DE3131710A1 - Elektrische brueckenschaltung - Google Patents

Elektrische brueckenschaltung

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DE3131710A1
DE3131710A1 DE19813131710 DE3131710A DE3131710A1 DE 3131710 A1 DE3131710 A1 DE 3131710A1 DE 19813131710 DE19813131710 DE 19813131710 DE 3131710 A DE3131710 A DE 3131710A DE 3131710 A1 DE3131710 A1 DE 3131710A1
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DE
Germany
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voltage
bridge
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bridge circuit
input
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19813131710
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English (en)
Inventor
Ian Swinton Yorkshire Herbert
David Leon Rotherham Yorkshire Jewitt
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Coal Industry Patents Ltd
Original Assignee
Coal Industry Patents Ltd
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R17/00Measuring arrangements involving comparison with a reference value, e.g. bridge
    • G01R17/10AC or DC measuring bridges

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Description

  • Elektrische Brückenschaltung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die anderen Brückenzweige weisen Widerstände auf.
  • 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.
  • 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-.
  • 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.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Eingang 20 führt eine geringe Eingangspannung und ist unmittelbar an die Spannungsquelle, nämlich den Detektor bzw. Pellistor 1 angeschlossen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es versteht sich, daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Linearisierung nur in einfacher Form, wie sie bei Einsatz von Pellistoren erforderlich ist, dargestellt wurde.
  • 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.

Claims (5)

  1. Elektrische Brückenschaltung I.jElektrische Brückenschaltung mit einem aktiven Element, das bei einer änderung eines Betriebsparameters seinen Widerstand ändert, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Voltmeter (lo) mit einer Mehrzahl von Eingängen (20, 21, 22, 23), wobei an einem ersten Eingang (20) eine Spannung anliegt, die sich mit dem Widerstand des aktiven Elementes (1) ändert, und zwei weitere Eingänge (22, 23) jeweils eine hohe bzw. eine niedrige Bezugsspannung führen sowie ein Bruchteil der Spannung am ersten Eingang (20) von der Differenzspannung der beiden weiteren Eingänge (22, 23) abgezogen wird, um die Anzeige des Voltmeters (10) zu strecken.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß das Voltmeter (10) einen weiteren Eingang (21) aufweist, an dem eine verhältnismäßig hohe Spannung aus der Brücke anliegt.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Brücke Widerstände (3, 4) aufweist, die zusammen mit anderen, den Eingängen des Voltmeter (10) zugeordneten Widerständen (24, 25, 26, 27, 28) so ausgelegt sind, daß sich eine gestreckte lineare Anzeige ergibt.
  4. 4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das aktive Element (1) ein Pellistor ist, der einem Gasstrom mit wechselnder Zusammensetzung ausgesetzt ist.
  5. 5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r ch g e k e n ii z e i c h n e t, daß :n einem anderen Brückenzweig ein Pellistor (2) angeordnet ist, der identisch mit dem aktiven Element (1) ist, der jedoch dem Gasstrom nicht ausgesetzt ist und als Referenzelement dient.
DE19813131710 1980-08-12 1981-08-11 Elektrische brueckenschaltung Withdrawn DE3131710A1 (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7287414B2 (en) 2005-05-27 2007-10-30 Dräger Safety AG & Co. KGaA Process for measuring the concentration of gases
CN106761937A (zh) * 2017-02-10 2017-05-31 吉安市井开区吉军科技有限公司 一种用于矿灯式瓦斯报警的报警电路

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US7287414B2 (en) 2005-05-27 2007-10-30 Dräger Safety AG & Co. KGaA Process for measuring the concentration of gases
CN106761937A (zh) * 2017-02-10 2017-05-31 吉安市井开区吉军科技有限公司 一种用于矿灯式瓦斯报警的报警电路

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AU7334881A (en) 1982-02-18
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