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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Anteils einer
flüchtigen Komponente in einem Medium durch Erwärmung einer definierten Menge des
Mediums zumindest auf die Verdampfungstemperatur der Komponente sowie eine Einrichtung
zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Obwohl ein solches Verfahren prinzipiell für viele verschiedene Stoffe
bzw. Stoffkombinationen, die eine flüchtige Komponente enthalten, angewandt werden
kann, soll es im folgenden unter Bezugnahme auf die Bestimmung des Wassergehaltes
einer Materialprobe erläutert werden, und hier insbesondere in Bezug auf den Wassergehalt
von Margarine.
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In der Bundesrepublik Deutschland muß Margarine mindest 80 % und Halbfett-Margarine
mindestens 39 % und höchstens 41 % des Gewichtes an Fett enthalten. Dabei wird der
Fettgehalt in der Praxis üblicherweise aus der Differenz 100 % - (% Wasser + % Nichtfett)
ermittelt. Für amtliche Untersuchungen des Anteils an flüchtigen Stoffen, insbesondere
Wasser, wird im allgemeinen die Trockenschrankmethode verwendet, d.h., eine Probe
wird bei 1050C bis zur Gewichtskonstanz ausgetrocknet. In der betrieblichen Praxis
wird oft das sogenannte Ausbratverfahren eingesetzt, das von L. Müller 1908 entwickelt
wurde. In diesem Fall dauert eine Bestimmung ca. 5-Minuten, wobei die Genauigkeit
relativ gering ist.
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Genaue Messungen werden mit der sogenannten Karl-Fischer-Methode gemacht.
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Nachteilig ist bei diesen Verfahren, daß sie keine kontinuierliche
Messung des Wassergehaltes ermöglichen, also nur bedingt für die automatische Prozeßsteuerung
bei der Herstellung von Margarine geeignet sind. Auch die relativ lange Dauer einer
Bestimmung macht die Ausnutzung des Ergebnisses für
die Prozeßsteuerung
unmöglich.
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Entsprechendes gilt auch für die in letzter Zeit entwickelten Verfahren,
beispielsweise die dielektrische Messung, die Mikrowellenmessung, die Infrarot-Absorptionsmessung
oder die Neutronenfeuchtemessung, wie sie in folgenden Veröffentlichungen zusammengestellt
sind: ATM Archiv für technisches Messen, Blatt V 1821-F2 ( März 1972), Blatt V 1281-F1
(Nov. 1965) und Blatt V 1281-10 (Jan. 1962).
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Insbesondere die erwähnten physikalischen Verfahren erfordern darüberhinaus
einen hohen apparativen Aufwand und sind in der Bedienung derart empfinalich, daß
sie für die betriebliche Praxis nur bedingt geeignet sind.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
angegebenen Gattung bzw. eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens
zu schaffen, bei dem bzw. der die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.
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Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Einrichtung geschaffen
werden, die mit geringem apparativem Aufwand die verzögerungsarme, kontinuierliche
Bestimmung des Anteils der flüchtigen Komponente ermöglichen.
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Bei einem Verfahren der angegebenen Gattung wird dies erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die zur vollständigen Verdampfung der Komponente erforderliche
Wärmemenge ermittelt und als Maß für den Anteil der Komponente herangezogen wird.
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Bei einer Einrichtung der angegebenen Gattung wird dies durch ein
Durchlaufkalorimeter zur Bestimmung der Wärmemenge erreicht. Dabei soll der Begriff
"Durchlaufkalorimeter" im folgenden noch im einzelnen erläutert werden.
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Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf der
Ausnutzung
des folgenden Grundgedankens: Wenn eine flüchtige Substanz auf ihre Siedetemperatur
erwärmt worden ist, so steigt bei weiterer Wärmezufuhr die Temperatur zunächst nicht
mehr an, sondern diese Energie wird zur Verdampfung der Komponente verwendet. Diese
"Verdampfungswärme" ist eine stoffartancyige Größe, das heißt, die zur Verdampfung
der gesamten Komponente benötigte Wärme ist direkt proportional zu der Menge der
Komponente, beispielsweise ihrem Gewicht. Aus der Bestimmung der zur Verdampfung
der gesamten Komponente erforderlichen Wärmemenge kann also direkt der Anteil der
Komponente in dem Medium abgeleitet; werden.
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Bei einer diskontinuierlich arbeitenden Ausführungsform dieses Verfahrens
wird beispielsweise die elektrische Energie bestimmt, die zur Verdampfung des Anteils
benötigt wird. Dabei werden während der Verdampfungszeit Strom und Spannung gemessen,
während das Ende der Verdampfung anhand des dabei erfolgenden Temperaturanstiegs
der Probe ermittelt wird.
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Als bevorzugte Ausführungsform wird ein sogenanntes "Durchlauf-Kalorimeter
angesehen, bei dem nicht mehr der Endpunkt der Verdampfung bestimmt werden muß,
sondern auf eine Zeitmessung vollständig verzichtet werden kann. Dadurch ist ein
verzögerungsarmer, kontinuierlicher Betrieb möglich, wie er für die automatische
Prozeßsteuerung, beispielsweise für die Herstellung von Margarine, notwendig ist.
Aus dem Ausgangssignal eines solchen Durchlauf-Kalorimeters kann durch Soll/Ist-Wert-Vergleich
ein Regelsignal gewonnen werden, das wiederum zur Einstellung der wesentlichen Betriebsparameter
dienen kann.
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Wie sich aus den später angegebenen Betriebsdaten ergibt, kann auf
kalorimetrischem Wege ein Wert für den Wassergehalt einer Margarineemulsion gewonnen
werden, der eine Regelung des Soll-Wertes des Wassergehaltes mit einer
Konstanz
von 0,1 % ermöglicht, wie sie für die Praxis gefordert wird. Dabei ist der apparative
Aufwand relativ gering, und der Ist-Wert kann mit geringer zeitlicher Verzögerung
gewonnen werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 den Temperaturverlauf an einem vertikal aufgehängten Heizwiderstand, an dem
eine wasserhaltige Emulsion herabläuft, Fig. 2 eine Meßanordnung mit galvanischer
Stromzuführung, Fig. 3 eine Meßanordnung mit induktiver Stromzuführung, Fig. 4 einen
Schnitt durch ein Rohr, senkrecht zur Rohrachse und Fig. 5 eine modifizierte Ausführungsform
des Schaltungsaufbaus einer Meßanordnung.
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Wie oben erläutert wurde, liegt der Grundgedanke der vorliegenden
Erfindung darin, das in der Margarine oder einer Margarineemulsion enthaltene Wasser
vollständig zu verdampfen, wobei die hierfür benötigte Wärmemenge als Maß für die
Wassermenge herangezogen wird. Diese Verdampfungswärme wird zweckmäßigerweise in
elektrischer Form zugeführt, nämlich als Joule'sche Wärme, die von einem elektrischen
Widerstand abgegeben wird.
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Zur Ermittlung der Wärmemenge muß also die zur vollständigen Verdampfung
des Wassers benötigte, elektrische Energie U.i:t ermittelt werden. Während die Bestimmung
der Spannung U und des Stroms i auf die übliche Weise durchgeführt wird, kann die
Messung der für die gesamte Verdampfung benötigten Zeitspanne t bei der hier beschriebenen
Ausführungsform vermieden werden.
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Läßt man auf der Oberfläche eines vertikal aufgehängten, elektrischen
Widerstandes 1 eine Margarineemulsion 2, die im wesentlichen Wasser und öl enthält,
kontinuierlich herablaufen, und erwärmt man diesen Widerstand 1 durch Stromzuführung,
so bilden sich nach Erreichung des Gleichgewichtzustandes, also im stationären Fall,
längs der Oberfläche des elektrischen Widerstandes 1 drei deutlich unterscheidbare
Temperaturzonen aus, wie in Figur 1 dargestellt ist: 1.) In einem ersten Bereich
3 nimmt in Abhängigkeit von der Ausgangstemperatur T1 der Emulsion 2 und der Heiztemperatur
des Widerstandes die Temperatur der Emulsion 2 von der Temperatur T1 auf die Verdampfungstemperatur
Tf des Wassers zu; 2.) in dem Verdampfungsbereich 4 bleibt die Margarineemulsion
2 so lange auf der Verdampfungstemperatur Tf des Wassers, bis das Wasser vollständig
in Dampf überführt worden ist; 3.) im Bereich 5 nimmt schließlich die Temperatur
des nun trockenen ölgemisches von der Verdampfungstemperatur Tf des Wassers auf
T2 zu.
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Da, wie erwähnt, die Margarineemulsion kontinuierlich an dem elektrischen
Widerstand 1 herabfließt, haben nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes die drei
Temperaturzonen 3, 4 und 5 eine genau definierte Länge, die zwar von mehreren Parametern
, wie beispielsweise der Fließgeschwindigkeit und damit der Viskosität der Emulsion,
der Ausgangstemperatur der Emulsion, der zugeführten elektrischen Energie usw. abhängt,
im stationären Fall, also bei gleichbleibender Fließgeschwindigkeit, gleicher Ausgangstemperatur
der Emulsion und gleicher Heizleistung jedoch konstant bleibt.
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Besonders wesentlich ist hierbei, daß auf der durch das Bezugszeichen
6 gekennzeichneten Strecke des Widerstandes 1,
auf der die Verdampfung
des Wassers erfolgt, die Temperatur der Emulsion bis zur vollständigen Verdampfung
des Wassers konstant bleibt, also immer gleich der Verdampfungstemperatur Tf des
Wassers ist.
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Dabei wurde vorausgesetzt, daß die zugeführte elektrische Energie
und der Wassergehalt der Emulsion konstant bleiben.
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Andert sich nun bei konstanter zugeführter Menge an Emulsion ihr Wassergehalt,
dann ändert sich in Abhängigkeit hiervon auch die Länge 6 der in Fig. 1 dargestellten
Verdampfungszone 4. Da der Widerstandswert der üblicherweise verwendeten Heizwiderstände
temperaturabhängig ist, also entweder einen positiven oder einen negativen Temperatur-Koeffizienten
hat, ändert sich der Spannungsabfall an den Anschlußklemmen des Widerstandes entsprechend
in Abhängigkeit von dem veränderten Leistungsbedarf.
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Diese Leistungsänderung bzw. bei konstantem Strom Spannungsänderung
ist proportional zu der änderung der zu verdampfenden Wassermenge, d.h., proportional
zum Wasseranteil in der Margarineemulsion.
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Im Hinblick auf das zu lösende Regelungsproblem ist hierbei weniger
ein linearer, funktioneller Zusammenhang zwischen dem Spannungsabfall und dem Wassergehalt
der Emulsion als die Ansprechempfindlichkeit für Änderungen des Wassergehaltes wichtig.
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Aus theoretischen Überlegungen ergibt sich, daß eine Änderung der
zu verdampfenden Menge Wasser in 1 mg Wasser pro Sekunde einer Änderung der im Widerstand
umzusetzenden Leistung von 2,256 Watt entspricht. Für die Belange der Praxis reicht
also die Empfindlichkeit dieses Effektes sicher aus.
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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Einrichtung zur kontinuierlichen
Messung des Wassergehaltes einer Margarine emulsion dargestellt. Dabei wird ein
schräg aufgehängtes,
wärmeisoliertes Rohr 7 verwendet, das an seiner
Innenfläche mit einer Widerstandsschicht 8 aus Nickel versehen ist.
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Statt einer Nickelschicht 8 kann auch an der Innenwand eines wärmeisolierten
Rohrs eine Stahl-Wendelfeder angeordnet werden, die als temperaturabhängiger Widerstand
dient.
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Den Anschlußklemmen der Widerstandsschicht 8 wird von einer Konstantstromquelle
14 ein Strom zugeführt, dessen Wert in einem Strommesser 11 überwacht wird.
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Parallel zu der Konstantstromquelle 14 und dem Strommesser 11 liegt
ein Spannungsmesser 10, der ebenfalls an die Anschlußklemmen der Widerstandsschicht
8 angeschlossen ist.
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Die Margarineemulsion wird von einer Dosierpumpe 12 über eine Thermostatisiereinrichtung
13 dem dampfdicht abgeschlossenen Rohr 7 zugeführt und kann dann an der Innenfläche
des Rohrs 7 und damit an der Widerstands schicht 8 entlang nach unten ablaufen,
bis sie schließlich an dem gemäß Figur 2 rechten Ende des Rohr 7 austritt. Dabei
ist durch den nach oben gerichteten Pfeil die Austrittsrichtung des Wasserdampfes
und durch den nach unten gerichteten Pfeil die Austrittsrichtung des trockenen blgemisches
angedeutet.
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Wenn die Margarineemulsion über die durch die Stromquelle 14 beheizte
Widerstandsschicht 8 abläuft, verdampft ihr Wasseranteil, so daß sich der in Figur
1 zu erkennende, stationäre Temperaturverlauf ergibt, nämlich drei Bereiche der
Widerstandschicht, die unterschiedliche Temperaturen und damit unterschiedliche
Längen haben, wie in Figur 1 dargestellt ist.
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Für die pro zeiteinheit verdampfte Wassermenge ergibt sich also ein
genau definiertes Strom/Spannungs-Verhältnis, das mit den Meßgeräten 10 und 11 ermittelt
wird.
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Bei Verwendung eines stabilisierten Gleichstroms kann auf den Strommesser
verzichtet werden, so daß nur der Spannungsabfall an den Anschlußklemmen der Widerstands
schicht mittels des Spannungsmessers 10 bzw. über einen Linienschreiber registriert
werden muß.
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Ändert sich bei sonst gleichbleibenden äußeren Bedingungen, also insbesondere
gleicher Zuführgeschwindigkeit der Margarineemulsion, der Wasseranteil, so ändert
sich auch die Länge der Verdampfungsstrecke 6, was an einer entsprechenden Änderung
der gemessenen Werte für Strom und Spannung bzw. an dem Spannungsabfall zu erkennen
ist.
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Nach entsprechender Eichung der ermittelten Werte für Strom und Spannung
kann also bei Verwendung einer Konstant-Stromquelle der Wasseranteil der Margarineeraulsion
direkt an dem Spannungsmesser bzw. dem Linienschreiber angezeigt werden.
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Bei einem Prototyp einer solchen Meßeinrichtung wurden die folgenden
Parameter verwendet: Das Rohr 7 war in einem Winkel von 200 zur Horizontalen geneigt,
wodurch sich eine Fließgeschwindigkeit der Emulsion ergab, die zu einer sehr verzögerungsarmen
Messung führte.
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Die Nickelschicht hatte einen zwischen den Enden des Rohrs: 7 gemessenen,
elektrischen Widerstand von 10 Ohm und wurde über eine Konstantstromquelle mit einem
stabilisierten Gleichstrom von 3 Ampere geheizt.
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Die Margarineemulsion wurde mit einer Temperatur von 650C dem Rohr
7 zugeführt.
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Der sich ergebende Verlauf des Spannungsabfalls an dell Anschlußklemmen
der Widerstands schicht 8 wurde mit einem Linienschreiber registriert.
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Dabei wurde ein Grundemulsion untersucht, deren Wassergehalt stufenweise
geändert wurde. Die reproduzierbare Spannungsänderung an den Anschlüssen des Rohrs
8 betrug 0,8 Volt für eine Änderung des Wassergehaltes von 3 %.
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Daraus ergibt sich eine Empfindlichkeit von 0,260 Volt/%.
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Die absolute Änderung der verdampften Wassermenge betrug 0,00214 ml
Wasser pro Sekunde, so daß die Meßempfindlichkeit 260 mV pro 0,00214 ml Wassergehalt
betrug.
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Diese Empfindlichkeit reicht in jedem Fall für einen Soll-Wert/Ist-Wert-Vergleich
aus, wie er zur Prozeßsteuerung durchgeführt werden muß, um durch entsprechende
Regelung der Betriebsparameter eine Konstanz des Soll-Wertes des Wassergehaltes
von 0,1 % zu erhalten.
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Als Alternative zu der hier beschriebenen Ausführungsform kann auch
mit einer Konstantspannungsquelle gearbeitet werden, so daß die aufgebrachte Leistung
durch eine Strommessung ermittelt werden kann.
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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Meßeinrichtung dargestellt,
die auf dem gleichen Grundprinzip beruht, wobei jedoch die Zuführung der elektrischen
Energie nicht auf galvanischem Wege,sondern auf induktivem Wege erfolgt.
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Bei dieser Ausführungsform ist ein Transformatorkern 20 mit einer
Primärwicklung 21 vorgesehen, der eine frequenzabhängige Spannung U zugeführt wird.
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Die Sekundärwicklung des Transformatorkerns 20 wird durch das wendelförmige
Verdampferrohr 22 gebildet, das durch einen Bügel 23 kurzgeschlossen ist.
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Wie durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist, wird diesem Verdampferrohr
22 am oberen Ende die Emulsion zugeführt,
während am unteren Ende
der Wasserdampf bzw. das trockene ölgemisch austreten.
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Auch bei dieser Ausführungsform ändert sich mit dem Wassergehalt der
Emulsion der Widerstandswert des Verdampferrohrs 22 und damit die auf induktivem
Wege aufgenommene Leistung.
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Diese Leistungsänderung kann auf der Seite der Primärwicklung 21 gemessen
werden, und zwar entweder durch analoge Erfassung der Effektivwerte von Strom und
Spannung oder anhand der Frequenzänderung der Speisespannung für die Primärwicklung
21.
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Die Erfassung der Leistungsänderung im Verdampferrohr anhand der Frequenzänderung
der Speisespannung ermöglicht eine digitale Verarbeitung des Meßwertes.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß wegen des Fehlens
galvanischer Kontakte die Auswechslung des Rohrs sehr viel einfacher und damit die
Betriebssicherheit größer wird.
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Bekanntlich hängt die Verdampfungstemperatur vom Druck und damit auch
vom Luftdruck ab, der am Einsatzort einer solchen Meßanordnung herrscht. Da der
Luftdruck Schwankungen in der Größenordnung von bis zu 10 % unterworfen ist, kann
sich eine entsprechende Änderung des Meßwertes ergeben.
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Um diesen Einfluß des äußeren Luftdruckes und damit der Verdampfungstemperatur
zu kompensieren, wird die Widerstandsschicht 8 des Rohrs 7 zweiteilig ausgeführt,
wie in Fig. 4 dargestellt ist; dabei verläuft eine Widerstandsbahn 8a mit dem Widerstandswert
R1 in der oberen Hälfte des Rohrs, befindet sich als im Dampfraum, während eine
weitere Widerstandsbahn 8b mit dem Widerstandswert R2 in der unteren Hälfte des
Rohrs 7 verläuft, also in der Emulsion angeordnet ist.
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Diese Widerstandsbahnen 8a bzw. 8b mit den Widerstandswerten R1 bzw.
R2 werden als Teilwiderstände in eine Brückenschaltung nach Wheatstone geschaltet,
wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Der Abgleich der Widerstandsbrücke erfolgt mittels
eines verstellbaren Widerstandes R3.
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Bei dem vierten Widerstand R4 handelt es sich um einen festen Widerstand.
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Nach Erreichen eines stationären Zustandes der Fließstrecke können
etwaige Schwankungen des äußeren Luftdrucks durch Abgleich der Brückenschaltung
über die Verdampfungstemperatur kompensiert werden.
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Die in Fig. 5 gezeigte Schaltungsanordnung gilt bei Verwendung von
Widerstandsbahnen 8a bzw. 8b mit positivem Temperaturkoeffizienten.
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Bei Einsatz von Widerstandsbahnen mit negativem Temperaturkoeffizienten
müssen die Widerstände entsprechend umgestellt werden.
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