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Einrichtung zur Durchflußiessung und/oder Wärieleitfähigkeitsmessung
und/oder Messung der spezifischen Wärme bzw. zur Gasanalyse.
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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Durchflußmessung und/ oder
Wärmeleitiähigkeitsmessung und/oder zur Messung der spezifischen Wärme bzw. zur
Gasanalyse mittels mindestens eines in oder nahe einer Gasströmung angeordneten,
temperaturabhängigen Widerstandes.
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Es ist bekannt, Gas- oder Flüssigkeitsströmungen mittels im allgemeinden
durch elektrische Energie erwärmter oder gekühlter temperaturabhängiger Widerstände
zu messen. Die Meßwiderstände können Heißleiter, z. B. keramische Heißleiter oder
andere temperaturabhängige Halbleiter sowie temperaturabhängige, in Sperrriohtung
betriebene p-n-Übergänge von Dioden sein. Ebenso können als Meßwiderstände Kaltleiter,
vorzugsweise metallische Hitzdrähte oder auch keramische Halbleiter als Kaltleiter,
verwendet werden.
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In der Regel wird der als Meßwertautnehmer dienende Meßwiderstand
als Zweig einer Wheatstone'schen Brüoke angeordnet. Die
Betriebsspannung
der Brücke wird so gewählt, daß sich der Meßwiderstand auf eine passende Temperatur
aufheizt. Man kann den Meßwiderstand auch mittels einer Konstantstroiquelle oder
induktiv oder durch Bestrahlung aufheizen. Soll die oft beträchtliche Anzeigeverzögerung
vermieden werden, die durch die thermische Zeitkonstante des Meßwiderstandes verursacht
ist, so kann letzterer entgegen der Erwärmungs- bzw. Kühlwirkung einer zu untersuchenden
Strömung auf konstante Temperatur geregelt werden. Die hierzu erforderliche Leistung
ist dann ein Maß iür die gesuchte Ströinungsgeschwindigkeit, wobei eine Anzeigekonstante
erreicht werden kann, die gegenüber den Verhältnissen bei einfacher Widerstandsmessung
um einige Zehnerpotenzen kleiner ist.
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Wird die Betriebsspannung der den Meßwiderstand enthaltenden Wheatstone'schen
Brücke automatisch so geregelt, daß die Brücke immer abgeglichen ist, der Meßwiderstand
also stets konstante Temperatur behält, so ist die jeweilige Betriebsspannung, bezogen
auf eine Bezugsspannung, ein Maß für die Wärieabfuhr am Meßwiderstand. Grundsätzlich
ist festzustellen, daß diese Wärmeabiuhr abhängig ist von a) der Wärmeableitung
durch die Zuführungsdrähte zum Meßwiderstand, b) der Temperaturdifferenz zwischenMeßwiderstand
und Umgebungstemperatur, o) dem Temperaturgradienten zu einer umgebenden Ka er-oder
Kanalwand, ialls der Meßwiderstand in eine Meßkammer oder eine Bohrung eingebaut
ist, d) der Wärmeabstrahlung, e) der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Gases
oder der zu untersuchenden Flüssigkeit und i) dem Wärmeabtransport durch die Strömung
des zu untersuchenden Mediums.
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Die unter e) und/oder i) genannten Einflußgrößen stellen in der Regel
die zu messenden Größen dar.
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Durch die Erfindung soll nun die Aufgabe gelöst werden, bei Einrichtungen
der eingangs angegebenen Art unter Beibehaltung eines sehr einfachen Auibaus Störeinflüsse
auf das interessierende Meßergebnis auszuschalten und die Anzeigeverzögerungen zu
verringern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens
zwei teiperaturabhängige Widerstände vorgesehen sind, die einer Meßschaltung zugeordnet
sind und daß mittels einer Subtraktionsschaltung die an den Meßwiderständen anstehenden
Spannungen bzw. diesen entsprechende Spannungen voneinander abziehbar sind.
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Nachdem Störeinflüsse auf das gewünschte Meßergebnis an den temperaturabhängigen
Widerständen jeweils mit gleichem Vorzeichen auftreten, während die zu messenden
Bedingungen an den temperaturabhängigen Widerständen entweder aufgrund der Anordnung
derselben oder wegen einer Richtungsabhängigkeit der betreffenden Bedingung Einflüsse
nit unterschiedlichem Vorzeichen verursachen, heben sich die unerwünschten Einflüsse
bei der Difierenzbildung auf, während sich die interessierenden Einflußgrößen im
Meßergebnis addieren.
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Gemäß einer Ausiührungsior der Erfindung sind zwei bzw. je zwei teiperaturabhängige
Widerstände in einer Strömung unmittelbar hintereinander angeordnet, derart, daß
von dem einen teiperaturabhängigen Widerstand erwärmtes oder gekühltes Strömungsmsdiur
den anderen teiperaturabhängigen Widerstand anströmt. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung
ii einzelnen wird weiter unten noch genauer untersucht und erläutert.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist einer bzw.
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je einer der beiden bzw. je zweier temperaturabhängiger Widerstände
in einer Vergleichsumgebung angeordnet, in welcher sich ein Vergleichsmediui befindet
oder welche von einem Vergleichsmedium durchströmt ist. Es kann sich auch um ein
Vergleichsvakuui handeln.
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Durch Verwendung sowohl der Austührungsform der erstgenannten Art
als auch der an zweiter Steile genannten Ausführungsform in einer einzigen Apparatur
unter Kombination der Meßergebnisse können beispielsweise ein Durchfluß unabhängig
von der jeweiligen Wärmeleitfähigkeit oder ein Durchfluß einer bestimmten Mischungskomponente
eines Strömungsmittels unabhängig von Gesamt-Durchflußschwankungen oder Potenzschwankungen
der gesuchten Mischungskomponente ermittelt werden, woraui ebenfalls noch weiter
eingegangen werden wird.
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Ein sehr wichtiges Anwendungegebiet der Erfindung ist die Diohteprüfung.
Vorliegend werden Dichteprüfanlagen angegeben, welche die Meßzeiten außerordentlich
verkürzen, den Aufbau vereinfachen und die Genauigkeit des Meßergebnisses gegenüber
bekannten Einrichtungen verbessern.
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Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Einrichtung Gegenstand der anliegenden Patentansprüche.
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Eine Reihe von Ausführungsbeispielen wird nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar: Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild
einer Einrichtung zur Durchilußmessung und/oder zur Wärmeleitfähigkeitsmessung und/oder
zur Messung der spezifischen Wärme bzw. zur Gasanalyse, Figur 2 eine schematisohe,
vergrößerte Teildarstellung eines Meßwertaufnehmers mit zwei temperaturabhängigen
Widerständen,
in vorliegenden Falle in der Gestalt von Heißleiterperlen, Figur 3 eine graphische
Darstellung, in welcher die Betriebsspannung einer eine einzelne Heißleiterperle
enthaltenden Brückenschaltung in mV über einer Gasströmung ml/min. aufgetragen ist,
Figur 4 eine Figur 3 entsprechende Darstellung, wobei jedoch die Brückenschaltung
zwei in Strömungsrichtung unmittelbar hintereinander angeordnete temperaturabhängige
Widerstände entsprechend der Darstellung nach Figur 2 enthält, Figuren schematische
Darstellungen von einzelnen Heiß-5 bis 5c leiterperlen bzw. von Paaren von Heißleiterperlen
mit umgebenden Isothermen, Figur 6 drei Paare von Heißleiterperlen, welche entsprechend
den Koordinaten eines rechtwinkeligen Koordinatensystems ausgerichtet sind, um Strömungskomponenten
in den drei Achsenrichtungen zu ermitteln, Figur 7 eine Figur 2 entsprechende Teildarstellung
im Schnitt mit temperaturabhängigen Widerständen in Wendeliorm, Figuren eine sohaubildliohe
Darstellung bzw. eine 8a u. 8b Schnittdarstellung einer Figur 7 entsprechenden,
praktischen Ausfuhrungsforin eines Meßwertaufnehmers mit zwei temperaturabhängigen
Widerständen, Figur 9 eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung mit zwei in
Strömungsrichtung hintereinander angeordneten, temperaturabhängigen Widerständen
in Form von Heißleiterperlen sowie mit einem Überlastungs-Sicherheitsventil,
Figuren
schematische Darstellungen von Meßwertauf-0a u lOb nehnern gemäß einer anderen Ausiührungsform,
bei welcher einer der temperaturabhängigen Widerstände in einer Vergleichsumgebung
angeordnet ist, Figuren sohematische Abbildungen von MeBwertauinehli bis iic mern
zur Wärmeleitfähigkeitsmessung, wobei ebenfalls einer der temperaturabhängigen Widerstände
sich in einer Vergleichsumgebung befindet, Figur 12 eine Einrichtung zur Durchflußmessung
und zur Wärmeleitfähigkeitsmessung sowie zur Ermittlung der spezifischen Wärme durch
Modulation der Meßgasströmung, Figur 13 ein schematisches Schaltbild einer Verstärkeranordnung
und einer Subtraktionsschaltung für Einrichtungen nach der Erfindung, Figur 14 eine
Einrichtung zur Sauerstoff-Durchflußmessung, wobei einer Strömung des zu untersuchenden
Gases eine Wechsel-Strömung des Sauerstoffs durch Ausnützen der paramaknstischen
Eigenschaft des Sauerstoffs überlagert wird, Figur 15 eine schematische Abbildung
einer Dichteprüfeinrichtung und Figuren weitere schematische Darstellungen von Diohte-16
und 17 prüieinrichtungen nach der Erfindung.
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Figur 1 zeigt zwei temperaturabhängige Widerstände 1 und 2, gegebenenfalls
mit zugehörigen Meßschaltungen oder Brückenschaltungen und Verstärkern sowie eine
Subtraktionsschaltung 3, deren Ausgang an eine Anzeigevorrichtung 4 angeschlossen
ist. Jeder der temperaturabhängigen Widerstände kann gemäß Figur 2 von
je
einer Heißleiterperle 5 bzw. 6 gebildet sein, welche innerhalb eines Strömungskanales
7, beispielsweise innerhalb eines Rohres von kreisförmigen querschnitt in Richtung
einer Gasströmung fluchtend hintereinander angeordnet sind.
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Betrachtet man Figur 3, so erkennt man, daß die Eichkurve einer Durchflußmessung
oder einer Strönungsgeschwindigkeitsmessung im freien Raum, etwa mit einer einzelnen
Heißleiterperle nach Figur 2 unter Annahme konstanter Einflüsse nach den oben angeführten
Punkten a) bis e) etwa einer Parabel folgt. Zur Aufnahme der Eichkurve nach Figur
3 wurde eine Heißleiterperle von etwa 0,3 mm Durchmesser verwendet, die in einem
Meßkanal von 1 mm Durchmesser angeordnet war. Man erkennt, daß erst oberhalb einer
Strömung, in vorliegenden Falle einer Luftströmung, von 1 sl/min.
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bis 2 nl/ain. der Durchiluß ohne Schwierigkeiten gemessen werden kann,
wobei allerdings keine Information bezüglich der Strömungsrichtung erhalten wird,
das Meßergebnis also richtungszweideutig ist.
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Verwendet man jedoch eine Anordnung gemäß Figur 2, so ergibt sich
eine Eichkurve nach Figur 4, welche geradlinig durch den Nullpunkt geht und in Bereich
von etwa i 10 ml/min. nahezu linear verläuft. Durchflüsse von 0,01 nl/min. lassen
sich noch ohne Schwierigkeiten messen. Eine Information über die Strömungsrichtung
erhält man aus den Vorzeichen der Brückenbetriebsspannung.
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Es sei bemerkt, daß der gegenseitige Abstand der temperaturabhängigen
Widerstände für die Funktionsweise nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist. Die
besten Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn der Abstand der Meßwiderstände in
der gleiohen Größenordnung liegt wie der Meßwiderstandsdurchmesser.
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Für die etwa parabolische Gestalt der Eichkurve nach Figur 3, welche
zeigt, daß in Nullpunktsnähe bei geringen Gasgeschwindigketten
nahezu
kein Meßwertausgang erhalten wird, läßt sich folgende Erklärung geben: Der erhitzte
temperaturabhängige Widerstand erwärmt das Gas in seiner Umgebung, ohne daß eine
Strömung auftritt, so daß die Isothermen die Gestalt zueinander konzentrischer Kugeln
um die hier als Beispiel gewählte Heißleiterperle besitzen. Die Wärmeabfuhr durch
Wärmeleitung in dem umgebenden Gas kann auch als Diffusionsgeschwindigkeit des wärmeren
Gases entsprechend der Temperaturleitzahl betrachtet werden. Tritt nun eine sehr
geringe Gasströmung hinzu, so treten diese Gasströmung mit der Diffusionsgeschwindigkeit
der erwärmten Gasmoleküle in Konkurrenz, wobei im Falle geringer Strömungsgeschwindigkeiten
die heißen Gasmoleküle gegen die Strömung andiffundieren können. Es ergibt sich
dann gegenüber der Darstellung nach Figur 5 eine exzentrische Verschiebung der kugelförmig
bleibenden Isothermen, wie in Figur 5a gezeigt. Die exzentrische Verschiebung der
kugelförmig bleibenden Isothermen gemäß Figur 5a bewirkt keine wesentliche Veränderung
der Wärmeabfuhr vom temperaturabhängigen Widerstand, da einer Vergrößerung des Temperaturgradienten
entgegen der Strömung eine Verkleinerung des Temperaturgradienten in Strönungsrichtung
gegenübersteht, während quer zur Strömungsrichtung die Temperaturgradienten im wesentlichen
gleich bleiben.
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Während die Gestalt der Isothermen um ein Paar von Heißleiterperlen
gemäß Figur 5b symmetrisch ist, erhalten bei Auftreten einer geringen Gasströmung
v die Isothermen gemäß Figur 5c etwa Birnenforin und man erkennt, daß an einer Heißleiterperle,
nämlioh der von der Gasströmung zuerst getroffenen Heißleiterperle bezogen auf einen
verhältnismäßig großen Raumwinkel eine Vergrößerung des Tenperaturgradienten stattfindet,
während an der anderen Heißleiterperle, ebenfalls innerhalb eines großen Raumwinkels,
eine Verringerung der Temperaturgradienten stattfindet.
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Die entsprechenden Meßschaltungsausgänge lieiern dann aufgrund dieser
Erscheinung nach Durchgang durch die Subtraktionsschaltung
die
in Figur 4 gezeigte Eichkurve.
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Es findet also ein Wärme transport von einem Meßwiderstand zum anderen
statt. Die Differenz beider Wärneableitungen hängt in ihrer Polarität von der Strömungsrichtung
ab und demgemäß lieinert die Eichkurve nach Figur 4 durch das Spannungsvorzeichen
die Information über die Strömungsrichtung. Es sei noch bemerkt, daß man bei geeigneter
Gestaltung des Meßwiderstandspaares bei schräger Anströmung die Komponente der Strömung
in Achsenrichtung mit einen einzelnen Meßwiderstandspaar ermitteln kann.
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Wie oben schon angedeutet, ist es ein außerordentlich großer Vorteil
der Verwendung der Differenz u1 - u2 als Meßwert, daß sich außer des Einflusses
der gesuchten Strömung alle anderen Einflußgrößen der oben aufgeführten Punkte a
bis e in der Diiferenz aufheben. Soweit aufgrund von Fertigungstoleranzen eine vollständige
Aufhebung der nicht interessierenden Größen nicht möglich ist, können in einem Meßverstärker
durch entsprechende Justierglieder die entsprechenden Störeinflüsse noch beseitigt
werden. Entsprechendes gilt für den Fall, daß die temperaturabhängigen Widerstände
nicht in Strömungsrichtung hintereinander, sondern so angeordnet sind, daß beispielsweise
ein Vakuum oder eine Wärmeleitfähigkeit oder eine spezifische Wärme gemessen werden
kann, woraui weiter unten noch eingegangen werden wird.
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Es sei noch bemerkt, daß der Wärmeabtransport durch Strömung sich
aus den Produkt des Massenvorbeiflusses in der Zeiteinheit und der spezifischen
Wärme zusammengesetzt. Bleibt die speziiieohe Wärme konstant, so ist die oben genannte
Spannungsdifferenz u1 - u2 das Maß iür die Strömungsgeschwindigkeit. Umgekehrt kann
bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit aus der erwähnten Spannungsdifferenz die
spezifische Wärme des strömenden Mediums ermittelt werden. Als bekannte Strömung
kann ein konstanter Strönungsnittelstron oder ein Strömungsmittel-Wechselstrom dienen,
was ebenfalls weiter unten noch ausgeführt wird.
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Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeitskomponenten in den drei
Richtungen eines rechtwinkeligen Koordinatensystems können gemäß Figur 6 insgesamt
drei in den Koordinatenrichtungen ausgerichtete Paare 8, 9 und 10 von tenperaturabhängigen
Widerständen, beispielsweise von Heißleiterperlen, eingesetzt werden. Jedes einzelne
Paar von Heißleiterperlen entspricht in seinem Aufbau und in der Wirkungsweise im
wesentlichen der Anordnung geräß Figur 2. Aui die Auswahl einer bestimmten gegenseitigen
Anordnung der Heißleiterperlen innerhalb jedes Paares zur Bestimmung der Strömungskomponente
in Achsenrichtung wurde zuvor schon kurz hingewiesen.
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Figur 7 zeigt eine Figur 2 im wesentlichen entsprechende Anordnung,
bei der die temperaturabhängigen Widerstände 11 und 12 von Wendeln gebildet sind,
die innerhalb eines in Querschnitt rechteckigen und der Gestalt der Wendeln angepaßten
Strömungskanals 13 angeordnet sind. Anstelle der Wendeln können auch gestreckte
Hitzdrähte in den Strönungskanal 13 eingesetzt sein.
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Eine praktische Ausiührungsior des in Figur 7 gezeigten Meßwertauinehxers
ist aus den Figuren 8a und 8b ersichtlich0 Der als Blendenöffnung einer Platte 14
vorgesehene Strönungskanal hat im Querschnitt die Gestalt eines hohen, langgestreckten
Sechsecks. Die Vorderseite und die Hinterseite der Platte 14 sind in der aus Figur
8a ersichtlichen Weise mit einer streitenartigen Metallisierung 15 versehen, mit
welcher bei 16 jeweils die Enden von Anschlußdrähten zu den gewendelten temperaturabhängigen
Widerständen 17 und 18 verlötet sind. Die Anschludrähte zu den Wendeln 17 und 18
sind in der Oberkante und der Unterkante des im querschnitt sechseckigen Strömungskanals
der Platte 14 derart geführt, daß beim Einsetzen der Wendeln 17 und 18 diese in
Strömungsrichtung genau fluchtend geführt und Sehaltert sind. Die Platte 14 ist
zwischen Zuleitun6s- und Ableitungsanschlüssen 19 und 20 vermittels Flanschen 21
bzw. 22 eingespannt, wobei ein dichter Abschluß durch Verwendung eines Kunstharzklebers
erzielt wird. Der Kunstharzkleber verhindert auch
eine Beschädigung
der Metallisierung 15 oder der Zuleitungen zu den temperaturabhängigen Widerständen
beim Zusammenspannen der Anschlüsse 19 und 20. Durch Anbringen einer Ringnut 23
in den Stirnflächen der Flanschen 21 bzw. 22 wird vermieden, daß Kunstharzkleber
in den Bereich der Strömungskanäle eindringt, wenn die Bauteile zusammengespannt
werden.
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Um sofort nach dem Einschalten der Meßeinrichtung oder sofort nach
einer extremen Uberschreitung des Meßbereichs die kurze Anzeige-Zeitkonstante in
der Größenordnung von Millisekunden zur Verfügung zu haben, ist es wichtig, daß
die Wand des Strömungskanals 13 bzw. die Platte 14 eine hinreichend große Wärmeleitfähigkeit
besitzt. In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 9 besteht daher die den Strönungskanal
24 enthaltende Platte 25 aus Aluminium, welches durch Eloxieren elektrisch isolierend
gemacht worden ist, so daß die Zuleitungen zu den temperaturabhängigen Widerständen,
im vorliegenden Falle zu den Heißleiterperlen 26 und 27 gegenüber der Aluminium
der Platte 25 isoliert sind. Die Platte 25 mit den daran angebrachten Heißleiterperlen
26 und 27 wird wieder zwischen Anschlüsse 28 und 29 eingespannt, wie im wesentlichen
im Zusammenhang mit der Beschreibung von Figur 8a ausgeführt wurde. Bei der Einrichtung
nach Figur 9 ist jedoch in dem Anschluß 29 noch ein zweiseitig wirkendes Sicherheits-Kugelventil
vorgesehen, das in der horizontalen Ruhe lage in beiden Richtungen eine geringe
Strömung irei passieren läßt, jedoch bei hohen Strösungsgesohwindigkeiten mittels
der Ventilkugel 30 abschließt, so daß die Heißleiterperlen 26 und 27 und die empfindlichen
Zuleitungsdrähte vor Beschädigung geschützt werden. Selbstverständlich lassen sich
auch andere Uberlastsicherungen für die tenperaturabhängigen Widerstände vorsehen.
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Es sei noch bemerkt, daß der Träger für die tesperaturabhängigen Widerstände
auch aus anderen Metallen anstelle von Aluminium oder aus Oxidkeranik bestehen kann,
wobei eine oberflächliche Isolierung durch oberilächlige Bildung von Oxiden und
Nitriden
und dergleichen (im Falle von Metallträgern) oder durch
Aufdampfen isolierender Schichten, wie Siliziumoxid, oder durch Sunststoffbeschichtung
erreicht werden kann. Eine weitere Aufgabe des zuvor erwähnten Kunststofiklebers
zwischen den zusammenzuspannenden Bauteilen besteht darin, einen Kurzschluß der
Zuleitungsdrähte zu den temperaturabhängigen Widerständen zu verhindern, wenn es
sich bei den Anschlüssen 19 und 20 bzw. 28 und 29 um metallische Bauteile handelt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur iOa ist ein einzelner temperaturabhängiger
Widerstand in Form einer Heißleiterperle 31 innerhalb eines Kanales 32 angeordnet,
durch welchen der Strom eines zu untersuchenden Mediums I geleitet wird, während
eine ganz entsprechend ausgebildete Heißleiterperle 33 sich in einem Strönungskanal
34 befindet, durch welchen eine Vergleichsströmung II mit bekannten Eigenschaften
geleitet wird. Das Meßergebnis ist wieder Differenz u1 - u2 der Brückenbetriebsspannungen
an den Brücken, in welchen sich die Meßwiderstände bzw. die temperaturabhängigen
Widerstände 31 und 33 befinden.
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Solange die Ströiungsgeschwindigkeit von Meß- und Vergleichsgas hinreichend
klein sind, können die Meßwiderstände beliebig angeordnet werden. Anderenfalls muß
der Meßwiderstand ebenso wie der Vergleichswiderstand durch Wahl des Montagepunktes
oder durch eine Abschirmung vor einem Ansprechen durch die Strömung geschützt werden,
wie etwa in Figur lOb gezeigt ist.
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Die Figuren 11 bis 11c zeigen die Anordnung der temperaturabhäneigen
Widerstände, nämlich eines Meßwiderstandes und eines Vergleichswiderstandes, in
einer Einrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit eines Strömungsmittels.
In einer Vergleiehskammer 35 befindet sich eine Füllung eines Vergleichsgases, welrohes
den Vergleichswiderstand, im vorliegenden Falle eine Heißleiterperle 36, umgibt.
Wie bei den zuvor beschriebenen Ausiührungsbeispielen ist die Heißleiterperle 36
Bestandteil einer
Brückenschaltung, welche auf konstante Spannung
an der Heißleiterperle 36 geregelt wird und als Meßwert die Brückenbetriebsspannung
darbietet. Gleiches gilt iür die Heißleiterperle 37, welche jedoch nicht in einer
abgeschlossenen Umgebung angeordnet ist, sondern sich in einer Nische 38 eines Strömungskanals
39 befindet, durch welchen ein zu untersuchendes Gas mit hinreichend kleiner Geschwindigkeit
geleitet wird. Der gesuchte, der Wärmeleitfähigkeit entsprechende Meßwert ist wieder
die Spannungsdifferenz u1 - u2 aus den den Heißleiterperlen 36 und 37 zugeordneten
Brückenbetriebsspannungen.
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Weitere Möglichkeiten der Anordnung der Heißleiterperle 37 sind beispielsweise
in den Figuren lib und lio dargestellt und ohne weitere Erläuterungen verständlich.
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Figur 12 zeigt die Gestalt einer Meßanordnung, die es gestattet, mittels
zweier Paare von Meßwiderständen und durch Modulation eines zu untersuchenden Gasstromes
mit bekannter Amplitude einer Wechselströiung jeweils unabhängig voneinander den
Durchfluß, die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme zu ermitteln.
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Eine Vergletoheströmung wird durch den Kanal 38 geleitet, während
eine Strömung des zu untersuchenden Strömungsmittels durch den Kanal 39 zustande
kommt. Der Kanal 39 enthält ein Meßwiderstandspaar 40 entsprechend der etwa in Figur
2 schematisch gezeigten Anordnung. Außerdem ist ein weiteres Meßwiderstandspaar
41 jeweils in Nischen der Strömungskanäle 38 und 39 angeordnet, wie ii Zusammenhang
mit Figur 11a ausgeführt. Weiter enthält der Strönungskanal 39 in einem Abzweig
42 einen mit bekanntem Hub und bekannter Frequenz aui- und niedergehenden Kolben
43, welcher bewirkt, daß der durch den Kanal 39 geleiteten Strömung des zu untersuchenden
Gases eine Wechselströmung bekannter Amplitude überlagert wird. Das Meßwiderstandspaar
40 liefert nach Verstärkung und Differenzbildung der jeweils zugehörigen Brückenspan
nungen in der Schaltung 44 eine Information über die Durohilußgeschwindigkeit des
zu untersuchenden Strönungsiittels. Bei Betrachtung
der Schwankungen
des Meßergebnisses aufgrund der bekannten Wechselströmung allein wird außerdem eine
Information über die spezifische Wärme des betreffenden Strömungsmittels erhalten,
wobei diese Information an dem Anzeigegerät 45 zur Anzeige gebracht werden kann.
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Das Meßwiderstandspaar 41 liefert nach Verstärkung und Diiterenzbildung
der betreffenden Brückenbetriebsspannungen in der Schaltung 46 die Information über
die Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Strömungsmittels gegenüber einem Vergleichsströmungsinittel,
woraus sich ergibt, daß mittels der Meßanordnung 12 eine Gasanalyse eines Gemisches
aus zwei Komponenten durchgeführt werden kann.
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Wird der Ausgang der Schaltung 44, nämlich das Meßergebnis entsprechend
der Wärmeleitfähigkeit, von dem Ausgang der Sohaltung 44, nämlich dem Meßergebnis
entsprechend den Durchiluß, subtrahiert, was in einer Schaltung 47 durchgeführt
wird, so kann man an einem Anzeigegerät 48 ein Ergebnis entsprechend den Durchfluß
unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit des betreffenden Strömungsmittels erhalten.
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Wird der Ausgang der Schaltung 44, nämlich das Meßergebnis entsprechend
dem Durchfluß, durch den Ausgang der Schaltung 46, nämlich das Meßergebnis entsprechend
der Wärmeleitfähigkeit, dividiert, was in der Sohaltung 49 durchgeführt werden kann,
so erhält man an einem Anzeigegerät 50 ein Ergebnis entsprechend dem Durchfluß einer
gesuchten Komponente einer Strömungsmittelmischung unabhängig von Gesamtdurchflußschwankungen
und unabhängig von Prozentschwankungen der gesuchten Komponente.
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Figur 13 zeigt das Beispiel iür einen Meßverstärker mit Brückenschaltungen
51 und 52, welche jeweils in einem Zweig, z.B. in der Zweig 53 bzw. 54, den temperaturabhängigen
Widerstand eines Meßwiderstandspaares enthalten. Regeleinrichtungen 55 bzw. 56
bewirken
eine Konstanthaltung der Temperatur an den temperaturabhängigen Widerständen 53
bzw. 54 durch entsprechende Regulierung der Brückenbetriebsspannungen u2 bzw. ul.
Man erkennt also, daß die Brückenschaltungen und zugehörigen Regel schaltungen den
Bauteilen 1 und 2 nach Figur 1 entsprechen. Die Brückenspannung u2 wird in einer
Inverterschaltung 57 invertiert und dann werden die Spannungen einem Summenverstärker
58 zugeführt. Der Ausgang des Summenverstärkers liefert also zunächst eine Spannung
uA = - RF (- Ul/Rl + U2/R2 ) Zum Zwecke der Korrektur bzw. der Kompensation können
in den Summenverstärker weitere Spannungen eingegeben werden, die sich in dem obigen
Ausdruck als weitere Summanden in der Klammer bemerkbar machen, so daß die Ausgangsspannung
des Summenverstärkers folgendermaßen lautet: UA = - RF (- u1/Rl + u2/R2 + U3/R3
+ u4/R4 + u5/R5 + U6/R6 * Der Widerstand R1 ist einstellbar ausgeführt, um Fertigungsunsynmetrieen
zu kompensieren. Durch Verändern des Summanden u3/R3 kann eine genaue Nullpunkteinstellung
vorgenommen werden. Weitere Ausdrücke u4/R4, u5/R5, u6/R6 usw. dienen nachfolgend
noch genauer erläuterten Zwecken.
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Aus Vorstehenden ergibt sioh, daß die erfindungsgemäßen Einrichtungen
ohne weiteres zur Bestimmung der anfangs unter den Punkten a) bis f) angegebenen
Einflußgrößen eingesetzt werden können, wenn jeweils eine dieser Einflußgrößen zu
messen ist, während die anderen Größen konstant gehalten werden oder sich in bekannter
Weise verändern.
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Unter Bezugnahme auf Figur 14 sei kurz noch die Möglichkeit beschieben,
den Durchfluß einer Sauerstofikomponente eines Strömungsmittels unter Ausnützung
der paramagnetischen Eigenschaft
des Sauerstoffs dadurch zu bestimmen,
daß mittels eines durch einen Magneten 59 erzeugten magnetischen Wechselfeldes der
Strönungsnittelströmung ein Sauerstoti-Weehselstrom überlagert wird, der an den
den Heißleiterperlen 60 zugeordneten Meßschaltungen zusätzlich zu den durch die
Gesamtströmung erzeugten Spannungen bei der Auswertung in einer Schaltung etwa nach
Figur 13 eine Differenz-Wechselspannung erzeugt, deren Amplitude vom Sauerstoffgehalt
der zu untersuchenden Strömung abhängig ist. Im Strömungskanal angeordnete Erweiterungen
61 und 62 ermöglichen die Anregung der Wechsel strömung innerhalb des Hauptströmungskanals.
Außer den in den Figuren 12 und 14 gezeigten Möglichkeiten zur Erzeugung einer relativen
Wechselbewegung zwischen dem Paar temperaturabhängiger Widerstände und dem umgebenden
Strömungsnittel besteht auch noch die Möglichkeit der Bewegung des Meßwiderstandspaares
z. B. in Form einer Vibration oder Schwingung oder einer Erzeugung von Schallwellen
in Richtung von einem Meßwiderstand zum anderen.
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Ein außerordentlich wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung ist,
wie oben bereits gesagt, der Auibau von Dichtigkeitsprüfanlagen unter Verwendung
von Durchfluß-Meßwertaufnehmern beispielsweise der oben beschriebenen Art. Diohtigkeitsprüfanlagen
können mit Ueberdruck oder Unterdruck betrieben werden, wobei im nachfolgend anhand
von Figur 15 beschriebenen Beispiel der Betrieb mit Überdruck (Preßluft) beschrieben
ist.
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Ein Prüfling 63 und ein Vergleichsbehälter 64 sind über Kupplungen
an ein symmetrisches Leitungssystem 65 angeschlossen das über ein Absperrventil
66 und eine Verzweigung 67 unter Druck gesetzt werden kann, um den Prüfling 63 und
den Vergleichsbehälter 64 auf gleichen Druck zu bringen. In der Verzweigung 67 befindet
sich eine Drosselklappe, um beim Füllungsvorgang etwa vorhandene aerodynanische
Unsymmetrieen kompensieren zu können, derart, daß der Prüiling und der Vergleichsbehälter
aufgrund der gleichzeitigen Füllung und aufgrund der aerodynamischen Symmetrierung
gleiche Temperaturen annehmen und folglich diesbezüglich
das Meßergebnis
nicht verfälscht wird.
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Nach den Füllen werden das Absperrventil 66 sowie weitere in den jeweiligen
Leitungszweigen gelegene Absperrventile 68 und 69 geschlossen. Ein in einer Ausgleichsleitung
70 gelegenes Ventil 71 bleibt noch kurze Zeit geöffnet, um einen vollständigen Druckausgleich
zwischen den Behältern 63 und 64 sicherzustellen.
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Nach den Schließen auch des Absperrventiles 71 wird ein Leck in der
Prüfling 63 durch eine Ausgleichsströmung durch eine weitere Ausgleichsleitung 72
ermittelt, welche eine Durohiluß-Meßeinrichtung 73 der oben beschriebenen Art enthält.
Die Ventilbetätigung kann selbsttätig mittels einer Programmsteuerung durohgeführt
werden. Außerdem kann die Einrichtung in einer nicht in Figur 15 dargestellten Weise
einen Grenzwertgeber mit einem Speicher enthalten, derart, daß bei Überschreiten
einer vorgegebenen Toleranz eine Ausschußanzeige abgegeben wird. Nach Beendigung
des Meßvorganges werden die Ventile 68 und 69 sowie ein in einer Entlüftungsleitung
liegendes Entlüftungsventil 74 geöitnet, um sowohl den Prüfling 63 als auch den
Vergletohsbehälter 64 wieder zu entlüften. Der Vergleichsbehälter sollte etwa das
gleiche Volumen haben wie der Prüfling, wobei die gesuchte Leckströmung etwa doppelt
so groß ist wie der in der Einriohtung 73 gemessene Durchfluß. Für verschiedene
Volumina gelten den Volumen entsprechende Verhältnisse.
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Trotz des gleichzeitigen Füllens und Entleerens etwa gleich großer
Prüi- und Vergleiohabehälter und trotz einer aerodynamischen Symmetrierung des Füllvorganges
mittels der Drosselklappe in der Verzweigung 67 kann das Erreichen kurzer Prüizeiten
in der Größenordnung von 10 Sekunden erschwert werden, was auf eingeprägten Temperaturunterschieden
des Prüflings und des Vergleiohsbehälters beruhen kann, etwa weil der Prüiling 63
in seiner Temperatur von der Prüiraumtemperatur abweicht, weil der Prüfling durch
äußere Wärmequellen oder Wärme senken unmittelbar vor oder während der Messung auf
eine unterschiedliche Temperatur gebracht
wird. Zur Kompensation
dieser Erscheinungen wird gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung in/oder am
Prüfling 63 und/oder in oder am Vergleichsbehälter 64 eine Temperaturmessung durchgeführt
und durch Differenzierung des Meßergebnisses die Temperaturänderungsgeschwindigkeit
ermittelt. Diese Tesperaturänderungsgeschwindigkeiten entsprechen Meßspannungen
u4 und U5, welche über Widerstände R4 bzw R in den Summenverstär-05 ker 58 eingegeben
werden und zwar die Spannung u5 entsprechend wie die Spannung u2 nach Invertierung.
Die Widerstände R4 und R5 erlauben dabei die Justierung. Nachdem die richtigen Faktoren
von u4 und u5 nur von der Verstärkung der Temperaturmeßeinrichtungen einschließlich
der Differenzierungsschaltung und von dem Gasgesetz abhängig sind, gilt eine einmal
vorgenommene Justierung von R4 und R5 für beliebige Vergleichsbehälter und für beliebige
Prüflinge. Damit erübrigt es sich, zwecks Kompensation oder Vermeidung einer unsymmetrischen
adiabatischen Temperaturänderung den Vergleichsbehälter bei jedem Meßvorgang neu
zu iüllen. Der Vergleichsbehälter kann beliebig groß gemacht werden, wodurch eine
größere Meßesptindliehkeit erhalten wird, ohne daß die Meßdauer vergrößert wird.
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Die Meßdauer wird auch dadurch verlängert, daß jeder Druckausgleich
ein asymptotischer Vorgang ist, derart, daß zur emptindlichen Messung erst nach
Abwarten einer theoretisch unendlioh langen Auegleichszeit ein kleines Leck exakt
über den Durchfluß durch die Ausgleichsleitung ermittelt werden kann, Gemäß einer
wichtigen Weiterbildung der vorgesohlagenen Meßeinrichtungen wird die Ausgangsspannung
der Meßschaltungen etwa nach Figur 13 über einen bestimmten kurzen Zeitraum hinweg
festgehalten und das sich ergebende Spannungskurvenstück wird auf die Zeit unendlich
extrapoliert, wobei die Ähnlichkeit der asymptotischen Druokausgleichßvorgänge etwa
mit einer Kondensatorentladung verwendet werden kann. Die Abweichung der an sich
bekannten elektronischen Mitteln gefundenen Asymptote von dem Nullwert ist dann
der gesuchte, echte Leerwert. Der zur Extrapolation eriorderliche
Korrekturwert
kann als der Susmand u6/R6 in dem oben angegebenen Ausdruck gedeutet und zusätzlich
in den Summenverstärker 58 nach Figur 13 eingespeist werden.
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Trotz der vorstehend ir Zusammenhang mit den Figuren 13 und 15 angegebenen
Maßnahmen zur Verkürzung der Meßzeiten ist es schwierig bzw. auiwendig, Leckströme
unter 10 2 ml/min. genau zu messen. Die Figuren 16 und 17 zeigen Einrichtungen,
welche auch unter dieser Bedingung die Erfüllung der gestellten Auigabe ermöglichen.
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Bekanntlich ist die Wärmeleitzahl von Gasen druckunabhängig, solange
im Teilvakuum die mittlere ireie Weglänge der Gasroleküle mit dem Abstand zwischen
Wärmequelle und Meßzellenwand vergleichbar bleibt. An sich bekannte Wäreeleitiähigkeits-Vakuummeter
beruhen auf diesem Effekt. Außerdem ist es bekannt, daß der Strömungswiderstand
und damit der Druckabiall von Blendenötinungen rit abnehmendem Druck stark zunisst,
wenn die mittlere freie Weglänge mit der Durchmesser z. B. einer Blende oder eines
Rohrleitungsabschnittes vergleichbar wird.
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Gesäß Figur 16 ist an eine Evakuierungsleitung 75 ein Prüiling 76
angesohlossen, welcher mittels einer Pumpe 77 bei starker Öffnung einer einstellbaren,
in der Leitung 75 liegenden Blende 78 auf einen Druck von beispielsweise 10 4 Torr
evakuiert werden kann. Meßzellen 79 und 80 weisen dann das gleiche Vakuum auf und
die Ausgangsspannung einer etwa Figur 13 entsprechenden Auswertschaltung ist Null.
Wird jetzt die Blende 78 geschlossen, -4 wobei die Pumpe 77 den Druck von 10 4 Torr
aufrecht erhält, so tritt eine Drosselung einer durch ein Leck des Prüflinge 76
verursachen Strömung durch die Blende 78 hindurch auf. In der Meßzelle 79 zwischen
der Blende 78 und der Prüfling 76 tritt dann ein all-ählicher, asysptotisoher Druckanstieg
auf einen stationären Wert auf und die von der den Meßzellen 79 und 80 zugeordneten
Schaltung abgegebene Differenzspannung u1 - u2 ist
ein Maß für
das Leck des Prüflings 76. Der asymptotische Kurvenverlauf des Meßergebnisses kann
wieder in der zuvor angegebenen Weise auf elektrischem Wege extrapoliert werden.
Wird anstelle der Blende 78 ein dicht absperrendes Ventil verwendet, so ist die
Druckanstiegsgeschwindigkeit und damit d (u - u2)/dt ein 1 u2)/dt Maß für das Leck
des Prüflings 76.
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Eine weitere, sehr vorteilhafte Einrichtung zur Dichtigkeitsprüfung,
welche in Figur 17 gezeigt ist, benützt die Methode der Gasanalyse, wobei die hier
mögliche Eliminierung von Störgrößen von besonderem praktischen Wert ist. Die Pumpe
77 evakuiert bei geschlossenem Ventil 8i die Rohrleitung 82 und damit den Prüfling
83 so weit, daß der in der Leitung 82 befindliche temperaturabhängige Widerstand
84 und der in einem Abzweig 85 befindliche temperaturabhängige Widerstand 86 noch
eine Wärmeleitfähigkeitsmessung in der oben beschriebenen Weise mittels einer Schaltung
nach Figur 13 zulassen. Sodann wird ein Vergleichsgas, z. B. Luft, mit bekannter,
geringer Strömungsgeschwindigkeit, beispielsweise mit 10-4 ml/min. über das Ventil
81 eingelassen. Auf eine derart geringe Strömung sprechen die temperaturabhängigen
Widerstände 86 und 84 nicht an, außerdem würde ein Ansprechen bei der Differenzbildung
u1 - u2 eliminiert, da die Meßwiderstände zu weit voneinander entfernt sind, um
die Bedingungen etwa der Anordnung nach Figur 2 zu erzielen.
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Der Prüfling 83 wird dann von einem Suchgas gegebenenfalls örtlich
angeblasen oder umspült, wobei dieses Suchgas von dem Vergleichsgas eine deutlich
abweichende Wärmeleitfähigkeit hat.
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Ist das Vergleichsgas Luft, so können als Suchgas beispielsweise Helium,
Wasserstoff, Kohlendioxid oder dergleichen verwendet werden. Ist das Vergleichsgas
von Luft verschieden, was vorteilhaft ist, da dieses Gas nur in geringen Mengen
gebraucht wird, so kann der Prüfling sich einfach in dem Vergleichsgas Luft befinden.
Hat der Prüfling 83 ein Leok, so befindet sich der temperaturabhängige Widerstand
86 in reinem Vergleichsgas, während der temperaturabhängige Widerstand 84 von einer
Mischung
aus Vergleichsgas und Suchgas umgeben ist. Der schon wiederholt
erwähnte Spannungs-Differenzwert ul - u2 gibt das Mischungsverhältnis und damit
die Leckrate n. Die Dichtigkeitsprüfung durch Gasanalyse eliminiert Störeinflüsse
und benützt den Bezug zu einem Vergleichsgas, wobei eine Messung von Luft-Wasserstoff-Gemischen
bis zu einem Mischungsverhältnis von lU keine Schwierigkeiten bereitet. Je nach
Prüflingsgröße sind daher Leckraten von 10-8 ml/min. in wenigen Sekunden meßbar.