NO803837L - Fremgangsmaate og apparat for elektrisk motstandsmaaling og -overvaakning. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører måling av elektrisk motstand eller resistans i et elektrisk ledende legeme.

Den elektriske resistansen til et elektrisk ledende legeme, heretter referert til som et element, avhenger av en rekke parametere, f.eks. dets lengde, tverrsnittsareal, temperatur osv. Det er ofte ønskelig å detektere små foran-dringer i en eller flere av de nevnte parametere for et element sammenlignet med et lignende element hvis parameter ikke endres. Dette kan gjøres ved sammenligning av den elektriske resistansen til de to elementene.

Frem til nå er resistanser blitt målt eller sammenlignet ved å bruke en rekke brometoder, men disse er be-heftet med en rekke ulemper. Bortsett fra når resistansen til elementene er stor sammenlignet med resistansen i de elektriske lederne som forbinder elementene med måleutstyret, kan ofte lederresistansen ikke neglisjeres, og

dette gjør den nødvendige apparatur komplisert. Vanligvis er det ikke praktisk å plassere måleutstyret langt borte fra elementene, noe som ofte er ønskelig ved industrielle anv-endelser, hvis det er nødvendig å tilveiebringe nøyaktige målinger.

I US-patent nr. 3.067.386 er det foreslått å anvende

en potensiometermetode for å unngå bruk av brokretstser til å måle resistansen til et element ved å sende en elektrisk strøm gjennom måle-elementet og et seriekoblet ref-eranse-element, justere strømmen for å gi et konstant sp-enningsfall over måleelementet og måle spenningsfallet over referanseelementet. Strømmen blir regulert manuelt ved hjelp av passende variable motstander inntil en null-detektor, f.eks. et galvanometer, som sammenligner potensialdifferansen over måleelementet med en standard potensialdifferanse, giren nullavlesning.

Det ville være ønskelig å finne frem til et system som ikke krever manuell regulering av strømmen.

Følgelig tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse

en fremgangsmåte for overvåkning av en resistansmodifiserende parameter for et måleelement, ved at det sendes en strøm

gjennom elementet som er seriekoblet med et re feranselement i hvilket nevnte parameter blir holdt konstant, potensialdifferansen over måleelementet sammenlignes med en standard potensialdifferanse for å frembringe et signal som er avhengig av differansen mellom nevnte potensialdi f f eranser,. signalet mates til en strømmodifiserer i serie med måle-elementet og referanseelementet for å modifisere strømmen gjennom elementene som respons på signalet for å holde nevnte potensialdifferanse over måleelementet konstant,

og potensialdifferansen over referanseelementet overvåkes.

Det er også tilveiebrakt et apparat for overvåkning av en resistansmodifiserende parameter for et måleelement, omfattende måleelement koblet i serie med et referanseelement i hvilket nevnte parameter blir holdt konstant, en anordning for å sende en strøm gjennom elementene, en anordning for å sammenligne potensiaTdifferansen over måleelementet med en standard potensialdifferanse og frembringe et signal som er avhengig av differansen mellom potensialdifferansene,,en anordning som styres av signalet for å variere strømmen gjennom elementene slik at potensialdifferansen over måleelementet holdes konstant, og en anordning for.å overvåke potensialdifferansen over referanseelementet.

Elementene bør monteres slik at om andre resistansmodifiserende parametre enn den som overvåkes, skulle forandre seg,, så vil de forandre seg på samme måte i hvert element. Når det således er ønskelig å overvåke elementtykk-elsen og elementene er utsatt for temperaturvariasjoner, så bør elementene monteres slik at begge elementér blir utsatt for de samme temperaturvariasjoner. For å oppnå dette er elementene fortrinnsvis like selv om de ikke nød-vendigvis er identiske. Når den foreliggende oppfinnelse for eksempel blir brukt til å overvåke korrosjon ved å overvåke tykkelsen av et måleelement som er eksponert for korrosive omgivelser, er referanseelementet fortrinnsvis laget av samme materiale som målelementet, men er beskyttet mot korrosjon av et egnet belegg: referanseelementet behøver imidlertid ikke å ha den samme lengde eller tykkelse som

det ukorroderte måleelementet.

Oppfinnelsen er spesielt nyttig når resistansen til elementet er omvendt proporsjonal med parameteren, f.eks. tykkelsen, som blir studert, siden den overvåkede potensialdi f feransen over referanseelementet er direkte proporsjonal med den overvåkede parameter.

Et forspenningspotensial kan påtrykkes den anordningen som overvåker potensialdifferansen (heretter benevnte voltmeter selv om man vil forstå at andre former for overvåknings-anordninger kan brukes). Hvis forspenningspotensialet er

like stort som, men har motsatt polaritet av potensialdiff-.eransen over referanseelementet når den overvåkede parameter for måleelementet har en forutbestemt verdi, så er den netto potensialdifferansen, dvs. spenningen som indikeres av voltmeteret, et mål på forandringen av den parameteren som undersøkes heller enn dens absolutte verdi.

En utførelsesform av oppfinnelsen er illustrert under henvisning til de medfølgende figurer 1 og 2 som er krets-skjemaer, og hvor figur 2 viser modifikasjoner i kretsen som er ønskelige i noen tilfeller.

Den kretsen som er vist på figur 1 viser en likestrøms-kraftforsyning 1 som mater en strøm gjennom elementene 2a, 2b, hvis resistanser skal sammenlignes, og som er koblet i serie over en integrert halvlederkrets, nemlig strømforsterker

3, gjennom ledere 4a, 4b. Spenningsfallet Va, typisk anordnet til å være omkring 20 mV, over måleelementet 2a blir matet tilbake til en integrert halvlederkrets, spenningskomparator 5, via ledere 6 og 7a, hvor det blir sammenlignet med en standardspenning, f.eks. 20 mV, som frembringes av en spenn-ingsstandard 8 som mater en spenningsdeler med en regulerbar motstand 9 ved hjelp av hvilken standardspenningen kan for-håndsinnstilles. Utgangssignalet fra spenningskomparatoren 5 styrer strømforsterkeren 3 til å modifisere strømmen

gjennom elementene 2a, 2b for å holde spenningsfallet Va over elementet 2a konstant og lik den forutinnstilté standardspenningen.

Spenningsfallet Vb over referanseelementet 2b kan overvåkes.av et voltmeter 10, f.eks. et digitalt voltmeter, som er forbundet med ledere 6 og 7b via en av-på bryter 11. Når bryteren 11 er åpen, blir en forspenning påtrykt voltmeteret 10. Denne forspenningen frembringes fra en spenn-ingsstandard 12 som mater en spenningsdeler som har en regulerbar motstand 13 for forhåndsinnstilling av forspenningen. Hvis forspenningen gjøres lik spenningsfallet Vb over referanseelementet 2b, er den nettospenningen som registreres av voltmeteret 10, lik null.

Kretsen kan brukes til å overvåke forandringen i tykkelsen til et element på følgende måte. Siden motstanden eller resistansen R til et element 2 er omvendt proporsjonal med dets tykkelse t

Rb/Ra = ta/tb

og så er Vb/Va = ta/tb

dette gir Vb = Va.ta/tb

Spenningensfallet Vb over referanseelementet 2b er derfor direkte proporsjonalt med tykkelsen av "måleelementet 2a, og når tykkelsen av måleelementet 2a forandrer seg, så for-andres spenningsfallet Vb over referanseelementet proporsjonalt med denne.

Ved å gjøre forspenningen lik Vb når måleelementet

2a er i sin opprinnelige tilstand, er den spenning som indikeres av voltmeteret 10, direkte proporsjonal med forandringen i tykkelse. Voltmeteret kan derfor kalibreres uttrykt ved tykkelses forandring. Når bryteren 11 er lukket, blir forspenningen kortsluttet slik at den spenningen som indikeres av voltmeteret 10 er direkte proporsjonal med tykkelsen av.måleelementet 2a.

En anvendelse av oppfinnelsen er ved forming av metaller, spesielt maskinbearbeiding, f.eks. dreining, valsing eller sliping, av komponenter med tynne tverrsnitt. I dette tilfellet kan en på forhånd formet komponent av

den ønskede størrelse brukes som referanseelement 2b mens den komponenten som formes, blir brukt som måleelement 2a. Hvis måleelementet bearbeides på en slik måte at dets tykkelse reduseres, kan spenningsfallet over referanseelementet 2b brukes til å styre maskinoperasjonen: når for eksempel spenningsfallet nærmer seg det ønskede nivå, kan skjæredybden reduseres og maskineringen stoppes når spennings-

fallet når et forutbestemt nivå. Dermed kan maskineringen stanses når den netto indikerte spenning er null hvis det påtrykkes en forspenning som er lik spenningsfallet over elementet 2b når elementet 2a har den ønskede dimensjon.

En annen anvendelse av oppfinnelsen er ved nøyaktige differensielle temperaturmålinger ved hjelp av motstands-måling. Elementet 2b blir holdt på en fast referansetempertur mens elementet 2a blir holdt ved en temperatur som skal måles. Differansen i resistans mellom de to elementene, og dermed den indikerte spenning hvis en passende forspenning blir påtrykt, er et mål på differansen i temperatur mellom de to elementene.

En annen andvendelse hvor oppfinnelsen er spesielt nyttig, er overvåkning av korrosjon som opptrer i fartøyer eller rørledninger. Et måleelement 2a er anbrakt i fartøyet eller røret slik at det utsettes for de korrosive omgivelser, og etter hvert som elementet korroderer, blir dets tykkelse redusert, og den elektriske resistansen øker. Referanseelementet 2b blir fortrinnsvis anbrakt nær måleelementet 2a,, men er beskyttet mot korrosjon ved hjelp av et passende belegg. Et kontrollelement som også er beskyttet mot korrosjon, kan også være anordnet i nærheten av referanseelementet. Formålet med kontrollelementet er å indikere, ved å sammenligne dets resistans med resistansen til referanseelementet, om en indikasjon på åpen krets, det vil si en indikert tykkelse lik null av måleelementet, eir et resultat av slik full-stendig korrosjon at måleelementet går i stykker eller et resultat av en feil i kretsen. For å sørge for kontrollelementet kan kretsen modifiseres som vist på figur 2. For å hindre at det oppstår katodisk beskyttelse av måleelementet, noe som forsinker korrosjon, kan polariteten av strømmen gjennom måleelementet reverseres periodisk ved hjelp av reverseringsvender 14 i strømforsyningen til elementene. Reverseringsvenderen 14 kan hensiktmessig drives med en frekvens lik den halve nettfrekvensen, dvs. 25Hz, ved hjelp av konvensjonelle anordninger som ikke er vist.

Med noen typer voltmeter 10 er det, for å beskytte dette, spesielt når strømmens polaritet blir reversert, ønskelig å sette inn en av-på bryter 15 i lederen 7b til voltmeteret. Når en måling skal tas, f.eks ved å lukke bryteren 15 om denne finnes, må reverseringsvenderen 14 holdes i den stilling som er vist på figur 2. Når venderen 14 er i den andre stillingen, er polariteten av tilbakekoblingsspenn-ingen til spenningskomparatoren 5 reversert og driver dermed denne utgang til metning, noe som også er tilbøye-. lig til å drive strømforsterkeren 3 til metning. For å begrense strømmen når polariteten er i denne reverserte tilstand, er en motstand 16 koblet i serie med elementene.

Selv om katodisk beskyttelse kan unngås ved å påtrykke strømmen til elementene bare når en måling skal tas f.eks ved å tilveiebringe en av-på bryter i serie elementene 2a, 2b istedet reverseringsvenderen 14, blir det foretrukket å opprettholde en strøm gjennom elementene for å eliminere feil forårsaket av varierende termoelektriske spenninger som frembringes mens apparatet varmes opp til sin li e vekt-tilstand. Når et kontrollelement 2c er koblet i parallell med måleelementet 2a, som beskrevet nedenfor, kan katodisk beskyttelse og strømreversering unngås og utstyret kan like-vel holdes ved sin likevekttemperatur ved å opprettholde strømmen gjennom kontrollelementet 2c og bare koble den til å gå gjennom måleelementet 2a når en måling skal tas.

Kontrollelementet 2c er parallellkoblet med måle-elementet 2a ved å bruke en topolet toveisvender 17 som har en pol innskutt mellom reverseringsvenderen 14 (om en slik brukes) og elementene 2a, 2c og omkobling mellom strømtil-førselsledningene 4a, 4c og den andre polen innskutt i spenningstilbakekoblingslederen til spenningskompartor 5 og kobling mellom spenningstilbakekoblingslederne 7a, 7b. For å unngå feil som skyldes termoelektriske effekter selv når strømmen til elementene opprettholdes, blir det utstyret som er vist innenfor prikkede linjer, fortrinnsvis holdt på en konstant temperatur, f.eks ved at det er montert i et termostatstyrt hus.

Lederne 4, 6, 7 til elementene 2 befinner seg fortrinnsvis i en jordet skjermkabel 18. For å unngå feil som skyldes ledernes resistanser, er lederne 4a, 4b som brukes til å levere strøm til elementene, adskilt fra lederne 7a, 7b som sammen med leder 6 brukes til å mate spenningsfallene over elementene til spenningskomparatoren 5 og til voltmeteret 10. Når elementene 2a, 2b ikke er direkte sammenkoblet,

men forbundet over en ytterligere leder hvis resistans ikke er neglisjerbar i sammenligning med resistansen til elementene, bør leder 6 være duplisert: en leder 6 er forbundet med elementet 2a og med spenningsdeleren som er tilordnet spennings-normalen 8, mens duplikatlederen 6 er forbundet med elementet 2b og méd bryter 11 og forspenningskilden 12. Selv om det ikke er strengt nødvendig å bruke separate ledere 4c, 7c for kontrollelementet 2c når dette anvendes i parallell med måleelementet 2a som beskrevet ovenfor, ettersom kontrollelementet bare brukes til å indikere korrekt funksjonering

av utstyret, blir bruk av slike separate ledere 4c>7c foretrukket.

Man vil forstå at ved å innsette et nøyaktig likeretter-system i lederen fra vender 17 (om denne brukes) til spenningskomparator 5 og i lederen 7b til voltmeteret 10, er det ikke nødvendig å holde vender 14 i den stilling som er vist på figur 2 når en måling skal tas, og motstand 16 bør da også utelates.

Kontrollelementet 2c kan brukes til å kontrollere riktigheten av forspenningen til voltmeter 10 ved å gjøre resistansen til kontrollelementet 2c (og om nødvendig en regulerbar motstand i serie med denne) lik resistansen til måleelementet 2a når dette er i ukorrodert tilstand. Forspenningen kan dermed reguleres ved hjelp av den variable motstand 13, slik at summen av forspenningen og den overvåkede spenning, dvs. avlesningen på voltmeter 10, har en forutbestemt verdi, f.eks lik null, lik den spenning som gis av voltmeteret når måleelementet er i ukorrodert tilstand,

uten hensyn til graden av korrosjon av måleelementet.

Forutsatt at inngangsimpedansen til voltmeter 10 og spenningskomparator 5 er meget høy sammenlignet med resistansene til elementene 2 og lederne 6, 7, kan virkningene av resistansene til lederne 6, 7 neglisjeres.

Claims (9)

1.. Fremgangsmåte til overvåkning av en resistansmodifiserende parameter i et måleelement ved å sende en strøm gjennom måleelementet og et referanseelement som er serikoblet med dette, holde den resistansmodifiserende parameter i referanseelementet konstant, variere strømmen for å holde potensialdifferansen over måleelementet konstant, og ved å overvåke potensialdifferansen over referanseelementet, karakterisert ved at strømmen varieres ved å sammenligne potensialdifferansen over måleelementet med en standard potensialdifferanse, ved at det frembringes et signal som er avhengig av differansen mellom nevnte pot-ensialdif feranser, og ved at signalet mates til en strømmodi-fiserer i serie med måleelementet og referanseelementet, hvorved strømmen blir variert som respons på signalet for å holde potensialdifferansen over måleelementet på en forutbestemt verdi.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det påtrykkes en forspenningspotensialdifferanse på den overvåkede potensialdifferansen over referanseelementet, hvilken forspenning er like store som, men har motsatt polaritet av den overvåkede potensialdifferansen over referanseelementet når den resistansmodifiserende parameteren til måleelementet har en forutbestemt verdi, hvorved summen av forspenningspotensialdifferansen og den overvåkede potensialdifferanse over referanseelementet indikerer forandringen i den resistansmodifiserende parameteren til måleelementet fra nevnte forutbestemte verdi.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at forspenningspotensialdifferansen blir kontrollert, og om nødvendig regulert, ved å koble strømmen fra måle- elementet, sammenligne den standard potensialdifferansen med potensialdifferansen over kontrollelementet istedet for med potensialdifferansen over måleelementet, for å generere signalet som varierer strømmen for å holde potensialdiffe ransen over kontrollelementet lik den forutbestemte konsta-nte verdien, idet kontrollelementet har en resistans til måleelementet når den resistansmodifiserende parameteren til måleelementet har nevnte forutbestemte verdi, ved at den resi-stansmodif iserende parameteren til kontrollelementet holdes konstant, og ved om nødvendig å variere forspenningspotensialdifferansen inntil den er like stor som, men har motsatt polaritet av den overvåkede potensialdifferansen over referanseelementet.

4. Apparat for overvåkning av en resistansmodifiserende parameter i et måleelement, omfattende et måleelement koblet i serie med et referanseelement i hvilket den resistans-modif iserende parameter blir holdt konstant, en anordning for å sende en strøm gjennom elementene, en anordning for å variere strømmen, en anordning for å-sammenligne potensialdifferansen over måleelementet med en standard potensialdifferanse, og en anordning for å overvåke potensialdifferansen over reféranseelementet, karakterisert ved at anordningen for å sammenligne potensialdifferansen over måleelementet med én standard potensialdifferanse omfatter en anordning for å frembringe et signal som er avhengig av differansen mellom potensialdifferansen over måleelementet og nevnte standard potensialdifferanse, og ved at anordningen for å variere strømmen blir drevet av signalet for å variere strømmen for å holde potensialdifferansen over måleelementet på en forutbestemt verdi.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at anordningen for å variere strømmen gjennom elementene omfatter en strømforsterker som styres av et signal fra en spenningskomparator som sammenligner potensialdifferansen over måleelementet med nevnte standard poten-sialdif feranse .

6. Apparat ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at anordningen for overvåkningen av poten-sialdif feransen over refferanseelementet er forsynt med en . anordning for å påtrykke en forspenningspotensialdifferanse med motsatt polaritet på den overvåkede potensialdifferansen.

7. Apparat ifølge noen av kravene 4 til 6, karakt-e' ris ert. ved et kontrollelement som er koblet i parallell med måleelementet, og en koblingsanordning for å sende strømmen til kontrollelementet istedet for til måle-elementet og for å sammenligne nevnte standard potensialdifferanse med potensialdifferansen over kontrollelementet istedet for med potensialdifferansen over måleelementet.

8. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at resistansen til kontrollelementet er lik resistansen til måleelementet når den resistansmodifiserende parameteren i måleelementet har en forutbestemt verdi.

9. Apparat ifølge noen av kravene 4 til 8, karakterisert ved at anordningen for å sende strømmen gjennom elementene omfatter en reverseringsvender for å reversere polariteten av strømmen gjennom måleelementet og referanseelementet.