DE2736946A1 - Einrichtung zur dichtemessung von gasfoermigen medien - Google Patents

Einrichtung zur dichtemessung von gasfoermigen medien

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DE2736946A1 DE19772736946 DE2736946A DE2736946A1 DE 2736946 A1 DE2736946 A1 DE 2736946A1 DE 19772736946 DE19772736946 DE 19772736946 DE 2736946 A DE2736946 A DE 2736946A DE 2736946 A1 DE2736946 A1 DE 2736946A1
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    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
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Description

• I.·
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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz) Einrichtung zur Dichtemessung von gasförmigen Medien
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Dichtemessung von gasförmigen Medien, z.B. also auch von Dämpfen, wie sie bekanntermassen mit Hilfe von mechanischen Druckmessgeräten unter zusätzlicher Berücksichtigung der Tempe- ratur des Mediums als Relativmessung oder unter zusätzlicher Berücksichtigung von Materialkonstanten bzw. der Gaskonstante als Absolutmessung durchgeführt werden kann. Unter den Begriff "Dichtemessung" ist in diesem Zusammenhang auch ein quantitativer Grenzwertvergleich im Sinne einer Dichte-Grenz- Wertüberwachung zu verstehen. Die Durchführung des Grenz wertvergleiches selbst gehört dabei jedoch nicht zum Erfindungsgegenstand. Vielmehr richtet sich dieser auf die Bereitstellung eines zur Relativ-Absolutmessung und damit auch zu einer GrenzwertÜberwachung geeigneten Messsignals.
Von besonderer Bedeutung ist die Dichtemessung für die
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Ueberwachung von Isoliergasen für Schaltanlagen, vor allem das hierfür zunehmend verwendete Schwefelhexafluorid. Hier kommen in der Praxis zahlreiche Mess- und Ueberwachungsstellen innerhalb einer Anlage zum Einsatz, so dass ein er- hebliches Bedürfnis nach Vereinfachung und Verbilligung der entsprechenden Einrichtungen ohne Einbusse an Zuverlässigkeit und Genauigkeit besteht. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zur Dichtemessung, die in dieser Hinsicht einen Fortschritt gegenüber den üblichen elektro mechanischen Druckwächtern mit zusätzlicher Temperaturbe rücksichtigung ermöglicht. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Die erfindungsgemässe Einrichtung umfasst also grundsätzlieh druck- und temperaturempfindliche Messorgane oder Sensoren und vollzieht mit den entsprechenden Signalkomponenten eine Quotientenbildung, wodurch sich ein dichteabhängiges Ausgangssignal ergibt. Dabei besteht unter anderem die Möglichkeit der Aufnahme eines druckabhängigen und eines temperaturabhängigen Signals in getrennten Messwandlern mit anschliessender, multiplikativer oder quotientenbildender Ueberlagerung. Die erstgenannte Möglichkeit bedingt ein temperaturreziprokes Signal, die zweitgenannte ein .temperaturproportionales Signal für die Ueberlagerung mit dem druckproportionalen Signal. Durch die praktisch verfügbaren Wandler-
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elemente können beide Typen der Temperaturabhängigkeit im allgemeinen in gewissen Messbereichen mit ausreichender Näherung verwirklicht werden. Für die reziproke Temperaturabhängigkeit kommen dabei z.B. Halbleiterelemente wie Dioden und andere in Betracht, die an sich eine linear fallende Spannungs-Temperaturkennlinie bei konstant eingeprägtem Strom aufweisen, wobei jedoch die linear fallende Kennlinie in begrenzten Abschnitten als ausreichende Näherung für die hyperbolisch fallende Kennlinie einer reziproken Funktion verwendbar ist. Mit ausreichender Näherung temperaturproportionale Wandlerelemente sind in der Praxis verfügbar, jedoch erfordern diese eine besondere Einrichtung zur Quotientenbildung.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, druck- und temperaturabhängige Wandlerelemente in einer geeigneten Schaltung einzusetzen, die wiederum zu einem wenigstens annähernd druckproportionalen und temperaturreziproken Ausgangssignal führt. Hierfür kommen beispielsweise piezoelektrische Wandlerelemente in einer Brückenschaltung in Betracht, wobei die Temperaturabhängigkeit der Wandlerelemente für den genannten Zweck ausgenutzt werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Messeinrichtung besteht in Bezug auf elektromechanische Einrichtungen in der schnellen Reaktionsfähigkeit und im Fehlen einer
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Hysterese im Kennlinienverlauf, wodurch eine verbesserte Messgenauigkeit und mit Sicherheit erreichbar ist. Justierung und Eichung können ferner im Bereich der elektrischen Schaltungselemente vorgenommen werden, während eine Nach-Justierung unter Berücksichtigung von physikalischen Umge bungsverhältnissen am Messort entfallen. Fertigung und Einbau bzw. Inbetriebnahme werden dadurch erleichtert.
Eine besondere Eigenschaft der vorliegenden Messeinrichtung besteht darin, dass der Druck-Messwandler in der Praxis im allgemeinen rascher auf Druckänderungen reagiert, als der Temperatur-Messwandler auf Temperaturänderungen. Dies bedeutet, dass bei raschen Druck- und Temperaturänderungen das Ausgangssignal in einem anfänglichen Uebergangsintervall Überwiegend durch die Druckänderung bestimmt ist, also eine entsprechende Abweichung von der Dichtemessung aufweist. Die Trägheit des Temperatur-Messwandlers kann aber im allgemeinen so gering gehalten werden, dass das Uebergangs Intervall für die praktischen Anforderungen der Dichteüberwachung genügend kurz wird. Andererseits kann die vor- genannte Eigenschaft mit Vorteil für eine zusätzliche Ueber wachung eines Gasdruckraumes auf schnelle Druckänderungen für sich ausgenutzt werden, was in manchen Fällen einen erheblichen Vorteil darstellt.
Für die multiplikative Lösung kommt insbesondere ein piezo-
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resistiver Druck-Messwandler in Betracht, der an eine elektrische Speisequelle mit temperaturreziproker Ausgangsgrösse angeschlossen ist. Damit ergibt sich unmittelbar eine zum Verhältnis p/T (p = Druck, T = Absoluttemperatur), d.h. dichte proportionale Messgrösse, die in einer Grenzwert-Ueberwachungs schaltung leicht ausgewertet werden kann. Eine solche Lösung zeichnet sich durch grosse Einfachheit aus, wobei mechanisch bewegte oder verformte Elemente wie Metallbälge und Bimetallmembranen entfallen. Da ferner der piezoresistive Effekt vom Absolutdruck des Mediums und die elektrische Speisung ebenfalls von der Absoluttemperatur abhängig ist, entfallen die bei umgebungstemperatur- und umgebungsdruckabhängigen Einrichtungen erforderlichen Justier- und"Kontrollarbeiten.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden weiter anhand des in der Zeichnung schematisch angedeuteten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt
Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer multiplikativen elektropiezoresistiven Dichtemesseinrichtung,
Fig. 2 das Blockschaltbild einer Dichtemesseinrichtung mit 0 Quotientenbildung und
Fig. 3 das Blockschaltbild einer Dichtemesseinrichtung mit Fernauswertung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Messeinrichtung umfasst einen piezoresistiven Druck-Messwandler MWP mit einer Brückenschaltung, in der diametral zwei elektrische Wandlerelemente Rx und Rx. mit druckabhängigem Widerstand angeordnet sind und die von einer elektrischen Speisequelle QI über eine Diagonale mit einem Speisestrom Iß beaufschlagt wird. Der Wandler MWP wird in hier nicht näher interessierender Weise dem Druck des Messmediums ausgesetzt, wobei an der anderen Brückendiagonale eine druckproportionale und ausserdem zum Speisestrom I proportionale Messspannung U., erscheint. Letztere wird in einem Ausgangsverstärker VA in ein Spannungssignal U. geeigneten Leistungsniveaus umgesetzt.
Die reziproke Temperaturabhängigkeit der Messspannung U wird durch eine solche des Speisestromes In und diese wiede-
rum mittels eines Kompensationsverstärkers VC mit temperaturreziproker Eingangsspannung erzielt. Im Eingangskreis des Kompensationsverstärkers wird die Differenz zwischen dem zu In proportionalen Spannungsabfall an einem - zu Justierzwecken einstellbaren - Widerstand P2 und einer temperaturabhängigen Eingangsspannung U„ gebildet, wobei durch die hohe Verstärkung diese Differenz durch den sich entsprechend einstellenden Speisestrom I„ annähernd auf Null gebracht wird. In diesem abgeglichenen Zustand des Kompensationsver- 5 stärkere ist also I„ proportional zur temperaturabhängigen
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Eingangsspannung U£. Der Kompensationsverstärker wirkt also als Spannungs-Stromwandler.
Die temperaturabhängige Eingangsspannung wird wiederum mit Hilfe einer Konstantstromquelle QIC als Spannungsabfall an einem temperaturreziprok veränderlichem Widerstandselement D, etwa einer geeigneten Halbleiterdiode, gebildet. In Serie dazu ist noch ein zur Korrektur des Temperaturkoeffizienten dienendes Potentiometer P1 vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich mit einfachen Mitteln eine vergleichsweise genaue reziproke Temperaturabhängigkeit mit hoher Langzeitstabilität (Driftarmut) verwirklichen.
Eine weitere, schaltungsmässig nicht dargestellte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, unmittelbar einen piezoresistiven Druck-Messwandler MWP zu verwenden, dessen Wandlerelemente einen nicht nur druckabhängigen, sondern auch passend temperaturabhängig veränderlichen Widerstand aufweisen. Bei geeigneter Bemessung der Brückenelemente ergibt sich dann mit temperaturunabhängigem Speisestrom eine druckproportionale und temperaturreziproke Messspannung U^. Eine solche Ausführung zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus, weil die sonst üblichen Kompensationsschaltungen zum Ausgleich der Temperaturabhängigkeit der piezoresistiven Wandlerelemente entfallen.
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Das Ausführungsbeispiel der multiplikativen Lösung gemäss Fig. 2 weist gesonderte Messwandler auf, nämlich einen Druck-Messwandler MWP mit wenigstens annähernd druckproportionalem Ausgangssignal U und einen Temperatur-Messwandler MWT mit wenigstens annähernd temperaturproportionalem Ausgangssignal U_,. Die Ausgänge dieser Wandler sind an zugehörige Eingänge eines Quotientenbildners Q an sich üblicher Art geführt, der nunmehr das dichteabhängige Ausgangssignal U- liefert. Insbesondere kommen für eine solche Quotienten bildung Digitalschaltungen in Betracht, wobei die Messwandler über entsprechende Analog-Digitalwandler anzuschliessen sind.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel kommt für eine Fernüberwachung oder Fernmessung der Gasdichte mit einer Mehrzahl von Messstellen in Betracht. Jede Messstelle ist mit einem Wandlerpaar MWP, MWT für Druck und Temperatur versehen und über einen entsprechend zweifachen Uebertragungskanal K , K„ an eine zentrale, von den Messstellen entfernte Auswerteeinrichtung A angeschlossen. In letzterer werden in nicht dargestellter, an sich üblicher Weise die vorstehend angegebenen Verknüpfungen und gegebenenfalls Analog-Digitalumformungen sowie Grenzwertvergleiche und dergleichen für eine umfassende Dichte- und gegebenenfalls DruckänderungsUberwachung vorgenommen.
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Claims (1)

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    Patentansprüche
    ^ 1/ Einrichtung zur Dichtemessung von gasförmigen Medien., gekennzeichnet durch eine druck- und temperaturabhängige elektrische Messwandlereinrichtung mit wenigstens annähernd druckproportionalem und temperaturreziprokem Ausgangssignal (U.).
    2. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Druck-Messwandler (MWP) und ein elektrischer Temperatur-Messwandler (D bzw. MWT) unter Bildung eines wenigstens annähernd druckproportionalen und temperaturreziproken Ausgangssignals (U.) in multiplikativer oder quotientenbildender elektrischer Steuerverbindung angeordnet sind.
    3. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen piezoresistiven Druck-Messwandler (MWP), der an eine elektrische Speisequelle (QI) mit wenigstens annähernd temperaturreziproker Ausgangsgrösse angeschlossen ist.
    1I. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine elektrische Speisequelle (QI) mit wenigstens annähernd temperaturreziprok eingeprägtem Ausgangsstrom (Iß)·
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    5. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Speisequelle eine Konstantstromquelle (QIC) aufweist, in deren Ausgangskreis ein Schaltungselement (D) mit wenigstens annähernd temperaturreziprok veränderlichem Widerstand angeordnet ist, und dass der Spannungsabfall an diesem Schaltungselement (υ) auf den Eingang eines Spannungs-Stromwandlers (VC) geschaltet ist.
    6. Einrichtung zur Dichtemessung nach einem der Ansprüche
    bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Speisequelle (QI) als temperaturabhängiges Uandlerelement ein elektrisches Schaltungselement aufweist, das eine wenigstens annähernd linear fallende Temperaturkennlinie seines Widerstandes bzw. seiner Klemmenspannung bei konstantem Strom aufweist.
    7. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannungs-Stromwandler ein Kompensationsverstärker vorgesehen ist.
    8. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Druck-Messwandler (MUP) mit wenigstens annähernd druckproportionalem Ausgangssignal (U ) und ein elektrischer Temperatur-Messwandler (MUT) mit einem wenigstens annähernd temperaturproportionalem Ausgangssignal (U^) an einen Quotientenbildner (Q) mit wenigstens annähernd druckproportionalem
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    und temperaturreziprokem Ausgangssignal (LJ.) angeschlossen sind«
    9. Einrichtung zur Dichtemessung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge je eines an einem Messort vorgesehenen elektrischen Druck-Messuandlers (NUP) und Temperatur-Messwandlers (MUT) durch gesonderte Uebertragungskanäle (K , KT) an eine vom Messort entfernte Ausuerteeinrichtung (A) angeschlossen sind, in der durch multiplikative oder quotientenbildende Uerknüpfung dieser Ausgänge ein wenigstens annähernd druckproportionales und temperaturreziprokes Ausgangssignal gebildet uird.
    10. Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektrischen Druck-Messuandler (MUP) mit wenigstens annähernd temperaturreziprokem Ausgangssignal (1O ·
    11· Einrichtung zur Dichtemessung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoresistiver Druck-Messuandler (MUP) vorgesehen ist, der mindestens ein Uandlerelement (Rxi, Rx2) mit temperaturabhängig und druckabhängig veränderlichem elektrischem Widerstand aufweist·
    BBC Aktiengesellschaft Broun, Boveri & Cie.
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DE19772736946 1977-07-01 1977-08-17 Einrichtung zur dichtemessung von gasfoermigen medien Ceased DE2736946A1 (de)

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