NO119034B - - Google Patents

Description

Elektrisk motstandsbro med en temperaturavhengig følemotstand for måling av varmebortføringsevnen i følemotstandens omgivelser.

Elektriske brokoblinger brukes i mange fysikalsk-kjemiske måleinn-retninger. Ulike koblingsmetoder har vært brukt, og de bærer ofte navn etter sine oppfinnere, f.eks. WHEATSTONE, HOOKE, KELVIN etc.

Ved hjelp av påtrykt spenning kan en i brokobling innbygget føle-motstand tvinges opp i høyere temperatur enn sine omgivelser. Her-

ved blir det mulig gjennom varmebortføringsevnen å bestemme temperatur, trykk, strømningshastighet, termisk ledningsevne, stoffsam-mensetning osv. i omgivelsene.

I brokobling kan ubalanse utnyttes som målesignal og det er også

kjent at man har brukt kompensasjonsstrømmer fra motkoblinger, forsterkere og servomekanismer.

Fordelene ved foreliggende oppfinnelse innses lettest gjennom sammenligning med: hittil vanlige koblinger. For denne sammenligningen tas i det følgende et konkret eksempel på en måleutrustning, en gass-kromatograf-detektor. !

Fig.l"viser en vanlig bro i en slik gass-analysator. Gassdelen er på figuren forenklet til h<y>a som er nødvendig for å innse broens virke-måte. Såkalt bæregass kommer inn ved B og tjener til transport og til sammenligning av den gass som skal analyseres. Som bæregass kan antas f .eks. h.elium. Helium omstrømmer referense-motstanden Rj, fortsetter gjennom kolonnerøret, K, omstrømmer føle-motstanden R^ og går ut. Vanlige internasjonale betegnelser på referense- og føle-motstander er henholdsvis Ref og Sens.

Den ohmske motstand i Sens er sterkt temperaturavhengig. Her kan antas en platina-tråd med positiv temperaturkoeffisient. Ref kunne prinsipiellt anordnes utenfor gass-strømmen som en konstant-motstand. Imidlertid får man ved å bygge den inn i gass-strømmen en viss kompen-, sasjon for forstyrrelser, bl.a. støy fra uønskede variasjoner i gass-strømningshastigheten. Derfor antas her Ref identisk med Sens. Strømforbruket i instrumentet S er neglisjert. Kurven H i fig.2 viser spenningen over tråden som funksjon av strøm-men når tråden er omgitt av helium. Når tråden omgis av gasser med mindre varmebortføringsevne enn helium, får tråden høyere temperatur og motstand. Por dette tilfellet er volt/ampere - funksjonen antydet med kurven G^.

Andre gasser gir igjen kurver som G2, G^ osv.

Med både Ref og Sens i helium blir spenningen V (fig.l) innstilt

slik at den felles strøm gjennom trådene er AQ. Por hver tråd tilsvarer denne innstilling punktet Hq. Broen på fig.l utlignes ved å gjøre motstandsforholdet R^/Rg lik forholdet R3/R4. Over diagonalen ved S er da ingen spenning og kromatografen er klar for bruk.

Gassen som skal analyseres, f.eks. 0,1 ml, slippes inn via prøve-giveren P, og prøven drives av heliumstrømmen inn i kolonnen. Denne inneholder ét til gassartene avpasset kjemisk preparat slik at hver art blir holdt tilbake i forskjellig grad. Komponentene kommer tids-messig efter hvérandre ut av kolonnen sammen med helium og omstrømmer derefter Sens. Idet Sens blir omgitt av en gass med varmebortførings-evne tilsvarende f.eks. kurven G-jfår tråden en spenning tilsvarende g1 og ref-tråden en spenning tilsvarende h-^ Den felles strøm er A^. Vertikalavstandene g^hg og n0~nl •'blir like'og summen av ref- og Bens-, . spenningene er som før lik 2hQ = V. Om Sens omgis av en gass tilsvarende "kurve G^, blir de respektive spenninger gj og hj, strømmen blir A^. <*>, Trådenes halve dif ferens espenning registreres ved S og tjener som * måle8tørrelse for analysen. J:' Ethvert punkt på den rette linje gjennom origo og h^ representerer samme trådtemperatur som i helium idet trådenes motstand da er konstant og lik volt/ampere for ethvert punkt. Punktet g^ tilsvarer en høyere temperatur enn hg.

I det følgende skal påpekes noen av de svakheter som disse vanlige koblinger er beheftet med.

Generellt sett gjelder at et målesystem skal angi den sanne tilstand

i følerens omgivelser, Por å kunne dette må føleren komme i likevekt med sine omgivelser, men dette er.en asymptotisk prosess med en inn-stillingshastighet som er avhengig.av bl.a. mulighetene for den termiske energioverføringen og av følerens termiske masse. En føler vil alltid ha en viss masse og en tilhørende termisk treghet. Dens temp-peratur, og dermed dens motstand, kan derfor ikke variere i streng overensstemmelse med tilsvarende variasjoner i omgivelsene. Særlig merkbart blir.dette ved raskere variasjoner og utførelse av ønskede målinger kan forhindres av at følerne ikke har en tilstrekkelig lav tidskonstant. Tidskonstanten defineres gjerne som den tid en føler behøver for å kunne indikere 63,2% av en momentant påtrykt forandring i omgivelsenes egenskaper.

Por å få følere med lave tidskonstanter, forsøkes det bl.a. å utføre disse med stor overflate og liten masse. Platinafilmer med tykkelser i my-området og også tråder med diameter ned til f.eks..3 my har vært prøvet. En klar ulempe ved slike utførelser er at følerne blir svake mot påvirkninger fra mekaniske påkjenninger, slitasje, vibrasjon, korrosjon osv. Noen ganger fordrer omgivelsenes natur at følerne må beskyttes i hylser, bak skikt eller i andre anordninger. Enhver slik form av beskyttelse vil inngå i følerens termiske masse og dermed øke systemets termiske treghet.

Mens det ovenstående gjelder generellt, gjelder for gasskromatografer i særdeleshet at det kan forekomme raske variasjoner i følernes omgivelser. Om detektorens tidskonstant er høy, kan gass-sammensetnin-gen ikke registreres korrekt idet gassene passerer gjennom detektoren. Man får uønskede fenomener som utbredning av topper og asymmetripåvirfe-ninger, begge deler kan medføre overlapping av topper,som egentlig ble korrekt separert i kolonnen.

Som det fremgår av fig. 2, kommer efterslepningen og den termiske treghet i den vanlige koblingen fra Sens, men også fra Ref, idet nemlig begge får varierende temperatur.

Por én varmetråds-detektor har man funnet at anordningens ømfintelig- ' het, rettere sagt spenningen over instrumentet S, er noenlunde proporsjonalt med hetestrømmen i 3- potens^^For å kunne registrere små gass-koncentrasjoner i prøveblandinger med tilfredsstillende nøyaktighet, er-det nødvendig å innstille en høy hetestrøm A0. Om det nu i blandingen forekommer luft eller andre gassarter som kan angripe tråden, har dette uheldige følger. Aggressiviteten er forsterket av den høyere trådtemperaturen og angrep kan føre til at Sens-trådens tverrsnitt forminskes. Derved forhøyes motstanden og dette fører i sin tur til at tråden mates med ennå høyere spenning fra broen. I beste fall har man herved fått en permanent forandring av tråden som medfører nødvendigheten av at hele måleanordningen må omkalibreres, men i verste fall kan de nevnte årsaker og virkninger agitere hver-andre opp inntil tråden ødelegges totalt.

Angrep på tråden ytrer seg i praksis ved at det skrivende instrument

S ikke går tilbake til sin opprinnelige nullstilling når Sens igjen omgis av ren bæregass efter at prøvens gasser har passert. Når det under og etter registreringen ikke kan refereres til noen fast nu 11-linje blir resultatet usikkert og noen ganger så kaotisk at det er vez-diløst.

Få~a>r£'.£5<r ""er kjent varianter av brokoblinger hvor Sens blir tilført 'temp<g>iLSSé jons strøm ved hjelp av motkoblinger, forsterkere og servo-ffeks&ifemer. Kompensasjonsstrømmen tilføres da som regel brokoblin-gens inngangsklemmer slik at også strømmen gjennom Ref blir berørt. Det har også vært foreslått å tilføre kompensasjonsstrømmen til ét separat varmeelement som således indirekte overfører varme til Sens. Tidskonstanten for en slik måleanordning blir imidlertid høy. /©ppXåiinelsen tar sikte på å frembringe en målebro der manglene ved Md eatird ligere kjente utførelser er unngått. Dette oppnås ved de mid-ler som er angitt i patentkravet.

Fig. 3 viser prinsippet for brokoblingen ifølge oppfinnelsen. Også her skal for forståelse av virkemåten refereres spesiellt til gass-kromatografi, men anvendelsen av koblingen er selvfølgelig ikke be-grenset til dette.

F er en forsterker uten metallisk forbindelse mellom inn- og utgangs-klemmer. For enkelthets skyld forutsettes et ubetydelig forbruk ved inngan -en og en tilstrekkelig energi ut av forsterkeren.

Rg Rg Ry og især R^ bør være temperatur-uavhengige.

S er igjen det registrerende instrument, men nu med shunt, og strøm-men er betegnet med Y.

Man innstiller på forhånd V slik at man på Sens far en temperatur

som kan tillates i prøvegassen. Ved denne innstillingen er Sens og Ref omgitt av bæregass, helium. Den ohm'ske motstand i Sens avhenger av temperaturen, og ved den temperatur som Sens nu hai*, innstilles Rg slik at motstandsforholdet Rg/Ry blir lik ^ enn^ 5' Kri'terie"t På dette er at ingen spenning; kommer ut ved klemmene Kg. R 7 kan f.eks. være nogenlunde som RgenB i varm tilstand. R^ kim f.eks. være noen protr mille derav. Verdien bør tilpasses forsterker og

måleinstrument S.

Deretter innstilles forholdet R-j/R2 inntil forsterkeren ikke gir noen ubalanse ut ved K-^. Klemmene K^ forbindes nu med riktig polaritet til klemmene Kg og anordningen er klar for bruk.

Omgis nu Sens-tråden av en gass tilsvarende f.eks. kurven G-^ i fig*2, kommer broen ikke tilsvarende ut av likevekt. Når ^^/^ =^ ens/^-^» °<& >Sens på en eller annen måte kan holdes konstant, innses at en hvilken som helst strøm Y innført ved K2 ikke forandrer totalspenningen over Sens og Rjj. Om det dessuten kommer hetestrøm gjennom Ref, innser man ved superponering at strømmen Y bevirker en spenningsøkning over R^ like stor som spenningssenkningen over Sens, slik at Y heller ikke da endrer totalspenningen. Y forårsaker da ingen ubalanse og forsterkeren får intet signal.

Hvis motstanden i Sens derimot ikke forblir konstant, men har tendens til stigning ved temperaturforhøyelse i en annen gass enn helium,

blir broen ikke lenger i likevekt med det innstilte forhold R^/Rg. Forsterkeren får signal og gir strømmen Y ut. Strømmen kommer ved

K2, går gjennom registreringsinstrumentet S, som har shunt, deler seg gjennom Rg og Ry, går gjennom R^ i samme retning som hetestrømmen, men gjennom Sens i motsatt retning av hetestrømmen, og ut ved Kr>.

Når forsterkningen, slik som forutsatt, er tilstrekkelig stor, gir forsterkeren en ampere-styrke av slik størrelse at signalet blir null. Sens får herved en mindre totalstrøm slik at temperaturen, og dermed motstanden holdes på sin opprinnelige verdi. Ettersom R^ er konstant, innvirker Y ikke på totalspenningen. Spenningen og strømmen over Ref er derfor beholdt konstant.

Ref og Sens har i denne bro ved forhåndsinnstillingen ikke samme hete-strøm. Med de motstandsforhold som ble antydet blir strømmen i Sens noen promille mindre enn i Ref. Dette medfører ingen prinsipielle ulemper, men kan tvertom være til praktisk fordel. Det er nemlig meget vanskelig å lage to hetetråder med mindre forskjell i karakteri-stikken enn 1 promille. For å oppnå minst mulig forstyrrelser fra variasjoner i bæregassen, har man nu den mulighet å bytte trådene til Ref eller Sens til optimum av kompensasjon.

Som følge av de på forhånd innstilte motstandsforhold er Y proporsjonal sin komponent gjennom Sens ;(motstrømmen). Y gir derfor et indirekte mål for varmebortføringsevnen i den gass som nu omgir Sens-tråden, med helium som sammenligning.

Forsterkeren arbeider henimot en null-posisjon og bar reagere for små signaler. Utstrømmen behøver slett ikke tilta proporsjonalt med signalet, og forsterkeren byr for så vidt ikke på noe problem. Enkle tfor»skB*nordninger med bare to par transistorer gir strøm- og spennings-forløp som ligger meget nær de forhold som ble fremstilt ovenfor. Fenomener som overløp og pendlinger på skriveren viste seg ikke.

Om forsterkningen er mindre, gir strømmen Y fremdeles et korrekt mål for stasjonær varmebortføring, men Ref, og særlig Sens holdes ikke så nær i jevn temperatur.

Fig. 4 viser strøm- og spennings- tilstander i denne bro, med ideell forsterker. Kurven H viser Sens-trådens.spenning som funksjon av strømmen når tråden er. omgitt av helium.. Det er samme kurve som vist på fig. 2. Kurve G^ er også likedan, kurvene G^ G2 osv. er derimot utelatt for å forenkle figuren.

Punktet hQ i fig. 4 representerer strøm og spenning i Sens-tråden når hetestrømmen IQ på forhånd er innstilt i helium. Høyden Sq-IIq tilsvarer spenningen over R^. Den rette linje gjennom origo og hQ representerer konstant motstand og dermed konstant trådtemperatur. Når Sens-tråden så omgis av gass tilsvarende kurven G^, må b^ ligge på denne kurve, og broen sørger for at b^ samtidig ligger på linjen for konstant temperatur. Differensen Iq-I^ er motstr.ømmen i tråden. Med-strømmen i R^ gir spenningsøkning tilsvarende vertikalavstanden hQ-bj. Spenningen over Ref tilsvarer V-sQ og er konstant. Likeledes blir strømmen konstant.

Forsterkerstrømmen Y blir registrert, og da Y som følge av gitte mot-standsf orhold er avhengig av differensen Iq-I^, gir registreringen et indirekte mål for varmebortførings-evnen hos gassen G^, med helium som sammenligning.

Følgen av denne anordning er at Sens-tråden holdes ved konstant temperatur. Det samme gjelder også for Ref-tråden, og dermed er i denne koblingen, i motsetning-til vanlige koblinger, enhver termisk treghet i systemet utelukket. Derved åpnes muligheten,korrekt å kunne følge raske variasjoner i følerens omgivelser.

En annen fordel ved foreliggende oppfinnelse er de gunstigere mulig-heter for valg av hetestrøm. Tidligere er nevnt at følsomheten for en bro er noenlunde proporsjonal med hetestrømmen i 3. pot ens, og at';

små gassmengder i prøven fordrer høy hetestrøm for å kunne registreres med tilfredsstillende nøyaktighet. På den annen side har man ri-sikoen for at Sens-tråden kan angripes, få redusert tverrsnitt eller strukturendringer slik at dens motstand forandres i de tilfeller hete-strømmen Aq innstilles på en høy verdi. Koblingen ifølge oppfinnelsen gir i disse sammenheng følgende fordeler: Antar man for Sens-tråden den samme maksimalt tillatte temperatur som i vanlige koblinger, så kan IQ stilles inn på en høyere forhåndsverdi enn AQ (fig. 2 hhv. 4). Forholdet mellom ømfinteli gnetene' 1:.broener

blir noenlunde som

Denne ømfintelighets-økningen er en

verdifull mulighet ved mange målinger.

Videre har man som fordelaktig følge av konstant-temperatur-prinsippet at et eventuellt angrep på Sens-tråden, f.eks. gjennom korrosjon, fører til at broen på fig. 4 mater tråden med redusert strøm. Dermed er faren for videregående ødeleggelse av tråden sterkt minsket. Dersom prøven inneholder en gass-art med større varmebortføringsevne enn i bæregassen, blir signalet negativt i forhold til de hittil be-skrevne eksempler. I slike tilfeller bruker man en forsterker som også kan gi strøm i motsatt retning. En annen mulighet er at forsterkeren gir en hvilestrøm så lenge det bare går ren bæregass, og at denne hvilestrømmen både kan økes og reduseres.

Broen i fig. 3 er også drevet med vekselstrøm, bl.a. 325 Hz.

Claims (1)

1. Elektrisk motstandsbro med en temperaturavhengig følemotstand for måling av varmebortføringsevnen i følemotstandens omgivelser, hvor broens utgang er koblet til en forsterker (F) som er tilbakekoblet til broen slik at følemotstanden (Sens) blir holdt på en tilsiktet konstant temperatur ved hjelp av en kompensasjonsstrøm som gir et indirekte mål for varmebortføringsevnen,

   karakterisert ved at motstandsbroens ene gren dannes av følemotstanden (Sens) og en seriekoblet motstand (R^), hvilke to motstander sammen med to ytterligere motstander (Rg og R^) danner de fire grener i en annen motstandsbro og utgangen fra forsterkeren er tilkoblet/forbindelses-punktene mellom følemotstanden (Sens) og dens serifckoblede motstand (R5) og mellom de to ytterligere motstander (Rg oøj <R>^).