DE2511394C3 - Schaltungsanordnung zur Stabilisierung eines von der Temperatur abhängigen Widerstandes auf einen vorbestimmten Wert, ein damit aufgebautes Gerät zur Messung der Wärmeleitfähigkeit beliebiger Materialien sowie ein Kalorimeter mit einer solchen Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Wobei A einen Normierungsfaktor darstellt.

b. Gerät /.ur Messung der Wärmeleitfähigkeit von beliebigen Materialien, insbesondere der Haut, unter Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei temperaturabhängige Widerslände (Ri und Ri') untergebracht sind, die mit zwei Brückcnschallungcn (Bi und lh) verbunden sind, deren Ausgänge

iiber Multiplizierer (Mi und Λ/.·) und einci Annloginverter (Iu) mit einem Summienuisgangsversiärker (Su) verbunden sind, dessen Ausgang eine Spannung für einen Schreiber oder andere An/eigeinstrumente abgibt.

7. Kalorimeter unter Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung aus zwei konzentrisch angeordneten I lei/Meßwidcrständcn (Ri und R_s') aufgebaut ist, die aus mög'ichst eng gewickelten Spulen oder aus vergleichbaren Körpern aus möglichst thermolinearem Widerslandmaterial bestehen, daß sich zwischen den Widersländen (Ri und Ri) ein mil diesen möglichst in engem Kontakt stehender elektrisch isolierter, guter Wärmeleiter befindet, und der eine Widerstand (Rj') von einem Mantel aus gui wärmeleitendem Material umhüllt und der andere Widerstand (Ri) mit einem derartigen Mantel ausgekleidet ist, wobei sich in der zylindrischen Auskleidung dieses Widerstandes (Ri) der Reaktionsrauni bcfindei.

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnung zur Stabilisierung ruics von der Temperatur abhängigen Widerstandes auf einen vorbestimmten Wert, wobei der Widerstand in eine Whealstone· oder Thomsonßrükkenschaltung geschaltet ist und die Brückenspannung so nachgercgelt wird, daß der temperaturabhängige Widerstand einen Wcrl annimmt, der /um Abgleich der Brücke führt, wobei der Widerslandswert unmiiiclhar oder wenigstens ver/ögerungsfrei beeinflußt und stabilisiert wird.

Es ist bekannt, einen temperalurabhängigcn Widerstand mil möglichst großem Icmpcraliirbciwerl. bei spiclsweise einen F'TC-Widerstand, mit konstanter Spannung /u beaufschlagen, wobei sich der Wcrl des Widerstandes durch den Aufhei/vorgang erhöht, bis sich die Wärmeabgabe an die Umgebung und die Wärmeerzeugung in dem Widerstand im Gleichgewicht befinden. Bei Abkühlung des Widerstandes nimmt dieser durch die Verminderung seines Weites mehr Strom auf, wodurch seine Temperatur iinpcliihr nachgercgell wird.

Der Nachteil dieses bekannten Systems licgi in seiner ungenügendui Genauigkeit, d. Ii. in der Abhängigkeit von den Abkuhlbcdingungen. Darüber hinaus weisen Widerstände mit großem fempciattirheiwcn einen Spannungsbeiweri (Varistoreffekt) auf. da sic I lalblciicr sind

I ur eine Präzisioiismessung und -regelung müssen deshalb im allgemeinen Metallwidcrständc verwendet wit ilen, wobei insbesondere Platin /ur Anwendung gel.ingi. weil es sich nahe/11 wie ein I hcrmoliiiearwidcr siand verhält. Um diese metallischen Leiter, die stets einen posilivcn Tcmperatiirkoeffi/icnten aufweisen, d. h PTC· Widerslände sind, nul/en /u können, isl es erforderlich, den Mcßclfckt zu verstärken, um diesen als Steuersignal nut/en /u können. Dies isl insbesondere deshalb erforderlich, weil der Temperaturkoeffizient im allgemeinen kleiner als 0,5% pro Grad ist.

Die bisher bekannten Regclschaltungcn bestehen darin, daß ein Geber, beispielsweise ein I leizwiclerstand, und ein Wcrlaufnclimcr. /. 13. ein Thermistor, vorgesehen sind, wobei der aufgenommene Weil mil einem

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Sollwerl verglichen und der Geber entsprechend der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert mit einer Regelspannung beaufschlagt wird, bis der Sollwert gleich dem Istwert ist.

Derartige Regelschaltungen weisen jedoch die nachteilige Eigenschaft des Überschwingens auf, welches sich aus der Regelverzögerung ergibt. Diese führt häufig auch zu einem Oszillieren um den Regelpunkt. Durch eine PID-Regelung sowie durch besondere konstruktive Merkmale der Regelstrecke läßt sich dieses Problem einigermaßen beherrschen. In jedem Fall besteht aber die Schwierigkeit der Überwindung einer Regelstrecke zwischen dem Geber, beispielsweise dem Heizwiderstand, und dem Wertaufnehmer, beispielsweise dem Thermistor, die eine absolute Regelung nicht zuläßt. Dies wäre unter Fortfall der Regelstrecke nur dann möglich, wenn Geber und Nehmer identisch wären und somit gleichzeitig wirken könnten.

In der DE-OS 23 03 097 ist eine Vorrichtung zur Verstellung des beweglichen Gliedes eines thermischen Antriebs, der ein Ausdehnungsmedium aufweist, dessen Temperatur, die die Stellung des beweglichen Gliedes bestimmt, mittels eines mit ihm in wärmeaustauschender Verbindung stehenden elektrischen Heizs.lderstandes beeinflußbar ist, beschrieben, welche darin besteht, daß der elektrische Heizwiderstand als temperaturabhängiger Widerstand und in einen Zweig einer elektrischen Brückenschaltung eingeschaltet ist, wobei die Brückenschaltung mindestens einen variablen Steuerwiderstand aufweist und die Brückendiagonalspannung den Eingang eines Operationsverstärkers beaufschlagt, dessen Ausgang die Brückenspeisespannung derart steuert, daß die Temperatur des Heizwiderstandes bei auftretender Brückenverstimmung durch den ihn durchfließenden Strom im Sinne einer Verkleinerung der Diagonalspannung geändert wird.

Mit der bekannten Schaltungsanordnung kann infolge der Tatsache, daß keine symmetrische Versorgungsspannung für den Operationsverstärker gewählt wird, wobei auch positives oder negatives Potential an den Fußpunkt der Brücke gelegt wird, nicht sichergestellt werden. cJi auch kleinste Signale sicher ausgesteuert werden können, da der Ausgang eines Differenz- oder Operationsverstärkers bei Belastung 'lurch einen Verbraucher im Zustand der Aussteuerung niemals die positive oder negative Versorgungsspannung erreichen kann.

Fernci isl auch kein einfacher Zugriff auf die Leistung am 'emperaturabhängigen Widerstand möglich, da bei Veränderung der Temperatur an dem temperaturubhängigen Widerstand durch willkürliche Veränderung des Sieucrwidcrsiande.i auch der temperaturabhängige Widerstand variiert. Ks ist daher für die Bestimmung der Leistung für jede Temperatur die Umeichung einer cxponenticllen Skala erforderlich. Dies führt diesbezüg lieh zu einer sehr begrenzten Anwendbarkeit dieser Schaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für Präzisionsmcssiingen zu schaffen, bei der eine Kleinstsignalaussteucrting sowie ein relativ leichter Zugriff auf die am lemperaturabhän gigen Widerstand abfallende Leistung möglich sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst) daß die einen (invertierenden oder nichtinvertierenden) Eingänge von zwei Operationsverstärkern an zwei Diagonalpunklc der Brücke geschaltet sind und jeweils die anderen Eingänge dieser Operationsverstär ker an Nullpotentiiil liegen, während die Ausgänge der Operationsverstärker an die beiden anderen Diagannlpunkte der Brücke geschaltet sind.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung kann z. B. bei der Mikrokalorimetrie, der allgemeinen Thermoanalyse, der Strömungsmessung, der medizinischen Durchblutungsmessung, für Mikrothermostate mit Absolutregelung, zur Herstellung exakter temperaturgradienten und zur Fadentemperaturstabilisieriing

ίο von Glühlampen, verwendet werden.

In den Zeichnungen sind, ausgehend vom Stand der Technik, bevorzugte Ausführungsformen und Anwendungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Fig. I zeigt eine Wheatstone-Brückenschultung mit einem Widerstand mit positiven Temperaturkoeffi/ienten gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Whealstone-Brückenschaltung mit Operationsverstärker zum automatischen Abgleichen der Brücke durch Erhöhen der Brückenspannung nach dem StandderTechnik;

Fig. 3 zeigl eine Wheatstone-Brückenschaltung mil zwei Operationsverstärkern /ur "-'!suerung der Brükkenspannung gemäß der Erfindung:

F i g. 4 zeigt eine abgewandelte Auslührungsform der Brückenschaltung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 zeigt die Brückenschaltung gemäß Fig. 4 mit einer Anzeige der zum Abgleich der Brücke dem Widerstand R\zugeführten Leistung;

F i g. b zeigt in Frontansicht ein Gerät /ur Messung

j« der Wärmeleitfähigkeit;

F i g. 7 zeigt die Prinzipschaltung i's:s Gerätes gemäß F ig. 6;

F i g. 8 zeigt den schematischen Aulbau des Meßkopfes eines absolut messenden Kalorimesers.

)■> In F i g. I ist eine Wheatstone-Brückensehaltung nach dem Stand der Technik dargestellt, in welche ein temperaturabhängiger Widerstand Ri eingeschaltet ist. Die übrigen Widerstände dieser Brückcnschaltung sollen in der Regel keinen Temperaturbeiwert, d. h.

■to einen möglichst vernachlässigbar kleinen Temperaturbeiwert, haben. Wenigstens einer dieser Widerstände (hier R₁) sollte variierbar sein, um verschiedene Pidingungen einstellen zu können. Dieser Widerstand kann prinzipiell auch einen Beiwert haben und so über

•r> einen externen Parameter gesteuert werden. Wenn bei Umgebungstemperalur das Verhältnis Ri/lit kleiner als R\/Ri ist. dann isl es für einen Brückenabgleich erforderlich, den Wert von R, zu vergrößern und deshalb diesen Widerstand zu heizen Dies kann durch

Vi Erhöhung der Brückenspeisespannung bewirkt werden, die so weit angehoben werden muß. daß die Poientialdifferenz ίΊ - ί'₂ = 0 wird. (Dies ist selbstver ständlich auch dann der Fall, wenn die Brückenspeise spannung 0 ist.)

»Ί Picsc Forderung, daß Di-II₂ = O wird, läßt sich erfüllen, wenn gemäß F i g. 2 cm Operationsverstärker OP in den MePkreis gebracht wird, urd zwar in der Weise, daß der Ausgang des Meßvirstärkers an das Brückcnpotcnüal Di angeschlossen wird, wahrend der

w) invertierende Kingarg an das Brückenpotential ΪΊ und der nichtinverti.rende Eingang an das Brückenpotential 11; angeschlossen wird.

Bewirkt nun die Umgebung eine Abkühlung von Ri, dann wird der Widerslandswert von R₁ kleiner und das Potential U₂ steigt relativ zum Potential U\. Dies bewirkt aufgrund der Mitkopplung des Operationsverstärkers OP eine Vergrößerung des BrUckenpotefitials Uv bis durch Erwärmung von Rj die Arbeilsbedingung

des Operationsverstärkers OP, ά. h. U\ - (.6 = 0, wieder hergestellt ist.

Wird keine symmetrische Versorgungsspannung für den Operationsverstärker OP gewählt und legt man positives oder negatives Potential der Versorgungsspannung an den Fußpunkt, dann existiert für die Schaltung jeweils nur eine Einschwingrichtung. Eine Kleinstsignalaussteuerung ist jedoch in diesem Fall nicht möglich.

In den bisher beschriebenen Schaltungen ist ferner auch kein einfacher Zugriff auf die Leistung L möglich, die an Ri abfällt, da diese sich ergibt aus

ι —

3 + Ra
(U₃ - U₂)²

Da bei Veränderung der Temperatur an Ri durch willkürliche Veränderung des Widerstandes R\ auch der Widerstand Rj variiert, ist für die Bestimmung der Leistung für jede Temperatur die Umeichung einer exponentiell Skala erforderlich. Dies führt zu einer sehr begrenzten Anwendbarkeit, sofern die Temperatur der Begleitparameter ist.

Die aufgeführten Mängel lassen sich mit einer Schaltungsanordnung der Wheatstoneschen Brücke gemäß der Erfindung vermeiden. Die erfindungsgemäßc Schaltungsanordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Falls relevante Zuleitungswiderstände in Betracht kommen, ist zu deren Kompensation die nach Thomson variierte Brückenschaltung vorzuziehen.

Hier liegt die Forderung zugrunde, daß U\ - Ui = 0 ist. Zu diesem Zweck sind die invertierenden Eingänge von zwei Operationsverstärkern OPl und OP2 mit den Brückenpotentialen U\ und U₂ verbunden, die nichtinvertierenden mit Nullpotential. Der Ausgang des Operationsverstärkers OPI ist mit dem Brückenpotential Ui und der Ausgang des Operationsverstärkers OP 2 ist mit dem Brückenpolential Ut verbunden.

ist das Widerstandsverhältnis Rj/Rt größer als das Widerstandsverhältnis RyIRi, dann wird, unter der Voraussetzung, daß das Potential Ui positiv und Ua negativ ist. das Potential U₂ kleiner als O. Als Folge davon müßte durch die invertierende Wirkung des Operationsverstärkers OPI das Potential Ua positiv werden. Das Potential Ut wird aber 0, da durch Ut = O (Nulldurchgang) der Operationsverstärker OPl bereits zugesteuert wird ui/d hierdurch Ui ebenfalls 0 wird. Die Brücke ist daher so lange stromlos, bis RJRi wieder kleiner oder gleich /?|//?2wird.

" Aufgrund der labilen Nullpunktlage der Operationsverstärker OP 1 und OP2 schwingt die Schaltung dann von selbst an und stabilisiert sich so, daß Ri jeweils exakt die elektrische Leistung zugeführt bekommt, die erforderlich ist, um den Wert

Bei dieser Schaltungsanordnung zeigt sich, daß zwei stabile Lagen möglich sind, nämlich in bc/ug auf Ui und Ui eine positive und eine negative. Weil es einfacher ist, eine Operationsverstärker-Endstufe nur einseitig aktiv auszulegen, erscheint es sinnvoll, wenn die Schaltung nur in eine Richlung anschwingen kann.

Eine hierzu geeignete Schaltungsanordnung ergibt sich aus Fig.4.

Diese Schal.ungsanordnung ist insoweit von der

ίο Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 abgewandelt, als zwischen den Brückenpotentialen Ü_s und Ua ein weiterer Operationsverstärker OP3 mit seinen Eingängen geschaltet ist (Ui an den nichtinverticrenden, Ut an den inverlierenden Eingang), dessen Ausgang über einen Widerstand /?? und eine Diode D\ an das Brückenpotential U\ geschaltet ist.

Falls das Potential Ui negativ gegenüber Lh wird, wird der Ausgang des Operationsverstärkers OP3 auch negativ und bewirki mit dem Widerstand R$ über uiu jetzt leitende Diode D\ und den Operationsverstärke¹," OPI, daß Ui positiv und größer als Ut wird. Das bewirki, daß der Ausgang von OP3 positiv wird und damit durch die in Sperrichtung betriebene Diode Di wirkungslos für die Schaltung wird.

Der Widerstand P., ist nicht unbedingt erforderlich, muß im Falle seiner Verwendung aber so klein sein, daß er die Wirkung von Ri in jedem Fall überspielen kann. Dies ist bs.»

R₁

zu erhalten.

Damit wird in Ri genau die diesem Widerstand entsprechende Temperatur erzeugt

Eine analoge Betrachtung läßt sich durchführen, wenn für die Position des Widerstandes Rt die Wirkung eines NTC-Widerstandes untersucht wird.

_ maximale Ausgangsspannung der OPs - IV
⁵ maximaie Äusgangsspannung der OPs ^2>

bei einseitig aktiv ausgelegter Endstufe von OP 2 schon bei viel größeren Werten für R=,, gewährleistet.

Es wäre auch denkbar, daß mit dem Operationsverstärker 0P3 ein Relais angesteuert wird und so ein negatives Signal auf den invertierenden Eingang von OP1 gegeben wird. Eine derartige Abwandlung ist wegen des geringen Rückwärtsstromes der Diode D\ für hochohmige Brückenschaltungen sinnvoll.

In F i g. 5 ist eine abgewandelte Schaltungsanordnung gemäß Fig.4 dargestellt, mit welcher die absolute Leistung bestimmt werden kann, die dem Widerstand Pi zugeführt werden muß, um dessen Temperatur zu halten. Ausgehend von dieser Schaltungsanordnung kann beispielsweise ein Gerät zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien beliebiger Art geschaffen werden. Schließlich können auch in einfacher Weise kalorimetrische Messungen mit Absolutwerten durchgeführt werden.

Die nachfolgende Betrachtung gilt für einen PTC-Widerstand als Widerstand R₃. Sie läßt sich aber völlig . ·^: analog Überträgen⁰ auf einen NTC^Widerstand als Widerstand Pt.

Aufgrund des Kirchhoffschen Gesetzes ist das Potential eines Knotenpunktes in einem Widerstandsnetzwerk gleich 0, wenn die Summe aller Ströme gleich 0 ist- Wenn sich nun die Meßbrücke in einem ausgesteuerten Gleichgewicht befindet, dann ist U_x= U₂=O und die Ströme I₃+ A=O. Dies bedeutet, daß I₃= — A ist. Da der Widerstand Re, in dieser Betrachtung als temperaturunabhängig und konstant angesehen wird, gilt nach dem Ohmschen Gesetz und gemäß dem vorherigen Satz

4 = -Ir = -h-

Die Leistung errechnet sich aus dem Produkt von Strom Und Spannung. Wenn diese Leistung an Ri konstant ist, ist die Energie in Wh, die Ri unter gleichbleibenden Bedingungen zugeführt wird, gleich dem Produkt von t/j · /j · /, wenn I in Stunden angegeben wird.

Bei wechselnder Größe von Ui ■ /j ist das Integral diese;? Produktes, also der Leistung in den Grenzen 0 und t, mil einer Integrationszeitkonstanten von 1 h die Wärmeenergie in Wh, die dem Widerstand Ri bis zum Zeilpunkt / zugeführt worden ist bzw. νυ'.ί R] bis zum Zeitpunkt i an seine Umgebung abgegeben worden ist, wenn zum Zeitpunkt f=0 der Integrator auf 0 gesetzt worden war.

Die jeweils aktuelle Leistung in Watt, die zur Stabilisierung von Rt aufgebracht werden muß, ist

Dementsprechend gilt

R.

erlaubt, auf dem Wege der Thermodiffusion die Durchblutung zu messen.

In den Fig.6 und 7 ist ein Gerät zur Messung der Wärmeleitfähigkeit beliebiger Materialien, insbesondefe der Haut dargestellt. Die Temperaturkompensation erfolgt hier durch Differenzmessung zwischen zwei hyperthermen Fühlern.

Wie sich aus Fig.7 ergibt, sind zwei Brückehschaltungen ß| und Bi über Multiplizierer M\ und Mi und einen invertierenden Operationsverstärker /(/(Verstärkung 1) über einen Aüsgahgs-Summierverstärkcr Su an die Ausgangs-Spannungsklemmen (Schreibereingang) angeschlossen. Die beiden Thermowiderslände R] und Ri sind über je zwei Zuleitungsdrähte in einer gemeinsamen zuleitung mit den Brückenschaltungcn ßi und B₁ verbunden. Durch R₄ = R₄ ist sichergestellt, daß durch Multiplikation von Ui mit U₄ (B\)bzw. Ui mit U₄ (Bi) exakt leistungsproportionale Spannungswerte an

Ui ■ Ut= -Leistungin W · R₄.

Durch Analogmultiplikation von Ui und U₄ oder nach deren Digitalisierung und anschließender Verarbeitung in einem Digitalrechner besteht schaltungstechnisch ein relativ einfacher Zugriff zur Leistung, wobei die Eichung des Systems allein durch den Referenzwidersland R₄ (bei NTC-Widerstand als Widerstand R₄ durch Referen? .viderstand als Widerstand Ri) erfolgt.

Die in Fig.5 beschriebene Schaltungsanordnung ist wegen der Absolutrcgelung und der deshalb möglichen Absolutmessung für kalorimetrische Meßverfahren besonders geeignet. In diesem Falle ist an die Spannungspunkte Ui und U₄ ein Multiplizierer M mit

X · Y
den Eingängen X, Y und dem Produkt —-j— als

Ausgangswert L/5 dargestellt.

Am Ausgang des Multiplizierers M liegt folgende Spannung:

(J₃-IZ₄. _Λ Leistung in W · R₄.

A ist die Größe der Recheneinheit in V, z. B. 10 V.

Die in Fig.5 dargestellte Schaltungsanordnung ermöglicht eine echte Verbesserung und Vereinfachung, z. B. für die Automation der Schmelzpunktanalyse und verwandter physikalisch-chemischer Meßverfahren. Dies wird ermöglicht durch den Einsatz programmierbarer Widerstände Ri und Rj.

Die Verwendung eines im Vergleich zu R3 hochohmigen Referenzwiderstandes R\, der den gleichen Beiwert hat wie Rz und wie dieser ein Thermolinearwiderstand sein sollte, läßt ζ. B. bei Strömungsmessungen eine ausgezeichnete Temperaturkompensation zu, wenn eine Schaltung gemäß F i g. 5 angewendet wird. R1/R2 sollten dann bei gleicher Temperatur von /?i und R3 gleich RjZR₄ sein. Im Falle der Verwendung von Thermolinearwiderständen für Ri und R3 muß Ri um einen definierten lemperaturunabhängigen Wert Ri, vermehrt werden (Reihenschaltung von R\ und Ri), damit eine definierte Obertemperatur an Rj gegenüber der du^rch das Meßmedium hervorgerufenen Temperatur von Ri erzeugt wird.

Auf dieser Möglichkeit aufbauend wird auch ein medizinischer Anwendungsbereich erschlossen, der es

UWII r tU]gUllg\tl (Uli "· [

II ff VIUtll

gleichen Kenndaten von Ri und Ri und bezüglich anderer meßwertbeeinflussender Bauteile geringste Toleranzen genutzt werden. Bildet man die Differenz zwischen den beiden Leistungen, die am Sensorkopf zwischen Ri und Ri abfallen, dann erhält man die Leistung, die aufgebracht werden muß, um eine eingestellte Differenztemperatur zwischen diesen Widerständen zu erzeugen. Diese Leistung ist proportional der Wärmeleitfähigkeit des zu messenden Materials. Wesentlich bei dieser Anordnung ist die Tatsache, daß die Wärmeleitfähigkeit nicht durch die Bestimmung einer erzielbaren Übertemperatur durch Heizung mit konstanter Leistung, sondern durch Ermittlung der Leistung zur Aufrechlerhaltung einer konstanten Übertemperatur oder in diesem besonderen Falle der Differenztemperatur zweier verschieden, aber konstant temperierter hyperthermer Fühler gemessen wird. Dies ist besonders für den medizinischen Anwendungsbereich von Bedeutung.

In F i g. 6 ist die äußere Ansicht eines Gerätes mit der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 7 dargestellt. An der Frontseite des die Schaltungsanordnung aufnehmenden Gehäuses ist ein Schreiber Sund ein Einstellknopf K für die Schreiberanpassung sowie eine Nullpunktabgleichung N und eine Anschlußbuchse Bu für die Zuleitungen zu den Meßwiderständen dargestellt.

Ein besonderer Anwendungsfall ist durch die Möglichkeit gegeben, kalorische Daten ohne komplizierte Eichung absolut messen zu können. Die Meßanordnung in F i g. 8 besteht im einfachsten Fall aus den konzentrisch angeordneten Heiz-Meßwiderständen Rl und Ri entsprechend R} in F i g. 5, die jeweils in eine eigene Brückenschaltung eingefügt sind. R3 und Ri in Fig.8 sind möglichst eng, falls erforderlich, bifilar

- . gewickelte Spulen oder vergleichbare Körper aus temperaturabhängigem, ggf. thermolinearem Widerstandsmaterial. Zwischen diesen beiden PTC-Widerständen R3 und Ri befindet sich ein mit diesen in möglichst engem Kontakt stehender, aber elektrisch isolierter, guter Wärmeleiter, z. B. Silber. Ebenso ist Ri von einem zylindrischen Mantel aus Silber umhüllt und /?3 von einem solchen ausgekleidet In dieser zylindrischen Auskleidung von R3 befindet sich der Reaktionsraum A. Nach oben und unten ist die Vorrichtung durch Materialien B geringster Wärmeleitfähigkeit thermisch isoliert. (Im Idealfall ist eine solche Apparatur aus konzentrischen Kugelschalen aufgebaut)

R3 wird exakt auf einen Widerstand entsprechend 25,00° C eingestellt, Ri auf einen Wert unter 25° C Die

Umgebungstemperatur muß noch niedriger liegen. Der eingestellte Temperaturgradient möge bewirken, daß an Rj die Leistung I mW abfallen muß, um 25°C zu erhalten.

Falls nun im Reaktionsraum durch geeignete Manipulationen eine (geringfügig) exotherme Reaktion ausgelöst wird, d.inn trägt die hierbei frei werdende Reaktionswärme zur Aufrechterhaltung des Temperaturgradienten ζ tischen Rj und Rj' bei. Das führt zu einer ggf. meßbaren Erniedrigung der elektrischen Heizleistung, die Rj zugeführt werden muß, Die Integration der Differenz zwischen dieser Leistung und der Null-Leistung (I mW) ist bei geeigneter Wahl der Zeitkonstante eines Integrierers (diese ergibt sich z_f B. aus der Umrechnung von Wh in calj und entsprechender Normierung des Wertes, der entsprechend Fig.5 am Multiplizierer als Us erscheint, die absolute Energie, die im Reaktiortsraum frei wurde. Bei endothermen Reaktionen erhält man so die absolute Energie, die im

RpaWtinnsraiim 7itr Rphalfnna Hpr TprrinpraMir vpr-

braucht wurde (umgekehrtes Vorzeichen). Besonders anspruchsvolle Versionen dieses Apparates machen es erforderlich, den Temperaturgradienten zwischen Ri und Rj' durch weitere konzentrisch angeordnete Wicklungen zu stabilisieren.

Eine Meßzelle entsprechend Fig.8 läßt sich bei Verwendung eines Temperaturprogramms für Rj und Rj mit gleichbleibender Temperaturdifferenz Δ Τ zwischen diesen beiden Widersländen dazu verwenden, Weitere thermoanalytische Meßverfahren zu verwirklichen, z. B. Apparate, mit denen in einem Meßzyklus temperaturabhängig die Molwärme bzw. spezifische Wärme, der Schmelzpunkt sowie die Schmelzwärme und ggf; die Verdämpfüiigswärme ermittelt werden können.

Es sei noch hervorgehoben, daß mit der beschriebenen Schaltung kleinste Kompartimente zuverlässig und genau thermostaten werden können, sofern die geforderte Temperatur über der Umgebungstempera-

^n fur Ιΐρσί.

Hicrzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   I. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung eines von der Temperatur abhängigen Widerstandes auf einen vorbestimmten Wert, wobei der Widerstand in eine Wheatstone- oder Thomson-Brückenschaltung geschaltet ist und die Brückenspannung so nachgeregelt wird, daß der temperaturabhängige Widerstand einen Wert annimmt, der zum Abgleich der Brücke führt, wobei der Widerstandswert unmittelbar oder wenigstens verzögerungsfrei beeinflußt und stabilisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die einen (invertierenden oder nichtinvertierenden) Eingänge von zwei Operationsverstärkern (OP1 und Op 2) an zwei Diagonalpunkte (IA und L/j) der Brücke geschaltet sind und jeweils die anderen Eingänge dieser Operationsverstärker an Nullpotential liegen, während die Ausgänge der Operationsverstärker (OP1 und OP2) an die beiden anderen Diagonalpunkte (Ui und Ua)geschaltet sind.
2. 2.SchaJ'rjngsanordnung nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, dall der temperaturabhängige Widerstand in der Rückkopplungsschleife eines der beiden Operationsverstärker (OPl und OP2) liegt, wobei im FaIIi' eines PTC-Widerstandes die michtinvertierenden, im Falle eines NTC-Widerstandes die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker an die betreffenden Diagonalpunktc (U_x und iJi) der Brücke angeschlossen sind.
3. J. Schaltungsanordnung nach Anspruch !.dadurch gekennzeichne!, daß der temperaturabhängige Widerstano ,Ri) nicht in einer Rückkopplungsschleife der Operationsverstärker 'OP\ und OP2) liegt, wobei im Falle ein°s PTC-Widerstandes die invertierenden, im Falle eine' NTC-Widerstandes die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker an die betreffenden Diagonalpunkte (IA und I h) der Brücke angeschlossen sind.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingänge eines weiteren Operationsverstärkers (OP 3) jeweils mit den Ausgängen der beiden Operationsverstärker (OPX und OP2) verbunden sind, während ιίν,τ Ausgang des weiteren Operationsverstärkers (OP 3) über eine Diode (D 1) mit einem der Diagonalpunktc (lh oder {/*). an die die Eingänge der Operationsver- »lärker (OPl und OP2) angeschlossen sind, in Verbindung steht
5. 5 Schaltungsanordnung nach Anspruch 2. S oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß /ur Bestimmung und Anzeige der absoluten leistung, die fiir den lemperaturahhängigen Widerstand (Ri) aufgebracht Werden muß. um dessen Temperatur /u hallen, an die Diagonalpunkte (I Ί und ί '4). an die die Ausgänge der beiden ersten Operationsverstärker (OP \ und OP2) angeschlossen sind, die Eingänge (X. VV einer Klulttpli/ierschaltung (M) geschaltet sind, deren

   X Y

   Ausgangsweri (U%) dem Produkt —-.— entspricht.