DE2229464B2 - Schaltungsanordnung zum Feststellen der Wärmeleitfähigkeit eines schließfähigen Mediums - Google Patents

Description

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

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art liegen die beiden Fühlerwiderstandselemente in benachbarten Brückenzweigen in Reihe mit Potentiometerwiderständen. Ein automatischer Brückenabgleich ist nicht vorgesehen, so daß diese Brückenschaltung den heutigen Anforderungen an Genauigkeit und Schnelligkeit der Verfügbarkeit des Meßergebnisses nicht genügt (deutsche Patentschrift 581800).

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

Ein bekannter Widerstand/Strom-Meßumformer arbeitet mit einer Brückenschaltung mit einem Temperaturfühlerwiderstand, der ein Gleichstromverstärker nachgeschaltet ist, dessen Ausgang auf die Brükkenschaltung rückgekoppelt wird. Der Gleichstromverstärker wirkt als veränderliche Impedanz, vobei die Schaltung so getroffen ist, daß bei einer räumlich getrennten Anordnung von Wcchselstromquelle und Last einerseits sowie Verstärker und Fühlerwiderstand andererseits die sonst erforderlichen zusätzlichen Verbindungsleitungen zur Last entfallen. Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eines fließfähigen

Mediums ist diese Schaltung nicht bestimmt (deutsche Auslegeschrift 1805 918).

Bei einer weiteren elektrischen Brückenschaltung mit Verstärker zur Verwendung als Meßumformer, insbesondere für Temperaturen, führt der Verstärker

ίο einen Strom in die Brückenschaltung zurüac, um diese abzugleichen (deutsche Auslegeschrift 1272009).

Darüber hinaus ist ein Wandlersystem bekannt, bei dem einer Widerstandsbrücke ein Differenzverstärker nachgeschaltet ist, dessen Ausgang das Ausgangssi-

gnal des Systems liefert, das zugleich über einen Rückkopplungswiderstand zur Brückenschaltung rückgekoppelt wird. Dieser Rückkopplung kommt die Aufgabe zu, der Brückenschaltung eine Kompensationsspannung zuzuführen, mit deren Hiiie die Nicht-

linearität des Ausganges der Brückenschaltung kompensiert werden soll (USA.-Patentschrift 3 568 044). Eine weitere bekannte Schaltung zum Kalibrieren von Thermistoren zeigt eine Rückkopplung des Ausganges einer Brückenschaltung über einen Verstärker

auf den Eingang der Brückenschaltung (USA.-Patentschrift 3 377 554).

Bei einer ähnlichen bekannten Schaltung kommt der Rückkopplung die Aufgabe zu, den Brückenausgang zu linearisieren (USA.-Patentschrift 3 148 339).

Ferner ist ein derartiges System bekannt, das eine positive Rückkopplung verwendet und den Brükkenstrom konstant hält (britische Patentschrift 1 110 943).

Bei einer weiteren bekannten Brückenschaltung wird durch Spannungskompensation automatisch ein Null-Auseang erhalten (französische Patentschrift 14618831.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, die ein schnelles und genaues Erfassen der Wärmeleitfähigkeit eines fließfähigen Mediums zuläßt und deren Ausgangssignal durch Änderungen der Umgebungsbedingungen nicht beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

5f Anspruch 1 gekennzeichnete Schaltungsanordnung gelöst.

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

Kompensation yon das Meßergebnis verfälschenden Einflüssen erweisen sich beispielsweise die Ergebnisse von Gaschromatographen unvermeidbar als weniger zuverlässig. Derartige Anjagen können daher in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Schaltungsan- 5 Ordnung mit höherem Nutzeffekt betrieben werden, was die Kosten der durchzuführenden Verfahren senkt. Wenn man sich vergegenwärtigt, daß die Prozeßsteuerung in modernen Industrieanlagen von primärer Bedeutung ist und schon geringe Abweichun- «» gen von der optimalen Steuerung, verursacht durch ungenaue Information von Analysiersystemen, beträchtliche Mehrkosten begründen, wird deutlich, daß mit der erfindungsgemäß erreichten höheren Genauigkeit von Analyseergebnissen, die auf der Gas-Chromatographie beruhen, ein beträchtlicher technischer Fortschritt verknüpft ist.

Vorteilhaft ist die Bezugsbrückenschaltung der Brückenschaitung parallel geschaltet. Auf diese Weise können die beiden nur feste Widerstände aufweisenden Zweige der Brückenschaltungen zu einem einzigen Zweig zusammengefaßt werden

Die erfindungsgemäßv. Schallungsanordnung wird vorzugsweise in einer Vorrichtung zum Nachweis von Veränderungen der Zusammensetzung eines Gas- *5 stromes, die durch Änderungen seiner thermischen Leitfähigkeit gekennzeichnet sind, verwendet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeigt, näher erläutert.

In der Zeichnung sind zwei Wheatstonesche Brükkenschaltungsanordnungen gezeigt, die »rückseitig« miteinander verbunden sind, wobei die eine als Wärmeleitfähigkeits-Brückenschaltung und die andere als Bezugsbrückenschaltung wirkt.

R_x, R₇ und Ry sind feste Widerstände. R₄ ist ein Fühlerwiderstandselement, das sich in dem Gasstrom befinuet, dessen thermische Leitfähigkeit gemessen wird. Die Widerstände Zi₁ bis A₄ bilden die Wärmeleitfähigkeits-Brückenschaltung. Ein fester Widerstand Λ, und veränderbare Widerstände R_b und R₁ tragen zum Justieren dieser Brückenschaltung bei. Mit den Ausgangsklemmen 2 und 3 der Wärmeleitfähigkeits-Brücker.schaltung ist oin Verstärker 1 verbunden, der eine Energiequelle enthält.

Die Widerstände R₂. R_i und R_s sind feste Widerstände und bilden zusammen mit einem Fühlerwiderstandselement Ä, die Bezugsbrückenschaltung. Das Fühlerwiderstandselement R₁, liegt in einem Gasstrom konstanter Zusammensetzung, beispielsweise in einem reinen Gas, und besitzt die gleichen elektrischen und physikalischen Eigenschaften wie das Fühlerwiderstandselement R_r Ein Verstärker 4, der eine Energiequelle, beispielsweise in Form einer Verbindung mit Versorgungsleitungen besitzt, ist über die Ausgangsklemmen 3 und 5 der Bezugsbrückenschaltung angeschlossen. Um ein Variieren des Stromes zu ermöglichen, der der Brückenschaltung vom Verstärker 4 her zugeführt wird, ist ein variabler Widerstand R_xa vorgesehen.

Jm Betrieb funktionieren die Warmeleitfähigkeits-Brückenschaltung und die Bezugsbrückenschaltung in ähnlicher Weise, wobei die Bezugsbrückenschaltung dazu dient, die Auswirkungen von Änderungen der Umgebungs- und Hintergrundbedingungen auf die Wörmeleitfähigkeits-Brückensehaltung zu

kompensieren.

Wenn sich die Wärmeleitfähigkeit des über den Widerstand R₄strömenden Gases ändert, wird ei,) Si₅nal erzeugt, das zum Verstärker 1 gelangt. Der Verstärker spricht auf dieses Signal an und erzeugt einen Gegenkopplungsstrom, welcher dem Signal proportional ist und über die Verbindungsleitungen 6 und 7 der Wärmeleitfähigkeits-Brückenschaltung zugeführt wird. Die festen Widerstände A₁, und R₁₂ dienen dazu, daß der Gegenkopplungsstrom in den Brückenzweigen eine Spannung erzeugt, so daß das Brückengleichgewicht wieder hergestellt wird und der Widerstand R. seinen ursprünglichen Wert wieder annimmt. Falls sich zu irgendeiner Zeit die Umgebungsbedingungen ändern, ändert der Widerstand A₉ seinen Wert, so daß ein Signal erzeugt wird, das zum Verstärker 4 gelangt. In Abhängigkeit von diesem Signal verändert der Verstärker 4 den Strom, der von d?r Energiequelle ι über die Verbindungsleitungen 8 und 9 der Brückenichaltungzugeführt wird, bis die Brücke ihr Gleichgewicht wieder erlangt und R₉ auf seinen ursprünglichen Wert zurückkehrt.

Die Werte der Widerstände R₄ und R₉ und die Spannungseingangssignale zu den beiden Verstärkern werden dadurch im wesentlichen konstant gehalten, wobei die Stromgegenkopplung vom Verstärker 1 ein Maß für die thermische Leitfähigkeit des Gases darstellt.

Die Widerstände der beschriebenen Schaltungsanordnung können beispielsweise folgende Werte besitzen (alle Werte in Ohm): R₁ = 56; R₂ = R₁ = 56; R_A ~ R₉ = 30 (bei Umgebungstemperatur); R₅ = 2700; R₆ = 2500; R₇ = 5: R₈ = 56; R₁₀ = Ϊ00:

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung spricht auf Änderungen der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Mediums vergleichsweise schnell an, da thermische Trägheitseffekte infolge des Erwärmens und Abkühlens von Nachweiselementen wie bei bekannten Systemen vollständig entfallen.

Bei gaschromatographischen Arbeiten erlaubt die Erfindung ein rascheres Rückkehren zur Grundlinie nach der Eluierung eines Gases über das Fühlerwiderstandseleuient, weil die Temperatur des Fühlerwiderstandselements während des Eluierens wegen der Konstanz seines Widerstandes unverändert bleibt. Dies gewährleistet eine verbesserte Zerlegung gegenüber herkömmlichen Methoden, wo e>ne gewisse Zerlegung dadurch verlorengeht, daß sich die Temperatur der Nachweiselemente während des Arbeitens verändert.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Feststellen der Wärmeleitfähigkeit eines fließfähigen Mediums mit einer Brückenschaltungsanordnung, die ein einem Strom des fließfähigen Mediums ausgesetztes Fühlerwiderstandselement und ein unter denselben Umgebungsbedingungen einem Strom eines fließfähigen Mediums konstanter Zusammensetzung ausgesetztes weiteres Fühlerwiderstandselement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brückenschaltung in an sich bekannter Weise mit einem Verstärker (1) gekoppelt ist, der auf den Grad einer Verstimmung des Brückengleichgewichts anspricht und dessen Ausgang zur Wiederherstellung des Brückengleichgewichts auf die Brückenschaltung rückgekoppelt ist, daß als Rückkopplung eine als Maß für die Wärmeleitfähigkeit ausgewertete Stromgegenkopplung in der Weise vorgesehen ist, daß der Widerstandswert der Fiihlerwiderstandselemente (A₄) im wesentlichen konstant bleibt, und daß die Brückenschaltung elektrisch mit ein»r ähnlich aufgebauten Bezugsbrückenschaltung verbunden ist, die das weitere Fühlerwiderstandselement (R₉) aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsbrückenschaltung dei Brückenschaltung parallel geschaltet ist.

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