DE19619133A1 - Sensor for determining the thermal conductivity and / or temperature of fluid incompetent, liquid or gaseous substances and methods for exciting the sensor - Google Patents

Sensor for determining the thermal conductivity and / or temperature of fluid incompetent, liquid or gaseous substances and methods for exciting the sensor

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DE19619133A1
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Inventor
Richard Dipl Ing Maczan
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Richard Dipl Ing Maczan
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Abstract

A sensor is disclosed for determining the thermal conductivity and/or temperature of liquid, gaseous or viscous substances, for example engine oil. A process for driving the sensor is also disclosed. The sensor has a supporting body (1) and a measurement winding (7) of a type that reduces self-induction and inductivity. In order to create an appropriate sensor for determining the thermal conductivity and/or temperature of substances, the resistance wire (8) is uniformly arranged in an embedding space (9) provided for the measurement winding and having everywhere the same heat storage capacity, on a supporting body (1) of which each part has at the most the thermal capacity of a pair of adjacent resistance wire layers, so that the caloric medium temperature of the sensor may be sensed by means of the resistance wire (8). A predetermined cavity (10) for the substance to be examined is provided next to the sensor. The sensor is at first driven with a constant, low electric supply which is then changed to test the transmission behaviour of the sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstandssensor für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von fließunfähigen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Hineinbringen elektrischer Hilfsenergie in den Sensor (Anregen des Sensors) nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 12. The invention relates to an electrical resistance sensor for the determination of thermal conductivity and / or the temperature of fluid incompetent, liquid or gaseous substances according to the preamble of claim 1 and a method of bring in electrical power in the sensor (exciting the sensor) according to the preamble of claim 12 ,

Gase, Flüssigkeiten oder fließunfähige Stoffe können aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit unter Einbeziehung der Stofftemperatur untersucht oder analisiert werden, wenn entweder ein binäres Gemisch vorliegt oder wenn nur eine veränderliche Komponente die Wärmeleitfähigkeit des Gemisches signifikant beeinflußt. Gases, liquids or flowable substances can be investigated incompetent or for analysis, including the fluid temperature due to their different thermal conductivity, either when a binary mixture is present or if only a variable component, the thermal conductivity of the mixture significantly affected. Der Zustand der Stoffe kann auch häufig aus deren Temperatur bzw. ihrer Änderung ermittelt werden. The condition of the materials can also be frequently determined from the temperature or its modification.

Es ist bekannt, die Bestimmung des Anteils an festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen einer Mischung oder Schichtung dieser Substanzen mit Hilfe eines elektrischen Widerstandsdrahtes durchzuführen, wie das in DE 31 22 642 C2 beschrieben ist. It is known to carry out the determination of the proportion of solid, liquid or gaseous substances, a mixture or layering of these substances with the aid of an electric resistance wire, as is described in DE 31 22 642 C2. Das bekannte Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß für die Mischung oder Schichtung die Anzahl n der verschiedenen Substanzen ermittelt und in die einzelnen Substanzen der elektrische Widerstandsdraht eingebettet und jeweils mittels vorbestimmter n-1 verschiedener Mengen elektrische Energie kurzzeitig innerhalb von Millisekunden bis höchstens einige Sekunden bis maximal unterhalb der Verdampfungs- oder Entzündungstemperatur der in der Mischung oder Schichtung vorhandenen Substanz mit der geringsten Verdampfungs- oder Entzündungstemperatur erwärmt wird und dabei Kalibriermessungen der Einspeisezeiten für die Zufuhr der vorbestimmten Energiemengen vorgenommen werden, und daß mit einem in die zu untersuchenden Mischungen oder Schichtungen eingebetteten Widerstandsdraht gleicher mechanischer und elektrischer Daten sowie bei Einspeisung der gleichen vorbestimmten Energiemengen wie bei den Kalibriermessungen die jeweiligen Einspeisezeiten erneut gemessen und aus den Werten dieser The known method is characterized in that for the mixing or layering determines the number n of the different substances and embedded in the individual substances, the electrical resistance wire and in each case by means of predetermined n-1 of various amounts of electrical energy for a short time in milliseconds to a maximum of a few seconds up to a maximum is heated below the evaporation or ignition temperature existing in the mixture or layering substance having the lowest evaporation or ignition temperature, and thereby calibration of the injection times are made for the supply of predetermined amounts of energy, and that with an embedded into the to be examined mixtures or laminations resistance wire the same mechanical and electrical data, as well as injection of the same predetermined amount of energy, the respective injection times measured again as in the calibration measurements and from the values ​​of these Messungen sowie den Kalibriermessungen die einzelnen Substanzen der Mischung oder Schichtung ermittelt werden. Measurements and the calibration measurements the individual substances of the mixture or layering are determined. Das bekannte Analyseverfahren basiert zwar auf der Wärmeleitfähigkeit der Stoffe, aber die eigentliche Kenngröße der zu untersuchenden Substanz, dh die Wärmeleitfähigkeit, kann nicht aus den Meßgrößen des Meßverfahrens, in diesem Fall aus den Einspeisezeiten, selektiv ermittelt werden. Although the known analysis method is based on the thermal conductivity of the materials, but the actual parameter of the test substance, ie the thermal conductivity can not be selectively determined from the measured variables of the measuring process, in this case the injection times. Da die Auswirkung von Einfluß- und Störeffekten wie z. Since the effect of influence and interference effects such. B. die Auswirkung der labilen Temperatur des zu untersuchenden Stoffes nicht eliminiert werden kann, erfüllt das Meßverfahren die höheren Anforderungen an die Genauigkeit nicht. B. the effect of unstable temperature of the substance to be examined can not be eliminated, the measuring method does not meet the requirements for higher accuracy.

In der DE 41 35 617 A1 ist eine Vorrichtung zum Feststellen einer Wärmeübergangszahl von Substanzen zu deren Beurteilung beschrieben, wobei die Vorrichtung eine Meßsonde zur Umformung der Wärmeleitfähigkeit in ein Amplitudensignal aufweist. In DE 41 35 617 A1 a device for detecting a heat transfer coefficient of substances is described for their evaluation, the device comprising a probe for converting the thermal conductivity in an amplitude signal. Die Meßsonde besteht aus einem Gehäuse aus wärmeisolierendem Material und aus einem darin verschiebbar und feststellbar gelagerten, länglichen Temperaturaufnehmer. The probe consists of a housing made of insulating material and a therein displaceable and fixable mounted, elongated temperature sensor. In seiner Nichtfunktionsstellung befindet sich das vordere Meßende des Temperaturaufnehmers im Inneren des Gehäuses, während es sich in der Meßstellung gerade etwas außerhalb des Gehäuses befindet, um mit dem zu untersuchenden Stoff in Kontakt zu kommen. In its non-operating position, the front end of measurement of the temperature sensor is located inside the casing, while it is currently located in the measuring position just outside the housing to come into contact with the substance to be examined. Hierzu wird zunächst eine Temperaturmessung vorgenommen, wenn der ausgefahrene Temperaturaufnehmer sich mit dem zu untersuchenden Stoff in Kontakt befindet. For this purpose, a temperature measurement is first made when the extended temperature sensor is located to the substance to be examined in contact. Dann erfolgt auf der Basis mathematischer Beziehungen unter Einbeziehung von Konstantwerten der Meßsonde die rechnerische Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Stoffes. Then, based on mathematical relationships involving constant values ​​of the measuring probe, the computational determination of the thermal conductivity of the substance to be examined. Diese Meßsonde wird bevorzugt eingesetzt bei der Beurteilung des Zervixschleims der Frau. This probe is preferably used in the evaluation of cervical mucus of women. Es hat sich herausgestellt, daß bei dieser bekannten Meßsonde für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Stoffes keine ausreichende Selektivität bei der Umformung der Wärmeleitfähigkeit in ein Amplitudensignal erreicht werden kann, und daher ist die Anwendung der Meßsonde bei Stoffgemischen mit kleinen Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit nicht möglich. It has been found that with this known measuring probe for determining the thermal conductivity of the to be tested substance no sufficient selectivity in the conversion of the thermal conductivity can be achieved in an amplitude signal, and therefore the application of the measuring probe in mixtures with small changes in the thermal conductivity is not possible ,

Zum Untersuchen oder Analysieren von Gasen ist es bekannt, Wärmeleitfähigkeitsmeßgeräte zu verwenden (Dr. T. Pfeifer, Dr. P. Profos: Handbuch der industriellen Meßtechnik, R. Oldenburg München-Wien, 6. Auflage 1994, S. 913-923; J. Hengstenberg, B. Strum, O. Winkler: Messen, Steuern, Regeln in der Chemischen Technik, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Dritte Auflage, Band II, S. 94-112). For investigating or analyzing gases, it is known to use Wärmeleitfähigkeitsmeßgeräte (Dr. T. Pfeifer, Dr. P. Provost: Handbook of industrial measurement technology, R. Oldenburg Munich-Vienna, 6th edition, 1994, pp 913-923; J . Hengstenberg, B. Strum, O. Winkler: measuring and control technology in the chemical, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, third edition, Volume II, pp 94-112). Große Bedeutung haben Analysegeräte zur Bestimmung des Gasgehaltes in einem Gasgemisch z. Great importance analyzers to determine the gas content in a gas mixture such. B. des CO2-Gehaltes. As the CO2 content. Kohlendioxyd hat nämlich gegenüber Luft eine deutlich niedrigere Wärmeleitfähigkeit und der CO2-Anteil beeinflußt daher die Wärmeleitfähigkeit deutlich. Carbon dioxide has namely to air a significantly lower thermal conductivity and the amount of CO2 therefore affect the thermal conductivity significantly. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Gasgemisches geschieht in zylinderförmigen, thermostatisierten Meßkammern, in denen beheizte Platin-Meßdrähte ausgespannt sind. The measurement of the thermal conductivity of a gas mixture takes place in cylindrical, thermostatically controlled measuring chambers in which heated platinum-measuring wires are spread. Der Meßdraht nimmt dabei eine um so höhere Temperatur an, je geringer die Wärmeleitfähigkeit des ihn umgebenden Gases ist. The measuring wire takes up a so higher temperature, the lower the thermal conductivity of the surrounding gas. Die daraus resultierende Widerstandsänderung des Meßdrahtes wird ausgewertet. The resulting change in resistance of the measuring wire is evaluated. Die Anwendung dieses Wärmeleitfähigkeitsmeßgerätes erfordert eine Probeentnahme und benötigt eine sehr große Sorgfalt bei der Temperaturregelung der Meßkammern sowie die Ausschaltung äußerer Temperatureinwirkungen und die Konstanthaltung des Meßstroms und damit einen relativ großen Aufwand an Geräten. The application of this Wärmeleitfähigkeitsmeßgerätes requires sampling and requires a great deal of care in temperature control of the measuring chambers and the elimination of external temperature effects and the maintenance of a constant measuring current and thus a relatively large number of instruments required.

Bei flüssigen Schmierstoffen, wie beispielsweise Schmieröle, insbesondere Motoröle, besteht die Gefahr der Alterung und/oder Verschmutzung der Stoffe mit dem Nachteil, daß diese Schmierstoffe nach längerer Verwendungsdauer unbrauchbar werden und ausgetauscht werden müssen. In liquid lubricants, such as lubricating oils, especially motor oils, there is the risk of aging and / or contamination of the materials with the disadvantage that these lubricants are useless after a long period of use and must be replaced. Der Austausch des Schmierstoffes erfolgt in der Praxis überwiegend nach festen Betriebszeiten. The exchange of the lubricant in practice mainly for fixed periods of operation. Da die Qualität des beanspruchten Öles je nach Beanspruchungsgrad, Maschinenzustand, Ölart, Raffinationsgrad ua nach festen Betriebszeiten verschieden ist, kann die optimale Betriebszeit des Öles meistens nicht universal festgesetzt werden. Since the quality of the claimed oil varies depending on the wear level, machine status, type of oil, the degree of refining and more for fixed operating times, the optimum operating time of the oil can usually not be fixed universal. Es sind genaue aber relativ teuere und zeitaufwendige Laboruntersuchungen von betreffenden Schmierstoffen bekannt, z. There are precise but relatively expensive and time-consuming laboratory testing of its lubricants known for. B. nach DIN 51 551 (Der Koksrückstand als eine Maßzahl für den Alterungszustand eines Öles). B. according to DIN 51 551 (The coke residue as a measure of the state of aging of an oil). Bekannte einfachere Methoden verwenden z. Known simpler methods for use. B. die Dielektrizitätszahl (US Pat. No. 4 733 556) oder den Scheinwiderstand (Impedanz) des Öles (US Pat. No. 5 200 027), es ist aber schwierig, diese Kenngrößen des betroffenen Öles in jedem Fall mit seiner Schmierqualität zu korrelieren und daher können sie die notwendige Selektivität beim Unterscheiden zwischen einem neuen und einem verbrauchten Öl nicht unter allen Betriebsbedingungen absichern. For example, the dielectric constant (US Pat. No. 4,733,556), or the apparent resistance (impedance) of the oil (US Pat. No. 5,200,027), but it is difficult to these characteristics of the affected oil in each case with its lubricating quality correlate and therefore they can not secure the necessary selectivity in distinguishing between a new and a used oil under all operating conditions.

Es sind elektrische Widerstandssensoren bekannt, die zur Bestimmung der Temperatur von Stoffen vorgesehen sind. There are electrical resistance sensors are known which are provided for determining the temperature of substances. Da die dynamischen Kenngrößen eines solchen Sensors variabel sind, lassen sich diese verzögerungsbehafteten Sensoren in ihrem dynamischen Übertragungsverhalten nur näherungsweise beschreiben und daher ist ihre genaue, dynamische Korrektur, die die dynamischen Fehler des Sensors beseitigt und damit eine erhöhte Genauigkeit der Temperaturmessung gewährleistet, praktisch nicht möglich. Because the dynamic characteristics of such a sensor are variable, these-delayed sensors can be described in their dynamic transmission behavior only approximate and, therefore, their precise, dynamic correction which eliminates the dynamic error of the sensor, thereby ensuring an increased temperature measurement accuracy, not possible in practice ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wärmeempfindlichen, für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von fließunfähigen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen geeigneten Sensor zu schaffen, und ihn so anzuregen, daß aus dem Ausgangssignal des Sensors eine Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur des Stoffes möglich wird, und daß die wärmespezifischen und elektromagnetischen Störeinflußeffekte, die beim Auftreten die eigentliche Meßgröße überlagern, in ihrer Auswirkung überwiegend eliminiert werden können. The invention has for its object to provide a heat-sensitive, suitable for determining the thermal conductivity and / or temperature of fluid incompetent, liquid or gaseous substances sensor, and so encourage him that from the output signal of the sensor, a determination of the thermal conductivity and / or the temperature of the substance is possible, and that the heat-specific electromagnetic and Störeinflußeffekte that overlay the actual measured value on the occurrence, can be eliminated mainly in their effect. Dadurch wird es möglich, genau die Wärmeleitfähigkeit und/oder die Temperatur von Stoffen zu bestimmen, um daraus eine Veränderung des Stoffzustandes oder der Stoffeigenschaften bzw. der Konzentrationen genau festzustellen, wobei der Sensor ferner einfach aufgebaut und an Ort und Stelle, ohne Probeentnahme und Probenaufbereitung, dh ohne Probeentnahmefehler, unkompliziert in der Anwendung ist. This makes it possible to accurately determine the thermal conductivity and / or the temperature of substances in order to derive accurately detect a change in the material state or the material properties or the concentrations, wherein the sensor further simple construction and in place, without sampling and sample preparation , that is uncomplicated to use without sampling error.

Unter wärmespezifischen Störeinflußeffekten ist das Folgende zu verstehen: Under heat specific Störeinflußeffekten the following means:

  • a. a. die labile Temperatur des zu untersuchenden Stoffes. the unstable temperature of the substance to be examined.
  • b. b. die Bewegung des zu untersuchenden Stoffes bzw. seines Gas- oder Flüssigkeitsanteils bei der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit. the movement of the substance to be tested or of its gas or liquid fraction in the determination of the thermal conductivity.

Unter elektromagnetischen Störeinflußeffekten ist das Folgende zu verstehen: Under electromagnetic Störeinflußeffekten the following means:

  • a. a. die elektromagnetischen Einstreuungen aus der Umwelt. the electromagnetic interference from the environment.
  • b. b. die elektrischen Störspannungen seitens des elektrischen Anregungssignals (des Elektrospeisesignals). the electrical noise voltages by the electrical excitation signal (the electric supply signal).

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und 12 gelöst. This object is achieved by the features of claim 1 and 12. FIG. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, eine störfeste Untersuchung des Übertragungsverhaltens eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Sensors, der dank seiner Bauart wärmeempfindlich ist und sich in seinem dynamischen Übertragungsverhalten wie ein lineares Meßglied 1. Ordnung verhält, für die prinzipnahe Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur des ihn direkt berührenden, zu untersuchenden Stoffes, heranzuziehen um aus dem Ausgangssignal des Sensors einen Aufschluß darüber bekommen zu können, wie intensiv die in der Meßwicklung des Sensors anfallende, bestimmte elektrothermische Leistung auf den Stoff mit einer sich verändernden Wärmeleitfähigkeit übertragen wird, wobei die Störeinflußeffekte auf das Untersuchungsergebnis einen vernachlässigbaren Einfluß haben. The invention is accordingly based on the idea that an interference-inspection of the transmission behavior of a proposed with the invention sensor is heat sensitive due to its construction and behaves in its dynamic transfer behavior as a linear measuring device 1st order for the principle close determination of thermal conductivity and / or it is envisaged to temperature of it directly contact to be examined substance in order to obtain a digestion of the output signal of the sensor on how intense the accumulating in the measuring coil of the sensor, certain electro-thermal power is transmitted to the fabric with a changing thermal conductivity, wherein the Störeinflußeffekte on the examination results have a negligible effect.

Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge der vorliegenden Erfindung ist zu erläutern, daß: For a better understanding of the links of the present invention is to explain that:

  • a. a. Unter einem solchen wärmeempfindlichen, linearen Sensor 1. Ordnung ein Sensor zu verstehen ist, dessen Ausgangsgröße, in diesem Fall der elektrische Widerstand der Meßwicklung, der in dem Sensor gespeicherten Wärmeenergie proportional ist, dh die Wärmeempfindlichkeit des Sensors konstant ist, und zudem das Übertragungsverhalten des Sensors durch eine Differentialgleichung 1. Ordnung, dh mit Hilfe nur einer dynamischen Kenngröße (der sogenannten Zeitkonstante T) genau beschrieben werden kann. Under such a heat-sensitive linear sensor 1st order a sensor is to be understood, whose output, in this case, the electric resistance of the measuring winding, the data stored in the sensor thermal energy is proportional, ie the heat sensitivity of the sensor is constant, and also the response of the sensor by a differential equation of 1st order, that is, only a dynamic parameter (the so-called time constant T) can be accurately described by.
  • b. b. Unter der störfesten Untersuchung des Übertragungsverhaltens eines solchen Sensors versteht sich eine experimentelle Ermittlung des funktionalen Zusammenhanges zwischen einem bestimmten Eingangssignal, in diesem Fall dem elektrischen Anregungssignal des Sensors, als Ursache und dem Ausgangssignal des Sensors, in diesem Fall der Widerstandsänderung der Meßwicklung, als Wirkung, wobei das Ausgangssignal durch eine Einflußgröße, in diesem Fall die Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Stoffes, beeinflußt wird. Under the interference-inspection of the transmission behavior of such a sensor is an experimental determination of the functional relationship between a particular input signal, of course, in this case the electric excitation signal of the sensor, as the cause and the output signal of the sensor, in this case, the change in resistance of the measuring winding, as the effect of wherein the output signal is affected by an influencing quantity, in this case, the thermal conductivity of the substance to be examined. Die Störeinflußeffekte werden durch die Ermittlungs- und Konstruktionsmaßnahmen unterdrückt. The Störeinflußeffekte be suppressed by the investigation and design measures.
  • c. c. Unter der prinzipnahen Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder Temperatur ist zu verstehen, daß die Grundlagen zu einer solchen Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit der erste Hauptsatz der Thermodynamik (Energiebilanz) und das Fouriersche Grundgesetz der Wärmeleitung (kinetischer Ansatz) sind, und daß es sich um die Ermittlung der kalorischen, dynamisch korrigierten Temperatur des Sensors handelt. Under the principle close determination of thermal conductivity and / or temperature is to be understood that the basic principles for such determination of the thermal conductivity of the first law of thermodynamics (energy balance) and the Fourier fundamental law of heat conduction (kinetic approach), and that it is the determination of of the caloric, dynamically corrected temperature of the sensor is.

Mit der Erfindung lassen sich die wärmespezifischen und elektromagnetischen Störeinflußeffekte, die bei der Umformung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur des zu untersuchenden Stoffes auftreten können, in ihrer Auswirkung größtenteils eliminieren und daher können verläßliche Aussagen über feinste Veränderungen des Stoffzustandes oder der Stoffeigenschaften bzw. Konzentrationen von flüssigen, gasförmigen oder fließunfähigen Stoffen gemacht werden. With the invention, the heat-specific and electromagnetic Störeinflußeffekte that may occur during forming of the thermal conductivity and / or the temperature of the to be tested substance, eliminate their effect largely, and therefore reliable information can finest changes in the material state or the material properties and concentrations can be made of liquid, gaseous or fluid substances incompetent. Die erfindungsgemäße Lösung ist universell einsetzbar und läßt eine genaue Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Stoffes unter praktischen Bedingungen durchführen und zwar mit einem verhältnismäßig geringem Geräteaufwand. The inventive solution is universal and can accurately determine the thermal conductivity of the material to be tested perform under practical conditions and that with a relatively small amount of equipment. Die betreffenden Untersuchungen können an Ort und Stelle derart vorgenommen werden, daß eine Probeentnahme nicht erforderlich ist. The studies in question can be made on the spot so that a sampling is not required. Dadurch sind auch diejenigen Meßfehler ausgeschaltet, die sich auf Grund der Probeentnahme und Probenaufbereitung ergeben. This also those measuring errors are eliminated, resulting due to the sampling and sample preparation. Die erfindungsgemäße Lösung dient auch, mit dem selben Sensor, einer Messung der aktuellen Stofftemperatur, die entweder als Bezugstemperatur für die Wärmeleitfähigkeit entnommen werden soll, oder nach der Beseitigung von dynamischen Fehlern als eine Meßgröße oder eine Einflußgröße in verschiedenen Anwendungsgebieten der Meß- und Regeltechnik benutzt werden kann. The inventive solution is also used, used with the same sensor, a measurement of the current fuel temperature to be either taken as a reference temperature for the thermal conductivity, or after the elimination of dynamic errors as a process variable or an influencing factor in various fields of application of the measuring and control technology can be.

Der erfindungsgemäß aufgebaute und angeregte Sensor für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur wird quasikontinuierlich mit einer geeigneten Meßschaltung zur Überwachung des Zustandes von verschiedenen Stoffen benutzt. The present invention constructed and excited sensor for determining the thermal conductivity and / or the temperature is virtually continuously used with a suitable measurement circuit for monitoring the state of various substances. Ein wirtschaftlich besonders wichtiges Anwendungsgebiet besteht in der Überwachung eines Schmieröles, insbesondere des Motoröles eines Kraftfahrzeuges, in Verbindung mit einem, auf Mikrocomputer basierendem Meßgerät. An economically particularly important field of application is the monitoring of a lubricating oil, in particular of the motor oil of a motor vehicle, in conjunction with one, microcomputer-based instrument. Durch wesenseigene Alterungsprozesse im Schmieröl, z. By essentially own aging processes in the lubricating oil, for. B. durch die im Öl stattfindende Oxidation und durch das mechanische Kleinhacken der Ölmolekülketten, oder durch Eindringen von Verschmutzungsteilchen in das Öl, entstehen im Schmieröl Oxydations-, Polymerisations- und andere Fremdprodukte, die in ihrer inneren Struktur wesentlich kürzere Molekülketten aufweisen und damit über schlechtere Schmiereigenschaften als das Neuöl selbst, verfügen. For example, by taking place in the oil oxidation and by the mechanical Mincing of oil molecule chains, or by ingress of contaminant particles in the oil are formed in the lubricating oil oxidation, polymerization and other foreign products which have considerably shorter molecular chains in their internal structure and thus poorer lubricating properties than the new oil itself have. Man spricht von einem erhöhten äußeren Freiheitsgrad der Moleküle, der eine andauernde Abschwächung der Kraftwirkung unter den Molekülen, dh eine Verschlechterung des Viskositätsverhaltens des Öles, zu Folge hat. One speaks of a raised outer degree of freedom of the molecules of a continuous weakening of the action of force among the molecules, that is, a deterioration of the viscosity behavior of the oil has the consequence. Es wurde durch laufende Ölprobeentnahmen festgestellt, daß sich einige bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften eines Schmieröls im Laufe seiner Beanspruchung ändern, darunter auch die Viskosität des Öles (Lubrication Engineering, August 1994, S. 605-611). It was found by ongoing oil sampling that change some specific physical and chemical properties of a lubricating oil in the course of his duty, including the viscosity of the oil (Lubrication Engineering, July 1994, pp 605-611). Da die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten im wesentlichen nur von den intermolekularen Kräften bestimmt ist (VDI-Wärmeatlas, 7. Auflage 1994, S. Da 31), beeinflußt der "Fremdstoffanteil" die Wärmeleitfähigkeit des Öles merklich. Since the thermal conductivity of liquids is substantially determined only by the intermolecular forces (VDI heat atlas, 7th Edition 1994, p Da 31), affects the "impurity fraction", the thermal conductivity of the oil significantly. Daher ist die Änderung der Wärmeleitfähigkeit eines Öles mit der Änderung seiner Schmierqualität korrelierbar und es ist möglich, durch die genaue Bestimmung der reinen Wärmeleitfähigkeit auf die Alterungsstufe des Öles zu schließen. Therefore, the change in thermal conductivity of an oil by altering its lubrication quality can be correlated and it is possible to close by the accurate determination of pure thermal conductivity on the aging stage of the oil. Es ist auch bekannt, daß, wenn einmal ein Öl eine gewisse Alterungsstufe überschritten hat, die weitere Alterung sehr schnell fortschreitet, die das Öl schnell unbrauchbar werden läßt. It is also known that, once an oil has exceeded a certain age level, very quickly progresses further aging, which makes the oil quickly unusable. Es kann dann an einer Anzeige des Meßgerätes abgelesen werden, daß der Zustand des Motoröles sich rapide verschlechtert, so daß das Öl bald ausgewechselt werden soll. It can be read on a display of the meter then, that the state of the engine oil is rapidly deteriorated, so that the oil is to be replaced soon.

Die Größe und die Gestalt des Freiraumes 10 sollen im allgemeinen, abhängig vom Fließvermögen des zu untersuchenden Stoffes, auf diese Art und Weise abgestimmt werden, daß die Zähigkeit des zu untersuchenden Stoffes seine Konvektion praktisch verhindert. The size and shape of the clearance space 10 will generally depend on the fluidity of the substance to be examined, be adapted to this manner, the toughness of the examined substance to its convection practically prevented. Sofern der Gegenstand der Erfindung für die Bestimmung der reinen Wärmeleitfähigkeit von dünnflüssigen oder gasförmigen Stoffen benutzt wird, soll um den Sensor eine mechanische Einrichtung 15 vorgesehen werden, die den Sensor derart umschließt, daß der bestimmte, den Sensor umfassende Freiraum 10 in Form von mindestens einem Hohlraum ausgebildet wird, in dessen Innerem die Reibung die natürliche Konvektion des zu untersuchenden, vom Sensor erwärmten Stoffes unterdrückt und mögliche Bewegungen stark hemmt. If the subject of the invention for determining the pure thermal conductivity is used by thin liquid or gaseous substances should, around the sensor, a mechanical device may be provided 15, which encloses the sensor such that the determined, the sensor comprising free space 10 in the form of at least one cavity is formed, the friction suppresses the natural convection of the to be tested, heated by the sensor substance in the interior thereof and inhibits possible movements strong.

Um die Wärmekapazitäten außerhalb des Einbettraumes 9 des Sensors vermindern zu können, soll die Wärmekapazität des Trägerkörpers 1 im Vergleich zur gesamten Wärmekapazität des Sensors erheblich kleiner sein, dh das Volumen des Trägerkörpers 1 im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Sensors soll sehr gering sein. In order to reduce the heat capacity outside the Einbettraumes 9 of the sensor, the heat capacity of the support body 1 should be considerably smaller compared to the total heat capacity of the sensor, ie the volume of the carrier body 1 in relation to the total volume of the sensor should be very low.

Die negative Auswirkung von aufbaubedingten Abweichungen des Sensors vom idealen Sensor 1. Ordnung läßt sich dadurch verringern, indem die Materialien der Sensorbauteile (Trägerkörper 1 , Schutzlack, Isolierbezug des Widerstandsdrahtes und der Widerstandsdraht 8 selbst) nahezu gleiche Temperaturleitfähigkeiten aufweisen, dh der Temperaturausgleich läuft in diesen Bauteilen gleich schnell ab. The negative impact of construction-related deviations of the sensor from the ideal sensor 1st order can thereby be reduced by choosing the materials of the sensor components (support body 1, protective lacquer, Isolierbezug of the resistance wire and of the resistance wire 8 itself) have nearly the same temperature conductivities, that is, the temperature compensation is running in this components equal quickly.

Das Aufnehmen des ganzen Temperaturfeldes des Sensors durch den Widerstandsdraht 8 läßt sich besser gewährleisten, wenn am Querschnitt dieses Widerstandsdrahtes keine Temperaturunterschiede auftreten, dh wenn die Ader des Widerstandsdrahtes 8 und der Isolierüberzug sehr dünn sind. The recording of the whole temperature field of the sensor by the resistance wire 8 can be ensured better if this resistance wire occur no temperature differences at the cross section, ie when the core of the resistance wire 8 and the insulating coating are very thin.

Die elektromagnetischen Störeinflußeffekte lassen sich in ihrer Auswirkung dadurch vermindern, daß die Meßwicklung 7 zweidrähtig, dh mit einem Doppelwiderstandsdraht 8 mit gleichen Adern auf dem Trägerkörper 1 aufgespult wird und die beiden so ausgebildeten Halbwicklungen 7 a, 7 b gegenüberliegend zu einer Wheatstone-Brücke elektrisch angeordnet werden, wobei sich die Anfangsstellen 11 der Adern dieses Doppelwiderstandsdrahtes 8 an der selben Brückendiagonalen befinden. The electromagnetic Störeinflußeffekte can be in their effect thereby decreasing that the measuring coil 7 is two-wire, that is wound with a double resistance wire 8 with same wires on the carrier body 1 and the two half-windings 7 thus formed, 7b disposed opposite to a Wheatstone bridge electrically are, with the top points 11 of the strands of this double resistance wire are located on the same bridge diagonal. 8

Eine sehr vorteilhafte elektrische Unabhängigkeit des Ausgangssignals Uy von Schwankungen der Speisespannung Uo läßt sich dadurch erreichen, daß das Amplitudensignal Ul durch das Speisespannungssignal Uo mit Hilfe des in dem Gegenkopplungszweig der Verstärkerschaltung 27 angeordneten Multiplizierers 28 , dividiert wird. A very advantageous electrical independence of the output signal Uy of fluctuations in the supply voltage Uo can be achieved that the amplitude signal Ul is divided by the supply voltage signal Uo by means of arranged in the negative feedback branch of the amplifier circuit 27 the multiplier 28.

Die wärmespezifischen und elektromagnetischen Störeinflußeffekte werden im 2. Verfahrensschritt - dank eines einfach realisierbaren, den Anforderungen der Korrelationsmeßtechnik entsprechenden, pseudozufälligen impulsförmigen Speisespannungssignals für den Sensor - auch korrelativ unterdrückt und damit wird die Störfestigkeit der Messung, in Verbindung mit den baulichen Merkmalen der Ansprüche 1 bis 11, erheblich erhöht. The heat-specific and electromagnetic Störeinflußeffekte be in the 2nd step - thanks to an easy to implement, the requirements of the Korrelationsmeßtechnik corresponding, pseudo-random pulsed supply voltage signal for the sensor - also correlatively suppressed, and thus the immunity of the measurement, in conjunction with the structural features of the claims 1 to 11, significantly increased.

Aufgrund kurzer Dauer des pseudozufälligen Speisespannungssignals im 2. Verfahrensschritt des Anregens ist die Wärme, die vom Sensor in die Richtung des negativen Temperaturgradienten in dem zu untersuchenden Stoff übertragen wird, imstande, sich nur bis maximal innerhalb des bestimmten Freiraumes 10 ggf. des Hohlraumes zu verbreiten. Because of the short duration of the pseudo-random supply voltage signal the 2nd process step of exciting is the heat that is transferred from the sensor in the direction of the negative temperature gradient in the examined substance, able to spread only up to a maximum within the predetermined clearance 10, if necessary, of the cavity ,

Die Erfindung ist nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele und zweier Verfahrensbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen näher erläutert. The invention is further explained with reference to two exemplary embodiments and methods of two embodiments in conjunction with the accompanying drawings. Es zeigt: It shows:

Fig. 1 ein Teil-Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel S1 eines Sensors, Fig. 1 is a partial cross-section through an embodiment of a sensor S1,

Fig. 2 eine Übersichtsskizze eines Ausführungsbeispiels S2 eines Sensors, und zwar mit einer ihn umschließenden mechanischen Einrichtung, Fig. 2 is an overview diagram of one embodiment of a sensor S2, with a surrounding him mechanical means,

Fig. 3 eine verstärkerlose Meßschaltung, wie sie beispielsweise bei dem Sensor nach Fig. 1 und 2 angewendet wird, Fig. 3 is a repeaterless measuring circuit, as applied for example in the sensor of FIGS. 1 and 2,

Fig. 4 eine lineare Speise- und Meßeinrichtung, zur elektrischen Speisung der verstärkerlosen Meßschaltung und Verarbeitung der Meßsignale sowie eine rechnerische Einrichtung, Fig. 4 is a linear feed and measurement means for the electrical supply of the repeaterless measuring circuit and processing of the measuring signals as well as a computational device,

Fig. 5 1. Beispiel eines zeitlichen Verlaufs der Speisespannung Uo der verstärkerlosen Meßschaltung und des Ausgangssignals Uy. Fig. 1. Example 5 a time course of the supply voltage Uo of the amplifier non-measuring circuit and the output signal Uy.

Fig. 6 2. Beispiel eines zeitlichen Verlaufs der Speisespannung Uo der verstärkerlosen Meßschaltung und des Ausgangssignals Uy. Fig. 2. Example 6 a time course of the supply voltage Uo of the amplifier non-measuring circuit and the output signal Uy.

Fig. 7 Testergebnisse des Sensors S1 in Verbindung mit dem Erdreich. Fig. 7 Test results of the sensor S1 in conjunction with the soil.

Fig. 8 Testergebnisse des Sensors S2 in Verbindung mit einem Motoröl. Fig. 8 Test results of the sensor S2 in communication with an engine oil.

Ausführungsbeispiel S1 Embodiment S1

Das vorliegende Beispiel beschreibt eine Ausführung der Erfindung, welche die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von fließunfähigen Stoffen ermöglicht. The present example describes an embodiment of the invention, which enables determination of the thermal conductivity and / or temperature of fluid substances incompetent.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel S1 weist einen allgemein mit 1 bezeichneten Trägerkörper auf, der in Form eines sehr kleinen, sich im Sensorkörper sehr wenig absondernden, spulenförmigen Bauieils, mit einem dünnen, inneren Metallstab 2 und mit zwei dünnen metallenden Endwänden 3 und 4 ausgebildet ist. The embodiment S1 shown in Fig. 1 comprises a support body, generally designated 1, which in the form of very small, in the sensor body very little secreting, coiled Bauieils, with a thin inner metal rod 2, and having two thin metal end walls 3 and 4 is trained. Der Metallstab 2 weist einen Durchmesser von etwa 0,5 mm auf und die metallenen Endwände 3 , 4 sind etwa 0,3 mm dick. The metal rod 2 has a diameter of about 0.5 mm and the metal end walls 3, 4 are about 0.3 mm thick. Der Trägerkörper ist mit einem Halter 5 ausgerüstet, der zur Befestigung des Sensors in einem Meßeinsatz 6 vorgesehen ist. The carrier body is equipped with a holder 5 which is provided for mounting the sensor in a measuring insert. 6 Das Gesamtvolumen des Trägerkörpers 1 ist im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Sensors sehr gering. The total volume of the carrier body 1 is very small in relation to the total volume of the sensor. Die Wärmekapazität des Trägerkörpers 1 ist im Vergleich zur Gesamtwärmekapazität des Sensors erheblich kleiner (ca. 2%), so daß die im Trägerkörper 1 gespeicherte Wärme relativ klein ist und damit der Teil der außerhalb des Einbettraumes 9 gespeicherten Wärme möglichst geringer wird. The heat capacity of the carrier body 1 is compared to the total heat capacity of the sensor significantly smaller (about 2%), so that the stored in the carrier body 1 heat is relatively small and thus the portion of the stored outside the Einbettraumes 9 heat is possible smaller.

Auf dem Trägerkörper 1 ist eine Meßwicklung 7 angeordnet, wobei die Meßwicklung aus einem aus zwei gleichen, kupfernen, parallel verlaufenden, voneinander isolierten Widerstandsdrähten gebildetem Doppelwiderstandsdraht 8 besteht. On the carrier body 1 is a measuring coil 7 is arranged, wherein the measurement winding consists of a formed of two identical, copper, parallel, mutually insulated resistance wires double resistance wire. 8 Jede Ader dieses Doppelwiderstandsdrahtes 8 weist einen Durchmesser von etwa 0,1 mm und eine Isolationsstärke von 5 µm auf. Each strand of this double resistance wire 8 has a diameter of about 0.1 mm and an insulation thickness of 5 microns. Der Doppelwiderstandsdraht 8 der Meßwicklung 7 ist räumlich gleichmäßig und dicht in dem Einbettraum 9 angeordnet und mit einem, auf Metallbasis hergestellten, sehr gut temperaturleitenden Schutzlack imprägniert, so daß sich eine homogene Wicklungsspule ergibt, was in der Fig. 1 zu sehen ist. The double resistance wire 8 of the measuring coil 7 is spatially uniform and densely arranged in the Einbettraum 9 and with a prepared on a metal base, impregnated very good temperature-conducting protective coating, so that a homogeneous winding coil results in what is shown in FIG. 1. Die Außenschicht des Schutzlacks ist sehr dünn, um die Wärmekapazitäten außerhalb des Einbettraumes 9 der Meßwicklung zu vermindern, was auch bei der Verkleinerung des Trägerkörpers 1 der Fall war. The outer layer of the protective varnish is very thin in order to reduce the heat capacities outside the Einbettraumes 9 of the measuring coil, which was also the case with the reduction of the carrier body. 1 Auch aus diesem Grund darf der Sensor mit keiner Schutzarmatur ausgerüstet werden. Also for this reason the sensor must be equipped with any protective fitting. Alle Aufbaumaterialien des Sensors (Trägerkörper 1 , Schutzlack und der Widerstandsdraht 8 ) weisen ähnliche Temperaturleitfähigkeiten und Wärmespeicherfähigkeiten auf, dh, daß der Sensor thermisch gleichartig ist und das Temperaturfeld des Sensors der Verteilung der Wärme in ihm entspricht. All materials of construction of the sensor (vehicle body 1, the resist and the resistance wire 8) exhibit similar temperature conductivities and heat storage capabilities, that is, that the sensor is thermally homogeneous and the temperature sensor field of the distribution of heat corresponds in it. Jede Ader des Doppelwiderstandsdrahtes 8 kann praktisch das ganze Temperaturfeld des Sensors aufnehmen und damit ist ihre Widerstandsänderung der Gesamtänderung der in allen Teilen des Sensors gespeicherten Wärme proportional. Each strand of the double resistance wire 8 can absorb virtually the entire temperature field of the sensor and therefore their resistance change of the total change of the data stored in all parts of the sensor heat proportionally.

Da die auf dem Trägerkörper 1 befindliche Meßwicklung 7 aus einem Doppelwiderstandsdraht mit gleichen Adern besteht, befinden sich auf dem Trägerkörper 1 zwei gleiche Halbwicklungen 7 a und 7 b, jede mit der Anfangs- und Endanschlußstelle 11 und 12 . Since the measuring coil 7 on the carrier body 1 consists of a double resistance wire with same wires are located on the carrier body 1 two identical half-windings 7 a and 7 b, each with the initial and Endanschlußstelle 11 and 12. FIG. Die Stellen 11 und 12 sind mit Innenleitungsdrähten 13 des Meßeinsatzes 6 verbunden, die wiederum an die Anschlußklemmen des Meßeinsatzes 6 angeschlossen sind. The points 11 and 12 are connected to inner lead wires 13 of the measuring insert 6, which in turn are connected to the terminals of the measuring insert. 6 Der Meßeinsatz 6 selbst ist einem Meßeinsatz für Widerstandsthermometer nach DIN 43 762 ähnlich und besteht aus einem biegsamen Mantelrohr 13 a mit vier Innenleitungen 13 , einem Flansch und einem Sockel mit der Anschlußklemmen. The insert 6 itself is a measuring insert for resistance thermometer according to DIN 43762 and similar consists of a flexible tubular casing 13 a with four inner lines 13, a flange and a base with the terminals.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel S1 stellt eine Grundform des Sensors dar und eignet sich allein für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von fließunfähigen oder dickflüssigen Stoffen, die selbst nicht strömen können z. The embodiment S1 shown in FIG. 1 illustrates a basic form of the sensor and is suitable only for the determination of thermal conductivity and / or the temperature of fluid incompetent or viscous substances which themselves can not flow z. B. das Erdreich, das hinsichtlich landwirtschaftlicher Nutzung untersucht werden soll oder ein Schleim, besonders der Zervixschleim, dessen Zustandsänderungen im Laufe des Frauenzyklus bzw. bei einer Frauenkrankheit aus medizinischen Gründen festgestellt werden sollen. As the soil to be tested for agricultural use or mucus, especially the cervical mucus whose state changes are to be found in the course of the women's cycle or at a woman's disease for medical reasons.

Ausführungsbeispiel S2 Embodiment S2

Das vorliegende Beispiel schafft auf der Basis des Ausführungsbeispiels S1 eine andere Ausführung der Erfindung, welche die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von dünnflüssigen und gasförmigen Stoffen ermöglicht und beispielsweise bei der Untersuchung der Alterungsstufe eines Flüssigkeitsgemisches anwendbar ist. The present example provides another embodiment of the invention, which enables determination of the thermal conductivity and / or the temperature of thin liquid and gaseous substances and is applicable, for example, in studying the aging step of a liquid mixture on the basis of the embodiment S1.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel S2 besteht aus einer allgemein mit 14 bezeichneten Grundform des Sensors S1 aus Fig. 1 und einer mechanischen, ihn umschließenden, allgemein mit 15 bezeichneten Einrichtung. The embodiment S2 shown in Fig. 2 consists of a generally designated 14 basic form of the sensor S1 in Fig. 1 and a mechanical, surrounding it, generally designated 15 device. Diese mechanische Einrichtung 15 ist in Form eines Zylinders 17 ausgebildet und schafft um den Sensor 14 herum einen nicht vollständig abgeschlossenen Freiraum (Hohlraum), in diesem Fall, eine ringspaltförmige, von unten teilweise und von oben ganz geöffnete Kammer 16 . This mechanical device 15 is in the form of a cylinder 17, and creates around the sensor 14 around a not fully enclosed space (cavity) in this case, an annular gap from below, partially and fully open from the top chamber sixteenth Die untere Endwand 18 weist Einströmöffnungen 20 auf, welche ermöglichen, daß ein Teil des zu untersuchenden flüssigen oder gasförmigen Stoffes in die Kammer 16 einströmen und aus dieser ausströmen kann. The lower end wall 18 has inlet openings 20, which allow that a part of the to be tested liquid or gaseous material to flow into the chamber 16 and can flow out of this. Damit ist gewährleistet, daß sich in der Kammer 16 und im Raum hinter der Kammer Stoff des gleichen Zustands befindet. This ensures that there is in the chamber 16 and in the space behind the chamber material of the same state. Wie aus Fig. 2 auch zu ersehen ist, ist der Sensor 14 mit einem kleinen Abstand (ca. 5 mm) zum Zylinder 17 angeordnet. As can also be seen from Fig. 2, the sensor 14 is at a small distance (about 5 mm) to the cylinder 17 is arranged. Auf diese Weise ist um den Sensor kein ausreichend großer Strömungsraum für die natürliche Konvektion des, vom Sensor 14 erwärmten, zu untersuchenden Stoffes, vorgesehen und damit wird die Bewegung dieses Stoffes durch die Reibung stark unterdrückt. In this way, a sufficiently large flow area for the natural convection is to the sensor, heated by the sensor 14, to be examined, the substance is provided, and hence the movement of this substance is strongly suppressed by the friction. Der Freiraum 10 , in diesem Falle die Kammer 16 , ist aber ausreichend groß um die ganze Wärme, die vom Sensor in die Richtung des negativen Temperaturgradienten in dem dünnflüssigen oder gasförmigen Stoff während des 2. Verfahrensschrittes des Anregens übertragen wird, aufnehmen zu können. But the free space 10, in this case, the chamber 16 is sufficiently large to be able to absorb all the heat that is transferred from the sensor in the direction of the negative temperature gradient in the thin liquid or gaseous substance during the second process step of energizing. Das Vorsehen der mechanischen Einrichtung 15 hat auch den Vorteil, daß auf den Sensor keine störende Außenströmungen einwirken können, dh die teilweise geöffnete Kammer 16 stellt für den zu untersuchenden Stoff gewissermaßen einen Beruhigungsraum dar. The provision of the mechanical means 15 also has the advantage that can affect the sensor no disturbing external streams, that is, the partially opened chamber 16 provides for the substance to be examined in a sense constitute a settling chamber.

Fig. 3 zeigt eine verstärkerlose, allgemein mit 21 bezeichnete Meßschaltung zur Umformung von Widerstandsänderungen des Doppelwiderstandsdrahtes 8 des Sensors S1 bzw. S2 in ein Amplitudensignal Ul. Fig. 3 shows a repeaterless, generally designated 21, measuring circuit for converting resistance variations of the double resistance wire 8 of the sensor S1 or S2 in an amplitude signal Ul. In dem Falle ist die Meßschaltung 21 in Form einer Wheatstone-Brücke aufgebaut. In the case of the measuring circuit is constructed in the form of a Wheatstone bridge 21st Die beiden Halbwicklungen 7 a und 7 b, die aufgrund der zweidrähtigen Wicklungsausbildung entstanden sind, sind schaltungstechnisch als gleiche Brückenwiderstände gegenüberliegend zu einer Wheatstone-Brücke angeordnet, wobei die beiden Anfangsanschlußstellen 11 von Halbwicklungen 7 a und 7 b sich an der selben Diagonale der Wheatstone-Brücke befinden, wie das aus Fig. 3 zu ersehen ist. The two half-windings 7 a and 7 b, which have arisen due to the bifilar winding form are, of circuitry arranged as same bridge resistors opposite to a Wheatstone bridge, where the initial two connecting points 11 of half-windings 7a and 7b located on the same diagonal of the Wheatstone bridge are, as is seen in FIG. 3. Die beiden anderen Brückenwiderstände 22 sind gleiche, nicht einstellbare Widerstände mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten und sind ebenso zu der Wheatstone-Brücke nach der Fig. 3 elektrisch angeordnet und mechanisch an die Anschlußklemmen am Anschlußsockel des Meßeinsatzes 6 befestigt. The other two bridge resistors 22 are same, not adjustable resistors having a small temperature coefficient, and are also electrically disposed to the Wheatstone bridge of FIG. 3 and mechanically fastened to the terminals on the connector base of the measuring insert. 6 Der Ohm-Wert jedes festen Brückenwiderstandes 22 ist derart vorbestimmt, daß er dem Ohm-Widerstand einer Halbwicklung 7 a, 7 b in der Betriebstemperatur des zu untersuchenden Stoffes gleich ist, dh die Wheatstone-Brücke während des Anregens des Sensors befindet sich in einem optimalen, nahezu abgeglichenen Zustand. The ohmic value of each fixed bridge resistor 22 is predetermined such that it the Ohm resistance of a half-winding 7 a, 7 b is in the operating temperature of the examined substance to the same, that is, the Wheatstone bridge while exciting the sensor is located in an optimum nearly balanced state.

Sind die beiden Halbwicklungen 7 a und 7 b der zweidrähtigen Wicklungsausbildung nach der Fig. 3 zu einer Wheatstone-Brücke angeordnet, so fließt bei Stromdurchgang in ihnen der Strom in entgegengesetzter Richtung und erzeugt somit in der Wirkung weitgehend kompensierende Magnetfelder. If the two half-windings 7 a and 7 b of the bifilar winding form arranged according to the Fig. 3 in a Wheatstone-bridge, the current flows during current passage in them in the opposite direction and thus generates in effect largely compensating magnetic fields. Auf diese Weise heben sich die elektromagnetischen Einstreuungen aus der Umwelt in den beiden Halbwicklungen gegenseitig auf und es werden die, während des Anregens des Sensors, durch Selbstinduktion in der Meßwicklung 7 entstehenden elektrischen Störspannungen stark reduziert. In this way, the electromagnetic interference from the environment lift in the two half-windings to each other and there will be the while of exciting the sensor, greatly reduced by self-induction in the measuring winding 7 resulting electrical interference voltages. Bei der Erwärmung des Sensors um ca. 10 Grad Celsius vom Arbeitspunkt, dh in dem Erwärmungsbereich während des Anregens, ist das sich aus der Brückenschaltung ergebende Ausgangssignal Ul der Widerstandsänderung des Doppelwiderstandsdrahtes 8 proportional und die in der Meßwicklung 7 entstehende elektrothermische Leistung weicht - aufgrund der Widerstandsänderung - vom durch das Speisespannungssignal Uo vorbestimmten Wert nicht mehr als 0.5% ab, was elektrisch ohne weiteres zu erklären ist. During the heating of the sensor by about 10 degrees Celsius from the operating point, that is, in the heating zone while of exciting, the resultant out of the bridge circuit output signal Ul of the resistance change of the double resistance wire 8 is proportional to, and the resulting in the measuring winding 7 electrothermal power deviates - due to the from predetermined by the supply voltage signal Uo value is not more than 0.5% on what can be explained electrically easily - change in resistance.

In Fig. 4 ist schematisch ein gemeinsames Gehäuse 23 gezeigt, in dem eine lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 und eine rechnerische Einrichtung 25 vorgesehen sind. In FIG. 4, a common housing 23 is schematically shown, in which a linear feed and measurement means 24 and a computational device 25 are provided. Da die Einrichtungen zusammen sehr kompakt ausgeführt werden können, kann auch das Gehäuse 23 , das eine eigene elektrische Energiequelle 26 für die lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 und die rechnerische Einrichtung 25 enthält, ebenfalls kompakt aufgebaut sein, so daß der Sensor S1 bzw. S2 und das Gehäuse 23 bequem zum jeweiligen Meßort transportiert oder dort fest eingebaut werden kann, um auf einfache Weise die gewünschten Messungen und Berechnungen vornehmen zu können. Since the devices can be executed together very compact, can the housing 23, which contains its own electrical power source 26 for the linear feed and measurement means 24 and the computational means 25 also be made compact, so that the sensor S1 or S2 and the housing can be easily transported or 23 for each measurement location permanently installed there in order to be able to easily make the desired measurements and calculations.

Die lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 enthält eine Verstärkerschaltung 27 , die mit der verstärkerlosen Meßschaltung 21 und mit der rechnerischen Einrichtung 25 in einer Reihenschaltung angeordnet ist und das aus der Meßschaltung 21 aufgetretene Amplitudensignal Ul verstärkt und weiter sein Ausgangssignal Uy in die rechnerische Einrichtung 25 eingibt. The linear supply and measuring device 24 includes an amplifier circuit 27 which is arranged with the repeaterless measuring circuit 21 and with the computational device 25 in a series circuit and the occurred from the measuring circuit 21 amplitude signal Ul amplified and its output signal Uy enters in the computational device 25 , Die Verstärkerschaltung 27 wiederum weist einen, in ihren Gegenkopplungszweig angeordneten, analogen Multiplizierer 28 auf, der für die Multiplikation des Ausgangssignals Uy mit dem Speisespannungssignal Uo vorgesehen ist. The amplifier circuit 27 in turn has a arranged in its feedback branch, the analog multiplier 28, which is provided for the multiplication of the output signal Uy with the supply voltage signal Uo. Der Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung 27 wird damit durch das Speisespannungssignal Uo mitbestimmt und zwar auf diese Weise, daß der Gesamtverstärkungsfaktor der verstärkerlosen Meßschaltung 21 und der Verstärkerschaltung 27 während des Anregens des Sensors konstant wird. The gain of the amplifier circuit 27 is thus co-determined by the supply voltage signal Uo and that in this manner that the overall gain of the amplifier non-measuring circuit 21 and the amplifier circuit 27 becomes constant while exciting the sensor. Damit ist gewährleistet, daß das Ausgangssignal Uy von der Speisespannung Uo elektrisch unabhängig ist. This ensures that the output signal Uy is electrically independent from the supply voltage Uo.

Fig. 4 zeigt weiterhin, daß in der linearen Speise- und Meßeinrichtung 24 eine Speiseschaltung 29 vorgesehen ist, die in Form einer gesteuerten Speisespannungsquelle für die verstärkerlose Meßschaltung 21 aufgebaut ist. Fig. 4 also shows that a power supply circuit 29 is provided in the linear supply and measuring device 24 which is constructed in the form of a controlled supply voltage source for the measuring circuit repeaterless 21st Die lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 weist auch ein Einstellglied 30 auf, das einerseits von der rechnerischen Einrichtung 25 gesteuert wird und andererseits die Speiseschaltung 29 steuert. The linear supply and measuring device 24 also includes an adjustment member 30 which is on one hand controlled by the computational means 25 and on the other hand, the feed circuit controls 29th Das Einstellglied 30 ist als ein programmierbarer Funktionsgenerator aufgebaut und ist zur Generierung eines Übertragungsverhaltenstestsignals vorgesehen, was noch erläutert wird. The adjusting member 30 is constructed as a programmable function generator and is provided for generating a transfer characteristic test signal, as will be explained. Die rechnerische Einrichtung 25 weist eine Umsetzschaltung 31 auf, die für die Analog-Digital-Umwandlung von Signalen Uy und Uo und für die Ausgabe und Aufnahme von binären Steuersignalen für das Einstellglied 30 zuständig ist und einen Mikrorechner 32 , der für die Ausführung von Meßalgorithmen, für die sensorspezifische Meßsignalverarbeitung und für die Auswertung der Signale Uy und Uo, sowie für die rechnerische Ermittlung der Zeitkonstante T des Sensors, der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur des zu untersuchenden Stoffes vorgesehen ist. The computational means 25 comprises a conversion circuit 31 which is responsible for the analog-digital conversion of signals Uy and Uo, and for outputting and recording of binary control signals for the adjusting member 30 and a microcomputer 32, which, for the execution of measurement algorithms is provided for the sensor-specific measurement signal processing and for the evaluation of the signals Uy and Uo, and for computational determination of the time constant T of the sensor, the thermal conductivity and / or temperature of the substance to be examined.

Wenn ein Stoff geprüft werden soll, so kann sich der Sensor S1 bzw. S2 im Stoff ständig befinden oder er wird in den zu untersuchenden Stoff hineingehalten und zwar derart, daß der Stoff sich im Freiraum 10 befinden wird. If a substance is to be tested, then the sensor can S1 and S2 are constantly in the fabric, or is held into the substance to be examined in such a manner that the fabric will be located in the free space 10 degrees. Der Sensor S1 bzw. S2 wird in einem oder mehreren Meßvorgängen, in Verbindung mit der Meßschaltung 21 , der Speise- und Meßeinrichtung 24 und der rechnerischen Einrichtung 25 in zwei Verfahrensschritten elektrisch angeregt, was auf dem zeitlichen Verlauf der Speisespannung Uo in der Fig. 5 bzw. Fig. 6 hervorgehoben ist. The sensor S1 or S2 is electrically excited in one or more measuring processes in connection with the measuring circuit 21, of the supply and measuring device 24 and the arithmetic device 25 in two process steps, which on the time course of the supply voltage Uo in Fig. 5 and FIG. highlighted. 6 Der 1. Verfahrensschritt des Anregens kann eine beliebig lange Zeit dauern und Ziel eines solchen Elektrospeisens in diesem Verfahrensschritt ist die experimentelle Ermittlung der Stofftemperatur und zwar unter Einbeziehung der sensorspezifischen Meßsignalverarbeitung. The first step of energizing may take an arbitrarily long time and destination of such an electric dining in this step is the experimental determination of the fuel temperature and under inclusion of sensor-specific measurement signal processing. Der 2 . The second Verfahrensschritt des Anregens kann in einem wahlfreien Zeitpunkt stattfinden, aber unter Voraussetzung der Stabilität der Stofftemperatur. The method step of exciting can take place in a random time, but under the condition of stability of the material temperature. Dieser Verfahrensschritt darf nicht länger dauern als bis zum Zeitpunkt in dem eine Erwärmung des Stoffes außerhalb des Freiraumes 10 stattfinden kann. This step may not last longer than can pass in which there is a warming of the substance outside the free space 10 to at the time. Ziel des 2. Verfahrensschrittes ist zuerst die experimentelle Ermittlung der aktuellen Zeitkonstante T des in den zu untersuchenden Stoff eingetauchten Sensors und zwar auf der Basis der Speise- und Ausgangssignale Uo und Uy, und mathematischer Beziehungen unter Einbeziehung von Konstantwerten des Sensors. The aim of the 2nd process step first is the experimental determination of the current time constant T of the immersed in the examined substance sensor, and on the basis of the supply and output signals Uo and Uy, and mathematical relationships involving constant values ​​of the sensor. Die ermittelte Zeitkonstante T kann dann zur rechnerischen Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Stoffes dienen und/oder zur dynamischen Korrektur des Sensors bei der dauerhaften Temperaturmessung verwendet werden. The time constant T is determined can then be used for the computational determination of the thermal conductivity of the substance to be tested and / or used for the dynamic correction of the sensor at the permanent temperature measurement. An zwei Verfahrensbeispielen aus der Praxis mag das verdeutlicht werden. this may be illustrated by two methods practical examples.

Verfahrensbeispiel 1 Process Example 1

Es ist bekannt, daß die Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes sehr gut verwendet werden kann. It is known that the thermal conductivity of the soil can be very well used to determine the moisture content. Daher eignet sich die Erfindung für den Einsatz beim Erdreich, um den aktuellen Feuchtigkeitsgehalt festzustellen, damit rechtzeitige Anfeuchtungs-Maßnahmen eingesetzt werden können und um die Feuchtigkeitsschwankungen in möglichst engen Grenzen zu halten. Therefore, the invention is suitable for use in the soil to determine the actual moisture content so that timely Anfeuchtungs measures can be used and to keep the humidity within the narrowest possible limits.

Wenn der Feuchtigkeitsgehalt im Erdreich untersucht werden soll, wird der Sensor S1 benutzt. If the moisture content in the soil to be examined, the sensor S1 is used. In dem 1. Verfahrensschritt des Anregens wird die Stofftemperatur gemessen. In the first process step of exciting the material temperature is measured. So wird die verstärkerlose Meßschaltung 21 mit einer niedrigen Speisespannung Uo (sog. Initialwert) in der Höhe von 200 mV angeregt, die eine geringe elektrothermische Leistung, dh einen geringen Wärmestrom in den Sensor hineinbringt und die Temperatur des Sensors und des Erdreiches praktisch nicht beeinflußt. Thus, (initial value called.) The repeaterless measuring circuit 21 with a low supply voltage Uo excited in the amount of 200 mV that a small electro-thermal performance, ie a low heat flow brings in into the sensor and the temperature of the sensor and the soil virtually unaffected. Das sich aus der Meßschaltung 21 ergebende Amplitudensignal Ul ist der Widerstandsänderung der Halbwicklung 7 a und 7 b proportional und es entspricht der Änderung der kalorischen Mitteltemperatur des Sensors. The resulting of the measuring circuit 21 amplitude signal Ul is the resistance change in the half-winding 7 a and 7 b proportional and it corresponds to the change of the calorific mean temperature of the sensor. Das Amplitudensignal Ul wird, nach der entsprechenden Verstärkung in der Verstärkerschaltung 27 (Ausgangssignal Uy) und nach der Umsetzung in ein digitales Signal in der Umsetzschaltung 31 an den Mikrorechner 32 weitergeleitet. According to the corresponding gain in the amplifier circuit, the amplitude signal Ul is 27 (output signal Uy), and after conversion to a digital signal in the conversion circuit 31 forwarded to the microcomputer 32nd Die Messung wird so lange durchgeführt, bis festgestellt ist, daß die gemessene Temperatur sich nicht mehr ändert, dh die Temperatur des Sensors stabil und gleich der Temperatur des Erdreiches ist. The measurement is carried out until it is determined that the measured temperature does not change anymore, ie the temperature of the sensor is stable and equal to the temperature of the soil. Diese stabile Stofftemperatur, die die Voraussetzung für den 2. Verfahrensschritt des Anregens ist, kann als Bezugstemperatur für die Wärmeleitfähigkeit im Mikrorechner 32 gespeichert bzw. auf einem Display angezeigt werden. This stable product temperature, which is the prerequisite for the second process step of exciting, can be stored as a reference temperature for the thermal conductivity in the microcomputer 32 and displayed on a display. In diesem ersten Teil des Meßverfahrens stellt der in der verstärkerlosen Meßschaltung 21 angeordnete und mit der niedrigen elektrischen Leistung gespeiste Sensor S1 einen Temperaturaufnehmer dar, mit dem die Temperatur des zu untersuchenden Stoffes aufgenommen werden kann. In this first part of the measurement process S1, the disposed in the repeaterless measuring circuit 21 and fed to the low electric power sensor is a temperature sensor with which the temperature of the substance to be examined can be recorded. Mit Hilfe des Mikrorechners 32 wird im Laufe jedes 1. Verfahrensschrittes des Anregens beispielsweise die Korrektur von Exemplarstreuungen von Nullpunkt und Steilheit, Nichtlinearitäten und eventuell auch das digitale oder korrelative Filtern des Ausgangssignals Uy durchgeführt. With the aid of the microcomputer 32 of each first process step of exciting is performed, for example, the correction for fluctuations of zero and slope, non-linearities and possibly also the digital or correlative filtering the output signal Uy in the course. Bei der Wiederholung des Meßvorganges wird im 1. Verfahrensschritt auch die dynamische Korrektur des Sensors möglich, und zwar auf der Basis seiner aktuellen, im 2. Verfahrensschritt des vorherigen Meßvorganges ermittelten, Zeitkonstante T. When repeating the measurement process in the first process step and the dynamic correction of the sensor is possible, on the basis of its current, determined in the second step of the previous measuring process time constant T.

In einem frei wählbaren Zeitpunkt und nach der Feststellung des thermischen Stabilitätszustandes des Sensors und des Erdreiches wird der Sensor S1 mit einer sich zeitlich ändernden Elektrospeisung angeregt, deren zeitlichen Verlauf den Anforderungen eines Übertragungsverhaltenstests entspricht. At an arbitrary time and by the determination of the thermal stability of state of the sensor and of the soil, the sensor S1 is excited with a time-varying electric power whose temporal profile corresponding to the requirements of a transmission behavior tests. Da die wärmespezifischen Störeinflußeffekte, die während der Untersuchung der Bodenfeuchte auftreten könnten, schwach sind, ist die Beschränkung des Freiraumes 10 durch eine mechanische Einrichtung nicht notwendig (der Freiraum 10 ist unendlich). Since the heat-specific Störeinflußeffekte that might occur during the investigation of soil moisture, are weak, is the limitation of the free space 10 by mechanical means not necessary (the clearance 10 is infinite). Aus diesem Grund wurde zum Anregen des Sensors S1, eine einfache, leicht realisierbare Form des Signals für die Elektrospeisung der Meßschaltung ausgewählt und zwar eine impulsförmige Änderung der Speisespannung Uo vom niedrigen Initialwert Uo-200 mV auf einen erheblich größeren Prüfwert. For this reason, a simple, easily realizable form of the signal is to excite the sensor S1 are selected for the electric power supply of the measuring circuit and that a pulse-like change in the supply voltage Uo from the low initial value Uo-200 mV to a considerably larger test value. Für den 2. Verfahrensschritt wurde diese Form des Signals auch deshalb ausgewählt, weil, aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus des Sensors, das daraus resultierende Ausgangssignal Uy, dh die Änderung der kalorischen Mitteltemperatur des Sensors S1, einer exponentiellen Gewichtsfunktion (Impulsantwort) des Sensors S1 gleichwertig ist, die relativ einfach auswertbar ist, sowie, weil die thermischen Vorgänge im Inneren des Sensors und im zu untersuchenden Stoff relativ leicht erkennbar sind. In the 2nd process step, this shape of the signal was also selected because, due to the inventive structure of the sensor, the resulting output signal Uy, ie the change in the caloric mean temperature of the sensor S1, an exponential weighting function (impulse response) of the sensor S1 is equivalent which is relatively simple to be evaluated, and because the thermal processes in the interior of the sensor and the material to be examined are relatively easily recognizable.

Der Prüfwert der Speisespannung Uo soll derart vorbestimmt werden, daß der Sensor S1 während des 2. Verfahrensschrittes bis zu einer Temperatur erwärmt wird, die einerseits für die weitere Auswertung ausreichend groß ist, aber andererseits keine signifikante natürliche Konvektion des Gas- oder Flüssigkeitsanteils des in dem Freiraum 10 befindlichen zu untersuchenden Erdreiches verursachen kann. The test value of the supply voltage Uo will be predetermined such that the sensor is heated S1 during the second process step, to a temperature which is sufficiently great on the one hand for further evaluation, but on the other hand, no significant natural convection of the gas or liquid content of in the free space 10 located to be examined soil can cause. Durch Versuche wurde festgestellt, daß eine Erwärmung des Sensors um bis 10 Grad Celsius in der Regel eine absolut zu vernachlässigende natürliche Konvektion verursacht und gleichzeitig für die Auswertungszwecke groß genug ist. Through experiments, it was found that heating the sensor to 10 degrees Celsius usually causes an absolutely negligible natural convection while large enough for evaluation purposes. So wird bei der Untersuchung des Erdreiches ein einziger Spannungsimpuls angewendet, bei dem die Speisespannung der verstärkerlosen Meßschaltung 21 einen Endwert in Höhe von 10 V erreicht und der, nach ca. 0,3 Sekunde, auf den Initialwert Uo = 200 mV abgesunken ist und auf diesem Wert, bis zum Ende des 2. Verfahrensschrittes, konstant bleibt, was die Kurve 1 in Fig. 5 zeigt. Thus, a single voltage pulse, in the examination of the ground is used in which the supply voltage of the amplifier without measuring circuit 21 reaches a final value equal to 10 V and, after about 0.3 second, to the initial value Uo 200 mV has fallen = and this value remains constant until the end of the 2nd process step, which the curve 1 shows in Fig. 5. Da der Freiraum 10 unbeschränkt ist, kann auch der 2. Verfahrensschritt beliebig lange Zeit dauern. Since the space is unlimited 10, and the second step can take any length of time. Durch Versuche wurde festgestellt, daß das Aufnehmen des Ausgangssignals Uy in der Zeit von ca. 5-6 Sekunden nach der impulsförmigen Änderung der Speisespannung Uo für die Auswertungszwecke ausreicht. Through experiments it was found that the recording of the output signal Uy in the time of about 5-6 seconds after the pulse-like change in the supply voltage Uo is sufficient for evaluation purposes.

Entsprechend der sprunghaften Änderung der Speisespannung, ändert sich die in der stromdurchflossenen Meßwicklung des Sensors S1 entstehende elektrothermische Leistung, dh der die Wärmeleitung ingangsetzende Wärmestrom. Accordingly, the abrupt change of the supply voltage, changes in the resulting current flowing through the measuring coil of the sensor S1 electro-thermal power, that is, the heat conduction ingangsetzende heat flow. Da die Wendeln der stromdurchflossenen Meßwicklung 7 gleichmäßig und dicht im ganzen Volumen des Sensors S1 verteilt sind, ist auch der Wärmewiderstand bei der Wärmeleitung innerhalb des Sensorkörpers sehr gering und der entstehende Wärmestrom wird dem ganzen Sensorkörper, der eine bestimmte Wärmekapazität aufweist, blitzschnell zugeführt. Since the coils of the current flowing through the measuring winding are uniformly distributed and densely 7 in the whole volume of the sensor S1, also the thermal resistance in the heat conduction within the sensor body is very low and the resulting heat flow is fed quickly to the entire sensor body having a specific heat capacity. Da dem Sensor S1 momentan nicht genau soviel Wärmeenergie entzogen wie zugeführt wird, ändert sich die innere Wärmeenergie, dh die kalorische Mitteltemperatur des Sensors, was aus der Kurve 2 , Fig. 5 zu erkennen ist. Since currently withdrawn from the sensor S1 is not exactly as much heat energy as supplied, changes the internal heat energy, ie the caloric mean temperature of the sensor, which can be seen from the curve 2, Fig. 5. Aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen dem Sensor S1 und dem zu untersuchenden Erdreich wird die Wärme vom Sensor in die Richtung des negativen Temperaturgradienten im Erdreich übertragen. Due to the temperature difference between the sensor S1 and the ground to be investigated, the heat from the sensor in the direction of the negative temperature gradient is transferred in the ground. Der Wärmewiderstand des zu untersuchenden Erdreiches, dh seine Wärmeleitfähigkeit, beeinflußt direkt die Intensität des Energietransportes und damit auch die Änderung der inneren Wärme im Sensor. The thermal resistance of the soil to be tested, that is, its thermal conductivity directly affects the intensity of energy transport and thus the change of the internal heat in the sensor. Die experimentelle Kopplung von Energiebilanz des Sensors S1 und der Wärmeleitung des zu untersuchenden Erdreiches liefert ein Ausgangssignal Uy (Kurve 2 aus der Fig. 5), das der Änderung der im Sensor gespeicherten Wärme entspricht und das Übertragungsverhalten des Sensors mit nur einer einzigen dynamischen Kenngröße, der Zeitkonstante T, direkt beschreiben läßt. The experimental coupling of energy balance of the sensor S1 and the heat conduction of the to be investigated soil provides an output signal Uy (curve 2 in FIG. 5), which corresponds to the change of the data stored in the sensor heat and the response of the sensor with only one dynamic parameter, the time constant T can describe directly. Die Auswertung des, während des 2. Verfahrensschrittes, experimentell ermittelten Ausgangssignals Uy und die rechnerische Berechnung der Zeitkonstante T des Sensors S1, die für die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches und/oder für die dynamische Korrektur des Sensors S1 benötigt wird, kann z. The evaluation of the, experimentally determined during the second method step the output signal Uy and the mathematical calculation of the time constant T of the sensor S1, which is required for the determination of the thermal conductivity of the soil and / or for the dynamic correction of the sensor S1, may, for. B. in der Weise erfolgen, die in dem schon genannten DE 41 35 617 A1 beschrieben und erläutert ist. As made in the manner described in the already mentioned DE 41 35 617 A1 and explained.

Verfahrensbeispiel 2 Process Example 2

Wenn z. If z. B. das Schmieröl eines Motors untersucht werden soll, wird der Sensor wie im Ausführungsbeispiel S2 durch den Ölpeilstabstutzen des Motors im Öl hineingehalten. As the lubricating oil of an engine is to be investigated, the sensor S2 as in the embodiment by the Ölpeilstabstutzen of the motor is kept in the oil. Die Messungen der Wärmeleitfähigkeit sollen bei der Betriebstemperatur des Öles, dh im nahezu abgeglichenen Zustand der Wheatstone-Brücke stattfinden. The measurements of the thermal conductivity are at the operating temperature of the oil, ie, take place in nearly balanced state of the Wheatstone bridge. Das Vorgehen beim 1. Verfahrensschritt beim Untersuchen eines Öles unterscheidet sich nicht vom dem Vorgehen beim 1. Verfahrensschritt beim Untersuchen eines fließunfähigen Stoffes. The procedure for the first step in investigating an oil is no different from the procedure in the first step in examining a flowable substance incompetent.

In einem frei wählbaren Zeitpunkt und nach der Feststellung des thermischen Stabilitätszustandes des Sensors und des Öles, wird der Sensor S2 mit einer sich zeitlich ändernden Elektrospeisung in Form eines pseudozufälligen impulsförmigen Signals angeregt. At an arbitrary time and by the determination of the thermal stability of state of the sensor and of the oil, the sensor S2 is excited with a time-varying electric power in the form of a pseudo-random pulse signal. Im Sensor und in dem zu untersuchenden Stoff werden die ähnlichen thermischen Vorgänge wie die Vorgänge im 1. Verfahrensbeispiel angefacht. In the sensor and in the substance to be examined, the similar thermal processes such as the processes in the first process example will be fueled. Zum Anregen des Sensors S2 wurde ein einfach realisierbares Elektrospeisesignal in Form von pseudozufälligen, rechteckigen Änderungen der Speisespannung mit der Amplitude Uo = 10 V, der Taktzeit Δ = 0.3 s und der Periodendauer NΔ = 5 s (Kurve 1 , Fig. 6) ausgewählt, wobei die Zeitdauer des 2. Verfahrensschrittes der Periodendauer NΔ gleich ist. For exciting the sensor S2 a simply realizable electrical supply signal in the form of pseudo-random, rectangular changes in the supply voltage with the amplitude Uo was = 10 V, the = 0.3 = 5 s selected cycle time Δ s and the period nf (curve 1, Fig. 6), wherein the duration of the 2nd process step of the period is equal to nf. Durch Versuche wurde festgestellt, daß bei dieser Elektrospeisung noch keine Erwärmung des Öles außerhalb der mechanischen Vorrichtung 15 stattfindet und sich eine momentane Erwärmung des Sensors um ca. 10 Grad Celsius ergibt. Through experiments it was found that in this electric power yet there is no heating of the oil outside the mechanical apparatus 15 and a momentary heating of the sensor by about 10 degrees Celsius is obtained. Aufgrund der großen inneren Reibung in der Kammer 16 , wird bei dieser Temperatur noch keine signifikante natürliche Konvektion des zu untersuchenden Öles im Inneren der mechanischen Vorrichtung 15 verursacht. Due to the great internal friction in the chamber 16, no significant natural convection of the oil to be tested is caused in the interior of the mechanical device 15 at this temperature. Die effektive innere Reibung ist nicht nur deswegen besonders groß, weil der Abstand Sensor-Zylinder relativ klein ist und damit große Schubspannungen zu überwinden sind, sondern auch deshalb, weil, aufgrund der instationären thermischen und hydrodynamischen Vorgänge in der Spaltkammer 16 , eine sich ständig ändernde Beschleunigung der Ölteilchen stattfindet und daher, zusätzlich zu den Schubspannungen, auch die Trägheit des Öles zu überwinden ist. The effective internal friction is not the only reason particularly large because the distance sensor cylinder is relatively small and are thus overcome large shear stresses, but also because, due to the transient thermal and hydrodynamic processes in the gap chamber 16, a constantly changing takes place acceleration of the oil particles, and is therefore to overcome in addition to the shear stresses, and the inertia of the oil.

Bei der Anregung des Sensors S2 mit dem Speisespannungssignal Uo in pseudozufälliger Form ergibt sich aus der Meßschaltung 21 das Amplitudensignal Ul, das nach der Verarbeitung in der linearen Speise- und Meßeinrichtung 24 , als das Ausgangssignal Uy, abgetastet und mit Hilfe der Umsetzschaltung 31 in ein digitales Signal umgewandelt wird. When the excitation of the sensor S2 to the supply voltage signal Uo in a pseudo random form, the amplitude signal Ul, results from the measuring circuit 21, the after processing in the linear feed and measurement means 24, as the output signal Uy sampled, and using the conversion circuit 31 in a digital signal is converted. Das Speisespannungssignal Uo wird ebenso parallel, mit Hilfe der Umsetzschaltung 31 abgetastet und auch in ein digitales Signal umgewandelt. The supply voltage signal Uo is also parallel scanned with the aid of the conversion circuit 31 and converted into a digital signal. In dem Mikrorechner 32 wird die Autokorrelationsfunktion für das Speisespannungssignal Uo und die Kreuzkorrelationsfunktion für das Ausgangssignal Uy und für das Speisespannungssignal Uo berechnet. In the microcomputer 32, the autocorrelation function for the supply voltage signal Uo and the cross-correlation function for the output signal Uy and for the supply voltage signal Uo is computed. Da das angewandte Speisespannungssignal Uo ein breites Leistungsspektrum aufweist, sind die stattfindenden zufälligen wärmespezifischen Störeinflußeffekte mit ihm unkorreliert und dadurch ist es möglich und sinnvoll, die modernen Werkzeuge der Korrelationsmeßtechnik heranzuziehen, um die thermischen Störauswirkungen bei der Ermittlung der Zeitkonstante T zu eliminieren. Since the applied supply voltage signal Uo has a broad spectrum, which take place random heat-specific Störeinflußeffekte are uncorrelated with it and thereby it is possible and useful to refer to the modern tools of Korrelationsmeßtechnik to eliminate the thermal Störauswirkungen in determining the time constant T. Hat man die beiden Korrelationsfunktionen ermittelt, ist die Gewichtsfunktion (Impulsantwort) des Sensors, mit Hilfe des Mikrorechners 32 bestimmbar und die Störeinflußeffekte haben keinen Einfluß auf das Ergebnis. If one has determined the two correlation functions, the weighting function (impulse response) of the sensor, determined with the aid of the microcomputer 32 and the Störeinflußeffekte have no influence on the result. Das Korrelationsverfahren ist im Buch von Wolfgang Wehrmann ua; The correlation method is among others in the book by Wolfgang Wehrmann; Korrelationstechnik; Correlation technique; Lexika-Verlag; Encyclopedias publishing; 1. Aufl. 1977; 1st edition 1,977th; S. 74-78, näher beschrieben. S. 74-78, described in more detail.

Die Gewichtsfunktion für den Sensor S2 ist aufgrund seiner Bauart eine Exponentialfunktion mit einem gleichartigen Verlauf wie die Gewichtsfunktion im 1. Verfahrensbeispiel. The weight function for the sensor S2 is by the design of an exponential function with a similar course as the weight function in the first process example. Deshalb kann ihre Auswertung und die rechnerische Berechnung der Zeitkonstante T des Sensors S2 in der Weise erfolgen, wie sie in diesem 1. Verfahrensbeispiel beschrieben ist. Therefore, their evaluation and the mathematical calculation of the time constant T of the sensor S2 can be done in such a way as described in this first method example.

Da die Wärmeübertragung vom Sensor an eine ruhende Umgebung, bei der Vernachlässigung der Strahlung, sich durch die reine Wärmeleitung ergibt, berechnet sich die zu bestimmende Wärmeleitfähigkeit λ des zu untersuchenden Stoffes aus der schon berechneten Zeitkonstante T zu der bekannten Gleichung: Since the heat transfer from the sensor to a static environment where the neglect of the radiation, this results by pure heat conduction, is to be determined thermal conductivity calculated λ of the to be tested substance from the already calculated time constant T to the known equation:

λ = R/T (1) λ = R / T (1)

worin der Faktor R eine durch Kalibriermessungen bestimmte Körperkonstante des Sensors ist, die von den Materialien und Abmessungen des Sensors abhängig ist. wherein the factor R is determined by calibration measurements of the sensor body constant which is dependent on the materials and dimensions of the sensor.

Testergebnisse des Sensors S1 in Verbindung mit dem Erdreich und des Sensors S2 in Verbindung mit einem Motoröl sind in Fig. 7 und Fig. 8 angezeigt, wobei der Kalibrierungsfaktor R schätzungsweise festgestellt wurde. Test results of the sensor S1 in conjunction with the soil and the sensor S2 in communication with an engine oil are shown in FIG. 7 and FIG. 8, wherein the calibration factor R estimated was detected.

Anhand einer bereits vorliegenden Vergleichstabelle mit den Wärmeleitfähigkeitswerten für den zu untersuchenden Stoff kann nun festgestellt werden, ob der geprüfte Stoff seinen Bestand so verändert hat, daß er noch weiter verwendungsfähig ist, gewechselt werden muß oder behandelt werden soll. Based on an already present comparative table showing the thermal conductivity values ​​for the substance to be tested can now be determined whether the tested substance has changed its stock so that it is even more usable form, has to be changed or to be treated.

Da der Sensor S1 bzw. S2 sich strikt in seinem dynamischen Verhalten als ein Meßglied 1. Ordnung verhält, kann auch, mit Hilfe der rechnerischen Einrichtung 25 unter Einbeziehung der Zeitkonstante T, seine dynamische Korrektur bei der dauerhaften Temperaturmessung vorgenommen werden und zwar nach der Vorschrift: die zu messende Temperatur des zu untersuchenden Stoffes ergibt sich, indem man zur gemessenen Temperatur das mit der aktuellen Zeitkonstante T des Sensors bewertete Differential der Temperatur addiert. Since the sensor S1 or S2 strictly behaves as a measuring member 1st order in its dynamic behavior can also, with the help of the computational device 25 including the time constant T, its dynamic correction be made in the permanent temperature measurement and that according to the rule : the measured temperature of the substance to be examined is obtained by adding the current with the time constant T of the sensor Reviewed differential temperature to the measured temperature. Damit kann die Erfindung zum dauerhaften, dynamisch korrigierten Temperaturmessen vorteilhaft verwendet werden. Thus the invention for permanent, dynamic corrected temperature measuring can be used to advantage.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die Erfindung eignet sich auch zur Ermittlung des Siedezustandes von Flüssigkeiten. Finally it should be noted that the invention is also suitable for determining to boiling point of liquids. Das Sieden in einer Flüssigkeit ist erreicht worden, wenn sie vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Boiling in a liquid has been achieved, when it passes from liquid to gaseous state. Die dabei erreichte Temperatur heißt Siedetemperatur und ist nicht nur von der Art der Flüssigkeit aber auch vom äußeren Druck abhängig. The temperature here reached boiling temperature and is not only on the nature of the liquid but also from external pressure dependent. Die Bestimmung der Stofftemperatur allein reicht deshalb nicht, um den Siedezustand der zu untersuchenden Flüssigkeit feststellen zu können. The determination of the fuel temperature alone is therefore not sufficient to determine the boiling state of the test liquid. Beim Sieden wird wesentlich höhere Gesamtwärmeleitfähigkeit für Leitung und Konvektion der zu untersuchenden Flüssigkeit erreicht und ist sie für die Ermittlung des Siedezustandes von ausschlaggebender Bedeutung. On boiling, considerably higher overall thermal conductivity for conduction and convection of the liquid to be examined is obtained and it is for determining to boiling point of decisive importance. Die nach der Erfindung ermittelte aktuelle Zeitkonstante T des direkt mit der zu siedenden Flüssigkeit in Berührung kommenden Sensors, kann zur rechnerischen Bestimmung der Gesamtwärmeleitfähigkeit dieser Flüssigkeit verwendet werden. The determined according to the invention current time constant T of the directly to the boiling liquid to come into contact sensor, can be used for the computational determination of the total heat conductivity of this liquid. Die zu bestimmende Gesamtwärmeleitfähigkeit λ g berechnet sich aus der Zeitkonstante T zu der oben genannten Gleichung (1) und auf der Basis der Feststellung der Veränderungen der Gesamtwärmeleitfähigkeit können Rückschlüsse auf den Siedezustand der zu untersuchenden Flüssigkeit gezogen werden. The total thermal conductivity λ g to be determined is calculated from the time constant T to the above equation (1) and on the basis of the determination of changes in overall thermal conductivity can be drawn conclusions as to the boiling state of the liquid to be examined. Damit ist die präzise Ermittlung des Siedens, beispielweise bei einem Destillationsverfahren, möglich. Thus, the precise determination of boiling, such as a distillation process, possible.

Claims (14)

1. Sensor für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von fließunfähigen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen, bestehend aus einem Trägerkörper und einer darauf angeordneten Meßwicklung einer die Selbstinduktion und Induktivität reduzierenden Wicklungsart, wobei die Meßwicklung aus einem metallenen, elektrisch isoliert angeordneten Widerstandsdraht besteht und über eine verstärkerlose Meßschaltung an eine lineare, mit einer rechnerischen Einrichtung zusammenwirkenden Speise- und Meßeinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsdraht ( 8 ) gleichmäßig in einem homogenen, für die Meßwicklung vorgesehenen, Einbettraum ( 9 ) auf einem, im Verhältnis zum Sensor, winzigen Trägerkörper ( 1 ) angeordnet ist, derart, daß das ganze Temperaturfeld des Sensors mit dem Widerstandsdraht ( 8 ) belegt wird sowie von der Abgrenzung des Sensors an ein, auf das Fließvermögen des zu untersuchenden Stoffes abgestimmter, Freiraum ( 1. Sensor for determining the thermal conductivity and / or temperature of fluid incompetent, liquid or gaseous substances, comprising a support body and having thereon a measuring winding of the self-induction and inductance reducing of winding, said sense winding of a metallic, electrically isolated arranged resistance wire is and is connected via a repeaterless measuring circuit to a linear, cooperating with a calculated means supply and measuring device, characterized in that the resistance wire (8) uniformly in a homogeneous, provided for the measuring winding, Einbettraum (9) on a, in relation to sensor tiny carrier body (1) is arranged such that the entire temperature field of the sensor with the resistance wire (8) is occupied, as well as the determination of the sensor to one, tuned to the fluidity of the to be tested substance clearance ( 10 ) für den zu untersuchenden Stoff vorgesehen ist. 10) is provided for the substance to be examined.
2. Sensor nach Anspruch 1 für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von dünnflüssigen oder gasförmigen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte, den Sensor umfassende Freiraum ( 10 ) in Form von mindestens einem Hohlraum mit Hilfe einer ihn umliegend angeordneten mechanischen Einrichtung ( 15 ) ausgebildet ist. Is 2. Sensor according to claim 1 for determining the thermal conductivity of thin liquid or gaseous substances, characterized in that the determined, comprehensive the sensor free space (10) in the form of at least one cavity by means of a surrounding arranged him mechanical means (15) formed ,
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Einrichtung ( 15 ) aus einem dünnwandigen offenen Zylinder ( 17 ) mit einer gelochten Endwand ( 18 ) besteht. 3. Sensor according to claim 2, characterized in that the mechanical means (15) consists of a thin-walled open cylinder (17) having a perforated end wall (18).
4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper ( 1 ) aus einem spulenförmiges Metallbauteil besteht und eine Wärmekapazität aufweist, die höchstens etwa 5% derjenigen des Sensors beträgt. 4. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier body (1) consists of a coil-shaped metal member and having a heat capacity which is at most about 5% of that of the sensor.
5. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturleitfähigkeit aller Aufbauelemente des Sensors ähnlich der Temperaturleitfähigkeit des Widerstandsdrahtes ( 8 ) ist. 5. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature conductivity of all the constituent elements of the sensor is similar to the thermal conductivity of the resistance wire (8).
6. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsdraht ein Kupferdraht ist. 6. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the resistance wire is a copper wire.
7. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsdraht ( 8 ) ein Doppelwiderstandsdraht ist, und daß jede Ader des Doppelwiderstandsdrahtes eine Halbwicklung ( 7 a, 7 b) der Meßwicklung ( 7 ) bildet. 7. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the resistance wire (8) is a double resistance wire, and that each strand of the double resistance wire a half-winding (7 a, 7 b) formed by the measuring coil (7).
8. Sensor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Adern des Doppelwiderstandsdrahtes gleiche, sehr dünne Widerstandsdrähte mit feinem Isolierüberzug sind. 8. Sensor according to claim 7 characterized in that the strands of the double resistance wire are same, very thin resistive wires with a fine insulating coating.
9. Verstärkerlose Meßschaltung ( 21 ) für den Sensor nach Anspruch 7, bestehend aus einer Wheatstone-Brücke, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich gegenüberliegende, die Meßwicklung ( 7 ) bildenden Brückenwiderstände jeweils aus den Halbwicklungen ( 7 a, 7 b) der Meßwicklung ( 7 ) bestehen, und daß die beiden anderen Brückenwiderstände ( 22 ) sich gleichende Festwiderstände sind. 9. amplifier lots measuring circuit (21) for the sensor according to claim 7, consisting of a Wheatstone bridge, characterized in that two mutually opposite, the measurement winding (7) forming the bridge resistors respectively from the half-windings (7 a, 7 b) of the measuring coil ( 7) are made, and that the other two bridge resistors (22) are the same end of fixed resistors.
10. Verstärkerlose Meßschaltung ( 21 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anfangsstellen ( 11 ) der Halbwicklungen ( 7 a, 7 b) an der selben Diagonalen der Wheatstone-Brücke gegenüberliegend elektrisch angeordnet sind. 10. amplifiers lots measuring circuit (21) according to claim 9, characterized in that the two top positions (11) of the half-windings (7 a, 7 b) are arranged on the same diagonal of the Wheatstone bridge opposite electrically.
11. Lineare Speise- und Meßeinrichtung für den Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, bestehend aus einer Speiseschaltung ( 29 ) zur elektrischen Speisung der verstärkungslosen Meßschaltung ( 21 ) und einer Verstärkerschaltung ( 27 ) zur Verstärkung des aus der verstärkungslosen Meßschaltung ( 21 ) eintreffenden Amplitudensignals Ul, dadurch gekennzeichnet, daß ein analoger Multiplizierer ( 28 ) für die Multiplikation des Ausgangssignals Uy der Verstärkerschaltung ( 27 ) mit dem Ausgangssignal Uo der Speiseschaltung ( 29 ) in den Gegenkopplungszweig der Verstärkerschaltung ( 27 ) angeordnet ist. 11. Linear supply and measuring device for the sensor according to at least one of claims 1 to 10, consisting of a power supply circuit (29) for the electrical supply of the gain without measuring circuit (21) and an amplifier circuit (27) for amplifying the (from the gain-less measuring circuit 21 ) incoming amplitude signal Ul, characterized in that an analog multiplier (28) for multiplying the output signal Uy of the amplifier circuit (27) with the output signal Uo of the feed circuit (29) is arranged in the negative feedback branch of the amplifier circuit (27).
12. Verfahren zum Anregen eines Sensors nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: 12. A method for exciting a sensor according to at least one of claims 1 to 8, characterized by the following process steps:
  • 1) daß die Elektrospeisung der verstärkerlosen Meßschaltung ( 21 ) konstant gehalten wird, wobei die konstante Amplitude des Elektrospeisesignals (Initialwert) derart vorbestimmt ist, daß die in der stromdurchflossenen Meßwicklung ( 7 ) entstehende elektrothermische Leistung einen geringen Wert aufweist. 1) that the electric power supply of the amplifier non-measuring circuit (21) is kept constant, wherein the constant amplitude of the electric supply signal (initial value) is predetermined such that the (in the current flowing through the measuring winding 7) resulting electrothermal power has a small value.
  • 2) daß die Elektrospeisung der verstärkerlosen Meßschaltung ( 21 ) maßgebend für einen Übertragungsverhaltenstest geändert wird, wobei die Amplitude des Elektrospeisesignals und sein zeitlicher Verlauf derart vorbestimmt werden, daß der Sensor, während dieses Verfahrensschrittes, aufgrund der in der stromdurchflossenen Meßwicklung ( 7 ) entstehenden elektrothermischen Leistung bis maximal unterhalb der Temperatur, die eine merkliche natürliche Konvektion des Gas- oder Flüssigkeitsanteils des im Freiraum 10 befindlichen zu untersuchenden Stoffes verursachen kann, erwärmt wird, und daß keine Erwärmung des Stoffes außerhalb des bestimmten Freiraumes 10, während dieses Verfahrensschrittes, stattfinden kann. 2) that the electric power supply of the amplifier non-measuring circuit (21) is governed changed for a transmission behavior test in which the amplitude of the electric supply signal and its time course be predetermined such that the sensor electrothermal during this method step, due to the (in the current flowing through the measuring winding 7) resulting power up to below the temperature which can cause a noticeable natural convection of the gas or liquid content of the located in the free space 10 to be examined, the substance is heated, and that no heating of the substance outside the specified open space 10, may take place during this process step.
13. Verfahren nach Anspruch 12 Schritt 2, insbesondere für dickflüssige und fließunfähige Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrospeisung der verstärkerlosen Meßschaltung ( 21 ) in Form eines einziges Speisespannungsimpulses erfolgt. 13. The method of claim 12 Step 2, in particular for viscous flow and incapable of substances, characterized in that the electric feeding of the repeaterless measuring circuit (21) takes the form of a single supply voltage pulse.
14. Verfahren nach Anspruch 12 Schritt 2, insbesondere für dünnflüssige und gasförmige Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrospeisung der verstärkerlosen Meßschaltung ( 21 ) in Form von rechteckigen Speisespannungsimpulsen mit einer konstanten Amplitude und in einer pseudozufälligen Sequenz mit kurzer Taktzeit erfolgt. 14. The method of claim 12 Step 2, in particular for liquid and gaseous substances, characterized in that the electric feeding of the repeaterless measuring circuit (21) in the form of rectangular supply voltage pulses having a constant amplitude and a pseudo-random sequence is carried out with a short cycle time.
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