone-Brückenschaltung verbunden sind, die dazu ausgelegt ist, eine gleich große und eine entgegengesetzte Kompensation in Form eines Spannungsausganges bereitzustellen, um Verände­ rungen in dem Meßstellenausgang des Thermoelementes bei unter­ schiedlichen Umgebungstemperaturen zu kompensieren.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht somit darin, einen verbesserten Vergleichsstellen-Kompensator zu schaffen, sowie ein entsprechendes Verfahren zu dessen Gebrauch.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 bzw. 11 gelöst.

Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß eine kompakte und leicht handhabbare Vorrichtung geschaffen wird, die als Verbindungsmodul zwischen einem Thermoelementausgang und einem analogen Gerät dient.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein solches Verbinder­ modul mit einer Vergleichsstellen-Kompensation ausgestattet ist.

Vorzugsweise umfaßt der Vergleichsstellen-Kompensator auf einem Träger Eingangsanschlüsse zur Verbindung mit Leitungen eines thermoelektrischen (Thermoelement, Thermistor RTD) Bauteils, eine gedruckte Leiterplatte, die elektronische Bauteile trägt, die zur Vergleichsstellen-Kompensation erforderlich sind, sowie zur Linearisierung, soweit anwendbar, Batteriemittel zur Ver­ sorgung der Bauteile der gedruckten Leiterplatte mit Spannung, und Ausgangsanschlüsse zum Anschließen von Leitungen eines Spannungsmeßgerätes und/oder eines Spannungsaufzeichnungsgerä­ tes oder eines Anzeigegerätes, das eine Temperatur in °C oder °F anzeigen kann.

Der Träger kann ferner eines der folgenden Merkmale besitzen oder eine beliebige Kombination dieser Merkmale:

• (i) Mittel zum Abschirmen der Eingangsanschlüsse gegenüber elektromagnetischem Induktionsstreurauschen;
• (ii) Schaltmittel zum Ein/Aus-Schalten des Gerätes;
• (iii) ein oder mehr Potentiometer zum Kalibrieren des Schaltkreises;
• (iv) Mittel, um außen den Status der Batteriemittel zur Spannungsversorgung anzuzeigen;
• (v) Umschaltmittel zum Verändern des Ausgangs des Bautei­ les, so daß entweder °C oder °F abgelesen werden kön­ nen.

Der Träger kann mit der Hand gehalten werden und kann einen oder mehrere entfernbare und ersetzbare Deckelabschnitte auf­ weisen, um auf das Innere des Gerätes leicht zugreifen zu kön­ nen.

Der Kompensator kann in einem Modul mit Eingangsbuchsen oder Eingangssteckern enthalten sein, die mit Steckern oder Buchsen herkömmlicher Thermoelementeinheiten zusammenwirken können. Der Kompensator und die Batterie können verkapselt sein. In der Batterieschaltung kann ein Schalter enthalten sein, auf den zu­ gegriffen werden kann.

Ein Kompensatorgerät mit Linearisierung gemäß der Erfindung ist dazu ausgelegt, thermoelektrische Bauteile zu "managen", ein­ schließlich keramischer Halbleiter, Thermoelementen, Silisto­ ren, Thermistoren, RTDs und Thyristoren. Elektrische Ströme werden in Ablesewerte umgewandelt, die die Temperatur in Grad anzeigen. Es kann eine Temperatur ausgewählt werden, um das elektrische Verhalten von Arbeitsgerätschaften zu steuern.

Die Erfindung ist an Temperatursensoren zur Messung, Kompensa­ tion sowie zur Steuerung und zur Strömungserfassung, zur Gasa­ nalyse, zur Erfassung eines Flüssigkeitspegels, einer Flüssig­ keitsviskosität, zur Infrarotmessung und zum Mikro­ wellen-Leistungsmanagement angepaßt. Sie wird in linearisierten Netz­ werken und Brückenschaltungen verwendet. Die Erfindung ist zur Meßgerätkalibrierung geeignet.

In Abhängigkeit von der Art und Weise, wie das erfindungsgemäße Kompensatorgerät tatsächlich implementiert wird, können die folgenden Vorteile erzielt werden.

Es kann ein Verbindermodul bereitgestellt werden, dessen Span­ nungsausgang sich bezüglich der Temperaturablesewerte von dem Thermoelement linear verhält.

Es kann ein Verbindermodul bereitgestellt werden, dessen Span­ nungsausgang leicht zu Werten in °C oder alternativ in °F in Bezug gesetzt werden kann.

Es kann ein Verbindermodul bereitgestellt werden, bei dem sämt­ liche Linearitäts- und Vergleichsstellen-Kompen­ sations-Korrekturen von einem Mikroprozessor ausgeführt werden.

Es kann ein Verbindermodul bereitgestellt werden, das für jede Art von Thermoelementtyp, also J, K oder T, auf einfache Weise programmiert werden kann, wie nachstehend erläutert.

Es kann eine verbesserte Konstruktion eines Vergleichs­ stellen-Kompensators in der Form eines relativ kleinen und kompakten Moduls bereitgestellt werden, das sämtliche Komponenten in ei­ nem vollständig verkabelten Zustand enthält, die für eine Kom­ pensationsschaltung notwendig sind, und sämtliche notwendigen Spannungsversorgungsmittel. Das Modul kann beispielsweise so angepaßt sein, daß es Verbindermittel wie ein Paar von Buchsen enthält, um ein thermoelektrisches Bauteil schnell anschließen und abnehmen zu können. Es können ferner Maßnahmen getroffen sein, um ein Meßgerät und/oder ein Aufzeichnungsgerät anzu­ schließen.

Es kann ein Modul bereitgestellt werden, das einen Schaltkreis zur Linearisierung des Spannungsausgangs des Gerätes enthält, so daß der Spannungsausgang proportional zu der überprüften Temperatur ist.

Es kann ein solches Modul bereitgestellt werden, das mit Mit­ teln versehen ist, um beliebiges elektromagnetisches Induktions­ streurauschen bzw. elektromagnetische Streustrahlung wenig­ stens zu vermindern und vorzugsweise vollständig zu eliminie­ ren, wobei dieses Rauschen bzw. diese Strahlung über Eingangs­ anschlüsse von dem Gerät aufgenommen wird, das in Verbindung mit dem Modul verwendet wird.

Weiterhin können Verfahren geschaffen werden, um ein analoges Ergebnis aus einem elektrischen Ausgang eines thermoelektri­ schen Bauteiles zu erhalten, und um ein linearisiertes analoges Ergebnis zu erhalten, um eine Kalibrierung des analogen Ergeb­ nisses in °C oder in °F bereitzustellen, und um eine Ver­ gleichsstellen-Kompensation der analogen Ergebnisse bereitzu­ stellen.

Es versteht sich von selbst, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombi­ nationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rah­ men der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählten Aus­ führungsbeispiele näher beschreiben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein perspektivische Ansicht, teils in Explosionsdar­ stellung, eines handgehaltenen Vergleichs­ stellen-Kompensatormoduls mit seiner Basis und seinen zwei in abgenommenem Zustand gezeigten Deckelabschnitten, gemeinsam mit einem beispielhaften Gerät zum Messen und/oder Aufzeichnen einer Spannung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm in schematischer Form der Schal­ tung des Vergleichsstellen-Kompensatormoduls;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Schaltung eines Verbindermo­ duls;

Fig. 4A eine Draufsicht auf das Modul mit abgenommenem Dec­ kel;

Fig. 4B eine Draufsicht auf den Deckel des Moduls;

Fig. 4C einen Querschnitt des Modulgehäuses durch einen er­ sten Abschnitt des Gehäuses;

Fig. 4D einen Querschnitt des Modulgehäuses durch einen zweiten Abschnitt des Gehäuses;

Fig. 4E eine Ansicht des Moduls von unten;

Fig. 4F einen zentralen vertikalen Längsschnitt durch das Modulgehäuse;

Fig. 4G eine Ansicht des Modulgehäuses von unten;

Fig. 4H die Ansicht eines Endes des Modulgehäuses;

Fig. 4I eine weitere Ansicht eines Endes des Modulgehäuses, wobei ein Teil weggelassen ist;

Fig. 4J eine Ansicht des Endes des gesamten Modulgehäuses;

Fig. 4K eine Drauf-, eine End- und eine Seitenansicht eines einsetzbaren Steckerelementes zur Verbindung mit dem Modul;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Moduls im Ge­ brauch, angeschlossen an ein Thermoelement und an ein Gerät zum Ablesen/Aufzeichnen;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Moduls von einer Seite und einem Ende;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des Moduls von der an­ deren Seite und dem anderen Ende;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Moduls von der Un­ terseite;

Fig. 9 eine perspektivische Explosionsdarstellung von Tei­ len einer weiteren Ausführungsform des Vergleichs­ stellen-Kompensatormoduls;

Fig. 10A, 10B, 10C und 10D jeweilige Abschnitte einer Schaltung des Moduls der Fig. 9 in schematischer Form; und

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses des Mo­ duls, wobei das Gehäuse mit einem Farbstreifen aus einem elastischen Material ausgestattet ist, der das Gehäuse umschließt und zu Abdichtungs- und Identifi­ kationszwecken dient, beispielsweise in der Kon­ trastfarbe gelb.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Vergleichs­ stellen-Kompensatormodul gezeigt, das eine Basis 1A, einen ersten Dec­ kelabschnitt 1B und einen zweiten Deckelabschnitt 1C aufweist. Ein Gerät 2 dient zum Messen und/oder Aufzeichnen einer Span­ nung oder einer anderen Meßgröße.

Der Deckelabschnitt 1B kann an der Basis 1A mittels zweier Schrauben 3 festgelegt werden, die durch Durchgangslöcher 4 in dem Deckelabschnitt 1B hindurchgehen und in mit einem Gewinde versehene Vorsprünge 5 der Basis 1A geschraubt werden. Der Dec­ kelabschnitt 1C kann an der Basis 1A durch beliebige herkömmli­ che Mittel festgelegt werden, beispielsweise durch Bereitstel­ len eines Gleitsitzes an einer Seitenwandrippung 6, die geeig­ net hinterschnitten ist.

Die Basis 1A besitzt eine vom Rand einer Grundplatte hochste­ hende Wand 7, die in Fig. 1 am rechten Ende ausgeschnitten ist (nicht gezeigt), um den Anschluß von zwei als Männchen ausge­ bildeten Steckerstiften unterschiedlicher Größe eines thermo­ elektrischen Bauteiles an geeignete, als Weibchen ausgebildete Buchsen 8 zu gestatten, die an jeweiligen Anschlußpfosten 9 montiert sind, die an der Basis 1A festgelegt sind. Jede Buchse 8 ist von einer jeweiligen Ferrithülse 10 umschlossen, um eine Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Streustörungen be­ reitzustellen.

An der Basis 1A, genau gesagt, an der Grundplatte, ist eine ge­ druckte Leiterplatte 11 festgelegt, die einen geeigneten Schaltkreis zur Kompensation und Linearisierung aufweist. An der Leiterplatte sind ferner Mittel vorgesehen, um Batterien 12 zu montieren, die den Schaltkreis mit Spannung versorgen. Eine Batteriestatusanzeige 13, beispielsweise in Form eines LED, kann mittels eines Batteriestatusschalters 14 zur Anzeige ge­ bracht werden, wenn es erforderlich ist. Ein Hauptschalter zum Ein/Ausschalten des Schaltkreises ist bei 15 gezeigt. Eine Mehrzahl von Potentiometern 16 ermöglichen eine Kalibrierung des Schaltkreises. Ein Umschalter 17 ermöglicht ein Verändern des Ausgangs des Moduls, so daß Werte in °C oder in °F abgele­ sen werden können, je nach Anwendungsfall. Ausgangsanschlüsse 18 können mittels jeweiliger Leitungen 19 mit dem Gerät 2 zum Messen oder Aufzeichnen verbunden werden.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm des Vergleichs­ stellen-Kompensatormoduls. Eingangsverbindungsmittel 20 (entsprechend den Elementen 8, 9 und 10 der Fig. 1) sind an ihrem Ausgangsen­ de mit dem Vergleichsstellen-Kompensationsabschnitt 21 der ge­ druckten Leiterplatte verbunden. Der Ausgang der Kompensations­ schaltung 21 ist mit einer Signallinearisierungsschaltung 22 der gedruckten Leiterplatte verbunden. Deren Ausgang kann mit­ tels einer Logikschaltung 23 so verändert werden, daß Werte entweder in °C oder in °F abgelesen werden. Der ausgewählte und linearisierte Ausgang verläuft durch einen Wandler/Verstärker 24, dessen Ausgang zu Ausgangsverbindungsmitteln 25 geführt wird. Die Ausgangsverbindungsmittel 25 sind beispielsweise mit einem Voltmeter oder einem Gerät zur Spannungsaufzeichnung ver­ bunden (nicht gezeigt). Eine Batteriespannungsversorgung 26 mit Ein/Aus-Schalter und Batteriestatusanzeige liefert Leistung.

Verglichen mit herkömmlichen verkapselten Vergleichs­ stellen-Komperatoren besitzt die vorliegenden Erfindung die folgenden einzigartigen Merkmale und Funktionen:

• (i) Sie besitzt die Fähigkeit, den thermoelektrischen Aus­ gang in eine geeignete Kurve mit einem Millivolt pro °C oder einem Millivolt pro °F zu linearisieren; wei­ terhin kann das Ausgangssignal auf eine spezielle Spannungs- oder Stromeinheit pro °C oder °F kalibriert werden und das linearisierte Ausgangssignal ist mit Meßgeräten wie registrierenden Millivolt-Auf­ zeichnungsgeräten, Volt-Ohm-Milliammetern und ande­ ren Anzeige- und Aufzeichnungsvorrichtungen kompati­ bel.
• (ii) Es werden Ferritkerne verwendet, um die thermoelektri­ schen Eingangssignale gegenüber eingestreuter Radio­ frequenz-Störstrahlung zu schützen.
• (iii) Sie umfaßt eine Anzeigevorrichtung für die Lebensdauer der Batterie, die automatisch betätigt wird, im Gegen­ satz zu Vorrichtungen, bei denen der Benutzer zu die­ sem Zweck einen Schalter betätigen muß.
• (iv) Sie kann so ausgelegt sein, daß Ausgangsverbinder in Form von "Bananensteckern" bereitgestellt werden, im Gegensatz zu Schraubanschlüssen.
• (v) Es ist leicht möglich, Gummidichtungen vorzusehen, um das Gerät widerstandsfähig gegenüber Wasser zu machen.
• (vi) Es sind Kalibrierungspotentiometer enthalten, die im Feldeinsatz vom Benutzer direkt betätigt und dazu ver­ wendet werden können, die Kalibrierung im Feldeinsatz zu überprüfen und nachzustellen.
• (vii) Das Modul kann mit einer hohen Eingangsimpedanz be­ reitgestellt werden, die:
  • a) die Verwendung von Thermoelementen mit hohem Wi­ derstandswert ermöglicht, während Signalverluste auf einem Minimum gehalten werden;
  • b) die Verwendung von Thermoelementen mit langen An­ schlußleitungen gestattet; und
  • c) die Verwendung von Thermoelementen aus feinem Meßdraht gestattet, wobei ein schnelles Ansprech­ verhalten gewünscht ist.

Wenn der Eingangsschaltkreis eine hohe Eingangsimpedanz auf­ weist, ist der Eingangsschaltkreis gegenüber Radiofrequenzstö­ rungen oder elektromagnetischen Störungen außerordentlich emp­ findlich und die eingebauten Unterdrückungsmaßnahmen für Radio­ frequenzstörungen (RFI) oder elektromagnetischen Störungen (EMI) stellen den notwendigen Schutz bereit.

• (viii) Das Modul kann mit einem Ausgang niedriger Impedanz versehen werden, wobei
  • a) eine geringere Wahrscheinlichkeit besteht, daß elektromagnetische Streusignale in die Signallei­ tungen induziert werden, wenn das Ausgangssignal nahe am Massepotential gehalten wird, und
  • b) das Signal über eine größere Entfernung übertra­ gen werden kann, bei einer geringeren Wahrschein­ lichkeit des Auftretens von RFI oder EMI.
• (ix) Der Eingang und der Ausgang können symmetrisch bzw. phasengleich bzw. ausgeglichen sein, was
  • a) das Vermeiden von Masseschleifen unterstützt, und
  • b) Interferenzen verringert, die das Eingangs- und Ausgangssignal beeinflussen, und zwar aufgrund einer Auslöschung von induzierten Signalen.

In den Fig. 3 bis 8 ist im Detail ein handgehaltenes Verbinder­ modul zur Verbindung eines Thermoelementes mit einem analogen Gerät gezeigt. Das Modul wandelt einen Eingang von einem Ther­ moelement in einen linearen, kompensierten analogen Ausgang um. Das Modul liefert entweder einen analogen Ausgang von 1 mV/°F oder 1 mV/°C. Wenn der Thermoelementeingang zu dem Modul eine Temperatur von 400°F mißt, liefert das Modul beispielsweise einen analogen Ausgang von 400 mV.

Das Modul ist mikroprozessorgestützt. Sämtliche Linearitäts- und Vergleichsstellen-Kompensationskorrekturen werden von einem Mikroprozessor ausgeführt. Der Mikroprozessor besitzt auch eine Schnittstelle zu einem Tastenschalter und führt die Funktionen des Schalters aus. Der Mikroprozessor kann ferner sämtliche lo­ gische Funktionen durchführen und sämtliche LEDs auf der Lei­ terplatte ansteuern.

Fig. 3 zeigt das Blockdiagramm der Schaltung. Die Einheit wird von einer Lithiumbatterie der Größe AA und der Spannung von 3 V versorgt. Eine Schalterunterbrechungsschaltung 101 stellt eine Schnittstelle zu einem Tastenschalter und einem Mikroprozessor bereit. Diese Schaltung steuert die Leistung zu dem verbleiben­ den Teil der Leiterplatte. Eine Ladungspumpenschaltung 102 wan­ delt den 3 V Eingang in Ausgänge von +5,5 V und -2,0 V um. Diese Spannungen werden dazu verwendet, den verbleibenden Teil der Schaltung mit Leistung zu versorgen. Eine Spannungsrefe­ renzschaltung 103 liefert für andere Teile der Leiterplatte ei­ nen stabilen und präzisen Ausgang von +5 V. Eine Thermoele­ ment-Verstärkerschaltung 107 verstärkt den Eingang von dem Thermoelement auf einen hohen Signalpegel. Das hochpeglige Si­ gnal durchläuft eine zweite Verstärkungsstufe und eine Offset-Kor­ rektur in einem Verstärker 106. Ein Mikroprozessor 104 wan­ delt den Ausgang des Verstärkers 106 der zweiten Stufe in ein digitales Signal um. In Fig. 3 bezieht sich die Angabe TC auf ein Thermoelement.

Eine Jumpereinheit 111 programmiert den Mikroprozessor für ei­ nen beliebigen Thermoelementtyp, J, K oder T. Hierbei bedeuten J Eisen-Konstantan, K bedeutet Chromel-Alumel und T bedeutet Kupfer-Konstantan. Auf der Grundlage der Thermoelementauswahl programmiert der Mikroprozessor einen Analogschalter 112, um die Verstärkung und den Offset für das entsprechende Thermoele­ ment einzustellen. Der Analogschalter liefert auch eine geeig­ nete Offset-Auswahl für einen Ausgangsverstärker 110, um zwi­ schen einem Ausgang von 1 mV/°F und 1 mV/°C umzuschalten.

Ein oberflächenmontierter Temperatursensor 108 mißt die Tempe­ ratur der Vergleichsstelle. Der Mikroprozessor nimmt die Signa­ le von dem Offset-Verstärker 106 und dem Temperatursensor 108 und berechnet unter Verwendung von internen Nachschlagtabellen das Maß der Korrektur, das das Eingangssignal benötigt, und liefert einen impulsbreitenmodulierten Signalausgang. Dieses Signal verläuft durch eine Tiefpassfilterschaltung 109, so daß es in ein Gleichstromsignal umgesetzt wird. Dieses Gleichstrom­ signal wird dann mit dem Ausgangssignal von dem Thermoelement­ verstärker 107 und dem des Temperatursensors 108 aufsummiert. Der Ausgang des Ausgangsverstärkers 110 liefert einen linearen und kompensierten, analogen Signalausgang (1 mV/°).

Ein einzigartiges Merkmal dieser Vorrichtung besteht darin, daß der Mikroprozessor, der an Bord einen Analog/Digitalwandler (A/D) mit 4 Kanälen und 8 Bit besitzt, für die Linearitätskor­ rektur berechnet und bereitstellt, die für das bestimmte Ther­ moelement bei der bestimmten Temperatur notwendig ist, wobei die Linearitätskorrektur in der Form eines impulsbreitenmodu­ lierten Signalausgangs bereitgestellt wird. Im Ergebnis kommen etwa 95% des analogen Ausgangs direkt von dem Ausgang des Thermoelementverstärkers 107 und des Temperatursensors 108 und nur 5% des Signals kommen von dem Mikroprozessor.

Diese Anordnung ist vorteilhaft gegenüber der herkömmlichen Art des Digitalisierens eines analogen Signals und liefert einen linearisierten Signalausgang, der vollständig von dem Mikropro­ zessor gesteuert wird.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Mikropro­ zessor nur das Linearitätskorrektursignal bereitstellt. Im Er­ gebnis ist es möglich, bei dem analogen Ausgang denselben Grad an Genauigkeit mit einem 8 Bit A/D zu erhalten, wie mit einem 10 Bit oder 12 Bit A/D, der den analogen Ausgang vollständig steuert.

Die Einheit kann mit einem Thermoelementsimulator kalibriert werden. Um die Einheit zu kalibrieren, müssen drei Potentiome­ ter eingestellt werden. P1 stellt den Temperaturbereich ein. P2 stellt den Null-Offset des Thermoelementes ein. P3 stellt den Offset für °C ein. Dies ermöglicht eine geeignete Umwandlung zwischen einem analogen Ausgang von mV/°F und mV/°C.

Die Fig. 4A bis 4J zeigen das Konstruktionskonzept des Ge­ häuses. Das Gehäuse besteht aus zwei Plastikschalen P, Q und einer Gummidichtung R, die sandwichartig zwischen den zwei Schalen P, Q vorgesehen wird. Diese Anordnung liefert eine spritzwassergeschützte, abgedichtete Konstruktion. Das Gehäuse besitzt drei flexible Zungen S. Die Art und Weise, wie diese drei Zungenbereiche konstruiert sind, macht diese Bereiche fle­ xibel. Eine graphische Schicht bzw. eine graphisch aufgetragene Schicht, die diese Fläche bedeckt, und ein Momentschalter un­ terhalb der flexiblen Zunge stellen somit einen Membrantaster bereit. Das Gehäuse weist auch sechs Löcher T auf, um den Blick auf LEDs zu ermöglichen, die auf der gedruckten Leiterplatte angeordnet sind. Das Gehäuse weist ferner einen Unterteilungs­ bereich U auf, um als zusätzliches Ausstattungsmerkmal eine Flüssigkristallanzeige vorzusehen. Das Gehäuse beinhaltet einen Einheitsverbinder V. Dieser ermöglicht den Anschluß von sowohl SMP- als auch OST-Thermoelementen.

Die untere Schale Q stellt einen Träger für eine Batterie W der Größe AA bereit. Die obere Schale P besitzt ferner eine Reihe von dekorativen Vertiefungen X, die dem Gehäuse ein besonders ansprechendes Aussehen verleihen. Die zwei Schalen werden zu­ sammengebaut, indem Schrauben in Löcher Y geschraubt werden.

Im folgenden werden die Merkmale einer bevorzugten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusammengefaßt:

• (a) Ein Wandler zum Wandeln eines Thermoelementsignals in ein analoges Signal stellt einen linearen, kompensierten ana­ logen Ausgang von 1 mV/Grad Fahrenheit oder 1 mV/Grad Celcius bereit;
• (b) die Konstruktion ist mikroprozessorgestützt;
• (c) die Vorrichtung läßt sich mittels eines einzelnen Knopfes (Tastenschalter) betätigen, und zwar nach Maßgabe der fol­ genden Reihenfolge von Tasterbetätigungen:
• (d) AUS --- EIN (1 mV/Grad Celsius) --- EIN (1 mV/Grad Fahrenheit) --- AUS;
• (e) Die Vorrichtung kann für drei Arten von Thermoelement­ eingängen kalibriert werden, und zwar wie folgt:
• (f) Typ J von -100 bis +750 Grad Celsius;
• (g) Typ K von -100 bis +1250 Grad Celsius; und
• (h) Typ T von -100 bis +350 Grad Celsius;
• (i) An Bord der Einheit sind drei Anzeige-LEDs vorgesehen, mit den folgenden Funktionen:
• (j) 1 - Grünes LED für mV/Grad Celsius; es blinkt alle 3 Sekunden bei normalem Betrieb;
  2 - Grünes LED für mV/Grad Fahrenheit; es blinkt alle 3 Sekunden bei normalen Betrieb; und
  3 - Rotes LED zur Anzeige eines niedrigen Batterie­ ladezustandes; im Normalbetrieb ist dieses LED aus­ geschaltet; wenn der Ladezustand der Batterie bzw. deren Spannung abfällt, blinkt es einmal pro Sekun­ de; wenn die Batteriespannung unter einen vorbe­ stimmten Schwellenwert abfällt, schaltet der Mikro­ prozessor die Spannungsversorgung vollständig ab;
• (k) wenn der Thermoelementeingang öffnet, kann der Analogaus­ gang entweder positiv oder negativ angesteuert werden bzw. entweder auf einen hohen Wert oder einen niedrigen Wert angesteuert werden ("upscale" oder "downscale"); zur sel­ ben Zeit blinkt das entsprechende grüne LED schneller (jede Sekunde);
• (l) die Vorrichtung arbeitet auf der Grundlage einer einzelnen Lithiumbatterie der Größe AA und der Spannung 3 Volt; die Batterie sollte bei kontinuierlichem Betrieb etwa 3 Monate halten;
• (m) die gedruckte Leiterplatte ist so konstruiert, daß die An­ forderungen bezüglich der elektromagnetischen Verträglich­ keit (EMC) erfüllt werden; die Leiterplatte ist eine Mehrlagen-Leiterplatte; zwei interne Lagen bilden die Mas­ seebene und die Spannungsebene; die zwei äußeren Lagen sind Signallagen.

Die in Fig. 9 gezeigte weitere Ausführungsform eines Ver­ gleichsstellen-Kompensatormoduls weist eine Basis 201 und eine Abdeckung 202 bzw. einen Deckel 202 auf. Die Basis 201 und die Abdeckung 202 passen jeweils in eine Dichtung 203. Ein modifi­ zierter Einheitsverbinder ist bei 204 gezeigt. Eine gedruckte Leiterplatte 205 ist innerhalb der Anordnung aus Basis 201 und Abdeckung 202 angeordnet. Die Bauteile 206 sind Abstandselemen­ te. Die Bauteile 207 sind Messingeinsätze, die dazu verwendet werden, die Basis 201 und die Abdeckung 202 mittels Schrauben 208 mechanisch aneinander festzulegen. Eine weitere Schraube 209 greift in eine Buchse der Basis 201, um den Einheitsverbin­ der 204 an Ort und Stelle zu halten. Weitere Schrauben 210 greifen durch Öffnungen in Verbinder-Anschlußfahnen des Ein­ heitsverbinders 204 und durch Öffnungen in der gedruckten Lei­ terplatte 205 und werden in Montagesäulen an der Abdeckung 202 geschraubt. Eine Batterie 211 kann zwischen Verbindungsclips an der gedruckten Leiterplatte 205 eingesetzt werden. Eine weitere Schraube 212 greift durch eine Öffnung in der gedruckten Lei­ terplatte 205 und ist in eine mit einem Gewinde versehene Mon­ tagesäule 213 an der Abdeckung 202 geschraubt. Bei 214 ist ein vorderes Schild der Anordnung gezeigt, bei 215 ein hinteres Schild, und 216 ist ein Schild für die Serien/Modellnummer.

Die Fig. 10A, 10B, 10C und 10D zeigen gemeinsam in schemati­ scher Form die Schaltung des Moduls der Fig. 9.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht einer modifizierten Form des Gehäuses für das Modul. Das Gehäuse 301 (das ohne alle anderen Elemente des Moduls gezeigt ist) besitzt einen Ab­ dichtstreifen bzw. Versiegelungsstreifen 302 aus einem elasti­ schen Material, der um das Gehäuse 301 herum verläuft und aus einer unterscheidungskräftigen Farbe, z. B. Gelb, hergestellt ist, um das Modul leicht identifizieren zu können.

Die Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit, um ein analoges Ergebnis aus einem elektrischen Ausgang eines thermoelektri­ schen Bauteiles zu erhalten, mit den Schritten, Linearisie­ rungsmittel mit dem elektrischen Ausgang zu speisen und Anzei­ gemittel mit einem linearisierten Spannungsausgang von den Li­ nearisierungsmitteln zu speisen. Das Verfahren kann weiterhin den Schritt aufweisen, den linearisierten Ausgang von den Line­ arisierungsmitteln selektiv in eine Anzeige von Grad Celsius oder eine Anzeige von Grad Fahrenheit zu wandeln. Es kann wei­ terhin ein Schritt vorhanden sein, den linearisierten Span­ nungsausgang auf eine gewünschte Temperaturskala bzw. einen ge­ wünschten Temperaturbereich zu kalibrieren.

Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren bereit, um ein ver­ gleichsstellen-kompensiertes, analoges Ergebnis aus einem elek­ trischen Ausgang eines thermoelektrischen Bauteils zu erhalten, wobei der elektrische Ausgang vergleichsstellen-kompensiert wird, wobei der vergleichsstellen-kompensierte elektrische Aus­ gang in einen linearisierten Ausgang gewandelt wird, und wobei der linearisierte Ausgang einer Anzeige zugeführt wird.

Zusammenfassend wird ein thermoelektrisches Vergleichs­ stellen-Kompensatormodul nach der Art eines Verbinders offenbart. Das Modul eignet sich zum Gebrauch mit einem thermoelektrischen Ge­ rät wie einem Thermistor, einem Thermoelement oder einem Wider­ standstemperatur-Gerät. Das Modul weist innerhalb eines Gehäu­ ses eine Vergleichsstellen-Kompensatorschaltung auf, sowie Mit­ tel zur Linearisierung eines Spannungsausgangs der Schaltung relativ zu deren Eingang. Vorzugsweise umfaßt die Schaltung ferner Potentiometermittel zum Einstellen von wenigstens eines Parameters der Schaltung sowie Mittel zur Einstellung von deren Spannungsausgang, so daß dieser Werten von °C oder °F ent­ spricht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in­ nerhalb des Gehäuses ein Paar von Eingangsanschlüssen bzw. Ein­ gangsterminals, die gegenüber elektromagnetischen Induktions­ streusignalen durch Ferritmaterial abgeschirmt sind, eine ge­ druckte Leiterplatte und Ausgangsanschlüsse vorgesehen. Die ge­ druckte Leiterplatte umfaßt vorzugsweise eine Vergleichsstel­ len-Kompensationsschaltung, eine Signallinearisierungsschal­ tung, eine Wandler/Verstärkerschaltung, eine Schaltung, um eine Ausgabe entweder in °C oder °F bereitzustellen, eine Batterie­ spannungsversorgung, eine Batteriestatusanzeige mit Mitteln, um die Batteriestatusanzeige in Betrieb und außer Betrieb zu set­ zen, eine Vielzahl von Potentiometern, um die Schaltungen vorab einzustellen, sowie Schaltmittel zum Ein/Ausschalten der mit Spannung versorgten Schaltungen. Die Ausgangsanschlüsse dienen zum Anschluß an beispielsweise ein Voltmeter oder eine Span­ nungsaufzeichnungsvorrichtung. Ein kompaktes Gehäuse kann einen Basisabschnitt aufweisen, an dem die Schaltungen und andere Bauelemente montiert sind. Ein oder mehrere Deckelabschnitte können an dem Basisabschnitt festlegbar sein.

Weiterhin ist ein Verbindungsglied zur Kopplung einer Thermo­ elementspannung mit einer analogen Umgebung vorgesehen. Das Verbindungsglied liegt in der Form eines kompakten, in der Hand haltbaren Moduls vor, das sämtliche Komponenten und Spannungs­ versorgungen zum Umwandeln eines Eingangs, der aus der Aus­ gangsspannung des Thermoelementes besteht, in einen linearen und vergleichsstellen-kompensierten analogen Ausgang aufweist. Ein besonders vorteilhaftes Merkmal besteht darin, daß ein an Bord befindlicher Analog/Digital-Wandler nur die Linearitäts­ korrektur berechnet und bereitstellt, die für das bestimmte Thermoelement bei einer bestimmten Temperatur notwendig ist, und zwar in der Form eines impulsbreitenmodulierten Signalaus­ gangs. Somit werden etwa 95% des analogen Ausgangs aus dem Ausgang eines Thermoelementverstärkers und eines Temperatursen­ sors abgeleitet. Nur die verbleibenden 5% des Signals werden aus dem Korrektursignal eines an Bord befindlichen Mikroprozes­ sors abgeleitet.

Claims (14)

1. Thermoelektrisches Vergleichsstellen-Kompensatormodul nach der Art eines Verbinders, mit einem Gehäuse (1; 201-203), einer Vergleichsstellen-Kompensatorschaltung (21; 104) in­ nerhalb des Gehäuses (1; 201-203), und mit Mitteln (22) zur Linearisierung eines Spannungsausgangs der Schaltung (21; 104) relativ zu einem Eingang (20) der Schaltung (21; 104).

2. Modul nach Anspruch 1, wobei die Vergleichs­ stellen-Kompensatorschaltung (21; 104) Potentiometermittel (16; P1-P3) zur Einstellung von wenigstens einem Parameter der Schaltung (21; 104) aufweist.

3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vergleichs­ stellen-Kompensatorschaltung (21; 104) Mittel (17; 23; 112) zur Einstellung des Spannungsausgangs aufweist, so daß dieser nach Wahl einem Wert in °C oder einem Wert in °F ent­ spricht.

4. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit Eingangsan­ schlüssen (8; 204) für die Vergleichs­ stellen-Kompensatorschaltung (21; 104) und mit Mitteln (10) zum Abschirmen der Eingangsanschlüsse (8; 204) gegenüber elek­ tromagnetischer Streustrahlung.

5. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Modul ein Hand-Modul ist, wobei die Vergleichs­ stellen-Kompensatorschaltung (21; 104) Eingangs- und Ausgangsmit­ tel aufweist; wobei die Eingangsanschlüsse (8; 204) an dem Gehäuse (1; 201-203) an die Eingangsmittel der Kompensa­ torschaltung (21; 104) angeschlossen sind; wobei die Line­ arisierungsmittel (22) aus einer Signallinearisierungs­ schaltung (22) bestehen, die Eingangsmittel und Ausgangs­ mittel aufweist, wobei deren Eingangsmittel mit den Aus­ gangsmitteln der Kompensatorschaltung (21; 104) verbunden sind; wobei Wandler/Verstärkermittel (24) in dem Gehäuse (1; 201-203) Eingangsmittel und Ausgangsmittel aufweisen, wobei die Eingangsmittel der Wandler/Verstärkermittel (24) an die Ausgangsmittel der Signallinearisierungsschaltung (22) angeschlossen sind; wobei Ausgangsanschlüsse (18) an dem Gehäuse (1; 201-203) an die Ausgangsmittel der Wand­ ler/Verstärkermittel (24) angeschlossen sind; wobei eine Logikschaltung (23) in dem Gehäuse (1; 201-203) an die Si­ gnallinearisierungsschaltung (22) angeschlossen und so konstruiert ist, daß nach Wahl eine Korrektur des Ausgangs der Signallinearisierungsschaltung (22) bereitgestellt wird, um entweder °C oder °F darzustellen; und wobei Bat­ terie-Spannungsversorgungsmittel (26; 12; 211) in dem Ge­ häuse (1; 201-203) vorgesehen und angeschlossen sind, um wenigstens die Vergleichsstellen-Kompensatorschaltung (21; 104) und die Signallinearisierungsschaltung (22) mit Span­ nung zu versorgen.

6. Modul nach Anspruch 4 oder 5, wobei Abschirmmittel (10) in dem Gehäuse (1; 201-203) und benachbart zu den Eingangsan­ schlüssen (8; 204) vorgesehen sind, um die Eingangsan­ schlüsse (8; 204) gegenüber elektromagnetischen Indukti­ onsstreusignalen abzuschirmen.

7. Modul nach Anspruch 5 oder 6, mit einer Batteriestatusan­ zeige (13; 105), die in dem Gehäuse (1; 201-203) angeord­ net ist und in den Batteriespannungsversorgungsmitteln (26) enthalten ist, und mit daran vorgesehenen Schaltmit­ teln (14), um die Statusanzeige (13; 105) in Betrieb bzw. außer Betrieb zu setzen.

8. Modul nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Poten­ tiometermittel (16; P1-P3) Kalibrierungspotentiometermit­ tel (16; P1-P3) aufweisen, die innerhalb des Gehäuses (1; 201-203) angeordnet sind, um eine Kalibrierung des Kompen­ satormoduls durch einen Benutzer zu gestatten.

9. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gehäuse (1; 201-203) ein Verbindergehäuse (1; 201-203) für ein Thermoelement ist.

10. Modul nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Batte­ riespannungsversorgungsmittel (26; 12; 211) angeschlossen sind, um auch die Logikschaltung (23) und die Wand­ ler/Verstärkerschaltung (24) mit Spannung zu versorgen.

11. Verfahren zum Ermitteln eines analogen Wertes aus einem elektrischen Ausgang eines thermoelektrischen Bauteils, mit den Schritten, Linearisierungsmittel (22) mit dem elektrischen Ausgang zu speisen und Anzeigemittel mit ei­ nem linearisierten Spannungsausgang von den Linearisie­ rungsmitteln (22) zu speisen.

12. Verfahren nach Anspruch 12, mit dem weiteren Schritt, den linearisierten Spannungsausgang von den Linearisierungs­ mitteln (22) selektiv in einen Anzeigewert für °C oder ei­ nen Anzeigewert in °F zu wandeln.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, mit dem weiteren Schritt, den linearisierten Spannungsausgang auf eine ge­ wünschte Temperaturskala zu kalibrieren.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit dem wei­ teren Schritt, den elektrischen Ausgang des thermoelektri­ schen Bauteils einer Vergleichsstellen-Kompensation zu un­ terziehen, wobei der vergleichsstellen-kompensierte elek­ trische Ausgang den Linearisierungsmitteln zugeführt wird, um einen vergleichsstellen-kompensierten und linearisier­ ten Ausgang zu erhalten, der den Anzeigemitteln zugeführt werden kann.