DE2710473A1

DE2710473A1 - Schaltungsanordnung zur bestimmung der waermeverlustgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE2710473A1
Application number: DE19772710473
Authority: DE
Inventors: James Stewart Johnston
Original assignee: Rosemount Engineering Co Ltd
Current assignee: Emerson Process Management Ltd
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1977-03-10
Publication date: 1977-09-15
Also published as: GB1515611A

Description

Schaltungsanordnung zur Bestimmung der wärme-Verlustgeschwindigkeit

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Schaltungsanordnungen und insbesondere solche, die auf änderungen der WärmeVerlustgeschwindigkeit eines Widerstandεthermometerfühlers ansprechen. Schaltungsanordnungen dieser Art können zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids verwendet werden. Ein Widerstandsthermoneterfühler ist in der Strömung des Fluids angeordnet und ein Strom durchläuft den Sensor, der ihn auf eine Temperatur etv.v.s über der des Fluids erwärmt. Wenn die Fluidstromgeschwir.-digkeit zunimmt, nimmt auch die Wärmeverlustgeschwindiqkeit des Fühlers zu und verursacht einen Abfall der Temperatur des Fühlers. Wenn der Fühler mit einer geeigneten elektrischen Schaltung verbunden ist, kann der Widerstandsabfall des Fühlers entsprechend diesem Temperaturabiall bestimmt und damit kann eine Anzeige der Fluidströmungsgeschwindigkeit erhalten werden. Es ist auch möglich, die Strömungsgeschwindigkeit aus dem zusätzlichen Heizstrom in dem Fühler zu ermitteln, der erforderlich ist, um diesen Widerstandsabfall zu verhindern,

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Um den Fühlerkreis vor. der Temperatur des F Iu id st r cms urabhängig zu machen, wird üblicherweise ein zweiter Eezunswiderstandsthennometerfühler vorgesehen. Die heider Fühler werden dann in einer Schaltung angeordnet, dir nur auf die Änderungen des Verhältnisses der Widerstandswerte der beiden Fühler anspricht.

Eine elektrische Schaltungsanordnung, die auf Änderungen der Wärmeverlustgeschwindigkeit eines Widerstandsthermometer fühle rs anspricht, zeichnet sich gemSß der Erfindung aus durch eine Brückenschaltung irit einem ersten und einem zweiter. Zweig, die parallelgeschaltet sind, wobei der erste Zweig aus einem ersten Widerstandsthenrometerfühler, die parallelgeschaltet sind, und einem ersten Abgleichspunkt in Reihe zu dem ersten Widerstandstherrometerfühler besteht und die drei Widerstandsthermometerfühler dicht beieinanderliegerde Werte haben, und der zweite Zweig aus einem ersten und einem zweiten Widerstand besteht, die an einem zweiten Ahgleichspunkt in Reihe geschaltet sind, und durch einen Differentialverstärker, dessen Eingänge zwischen den ersten und zweiten Abgleichspunkt geschaltet sind und dessen Ausgang zur Steuerung des Stromflusses in der Brückenschaltunci geschaltet ist, wobei die Anordnung derart ist, daß der Differentialverstärker die Brückenschaltung bei einem endlichen Strom, der in den Widerstandsthermometerfiihlern fließt, ins Gleichgewicht bringt.

Die vorherige und anderswo erfolgende Bezugnahme darauf, daß die drei Widerstandsthermometerfühler "dicht beieinanderliegende Werte" haben, soll angeben, daß die Parameter, der Gefrierpunktwiderstand und der Widerstandstemperaturkoeffizient dieser drei Fühler im wesentlichen gleich sind. Es ist wichtig, daß die Fühler in dieser Hinsicht einander angepaßt sind, um sicherzustellen, daß die Schaltungsanordnung von Änderungen der

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Umgebungstemperatur im wesentlicher unabhängig ist oder daß sie so ausgebildet werder kann, daß sie eine bestimmte Temperaturabhängigkeit hat, wie gezeigt werden wird. Die Anpassung, die für die Durchführung der Erfindung erforderlich ist, hängt von der besonderen Anwendung ab. Fenn die Schaltungsanordnung sehr empfindlich und in einem weiten Bereich vor. Umgebungstemperaturen verwendet werden soll, muß die Anpassung genauer sein als wenn eine niedrige Empfindlichkeit bei nahezu konstanten Temperaturhedingungen erforderlich ist.

Wenn die drei Widerstandsthermometerfühler in der obigen Schaltungsanordnung gleiche Temperatur haben, ist die Brückenschaltung im Gleichgewicht, wenn der erste und zweite Widerstand relative Werte im Verhältnis von 2:1 haben. Der endliche Strom, der durch die Widerstandsthermometerftihler fließt, bewirkt jedoch eine Widerstandserhitzung. Der Stromfluß in dem ersten Widerstandsthermometerfühler ist zweimal so groß wie der in dem zweiten oder dritter Widerstandsthermoroeterftthler fließende Stron. Der Wärmeverlust in dem ersten Widerstandsthermometerfühler ist daher viermal so groß wie in dem zweiten oder dritten Fühler. Wenn daher die drei Fühler der gleichen oder einer ähnlichen kühlenden Umgebung ausgesetzt werden, ist die Temperatur des ersten Widerstandstherxnometerfühlers höher als die des zweiten oder dritten. Um die Brückenschaltung bei einem endlichen Stronfluß durch die Fühler ins Gleichgewicht zu bringer, kann der erste Widerstand einen Wert haben, der nicht ganz zweimal so groß wie der Wert des zweiten Widerstandes ist. Bei dieser Anordnung ist die Schaltungsanordnung von der Umgebungstemperatur im wesentlichen unabhängig. Ein dritter Widerstand kann in Reihe zu der Parallelschaltung des zweiten und dritten Widerstandsthermometerfühlers vorgesehen werden, dessen Wert ein Bruchteil des Gefrierpunktwiderstandswertes des zweiten und dritten Fühlers ist, die parallelgeschaltet sind. Dieser dritte Widerstand führt zu einem bestimmten Grad an Temperatur-

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abhängigkeit, der in bestimmten Anwendung??fSller erwünscht sein kann. Bei jeder Anordnung steuert der Pifferentialverstärker den in der Brückenschaltung fließender Strom, so daß der erste Fühler auf einer geeigneten Temperatur ist, um die Brückenschaltung ins Gleichgewicht zu bringen.

Wenn die Wärneverlustgeschwindigkeit des ersten Fühlers sich ändert und bewirkt, daß der Fühler wärmer oder kalter wird, spricht die Schaltungsanordnung an und verrinaert oder erhöht den Stror:, der in der Brückenschaltunn fließt, um das Gleichgewicht wieder herzustellen. Die Schaltunpsanordnung spricht daher auf Änderunger der WSrmeverlustgeschwindigkeit des ersten Fühlers an und der StronfluE in der Brückenschaltung ist für diese Wärmeverlustcreschwindigkeit charakteristisch.

Vorzugsweise sind die Werte des erster und zweiter. Widerstandes mehr als fünfmal so groß wie der Gefrierpunktwiderstand jedes der drei Fühler. Es fließt dann der größere Teil des Stromes in der Brückenscha]Ltunq durch die Fühler und es tritt ein relativ kleiner Leisturgsverlust in dem zweiten und dritten Widerstand auf.

Für den richtigen Betrieb der Schaltungsanordnung sollte die Eingangsimpedanz des Differentialverstärkers im Vergleich zu den Widerstandswerten in der Brückenschaltunq hoch sein.

Die Schaltungsanordnung hat vorzugsweise eine Einrichtung zum Anschluß einer Direktspannungsquelle an die Brttckenschaltung und eine Stromsteuereinrichtuno in Reihe zu der Anschlußeinrichtung, die mit dem Ausgang des Differentialverstärkers verbunden ist, um den Stromfluß in der Anschlußschaltung zu der Brückenschaltung zu steuern. Der DifferentialverstHrker kann wenigstens einen Betriebsspannungsanschluß an die Anschlußeinrichtung zwischen der

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Stromsteuereinrichtung und der Brückenschaltung haben.

Die Anschlußeirrichtung kann zwei Anschlüsse zur Verbindung Fit einer Gleichspannunqsquelle haben, so dai* die Brückenschaltung, der Differentialverstärker, die Arschlußeinrichtung und die Stromsteuereinrichtung einen Zweidraht-Übertrager bilden. Ein Zweidraht-Ubertrager ist eine elektrische Signalvorrichtung, die den Anschluß von nur zwei Leitungen erfordert, um die Vorrichtung mit Energie zu versorgen und eine Signalleitung von der Vorrichtung zu einer entfernten Stelle zu bilden. Die Signale erscheinen als Stromänderungen auf den Versorgungsleitungen. Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bildet einen Zweidraht-Übertrager, da es nur notwendig ist, eine Spannungsquelle an die beiden Anschlüsse anzuschließen, um die Schaltungsanordnung zu aktivieren. Der Differentialverstärker entnimmt dann seine Energie der angeschlossenen Quelle. Der Strombedarf eines geeigneten DifferentialverstSrkers ist jedoch klein im Vergleich zu dem Strom, der in der Brückenschaltung fließt und erforderlich ist, um die Brückenschaltung ins Gleichgewicht zu bringen. Der der Quelle durch die Schaltungsanordnung entnommene Strom ist daher für die WSrmeverlustgeschwindigkeit des ersten Widerstandsthermometerfühlers charakteristisch.

Weiterhin wird vorgeschlagen, eine Gleichspannungsquelle und einen Strommesser in Reihe zu dieser entfernt von dem Zweidraht-Übertrager und einen Zweidraht-Anschluß von der Quelle und dem Strommesser zu der. beiden Anschlüssen vorzusehen.

Zweckmäßigerweise bestehen die drei Widerstandsthermometerfühler jeweils aus einem leitenden, mit Platin angereicherten glasigen Film, der auf ein isolierendes Substrat aufgebracht ist. Solch ein Fühler kann als langgestrecktes rechteckiges Plättchen ausgebildet sein.

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Solche flachen Verrichtungen mit einem aufgebrachten Film können relativ billig mit Gefrierpunktwiderstandsverten mit geringen Toleranzen hergestellt werden. Solche Vorrichtungen haben auch relativ niedrige themische Kapazitäten und sprechen relativ schnell auf Änderungen der Umgebungstemperatur oder Kühlanforderurgen ar. Bei Verwendung in der Schaltungsanordnung der Erfindung sprechen die Flachfilmfühler schnell an und erzeugen eine entsprechend schnelle Änderung des Stromes, der erforderlich ist, um die Brückenschaltung wieder ins Gleichgewicht zu bringen.

Bei einem Anwendungsfall der Schaltungsarordnung der Erfindung besteht eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids aus der Schaltungsanordnuna in Verbindung mit einer Einrichtung, um die drei Vliderstandsthermometerfühler dem Fluidstron auszusetzen, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Die W£rmeverlustgeschwindigkeit der Fühler hängt von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ab. Da der erste Fühler eine höhere Temperatur als der zweite und dritte Fühler hat, kühlt eine Änderung der Fluidströmungsgeschwindigkeit den ersten Fühler mehr als den zweiten und dritten Fühler, so daß die Brückenschaltung verstimmt wird und eine entsprechende Änderung des in der Brückenschaltung fließenden Stromes erforderlich ist, um sie wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Der Stromfluß in der Prückenschaltung ist somit für die Fluidströmungsgeschwindigkeit charakteristisch. Damit die Schaltungsanordnung bei dieser Anwendung von der Umgebungstemperatur unabhängig ist, wird eine Anordnung verwendet, bei der der erste Widerstand einen Wert hat, der etwas wenigerals zweimal so groß wie der Wert des zweiten Widerstandes ist, und es wird kein dritter Widerstand vorgesbhen, wie zuvor beschrieben wurde.

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Zweckmäßigerweise besteht die Einrichtung, um die Fühler dem Fluidstrom ausziisetzen, aus einem rechteckigen Venturirohr, das in dem Fluidstrom angeordnet ist, wobei die drei Fühler so angeordnet sind, daß sie mit der Innenseite des Venturirohrs bündig sind. Vorzugsweise sind die Fühler in einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit angeordnet, so dal? der Wärmeverlust der Fühler durch Leitung durch den Körper der Vorrichtung relativ niedrig ist.

Bei einer weiteren Anwendung der Schaltungsanordnung besteht eine Vorrichtung zur Bestimmung der änderungen der Wärmeleitfähigkeit eines Gases aus der Schaltungsanordnung in Verbindung mit einer Einrichtung, um die drei Widerstandsthermometerfühler dem Gas auszusetzen. Der Strom, um die Brückenschaltung ins Gleichgewicht zu bringen, hängt dann von der thermischen Leitfähigkeit des Gases ab. Diese Verrichtung ist besonders zur Bestimmung der Konzentration eines Gases in einem anderen geeignet, wenn die beiden Gase verschiedene Wärmeleitfähigkeiten haben. Um die Wirkung von Änderungen der Wärmeleitfähigkeit des Gases oder des Gasgemischs mit der Temperatur auf die Vorrichtung auf ein Minimum zu bringen, ist der dritte Widerstand in Reihe zu der Parallelschaltung des zweiten und dritten Widerstandsthermometerfühlers vorgesehen, und der erste und dritte Widerstand haben Werte, die so gewählt sind, daß die Temperaturabhängigkeit der Vorrichtung minimal ist. Eine theoretische Erläuterung zur Wahl geeigneter Werte erfolgt später.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1a und 1b eine Seitenansicht bzw. eine Vorderansicht einer Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids mit

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einer Schaltiirgsanordnunn der Frfirc'ung,

Figur 2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, die auf Änderungen der WSrmeverlustgeschwinr'icrkeit eines Widerstandsthermometerffihlers anspricht,

Figur 3 eine Sonde zur Bestimmung der WÄrraeleitfähigkeit fester faterialier, und

Figur 4 eine graphische Darstellung der des Stroms von der absoluten Temperatur, aus der die Arbeitsweise der Vorrichtung mit einer Schaltungsanordnung der Erfindung bei Anwenduna als Strahlungspyrometer hervorgeht.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, die auf änderungen der Wärmeverlustgeschwindigkeit eines Widerstandstherrometerfühlers anspricht. Eine Brückenschaltung hat einen ersten Zweig, bestehend aus einem Widerstandsthermometerfühler 3, der mit einem zweiten und dritten Widerstandsthermometer ftihler 1 und 2 in Reihe geschaltet ist, die parallelgeschaltet sind. Die Brücken schaltung hat einen zweiten Zweig, bestehend aus einem ersten Widerstand 9 in Reihe mit einem zweiten Widerstand 10. Die beiden Zweige der Brückenschaltung sind parallelgeschaltet. Ein Differentialverstärker 11 ist mit einem Eingang mit dem Verbindungspunkt «wischen dem ersten Wlderstandstherrrometerfühler 3 und den parallelgeschalteten Widerstandsthermometer fUhlern 1 und 2 und mit dem zweiten Fingang mit äeati Verbindungspunkt der beiden Widerstände 9 und 10 verbunden. Der Verbindungspunkt des Fühlers 3 mit den parallelgeschalteten Fühlern 1 und 2 bildet den ersten Abgleichspunkt der Brückenschaltung und der Verbindungspunkt der beiden Widerstünde 9 und 10 bildet den zweiten Abgleichspunkt der Brückenschaltung.

Von einer Spannungsquelle 20, die mit einem Stronmeßgerat 21 in Eeihe geschaltet ist, wird eine Gleichspannunq an

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die Brückenschaltung angelegt. Das Meßgerät 21 ist mit der einen Seite der Brückenschaltung über eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Schutzdiode 19 und eine weitere in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode 15 verbunden. Der negative Anschluß der Spannungsquelle 20 ist mit der anderen Seite der Brückenschaltung über eine Stromsteuereinrichtung und eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode 16 verbunden.

Die Stromsteuereinrichtung besteht aus einem Flächentransistor 13, dessen Stromfluß von einem Feldeffekttransistor 12 gesteuert wird, dessen Drain-Source-Strecke zwischen die Basis und den Kollektor des Flächentransistors 13 geschaltet ist. Der Ausgang des Differentialverstärkers 11 ist mit der Steuerelektrode des FET 12 verbunden. Der Stromfluß in der Brttckenschaltung wird somit entsprechend dem AusgangssJgnal des Differentialverstärkers 11 gesteuert.

Die Betriebsspannung für den Verstärker 11 wird an den Punkten 17 und 18 abgenommen, wobei der Punkt 18 zwischen dem Transistor 13 und der Brückenschaltung liegt. Die Dioden 15 und 16 dienen zur Erzeugung eines zusätzlichen Spannungsabfalls, so daß eine ausreichende Versortruncrsspannung zwischen den Punkten 17 und 18 zum Betrieb des Verstärkers 11 vorhanden ist. Die Diode 19 schützt die Schaltungsanordnung gegen die VJirkungen einer versehentlichen Umkehr der Spannungsquellenanschlüsse.

In bestimmten Anwendungsfällen der Schaltungsanordnung der Fig. 2 ist ein dritter Widerstand 22 in Reihe zu den parallelgeschalteten Fühlern 1 und 2 vorgesehen.

Weitere Einzelheiten der Schaltungsanordnung der Fig. ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Anwendungsfällen der Schaltungsanordnung. In diesen Anwen-

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dungsfällen sind die drei Widerstandsthermometerfühler 1, 2 und 3 als auf isolierenden Substraten abgelagerte glasartige leitende Filme gebildet. Solche Filme können durch Bedrucken eines geeigneten Substrats aus z.B. Aluminiumoxid mit Glasfarbe und Platinmetallpartikeln gebildet werden. Das bedruckte Substrat wird dann getrocknet und gebrannt, um den glasigen leitenden Film zu bilden, der ähnliche temperaturabhängige Eigenschaften wie Platin hat. Das Substrat und der Film wird dann üblicherweise mit einem Schutzglasüberzug versehen. Der fertige Fühler hat typischerweise die Form eines langgestreckter. Rechtecks.

Ein erster Anwendungsfall der Schaltungsanordnung der Fig. 2 kann in einem Strömungsmesser verwendet werden, wie er in den Fig. 1a und 1b dargestellt ist, die diese drei Widerstandsthermometerfühler 1, 2 und 3 so angeordnet zeigen, daß sie mit der Innenwand eines rechteckigen Venturirohrs 4 bündig abschließen. Das flache Profil der zuvor beschriebenen Sensoren in Form eines aufgebrachten Films ermöglicht es, sie in der Wand des Venturirohrs mit den bedruckten Flächen der Fühler bündiq mit der Wand und zum Inneren des Venturirohrs freiliegend anzuordnen. Die Fühler sind in einem Bereich 5 des Venturirohrs angeordnet, der aus einem Material gebildet ist, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, so daß die Fühler gegen den Körper des Venturirohrs im wesentlichen wärmeisoliert sind. Das Venturirohr ist mittels einer Strebe 7 an der Wand 8 einer Leitung oder einer ähnlichen Vorrichtung befestigt, in der die Geschwindigkeit eines Fluidstroms kontrolliert werden soll. Die Fühler 1, 2 und 3 sind mit dem übrigen Teil der Schaltungsanordnung der Fig. 2 verbunden, der in einem Gehäuse 6 enthalten ist, das an dem Venturirohr 4 angeordnet ist.

In dem in den Fig. 1a und 1b gezeigten Venturirohr sind die Fühler 1,2 und 3 mit ihren Längsachsen quer zur

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Strömungsrichtung angeordnet. Die Fühler können jedoch auch mit ihren Langsachsen im wesentlichen ausgerichtet zur Ströraungsrichtung angeordnet sein. In diesem Falle können die Fühler in den Wänden eines Ver.turirohrs mit kreis formieren Querschnitt angeordnet sein. Die Fühler sind dann vorzugsweise nebeneinander in ümfangsrichtung versetzt um das Venturirohr angeordnet.

Bezugnehmend auf die Schaltungsanordnung der Fi<?. 2 haben die Fühler 1,2 und 3 Gefrierpunktwiderstänöe R_Q und Widerstandsterperaturkoeffizienten oj , die dicht beieinander liegen. Es ist daher ersichtlich, daß, un eine abgeglichene Brückenschaltung zu erhallten, wenn alle Fühler auf der gleichen Temperatur sind, der Wert R- des ersten Widerstands 9 zweimal so groß wie der Wert P₂ des zweiten Widerstands 10 sein sollte. Jedoch wird R₁ etwas größer als dieser Wert gemacht, so daß:

R₁ - 2 R₂ +Λ R₁ (D

(in diesem Beispiel 1st der Wert R₃ des dritten Widerstands 22 Hull).

R₁ wird viel größer als, wenigstens fünfaal so groß wie der Widerstandswert R- jedes WiderstandsthermoraeterfSMers bei der Qrogebungstenperatur τ gemacht. Berücksichtigt man die Situation, wenn ein kleiner Strom i in der Leitung 14 fließt, das heißt durch die Brückenschaltung, dann wird die Brücke verstiitmt, wenn der Strom 1 nicht ausreicht, um. eine wesentliche Erwärmung der Widerstandsthentameterfühler zu veranlassen. Die Unsymnetriespannung Vb ist nSherungsweise gegeben durch:

Diese Unsyimetriespannung wird von den» Verstärker 11 verstärkt, der den FEt 12 veranlaßt^ den Transistor 13 zu

öffnen und einen größeren Strom zu leiten. Tm wesentlicher der gesamte Strom i fließt in dem Zweig ä.er Brfickenschaltung, der dir Widers tandstherir.ometprfühler enthalt, da der Widerstand des anderen Zweigs viel größer ist. Dieser erhöhte Stron bewirkt eine Erwärmung der Fühler 1, 2 und 3, jedoch ist der Frwt>'rmungsef fekt in dem Fühler 3 viermal so groß wie in dem Fühler 1 oder 2, da nur der halbe Ftrorr in den Fühlern 1 und 2 fließt und der Frwäriruncrseffekt proportional dem Quadrat des Stroms ist.

Der Widerstand des Fühlers 3 wird soirit relativ zu den Widerständen der Fühler 1, 2 erhöht, so daß das Bestreber besteht, die Brückenschaltung wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Der Verstärker 11 hat eine hohe Verstärkung, so daß die Schaltungsanordnung die Brf.-ckenschaltung im wesentlichen im Gleichgewicht hält, wobei Vb im wesentlichen Null ist.

Der Strom in der Leitung 14, der notwendig ist, um den Fühler 1 einige Grad heißer als seine Umgebung zu halten, ist näherungsweise gegeben durch:

i =/ —i^-j · (kA + B vfkV)¹ (3)

wobei ^Rf₁I die Zunahme des Fühlerwiderstandes entsprechend dem Temperaturanstieg gegenüber der Umgebung, k die Wärmeleitfähigkeit des Fluids, dem die Fühler ausgesetzt sind,

V die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist, und A und B Konstante sind.

Die Schaltungsanordnung der Fig. 2 arbeitet somit derart, daß:

(4)

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so daß —-—J konstant ist.

Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Fluids korstnnt ist, gilt:

1
i = C(D + \fv)⁷ (5)

wobei C und D Konstante sine¹.

Obwohl die obigen Gleichungen genau genommen nur auf zylindrische Körper anwendbar sind, die der Strömuncr völlig ausgesetzt sind, gelten sie in der Praxis ausreichend gut für Fühler in Form eines aufgebrachten Films, die an der Wand des Venturirohrs angeordnet sind, wie Fig. 1 zeigt.

Bei einem besonderen Versuch unter Verwendung von Luft als Fluid und Wahl der Größe von R₁ derart, daß sich ein Temperaturanstieg von etwa 2,5°C für den Fühler 3 ergab, betrug der Strom i bei der Strömungsgeschwindigkeit Null 10 mA, der sich bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 m pro Sekunde auf 20 mA erhöhte.

Es ist ersichtlich, daß die Schaltungsanordnung den Strom i so einstellt, daß er ausreicht, um der Fühler 3 einige Grad Celsius über die örtliche Umgebungstemperatur zu erwärmen. Dieser Strom ist somit ein Naß des Wärmeverlustes des Fühlers 3 und die Schaltungsanordnung spricht auf Änderungen der Wärmeverlustgeschwindigkeit an. Da der Wärmeverlust von der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids über den Fühler abhängt, ist der Strom für diese Strömungsgeschwindigkeit charakteristisch.

Der Verstärker 11 hat einen geringen Leistungsbedarf, so daß der der Spannungsquelle 20 entnommene Strom, der von dem Strommeßgerät 21 gemessen wird, im wesentlichen gleich dem Strom i ist, der in der Leitung 14 fließt. Bei einer praktischen Ausfuhrungsform sind die Spannungsquelle 20 und das Meßgerät 21 von dem übrigen Teil der Schaltuncis-

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anordnung der Fig. 2 entfernt angeordnet, der damit durch Leitungen 32 und 33 verbunden ist, die mit Anschlüssen 30 und 31 verbunden sind. Die die Brückerschaltung, den Verstärker 11 und die Transistoren 12 und 13 zusammen mit den Anschlüssen 30 und 31 umfassende Schaltungsanordnung bildet somit einen Zweidraht-Übertrager, dar nur der Anschluß der beiden Leitungen 32 und 33 zur Spannungszufuhr für die Schaltungsanordnung und als Signalleitungen erfordert.

Der Aufbau des in den Fig. 1a und 1b gezeigten Strömungsmessers ist besonders zweckmäßig, da er leicht gereinigt werden kann, den Fluidstrom nicht wesentlich behindert, robust ist und durch das Vorhandensein von Staub in einem gasförmigen Fluid nicht beschädigt oder beeinflußt wird. Die Verwendung von Fühlern in Form eines aufgebrachten Films wie die Fühler 1, 2 und 3 überwindet die Probleme der Änderung der inneren Wärmeübertragungseigenschaften, die für übliche Arten von Fühlern typisch sind. Der gute thermische Kontakt zwischen dem Film und dem Substrat der Fühler ermöglicht es den Fühlern, auf relativ kleine Änderungen der Umgebungstemperatur oder der Kühlgeschwindigkeit schnell und genau anzusprechen. Wegen der obigen erhöhten Genauigkeit der Fühler in Form eines aufgebrachten Films ermöglicht es ihre Verwendung, daß die Schaltungsanordnung der Fig. 2 mit relativ niedrigen Spannungen arbeitet, so daß der Strömungsmesser in der Schaltungsanordnung als eigensicher angesehen werden kann. Der Strömungsmesser mit den Druckfilmfühlern ist besonders in gefährlicher Umgebung wie bei der Messung der Luftströmungsgeschwindigkeiten in Kohlenbergwerken oder bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Wasserstoff geeignet.

Der Aufbau des Strömungsmessers in den Fig. 1a und 1b ist nicht wesentlich. In bestimmten Fällen ist es vorzuziehen, die Fühler 1, 2 und 3 direkt in der Oberfläche eines Rohrs oder einer Leitung ohne Verringerung der

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Querschnittsfläche zur Bildung eines Venturirohrs anzuordnen. In anderen Fällen, insbesondere in sehr kleinen Rohren oder Leitungen, können die Fühler in dem Rohr ohne ein Tragelement aufgehängt werden. In diesem Falle geht jedoch der Vorteil der leichten Reinigung der Fühler verloren.

Bei einer anderen Anwendung kann die Schaltungsanordnung der Fig. 2 zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Gases oder eines Gasgemischs verwendet werden. Es bestehen wesentliche Unterschiede der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Gase, so daß ein Instrument, das ein Ausqangssignal liefert, das für die Wärmeleitfähigkeit eines Gases charakteristisch ist, zur Messung der Konzentration eines Gases in einem anderen oder zur Ermittlung des Vorhandenseins geringer Mengen eines Gases in einem anderen verwendet werden kann.

Aus der obigen Gleichung (3) ergibt sich bei der Strömungsgeschwindigkeit Null:

1
kA ^? (6)

Es ist wichtig, daß die Fühler in dem Gas so aufgehängt sind, daß vermieden wird, daß ein wesentlicher Anteil der Wärme durch Leitung in den Aufhängungen oder dem Wandmaterial verlorengeht, und es ist auch wichtig, sicherzustellen, daß kein wesentlicher Gasstrom über den Fühlern auftritt.

Die Wärmeleitfähigkeit von Gasen steigt mit zunehmender Temperatur, so daß die Gefahr besteht, daß Ä'nderunaen der Gastemperatur Änderungen der Gaszusammensetzung, d.h. der Wärmeleitfähigkeit, überdecken oder mit diesen verwechselt werden. Diese Gefahr kann vermieden oder

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auf ein Minimum gebracht werden, wenn die Größe

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so ausgebildet wird, daß sie sich mit der Temperatur des Gases nicht ändert.

über dem normalen üirgebungstemperaturbereich kann die Wärmeleitfähigkeit der meisten Gase wiedergegeben werden durch:

k_t = k_o (1 ₊a_t)

wobei k_t die Wärmeleitfähigkeit bei t ⁰C, K_o die wärmeleitfähigkeit bei O⁰C und p eine Konstante ist. Für Luft und andere Gase, die von ihren kritischen Punkten entfernt sind, ist B etwa gleich 0,00315. Im Falle von leichter kondensierbaren Gasen und Dämpfen ist der ivert größer (z.B. 0,0048 für Kohlensäure).

Bei der zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung hat für

R- gleich O die Größe —==— keinen Temperaturkoeffizienten,

Ä^R1
da sie gleich —=— ist. Wenn jedoch die Schaltungsanordnung

^R1

geändert wird, so daß AR₁ = 0 (d.h. so, dal? R₁ = 2R₂) und der dritte Widerstand 22 einen endlichen Wert R₃ erhält, ist die Brtickenschaltung im Gleichgewicht, wenn der Widerstand des Fühlers 3 den der Fühler 1 oder 2 um die Größe 2R₃ überschreitet. In diesem Falle ist &R- - 2R_ und die obige Gleichung (6) wird zu:

(7) ^x "T

/ O D

«t> ' ^Ko ^{(1 +} /^> ^Al ⁽⁸⁾

wobei o( der Temperaturkoeffizient des Widerstandes der Fühler 1, 2 und 3 ist.

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Idealerweise ist, wenn o( = γ , der Stron i keine Funktion der Temperatur. In der Praxis beträgt der Wert von d für einen Platinwiderstand 0,00385 und liegt zwischen dem Wert von Ii für Luft und andere Permanentgase und den Werten, die zu den kondensierbaren Gasen gehören.

Wenn die Vorrichtung verwendet wird, uir. dap Vorhandensein geringer Mengen eines Gases in einem anderen Gas (typischerweise Luft zu ermitteln, ist es wichtig, daß die Vorrichtung nicht auf Temperaturänderungen in dem Hauptbestandteil des Gemische, z.B. Luft, anspricht. Dies kann durch Wiedereinführen des Widerstandes jiR. erreicht werden, so daß die Brückenschaltung im Gleichgewicht ist für:

^RT - ! ^2R3 ⁺ ύ;

d.h.: AR₁, = 2R₃ + -£-! · R_o (1 + o( t) (10)

_{1 0}
Wenn R₄ = -JL-S '

^R4 gilt AR₁ = (2R₃ + R₄) (1 + o( t) (11)

^R4 Somit kann der Temperaturkoeffizient (-sr=— · o( )

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von Null (wenn R₄ Null und damit AR₁ Null ist) bis o( (wenn R₃ Null ist) geändert werden. Dies ermöglicht es, den effektiven Temperaturkoeffizienten des Verhältnis-

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ses so einzustellen, daß er an den Temperaturkoef-

fizienten k der Leitfähigkeit des Gases, der gemessen werden soll, angepaßt ist, vorausgesetzt, daß k in dem Bereich von Null bis 0,00385 liegt.

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Wenn die Vorrichtung verwendet wird, um das Vorhandensein anderer Gase in Luft zu ermitteln, können die Werte von R-, und Jl₄R-I so gewählt werden, daß der Strom i von der Lufttemperatur unabhängig ist. Änderungen des Stromes i müssen dann durch das Einbringen eines anderen Gases verursacht werden. Die Änderung des Stroms i hängt von der Differenz zwischen der Wärmeleitfähigkeit des eingebrachten Gases und der der Luft ab. Das Extrem läßt sich dadurch veranschaulichen, daß ein Instrument betrachtet wird, das so eingestellt wird, daß es 10 mA in Luft aufnimmt. Wenn die Fühler in Schwefeldioxid sind, wird der Strom auf 5,7 mA. verringert und steigt in Wasserstoff auf 26,7 mA..

Besondere Anwendungen der zuvor beschriebenen Technik sind die Kontrolle von Wasserstoff/Stickstoff-Gemischen bei der Stahlverarbeitung oder die Zusammensetzung von Krackoder Reformiergas, die Knallgasflammensteueruna oder die Kontrolle der Kohlendioxidkonzentration in Fruchtlagern oder der Bodenbearbeitung.

Die Anwendung der Schaltungsanordnung bei der Fessung der Leitfähigkeit ist nicht auf Gase begrenzt. Die drei Fühler 1,2 und 3 können so angeordnet werden, daß sie nit der Oberfläche einer Sonde bündig sind, wie Fig. 3 zeigt. Die Fühler sind in einem thermisch isolierenden Stab 24 der Sonde angeordnet, die einen Griff 23 und eine Stahlspitze 25 hat. Die Sonde kann dann in verschiedene Materialien eingesetzt werden, um eine Anzeige der Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Z.B. kann die Probe zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Sand oder Erde, die Frischheit von Fleisch oder Fisch, die Struktur von Brot oder Kuchen usw. verwendet werden. Bei einigen dieser Anwendungsfälle können die schnellen Änderungen des Stromes i beim Einsetzen in das Material auch eine Information über die Zusammensetzung bzw. den Charakter des Materials geben.

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Bei einer weiteren Anwendung kann die Schaltungsanordnung als Strahlungspyrometer verwendet werden. Wenn die Fühler und 2 so angeordnet sind, daß die Strahlungswärme irgendeiner Quelle auf sie fällt, nicht jedoch auf den Fühler 3, wird die BrUckenschaltung verstimmt, was die Erhöhung des Stroms i zur erneuten Symmetrierung durch entsprechende Erhöhung der Temperatur des Fühlers 3 erfordert. Dieses Verfahren würde jedoch zu relativ langen Ansprechzeiten führen, da die Temperatur der Fühler 1, 2 und 3 geändert wird, wenn sie der Strahlung ausgesetzt werden. Eine bessere Möglichkeit besteht darin, die Strahlunoswärme auf den Fühler 3 und nicht auf die Fühler 1 und 2 fallen zu lassen. Das Ergebnis ist eine Abnahme des Stroms i, wenn die Strahlungsenergie zunimmt, wobei die Temperatur des Fühlers 3 ungeändert bleibt. Nimmt man die Temperatur des Strahlungspyrometers zu 3OO°k an, folgt der Strom i einer Gesetzmäßigkeit der Form:

- b (T* - 30O⁴)

wobei a und b Konstante sind und T die Temperatur der Strahlungsquelle in Grad Kelvin ist. Ein typisches Diagramm solch einer Funktion ist in Fig. 4 gezeigt.

K'ine Möglichkeit, zu erreichen, daß die Strahlung die Fühler 1 und 2 nicht erreicht, besteht darin, sie mit einem stark reflekierenden Material zu überziehen, während der Fühler Ί mit einem stark absorbierenden Material überzogen wird.

Bei einer weiteren Anwendung kann die Schaltungsanordnung der Fig. 2 ale Detektorsystem in einem Infrarotanalysator dadurch verwendet werden, daß z.B. der Meßstrahl auf den Fühler 3 und der Bezugsstrahl auf die Fühler 1 und 2 fällt, Auch können die Fühler 1, 2 und 3 mit Materialien unter-

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schiedlicher SpektralabsorptionsbSnder überzogen werden, wenn sie mit einer breitbandigen Infrarotstrahlung bestrahlt werden. Ordnet man ein Gas (oder eine transparente Flüssigkeit oder einen transparenten Festkörper) zwischen der Quelle und den Fühlern ar, das eine wesentlich unterschiedliche Absorption in den Bändern hat, die zu den beiden Uberzugsmaterialien gehören, werden eine Brückenverstimmung und eine kompensierende Änderung des Stromes i hervorgerufen. Wenn es erforderlich ist, die auftreffende Strahlung mit einer ausgeschnittenen Scheibe zu zerhacken, kann die Schaltungsanordnung so ausgebildet werden, daß sie eine sich über einige Hertz erstreckende Frequenzcharakteristik hat. ·

Bei dem weiteren Anwendungsfall kann die Schaltung als Pegeldetektor verwendet werden, wobei die drei Fühler so angeordnet sind, daß sie eingetaucht werden, wenn die Flüssigkeit einen bestimmten Pegel erreicht. Der Strom i der Schaltungsanordnung ist relativ niedrig, wenn die Fühler in Luft sind und steigt abrupt an, wenn die Fühler eingetaucht sind.

Da die thermische Leitfähigkeit eines Gases unter einiaen Millimetern Quecksilbersäule vom Druck abhängig wird, kann der zuvor beschriebene Wärmeleitfähigkeitsmesser als Vakuummesser z.B. als Alternative zu dem Pirani-Messer verwendet werden. Der Wärmeleitfähigkeitsmesser kann auch als Detektorelement in Gaschromatographen verwendet werden.

Der zuvor beschriebene thermische Strömungsmesser kann als Detektor in besonderen Gravitätsmeseern verwendet werden, die auf der Gravitationstrennung eines Gasstroms in obere und untere Ströme beruht. Im allgemeinen spricht die beschriebene Schaltungsanordnung auf jede Änderung

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der Wäxmeübertragungseigenschaften an, die alle Fühler auf einmal oder einen von diesen beeinflußt. Die Schaltungsanordnung kann daher verwendet werden, um auf solche Vorgänge wie Änderungen der Verdampfungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeitsschicht oder exotherme oder endotherme Reaktionen an der Oberfläche der Fühler, die z.B. durch kathalytische Schichten unterstützt werden, ansprechen.

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Claims

Ansprüche

'Elektrische Schaltungsanordnung, die auf Änderungen der Wärmeverlustgeschwindigkeit eines Widerstardsthermometerfühlers anspricht, gekennzeichnet durch eine Brückenschaltung mit einem ersten und einem zweiten Zweig, die parallelgeschaltet sind, wobei der erste Zweig aus einem ersten Widerstandsthermometerfühler (3) und einem zweiten und dritten Widerstandsthermometerfühler (1, 2), die parallelgeschaltet sind, und einem ersten Abgleichspunkt in Reihe zu dem ersten Widerstandsthermometerfühler (3) besteht und die drei Widerstandsthermometerfühler (1 bis 3) dicht beieinanderliegende Werte haben, und der zweite Zweig aus einem ersten und einem zweiten Widerstand (9, 10) besteht, die an einem zweiten Abgleichspunkt in Reihe geschaltet sind, und durch einen Differentialverstärker (11), dessen Eingänge zwischen den ersten und zweiten Abgleichspunkt geschaltet sind und dessen Ausgang zur Steuerung des Stromflusses in der Brückenschaltung geschaltet ist, wobei die Anordnung derart ist, daß der Differentialverstärker die Brückenschaltung bei einem endlichen Strom, der in den Widerstandsthermometerfühlern fließt, ins Gleichgewicht bringt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte des ersten und zweiten Widerstandes (9, 10) fünfmal so groß wie der Gefrierpunktswiderstand jedes der drei WiderStandsthermometerfühler (1 bis 3) ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (30, 31, 19, 15, 16) zum Anschluß einer Gleichspannungsquelle an die Brückenschaltung, und durch eine Stromsteuereinrichtung (12, 13) in Reihe zu der Anschlußeinrichtung (30, 31, 19, 15, 16), die mit

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dem Ausgang des Differentialverstärkers zur Steuerung des Stromflusses in der Anschlußeinrichtung an die Brückenschaltung verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialverstärker (11) wenigstens einen Betriebsspannungsanschluß (17, 18) zur Verbindung Fit der Anschlußeinrichtung (30, 31, 19, 15, 16) zwischen der Stromsteuereinrichtung (12, 13) und der Brückenschaltung hat.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußeinrichtung zwei Anschlüsse (30, 31) zur Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle

(20) hat, so daß die Brückenschaltung, der Differentialverstärker (11), die Anschlußeinrichtung (30, 31, 19, 15, 16) und die Stromsteuereinrichtung (12, 13) einen Zweidrahtübertrager bilden.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Gleichspannungsquelle (20) und einen Strommesser

(21) in Reihe dazu, die entfernt von dem Zweidrahtübertrager angeordnet sind, und durch einen Zweidraht-Anschluß (32, 33) von der Spannungsquelle und dem Strommesser zu den beiden Anschlüssen (30, 31).
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Widerstandsthermometerfühler (1 bis 3) jeweils aus einem leitenden, mit Platin angereicherten glasigen Film, der auf ein isolierendes Substrat aufgebracht ist, bestehen.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (9) einen Wert hat, der nicht ganz zweimal so groß wie der Wert des zweiten Widerstands (10) ist.

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9. Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, gekennzeichnet durch eine elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 in Verbindung reit einer Einrichtung (4 bis 7), um die drei Widerstandsthermometerfühler (1 bis 3) dem Fluidstror· auszusetzen, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4 bis 7), die die Fühler dem Fluidstrom aussetzt, aus einem rechteckigen Venturirohr (4) besteht, das in dem Fluidstrom angeordnet ist, und daß die drei Fühler so angeordnet sind, daß sie mit der Innenseite des Venturirohrs bündig sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fühler (1 bis 3) aus einem langqestreckten rechteckigen Plättchen besteht, daß die die Fühler dem Fluidstrom aussetzende Einrichtung aus einem zylindrischen Venturirohr besteht, und daß die drei Fühler bündig nebeneinander in Urofangs rieh tuner versetzt um die Innenseite des Venturirohrs angeordnet sind, wobei ihre Hauptachser auf die Achse des Venturirohrs ausgerichtet sind.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (22) in Reihe mit dem zweiten und dritten Widerstandsthermometerfühler (1, 2), die parallelgeschaltet sind, vorgesehen ist, dessen Widerstandswert (22) ein Bruchteil des Gefrierpunktswiderstandswertes des zweiten und dritten Widerstandsthermometerftihlers (1, 2), die parallelgeschaltet sind, beträgt.
13. Vorrichtung zur Bestimmung der änderungen der Wärmeleitfähigkeit eines Gasgemisches infolge Änderungen der Zusammensetzung, gekennzeichnet durch eine Fchal-

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tungsanordnung nach Anspruch 12 und eine Einrichtuno, um die drei Widerstandsthermometerfühler der Gas auszusetzen, wobei die Werte des eisten und dritter Widerstandes so gewählt sind, daß die Wirkung des Temperaturkoeffizienten der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches minimal ist.

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