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Elektrische Brückenschaltung
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Brückenschaltung mit einem
aktiven Element, das bei einer Änderung eines Betriebsparameters seinen Widerstand
ändert. - Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Messung des Methangehaltes
im untertägigen Bergbau.
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Es gibt viele Instrumente, bei denen die Verstimmung (!iner BrUckenschaltun<g
zur Messunq der Änderung eines Betriebsparameters genutzt wird. Ein typisches Instrument
wird für die Messung von Gaskonzentrationen eingesetzt.
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Wenn es sich bei dem Gas um Methan handelt, ist es üblich, als ein
Element der Brücke einen beheizten katalytischen Heizfaden (aktivierten Pellistor)
einzusetzen, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Dieses Element wird
dem Gas ausgesetzt, dessen Konzentration gemessen werden soll In Abhängigkeit von
der Methankonzentration wird der katalytische Heizdraht auf unterschiedliche Temperaturen
erhitzt.
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Zur Kompensation von Umgebungseinflüssen besitzt die Brücke in einem
weiteren Zweig einen nichtaktivierten Pellistor, der elektrisch und geometrisch
dem ersten ähnlich ist und der ebenfalls dem zu untersuchenden Gas ausgesetzt ist.
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Die anderen Brückenzweige weisen Widerstände auf.
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Ublicherweise wird ein Meßgerät mit einer Analoganzeige für die Gaskonzentration
verwendet. Derartige Meßgeräte haben aber den Nachteil, daß sie mit einer nichtlinearen
Anzeigeskala versehen sein müssen, um die Nichtlinearität zwischen Signalstärke
und Konzentration auszugleichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brückenschaltung der eingangs beschriebenen
Gattung so zu verbessern, daß Linearität zwischen Anzeige und Methankonzentration
besteht, wobei die Schaltung auf einfache Weise und genau unterschiedlichen Instrumenten
angepaßt werden kann-.
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Diese Aufgabe wird mit einer elektrischen Brückenschaltung der eingangs
beschriebenen Art gelöst, die gekenneichnet ist durch ein Voltmeter mit einer Mehrzahl
von Eingängen, wobei an einem ersten Eingang eine Spannung anliegt, die sich mit
dem Widerstand des aktiven Elementes ändert, und zwei weitere Eingänge jeweils eine
hohe bzw. eine niedrige Bezugsspannung führen sowie ein Bruchteil der Spannung am
ersten EingangNvon der Differenzspannung der beiden weiteren Eingänge abgezogen
wird, um die Anzeige des Voltmeters zu strecken.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutert.
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Die in der Zeichnung dargestellte Brückenschaltung für ein Methananzeigegerät
wird normalerweise für einen Methangehalt
zwischen o und 5% eingesetzt,
wobei die Skaleneinteilung des Anzeigegerätes in Stufen von o,2% Methangehalt eingeteilt
ist, sodaß Unterschiede von o,1% Methangehalt noch gut erkannt werden können. Die
Anzeige eines Digitalvoltmeters sollte dreistellig sein, sodaß die Auflösung in
entsprechender Weise in der Größenordnung einer Ziffer der letzten Stelle liegt.
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Die Brückenschaltung weist zwei Pellistoren 1, 2 und zwei in ihren
Kennwerten gleiche Widerstände 3, 4 auf. Der aktivierte Pellistor 1 ist als Methandetektor
eingesetzt, während der nichtaktivierte Pellistor 2 ein Kompensationselement bildet
und dazu dient, einen Referenzpunkt zu liefern. Über die Brücke ist ein Widerstand
5 mit einem Abgriff geschaltet. Die Brücke liegt zwischen einer Leitung 6 mit Null-Spannung
und einer Leitung 7 mit negativer Spannung.
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Die negative Spannung der Leitung 7 besitzt ein Potential von -2,3
V, wobei zwischen die Leitung 7 und die Leitung 6 eine Batterie 8 in Reihe mit einem
Druckschalter 9 geschaltet ist. Ein integrierter Schaltkreis mit einem Digitalvoltmeter
lo ist einerseits an die Leitung 6 mit Null-Spannung und andererseits an eine Leitung
11 mit negativer Spannung angeschlossen, deren negatives Potential -9 Volt beträgt.
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Parallel zum integrierten Schaltkreis ist ein Kondensator 12 geschaltet.
Ein Generator 13 zum Erzeugen negativer Spannung Liegt mit einer parallel dazu geschalteten
Diode 14 zwischen der Leitung 7 und der Leitung 11. Das Digitalvoltmeter 1o besitzt
vier Eingänge 20, 21, 22 und 23.
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Der Eingang 20 führt eine geringe Eingangspannung und ist unmittelbar
an die Spannungsquelle, nämlich den Detektor
bzw. Pellistor 1 angeschlossen.
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Der Eingang 21 führt eine hohe Spannung und liegt an einem einstellbaren
Abgriff eines Widerstandes 24, der in Reihe mit zwei weiteren Widerständen 25 und
26 zwischen den Leitungen 6, 7 angeordnet ist. Die Spannung am Abgriff wird so eingestellt,
daß bei methanfreier Atmosphäre ein Null-Signal an der Anzeige erscheint.
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Der Eingang 22 ist ein Bezugseingang mit niedriger Spannung, er liegt
am Abgriff eines Widerstandes 27, der seinerseits in Reihe mit einem Widerstand
28 zwischen die Leitungen 6 und 7 geschaltet ist. Diese Bezugsspannung wird so eingestellt,
daß sie den Anzeigebereich des Gerätes definiert.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abgriff am Widerstand
27 so eingestellt, daß die Anzeige 2% bei einem gemessenen Methangehalt von 2% in
der Umgebungsluft anzeigt.
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Der Eingang 23 liegt an dem Abgriff des Widerstandes 5 zwischen den
Elementen der Brückenschaltung. Der Eingang 23 hält eine Spannung, die eine Funktion
der Spannung am Eingang 22 ist. Der Widerstand 5 bzw. sein Abgriff wird so eingestellt,
daß eine Anzeige von 5% bei einem Methangehalt von 52 in der untersuchten Luft entsteht.
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Beim Betrieb wird das Gerät so eingesetzt, daß die Detektoren bzw.
Pellistoren 1, 2 der zu untersuchenden Atmosphäre hinter einer Diffusionssperre
oder einer anderen Einrichtung ausgesetzt werden. In der Praxis soll das Gerät den
Methangehalt von Luft erfassen, weil gefährliche Situationen und explosive Gemische
entstehen können, wenn der Methangehalt zu hoch
wird. Die Elemente
der Pellistoren 1, 2 werden durch den durch sie fließenden Strom erhitzt. Wenn Methan
in der untersuchten Luft vorhanden ist,verbrennt es und beeinflußt den Widerstand
des Pellistors 1. Steigender Methangehalt vergrößert den Widerstand des Pellistors
1 relativ zum Widerstand des Pellistors 2. Infolgedessen ändert sich der Stromfluß
durch die Brückenschaltung und die Brücke wird verstimmt. Es tritt ein Spannungsabfall
ein, der durch das Anwachsen des Widerstandes am Pellistor 1 verursacht wird. Das
wird unmittelbar am Eingang 20 des Digitalvoltmeters 1o registriert. Dieser Spannungsabfall
verursacht jedoch ein Ansteigen der Spannung über die Eingänge des Digitalvoltmeters.
Ein Teil der Eingangsspannung am Eingang 20 wird jedoch vo: der Differenz zwischen
der hohen und der niedrigen Bezugsspannung an den Eingängen 22, 23 subtrahiert und
c?as hpt zur Foiae, daß der Anzeigebereich des Digitalvoltmeters 1o für jedes Eingangssignal
vergrößert wird. Ein üblicherweise geringes Eingangssignal wird also verstärkt.
Bei geeigneter Wahl der Widerstände erreicht man folglich eine Linearisierung der
Anzeige des Gerätes.
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Nachdem es Pumpen hoher Präzision zum Fördern und Mischen von Gasen
gibt, ermöglicht ihr Einsatz eine sehr genaue Messung des Methangehaltes bei linearer
Anzeige. Versuche haben gezeigt, daß die Ergebnisse wiederholbar sind, daß die Betriebseigenschaften
eines solchen Methan-AnzeigegerE-tes weitgehend ausreichen und daß die verbesserte
Auflösung, insbesondere bei Verwendung einer Digitalvoltmeter-Anzeige ohne Schwierigkeiten
angepaßt werden kann. Eine Kontrolle der Linearität bestätigt, daß die Anzeige zwischen
+ 0,02$ einer linearen Kur-e zwischen 0 und 5% Methangehalt
bei
einer Standardabweichung von etwa o,ol% liegt.
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Im untertägigen Bergbau ist es von besonderer Bedeutung, den Methangehalt
zu erfassen und zu verhindern, daß der Methangehalt so groß wird, daß ein gefährliches
oder explosives Gemisch entsteht. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Brückenschaltung
ermöglicht eine genaue Messung des Methangehaltes in Bereichen, die besonders kritisch
sind und deren Gasgehalte aufgrund behördlicher Vorschriften vermieden werden sollte.
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Die Erfindung ermöglicht eine genauere Bestimmung der Gaskonzentration
und außerdem auch den Bau eines Gerätes, das leichter ablesbar und zweckmäßiger
ist als herkömmliche Geräte und bei dem darüberhinaus auch geringere Gefahr einer
Beschädigung besteht, sodaß schließlich auch Kosten für Reparatur oder Ersatz gespart
werden.
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Es versteht sich, daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die
Linearisierung nur in einfacher Form, wie sie bei Einsatz von Pellistoren erforderlich
ist, dargestellt wurde.
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Die gleiche oder eine ähnliche Technologie kann jedoch auch bei anderen
nichtlinearen Eingangsssignale angewendet werden. Es versteht sich deshalb, daß
die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführung beschränkt ist. Weitere passive
oder aktive Elemente oder Kombination von beiden können in die die Bezugsspannung
führende Leitung eingesetzt werden.