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Meßeinrichtung für Umgebungen mit hohem Feuchte-oder hohem Flüssigkeitsgehalt
oder hohem Flüssigkeitsgehalt Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Durchführung
von Messungen in Umgebungen mit hohem Feuchte- oder hohem Flüssigkeitsgehalt, z.B.
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Dampf, Spritzwasser-Luftgemisch, Wasser oder Ö1.
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Der Meßtechnik wird häufig die Aufgabe gestellt, in einer Umgebung
zu messen, deren Feuchte- oder Flüssigkeitsgehalt oberhalb der für übliche Meßeinrichtungen
zulässigen Werte liegt. Eine übliche Meßeinrichtung besteht, wie in Abb. 1 dargestellt,
aus: einem Aufnehmer, der die Meßgröße in ein analoges elektrisches Meßsignal umwandelt,einem
Anpasser, der das analoge Meßsignal verstärkt und gegebenenfalls digitalisiert,
und einem Ausgeber, der den Meßwert entweder in analoger oder in digitaler Form
anzeigt oder registriert. Eine derartige Meßeinrichtung wird auch als Meßkette bezeichnet.
Ist die Meßgröße eine elektrische Größe, z.B. Spannung, so entfällt die Umwandlung
in ein elektrisches Meßsignal. Ist sie eine digitale Größe, so entfällt eine Digitalisierung.
In Sonderfällen kann das Meßsignal hinter dem Anpasser einer weiteren Datenverarbeitungseinrichtung,
Differentiation, Integration, Mulitiplikation, Addition u.a. zugeführt werden.
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In Abb. 2 sind die bisher bekannten Verfahren zur Lösung der gestellten
Aufgabe zusammengestellt.
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Die gesamte Meßkette, ausgenommen der Aufnehmer, kann in einem feuchte-beziehungsweise
flüssigkeitsdichten Schutzgefäß untergebracht werden, dessen Deckel z.B. durch eine
Gummidichtung flüssigkeitsdicht schließt.
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Soll ein anzeigender Ausgeber verwendet werden, der von aussen beobachtet
werden kann, so muß eine durchsichtige Stelle in der Schutzgefäßwand (Glasscheibe)
vorgesehen sein. Gestattet die äussere Umgebung, z.B. bei Messungen unter Wasser
oder in Bohrlöchern, keine direkte Ablesung des Ausgebers, so muß im Schutzgefäß
ein Registriergerät untergebracht werden, damit nach Abschluß der Messungen das
Meßergebnis als Kurven-, Magnetband- oder Zahlenschrieb vorliegt (Abb. 2a).
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Nachteilig bei derartigen Anordnungen ist der Zwang, kompakte, teure
Spezialregistriergeräte zu verwenden, außerdem der erhöhte Platz-und Leistungsbedarf.
Dieser erhöhte Leistungsbedarf erschwert eine Batteriestromversorgung, indem er
entweder die maximale Betriebszeit verkürzt oder eine vergrösserte Batteriekapazität
erforderlich macht.
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Statt die komplette Meßeinrichtung ausschließlich Aufnehmer durch
Einbau in ein feuchte- oder flüssigkeitsisoliertes Schutzgeäß zu schützen, kann
durch Anwendung telemetrischer Verfahren erreicht werden, daß nur ein Teil der Meßkette
im Schutzgefäß untergebracht werden muß, während der übrige Teil der Meßkette in
einer Umgebung aufgestellt werden kann, die keine speziellen Schutzmaßnahmen der
Meßeinrichtung gegen Feuchte oder Flüssigkeit erfordert, und beide Teile der Meßkette
über eine Meßleitung - das kann sein eine galvanische Leitung (Abb. 2b), eine Funkverbindung
(Abb. 2c), eine optische Verbindung - miteinander verbunden werden.
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Die Verwendung von galvanischen Leitungen macht ein Meßverfahren schwerfällig
und bringt eine Reihe von weiteren Nachteilen mit sich.
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Galvanische Leitungen bilden, insbesondere, wenn sie nicht festverlegt
werden können, einen Fremdkörper in technischen Einrichtungen, stören möglicherweise
Bewegungsabläufe und sind selbst der Gefahr der Zerstörung ausgesetzt. Wenn das
Meßobjekt sich während der Messung bewegt, treten zusätzliche Schwierigkeiten auf
beziehungsweise wird die Verwendung von galvanischen Leitungen unmöglich. Häufig
wird versucht, durch eine Funkverbindung zwischen Gliedern der Meßkette einen Teil
der geschilderten Schwierigkeiten zu vermeiden. Diese Funkverbindung erfordert zusätzlich
zu den normalen Meßkettengliedern Sender beziehungsweise Empfänger mit Modulations-
und Demodulationseinrichtungen und damit wegen des apparativen Aufwandes zusätzliche
Kosten. Eine Funkverbindung kann, beispielsweise bei Messungen in größeren Wassertiefen
oder in allseitig geschlossenen metallischen Behältern, erschwert oder unmöglich
sein, beziehungsweise verlangt dann ein Kabel zwischen Sender und Empfänger. Optische
Verbindungen verlangen Spezialvorrichtungen und werden deshalb nur in Sonderfällen
eingesetzt. Im übrigen gelten für sie ähnliche Einschränkungen wie für Funk-Verbindungen.
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Die nachstehend beschriebene Meßeinrichtung vermeidet diese Nachteile.
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Erfindungsgemäß wird die Meßkette in den Meßwertaufnehmer und zwei
getrennte Baugruppen I und II aufgeteilt und nur Baugruppe I in einem feuchte- oder
flüssigkeitsdichten Schutzgefäß untergebracht und während der Messung am Meßort
aufgestellt. Als Meßwertaufnehmer sind abhängig von der Art der Meßgröße die verschiedenen
bekannten Aufnehmer wie Temperaturaufnehmer, Strömungsaufnehmer u.a. geeignet.
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Baugruppe I enthält: - einen ADU (Analog-Digital-Umsetzer), der ein
analoges Signal des Meßwertaufnehmers in ein binär-codiertes Signal umsetzt, - einen
elektronischen Meßwertspeicher, der entweder aus diskreten Schaltelementen oder
aus einem oder mehreren integrierten Bauteilen besteht und in dem dieses Signal
binärcodiert gespeichert wird, - die für den Betrieb des ADU und des elektronischen
Meßwertspeichers erforderlichen Hilfsschaltungen (Taktgeber, Gatter u.ä.), - die
zugehörige Stromversorgung.
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Baugruppe II enthält: diejenigen Schaltelemente, die erforderlich
sind, um nach Abschluß der Meßzeit die im elektronischen Meßwertspeicher binärcodiert
gespeicherten Meßwerte auszulesen und weiterzuverarbeiten.
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Baugruppe II kann z.B. ein digitales Anzeige- oder Registriergerät,
aber auch ein DAU (Digital-Analog-Umsetzer) mit angeschlossenem analogen Registriergerät
oder sonstige, zur weiteren Datenverarbeitung geeignete Schaltungen zuzüglich der
jeweiligen Hilfsschaltungen (Gatter, Taktgeber u.ä.) sowie die Stromversorgungseinrichtung
enthalten.
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Der Meßvorgang wird auf zwei Zeitabschnitte aufgeteilt. Während der
eigentlichen Meßzeit, Zeitabschnitt t1, ist der Meßwertaufnehmer an die Baugruppe
I angeschlossen und die von ihm gelieferten Meßwerte werden im elektronischen Meßwertspeicher
binär-codiert gespeichert Später, zu einem beliebigen Zeitpunkt nach Abschluß von
Zeitabschnitt tl, wird die Baugruppe I an einen Ort mit normaler Feuchte gebracht
und Baugruppe II galvanisch leitend oder über einen Trafo oder einen Kondensator
mit ihr verbunden und der elektronische Meßwertspeicher der Baugruppe I während
des Zeitabschnittes t2 ausgelesen. Die gespeicherten digitalen Meßwerte können dann
beispielsweise digital angezeigt, oder registriert, sie können aber auch nach einer
Digital-Analog-Umsetzung analog angezeigt oder registriert und schließlich können
sie auch weiteren datenverarbeitenden Systemen zugeführt werden.
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Die in Baugruppe I benötigten Bauelemente zeichnen sich durch sehr
geringen Platz- und Leistungsbedarf aus. Als elektronische Meßwertspeicher können
beispielsweise die auch als Zwischenspeicher in Rechenanlagen verwendeten hochintegrierten
Bausteine eingesetzt werden. Elektronische Meßwertspeicher bestehen ausschließlich
aus elektronischen Bauelementen wie beispielsweise Widerstände, Kondensatoren, Spulen,
Dioden, Transistoren, integrierte Schaltkreise, magnetisierbare Materialien. Sie
enthalten keine elektromechanischen Bauteile, bei denen mechanische Teile bewegt
werden müssen, was Platz beanspruchende Konstruktionen und einen großen Energiebedarf
zur Folge haben würde. In elektronischen Meßwertspeichern werden keine mechanischen
Teile, sondern lediglich elektrische Ladungen oder magnetische Zustände in Materialien
bewegt. Sie sind besonders klein und billig und benötigen wenig Energie.
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Die Aufteilung der Meßeinrichtung in zwei Baugruppen I und II bewirkt
also, daß nur ein kleines, feuchte- beziehungsweise flüssigkeitsdichtes Schutzgefäß
für den Einbau der Baugruppe I benötigt wird, daß ferner die maximale Betriebsdauer
bei Batteriestromversorgung wegen der geringen Verlustenergie der eingebauten Schaltung
groß ist, und daß schließlich beliebige Registriergeräte, d.h. ohne Einschränkung
der Abmessungen und des Leistungsbedarfes, verwendet werden können.
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In Abb. 3 ist noch einmal die Meßeinrichtung und ihre Wirkungsweise
dargestellt. Analog-Digital-Umsetzer a und elektronischer Meßwertspeicher b bilden
die Baugruppe I und sind in ein flüssigkeitsdichtes Schutzgefäß
c
eingebaut. Die Meßgröße wird im Aufnehmer d in ein elektrisches Meßsignal umgewandelt
und dieses über das flüssigkeitsdichte Kabel e der Baugruppe I zugeleitet und hier
im Zeitabschnitt tl anschließend an eine Binär-Codierung im elektronischen Meßwertspeicher
b gespeichert.
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Die Binär-Codierung des Meßwertes, die Speicherung des Meßsignals,
das Auslesen und das Löschen des gespeicherten Meßsignals sind in der Patentanmeldung
Nr. P 23 08 887.1 anhand von Prinzipschaltbildern, dort für den Fall einer Temperatur-Meßeinrichtung
für hohe Umgebungstemperaturen, ausführlich beschrieben. Deshalb wird hier auf ihre
Beschreibung verzichtet.
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Nach Ablauf der Meßzeit t1 wird Baugruppe I aus der Umgebung mit hohem
Feuchte- oder Flüssigkeitsgehalt in eine normaltrockene Umgebung gebracht und galvanisch
leitend, transformatorisch oder kapazitiv an den Digital-Analog-Umsetzer (DAU) f
angeschlossen. Am Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers f kann wahlweise ein analoger
Anzeigeausgeber g oder ein analoges Registriergerät h, ein Zahlendrucker i oder
eine Datenverarbeitungsanlage k angeschlossen werden.
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Bei batteriegespeisten Geräten wird, um bei gegebener Batteriekapazität
eine lange Betriebsdauer zu erreichen, ein geringer Leistungsverbrauch der Meßeinrichtung
angestrebt. Im vorliegenden Fall ist eine Leistungseinsparung aber auch noch aus
einem zusätzlichen Grunde notwendig, weil nämlich die der Batterie entnommene Leistung
die Temperatur im wärmeisolierten Gefäß erhöht. Eine Leistungseinsparung ist unter
anderem durch intermittierenden Betrieb möglich, das heißt dadurch, daß Teile der
Meßergebnisse nicht ständig, sondern nur kurzzeitig im Rhythmus eines Steuertaktes
an die Stromversorgung angeschlossen werden . Da die hier beschriebene Meßeinrichtung
digital arbeitet und daher die Meßwerte in durch den Steuertakt vorgegebenen Zeitabständen
gemessen werden, ist es zulässig, zum Beispiel passive Meßaufnehmer wie Dehnungsmeßstreifen
oder Temperaturmeßwiderstände , aber auch andere Teile der Meßeinrichtung wie Verstärker
oder Oszillatoren in den getakteten Zeitabständen jeweils nur für die Dauer der
Meßwertgewinnung einzuschalten. Zur Vermeidung von Meßfehlern muß die Einschaltdauer
selbstverständlich erheblich größer als die Zeitkonstante der eingeschalteten Meßglieder
sein.
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Ein Ausführungsbeispiel für den konstruktiven Aufbau zeigt Abb. 4.
Baugruppe I 1 ist im Schutzgefäß c eingebaut. Das Innere des Schutzgefäßes c ist
durch den Deckel m und den Dichtungsring n gegen die Umgebung flüssigkeitsdicht
abgeschlossen. Baugruppe I ist über ein flüssigkeitsdichtes-Kabel e mit dem Aufnehmer
d verbunden. Die Durchführung des Kabels e durch den Deckel m ist ebenfalls flüssigkeitsdicht,
z.B. durch den Dichtungsring o, ausgeführt. Eine andere Möglichkeit der Dichtung
besteht darin, im Deckel eine flüssigkeitsdichte Steckverbindung vorzusehen.
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Elektrische Geräte sind besonders feuchteempfindlich. Im Inneren des
wärmeisolierten Gefäßes muß deshalb der Feuchtegehalt niedrig sein. Um zu verhindern,
das Flüssigkeitsmengen, die trotz der Abdichtung in das Gefäß eingedrungen sind,
Betriebsstörungen verursachen, kann es daher zweckmäßig sein, im Gefäß flüssigkeitsabsorbierende
Substanzen, z.B.
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Silikagel, einzubringen.
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Soll in Umgebungen mit großem Druck, z.B. in größeren Wassertiefen,
gemessen werden, so ist die Gefdhr des Eindringens von Flüssigkeit in das wärmeisolierte
Gefäß besonders groß. Gefährdete Stellen sind die Kabeldurchführung im Deckel des
Gefäßes für das Verbindungskabel zwischen Aufnehmer und Eingangs teil der Meßkette
sowie ferner die Dichtungsfläche zwischen Gefäßdeckel und Gefäß. Deshalb müssen
am Deckel und an der Kabeldurchführung druckfeste Dichtungen benutzt werden. Sowohl
für Kabeldurchführungen als auch für Deckel-Gefäß-Kombinationen sind druckdichte
Konstruktionen bekannt.
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Die Zeichnungen stellen folgendes dar: Abbildung 1: Eine übliche Meßeinrichtung
als Meßkette gezeichnet.
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Abbildung 2: Bekannte Meßeinrichtungen für Umgebungen mit hohem Feuchte-
oder hohem Flüssigkeitsgehalt.
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Abbildung 3a): Die Meßeinrichtung für Umgebungen mit hohem Feuchte-
oder hohem Flüssigkeitsgehalt während der Meßzeit t1 in Flüssigkeit oder feuchter
Umgebung.
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Abbildung 3b): Die Meßeinrichtung für Umgebungen mit hohem Feuchte-
oder hohem Flüssigkeitsgehalt während der Auslesezeit t2 in trockener Umgebung.
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Abbildung 4: Ausführungsbeispiel für den konstruktiven Aufbau der
Meßeinrichtung für Umgebungen mit hohem Feuchte- oder hohem Flüssigkeitsgehalt.