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Stromkreis zur Messung von Wärmeleitfähigkeit, Druck oder Strömung mittels eines Hitzdrahtes
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lung des Drahtes, welche mit einer Einengung des Messbereiches verbunden ist, erfolgt, weshalb der
Anwendungsbereich solcher Systeme allgemein wesentlich breiter ist.
Aus den obigen Ausführungen geht hervor, das die Schnelligkeit, Genauigkeit sowie Bequemlich- keit der Messung wesentlich erhöht werden, falls die Drahttemperatur automatisch auf einen konstanten Wert gehalten wird, wobei derartige Messeinrichtungen bekannt sind. Sämtliche bekannten Systeme werden durch eine Wheatstone'sche Brücke verwirklicht, die von einem durch das Fehlersignal der
Brücke gesteuerten Verstärker aus gespeist wird. Im Stromkreis kann irgendwo (im Verstärker oder in der Brücke) ein abgestimmtes Element angebracht werden, durch welches eine Oszillationsfrequenz be- stimmt wird. Eine mit der Verwirklichung eines derartigen Gerätes verbundene Schwierigkeit ist, dass das System bei niedrigen Drücken (bei etwa 10.. Torr) zu Instabilitäten neigt.
Zur Herabsetzung die- ser Neigung sind die empfindliche Einstellung der Phasencharakteristik des Verstärkers, des Übertra- gungstransformators usw. sowie die Beherrschung der Verstärkung erforderlich.
Die Erfindung zielt darauf ab, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden. Beim er- findungsgemässen Stromkreis wird der auf einem konstanten Widerstandswert heizende Regler aus weni- ger kritischen Elementen aufgebaut. Somit ist der erfindungsgemässe Stromkreis nicht nur einfacher als die gewöhnlichen Lösungen, sondern es zeigt sich auch der nicht erwartete Vorteil, dass die bei niedri- gen Drücken auftretenden schädlichen Instabilitäten wegfallen.
Gemäss der Erfindung besteht ein Stromkreis der eingangs erwähnten Art aus einem nicht phasen- umkehrende, stabilen Verstärker, aus einem Zweipol, der zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers liegt und wenigstens den Hitzdraht enthält, und aus einem zweiten Zweipol, der zwi- schen dem Eingang des Verstärkers und der Erde liegt und wenigstens den Referenzwiderstand enthält.
Der Verstärker des erfindungsgemässen Stromkreises kann ein Gleichstromverstärker sein und die
Zweipole können auch rein ohmsche Widerstände sein, von denen der Widerstand, dessen Wert konstant zu halten ist, naturgemäss von nichtlinearer Charakteristik ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Stromkreises ist der nicht phasen- umkehrende stabile Verstärker als Wechselstromverstärker ausgeführt, die beiden Zweipole sind Impe- danzen und der nicht phasenumkehrende stabile Verstärker besteht aus einem Transformator oder Auto- transformator und einem nachgeschalteten Impedanzwandler (Emitterfolger oder Kathodenfolger).
Der zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers liegende Zweipol kann aus einer Reihenschaltung des Hitzdrahtes und eines Kondensators und der zwischen dem Eingang des Verstärkers und der Erde liegende Zweipol aus einer Parallelschaltung des Referenzwiderstandes und eines aus dem erdseitigen Teil des Autotransformators und aus einem Kondensator zusammengesetzten Parallelschwingkreises bestehen.
In den Zeichnungen ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen schematisch erläutert. Es zeigen : Fig. 1 die einfachste Anordnung, wobei die beiden Zweipole nur ohmsche Widerstände enthalten ; Fig. 2 eine ähnliche Anordnung, wobei die beiden Zweipole durch Impedanzen von nicht rein ohmschem Charakter gebildet sind, und die Fig. 3 und 4 zwei weitere Ausführungen des Stromkreises mit detaillierter Darstellung solcher Impedanzen.
Das Funktionsprinzip des erfindungsgemässen Stromkreises wird an Hand Fig. 1 gezeigt In der Figur stellt --A-- einen nicht phasenumkehrenden stabilen Verstärker Afacher Verstärkung mit hohem Eingangswiderstand dar, dessen Eingangsspannung-Ui-und dessen Ausgangsspannung-U-ist. - stellt den Widerstand des Hitzdrahtes dar, welcher mit der an ihm abfallenden Spannung ansteigt, während-Ro-ein Referenzwiderstand konstanten Wertes ist Man kanndie folgenden Gleichun- gen anschreiben :
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und U=A. Ui
Aus obigen Gleichungen geht nach einfacher Rechnung hervor :
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Dies stellt den stabilen Zustand des Stromkreises dar.
Zu gegebenen Werten von- ! und A-- gehört ein durch die obige Gleichung bestimmter Wert von-Rh--, welcher sich durch den Stromkreis über-Uz""automatisch einstellt.
Fig. 2 stellt eine Lösung dar, bei der an Stelle von ohmschen Widerständen --Ro und Rh-- die Im- pedanzen-Zo und Zh--eingefügt werden. Die obige Überlegung gilt auch für diese Ausführung. Der stabile Zustand des Stromkreises wird in diesem Falle durch den Zusammenhang
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bestimmt.
Beim Stromkreis gemäss Fig. 3 ist-Zo-durch die Parallelschaltung der Selbstinduktion --L--, des Kondensators-Ci-sowie des Referenzwiderstandes --Ro-- gebildet, während --Zh-- durch die Reihenschaltung des Hitzdrahtes mit dem zu stabilisierenden Widerstand-Rh-sowie des Kondensators dargestellt ist.
Die obige Gleichung geht dann in die folgende Form über :
EMI3.2
Werden in dieser Gleichung Real- und Imaginärteil getrennt behandelt, und die hiedurch erhaltenen Gleichungen gelöst, so können diejenige Kreisfrequenz sowie der Widerstandswert--R - bestimmt werden, für die der Stromkreis stabil wird. Man gelangt zu besonders einfachen Ausdrücken, falls die folgenden Bedingungen erfüllt sind :
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und
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In diesem Falle lautet die Lösung wie folgt :
EMI3.5
und
Rh=Ro (A-1)
Der nicht phasenumkehrende stabile Verstärker mit hohem Eingangswiderstand kann durch mehrere, an sich bekannte Stromkreise verwirklicht werden.
Will man den Stromkreis gemäss Fig. 3 verwirklichen, so stellt die Anwendung eines Impedanztransformators (Emitterfolger oder Kathodenfolger) mit Einheitsverstärkung und eines Transformators der Übersetzung von 1 : A die einfachste Lösung dar. (Bei Anwendung von Transformatoren ist zur Sicherung des hohen Eingangswiderstandes die Verwendung von mehrstufigen Emitterfolgem zweckmässig, im andern Falle muss beachtet werden, dass durch den Eingangswiderstand des Verstärkers ein Nebenschluss zu-Ro-entsteht.) Auf diese Weise gelangt man zur Anordnung gemäss Fig.4, wobei --Ek-- den Emitterfolger darstellt.
In den Stromkreisen gemäss den Fig. 3 bzw. 4 kann der zum gewünschten Wert von-Rh--gehö-rige Wert von-Ro-bei Kenntnis von-L, Cl, C2 und A-- leicht berechnet werden. Sind jedoch die-
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wünschten Wert, an Stelle von-Ro-hingegen ein veränderlicher Widerstand eingefügt werden. Der Wert des letzteren wird von niedrigen Widerstandswerten ausgehend so lange erhöht, bis der Stromkreis gerade zu oszillieren beginnt
Die Anordnungen gemäss Fig. 3 und 4 stellen naturgemäss nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, die Erfindung kann durch Anwendung des Prinzips gemäss Fig. 1 und 2 von ihnen abweichend in beliebiger Form verwirklicht werden.
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Der Vorteil des erfindungsgemässen Stromkreises ist, dass die Einstellzeit wesentlich kürzer als die- jenige der Wheatstone-Brücke ist, wodurch seine Trägheit kleiner ist.
Ein weiterer Vorteil ist ferner, dass er gegenüber der Umgebungstemperatur weniger empfindlich als die Ausführungen mit Wheatstone-Brücke und auch bei höheren Drücken anwendbar ist
PATENTANSPRÜCHE :
1. Stromkreis zur Messung von Wärmeleitfähigkeit, Druck oder Strömung mittels eines Hitzdrahtes, wobei die erwähnten physikalischen Grössen durch jene Spannung automatisch angezeigt werden, wel- che zur Konstanthaltung des Hitzdrahtwiderstandes notwendig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkreis aus einem nicht phasenumkehrenden stabilen Verstärker (A), aus einem Zweipol (Zb), der zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers (A) liegt und wenigstens den Hitz- draht (Rh) enthält, und aus einem zweiten Zweipol (ZO) der zwischen dem Eingang des Verstärkers (A)
und der Erde liegt und wenigstens den Referenzwiderstand (rua) enthält, besteht.