DE2756859A1

DE2756859A1 - Detektor mit waermefuehler

Info

Publication number: DE2756859A1
Application number: DE19772756859
Authority: DE
Inventors: Bronson M Potter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1977-12-20
Publication date: 1978-07-06
Also published as: NO148689B; AU513588B2; FR2374639A1; FR2374639B1; DE2756859C2; DK566377A; IT1091381B; JPS5383795A; NO774182L; AU3152277A; JPS5928256B2; NO148689C; CA1103052A; GB1596648A; SE7714459L; SE433007B

Description

USSN 752,199/20.12.1970 $
USSN 785,347/7. 04. 1977
USSN (325,070/18.08.1977

BRONSON M. POTTER Hurricane Hill Road, Greenville, Ν.H., V.St.A.

Detektor mit Wärmefühler

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Detektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere betrifft die Erfindung Detektoren oder Anzeigeeinrichtungen, welche auf eine charakteristische, mit der Wärmeabsorptionsi'ähigkeit zusammenhängende Eigenschaft eines umgebunden Mediums anspnvhen und solche, die mindestens eine Eigenschaft oder einen Zustand aus einem Satz verschiedener Eigenschaften oder Zustände zu unterscheide., vormögen, die mit den Wäimeabsorptionsoigonschafton des Mediums in Beziehung stollen. Bei den Eigenschaften odei Ztrütändon kann es sich um die Wärmeleitfähigkeit, Temperatur und dergleichen handeln, und die Anzeigeeinriehtungkann zur Wahrnehmung von ausgelaufenem öl auf Wasser oder zur Identifizierung eines Fluids dienen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Detektoren oder Anzeigeeinrichtungen anzugeben, die einfach sowie dauerhaft sind und mit niedrigen Kosten hergestellt werden können. Ferner sollen die verschiedenen Faktoren, die den Wärmeübergang in ein Medium

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beeinflussen, voneinander unterseil i eden werden können, um Störeinflüsse auszuschalten, wie Temperaturänderungen, so daß sich Einrichtungen ergeben, die sich durch eine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit auszeichnen. Ferner soll die Möglichkeit geschaffen werden, Fluide, die sich schwierig, zum Beispiel von Wasser, unterscheiden lassen, zuverlässig feststellen zu können.

Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch einen Detektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Detektor gemäß der Erfindung, dor den obigen Forderungen genügt, enthält also eine elektrische Fühleranordnung, welche mindestens ein Fühlerelement, z.B. einen Thermistor, mit mindestens einer temperaturabhängigen elektrischen Eigenschaften enthält, das einem umgebenden wärmeabsorptionsfähigen Medium ausgesetzt und mit einer kompensierend speisenden elektronischen Schaltungsanordnung verbunden ist, die der Fühleranordnung Heizleistung derart zuführt, daß din elektrische Eigenschaft, zum Beispiel der elektrische Widerstand, wenigstens annähernd auf einem bestimmten Referenzwert gehalten wird. Dadurch, daß die Eigenschaft, wie der Widerstand, der Fühleranordnung in der Nähedes Referenzwertes gehalten wird, ist gewährleistet, daß die Eigenschaft, wie der Widerstand, und damit die Temperaturen der Fühlerelemente, wie der einzelnen Thermistoren, innerhalb der vorgesehenen Betriebsbereiche bleiben, was die Gefahr beseitigt, daß einer oder mehrere Fühlerelemente, wie Thermistoren, durchbrennen oder ein etwa vorhandenes brennbares Fluid entzünden. Da die Wiederherstellungs- oder Kompensationsschaltung, die vorzugsweise durch eine einzige Stromquelle, insbesondere Gleichstromquelle, gespeist ist, die Fühleranordnung als Ganzes erregt, wird jedes Fühlerelement, d.h. also zum Beispiel jeder Thermistor, beim Stromfluß durch die Anordnung entsprechend den sich ändernden Verhältnissen im umgebenden Medium gesteuert. Wenn in einer Fühleranordnung mehr als ein Fühlerelement, wie Thermistor, angeordnet ist, wird die ganze

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Gruppe von Fühlerelementen durch das in jeder aktiven elektronischen Schaltungsanordnung unvermeidbare Rauschen in gleicher Weise beeinflußt, so daß die Effekte dieses Rauschens beseitigt werden können.

Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung enthält die Fühleranordnurg einen einzigen Thermistor und die Leistung, die erforderlich ist, um den Widerstand des Thermistors auf lincm Referenzwert zu halten, stellt ein Maß für die Wärmeverluste des Thermistors an das umgebende Medium dar. Ein diese Leistung darstellendes Ausqangssignal ist daher ein Maß für die Wärmcabsorptions- oder Aufnahmeeigenschaften des Mediums und kann zum Beispiel dazu dienen, ein unbekanntes Fluid, wie eine unbekannte Flüssigkeit,;^ identifizieren oder zwischen einem unbekannten Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit und Wasser zu unterscheiden.

Bei Ausführungsformen, die mohrer 2 Thermistoren enthalten, wird eine entsprechende Nutzinformation von einer differentiel-]en Änderung des Widerstandes der verschiedenen Thermistoren in der Fühleranordnung gewonnen, was durch die gemeinsame Anordnung zum Zuführen von Leistung zu der Fühleranordnung möglich ist.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung,die eine Anzahl von 'Zuständen oder Bedingungen, die don Fluß von Wärme in ein Medium beeinflussen, zu unterscheiden gestatten, enthält die Fühleranordnung ein elektrisches Netzwerk, welches einen Satz von Thermistoren entsprechend der Anzahl der zu unterscheiden den Bedingungen oder Zustände enthält. Jeder dieser Thermistoren ist in einer unterschiedlichen Wärmeübcrtragungsbeziehung oder Wärmekopplung mit dem Medium angeordnet und es ist eine Anordnung vorgesehen, die ein von den Widerstandswerten der verschiedenen Thermistoren abhängiges Ausgangssignal liefert, das die festzustellende Bedingung, also den festzustellenden Zustand anzeigt. Ein solcher Detektor liefert also Information

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hinsichtlich der Goschwindiqkei t oder Rat ο des Wärmcverlustes an ein umgebendes Medium hinsichtlich eines einzigen interessierenden Zustandes oder einer einzig interessierenden Bedingung wänrend die Effekte anderer Zustände oder Bedingungen, zum Beispiel von Tcraperatursclr.:ankunqc;i, ausgeschaltet v/erden.

Bei der speziellen bevorzugten Ausführungsform enthält ein elektrisches Net/werk von Thorinistoren der Fühleranordnung einen Schenkel einer Widerstandsvergleichbrücke. Immer wenn der Widerstand des Netzwerkes sich von einem Referenzwiderstand in einem anderen Schenkel der Brücke unterscheidet, ändert, die Wiederherstellungs- oder Kompensationsschaltung den Fluß von Leistung durch das Netzwerk, so daß die Brücke wieder abgeglichen wird.

Das elektrische Netzwerk kann seinerseits vorzugsweise selbst eine Hilfsbrücke mit zwei Thermistoren und zwei Widerständen gleicher Werte,die einen SpannungsteiI or umfassen, enthalten, so daß die Widerstände der beiden Transistoren verglichen werden können. Jeder Unterschied der Widerstände der Thermistoren erzeugt eine Spannung an der Hilfsbrücke, die als Ausqangssignal dient und den interessierenden Zustand oder die interessierende Bedingung anzeigt. Die beiden Thermistoren können zu diesem Zwecke der Hilfsbrücke in Reihe oder paral1 elbeschaltet sein.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführunqsforin ist die Fühleranordnung oder da:; elektrische Netzwerk aus don mehreren Transistoren in H(¹UiC mit einem im wesentlichen temperaturunabhängigen Re.ferorizwjdo.riit and in einer elektronischen Krrogungs- oder Versoryungssch.ilt.unq geschaltet. Infolge der Roihonschaltung fließt durch den Referenzwiderstand und das Netzwerk der gleiche Strom. Dem Ref crenzwidei stand und dein Netzwerk sind die Eingänge getrennter Operationsveistärkoranoidnungen parallelqeschaltet, deren Ausgangssignale ein Maß für die Spannungen am Referenzwiderstand bzw. dem Netzwerk und außerdem ein Maß für die

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jeweiligen Widerstandswerte sind. Die Schaltungsanordnung enthält ferner eine weitere Operationsverstärkeranordnung, deren Eingang die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der mit ihren Eingängen an das Netzwerk bzw. den Referenzwiderstand angeschlossenen Operationsver.stärkoranordnungen ist. Das Ausgangssignal dieser weiteren Operationsverstärkeranordnung ist proportional der Differenz der Widerstände des Reihennetzwerkes und des Referenzwiderstandes und wird dazu verwendet, den Leistungsfluß durch das Netzwerk so zu regeln, daß der Widerstand des Netzweikes möglichst gleich dem Widerstandswert des Referenzwiderstandes gehalten wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Anzeige- oder Detektoreinrichtunq zur Feststellung eines Unterschiedes zwischen einem unbekannten Fluid, z.B. einer Flüssigkeit.wie Öl, und Wasser. Bei dieser Ausführungsform enthält das elektrische Netzwerk, dessen Widerstand in einem bestimmten Verhältnis bezüglich eines bestimmten Wertes gehalten wird, zwei Thermistoren, von denen der eine einen Fühler undder andere ein Referenzelement bildet und die in eine Sonde eingebaut sind, die so angeordnet werden kann, daß sich der Fühlerthermistor auf einem Niveau befindet, in dem er sich in Wärmekontakt mit dem Fluid befindet, falls dieses vorhanden ist, während sich der Referenzthermistor auf einem solchen Niveau befindet, daß er nur mit Wasser in Wärmekontakt steht. Wenn die Wasseroberfläche durch ein Fluid verunreinigt wird, dessen Viskosität geringer ist als die des Wassers, wie höhere Erdölfraktionen, so ist die Heizwirkung des Fühlerthermistors auf das unbekannte Fluid kleiner als bei alleiniger Anwesenheit von Wasser, wodurch ein geringerer Wärmeverlust durch Konvektion möglich ist und die Genauigkeit der Wahrnehmung oder Feststellung des unbekannten Fluids erhöht wird.

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Bei einer anderen Ausführungsform dient ein erster Thermistor in einer Fühleranordnung als Fühler für einen festzustellenden Zustand, und ein zweiter Thermistor in der Fühleranordnung bildet ein Temperaturkompensationselement, das der gleichen Temperatur wie der erste Thermistor, jedoch nicht dem festzustellenden Zustand ausgesetzt ist. Auch hier wird wiederum der Widerstand des ganzen Netzwerks verglichen und in einer vorgegebenen Beziehung zu einem vorgegebenen Wert gehalten. In einer Ausführungsform, die als Eintauch- oder Niveaufühler dient, ist der Referenzthermistor dauernd Luft oder Flüssigkeit ausgesetzt, während der Fühlerthermistor beim Eintauchen, also bei Erreichen eines bestimmten Niveaus, mit der Flüssigkeit in Berührung kommt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung für verschiedene Anwendungen können einen Widerstands komparator enthalten, der die Differenz zwischen dem Istwert des Widerstandes der Fühleranordnung und einem temperaturunabhängigen Referenzwert signalisiert oder anzeigt untl einen Leistungsregler, der durch den Komparator gesteuert ist und den Leistungsfluß durch die Fühleranordnung in einem solchen Sinne steuert, daß der Widerstandsunterschied verringert wird. Bei einer solchen Ausführungsform enthält der Widerstandskomparator vorzugsweise mindestens einen Referenzwiderstand und oine Transistoranordnung, die so verbunden sind, daß ein Signal auf einer Ausgangsleitung der Transistoranordnung die Widerstandsdifferenz darstellt. Der Leistungsregler enthält vorzugsweise eine Transistoranordnung, die als Serienregler arbeitet und zwischen eine Energie liefernde einzige Gleichstromquelle und die Fühleranordnung geschaltet ist. Die Ausgangsleitung des Widerstandskomparators ist mit der als Basis wirkenden Klemme der Leistungsregeltransistor-Anordnung gekoppelt und steuert dadurch den Stromfluß bzw. die Leistungszufuhr zur Fühleranordnung.

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Bei einer speziellen bevorzugten Ausführungsform gehören die Thermistorfühleranordnuncj und mehrere Widerstände zu einer Brücke, die niiL einer Widerst jnd.skoinpiirator-Transistoranordnung verbunden sind, um das Ausmaß des Ungleichgewichts der Brücke infolge des Unterschiedes zwischen dem gegenwärtigen Widerstandswert der FUhleranordnung urrluem vorgegebenen Referenzwert anzuzeigen. Die Drücke kann dabei im speziellen einen ersten Widerstand, dessen Wideistandswert gleich dem vorgegebenen Referenzwert ist und zwei in Reihe geschaltete Widerstände gleicher Werte, die zu einem Teiler gehören, enthalten. Der Teiler bildet einen Stromweg vom Leistungsregler nach Masse und der erste Widerstand, der in Reihe mit dor Fühleranordnung geschaltet ist, bildet einen zweiten Weg vom Leistungsregler nach Masse. Die Widerstandsvergleicher-Transistoranordnung ist mit ihrer Basis effektiv mit dem Mittelpunkt des Teilers verbunden undmit ihrem Emitter effektiv zwischen den ersten Widerstand und die Fühleranordnung geschaltet. Ihr effektiver Kollektor steuert den Leistungsregler.

Bei wieder einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht die Wiederherstellungs- oder Kompensationsschaltung aus einem Konstantstromkreis mit zwei parallelen Zweigen, von denen der eine die Fühleranordnung enthält und der andere durch den Kollektor und Emitter einer Transistoranordnung angeschlossen ist, deren Basis in einer Rückführungsschaltung liegt, auf Spannungsänderungen an der Fühleranordnung anspricht und dadurch den Widerstand der Fühleranordnung auf den Referenzwiderstand steuert.

Wieder bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht der Thermistorkreis aus einem Konstantstromkreis mit zwei parallelen Zweigen, von denen der eine einen Thermistor enthält und der andere durch de,n Kollektor und Emitter einer Transistoranordnung angeschlossen ist, wobei die Basis der Transistoranordnung mit einer Rückführungsschaltung verbunden ist, so daß sie

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auf die Spannungsänderiinger. a\\\ Thai mi κ lor anspricht.

Im folgenden worden Λιΐίϊ i'iäli r im« | ::l>*.i i i;[< i <·1(· «lt. r E rf ii.-iung unter Bezugnahme auf die Zeichnung naher < :läutert.

Ks zeigen:

Tig. 1 ein Schaltbild einer bevorzugt ■ η Au3führungsform der Erfindung, welche eine Reihenschaltung zweier Thermistoren enthält;

Tig.'2 ein Schaltbild einer zwei ton Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich wie die gemäß Fig. 2 aufgebaut ist, jedoch eino Parallelschaltung zweier Thermistoren enthält;

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, das Operationsverstärker enthält;

Fig. 3a ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, d^s einen Opcra'.ionsverstärker enthält;

Fig. 4 ein Schaltbild einer öldetektor- oder Anzeigeeinrichtung mit zwei Tranaistoren und einer Schaltungsanordnung gontriß Fiq. 1 oder 2;

Fig. 5 ein Schaltbild eirici /uisf ülii ungsform der Erfindung, welche mit einem Konstantstromkreis und einem Thermistor, der einen negativen Tenporaturkoeffizienten enthält, arbeitet und

Fig. b ein Schaltbild einer Ai. . I ühr.nqnform ior Erfindung, bei der zwei ΊΊι«·ι i:ii stoi ;cha 11 ifi(|en dor in Fig. 1 dargestellten Art in "jncr .Si . ι i er.mordnung geschaltet sind und in den Me U schenk'.· .I η jeweils nur einzelne Transistor·., ii verwindet, werden.

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Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 enthält einen 5-Wart-Silizi unitransis tor U₁ mit einem ß über 100, der als üblicher Serien- oder Reihenreg]er geschaltet ist. Der Basisstrom des Transistors Q. wird durch einen üblichen Unterhaltungselektronik-NPN-Transistör Q mit einem ß über 100 in Abhängigkeit vom Stromfluß zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q~ gesteuert, der seinerseits wiederum von einer Widerstandsunsymmetrie in einer in Fig. 1 dargestellten Widerstandsvergleichs-Brückenschaltuny abhängt. Zwei Arme der Brückenschal I uny bestellen aus Widerständen R und R₀ von je 1000 Ohm; die anderen Arme werden durch einen Referenzwiderstand R.. von 190 Ohm bzw. eine Hilfsbrücke gebildet, welche eine Reihenschaltung aus zwei Thermistoren T₁ und T₀ enthält, denen zwei in Reihe geschaltete Widerstände R, und R,- parallelgeschaltet sind. Di«.· Thermistoren T., T ( ζ . Ii. Typ Kenwal GD31SM2) haben negative Temperaturkoeffizienten. Die Widerstände R. und R_r haben jeweils einen Wert von 1000 Ohm. Die Biisis und der Emitter des Transistors Q. sind mit den Mitten der Widerstandsvergleichsbrückenscha1tuny verbunden, also in eine Diagonale dieser Schaltung. Dem Widerstand R ist eine Diode D in Reihe geschaltet, die ein übliches Bauelement mit einer Verlustleistung von einigen Milliwatt sein kann und zur Kompensation der Flußspannungzwischon der Basis und dem Emitter des Transistors Q. dient. Bei 2b C Umgebungstemperatur haben dio Thermistoren T und T.. jeweils einen Widerstandswert von 1000 Ohm.

Im Betrieb tritt immer dann, wenn die Brüekenschaltung nicht im Gleichgewicht ist, eine Potentialdi f i erenz zwischen den Punkten Λ und B auf. Wenn der Widerstand der Hilfsbrücke höher ist der des Re) eronzwiderst an<k·:;, wird der Transistor Qt gesperrt und Jäßt den Transistor U₁ voll leiten. Dadurch t ließt dann Leistung bzw. Str-Jin durch die Hilfsbrücke nach Mass« , der die Transistoren eiw.iint und ihren Widerstandswert dadurch herabsetzt. Der Strom t ! ießt so lange, bis sich die Widerstände <ler 'I'hei πι i st or<Mi 'J^ un! T^ so weit, geändert haben,

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daß die Potentialdif f eionz zwischen Λ und B immer mehr verringert wird und die Brücke schließlich dadurch abgeglichen wird. Der Transistor Q, beginnt dann zu leitern und zieht dadurch einen Teil des Basisstromes des Transistors Q₁ ab, wodurch dieser teilweise gesperrt wird. Mit zunehmender Sperrung des Transistors Q₁ nimmt auch der Stromfluß durch die Hilfsbrücke ab. Die beschriebene elektronische WiederherstelLungs-, Kompensationsoder Regelschaltung strebt also, den Widerstand der Hilfsbrücke, die aus den in Reihe geschalteten Thermistoren bzw. Widerständen R. und Rr besteht, gleich dem Widerstandswert des Referenzwiderstandes R^ zu erhalten, auch wenn die die Verhältnisse im umgebenden Medium ändern.

Immer wenn die Thermistoren 1' und Τ_Ί einem umgebenden Medium derart ausgesetzt werden, daß bei beiden Thermistoren die Geschwindigkeit des AbfHeßens von Wärme, also der Wärmestrom gleich ist, wird auch die Hilfsbrücke R₄ und R₁. im Gleichgewicht sein und die durch ein Voltmeter V gemessene Spannung ist dann Null. Wenn sich beispielsweise nun die Temperatur des umgebenden Medium=; ändert, ändern sicn auch die Widerstandswerte der Thermistoren T₁ und T„. Die Widerstands-Vergleichsbrücke wird dann unabgeglichen und die elektronische Regelschaltung wird Leistungszufuhr zur Hillsbrücke im Sinne einer Wiederherstellung des abgeglichenen Zustandes ändern. Das Voltmeter V wird dabei jedoch weiterhin Null anzeigen, da die Temperatur des Thermistors T₁ gleich der Temperatur des Thermistors T~ bleibt auch wenn sich der Stromfluß durch die Thermistoren geändert hat. Man erhält also dadurch auf sehr einfache Weise eine Temperaturkompensation, daß man die beiden Thermistoren in den gleichen Arm der Hauptbrückenschaltung legt. Wenn sich jedoch die Temperaturen der Thermistoren T₁ und T_ unterscheiden, zum Beispiel wenn der eine Thermistor einem ruhenden Fluid und der andere dem gleichen, jedoch bewegten Fluid ausgesetzt wird, oder wenn die Thermistoren unterschiedlichen Medien, z.B. unterschiedlichen Flüssigkeiten, ausgesetzt werden, wird die Hilfsbrücke unsymmetrisch und das Voltmeter V wird eine Spannung anzeigen, die ein Maß für die

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Geschwindigkeit des bewegten Fluids oder eine Anzeige der unterschiedlichen Medien darstellt.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform ist ähnlich aufgebaut, wie die eben beschriebene Ausführungsform, die Thermistoren Ί' undTp sind in der Hi lisbr ück^r: para I Ie !geschaltet, deren Arme aus T₁, T_?, K. bzv/. R₁- bestehen. Die Arbeitsweise entspricht der der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Nur wenn sich die Temperaturen der Thermistoren T. und T., unterscheiden, zeigt da s Vo It nie tor V an.

Fig. 3 zeigt eine Ausfülnuny: form der Erfindung, die mit Operationsverstärkern aufgebaut ist. tin erster Operationsverstärker ID ist nut seinen eingängen einem Roferenzwiderstand R₁ prallelgeschaltet und arbeitet als Inverter oder Umkehrverstärker mit dem Verstärkungsgrad 1, so daß seine Ausgangsspannung proportional der Spannung am Widerstand R- ist. Eine Hilfsbrücke, deren Arme aus Thermistoren T₁, T^ und Widerständen R„ bzw. R_1n bestehen, ist in entsprechender Weise an die Eingänge eines Operationsverstärkers 11 angeschlossen, der als Verstärker mit dem Verstärkungsgrad 1 arbeitet, so daß sein Ausgangssignal proportional zur Spannung ai der Hilfsbrücke ist. Die beiden Ausgangssignale werden elektrisch subtrahiert und die Differenz bildet das Eingangssignal für einen Operationsverstärker 12, der als Summierverstärker mit einem Verstärkungsfaktor arbeitet, so daß sein Ausgangssignal proportional der Differenz der Spannungen an der Hilfsbrücke und dem Referenzwiderstand R₁ ist. Da der die Hilfsbrücke durchfließende Strom wegen der dargestellten Reihenschaltung gleich dem den Referenzwiderstand R. durchfließenden Strom ist, ist das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 12 proportional der Differenz der Widerstände der Hilfsbrücke und des Differenzwiclerstandes R₁. Das Ausgangssignal vom Operationsverstärker 12 wird der Basis eines Transistors Q zugeführt, der den Stromfluß durch die Hilfsbrücke und damit deren Widerstand steuert. In die Meßdiagonale

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der Hilfsbrücke ist. _t?ir. Spannungsmesser 16 geschaltet,
dor den Unter:schild der Thermistoren 1' und T, anzeigt.

]n E'iy. 3 Einddie I'requeriZkomponsation und StromverEorgungsanschlüsse der Üperat ionsverstärkcr dor F-inf achheit halber nicht dargestellt. Bei einer praktischen Aus!ührungsform wurden beispielsweise die folgenden Schaltungsparameter verwendet:

Thermistoren T. und T Reihenrege] transistor O Operationsverstärker 10,11,12 Widerstände:

Fenwal	11,12	GD2 5SM2
	^R1	2N1038
^R2	709
R₃	3 3 kOhm
^R4	2,7 kOhm
^R5	2,7 "
^Rb	2,7 "
R₇	2,7 "
i<₈	10
'S	1 0
^B10	3 30
1000 Ohm
1000

Fig. 3a /.eigt eiru Ausführungsform der Erfindung, die dem gemäß Fig. 1 entspricht, mit der Ausnahme, daß der bei dem AusführungsbeispieJ gemäß Fig. 1 verwendete Transistor Q„ in der Ausführungsform gemäß Fig. 3a durch einen Operationsverstärker 12 ersetzt ist, dessen Ausgangssignal ein Maß für die Unsymmetrie der llauptbrücke ist. Dieser. Ausgangs.iignal steuert den Stromfluß durch die Fühlcranordnung bzw. den Fühlerschenkel der Haupt-Lrüfkc über don Hi.; i hc-nregeltransi sLor U-,-

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Fig. 4 zeigt als Anwendungsbeispiel der Erfindung einen öldetektor oder eine ölanzeigevorrichtung, die eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 und 2 enthalten kann. Die Einrichtung enthält ein schwimmfähiges rohrförmiges Gehäuse 50, das in einem zu überwachenden Gewässer 52 schwimmt. Das Gehäuse hat eine obere und eine untere Durchbrechung 54 bzw. 56. Der Auftrieb des Gehäuses 50 ist so bemessen, daß sich die Durchbrechung 54 an der Oberfläche des Wassers befindet,während die Durchbrechung 56 unter der Wasseroberfläche liegt. In der Durchbrechung, die im Wasser bleibt, ist ein Referenzthermistor 20 angeordnet. In der Durchbrechung 54 ist bei der Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche ein Meß- oder Fühlerthermistor 22 so angeordnet, daß er öl ausgesetzt wird, falls auf der überwachten Oberfläche eine ölschicht 24 auftritt. Die Öldetektor-Einrichtung kann von einer äußeren Leistungsversorgung unabhängig sein und Batterien 30 (die als Ballast dienen), eine elektronische Schaltung 32, die der gemäß Fig. 1 oder 2 entsprechen kann, und eine auf ihrer Oberseite angeordnete Alarm - oder Anzeigevorrichtung 34 halten. Andererseits kann die Einrichtung durch ein nicht dargestelltes flexibles Kabel mit einer Leistungsquelle und Anzeige- oder Alarmvorrichtung verbunden sein, die an einer geeigneten Stelle entfernt von der Detektoreinrichtung angeordnet sind.

Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform der Erfindung enthält eine Konstantstromschaltung, die einen konstanten Strom durch einen Kollektorwiderstand R₁ aufrechtzuerhalten strebt. Der Strom kann von einer Energiequelle über zwei parallele Wege nach Masse fließen,der eine Weg verläuft dabei über einen Transistor Q und eine Diode D,die zum Erhöhen der Spannung an der Basis von Q dient,während der andere einen Thermistor T und einen Widerstand R₂ enthält.Der Thermistor T ist zwischen die Basis und den Kollektor des Transistors Q geschaltet, so daß dieser den Stromfluß durch den Thermistor T steuern kann. Die Schaltungspar ter sind so gewählt,daß die Schaltungsanordnung den Strom durch T konstant hält und dadurch,wenn auch unvollkommen ,einen orgegebenen

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Widerstandswert aufrechtzuerhalten strebt. Wenn sich die Bedingungen zum Beispiel derart ändern, daß der Thermistor T kälter wird, nimmt sein Widerstand zu und erhöht dadurch das Potential an der Basis des Transistors Q, wodurch dieser zunehmend gesperrt wird, so daß mehr Strom durch den Thermistor T fließen kann. Diese erhöhte Leistungszufuhr zum Thermistor T erwärmt diesen und setzt seinen Widerstand herab. Ein die Spannung am Thermistor messendes Spannungsmeßgerät V liefert eine Anzeige des Wärmeüberganges vom Thermistor auf das umgebende Medium. Bei Verwendung eines Thermistors mit positivem TmeperaturkoeffIzienten werden der Thermistor T und das Spannungsmeßgerät V in der Schaltungsanordnung mit dem Widerstand R₁ vertauscht.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 sind zwei Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 1 in einer Summierschaltung vereinigt, wobei in den Fühler- oder Meßschenkeln jeweils nur ein einziger Thermistor enthalten ist. Die eine der Thermistorschaltungen arbeitet als Referenzschaltung. Immer wenn sich der Stromfluß durch den Thermistor T- vom Stromfluß durch den Thermistor T₂ unterscheidet, tritt an Leitungen 1. und 1- e in Ausgangssignal auf. Wenn beispielsweise der Thermistor T~, der als Referenztransistor arbeiten soll, in Wasser eintaucht, und der Thermistor T₁ Wasser ausgesetzt wird, dem eine kleine Menge Alkohol zugesetzt wurde, so unterscheiden sich die Leistungen, die erforderlich sind, um die beiden Thermistoren nach einer konstanten, vorgewählten Temperatur zu halten, da sich die Wärme Übertragungeeigenschaften der Wärmeleitfähigkeit der beiden Fluida unterscheiden. Auf den Leitungen I₁ und I₂ wird daher ein Ausgangssignal auftreten, aufgrunddessen zum Beispiel auf eine Verfälschung geschlossen werden kann. Für gewisse Anwendungen braucht die Referenzschaltung nicht aus einer zweiten Thermistorschaltung bestehen, es genügt unter Umständen eine einfache Widerstandsschaltung als Referenz.

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Bei den vorliegenden Einrichtungen werden für die Realisierung der Thermistorfunktionen zwar die als"Thermistoren"im Handel er hältlichen Halbleiterbauelemente verwendet, man kann jedoch unter Umständen diese Merkmale in der Erfindung durch Verwendung anderer Vorrichtungen oder Kombinationen erreichen, deren Effekte auf die Schaltungsanordnung in Abhängigkeit von der Temperatur eine eindeutige Funktion ist. Beispielsweise kann man für manche Anwendungen temperaturempfindliche Dioden oder Transistoren verwenden, vorausgesetzt, daß die Temperatureigenschaften dieser Bauelemente sich für die betreffenden Anwendungen eigenen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Metallfaden, wie einen Wolframfaden zu verwenden, dessen Widerstand temperaturabhängig ist.

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Claims

Patentansprüche

λ) Detektor mit einer Fühleranordnung, die einem sie umgebenden wärmeabsorptionsfähigen Medium ausgesetzt ist und eine elektrische Eigenschaft (zum Beispiel Widerstand) hat, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, und mit einer elektronischen Schaltungsanordnung, die die Zufuhr von Leistung zur Fühleranordnung in Abhängigkeit von den Änderungen der betreffenden Eigenschaft der Fühleranordnung steuert, dadurch geke η η zeichnet, daβ die elektronische Schaltungsanordnung eine Referenzeinrichtung enthält, welche einen vorgegebenen Sollwert für die elektrische Eigenschaft der Fühler anordnung festlegt, und daß die elektronische Schaltungsanordnung bei einer Änderung des Istwertes der elektrischen Eigenschaft der Fühleranordnung die Leistungszufuhr zur Wähleranordnung derart ändert, daß der Istwert der Eigenschaft der Fühleranordnung in Richtung auf den Sollwert rückgeführt wird, und daß eine Ausgangsschaltung vorgesehen ist, die unter Steuerung durch die Leistungsflußverhältnisse in der Fühleranordnung einen Wärmeverlust von der Fühleranordnung an das umgebende wärmeabsorptionsfähige Medium anzeigt.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung ein einziges Fühlerelement (T) enthält und daß die Ausgangsschaltung (V) auf die Leistungsflußverhältnisse in dem Fühlerelement anspricht (Fig. 5).
3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung eine elektrische Fühlerschaltung mit einem

Satz von Fühlerelementen enthält und daß die elektronische

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Schaltungsanordnung einen restorativen elektronischen Energieversorgungskreis enthält, der durch eine Abweichung einer elektrischen Eigenschaft der Fühlerschaltung als Ganzes von dem vorgegebenen Sollwert gesteuert ist und dementsprechend die Leistungszufuhr zur Fühlerschaltung derart steuert, daß der Istwert der elektrischen Eigenschaft der Fühlerschaltung als Ganzes in Richtung auf den Sollwert geändert wird; und daß eine Anordnung (V) vorgesehen ist, die ein von dem Wert einer elektrischen Eigenschaft mindestens eines einzelnen Fühlerelements (T₁, T-) der Fühleranordnung abhängiges Ausgangssignal erzeugt (Fig. 3 und 3a).
4. Detektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung mindestens ein Thermistor-Fühlerelement enthält.
5. Detektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Fühleranordnung mindestens ein Fühlerelement aus einem

Metall, wie Wolfram, enthält, das eine temperaturabhängige Eigenschaft hat.
6. Detektor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Eigenschaft der elektrische Widerstand ist und daß die zur Rückführung dienende elektronische Schaltungsanordnung eine Widerstands-Vergleichseinrichtung enthält, die einen Unterschied zwischen einem Istwert der Fühleranordnung und einem Widerstandswert der Referenzeinrichtung anzeigt, und daß die Widerstandsvergleicheinrichtung einen Leistungsregler steuernder seinerseits c'en Leistungsfluß durch die Fühleranordnung im Sinne einer Verringerung der Differenz beeinflußt.

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7.Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsregler eine Transistoranordnung (Q₁) enthält, die als Serienregler zwischen eine Energiequelle und die Fühleranordnung geschaltet ist.
8. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsvergleichseinrichtung mindestens einen Referenzwiderstand und eine Vorrichtung, die auf einer Ausgangsleitung ein die Differenz darstellendes Signal liefert, enthält, und daß die effektive Basis der Leistungsregler-Transistoranordnung mit der Ausgangsleitung verbunden ist(Fig. 1 und 2).
9. Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsvergleichseinrichtung drei Operationsverstärkeranordnungen (10,11,12) enthält, von denen die erste so geschaltet ist, daß ihr Ausgangssignal den Widerstandswert der Referenzeinrichtung (R₁) darstellt, während die zweite (11) so geschaltet ist, daß ihr Ausgangssignal den Widerstandswert der Fühleranordnung (T₁, T_, R-, ^Ri/J darstellt; daß der dritten Operationsverstärkeranordnung (12) die Ausgangssignale der ersten und zweiten Operationsverstärkeranordnung (10,11) als Eingangssignale derart zugeführt sind, daß das Ausgangssignal dieser dritten Operationsverstärkeranordnung (12) die Differenz zwischen dem Istwert des Widerstandes der Fühleranordnung und dem Widerstandswert der Referenzeinrichtung darstellt.
10. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Eigenschaft der elektrische Widerstand ist, daß die rückführende elektrische Schaltungsanordnung eine Widerstandsvergleichseinrichtung mit mindestens einem Widerstand und einer so geschalteten Transistoranordnung enthält, daß das Signal auf einer Ausgangsleitung der Transistoranordnung die Differenz zwischen dem Istwert des Widerstandes der Fühleranordnung und dem Widerstands-

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wert der Referenzeinrichtung darstellt.
11. Detektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung und mehrere Widerstände eine Brückenschaltung bilden und uaß die Transistoranordnung den auf die Differenz zwischen dem Istwert der Fühleranordnung und einem vorgegebenen Null- oder Referenzwert beruhenden Grad der Unabgeglichenheit der Brückenschaltung darstellt.
12. Detektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die BrückenschalLunq einen ersten Widerstand mit einem WidersLandswert gleich dem vorgegebenen Wert und zwei in Reihe geschaltete Widerstände gleicher Werte, die einen Spannungsteiler bilden, enthalt, der einen Strom vom Hegler nach Masse bildet; daß der erste Widerstand und das mit ihm in Reihe geschaltete Fühlerelement einen zweiten Stromweg vom Regler nach Masse bilden; daß die Basis der Transistoranordnung effektiv mit dem Mittelpunkt des Spannungsteilers verbunden ist, und daß der effektive Emitter der Transistoranordnung zwischen den ersten Wider stand und das Fühlerelement geschaltet ist, während der effektive Kollektor der Transistoranordnung den Leistungsregler steuert.
13.Detektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung vorgesehen ist, und das Signal als vom Strom durch dar Fühlerelement abhangige Spannung an der Brücke zu erzeugen.
14. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Eigenschaft der elektrische Widerstand ist und daß die Fühlerschaltung einen Schenkel einer Widerstandsverglei i/hsbrücke bildet und durch die rückführende elektronische Schaltungsanordnung im Sinne eines Abgleiches der Brücke gesteuert ist .

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15. Detektor nach Anspruch 3 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerschaltung eine Hilfsbrücke (T.,T , R., R₅) in Fig. und 3a ; T₁, T₀, R_Q und R,_n in Fig. 3 mit zwei Fühlerelementen (T--, T) und zwei Widerständen (R₄, R_r bzw. R_g, R₁₀) gleicher Werte , die eine Teilerschaltung bilden, enthält und daß die Hilfsbrücke mit einer Anordnung (V) zum Gewinnen eines von der Differenz der Widerstände der Fühlerelemente abhängigen Signals gekoppeltist.
16. Detektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerelemente (T₁, T₂) in der Hilfsbrücke in Reihe geschaltet sind und daß das Signal die Spannung an der Hilfsbrücke an Punkten zwischen den beiden Fühlerelementen bzw. den beiden Widerständen ist.
17. Detektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler elemente in der Hilfsbrücke parallelgeschaltet sind und daß das Signal die Spannung an der Hilfsbrücke zwischen Punkten in den Schenkeln der Hilfsbrücke ist, die jeweils zwischen einem der Fühl ere leinen te und den zugehörigen Widerstand liegen.
If. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß das umgebende wä* rmeabsorpt ionsfähige Medium ein wahrzunehmendes Fluid enthält.
19. Detektor nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, da3 die Fühleranordnung In einer Sonde angeordnet ist, die ein Fühlerelement (22) der Föhleranordivung ^m einer Grenzfläche einer Flüssigkeit anzuordnen gestattet, die Verunreinigungen durch eine mit ihr nicht mischbaren Flüssigkeit ausgesetzt ist.
?0. Detektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde e inen frei auf dor OLerfläoho der Fl ü:>f. j qke Lt schwimmtähigen Körper enthält (Fig. 4).
21. Detektor nach Anspruch 19 zur Wahrnehmung eines auf Wasser schwimme»- ' sn Fluids, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung ein Fühlerelement enthält, dessen elektrischer Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt, so daß der Heizeffekt des Fühlereleirents, wenn die aufschwimmende Flüssigkeit eine niedrigere Viskosität als Wasser hat, kleiner ist als in Gegenwart von Wasser und dadurch in Gegenwart von höheren ölfraktionen verringerte KonvekLionsverluste eintreten und die Feststellung solcher Stoffe ermöglicht wird.
22. Detektor nach mindestens oine.ii dor vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein erstes Fühlereloment, das als Sensor für einen Zustand dos festzustellenden wärmeabsorptionsfähigen Mediums dient und durch ein zweites, zur Temperaturkompensation dienendes Fühlerelement, das der gleichen Temperatur, nicht jedoch dem wahrzunehmenden Zustand oder Medium wie das erste Fühlerelement ausgesetzt ist.
23. Detektor nach Anspruch 22, zur Feststellung einer auf Wasser schwimmenden Flüssigkeit dadurch gekennzeichnet,, daß das eine Fühlerelement Ϊ20) auf einem ersten Niveau in Wärmekontakt mit dem Walser und ein zweites Fühlerelement auf einein höheren Niveau derart angeordnet ist., daß es in Wärmekontakt mit der Flüssigkeit gelangt» wenn diese vorhanden ist.

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24. Detc.ktcr nach Anspruch 22 zur Feststellung einer Verschmutzung von Wasser, dadurch gekennzeichnet:, daß die Fühlerelemente und die Schaltung εο gewählt sind, daß sie auf die zwischen Wasser und einer verschmutzenden Flüssigkeit bestehenden Unterschiede hinsichtlich der Wärineübergangseigenschaften ansprechen und daß das eine Fühlerelenent Wasser, das die Gefahr einer Verunreinigung c'urcii eine Flüssigkeit unterliegt, ausgesetzt ist und daß das andere Fühlerelement Kasser, das keiner Verunreinigung unterliegt, ausgesetzt ist.

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