CH616743A5

CH616743A5 - Device for measuring the density of gaseous media.

Info

Publication number: CH616743A5
Application number: CH809777A
Authority: CH
Inventors: Otto Dipl Ing Lanz
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1977-07-01
Filing date: 1977-07-01
Publication date: 1980-04-15
Also published as: SU884587A3; DE2736946A1; JPS6147371B2; NL7806940A; FR2396283A1; JPS5414270A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Dichtemessung von gasförmigen Medien, z. B. also auch von Dämpfen, wie sie bekannterweise mit Hilfe von mechanischen Druckmessgeräten unter zusätzlicher Berücksichtigung der Temperatur des Mediums als Relativmessung oder unter zusätzlicher Berücksichtigung von Materialkonstanten bzw. der Gaskonstante als Absolutmessung durchgeführt werden kann. Unter den Begriff «Dichtemessung» ist in diesem Zusammenhang auch ein quantitativer Grenzwertvergleich im Sinne einer Dichte-Grenzwertüberwachung zu verstehen. Die Durchführung des Grenzwertvergleiches selbst gehört dabei jedoch nicht zum Erfindungsgegenstand. Vielmehr richtet sich dieser auf die Bereitstellung eines zur Relativ-Absolutmessung und damit auch zu einer Grenzwertüberwachung geeigneten Messsignals.

Von besonderer Bedeutung ist die Dichtemessung für die Überwachung von Isoliergasen für Schaltanlagen, vor allem das hierfür zunehmend verwendete Schwefelhexafluorid.

Hier kommen in der Praxis zahlreiche Mess- und Uber-wachungsstellen innerhalb einer Anlage zum Einsatz, so dass ein erhebliches Bedürfnis nach Vereinfachung und Verbilligung der entsprechenden Einrichtungen ohneEinbusse an Zuverlässigkeit und Genauigkeit besteht. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zur Dichtemessung, die in dieser Hinsicht einen Fortschritt gegenüber den üblichen elektromechanischen Druckwächtern mit zusätzlicher Temperaturberäcksichtigung ermöglicht. Die erfin-dungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Die erfindungsgemässe Einrichtung umfasst also grundsätzlich druck- und temperaturempfindliche Messorgane und liefert ein wenigstens annähernd druckproportionales und temperaturreziprokes Ausgangssignal, wodurch sich ein dichteabhängiges Ausgangssignal ergibt. Dabei besteht die Möglichkeit der Aufnahme eines druckabhängigen und eines temperaturabhängigen Signals in getrennten Messwandlern mit anschliessender, multiplikativer oder quotientenbildender Überlagerung. Die erstgenannte Möglichkeit bedingt ein temperaturreziprokes Signal, die zweitgenannte ein temperaturproportionales Signal für die Überlagerung mit dem druckproportionalen Signal. Durch die praktisch verfügbaren Wandlerelemente können beide Typen der Temperaturabhängigkeit im allgemeinen in gewissen Messbereichen mit ausreichender Näherung verwirklicht werden. Für die reziproke Temperaturabhängigkeit kommen dabei z. B. Halbleiterelemente wie Dioden und andere in Betracht, die an sich eine linear fallende Spannungs-Temperaturkennlinie bei konstant eingeprägtem Strom aufweisen, wobei jedoch die linear fallende Kennlinie in begrenzten Abschnitten als ausreichende Näherung für die hyperbolisch fallende Kennlinie einer reziproken Funktion verwendbar ist. Mit ausreichender Näherung temperaturproportionale Wandlerelemente sind in der Praxis verfügbar, jedoch erfordern diese eine besondere Einrichtung zur Quotientenbildung.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, druck- und temperaturabhängige Wandlerelemente in einer geeigneten Schaltung einzusetzen, die wiederum zu einem wenigstens annähernd druckproportionalen und temperaturreziproken Ausgangssignal führt. Hierfür kommen beispielsweise piezoelektrische Wadlerelemete in einer Brückenschaltung in Betracht, wobei die Temperaturabhängigkeit der Wandlerelemente für den genannten Zweck ausgenutzt werden kann.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Messeinrichtung besteht in bezug auf elektromechanische Einrichtungen in der schnellen Reaktionsfähigkeit und im Fehlen einer Hysterese im Kennlinienverlauf, wodurch eine verbesserte Messgenauigkeit und mit Sicherheit erreichbar ist. Justierung und Eichung können ferner im Bereich der elektrischen

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Schaltungselemente vorgenommen werden, während eine Nachjustierung unter Berücksichtigung von physikalischen Umgebungsverhältnissen am Messort entfallen. Fertigung und Einbau bzw. Inbetriebnahme werden dadurch erleichtert.

Eine besondere Eigenschaft der verwendeten Wandler be- 5 steht darin, dass der Druck-Messwadler in der Praxis im allgemeinen rascher auf Druckänderungen reagiert, als der Temperatur-Messwandler auf Temperaturänderungen. Dies bedeutet, dass bei raschen Druck- und Temperaturänderungen das Ausgangssignal in einem anfänglichen Übergangsin- i° tervall überwiegend durch die Druckänderung bestimmt ist,

also eine entsprechende Abweichung von der Dichtemessung aufweist. Die Trägheit des Temperatur-Messwandlers kann aber im allgemeinen so gering gehalten werden, dass das Ubergangsintervall für die praktischen Anforderungen der 15 Dichteüberwachung genügend kurz wird. Andererseits kann die vorgenannte Eigenschaft mit Vorteil für eine zusätzliche Überwachung eines Gasdruckraumes auf schnelle Druckänderungen für sich ausgenutzt werden, was in manchen Fällen einen erheblichen Vorteil darstellt. 20

Für die multiplikative Lösung kommt insbesondere ein piezoresistiver Druck-Messwandler in Betracht, der an eine elektrische Speisequelle mit temperaturreziproker Ausgangs-grösse angeschlossen ist. Damit ergibt sich unmittelbar eine zum Verhältnis p/T (p=Druck, T=Absoluttemperatur), d. h. 25 dichteproportionale Messgrösse, die in einer Grenzwert-Überwachungsschaltung leicht ausgewertet werden kann. Eine solche Lösung zeichnet sich durch grosse Einfachheit aus,

wobei mechanisch bewegte oder verformte Elemente wie Metallbälge und Bimetallmembranen entfallen. Da ferner der 30 piezoresistive Effekt vom Absolutdruck des Mediums und die elektrische Speisung ebenfalls von der Absoluttemperatur abhängig ist, entfallen die bei Umgebungstemperatur- und umgebungsdruckabhängigen Einrichtungen erforderlichen Justier- und Kontrollarbeiten. 35

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden weiter anhand des in der Zeichnung schematisch angedeuteten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer multiplikativen elektro-piezoresistiven Dichtemesseinrichtung; 40

Fig. 2 das Blockschaltbild einer Dichtemesseinrichtung mit Quotientenbildung und

Fig. 3 das Blockschaltbild einer Dichtemesseinrichtung mit Fernauswertung.

Die in Fig. 1 dargestellte Messeinrichtung umfasst einen 45 piezoresistiven Druck-Messwandler MWP mit einer Brückenschaltung, in der diametral zwei elektrische Wandlerelemente Rxi und Rx2 mit druckabhängigem Widerstand angeordnet sind und die von einer elektrischen Speisequelle QI über eine Diagonale mit einem Speisestrom Ib beaufschlagt wird. 50 Der Wandler MWP wird in hier nicht näher interessierender Weise dem Druck des Messmediums ausgesetzt, wobei an der anderen Brückendiagonale eine druckproportionale und ausserdem zum Speisestrom Ib proportionale Messspannung Um erscheint. Letztere wird in einem Ausgangsverstärker VA in 55 ein Spannungssignal Ua geeigneten Leistungsniveaus umgesetzt.

Die reziproke Temperaturabhängigkeit der Messspannung Um wird durch eine solche des Speisestromes Ib und diese wiederum mittels eines Kompensationsverstärkers VC mit temperaturreziproker Eingangsspannung erzielt. Im Eingangskreis des Kompensationsverstärkers wird die Differenz zwischen dem zu Ib proportionalen Spannungsabfall an einem — zu Justierzwecken einstellbaren — Widerstand P2 und einer temperaturabhängigen Eingangsspanung Ue gebildet, wobei durch die hohe Verstärkung diese Differenz durch den sich entsprechend einstellenden Speisestrom Ib annähernd auf Null gebracht wird. In diesem abgeglichenen Zustand des Kompensationsverstärkers ist also Ib proportional zur temperaturabhängigen Eingangsspannung Ue. Der Kompensationsverstärker wirkt also als Spannungs-Stromwandler.

Die temperaturabhängige Eingangsspannung wird wiederum mit Hilfe einer Konstantstromquelle QIC als Spannungsabfall an einem temperaturreziprok veränderlichen Widerstandselement D, etwa einer geeigneten Halbleiterdiode, gebildet. In Serie dazu ist noch ein zur Korrektur des Temperaturkoeffizienten dienendes Potentiometer Pi vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich mit einfachen Mitteln eine vergleichsweise genau reziproke Temperaturabhängigkeit mit hoher Langzeitstabilität (Driftarmut) verwirklichen.

Eine weitere, schaltungsmässig nicht dargestellte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, unmittelbar einen piezoresistiven Druck-Messwandler MWP zu verwenden, dessen Wandlerelemente einen nicht nur druckabhängigen, sondern auch passend temperaturabhängig veränderlichen Widerstand aufweisen. Bei geeigneter Bemessung der Brückenelemente ergibt sich dann mit temperaturunabhängigem Speisestrom eine druckproportionale und temperaturreziproke Messspannung Um. Eine solche Ausführung zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus, weil die sonst üblichen Kompensationsschaltungen zum Ausgleich der Temperaturabhängigkeit der piezoresistiven Wandlerelemente entfallen.

Das Ausführungsbeispiel der quotientenbildenden Lösung gemäss Fig. 2 weist gesonderte Messwandler auf, nämlich einen Druck-Messwandler MWP mit wenigstens annähernd druckproportionalem Ausgangssignal Up und einen Temperatur-Messwandler MWT mit wenigstens annähernd temperaturproportionalem Ausgangssignal Ut. Die Ausgänge dieser Wandler sind an zugehörige Eingänge eines Quotientenbildners Q an sich üblicher Art geführt, der nunmehr das dichteabhängige Ausgangssignal Ua liefert. Insbesondere kommen für eine solche Quotientenbildung Digitalschaltungen in Betracht, wobei die Messwandler über entsprechende Analog-Digitalwandler anzuschliessen sind.

Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel kommt für eine Femüberwachung oder Fernmessung der Gasdichte mit einer Mehrzahl von Messstellen in Betracht. Jede Messstelle ist mit einem Wandlerpaar MWP, MWT für Druck und Temperatur versehen und über einen entsprechend zweifachen Übertragungskanal KP, Kt an eine zentrale, von den Messstellen entfernte Auswerteeinrichtung A angeschlossen. In letzterer werden in nicht dargestellter, an sich üblicher Weise die vorstehend angegebenen Verknüpfungen und gegebenenfalls Analog-Digitalumformungen sowie Grenzwertvergleiche und dergleichen für eine umfassende Dichte- und gegebenenfalls Druckänderungsüberwachung vorgenommen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Einrichtung zur Dichtmessung von gasförmigen Medien, gekennzeichnet durch je einen druck- und temperaturabhängigen elektrischen Messwandler, deren Signale so verknüpft werden, dass sich ein wenigstens annähernd druck- 5 proportionales und temperaturreziprokes Ausgangssignal (Ua) ergibt.

2. Einrichtung zur Dichtmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale des elektrischen Druck-Messwandlers (MWP) und des elektrischen Tempera- 10 tur-Messwandlers (D bzw. MWT) in multiplikativer oder quotientenbildender Weise verknüpft werden.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen piezoresistiven Druck-Messwandler (MWP), der an eine elektrische Speisequelle (QI) mit wenig- 15 stens annähernd temperaturreziproker Ausgangsgrösse angeschlossen ist.

4. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine elektrische Speisequelle (QI) mit wenigstens annähernd temperaturreziprok eingeprägtem Aus- 20 gangsstrom (Ib).

5. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Speisequelle eine Konstantstromquelle (QIC) aufweist, in deren Ausgangskreis ein Schaltungselement (D) mit wenigstens annähernd 25 temperaturreziprok veränderlichem Widerstand angeordnet ist, und dass der Spannungsabfall an diesem Schaltungselement (D) auf den Eingang eines Spannungs-Stromwandlers (VC) geschaltet ist.

6. Einrichtung zur Dichtemessung nach einem der An- 30 spräche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Speisequelle (QI) als temperaturabhängiges Wandlerelement ein elektrisches Schaltungselement aufweist, das eine wenigstens annähernd linear fallende Temperaturkennlinie seines Widerstandes bzw. seiner Klemmenspannung bei konstan- 35 tem Strom aufweist.

7. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannungs-Stromwand-ler (VC) ein Kompensationsverstärker vorgesehen ist.

8. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 2, da- 40 durch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Druck-Messwandler (MWP) mit wenigstens annähernd druckproportionalem Ausgangssignal (Up) und ein elektrischer Temperatur-Mess-wandler (MWT) mit einem wenigstens annähernd temperaturproportionalen Ausgangssignal (Ut) an einen Quotienten- 45 bildner (Q) mit wenigstens annähernd druckproportionalem und temperaturreziprokem Ausgangssignal (Ua) angeschlossen sind.

9. Einrichtung zur Dichtemessung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge 50 je eines an einem Messort vorgesehenen elektrischen Druck-Messwandlers (MWP) und Temperatur-Messwandlers (MWT) durch gesonderte Übertragungskanäle (KP, Kt) an eine vom Messort entfernte Auswerteeinrichtung (A) angeschlossen sind, in der durch multiplikative oder quotientenbildende 33 Verknüpfung dieser Ausgänge ein wenigstens annähernd druckproportionales und temperaturreziprokes Ausgangssignal gebildet wird.

10. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektrischen Druck-Messwandler 60 (MWP) mit wenigstens annähernd temperaturreziprokem Ausgangssignal (Ua).

11. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoresistiver Druck-Messwandler (MWP) vorgesehen ist, der mindestes ein Wandlerelement (Rxi, RX2) mit temperaturabhängig und druckabhängig veränderlichem elektrischem Widerstand aufweist.