DE2229464C3 - Schaltungsanordnung zum Feststellen der Wärmeleitfähigkeit eines fließfähigen Mediums - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Gattung.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art liegen die beiden Fühlerwiderstandselemente in benachbarten Brückenzweigen in Reihe mit Potentioimeterwiderständen. Ein automatischer Brückenabgleich ist nicht vorgesehen, so daß diese Brückenschaltung den heutigen Anforderungen an Genauigkeit und Schnelligkeit der Verfügbarkeit des Meßcrgebnisscs nicht genügt (deutsche Patentschrift 800).

Dies gilt auch tür ein anderes bekanntes elektrisches Meßgerät /ur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen, bei dem alle vier Widerstände einer iSrückcnschaltung als Widerstandsthermometer ausgebildet und einem Strom des zu untersuchenden Gases ausgesetzt sind (deutsche Patentschrift 929 936).

Ein bekannter Widerstand/Strom-Meßumformer arbeitet mit einer Brüekenschaltung mit einem Temperaturfühlerwidcrstand, der ein Gleichstromverstärker nachgcschaltet ist, dessen Ausgang auf die Brükkcnschaltung rückgekoppelt wird. Der Gleichstrom- ⁶S verstärker wirkt als veränderliche Impedanz, wobei die Schaltung so getroffen ist, daß bei einer räumlich getrennten Anordnung von Wechselstromquelle und Mediums ist die"e Schaltung nicht bestimmt (deutsche ^AUHe1^geinerⁿweiteren elektrischen Bruckenschaliung mit Verstärker zur Verwendung als Meßumformer, ,«besondere für Temperaturen, führt der Verstarker einen Strom in die Brüekenschaltung zurück, um diese a zugSn (deutsehe Au-S.egeschrift 12720.rO)

Darüber hinaus ist ein Wandlersystem bekannt, bei dem einer Widerstandsbrücke ein Differenzverstärker „aehgeschaltel ist. dessen Ausgang das Ausgangssiunü des Systems liefert, das zugleich über einen Rückkopplungswidersland zur Bruckenschaltung rückgekoppelt wird. Dieser Rückkopplung kommt die Auftfabe zu der Brückenschallung eine Kompensationsspannung zuzuführen, mit deren Hilfe die Nichtlineariiäl des Ausganges der Bruckenschau.mg Kompensiert werden soll (USA.-Patenlschr.ft 3.^X044).

Eine weitere bekannte Schaltung zum kahbrieien von Thermistoren zeigt eine Rückkopplung des Aus-..•uiües einer Brüekenschaltung über einen Verstärker auf den Eingang der Brüekenschaltung (USA.-Pa !entschritt 3 377 554).

Bei einer ähnlichen bekannten Schaltung komm! der Ruckkopplung die Aufgabe zu, den Brückenaus ..anuzu linearisieren (USA.-Patenlschrift 3 148 339) ° Ferner ist ein derartiges System bekannt, das diapositive Rückkopplung verwendet und den Brukkenslrom konstant hält (britische Patentschrift 1 110943).

Bei einer weiteren bekannten Bruckenschaitunu wird durch Spannungskompensation automatisch un Null-Ausgang erhallen (französische Patentschrift 1461883).

Schließlich ist ein System bekannt, bei dem der durch die Brücke fließende Strom verändert wird, um die Brücke im Gleichgewicht zu halten (Proceedings of the IRE. 1962. Januar, Seite 39 bis 42).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs f genannten Art anzugeben, die ein schnelles und genaues Erfassen der Wärmeleitfähigkeit eines fließfähigen Mediums zuläßt und deren AiiNgangssignal durch Änderungen der Umgcbungshedingungen nicht beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Schaltungsanordnung gelöst.

Erfindungsgemäß ist somit eine Stromgegenkopplung vorgesehen, die den Strom durch das Fühlerwiderstandsclement so regelt, daß beispielsweise bei einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Mediums der Strom zurückgenommen wird, sodaß das Fühlcrwiderstandselement praktisch keine Temperaturerhöhung erfährt und sein Widerstandswert im wesentlichen konstant bleibt. In entsprechender Weise wird die Bezugsbrückenschalluiig bei einer Änderung der Umgebungsbedingungen wirksam. Änderungen können beispielsweise in der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums auftreten. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird auf diese Weise den Anforderungen, die heute an die Genauigkeit von Meßsystemen dieser Art gestellt werden, in hohem Maße gerecht. Ohne die crfindungsgemäß vorgesehene

Kompensation von das Meßergebnis verfälschenden Einflüssen erweisen sich beispielsweise die Ergebnisse von Gasehromatographen unvermeidbar als weniger /.uvcrliissig. Derartige Anlagen können daher in Verbindung mil der erfindungsgemäßen Sehaltungsanordnung mit höherem Nutzeffekt betrieben werden, was die Kosten der durchzuführenden Verfahren senkt. Wenn man sich vergegenwärtigt, daß die Prozeßsteuerung in modernen Industrieanlagen von primärer Bedeutung ist und schon geringe Abweichungen von der optimalen Steuerung, verursacht durch ungenaue Information von Analysiersystemen, beträchtliclie Mehrkosten begründen, wird deutlich, daß mit der erfindungsgemäß erreichten höheren Genauigkeit von Analyseergebnissen, die auf der Gas-Chromatographie beruhen, ein beträchtlicher teehnischer Fortschritt verknüpft ist.

Vorteilhaft ist die Bezugsbrückenschaltung der ßriickcnschaltung parallel geschaltet. Auf diese Weise können die beiden nur feste Widerslände aufweisen- <len Zweige der Brückenschaltungen zu einem einzigen Zweig zusammengefaßt werden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird vorzugsweise in einer Vorrichtung zum Nachweis von Veränderungen der Zusammensetzung eines Gas-Stromes, die durch Änderungen seiner thermischen Leitfähigkeit gekennzeichnet sind, \erwendet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Be-Schreibung eines Ausfuhrungsheispiels unter Bezugnähme auf die Zeichnung, die eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeigt, näher erläutert.

In der Zeichnung sind zwei Wheatstonesche Brükkenschaltungsanordnungen gezeigt, die »rückseitig··. «niteinander verbunden sind, wobei die eine als Warmcleitfähigkeits-Brückensehaltung und die andere als Bezugsbrückenschaltung wirkt.

A₁, R₁ und Ä, sind feste Widerstände. /?₄ ist ein Fühlerwiderstandselement, das sich in dem Gasstrom befindet, dessen thermische Leitfähigkeit gemessen wird. Die Widerstände R₁ bis R₄ bilden die Wärmeleilfähigkeits-Brückenschaltung. Ein fester Wider-Stand Ä, und veränderbare Widerstände /\₍, und R-tragen xum Justieren dieser Brückenschaltung bei. Mit dien Ausgangsklemmen 2 und 3 der Wärmeleitfähigfceits-Brückc'ischaltung ist ein Verstärker 1 verbunden, der eine Energiequelle enthält.

Die Widerstände R₂. Λ, und /?„ sind feste Wider-Stände und bilden zusammen mit einem Fühlerwider-Standsclcment /?,, die Be/ugsbrüekenschaltunj. Das Fühlcrwiderstandselement R,, liegt in einem Gasstrom konstanler Zusammensetzung, beispielsweise in ei-Dem reinen Gas, und besitzt die gleichen elektrischen lind physikalischen Eigenschaften wie das Fühlerwidicrslandselement /J₁. Ein Verstärker 4. der eine IZnergiequclle, beispielsweise in Form einer Verbin-Jung mit Versorgungsleitungen besitzt, ist über die Ausgangsklcmmen 3 und 5 der Bezugsbrückenschaltungangesenlossen. Um ein Variieren ties Stromes /u ermöglichen, der der Brückenschaltung vom Verstärker 4 her zugeführt wird, ist ein variabler Widerstand A₁₁₁ vorgesehen.

Im Betrieb funktionieren die Wärmeleitfähigkciis-Brückenschaluing und die Bezugsbrückenschaltung in ühnlicher Weise, wobei die Heziigsbrünkenschaltung dazu dient, die Auswirkungen von Anderuiigen der Umgehungs- und Hintergrundbedingungen auf die Wärmcleitfähigkeits-Brückenschallungzu kompensieren.

Wenn sich die Wärmeleitfähigkeit des über den Widerstand R₄ strömenden Gases ändert, wird ein Signal

erzeugt, das zum Verstärker 1 gelangt. Der Verstärke! spricht auf dieses Signal an und erzeugt einen Gegen koppliingsstrom, welcher dem Signal proportional ist und über die Verhindungsleitungen 6 und 7 der Warmeleitfähigkeits-Brückenschaltung zugeführt wird.

Die Lsten Widerstände R_n und A₁, dienen dazu, daß der Gegenkopplungsstrom in den Brückenzweigen eine Spannung erzeugt, so daß das Brückengleichgewicht wieder hergestellt wird und der Widerstand R_A seinen ursprünglichen Wert wieder annimmt. Falls sich zu irgendeiner Zeit die IJrngehungshedingungcn ändern, ändert der Widerstand R₁, -,einen Wert, so daß ein Signal erzeugt wird, das zum Verstärker 4 gelangt. In Abhängigkeit \on diesem Signal verändert der Verstärker 4 den Strom, der \on der [Energiequelle über die Verbindungsleitungen 8 und 9 der Brückensehaltungzugeführt wird, bis die Brücke ihr Gleichgewicht wiedererlangt und /?,, auf seinen ursprünglichen Wert zurückkehrt"

Die Werte der Widerstände R_A und R., und die Spannungseingangssignale zu d^n beiden Verstärkern werden dadurch im wesentlichen konstant gehalten, wobei die Stromgegenkopplung \om Verstärker 1 ein Maß fur die thermische Leitfähigkeit des Gases darstell!.

Die Widerstände der beschriebenen Schaltungsan-Ordnung können beispielsweise folgende Werte besit /en (alle Werte in Ohm): /?, = 56; R₂ = R^ = 56: /?., = /?„ = 30 (bei Umgebungstemperatur): R< = 27(H): R_h = 250(1: R- = 5: R, = 56; R₁₁₁ - 100:

R₁₁ = /?,, = 1,8.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung spricht auf Änderungen der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Mediums vergleichsweise schnell an, da thermische Trägheitseffekte infolge des Erwar-

metis und Abkühlcns von Nachweiselemcntcn wie bei bekannten Systemen \ollständig entfallen.

Bei gaschromaiographischen Arbeiten erlaubt die Erfindung ein rascheres Ruckkehren zur Grundlinie nach der Eluierung eines Gases über das Fühlerwidcr-

standselcment, weil die Temperatur des Fiihlerwiderstandstlements wahrend des Eluierens wegen der Konstanz seines Widerstandes imverändeit bleibt. Dies gewährleistet eine verbesserte Zerlegung gcgenüber herkömmlichen Methoden, wo eine gewisse Zerlegiingdadurch verlorengeht, daß sich die Temperatur der Nachweiselemenle während des Arbeilcns vcrändert.

Ein weiterer Nutzen der Konstanz der Temperatur des Fühlerwiderstandselemcnts liegt in seinem linearen Ansprechen auf Änderungen der thermischen Leitfähigkeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Feststellen der Wärmeleitfähigkeit eines fließfähigen Mediums mit einer Brückenschaltungsanordnung, die ein einem Strom des fließfähigen Mediums ausgesetztes Fühlcrwiderstandselement und ein unter denselben Umgebungsbedingungen einem Strom eines fließfähigen Mediums konstanter Zusammensetzung ausgesetztes weiteres Fühlerwiderstandselcment aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brückenschaltung in an sich bekannter Weise mit einem Verstärker (1) gekoppelt ist. der auf den Grad einer Verstimmung des '5 Brüekengleiehgewichts anspricht und dessen Ausgang zur Wiederherstellung des Brückengleichgewichts auf die Brückenschaltung rückgekoppelt ist, daß als Rückkopplung eine als Maß für die Wärmeleitfähigkeit ausgewertete Slromgegenkopplung in der Wdse vorgesehen ist, daß der Widerstandswert der Fühlerwiderstandsciemente (R₄) im wesentlichen konstant bleibt, und daß die Mrückenschaltung elektrisch mit einer ähnlich aufgebauten Bezugsbrückenschaltung verbunden ²S ist, die das weitere Fühlerwiderstandselement (/?,,) aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsbrückensehaltung der Brüekenschaltung parallel geschallet ist.

3. Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 in einer Vorrichtung zum Nachweis von Veränderungen der ."usammensetzung eines Gasstromes, die durch Änderungen seiner thermischen Leitfähigkeit gekennzeichnet sind.

Last einerseits sowie Verstärker und Fuhlerw.derstand andererseits die sonst erforderlichen zusa.zl,-ChC ι Verbindungsleitungen zur Last en allen Zur Messun« der Wärmeleitfähigkeit eines fließfähigen l iht htt (dth