DE3239194A1

DE3239194A1 - Temperaturmesseinrichtung

Info

Publication number: DE3239194A1
Application number: DE19823239194
Authority: DE
Inventors: Kenneth G. 91364 Woodland Hills Calif. Junkert; Henry P. 91006 Arcadia Calif. Voznick
Original assignee: Wahl Instruments Inc
Current assignee: Wahl Instruments Inc
Priority date: 1981-10-26
Filing date: 1982-10-22
Publication date: 1983-05-05
Also published as: US4456390A; JPS58131524A; GB2107862A; GB2107862B

Description

PATENTANWÄLTE

SCHAUMBURG, SCHULZ-DÖRLAM * THOBNES

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Wahl Instruments, Inc.

5750 Hannum Avenue

Culver City, California 90230

USA

KARL-HEINZ SCHAUMBURG, Dlpl.-Ing.

WOLFQANQ-SCHULZ-DURLAM Ingenieur dlplAmo E. N. S. I. Grenoble

OR. DIETER THOENES, Dlpl.-Phys.

W 7048

Temperaturmeßeinrichtung

P.O. BOX 801560 · D-8000 MÜNCHEN 80 · MAUERKIRCHERSTRASSE 31 TELEFON (089) 987897 und 987898 · TELEX 522019 ESPAT D

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Diese Einrichtung ist tragbar und batteriebetrieben und arbeitet berührungslos, d.h. sie kann Wärmestrahlungen messen.

Temperaturmeßeinrichtungen zur berührungsfreien Mes- " sung der Temperatur entfernter Körper sind bereits bekannt. Sie sprechen auf infrarote Energie an, die von dem Körper abgestrahlt wird. Die Intensität einer solchen Strahlung ist ein Maß für die Körpertemperatur. Temperaturmeßeinrichtungen dieser Art sind beispielsweise in den US Patenten 3 430 077, 3 461 380, 3 535 523, 3 722 283, 3 761 713,

3 780 585, 3 791 217, 3 855 864, 3 921 453,

4 111 717 und 4 133 700 beschrieben.

Eine Temperaturmeßeinrichtung, die berührungsfrei arbeitet, enthält einen Strahlungsdetektor, beispielsweise eine Thermosäule, die ein Signal abgibt, welches die Intensität der Infrarotstrahlung anzeigt. Das Signal wird mit einem die Umgebungstemperatur angebenden Signal summiert, wobei als Umgebungstemperatur die Temperatur an der kalten Lötstelle der Thermosäule ausgewertet wird. Auf diese Weise wird ein zusammengesetztes Temperatursignal erzeugt, das die Temperatur des strahlenden Körpers angibt. Um genaue und schnelle Temperaturablesungen zu ermöglichen, ist es normalerweise erforderlich, entweder die Betriebstemperatur des Detektors zu steuern und zu stabilisieren oder Mittel zur Kompensation von Temperaturabweichungen vorzusehen, die auf Umgebungstemperaturänderungen oder örtlich induzierte Wärmeeffekte zurückzuführen sind.

Bei einer tragbaren, batteriebetriebenen Einrichtung ist eine Temperatursteuerung ungünstig, da diese eine relativ große Leistung benötigt. Deshalb wird üblicherweise eine Temperaturkompensationschaltung benutzt, die abhängig von einem Temperatursensor arbeitet, beispielsweise ein Thermistor oder ein Festkörperwandler zur Messung der Abweichung der Temperatur an der kalten Lötstelle der Thermosäule von einem Bezugswert. Wegen der Größe und der Wärmemasse sind solche Thermistoren und Wandler jedoch allgemein nicht geeignet, den Temperaturänderungen an der kalten Lötstelle ausreichend schnell und genau zu folgen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Temperaturmeßeinrichtung anzugeben, die aufgrund einer verbesserten Temperaturkompensations- und Signalverarbeitungsschaltung den Temperaturänderungen der kalten Lötstelle einer Thermosäule schneller und genauer folgt, als es bisher möglich war.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einer Temperaturmeßeinrichtung nach der Erfindung ist ein Temperatursensor in dem Gehäuse der Thermosäule in fester thermischer Kopplung mit der kalten Lötstelle der Thermosäule angeordnet. Der Temperatursensor kann ein Diodenelement sein, das direkt an dem Substrat der Thermosäule mit einem wärmeleitfähigen Klebstoff, beispielsweise mit einer geeigneten Goldbronze, befestigt ist.

Ein von dem Temperatursensor abgeleitetes Signal wird zur Kompensation von temperaturabhängigen Änderungen des Ansprechverhaltens der Thermosäule ausgenutzt. Zur Kompensation der Verstärkerdrift kann eine vollständig elektronisch aufgebaute Schaltung dienen. Hierzu sind also keine mechanischen Elemente wie beispielsweise Verschlußelemente erforderlich, die bisher für den Nullabgleich am Eingang des Strahlungsdetektors nötig waren.

Bei einer Temperaturmeßeinrichtung nach der Erfindung kann ferner eine Ruhestromkompensationsschaltung für den Verstärker mit hoher Impedanz vorgesehen sein, die Änderungen des Verstärkerausgangssignals verhindert, die auf temperaturabhängige Änderungen des Innenwiderstandes der Thermosäule zurückzuführen sind.

Vorzugsweise wird das Temperatursensorsignal zur Kompensation von Änderungen des Ansprechverhaltens der Thermosäule ausgenutzt, indem der Verstärkungsfaktor eines Verstärkers geändert wird, dem das Ausgangssignal der Thermosäule zugeführt wird. Die Verstärkerdrift wird durch abwechselnde elektronische Verbindung der Thermosäule und eines äquivalenten Widerstandes mit dem Verstärkereingang kompensiert. Der Ruhestrom des Verstärkers wird geändert, während der äquivalente Widerstand mit dem Verstärkereingang verbunden ist, wodurch das Verstärkerausgangssignal auf Null abgeglichen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines batteriebetriebenen -Handgeräts zur berührungsfreien Temperaturmessung,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Temperaturmeßeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 eine teilweise gebrochene Draufsicht auf eine Thermosäule,

Fig. 4 eine teilweise gebrochene vordere Seitenansicht der in Figur 3 gezeigten Thermosäule,

Fig. 5 das Schaltschema für die Umschaltung und den automatischen Nullabgleich eines Verstärkers,

Fig. 6 eine teilweise gebrochene Vorderansicht eines Teils der in Figur 3 gezeigten Thermosäule mit Anordnung des Temperatursensors,

Fig. 7 ein Zeitdiagramm für das Ausgangssignal eines Impulsgenerators,

Fig. 8 eine Schaltung eines Spannung-Widerstand-Umsetzers,

Fig. 9 das Schaltschema für die Umschaltung und die Ruhestromkompensation und

Fig. 10 ein Zeitdiagramm für das Ausgangssignal des Verstärkers für unterschiedliche Ruheströme und Eingangssignale.

Zunächst wird Figur 1 erläutert, die ein batteriebetriebenens Handgerät 7 zur berührungsfreien Temperaturmessung zeigt. Die Temperatur einer Infrarotstrahlungsquelle 8 wird gemessen, indem die Strahlungsaufnahme 9 der Einrichtung 7 auf sie gerichtet wird. Wie noch erläutert wird, erzeugt die Einrichtung eine Anzeige der Temperatur der Strahlungsquelle 8 an einem Anzeigefeld 10, das eine Leuchtdiodenanzeige oder eine Flüssigkristallanzeige sein kann.

Figur 2 zeigt das Blockdiagramm der Temperaturmeßeinrichtung nach der Erfindung als Ausführungsbeispiel.

Eine Strahlungsaufnahme 9 umfaßt eine übliche Linsenoder Spiegelanordnung und sammelt Infrarotstrahlung, " die von einem Körper ausgeht, dessen Temperatur zu messen ist. Die Strahlungsaufnahme 9 fokussiert die Strahlung auf eine Thermosäule 12, die warme Lötstellen (der Strahlung ausgesetzt) und kalte Lötstellen (von der Strahlung abgeschirmt) aufweist. Die auf die warme Lötstelle der Thermosäule 12 treffende Strahlung läßt die Temperatur an dieser Stelle über diejenige der kalten Lötstelle ansteigen und erzeugt ein Signal am Ausgang 13 der Thermosäule 12, das die Temperaturdifferenz an der warmen und kalten Lötstelle angibt. Die warmen Lötstellen müssen natürlich von der einfallenden Strahlung abgeschirmt sein, so daß die Temperatur der kalten Lötstellen nicht beeinflußt wird.

Da das Ausgangssignal der Thermosäule in bekannter Weise von der Intensität der Infrarotstrahlung, die auf die warme Lötstelle trifft, abhängt, kann es zur Bestimmung der Differenz zwischen den Temperaturen des Körpers und der kalten Lötstelle benutzt werden. Wie noch zu erläutern ist, wird das Ausgangssignal der Thermosäule linearisiert und mit einem Signal summiert, das die Umgebungstemperatur der kalten Lötstelle angibt, wodurch ein zusammengesetztes Signal entsteht, das proportional der Temperatur des Körpers gegenüber einem bekannten Bezugswert ist.

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Das Ausgangssignal der Thermosäule 12 wird intermittierend über eine Schaltervorrichtung 14 dem Eingang 15 eines Verstärkers 16 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 16 wird über eine Signalausgangsschaltung 18 üblicher Art geleitet, die eine Abtast-Halteschaltung zur Abgabe eines kontinuierlichen Signals an einen Linearisierer 20 enthält. Der Linearisierer 20 korrigiert in bekannter Weise Nichtlinearitäten in der Ansprechcharakteristik der Thermosäule 12. Das Ausgangssignal des Linearisierers 20 ist deshalb eine kontinuierliche und weitgehend lineare Wiedergabe der Temperaturdifferenz zwischen dem zu messenden Körper und der kalten Lötstelle der Thermosäule 12. Das Ausgangssignal des Linearisierers 20 wird einem ersten Eingang 21 einer Summierschaltung 22 zugeführt.

Figur 3 zeigt die Verbindungen zwischen den warmen und kalten Lötstellen der Thermosäule 12, und Figur 4 zeigt eine Seitenansicht des Innenraums der Thermosäule 12. Die warmen und kalten Lötstellen der Thermosäule 12 sind wie üblich in Reihe geschaltet. Die so entstehende warme Lötstelle 23, also der positive Anschluß, ist mit dem Ausgang 13 der Thermosäule 12 verbunden, während die kalte Lötstelle 25, also der negative Anschluß, mit dem in Figur 5 gezeigten Referenzpunkt 47 verbunden ist. Die Thermosäule 12 kann in einem TO-5-Gehäuse angeordnet sein.

Vorbekannte Temperaturmeßeinrichtungen arbeiten mit Anordnungen zur Umgebungstemperaturkompensation, beispielsweise mit Thermistoren oder anderen Festkörperelementen, die an der Außenseite des Thermosäulengehäuses oder nahe diesem Gehäuse angeordnet sind. Solche Vorrichtungen haben Ungenauigkeiten wegen des physikalischen Abstandes zwischen der Umgebungstempe-

raturmeßanordnung und den Lötstellen der Thermosäule. Da sie ferner relativ massiv sind, erzeugen sie eine Zeitverzögerung zwischen einer Änderung der Umgebungstemperatur und dem Beginn eines Kompensationssignals. Die Ansprechgeschwindigkeit ist dabei umgekehrt proportional der Masse der Anordnung zur Messung der Umgebungstemperatur.

Eine Maßnahme zur merklichen Verringerung solcher Ungenauigkeiten besteht in der Verwendung eines Diodenelements 24 sehr geringer Masse als Anordnung zur Messung der Umgebungstemperatur. Diese Diode 24 ist auf dem keramischen Substrat 29 für die warmen und kalten Lötstellen unmittelbar neben der kalten Lötstelle 25 angeordnet, wie es in Figur 3, 4 und 6 gezeigt ist. Die geringe Masse der Diode 24 führt zu einer wesentlich erhöhten Ansprechgeschwindigkeit, verglichen mit den bisherigen Anordnungen. Die Befestigung der Diode 24 auf dem gemeinsamen Substrat gewährleistet eine ausgezeichnete Wärmekopplung zwischen der Diode 24 und der kalten Lötstelle 25. Figur 6 zeigt im einzelnen die Anordnung der Diode 24 neben der kalten Lötstelle 25. Bei einem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel ist die Diode 24 an dem Substrat mit einer Goldbronzeschicht 31 befestigt, um zwischen beiden Teilen eine optimale Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten. Wenn die Diode 24 mit einer Diodensteuer-schaltung 26 in geeigneter Weise vorgespannt ist, erzeugt sie ein Ausgangssignal, das sich weitgehend linear mit der Temperatur innerhalb des Betriebstemperaturbereichs der Einrichtung ändert, der zwischen etwa minus 30 C und plus 60 C liegt. Das Signal der Diode 24 wird über die Diodensteuerschaltung 26 geleitet, die nicht nur die normale Diodenvorspannung liefert, sondern auch als Spannungsteiler wirkt, um

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ein erstes und ein zweites Kompensationssignal für die Umgebungstemperatur zu erzeuaen. Das erste Kompensationssignal ist das 2,6 mV/ C Ausgangssignal der Diode 24 und wird auf den Eingang 27 eines Spannung-Widerstand-Wandlers 28 geleitet. Das zweite Kompensationssignal ist ein im wesentlichen lineares ImV/ C Signal, das einem zweiten Eingang 23 des Summierers 22 zugeführt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Diode 24 und die ihr zugehörige Schaltung durch eine andere Schaltung ersetzt werden können, die mit einem Thermistor oder einem anderen Festkörper-Temperatursensor geringer Masse "arbeitet, vorausgesetzt, daß die Masse einer solchen Anordnung so gering ist, daß sich das erforderliche schnelle Ansprechverhalten auf Änderungen der Umgebungstemperatur ergibt.

Der Summierer 22 ist eine Schaltung üblicher Art,die das linearisierte Signal des Linearisierers 20 mit dem zweiten Kompensationssignal der Diodensteuerschaltung 26 kombiniert. Das Ausgangssignal des Summierers gibt somit die Temperatur des Körpers relativ zu einem vorbestimmten Bezugswert an. Es wird einem üblichen Analog-Digital-Umsetzer 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal der Anzeige 10 zugeführt wird.

Der Spannung-Widerstand-Umsetzer 28 erhält das erste Kompensationssignal von der Diodensteuerschaltung 26 und benutzt dieses zur Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 16, um Änderungen des Ausgangssignals der Thermosäule 12 zu kompensieren, die durch Änderungen des Ansprechverhaltens infolge Umgebungstemperatureinflüssen verursacht werden.

Eine Schaltung 34 für automatischen Nullabgleich des

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Verstärkers gewährleistet eine weitgehend driftfreie Arbeitsweise des Verstärkers 16 durch periodische Verringerung des Ausgangssignals des Verstärkers 16 auf Null, wenn kein Eingangssignal ansteht. Eine Ruhestromkompensationsschaltung 36 liefert den richtigen Ruhestrom an den Eingang 15 des Verstärkers 16 und verhindert dadurch, daß temperaturabhängige Änderungen des Innenwiderstandes der Thermosäule 12 das Ausgangssignal des Verstärkers 16 beeinflussen.

Die Arbeitsweise einer Einrichtung nach der Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie anhand dreier bestimmter, nacheinander auftretender Zeitabschnitte erläutert wird. Zur Verdeutlichung sei festgelegt, daß der Zeitabschnitt 1 bei Tl, der Zeitabschnitt 2 bei T2 und der Zeitabschnitt 3 bei T3 auftritt. Die Längen der Zeitabschnitte sind im wesentlichen gleich und entsprechen der Schließzeit der Festkörperschalter 39, 40 und 42, die in Figur 5 gezeigt sind. Somit beginnt der Zeitabschnitt 1 bei der Schließung des Schalters 39 zur Zeit Tl und dauert bis zur Öffnung des Schalters 39. zur Zeit T2. Ähnlich beginnt der Zeitabschnitt 2 mit der Schließung des Schalters 40 zur Zeit T2 und dauert bis zur Öffnung des Schalters 40 zur Zeit T3, und der Zeitabschnitt beginnt mit der Schließung des Schalters 42 zur Zeit T3 und dauert bis zur Öffnung des Schalters 42 zur Zeit Tl, womit die Folge der Zeitabschnitte von neuem beginnt.

Während des Zeitabschnitts 1 wird das Ausgangssignal der Thermosäule 12 "gelesen", in dem das Ausgangssignal 13 der Thermosäule mit dem Eingang 15 des Verstärkers 16 über den Schalter 39 verbunden wird. Ein Ausgangssignal der Thermosäule 12 wird somit eine

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Temperaturanzeige auf dem Anzeigefeld 10 während des Zeitabschnitts 1 erzeugen. Während des Zeitabschnitts wird der Ausgang 13 der Thermosäule 12 abgeschaltet und ein Widerstand 46 mit dem Eingang 15 des Verstärkers 16 über den Schalter 40 verbunden. Während des Zeitabschnitts 2 wird ein Nullabgleich des Verstärkers 16 durchgeführt, wie er im folgenden noch beschrieben wird. Während des Zeitabschnitts 3 wird der Widerstand 46 abgeschaltet und ein Widerstand mit dem Eingang 15 des Verstärkers 16 über den Schalter 42 verbunden. Während des Zeitabschnitts 3 kann der Ruhestrom zum Eingang 15 des Verstärkers 16 eingestellt werden, um zu verhindern, daß temperaturabhängige Änderungen des Innenwiderstandes der Thermosäule 12 das Ausgangssignal des Verstärkers 16 beeinflussen.

Die Schalter 39, 40 und 42 werden durch das Ausgangssignal eines Impulsgenerators 38 nacheinander betätigt. Der Impulsgenerator 38 liefert drei im wesentlichen identische, jedoch zeitlich versetzte Impulszüge 01, 02 und 03_rdie in Figur 7 dargestellt sind. Gemäß einem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel enthält jeder Impulszug 5 Volt-Impulse mit einer Frequenz von 300 Hz, wobei die Impulse dann jeweils eine Breite von etwa 1 Millisekunde haben. Jeder Impuls der Impulszüge 01, 02 und 03 entspricht einem Zeitabschnitt 1, 2 oder 3 und ist zeitlich gegenüber dem vorhergehenden und dem nachfolgenden Impuls um etwa 1 Millisekunde versetzt, so daß nur einer der Impulsausgänge des Impulsgenerators 38 zu einem gegebenen Zeitpunkt den logischen Zustand 1 führt.

Die in Figur 7 gezeigten Impulsfolgen 01, 02 und 03

steuern das Öffnen und Schließen der Festkörperschalter 39, 40, 42 und 44, die in Figur 5 gezeigt sind. Bei Auftreten eines Impulses φΐ zur Zeit Tl schließt der Schalter 39, wodurch der Zeitabschnitt 1 gestartet und der Ausgang 13 der Thermosäule 12 mit dem Eingang 15 des Verstärkers 16 verbunden wird.

Wenn ein Signal am Ausgang der Thermosäule 12 erscheint, so wird es in bereits beschriebener Weise verarbeitet. Zur Zeit T2 erscheint ein Impuls φ2, und der Impuls 01 nimmt den logischen Zustand Null an. Dadurch wird der Zeitabschnitt 1 beendet und der Zeitabschnitt 2 gestartet. Gleichzeitig öffnet der Schalter 39 und trennt den Ausgang 13 der Thermosäule 12 vom Eingang 15 des Verstärkers 16. Der Impuls φΊ. bewirkt die Schließung des Schalters 40, wodurch der Widerstand 46 mit dem Eingang 15 des Verstärkers 16 verbunden wird. Der Impuls jzS2 bewirkt auch die Schließung des Schalters 44, der den Ausgang 17 des Verstärkers 16 mit dem Eingang der Schaltung 34 für automatischen Nullabgleich verbindet.

Der Widerstand 46 hat einen Wert, der dem Innenwiderstand der Thermosäule 12 nahe kommt, und ist mit dem negativen Anschluß der Thermosäule 12 an dem gemeinsamen Bezugspunkt 47 verbunden. Gemäß dem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel hat die Thermosäule 12 einen Innenwiderstand von etwa 3 kOhm bei 25 C. Der Widerstand 4 6 hat somit einen Wert von 3 kOhm. Da der Widerstand 46 im wesentlichen denselben Wert wie der Innenwiderstand der Thermosäule 12 hat, hat die Einfügung des Widerstandes 46 am Eingang 15 des Verstärkers 16 weitgehend denselben Effekt wie die Anschaltung der Thermosäule 12 und Verringerung ihres

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Ausgangssignals auf den Wert Null.

Gleichzeitig mit der Anschaltung des Widerstandes 46 an den Eingang 15 des Verstärkers 16 tastet die Schaltung 3 4 für automatischen Nullabgleich das Ausgangssignal des Verstärkers 16 ab. Da am Eingang 15 des Verstärkers 16 kein Signal der Thermosäule 12 anliegt, ist jegliches am Ausgang 17 des Verstärkers 16 auftretende Signal unerwünscht.

Die Schaltung 34 für automatischen Nullabgleich umfaßt einen Differenzverstärker 50, einen Widerstand 52 und einen Kondensator 54. Jegliches am Ausgang 17 des Verstärkers 16 zur Zeit T2 auftretende Signal bewirkt eine Aufladung des Kondensators 54 und erscheint am Eingang 56 des Differenzverstärkers 50, so daß dieser an seinem Ausgang 58 ein Signal abgibt. Das Signal am Ausgang 58 des Differenzverstärkers 50 wird über den Widerstand 46 und den Schalter 40 den Eingang 15 des Verstärkers 16 zugeführt. Wenn dieses Signal die richtige Polarität hat, so wird das Ausgangssignal des Verstärkers 16 auf NuTl zurückgeführt. Auf diese Weise ergibt sich eine im wesentlichen driftfreie Arbeitsweise des Verstärkers 16.

Zur Zeit T3 fällt der Impuls $2 auf Null ab, und es erscheint der Impuls 03, wodurch der Zeitabschnitt 2 beendet und der Zeitabschnitt 3 gestartet wird. Der Schalter 40 öffnet und der Schalter 42 schließt, so daß der Widerstand 46 abgetrennt und der Widerstand 48, der gleichfalls mit dem gemeinsamen Bezugspunkt 47 verbunden ist, mit dem Eingang 15 des Verstärkers 16 verbunden wird. Aus noch zu beschreibenden Gründen liegt der Wert des Widerstandes 48 um einige Größenordnungen über demjenigen des Widerstandes 46.

In Figur 8 ist der Verstärker 16 dargestellt, der in Kaskadenschaltung ausgeführt ist und als erste Stufe einen Differenzverstärker 5 7 sowie eine zweite Verstärkerstufe 5 9 enthält. Der Ausgang des Verstärkers 5 ist mit der Gateelektrode eines Feldeffekttransistors verbunden, dessen Sourceelektrode mit dem Ausgang 17 des Verstärkers 16 verbunden ist.

Im Ruhezustand fließt ein Konstantstrom Ic durch den Lastwiderstand 62. Ein Konstantstrom Ib zur Basis des Transistors 64, also zum Eingang 15 des Verstärkers 16, ist deshalb erforderlich. Der Konstantstrom Ib muß eine Größe gleich derjenigen des Konstantstroms Ic haben,geteilt durch den Verstärkungsfaktor des Transistors. Die Schaltung 36 zur Ruhestromkompensation, die in Figur 9 im einzelnen dargestellt ist, liefert den Strom Ib. Der Ausgang 66 des Verstärkers 68 liefert eine Konstantspannung an ein Potentiometer 70 mit hohem Widerstand. Der Abgriff des Potentiometers ist so eingestellt, daß der richtige Konstantstrom Ib durch den Widerstand 72 zum Eingang 15 des Verstärkers 16 fließt, wobei dieser Widerstand gleichfalls einen hohen Wert hat. Das Verfahren zur richtigen Einstellung des Potentiometers 70 ist am besten anhand der Figur 10 und der darin gezeigten Linien ABC zu verstehen, die auf das in Figur 7 gezeigte Zeitdiagramm ausgerichtet sind.

Die in Figur 10 gezeigte Linie A gilt für das Ausgangssignal des Verstärkers 16, wenn kein Signal von der Thermosäule 12 abgegeben wird und das Potentiometer 70 fehlerhaft eingestellt ist, d.h. wenn ein zu starker oder ein zu schwacher Strom durch den Widerstand 72 fließt. Zur Zeit Tl hat das Ausgangssignal

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des Verstärkers 16 den Wert Null, da ein Signal der Thermosäule 12 fehlt. Zur Zeit T2 unterdrückt die Schaltung 34 für automatischen Nullabgleich jegliches Ausgangssignal, das infolge eines Stromflusses durch den Widerstand 46 bei Fehleinstellung des Potentiometers 70 erscheinen würde. Zur Zeit T3 öffnet jedoch der Schalter 44 und trennt die Schaltung für automatischen Nullabgleich und den Widerstand 46 vom Verstärker 16. Der Konstantstrom Ib, der durch den Widerstand 4 6 geführt wurde, muß nun durch den größeren Widerstand 48 fließen, wodurch eine Eingangssignaländerung am Verstärker 16 verursacht wird, die die in der Linie A gezeigte Impulsflanke am Ausgang des Verstärkers 16 erzeugt. Diese Flanke kann entweder positiv oder negativ sein, was von der Richtung des Stromflusses durch den Widerstand 48 abhängt. Die Linie B zeigt einen ähnlichen Signalzustand für den Fall, daß die Thermosäule 12 ein Ausgangssignal abgibt.

Wenn das Potentiometer 70 so eingestellt ist, daß es den erforderlichen Strom Ib liefert, so fließt im wesentlichen kein Strom durch den Widerstand 46 oder 48. Zur Zeit T3 bleibt das Eingangssignal für den Verstärker 16 dann im wesentlichen unverändert, und das Ausgangssignal des Verstärkers 16 behält im wesentlichen den Wert Null. Um den richtigen Ruhestrom Ib zu liefern, muß lediglich das Ausgangssignal des Verstärkers 16 beobachtet und das Potentiometer 70 eingestellt werden, bis die Impulsflanke zur Zeit T3 verschwindet. Da die Werte des Widerstandes 72 und des Potentiometers 70 groß sind, und zwar in der Größenordnung von jeweils lMOhm, bleibt der Eingangswiderstand des Verstärkers entsprechend

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hoch, was erwünscht ist.

Die richtige Einstellung des Potentiometers 70 ist wichtig, da das Ausgangssignal des Verstärkers 16 dann praktisch nicht mehr durch größere Änderungen des Widerstandes der Stufe vor dem Eingang 15 des Verstärkers 16 beeinträchtigt wird. Wie bereits ausgeführt, hat der Widerstand 46 einen Wert, der dem Innenwiderstand de Thermosäule 12 nahe kommt,und der Widerstand 48 hat einen um mehrere Größenordnungen höheren Wert. Bei dem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel liegen diese Werte bei 3 kOhm und bei 10 kOhm.

Der Innenwiderstand der fhermosäule 12 ändert sich bei dem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel mit der Temperatur um etwa minus 0,2 %/ C im Bereich von Null °C bis 85 C. Deshalb ist über diesen Temperaturbereich eine Gesamtänderung zu erwarten, die 600 Ohm nicht übersteigt. Da das Ausgangssignal des Verstärkers 16 durch die Änderung von 7 kOhm zwischen den Widerständen 46 und 48 zur Zeit T3 nicht beeinflußt wird, wird es auch durch eine temperaturabhängige Änderung des Innenwiderstandes der Thermosäule 12 nicht beeinflußt, die unter dem Faktor 0,1 liegt. Das Ausgangssignal des Verstärkers bleibt deshalb im wesentlichen unbeeinflußt von temperaturabhangigen Änderungen des Innenwiderstandes der Thermosäule 1.2.

Mit steigender Temperatur nimmt die Empfindlichkeit der Thermosäule 12 ab. Bei dem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel ist der Temperaturkoeffizient für die Empfindlichkeit der Thermosäule 12 etwa minus 0,4 %/ °C. Somit wird die Verstärkung des Verstärkers 16 zur Beibehaltung des richtigen Signalpegels am Ausgang 17

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um plus 0,4 %/ ⁰C geändert. Diese Zunahme und/oder Abnahme der Verstärkung des Verstärkers 16 wird durch den Spannung-Widerstand-Umsetzer 28 gesteuert, der solche temperaturabhängigen Änderungen der Empfindlichkeit der Thermosäule 12 kompensiert.

Figur 8 zeigt die Einzelheiten des Verstärkers 16 und des Spannung-Widerstand-Umsetzers 28. Bekanntlich ist die Verstärkung des Verstärkers 16 proportional dem Verhältnis des Widerstandes 74 zum Drain-Source-Widerstand des Feldeffekttransistors 76. Die Verstärkung des Verstärkers 16 kann deshalb durch Änderung des Drain-Source-Widerstandes des Feldeffekttransistors 76 (Kanalwiderstand) geändert werden. In dem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel bilden der Feldeffekttransistor 76 und der Feldeffekttransistor einen Doppeltransistor, weshalb beide Kanalwiderstände übereinstimmen. Dieser Widerstandswert wird im folgenden mit Rds bezeichnet. Es sei bemerkt, daß andere Ausführungsbeispiele der Erfindung möglich sind, bei denen einander angepaßte und separate Feldeffekttransistoren verwendet werden können.

Das erste Temeperaturkompensationssignal der Diodensteuerschal tung 2 6 wird dem Eingang 27 des Umsetzers 28 zugeführt, also einem Anschluß eines Widerstandes 80. Der Widerstand 80 ist mit einem Potentiometer 82 verbunden, welches wiederum mit dem nicht invertierenden Eingang 83 eines Verstärkers 84 verbunden ist. Der invertierende Eingang 8 5 des Verstärkers 84 ist mit einem Potentiometer 86 verbunden, das so eingestellt ist,, daß der Verstärker 84 ein vorgegebenes, noch zu beschreibendes Ausgangssignal abgibt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 84 wird der Gate-

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elektrode des Feldeffekttransistors 78 und damit auch der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 76 zugeführt. Somit wird, wenn die von der Umgebungstemperatur abhängigen Signaländerungen des ersten Temperaturkompensationssignals dem Eingang 27 des Umsetzers 28 zugeführt werden, das Signal an der Gateelektrode und damit die Gate-Source-Spannung des Feldeffekttransistors 78 verändert. Die Wirkung dieser Änderung besteht darin, daß der Widerstand Rds und damit die Verstärkung des Verstärkers 16 verändert wird. ,

Der Widerstandswert Rds ist durch die folgende Formel gegeben:

_,, _VB (R80 + R82) ^Rds - VD - VB

Hierbei ist VB die Spannung am negativen Eingang 85 des Verstärkers 84, VD der Wert des ersten Temperaturkompensationssignals der Schaltung 26, R80 der Wert des Widerstandes 80 und R82 der am Potentiometer 82 eingestellte Widerstandswert. Das Potentiometer 86 ist so eingestellt, daß die Spannung VB einen Wert erhält, der so berechnet ist, daß der Verstärker 84 ein Ausgangssignal liefert, welches die Verstärkung des Verstärkers 16 um denselben Prozentwert ändert, mit dem sich auch die Empfindlichkeit der Thermosäule 12 abhängig von der Temperatur ändert. Es ist zu erkennen, daß der Widerstand R82 gleichfalls so geändert werden kann, daß sich eine temperaturabhängige Änderung des Widerstandswertes Rds ergibt.

Die Änderung des Widerstandswertes Rds abhängig von einer Änderung der Spannung VD ist durch die folgende Formel gegeben:

S »

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dRds ^-VB (R80 +^:R82) ^dVD VD²-2VD«VB + VB²

Somit ändert sich der Widerstandswert Rds umgekehrt proportional mit VD und deshalb direkt proportional mit der Empfindlichkeit der Thermosäule 12. Die Verstärkung des Verstärkers 16 ändert sich deshalb umgekehrt proportional mit der Empfindlichkeit der Thermosäule 12, um ein konstantes Ausgangssignal des Verstärkers 16 beizubehalten.

Vorstehend wurde eine Temperaturmeßeinrichtung beschrieben, die eine neuartige Anordnung zur Kompensation temperaturabhängiger Änderungen des Innenwiderstandes und der Empfindlichkeit eines Strahlungsdetektors mit Thermosäule enthält. Außerdem ist eine neuartige Driftkompensation des Verstärkers für die Temperturmeßeinrichtung vorgesehen, wodurch sich eine genaue Messung der Temperatur an der kalten Lot-, stelle einer Thermosäule ergibt.

Claims

Patentansprüche

ί 1.yTemperaturmeßeinrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur eines Wärme abstrahlenden Kör-, pers, mit einem Infrarot-Strahlungsdetektor mit mindestens einer warmen und mindestens einer kalten wärmeempflindlichen Stelle, der ein erstes, die Intensität einfallender Wärmestrahlung angebendes Signal an einen Verstärker abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß'unmittelbar neben der kalten wärmeempf lind liehen Stelle (25) ein temperaturabhängig arbeitendes elektronisches Bauelement (24) in Wärmekopplung mit ihr angeordnet ist, mit dessen Ausgangsignal die Verstärkung des Verstärkers (16) veränderbar ist.
2. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauelement (24) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal sich weitgehend linear mit der Umgebungstemperatur ändert.
3. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturabhängig arbeitendes elektronisches Bauelement eine Diode (24) vorgesehen ist.
4. Temperaturmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die warme und die kalte wärmeempfindliche Stelle (23, 25) und das elektronische Bauelement (24) auf einem gemeinsamen Substrat (29) angeordnet sind.
5. Temperaturmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (7) nach Art eines Handgeräts.
6. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (7) eine elektrische Stromquelle angeordnet ist.
7. Temperaturmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich:' ., daß der Verstärker (16) mit einem seine Verstärkung bebestimmenden Widerstand beschaltet ist, der durch die Drain-Source-Strecke eines ersten Feldeffekttransistors (76) gebildet ist, welcher durch ein mit dem Ausgangssignal des elektronischen Bauelements (24) gesteuertes Kompensationselement (78) veränderbar ist.
8. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement (78) ein zweiter Feldeffekttransistor ist, der in seinen

charakteristischen Größen dem ersten (76) angepaßt ist.
9. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsdetektor(12) eine Thermosäule ist, auf deren Substrat (29) auch die Diode (24) angeordnet ist.
10. Temperaturmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (15) des Verstärkers (16) abwechselnd mit zwei unterschiedlich großen Widerständen (46, 48) beschaltbar ist, die mit einem Referenzpotential (47)

verbunden sind, und daß der Eingang (15) mit einer Ruhestromschaltung (36) verbunden ist, die den Ruhestrom des Verstärkers (16) so einstellt, daß bei der abwechselnden Anschaltung der beiden Widerstände (46, 48) ein sehr hoher Eingangswiderstand erhalten bleibt.
11. Temperaturmeßexnrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhestromschaltung (36) eine Einstellvorrichtung (70) enthält, die so einstellbar ist, daß weitgehend der gesamte Ruhestrom des Verstärkers (16) geliefert wird und praktisch kein Ruhestrom durch die beiden Widerstände (46, 48) fließt.
12. Temperaturmeßexnrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (15) des Verstärkers (16) abwechselnd mit dem Strahlungsdetektor (12) und mit einem Widerstand (46) beschaltbar ist, dessen Wert dem Innenwiderstandswert des Strahlungsdetektors (12) entspricht und der mit einem Referenzpotential (47) verbunden ist, und daß der Ausgang (17) des Verstärkers (16) mit einer Nullabgleichschaltung (34) verbunden ist, die wirksam ist, wenn der Widerstand (46) mit dem Eingang (15) des Verstärkers (16) verbunden ist.