WO1997043628A2 - Sensor for determining the thermal conductivity and/or temperature of liquid, gaseous or viscous substances and process for driving the sensor - Google Patents

Sensor for determining the thermal conductivity and/or temperature of liquid, gaseous or viscous substances and process for driving the sensor Download PDF

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WO1997043628A2
WO1997043628A2 PCT/PL1997/000007 PL9700007W WO9743628A2 WO 1997043628 A2 WO1997043628 A2 WO 1997043628A2 PL 9700007 W PL9700007 W PL 9700007W WO 9743628 A2 WO9743628 A2 WO 9743628A2
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Inventor
Ryszard Maczan
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Ryszard Maczan
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the invention relates to an electrical resistance sensor for determining the thermal conductivity of liquid, gaseous or semi-solid substances and / or their temperature according to the preamble of patent claim 1 and a method for introducing electrical auxiliary energy into the sensor (excitation of the sensor) according to the preamble of patent claim 12 .
  • Resting gases or liquids as well as gelatinous, slimy, pulpy, pasty, soft, more or less granular substances can be examined or analyzed due to their different thermal conductivity including the material temperature if either a binary mixture is present or if only one variable component is the thermal conductivity of the mixture significantly influenced.
  • These substances are referred to below as the substances to be examined or in short as substances.
  • DE 3917935 C2 describes a device and a method for determining the thermal conductivity and concentration of liquid mixtures, in particular a gasoline / methanol mixture.
  • a method and a device are specified for measuring a concentration in a mixture of first and second liquid components with different thermal conductivities.
  • a film resistance is arranged with a temperature-dependent resistance value.
  • a current is supplied to the thin film resistor to increase the resistance value. After a predetermined time, the current supplied to the internal resistor is limited to lower the resistance value. The rate of change of the resistance value of the thin film resistor is measured.
  • the measured rate which corresponds to the thermal conductivity of the mixture and therefore also the concentration of the first liquid component of the mixture, is converted into a value which is the concentration of this first Indicates liquid component of the mixture.
  • the invention is based not only on the pure thermal conductivity of the substance, but the measurement result is also influenced by the change in the specific heat capacity and the density of the mixture.
  • a sensor is used, namely a typical thin-film resistor, in which - due to its construction - the carrier body and not the mixture to be examined predominantly influences the measured rate of change, and therefore the sensor can only detect the change in thermal diversity of the mixture via a low sensitivity feature.
  • the known anaryysis method is based on the thermal conductivity of the substances, the actual parameter of the substance to be examined, the thermal conductivity, cannot be determined selectively from the measured variables of the measuring method, in this case from the feed times. Since the effects of influencing and disturbing effects such as the effects of the unstable temperature of the substance cannot be eliminated, the measuring method does not meet the higher requirements for accuracy DE 4135617 AI describes a device for determining a heat transfer value of substances for their assessment, the device having a measuring probe for converting the heat transfer value into an amplitude signal.
  • the measuring probe consists of a housing made of heat-insulating material and of a displaceably mounted and lockable therein, elongated Tenroeraftiraufhehmer.
  • the front measuring end of the temperature detector is located inside the housing, while in the measuring position it is just outside the housing in order to come into contact with the substance to be examined.
  • a temperature measurement is first carried out.
  • the heat transfer value of the substance is calculated.
  • This probe is preferably used when assessing the woman's cervical mucus. It has been found that with this known measuring probe it is not possible to achieve sufficient selectivity when converting the heat transfer value into an AmpUtudensignal, and therefore the application of the measuring probe to mixtures of substances with small changes in the homeopathic properties, i.e. the pure heat resistance, the density or the specific heat capacity, not possible.
  • the measurement of the thermal conductivity of a gas mixture takes place in zyifodeiform, the ⁇ nostatised measuring chambers in which heated platinum measuring wires are stretched out.
  • the measuring wire assumes a higher temperature, the lower the heat resistance of the surrounding gas is.
  • the resulting change in resistance of the measuring wire is evaluated.
  • the use of this heat measuring device allows an accurate determination of the pure heat resistance of a gas mixture, but requires a sample and requires a lot great care bd the Temperature control of the measuring chambers and the elimination of external temperature effects and keeping the measuring current constant and thus a relatively large amount of equipment.
  • Bd liquid lubricants such as lubricating oils, especially motor oils
  • the lubricant is mainly exchanged according to fixed operating times. Since the quality of the oil used varies depending on the degree of use, machine condition, type of oil, degree of refining and others according to fixed operating times, the optimal operating time of the oil can usually not be set universally. Accurate but relatively expensive and time-consuming laboratory tests of the lubricants in question are known, e.g. according to DIN 51551 (the coke residue as a measure of the aging condition of an oil).
  • the invention has for its object to provide a heat-sensitive, suitable for determining the thermal capacity and / or the temperature of liquid, gaseous or semi-solid substances, and to stimulate it so that a determination of the thermal capacity and / or the temperature from its output signal of the substance becomes possible, and that the heat-specific and electromagnetic interference effects, which overlay the actual measured variable when they occur, predominate in their effect can be eliminated.
  • This makes it possible to precisely determine the temperature and / or the temperature of substances in order to determine a change in the state of the substance or the properties or concentrations of the substances, and the sensor is also simply constructed and in place, without sampling and Sample preparation, ie without sampling errors, is easy to use
  • Electromagnetic interference effects are understood to mean the following: a. electromagnetic interference from the environment b. the electrical interference voltages sdtens of the electrical excitation signal.
  • the invention is therefore based on the idea of an interference-free investigation of the transmission behavior of a sensor proposed by the invention, which is heat-sensitive thanks to its design and behaves practically in its transmission behavior like a linear measuring element of the 1st order for the principle-related determination of the thermal conductivity and / or the temperature of the resting material directly touching it, in order to be able to get information from the output signal of the sensor about how intensively the certain electrical power accumulating in its measuring winding is transferred to the material with a changing thermal conductivity, causing the influence of the influences the result of the investigation has a negligible influence.
  • the thermal conductivity to be measured is to be understood as the thermal conductivity of the substance, which relates to the specific thermal capacity and the density of the substance
  • the pure thermal conductivity of the substance is calculated from the thermal conductivity to be measured according to the formula
  • K- ⁇ c (1) calculated, where K is the pure thermal conductivity, b the thermal conductivity to be measured, ⁇ the density and C the specific heat capacity of the substance.
  • the thermal conductivity to be measured is briefly referred to as the thermal conductivity b.
  • Such a heat-sensitive, linear sensor of the 1st order is to be understood as a sensor whose output quantity, the electrical resistance of the measuring winding, the heat energy stored in the sensor, which corresponds to the caloric mean temperature, is proportional, ie its heat sensitivity is constant, and also its transmission behavior can be completely described by first order differential equation. c.
  • Such a sensor is understood to be an experimental determination of the functional dynamic relationship between a specific output signal, the electrical excitation signal of the sensor, as the cause and its output signal, the change in resistance of the measuring winding, as an effect, whereby the output signal is influenced by an influencing variable, the thermal conductivity of the substance , being affected.
  • the interference effects are suppressed by the investigative and design measures d.
  • the principle-related determination of the Wänneldt ability and / or the temperature means that the basis for such a determination is the first law of thermodynamics (energy balance for the sensor) and Fourier's basic law of heat conduction (kinetic approach for the substance to be investigated), and that it is secondly to determine the caloric mean temperature of the sensor.
  • the sensor can be used to selectively determine the thermal conductivity and / or the temperature of the substance, the effects of which are largely eliminated from the heat-specific and electromagnetic interference effects which can occur during the determination. This makes it possible to make reliable statements about the finest changes in the state of matter or properties or concentrations of liquid, gaseous or semi-solid substances.
  • the solution according to the invention can be used universally and can be carried out under practical conditions with a relatively small amount of equipment. The relevant examinations can be carried out on the spot in such a way that sampling is not necessary. This also eliminates those measurement errors which result from sampling and sample preparation.
  • the sensor is also used to measure the current material temperature, which is either taken as the reference temperature for the thermal conductivity or, after the elimination of static and dynamic errors, can be used as a measured variable or an influencing variable in various fields of measurement and control technology.
  • the sensor is used quasi-continuously with a suitable evaluation circuit to monitor the condition of various substances.
  • An economically particularly important field of application is the monitoring of a lubricating oil, in particular the motor oil of a motor vehicle. It has been found through ongoing oil sampling that some specific physical and chemical properties of a lubricating oil change as it is used (Lubrication Engineering, August 1994, pp. 605-611). Due to the inherent aging processes in the lubricating oil, e.g.
  • the size and shape of the free space 10 are to be determined in this way so that the substance to be examined fills the free space 10 and therefore comes into direct contact with the sensor without any contact heat resistance, and that no movement occurs during the first process step the one to be examined, ie warming material can take place. Since the semi-solid substances can practically not flow, the free space 10 should only be predetermined in such a way that it is free of other substances, provided that the subject matter of the invention is used for determining the thermal conductivity of thin-bodied or gaseous substances, i.e. If an undesirable, corrosive heat transfer to the material is nevertheless possible, a predetermined cavity should be provided around the sensor, inside which the discoloration suppresses the natural convection of the fabric and strongly inhibits possible movements. The cavity (free space 10) should then depend on the footing behavior of the substance and taking into account the strength, frequency and duration of the excitation signal, which will become clear.
  • the linearity of the sensor can be improved in that the length dimensions of the sensor do not differ much. Further design-related changes in the sensor from a linear measuring element of the first order can be reduced by the fact that the materials of the sensor components (carrier body 1, content of the embedding space 9, insulation of the resistance wire and the resistance wire 8 itself) have almost the same temperature capability, i.e. that the temperature compensation in these components runs quickly
  • the detection of the caloric mean temperature of the sensor by the resistance wire 8 can be better ensured if it fills the sensor as completely as possible and if no temperature differences can occur on the cross section of this resistance wire. Therefore, a very thin resistance wire is to be used to form the measuring winding 7, with any metal or metal oxide strand underneath the resistance wire Understanding is, for example, copper, platinum, Ni-Cr or silver coating, thin strip or a strip-shaped layer resistor laid on a fine substrate
  • the effects of the electromagnetic interference effects can be reduced in that the measuring winding 7 is arranged in a two-wire manner on a carrier body and the half-windings formed in this way are arranged electrically opposite a Wheatstone bridge, with the starting connection points of the half-windings being on the same bridge diagonal.
  • a very advantageous electrical independence of the output signal Uy from fluctuations in the supply voltage Uo can be achieved by dividing the amplitude signal U1 by the voltage voltage signal Uo with the aid of a multiplier 28 arranged in the negative feedback branch of the amplifier circuit 27.
  • FIG. 2 shows an overview sketch of a sensor in exemplary embodiment S2, specifically with a mechanical device surrounding it
  • FIG. 3 shows an amplifier-free measuring circuit, such as is used, for example, for determining the absolute thermal conductivity
  • FIG. 4 shows an amplifier-free measuring circuit, such as is used, for example, for determining the relative thermal capacity
  • FIG. 5 shows a linear feed and measuring device and an evaluation device
  • 6 shows an example of the excitation signals of the sensor
  • FIG. 7 shows an example of the current temperature distribution in the sensor and in the material
  • Fig. 8 test results of the sensor S2 in connection with an engine oil
  • the present example represents a basic form of the sensor and describes an embodiment of the invention which alone enables the determination of the thermal conductivity and / or the temperature of substances which themselves cannot flow.
  • the exemplary embodiment SI shown in FIG. 1 has a carrier body, generally designated 1, which has the shape of a very small, coil-shaped component.
  • the component consists of a thin, inner metal rod 2 with two thin metal walls 3a and 3b and a metal cylinder 4
  • the metal rod 2 has a diameter of approximately 0.4mm and the metal walls 3a, 3b and the wall of the cylinder 4 are approximately 0.2mm thick.
  • the thickness of any section of the support body 1 is approximately the thickness of an adjoining the section of the resistance wire 8 gldch, so that the temperatures in the sensor are influenced very little by the heat capacities of the support body 1.
  • the sensor must not be equipped with any other protective fitting.
  • the carrier body is equipped with a holder 5, which is provided for fastening the sensor in a measuring insert 6.
  • a measuring winding 7 is arranged, which is formed from a double resistance wire 8 and consists of two identical, parallel, mutually insulated copper wires.
  • Each wire of this double resistance wire 8 has a diameter of approximately 0.1 mm and an insulation thickness of 5 ⁇ m.
  • the double resistance wire 8 is arranged spatially and tightly in the embedding space 9 and impregnated with a metal-based, very good temperature-insulating protective lacquer, so that there is a typical gold-like winding coil, which can be seen in FIG.
  • the measuring winding 7 in the sensor consists of a double resistance wire with golden wires
  • It itself is similar to a measuring set for resistance thermometers according to DIN 43762 and consists of a flexible jacket tube 13a with four inner lines 13, a flange and a base with the connecting terminals.
  • the present example creates another embodiment on the basis of the exemplary embodiment SI, which enables the determination of the heat conductivity and / or the temperature of liquid and gaseous substances and can be used, for example, for the investigation of the aging stage of a liquid mixture
  • the exemplary embodiment S2 shown in FIG. 2 consists of a basic form of the sensor SI from FIG. 1, which is generally 14, and a mechanical device, which surrounds it and is generally 15. This mechanical device
  • the sensor 14 is arranged at a short distance (approx. 5 mm) from the cylinder 17. In this way, there is no sufficiently large flow space around the sensor for the natural convection of the heated material and thus its movement there is strongly suppressed.
  • the cavity 16 is, however, large enough to accommodate all the heat that flows in the direction of the negative temperature gradient in the material of the 2nd procedural step is transferred.
  • the provision of the mechanical device 15 also has the advantage that no disturbing external currents can act on the sensor, ie the partially open chamber 16 represents a calming space for the substance.
  • 3 shows an amplifier-less measuring circuit, generally designated 21a, for converting changes in resistance of the double resistance wire 8 into an amplitude signal U1. It is used to measure the absolute thermal capacity and is designed in the form of a Wheatstone bridge.
  • the half-windings 7a and 7b which have arisen due to the twisted-wire winding formation, are, in terms of aesthetics, arranged as the same bridge resistances opposite a Wheatstone bridge, with the starting junctions Ila, 11b of Haibwickhmgcn 7a and 7b are located on the same diagonal of the Wheatstone bridge as can be seen from FIG.
  • each fixed bridge resistor 22 is predetermined in such a way that it is equal to the ohmic resistance of a half-winding 7a, 7b in the reference temperature for the thermal conductivity of the substance, ie the Wheatstone Bridge is located during the excitation of the sensor in an optimal, almost balanced state.
  • the two half-windings 7a and 7b of the twisted-wire winding configuration according to FIG. 3 are arranged to form a Wheatstone bridge, then the current flows in them in the opposite direction and thus generates largely compensating magnetic fields. In this way, the electromagnetic interferences from the environment cancel each other out in the two half-windings and the electrical interference voltages generated during the excitation by self-induction in the measuring winding 7 are greatly reduced. Bd the heating of the sensor by approx. 5 K, i.e. in the heating range during the excitation, the output signal Ul resulting from the bridge circuit is practically proportional to the change in resistance of a half-winding 7a, 7b, which can be explained electrically without further explanation
  • the two other bridge resistors 22 can also consist of half-windings 7c and 7d of another sensor constructed according to the invention, but which is in a known laminate.
  • the half-windings 7c and 7d of this sensor are, in addition to the half-windings 7a and 7b, in the measuring circuit 21b in
  • the initial connection points 11c, 11d of half-windings 7c and 7d are arranged on the same Diagonals of the Wheatstone Bridge are located.
  • Such a measuring circuit contains two identical sensors, one of which is immersed in the substance to be examined, the other in the composite material at the same temperature.
  • this amplifying measuring circuit 21b is used to carry out a relative measurement of the thermal conductivity between the substance to be examined and a known comparative substance. This solution alone does not enable the material temperature to be measured, but limits the linearity errors which occur, for example, in the measuring circuit 21a.
  • a common housing 23 is shown schematically in FIG. 5, in which a linear feed and measuring device 24 and an evaluation circuit 25 as well as an electrical energy source 26 are provided.
  • the linear feed and measuring device 24 contains an amplifier circuit 27 which is arranged in a series circuit with the amplifier-less measuring circuit 21a or 21b and with the evaluation circuit 25 and amplifies the amplitude signal U1 emerging from the measuring circuit.
  • the linear feed and measuring device 24 inputs its output signal Uy into the evaluation circuit 25.
  • the amplifier circuit 27 has an analog multiplier 28 which is arranged in its negative feedback and which is provided for multiplying the output signal Uy by the supply voltage signal Uo the amplifier-less measuring circuit 21a or 21b and the amplifier circuit 27 becomes constant.
  • a supply circuit 29 is provided in the linear supply and measuring device 24, which is constructed in the form of a controlled supply voltage source for the amplifier-less measuring circuit 21a or 21b.
  • the linear supply and measuring device 24 also has an adjusting element 30 , which is controlled by the evaluation circuit 25 and on the other hand controls the feed circuit 29.
  • the setting member 30 is constructed as a programmable function generator and is provided for generating a behavior test signal which is explained below.
  • the evaluation circuit 25 has a conversion circuit 31, which is responsible for the analog-digital conversion of the signals Uy and Uo and for the output and reception of binary control signals for the setting element 30
  • Microcomputer 32 equipped, which is provided for the execution of measurement algorithms, for the sensor-specific Meßsignah / erarbdrung and for the evaluation of the signals Uy and Uo, as well as for the computational determination of the measured or the pure heat ability and / or the temperature of the substance to be examined is
  • the sensor SI or S2 is electrically excited in one or more measuring processes, in conjunction with the measuring circuit 21a or 21b, the spdse and measuring device 24 and the evaluation circuit 25, each in two process steps, in such a way that from the output signal of the Sensor the determination of the temperature and the thermal conductivity of the material coming into contact with the sensor is possible.
  • the excitation process may be illustrated using a practical example. Should e.g. the lubricating oil of an engine are examined, the sensor is held in the oil through the oil dipstick of the engine, as in the exemplary embodiment S2, the mechanical device 15 being found inside the engine.
  • the amplifier-less measuring circuit 21a is used to convert the changes in resistance of the measuring winding into an amplitude signal
  • the measurement of the absolute thermal capacity should take place in relation to the operating temperature of the oil, in the almost balanced state of the Wheatstone bridge.
  • the aim of the first process step is to determine the oil temperature and to determine the thermal stability state of the oil and the sensor. Therefore, similar to a resistance thermometer, it is excited with an electrical supply signal, which enables the conversion from the change in resistance into a voltage signal and only introduces a small amount of electromagnetic power into the current-carrying measuring winding.
  • the amplifier-less measuring circuit 21a is supplied with a supply voltage Uo (so-called initial value). , at a height of 200 mV.
  • the amplitude signal U1 resulting from the measuring circuit 21a is passed on to the microcomputer 32 after a corresponding amplification in the amplifier circuit 27 (output signal Uy) and after conversion into a digital signal in the conversion circuit 31.
  • the signal is the change in resistance of the half-winding 7a and 7b proportional and corresponds to the Change in the caloric mean temperature of the sensor.
  • the microprocessor 32 incorporates the sensor-specific measurement signal processing for resistance thermometers, for example the correction of exemplary scatter of zero point and slope and of non-linearities.
  • the first process step can extend over any length of time.
  • the second process step can be carried out at a central point of your choice, but if it is established that the measured temperature no longer changes, ie the temperature of the sensor is stable and the temperature of the oil.
  • the aim of the second process step is the experimental coupling of the energy balance of the sensor and the heat insulation of the substance in the form of a first-order differential glazing, which describes the transmission behavior of the sensor.
  • This differential glazing, main glazing for the sensor defines the relationship between the change in its average calorific temperature and the electrical excitation signal, taking into account the constant width of the sensor and the thermal conductivity of the substance.
  • the experimental coupling of the energy balance and the thermal insulation provides an output signal Uy, which, together with the electrical excitation signal, enables the solution of the main glazing to be determined. This makes it possible to determine the thermal conductivity of the substance.
  • an electrothermal power is generated in its current-carrying measuring winding which causes the temperature of the sensor to change. Due to the temperature difference between the sensor and the fabric, the heat is transferred in the direction of the negative temperature gradient in the fabric. The difference between the heat flow in and out is stored in the sensor, which is good where F is the electrical power supplied to the sensor, F a0 is the heat flux absorbed by the sensor and Fs is the heat flow stored in the sensor.
  • V 9 means the over-temperature compared to the reference temperature of the substance determined in the first process step.
  • K is the pure thermal capacity
  • V the temperature of the substance
  • S the surface
  • R the radius of one Sensors.
  • the equation 5 represents a first order differential equation which, with the following well-founded assumption that the caloric mean temperature of the sensor is equal to its surface temperature, can be represented in a detachable form, as will become clear.
  • the transfer of heat from the sensor to the substance and then also the thermal conductivity of the substance from the main structure 5 can be based on the values of the measuring caloric mean temperature can be determined. To enable this determination, it is necessary to excite the sensor either with a changing but not recurring or with a periodically changing electrical power.
  • the non-recurring excitation signals that are decisive for a transmission quality test include typical test functions that are simple to implement, such as the pulse, jump and ramp function.
  • the change in the mean temperature to be measured represents a process, at the end of which there is a new one sets stationary temperature distribution in the substance
  • the evaluation of the measurement results can be carried out in the manner which is explained in the already mentioned DE 4135617 AI
  • the periodic excitation signals that are decisive for a transmission behavior test include, for example, the smusty course of the stimulating electrical equipment with a constant amplitude and with a constant frequency or the periodic signal in the form of rectangular feed energy pulses with a constant amplitude and in a pseudo-random sequence with a short cycle time.
  • the change in the mean caloric temperature contains a temporary and a periodic component, with only the periodic component determining the transmission behavior test.
  • the periodic part only begins after the end of a temporary process, which arrives at the start of the vibrations of the electrical power supply and is reflected in a non-periodic temperature distribution in the sensor and in the substance to be examined.
  • the temporary process in the substance to be examined ends earlier, the smaller the distance from the sensor and the greater the temperature ability of the substance.
  • the course of the mean temperature to be measured can therefore only be properly evaluated after a setting time. Otherwise, a systematic measurement error occurs, which can falsify the measurement results.
  • the duration of the second process step should generally be limited in order to be able to avoid the heating of the material outside the free space 10.
  • the supply voltage of the amplifier-less measuring circuit 21a has an amplitude of 10V and a Frequency of 1 Hz. Electromagnetic heat flow is then generated in the measuring winding
  • Fzu Fo [l-cos 2 ( ⁇ ot- ⁇ ) l (7) of the two components, one constant and one periodic, contains (Fig. 6).
  • the constant component is responsible for the temporary portion in the course of the average calorific temperature and is together for the two current-carrying half-windings
  • RQ means the resistance of a half winding in the initial temperature (reference temperature).
  • the change in the constant component sdd the change in the sensor temperature by approximately 5 K is not more than 0.01%, and must not be taken into account in the evaluation.
  • the periodic component is liable for the periodic portion in the course of the caloric mean temperature of the sensor and is
  • Their frequency CO is, compared to the frequency of the supply voltage COQ, twice as high (2 Hz).
  • the heat detection is initiated in the sensor and in the oil to be examined. Since not as much heat is withdrawn from the sensor as is being supplied at that moment, the thermal energy stored in the sensor, and thus also its temperature, changes - also in a smoky manner.
  • the heat flow is supplied to the entire sensor, which has a certain heat capacity, at lightning speed.As the sensor largely consists of a resistance wire and a heat-sealable metal sheath and only has a small, metallic support body, its internal heat resistance is also very low and therefore occur slight temperature differences.
  • the temperature of the sensor depends only on the Zdt, but not on the spatial coordinates, ie the caloric mean temperature to be measured is practically the same as its surface temperature.
  • the intensity of the heat transfer to the oil, ie the local absorption of the oil temperature on the surface of the sensor is not constant in the course of the second step of the driver. It can be based on the theory of temperature periods ("Conduction of Heat in Sohds" by HS Carslaw, Oxford University Press , 1959, pp. 64-70) and the resulting distribution of the instantaneous temperature in the sensor and in the oil (Fig.
  • the effective internal color in the oil is particularly large in this case not only because the distance from the sensor to the cylinder is relatively small and large shear stresses have to be overcome, but also because of the transient thermal and hydrodynamic processes in the gap chamber 16 , a constantly changing acceleration of the oil particles takes place. Therefore, in addition to the shear stresses, the inertia of the oil has to be overcome.
  • V k + ⁇ V k e - 2JC ⁇ x
  • V g can then be in the form
  • the animal-physical characteristics of the oil are summarized in this equation as the thermal conductivity D to be measured.
  • the numerical calculation of the thermal capacity is possible from the equation 14 for each sampling period ⁇ t. It is
  • the test results of the sensor S2 in connection with an engine oil are shown in Fig. 8, whereby the calibration factor of the sensor has been estimated.
  • the pure thermal conductivity K of the oil can be calculated in the microcomputer 32 from the values of the thermal conductivity D to be measured, for predetermined values of the specific thermal capacity and the density of the oil.
  • the thermal conductivity can also be determined from the amplitude values of the signals Fzu and V s in connection with the main equation for the sensor.
  • This solution offers, in particular, the possibility of determining the relative thermal conductivity of a substance in a simpler manner with the aid of the measuring circuit 21b, and can be used for operational substance analysis. However, it has a lower accuracy and reliability, which in turn is due to the relatively small number of available
  • Amplitude values of the signals F come out to u * 10 * V s.
  • the invention is also suitable for use in the ground to determine the current moisture content so that timely moistening measures can be used and to keep the moisture fluctuations within the narrowest possible limits.
  • the sensor can also be used to examine mucus, especially cervical mucus, whose changes in condition during the course of a woman's cycle or in the course of a woman's disease are determined for medical reasons.
  • the invention is also suitable for the investigation of various gas (vapor) mixtures, for example in connection with a gasoline / alcohol / fuel mixture, or for determining the degree of saturation or for determining the boiling state of a mixture.
  • the sensor can be used advantageously for permanent, statically and dynamically corrected temperature measurement.
  • the dynamic correction of the temperature measurement in particular bd the periodic temperature measurement, can be carried out.
  • An example of this is temperature control (on-off control) using thermostats.

Abstract

A sensor is disclosed for determining the thermal conductivity and/or temperature of liquid, gaseous or viscous substances, for example engine oil. A process for driving the sensor is also disclosed. The sensor has a supporting body (1) and a measurement winding (7) of a type that reduces self-induction and inductivity. In order to create an appropriate sensor for determining the thermal conductivity and/or temperature of substances, the resistance wire (8) is uniformly arranged in an embedding space (9) provided for the measurement winding and having everywhere the same heat storage capacity, on a supporting body (1) of which each part has at the most the thermal capacity of a pair of adjacent resistance wire layers, so that the caloric medium temperature of the sensor may be sensed by means of the resistance wire (8). A predetermined cavity (10) for the substance to be examined is provided next to the sensor. The sensor is at first driven with a constant, low electric supply which is then changed to test the transmission behaviour of the sensor.

Description

Sensor für die Bestimmung der WärmcldtfiÜiigkeit und/oder der Temperatur von flüssigen, gasförmigen oder halbfesten Stoffen und Verfahren zum Anregen des Sensors.Sensor for determining the thermal conductivity and / or the temperature of liquid, gaseous or semi-solid substances and method for exciting the sensor.
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstandssensor für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von flüssigen, gasförmigen oder halbfesten Stoffen und/oder ihrer Temperatur nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Hineinbringen elektrischer Hilfsenergie in den Sensor (Anregen des Sensors) nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 12.The invention relates to an electrical resistance sensor for determining the thermal conductivity of liquid, gaseous or semi-solid substances and / or their temperature according to the preamble of patent claim 1 and a method for introducing electrical auxiliary energy into the sensor (excitation of the sensor) according to the preamble of patent claim 12 .
Ruhende Gase oder Flüssigkeiten sowie gallertartige, schleimige, breiige, pastöse, weiche, mehr oder weniger körnige Stoffe können aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit unter Einbeziehung der Stofftemperatur untersucht oder analysiert werden, wenn entweder ein binäres Gemisch vorliegt oder wenn nur eine veränderliche Komponente die Wärmeleitfähigkeit des Gemisches signifikant beeinflußt. Diese Stoffe werden folgend als die zu untersuchenden Stoffe bzw. kurz als Stoffe bezeichnet.Resting gases or liquids as well as gelatinous, slimy, pulpy, pasty, soft, more or less granular substances can be examined or analyzed due to their different thermal conductivity including the material temperature if either a binary mixture is present or if only one variable component is the thermal conductivity of the mixture significantly influenced. These substances are referred to below as the substances to be examined or in short as substances.
In der DE 3917935 C2 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und Konzentration von Flüssigkeitsgemischen, insbesondere einer Benzin/MeΛanolmischung, beschrieben. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben zur Messung einer Konzentration in einem Gemisch aus ersten und zweiten Flüssigkeitskomponenten mit unterschiedlichen WäYmeleitfahigkeiten. Im Gemisch ist ein Dωinfilmwiderstand angeordnet mit einem temperaturabhängigen Widerstandswert. Dem Dünnfilmwiderstand wird ein Strom zugeführt zur Erhöhung des Widerstandswertes. Nach einer vorbestimmten Zeit wird der dem I>ünnj51mwiderstand zugeführte Strom begrenzt zur Senkung des Widerstandswertes. Die Anderungsrate des Widerstandswertes des Dünnfilmwiderstandes wird gemessen. Die gemessene Rate, die der Wärmeleitfähigkeit des Gemisches und daher auch der Konzentration der ersten Flüssigkeitskomponente des Gemisches entspricht, wird in einen Wert umgewandelt, der die Konzentration dieser ersten Flüssigkeitskomponente des Gemisches anzeigt. Die Erfindung basiert nicht nur auf der reinen Wärmeleitfähigkeit des Stoffes, sondern das Meßergebnis wird auch durch die Änderung der spezifischen Wärmekapazität und der Dichte des Gemisches beeinflußt. In dieser bekannten Vorrichtung wird ein Sensor und zwar ein typischer Dünnfilmwiderstand verwendet, in dem - aufgrund seiner Bauweise - überwiegend der Trägerkörper und nicht das zu untersuchende Gemisch die gemessene Änderungsrate beeinflußt, und daher kann der Sensor nur über eine niedrige Empfindlichkeit auf die Wäϊmeldrfaltigkeitänderung des Gemisches verfügen.DE 3917935 C2 describes a device and a method for determining the thermal conductivity and concentration of liquid mixtures, in particular a gasoline / methanol mixture. According to the invention, a method and a device are specified for measuring a concentration in a mixture of first and second liquid components with different thermal conductivities. In the mixture, a film resistance is arranged with a temperature-dependent resistance value. A current is supplied to the thin film resistor to increase the resistance value. After a predetermined time, the current supplied to the internal resistor is limited to lower the resistance value. The rate of change of the resistance value of the thin film resistor is measured. The measured rate, which corresponds to the thermal conductivity of the mixture and therefore also the concentration of the first liquid component of the mixture, is converted into a value which is the concentration of this first Indicates liquid component of the mixture. The invention is based not only on the pure thermal conductivity of the substance, but the measurement result is also influenced by the change in the specific heat capacity and the density of the mixture. In this known device, a sensor is used, namely a typical thin-film resistor, in which - due to its construction - the carrier body and not the mixture to be examined predominantly influences the measured rate of change, and therefore the sensor can only detect the change in thermal diversity of the mixture via a low sensitivity feature.
Es ist bekannt, die Bestimmung des Anteils an festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen einer Mischung oder Schichtung dieser Substanzen mit Hufe eines elektrischen Widerstandsdrahtes durchzuführen, wie das in DE 3122642 C2 beschrieben ist Das bekannte Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß für die Mischung oder Schichtung die Anzahl n der verschiedenen Substanzen ermittelt und in die einzelnen Substanzen der elektrische Widerstandsdraht eingebettet und jeweils vorb^stimmter n-1 verschiedener Mengen elektrische Energie kurzzeitig innerhalb von JMfllisekunden bis höchstens einige Sekunden bis maximal unterhalb der Verdampfungs- oder Entzündungstemperatur der in der Mischung oder Schichtung vorhandenen Substanz mit der geringsten Verdampfungs- oder Entzündungstemperatur erwärmt wird und dabei Kalibriermessungen der Einspeisezeiten für die Zufuhr der vorbestimmten Energiemengen vorgenommen werden, und daß mit einem in die zu untersuchenden Mischungen oder Schichtungen eingebetteten Widerstandsdraht gleicher mechanischer und elektrischer Daten sowie bei Einspeisung der gleichen vorbestimmten Energiemengen wie bei den Kalibriermessungen die jeweiligen Einspeisezeiten erneut gemessen und aus den Werten dieser Messungen sowie den Kalibriermessungen die einzelnen Substanzen der Mischung oder Schichtung ermittelt werden. Das bekannte Anaryseverfahren basiert zwar auf der Wärmeleitfähigkeit der Stoffe aber die eigentliche Kenngröße der zu untersuchenden Substanz, die Wärmeleitfähigkeit, kann nicht aus den Meßgrößen des Meßverfahrens, in diesem Fall aus den Einspeisezeiten, selektiv ermittelt werden. Da die Auswirkung von Einfluß- und Störeffekten wie z.B. die Auswirkung der labilen Temperatur des Stoffes nicht eliminiert werden kann, erfüllt das Meßverfahren die höheren Anforderungen an die Genauigkeit nicht In der DE 4135617 AI ist eine Vorrichtung zum Feststellen eines Wärmeübergangswertes von Substanzen für deren Beurteilung beschrieben, wobei die Vorrichtung eine Meßsonde zur Umformung des Wärmeübergangswertes in ein Amplitudensignal aufweist Die Meßsonde besteht aus einem Gehäuse aus wärmeisolierendem Material und aus einem darin verschiebbar und feststellbar gelagerten, länglichen Tenroeraftiraufhehmer. In seiner Nichtfunktionssteüung befindet sich das vordere Meßende des Temperaturaufhehmers im Inneren des Gehäuses, während es sich in der Meßstellung gerade etwas außerhalb des Gehäuses befindet, um mit dem zu untersuchenden Stoff in Kontakt zu kommen. Hierzu, in der Meßstellung, wird zunächst eine Temperaturmessung vorgenommen. Dann erfolgt, auf der Basis mathematischer Beziehungen, unter Einbeziehung von Konstantwerten der Meßsonde, die rechnerische Ermittlung des Wärmeübergangswertes des Stoffes. Diese Meßsonde wird bevorzugt eingesetzt bei der Beurteilung des Zervixschleims der Frau. Es hat sich herausgestellt, daß bei dieser bekannten Meßsonde keine ausreichende Selektivität bei der Umformung des Wärmeübergangswertes in ein AmpUtudensignal erreicht werden kann, und daher ist die Anwendung der Meßsonde bei Stoffgemischen mit klemen Veränderungen der iheimophysikalischen Eigenschaften, d.h. der reinen Wärmeidtfähigkeit, der Dichte oder der spezifischen Wärmekapazität, nicht möglich.It is known to determine the proportion of solid, liquid or gaseous substances in a mixture or layering of these substances with hooves of an electrical resistance wire, as described in DE 3122642 C2. The known method is characterized in that for the mixture or layering the The number n of the various substances is determined and the electrical resistance wire is embedded in the individual substances, and in each case predetermined n-1 different quantities of electrical energy are briefly within a few milliseconds up to a maximum of a few seconds up to a maximum below the evaporation or ignition temperature of the mixture or layering Substance with the lowest evaporation or ignition temperature is heated and calibration measurements of the feed times for the supply of the predetermined amounts of energy are carried out, and with one into the mixtures or layers to be examined embedded resistance wire of the same mechanical and electrical data and when feeding in the same predetermined amounts of energy as for the calibration measurements, the respective feed times are measured again and the individual substances of the mixture or stratification are determined from the values of these measurements and the calibration measurements. Although the known anaryysis method is based on the thermal conductivity of the substances, the actual parameter of the substance to be examined, the thermal conductivity, cannot be determined selectively from the measured variables of the measuring method, in this case from the feed times. Since the effects of influencing and disturbing effects such as the effects of the unstable temperature of the substance cannot be eliminated, the measuring method does not meet the higher requirements for accuracy DE 4135617 AI describes a device for determining a heat transfer value of substances for their assessment, the device having a measuring probe for converting the heat transfer value into an amplitude signal. The measuring probe consists of a housing made of heat-insulating material and of a displaceably mounted and lockable therein, elongated Tenroeraftiraufhehmer. In its non-functional control, the front measuring end of the temperature detector is located inside the housing, while in the measuring position it is just outside the housing in order to come into contact with the substance to be examined. For this purpose, in the measuring position, a temperature measurement is first carried out. Then, on the basis of mathematical relationships, including constant values of the measuring probe, the heat transfer value of the substance is calculated. This probe is preferably used when assessing the woman's cervical mucus. It has been found that with this known measuring probe it is not possible to achieve sufficient selectivity when converting the heat transfer value into an AmpUtudensignal, and therefore the application of the measuring probe to mixtures of substances with small changes in the homeopathic properties, i.e. the pure heat resistance, the density or the specific heat capacity, not possible.
Zum Untersuchen oder Analysieren von Gasen ist es bekannt Wärmeldlfaliigkdtsmeßgeräte zu verwenden (Dr. T.Pfeifer, Dr. P.Profos: Handbuch der industriellen Meßtechnik, R. Oldenburg München-Wien, 6. Auflage 1994, S. 913-923; LHengstenberg, B.Strum, O. Winkler: Messen, Steuern, Regein in der Chemischen Technik, Springer- Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Dritte Auflage, Band U, S. 94-112). Große Bedeutung haben Anaiysegeräte zur Bestimmung des Gasgehaltes in einem Gasgemisch z.B. des CO∑-Gehaltes. Kohlendioxyd hat nämlich gegenüber der Luft eine deutlich niedrigere Wärmeidtfähigkeit und der CO2- Anteil beeinflußt daher die Wärmeldtfähigkdt deutlich. Die Messung der Wärmeleitfähigkdt eines Gasgemisches geschieht in zyifodeifOrmigen, theπnostatisierten Meßkammern, in denen beheizte Platin-Meßdrähte ausgespannt sind. Der Meßdraht nimmt dabd eine um so höhere Temperatur an, je geringer die Wärmeieirfähigkdt des ihn umgebenden Gases ist Die daraus resultierende Widerstandsänderung des Meßdrahtes wird ausgewertet Die Anwendung dieses Wärmeldtfaliigkdtmeßgerätes ermöglicht zwar eine genaue Bestimmung der reinen Wärmeldtfähigkdt eines Gasgemisches erfordert aber eine Probeentnahme und benötigt eine sehr große Sorgfalt bd der Temperaturregdung der Meßkammern sowie die Ausschaltung äußerer Temperaturemwirkungen und die Konstanthaltung des Meßstroms und damit einen relativ großen Aufwand an Geräten.For examining or analyzing gases, it is known to use thermal measuring devices (Dr. T. Pfeifer, Dr. P. Profos: Handbuch der industrial Messtechnik, R. Oldenburg Munich-Vienna, 6th edition 1994, pp. 913-923; LHengstenberg, B.Strum, O. Winkler: Measure, Control, Regein in Chemical Technology, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Third Edition, Volume U, pp. 94-112). Analysis devices for determining the gas content in a gas mixture, for example the CO∑ content, are of great importance. Carbon dioxide has a significantly lower heat resistance than the air and the CO2 content therefore has a significant influence on the heat capacity. The measurement of the thermal conductivity of a gas mixture takes place in zyifodeiform, theπnostatised measuring chambers in which heated platinum measuring wires are stretched out. The measuring wire assumes a higher temperature, the lower the heat resistance of the surrounding gas is. The resulting change in resistance of the measuring wire is evaluated. The use of this heat measuring device allows an accurate determination of the pure heat resistance of a gas mixture, but requires a sample and requires a lot great care bd the Temperature control of the measuring chambers and the elimination of external temperature effects and keeping the measuring current constant and thus a relatively large amount of equipment.
Bd flüssigen Schmierstoffen, wie beispielsweise Schmieröle, insbesondere Motoröle, besteht die Gefahr der Alterung und/oder Verschmutzung der Stoffe mit dem Nachteil, daß diese Schmierstoffe nach längerer Verwendungsdauer unbrauchbar werden und ausgetauscht werden müssen. Der Austausch des Schmierstoffes erfolgt in der Praxis überwiegend nach festen Betriebszdten. Da die Qualität des beanspruchten Öles je nach Beanspruchungsgrad, Maschinenzustand, Ölart, Raffinationsgrad und anderen nach festen Betriebszdten verschieden ist, kann die optimale Betriebszdt des Öles meistens nicht universal festgesetzt werden. Es sind genaue aber relativ teure und zeitaufwendige Laboruntersuchungen von betreffenden Schmierstoffen bekannt, z.B. nach DIN 51551 (Der Koksrückstand als eine Maßzahl für den Alterungszustand eines Öles). Bekannte einfachere Methoden verwenden z.B. die Dielektriritätszahl (U.S. Pat. No. 4733556) oder den elektrischen Scheinwiderstand (Impedanz) des Öles (U.S. Pat. No. 5200027), es ist aber schwierig diese Kenngrößen des betroffenen Öles in jedem Fall mit seiner Schmierqualität zu korrelieren und daher können sie die notwendige Selektivität beim Unterschdden zwischen einem neuen und einem verbrauchten Öl nicht unter allen Betriebsbedingungen sichern.Bd liquid lubricants, such as lubricating oils, especially motor oils, there is a risk of aging and / or contamination of the substances with the disadvantage that these lubricants become unusable after a long period of use and must be replaced. In practice, the lubricant is mainly exchanged according to fixed operating times. Since the quality of the oil used varies depending on the degree of use, machine condition, type of oil, degree of refining and others according to fixed operating times, the optimal operating time of the oil can usually not be set universally. Accurate but relatively expensive and time-consuming laboratory tests of the lubricants in question are known, e.g. according to DIN 51551 (the coke residue as a measure of the aging condition of an oil). Known simpler methods use e.g. the dielectric constant (US Pat. No. 4733556) or the electrical impedance (impedance) of the oil (US Pat. No. 5200027), but it is difficult to correlate these parameters of the oil concerned with its lubrication quality in any case and therefore they can Do not ensure the required selectivity when differentiating between a new and a used oil under all operating conditions.
Es sind elektrische Widerstandsβensoren bekannt die zur Bestimmung der Temperatur von Stoffen vorgesehen sind. Da die dynamischen Kenngrößen eines solchen Sensors variabel sind, lassen sich diese verzögerungsbehafteten Sensoren in ihrem Übertragungsverhalten nur annäheπingswdse beschreiben und daher ist ihre genaue dynamische Konrektur, die die dynamischen Fehler besdtigt und damit eine erhöhte Genauigkdt der Temperaturmessung gewährleistet, praktisch nicht möglich.Electrical resistance sensors are known which are provided for determining the temperature of substances. Since the dynamic parameters of such a sensor are variable, these sensors with delays can only be approximately described in terms of their transmission behavior, and therefore their exact dynamic correction, which eliminates the dynamic errors and thus ensures an increased accuracy of the temperature measurement, is practically impossible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wärmeempfindlichen, für die Bestimmung der Wäirneldtfahigkeit und/oder der Temperatur von flüssigen, gasförmigen oder halbfesten Stoffen geeigneten Sensor zu schaffen, und ihn so anzuregen, daß aus seinem Ausgangssignal eine Ermittlung der Wärmeldtfähigkdt und/oder der Temperatur des Stoffes mögüch wird, und daß die wärmespezifischen und elektromagnetischen Störeinflußeffekte, die beim Auftreten die eigendiche Meßgröße überlagern, in ihrer Auswirkung überwiegend eliminiert werden können. Dadurch wird es möglich, genau die Wäπneldtfahigkdt und/oder die Temperatur von Stoffen zu bestimmen, um daraus eine Veränderung des Stoffzustandes oder der Stoff dgenschaften bzw. der Konzentrationen genau festzustellen, wobd der Sensor ferner einfach aufgebaut und an Ort und Stelle, ohne Probeentnahme und Probenaufberdtung, d.h. ohne Probeentnahmefehler, unkompliziert in der Anwendung istThe invention has for its object to provide a heat-sensitive, suitable for determining the thermal capacity and / or the temperature of liquid, gaseous or semi-solid substances, and to stimulate it so that a determination of the thermal capacity and / or the temperature from its output signal of the substance becomes possible, and that the heat-specific and electromagnetic interference effects, which overlay the actual measured variable when they occur, predominate in their effect can be eliminated. This makes it possible to precisely determine the temperature and / or the temperature of substances in order to determine a change in the state of the substance or the properties or concentrations of the substances, and the sensor is also simply constructed and in place, without sampling and Sample preparation, ie without sampling errors, is easy to use
Unter wärmespezifischen Störeinflußeffekten ist das Folgende zu verstehen: a. die labile Temperatur des Stoffes. b. die Bewegung des Stoffes bzw. seines Gas- oder Flüssigkdtsantdls bd der Messung der WärmeleitfähigkeitThe following are to be understood as heat-specific interference effects: a. the unstable temperature of the substance. b. the movement of the substance or its gas or liquid substance and the measurement of the thermal conductivity
Unter elektromagnetischen Störeinflußeffekten ist das Folgende zu verstehen: a. das elektromagnetische Einstreuen aus der Umwelt b. die elektrischen Störspannungen sdtens des elektrischen Anregungssignals.Electromagnetic interference effects are understood to mean the following: a. electromagnetic interference from the environment b. the electrical interference voltages sdtens of the electrical excitation signal.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und 12 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention by the features of claims 1 and 12. Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, eine störfeste Untersuchung des Übertragungsverhaltens eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Sensors, der dank seiner Bauart wärmeempfindlich ist und sich praktisch in seinem Übertragungsverhalten wie ein lineares Meßglied 1. Ordnung verhält, für die prinzipnahe Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur des ihn direkt berührenden, ruhenden Stoffes heranzuziehen, um aus dem Ausgangssignal des Sensors einen Aufschluß darüber bekommen zu können, wie intensiv die in seiner Meßwicklung anfallende, bestimmte elekfrotheπnische Leistung auf den Stoff mit einer sich verändernden Wärmeldtfähigkdt übertragen wird, wobd die Stcreinflußeffekte auf das Untersuchungsergebnis einen vernachlässigbaren Einfluß haben.The invention is therefore based on the idea of an interference-free investigation of the transmission behavior of a sensor proposed by the invention, which is heat-sensitive thanks to its design and behaves practically in its transmission behavior like a linear measuring element of the 1st order for the principle-related determination of the thermal conductivity and / or the temperature of the resting material directly touching it, in order to be able to get information from the output signal of the sensor about how intensively the certain electrical power accumulating in its measuring winding is transferred to the material with a changing thermal conductivity, causing the influence of the influences the result of the investigation has a negligible influence.
Zum besseren Verst^dnis der Zusammenhänge der vorliegenden Erfindung ist zu erläutern: a. Unter der zu messenden Wärmeldtfähigkdt ist die Wärmeldtfähigkdt des Stoffes zu verstehen, die auf die spezifische Wärmekapazität und die Dichte des Stoffes bezogen worden ist Die reine Wärmeldtfähigkdt des Stoffes wird rechnerisch aus der zu messenden Wärmeldtfähigkdt nach der FormelFor a better understanding of the context of the present invention, it should be explained: a. The thermal conductivity to be measured is to be understood as the thermal conductivity of the substance, which relates to the specific thermal capacity and the density of the substance The pure thermal conductivity of the substance is calculated from the thermal conductivity to be measured according to the formula
K-^c (1) berechnet, wobei K die reine Wärmeldtfähigkdt, b die zu messende Wärmeldtfähigkdt, Ω die Dichte und C die spezifische Wärmekapazität des Stoffes sind. Die zu messende Wärmeldtfahigkeit wird kurz als die Wärmeldtfähigkdt bezdchnet b. Unter einem solchen wärmeempfindlichen, linearen Sensor 1. Ordnung ist ein Sensor zu verstehen, dessen Ausgangsgröße, der elektrische Widerstand der Meßwicklung, der in dem Sensor gespdcherten, der kalorischen Mitteltemperatur entsprechenden, Wärmeenergie proportional ist, d.h. seine Wärmeempfindlichkeit konstant ist, und zudem sein Übertraguiigsverhalten durch eine Differentialgldchung 1. Ordnung vollständig beschrieben werden kann. c. Unter der störfesten Untersuchung des
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eines solchen Sensors versteht sich eine experimentelle Ermittlung des funktioneilen dynamischen Zusammenhanges zwischen einem bestimmten F.mgangssignal, dem elektrischen Anregungssignal des Sensors, als Ursache und seinem Ausgangssignal, der Widerstandsänderung der Meßwicklung, als Wirkung, wobd das Ausgangssignal durch eine Einflußgröße, die Wärmeieüfiihigkeit des Stoffes, beeinflußt wird. Die Störeinflußeffekte werden durch die Ermittlungs- und Konstruktionsmaßnahmen unterdrückt d. Unter der prinzipnahen Bestimmung der Wänneldtfähigkeit und/oder der Temperatur ist zu verstehen, daß die Grundlagen zu einer solchen Bestimmung der erste Hauptsatz der Thermodynamik (Energiebilanz für den Sensor) und das Fouriersche Grundgesetz der Wärmeleitung (kinetischer Ansatz für den zu untersuchenden Stoff) sind, und daß es sich zweitens um die Ermittlung der kalorischen Mitteltemperatur des Sensors handelt.
K- ^ c (1) calculated, where K is the pure thermal conductivity, b the thermal conductivity to be measured, Ω the density and C the specific heat capacity of the substance. The thermal conductivity to be measured is briefly referred to as the thermal conductivity b. Such a heat-sensitive, linear sensor of the 1st order is to be understood as a sensor whose output quantity, the electrical resistance of the measuring winding, the heat energy stored in the sensor, which corresponds to the caloric mean temperature, is proportional, ie its heat sensitivity is constant, and also its transmission behavior can be completely described by first order differential equation. c. Under the most interference-free investigation of the
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Such a sensor is understood to be an experimental determination of the functional dynamic relationship between a specific output signal, the electrical excitation signal of the sensor, as the cause and its output signal, the change in resistance of the measuring winding, as an effect, whereby the output signal is influenced by an influencing variable, the thermal conductivity of the substance , being affected. The interference effects are suppressed by the investigative and design measures d. The principle-related determination of the Wänneldt ability and / or the temperature means that the basis for such a determination is the first law of thermodynamics (energy balance for the sensor) and Fourier's basic law of heat conduction (kinetic approach for the substance to be investigated), and that it is secondly to determine the caloric mean temperature of the sensor.
Mit dem Sensor läßt sich die Wärmeldtfähigkdt und/oder die Temperatur des Stoffes selektiv bestimmen, wobd die wärmespezifischen und elektromagnetischen Störeinflußeffekte, die bd der Bestimmung auftreten können, in ihrer Auswirkung größtenteils eliminiert werden. Damit können verläßliche Aussagen über feinste Veränderungen des Stoffzustandes oder der Stoffdgenschaften bzw. Konzentrationen von flüssigen, gasförmigen oder halbfesten Stoffen gemacht werden. Die erfindungsgemäße Lösung ist universell einsetzbar und läßt sich unter praktischen Bedingungen durchführen und zwar mit einem verhältnismäßig geringem Geräteaufwand. Die betreffenden Untersuchungen können an Ort und Stelle derart vorgenommen werden, daß eine Probeentnahme nicht erforderlich ist Dadurch sind auch diejenigen Meßfehler ausgeschaltet, die sich aufgrund der Probeentnahme und Probenaufberdtung ergeben. Der Sensor dient auch der Messung der aktuellen Stofftemperatur, die entweder als Bezugstemperatur für die Wärmeleitfähigkeit angenommen wird, oder nach der Beseitigung von statischen und dynamischen Fehlern als eine Meßgröße oder eine Einflußgröße in verschiedenen Anwendungsgebieten der Meß- und Regeltechnik benutzt werden kann.The sensor can be used to selectively determine the thermal conductivity and / or the temperature of the substance, the effects of which are largely eliminated from the heat-specific and electromagnetic interference effects which can occur during the determination. This makes it possible to make reliable statements about the finest changes in the state of matter or properties or concentrations of liquid, gaseous or semi-solid substances. The solution according to the invention can be used universally and can be carried out under practical conditions with a relatively small amount of equipment. The relevant examinations can be carried out on the spot in such a way that sampling is not necessary. This also eliminates those measurement errors which result from sampling and sample preparation. The sensor is also used to measure the current material temperature, which is either taken as the reference temperature for the thermal conductivity or, after the elimination of static and dynamic errors, can be used as a measured variable or an influencing variable in various fields of measurement and control technology.
Der Sensor wird quasikontinuierlich mit einer geeigneten Auswerteschaltung zur Überwachung des Zustandes von verschiedenen Stoffen benutzt. Ein wirtschaftlich besonders wichtiges Anwendungsgebiet besteht in der Überwachung eines Schmieröles, insbesondere des Motoröles eines Kraftfahrzeuges. Es wurde durch laufende Ölprobeentnahmen festgestellt, daß sich einige bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften eines Schmieröls im Laufe seiner Beanspruchung ändern (Lubrication Engineering, August 1994, S. 605-611). Durch wesenseigene Alterungsprozesse im Schmieröl, z.B. durch die im Öl stattfindende Oxidation und durch das mechanische Kleinhacken der Ölmolekülkctten, oder durch Emdringen von Verschmutzungsteilchen in das ÖL, entstehen Oxydations-, Pofymerisations- und andere Fremdprodukte, die in ihrer inneren Struktur wesentlich kürzere Molekülketten aufweisen und damit über schlechtere Schmiereigenschaften als das Neuöl selbst, verfugen. Man spricht von einem erhöhten äußeren Freihdtsgrad der Moleküle, der eine andauernde Abschwächung der Kraftwirkung unter den Molekülen, d.h. eine Verschlechterung des Visk∞äätsvαijaltens des Öles, zu Folge hat Da die intermolekularen Kräfte bedeutsam die reine Wärmeldtfähigkdt, die spezifische Wärmekapazität und die Dichte von Flüssigkdten beeinflussen (VDI-Wärmeatlas, 7 Auflage 1994, S. Da 33), beeinflußt der ^remdstoffanteil" die zu messende Wärmeldtfähigkdt des Öles merklich. Daher ist eine Änderung der Wäπneleitfähigkdt mit der Schmierqualität des Öles korreherbar und es ist möglich, durch ihre genaue Bestimmung auf die Alterungssurfe des Öles zu schließen. Es ist auch bekannt, daß wenn einmal ein Öl eine gewisse Alterungsstufe überschritten hat, die wdtere Alterung sehr schnell fortschreitet, die das Öl schnell unbrauchbar werden läßt Es kann dann an einem Meßgerät abgelesen werden, daß der Zustand des Motoröles sich rapide verschlechtert, so daß das Öl bald ausgewechselt werden soll. In besonderer Ausgestaltung des Sensors wurden folgende Aufbauprinzipien vorzugsweise verwendet, wobd durch Bezugszdchen auf die Erläuterungen im speziellen Beschreibungsteil und in den Patentansprüchen hingewiesen worden istThe sensor is used quasi-continuously with a suitable evaluation circuit to monitor the condition of various substances. An economically particularly important field of application is the monitoring of a lubricating oil, in particular the motor oil of a motor vehicle. It has been found through ongoing oil sampling that some specific physical and chemical properties of a lubricating oil change as it is used (Lubrication Engineering, August 1994, pp. 605-611). Due to the inherent aging processes in the lubricating oil, e.g. due to the oxidation taking place in the oil and the mechanical chopping of the oil molecules, or through the penetration of dirt particles into the oil, oxidation, polymerisation and other foreign products are formed which have significantly shorter molecular chains in their internal structure and thus have poorer lubricating properties than the new oil itself. One speaks of an increased external degree of freedom of the molecules, which results in a permanent weakening of the force effect among the molecules, i.e. a deterioration in the viscosity of the oil, since the intermolecular forces significantly mean the pure thermal conductivity, the specific heat capacity and the density of liquids influence (VDI-Wärmeatlas, 7th edition 1994, p. Da 33), the "proportion" affects the thermal conductivity of the oil to be measured noticeably. Therefore a change in thermal conductivity can be corrected with the lubricating quality of the oil and it is possible by its exact determination It is also known that once an oil has exceeded a certain level of aging, the further aging progresses very quickly, which makes the oil unusable quickly. It can then be read on a measuring device that the condition engine oil deteriorates rapidly, so the oil should be changed soon. In a special embodiment of the sensor, the following construction principles were preferably used, reference being made to the explanations in the special description part and in the patent claims by reference numerals
Die Größe und die Gestalt des Freiraumes 10 sollen auf diese Art und Weise voihestimmt werden, daß der zu untersuchende Stoff den Freiraum 10 vollfüllt und dabd direkt, ohne eines Kontaktwärmewiderstands, mit dem Sensor in Berührung kommt, und daß während des l.Verfahrensschrittes keine Bewegung des zu untersuchenden, d.h. warmwerdenden Stoffes stattfinden kann. Da die halbfesten Stoffe praktisch nicht fließen können, soll der Freiraum 10 nur auf die Weise vorbestimmt werden, daß er frei von anderen Stoffen ist Sofern aber der Gegenstand der Erfindung für die Bestimmung der Wärmeldtfähigkdt von dünnflüssigen oder gasformigen Stoffen benutzt wird, d.h. wenn ein unerwünschter, korrvektrver Wärmeübergang auf den Stoff doch möglich ist, soll um den Sensor ein vorbestimmter Hohlraum vorgesehen werden, in dessen Innerem die Rdbung die natürliche Konvektion des Stoffes unterdrückt und mögliche Bewegungen stark hemmt Der Hohlraum (Freiraum 10) soll dann abhängig vom FUeßverhalten des Stoffes und unter Berücksichtigung der Stärke, der Frequenz und der Dauer des Anregungssignals gestaltet werden, was noch klar wird.The size and shape of the free space 10 are to be determined in this way so that the substance to be examined fills the free space 10 and therefore comes into direct contact with the sensor without any contact heat resistance, and that no movement occurs during the first process step the one to be examined, ie warming material can take place. Since the semi-solid substances can practically not flow, the free space 10 should only be predetermined in such a way that it is free of other substances, provided that the subject matter of the invention is used for determining the thermal conductivity of thin-bodied or gaseous substances, i.e. If an undesirable, corrosive heat transfer to the material is nevertheless possible, a predetermined cavity should be provided around the sensor, inside which the discoloration suppresses the natural convection of the fabric and strongly inhibits possible movements. The cavity (free space 10) should then depend on the footing behavior of the substance and taking into account the strength, frequency and duration of the excitation signal, which will become clear.
Die Linearität des Sensors läßt sich dadurch verbessern, daß die Längendimensionen des Sensors sich nicht stark unterscheiden. Weitere aufbaubedingte Abwdchungen des Sensors vom einem linearen Meßglied 1. Ordnung lassen sich dadurch verringern, daß die Materialien der Sensorbauteile (Trägerkörper 1, Inhalt des Einbettraumes 9, Isolierung des Widerstandsdrahtes und der Widerstandsdraht 8 selbst) nahezu gleiche Temperaturidtfähigkdten aufweisen, d.h. daß der Temperaturausgldch in diesen Bauteilen gldch schnell ablauftThe linearity of the sensor can be improved in that the length dimensions of the sensor do not differ much. Further design-related changes in the sensor from a linear measuring element of the first order can be reduced by the fact that the materials of the sensor components (carrier body 1, content of the embedding space 9, insulation of the resistance wire and the resistance wire 8 itself) have almost the same temperature capability, i.e. that the temperature compensation in these components runs quickly
Das Erfassen der kalorischen Mitteftempeπitur des Sensors durch den Widerstandsdraht 8 läßt sich besser gewährleisten, wenn er möglichst vollständig den Sensor ausfüllt und wenn am Querschnitt dieses Widerstandsdrahts keine Temperaturunterschiede auftreten können. Daher soll zu Ausbildung der Meßwicklung 7 ein sehr dünner Widerstandsdraht verwendet werden, wobd unter dem Widerstandsdraht ein beliebiger Metall- oder Metalloxidstrang zu verstehen ist z.B. eine Kupfer-, Platin-, Ni-Cr- oder Sflberldtung, dn Streifenldter oder ein bandförmiger Schicht- Widerstand verlegt auf einem feinen SubstratThe detection of the caloric mean temperature of the sensor by the resistance wire 8 can be better ensured if it fills the sensor as completely as possible and if no temperature differences can occur on the cross section of this resistance wire. Therefore, a very thin resistance wire is to be used to form the measuring winding 7, with any metal or metal oxide strand underneath the resistance wire Understanding is, for example, copper, platinum, Ni-Cr or silver coating, thin strip or a strip-shaped layer resistor laid on a fine substrate
Die elektromagnetischen Störeinflußeffekte lassen sich in ihrer Auswirkung dadurch vermindern, daß die Meßwicklung 7 zweidrähtig an einem Trägerkörper angeordnet wird und die bdden so ausgebildeten Halbwicklungen gegenüberliegend zu einer Wheatstone-Brücke elektrisch angeordnet werden, wobd sich bdde Anfangsanschlußstellen der Halbwicklungen an der selben Brückendiagonalen befinden.The effects of the electromagnetic interference effects can be reduced in that the measuring winding 7 is arranged in a two-wire manner on a carrier body and the half-windings formed in this way are arranged electrically opposite a Wheatstone bridge, with the starting connection points of the half-windings being on the same bridge diagonal.
Eine sehr vorteilhafte elektrische Unabhängigkdt des Ausgangssignals Uy von Schwankungen der Speisespannung Uo läßt sich dadurch erreichen, daß das Ampiitudensignal Ul durch das Spdsespannungssignal Uo mit Hilfe eines in dem Gegenkoppiungszweig der Verstärkerschaltung 27 angeordneten Multiplizierers 28, dividiert wird.A very advantageous electrical independence of the output signal Uy from fluctuations in the supply voltage Uo can be achieved by dividing the amplitude signal U1 by the voltage voltage signal Uo with the aid of a multiplier 28 arranged in the negative feedback branch of the amplifier circuit 27.
Dank eines einfach realisierbaren und relativ ldcht auswertbaren, smusformigen Spdseldstungssignals für den Sensor, können die wärmespezifischen Störeinflußeffekte auch rechnerisch unterdrückt werden und daher wird die Störfestigkdt der Messung, in Verbindung mit den baulichen Merkmalen der Ansprüche 1 bis 11, erheblich erhöht.Thanks to an easy-to-implement and relatively lightly evaluable, smudge-shaped late signal signal for the sensor, the heat-specific interference effects can also be suppressed by calculation and therefore the immunity to interference of the measurement, in conjunction with the structural features of claims 1 to 11, is considerably increased.
Der Aufbau des Sensors und das Anregungsverfahren ist nachstehend anhand zwder Ausführungsbeispiele und eines Verfahrensbeispieles in Verbindung mit den anliegenden Zdchnungen näher erläutert.The structure of the sensor and the excitation method is explained in more detail below using two exemplary embodiments and a method example in conjunction with the attached drawings.
Es zeigt:It shows:
Fig.1 ein Teil-Querschnitt eines Sensors in Ausfüfirungsbdspiel S 1,1 shows a partial cross section of a sensor in execution play S 1,
Fig.2 eine Übersichtsskizze eines Sensors in Ausfuhrungsbeispiel S2, und zwar mit einer ihn umschließenden mechanischen Einrichtung, Fig.3 eine verstärkerlose Meßschaitung, wie sie beispielsweise bd der Bestimmung der absoluten Wärmeldtfähigkdt angewendet wird,2 shows an overview sketch of a sensor in exemplary embodiment S2, specifically with a mechanical device surrounding it, FIG. 3 shows an amplifier-free measuring circuit, such as is used, for example, for determining the absolute thermal conductivity,
Fig.4 eine verstärkerlose Meßschaltung, wie sie beispielsweise bd der Bestimmung der relativen Wärmeldtfähigkdt angewendet wird, Fig.5 eine lineare Speise- und Meßeinrichtung und eine Auswertesciialtung, Fig.6 ein Beispiel der Anregungssignale des Sensors,4 shows an amplifier-free measuring circuit, such as is used, for example, for determining the relative thermal capacity, FIG. 5 shows a linear feed and measuring device and an evaluation device, 6 shows an example of the excitation signals of the sensor,
Fig.7 ein Beispiel der momentanen Temperaturverteilung im Sensor und in dem Stoff, Fig.8 Testergebnisse des Sensors S2 in Verbindung mit einem MotoröL7 shows an example of the current temperature distribution in the sensor and in the material, Fig. 8 test results of the sensor S2 in connection with an engine oil
ArnfWirungsbeispiel SIArnfWirungsbeispiel SI
Das vorliegende Beispiel stellt eine Grundform des Sensors dar und beschreibt eine Ausführung der Erfindung, welche allein die Bestimmung der Wärmeldtfähigkdt und/oder der Temperatur von Stoffen, die selbst nicht strömen können, ermöglicht.The present example represents a basic form of the sensor and describes an embodiment of the invention which alone enables the determination of the thermal conductivity and / or the temperature of substances which themselves cannot flow.
Das in Fig.l gezeigte Ausführungsbeispiel SI weist einen allgemein mit 1 bezdchneten Trägerkörper auf, der die Form eines sehr kleinen, spulenformigen Bauteils aufweist Das Bauteil besteht aus einem dünnen, inneren Metallstab 2 mit zwd dünnen metallenen Wänden 3a und 3b und einem metallenen Zylinder 4. Der Metallstab 2 weist einen Durchmesser von etwa 0,4mm auf und die metallenen Wände 3a, 3b und die Wand des Zylinders 4 sind etwa 0,2mm dick. Die Dicke eines beliebigen Teilstückes des Tragerkörpers 1 ist etwa der Dicke von einer an das Teilstück angrenzenden Auflage des Widerstandsdrahts 8 gldch, so daß die Temperaturen im Sensors durch die Wärmekapazitäten des Trägerkörpers 1 nur sehr wenig beeinflußt werden. Der Sensor darf mit keiner weiteren Schutzarmatur ausgerüstet werden. Der Trägerkörper ist mit einem Halter 5 ausgestattet, der zur Befestigung des Sensors in einem Meßeinsatz 6 vorgesehen ist.The exemplary embodiment SI shown in FIG. 1 has a carrier body, generally designated 1, which has the shape of a very small, coil-shaped component. The component consists of a thin, inner metal rod 2 with two thin metal walls 3a and 3b and a metal cylinder 4 The metal rod 2 has a diameter of approximately 0.4mm and the metal walls 3a, 3b and the wall of the cylinder 4 are approximately 0.2mm thick. The thickness of any section of the support body 1 is approximately the thickness of an adjoining the section of the resistance wire 8 gldch, so that the temperatures in the sensor are influenced very little by the heat capacities of the support body 1. The sensor must not be equipped with any other protective fitting. The carrier body is equipped with a holder 5, which is provided for fastening the sensor in a measuring insert 6.
Zu dem Trägerkörper 1 ist eine Meßwicklung 7 angeordnet, die aus einem Doppelwiderstandsdraht 8 ausgebildet ist und aus zwd gleichen, parallel verlaufenden, voneinander isolierten Kupferdrähten besteht Jede Ader dieses Doppelwiderstandsdrahtes 8 weist einen Durchmesser von etwa 0,1mm und eine Isolationsstärke von 5μm auf. Der Doppelwiderstandsdraht 8 ist räumlich gldchmäßig und dicht in dem Einbettraum 9 angeordnet und mit einem, auf Metallbasis hergestellten, sehr gut temperaturldtenden Schutzlack imprägniert, so daß sich eine Üicrrnisch gldchartige Wicklungsspule ergibt, was in Fig.l zu sehen ist. Da die im Sensor befindliche Meßwicklung 7 aus einem Doppelwiderstandsdraht mit gldchen Adern besteht, befinden sich im Sensor zwd gldche Halbwicklungen 7a und 7b, jede mit einer Anfangsanschlußstelle Ila, 11b und mit einer Endanschlußstelle 12a, 12b. Diese Stellen sind mit Innenleitungsdrähten 13 des Meßeinsatzes 6 verbunden, die wiederum an seine Anschlußklemmen angeschlossen sind. Er selbst ist einem Meßdnsatz für Widerstandsthermometer nach DIN 43762 ähnlich und besteht aus einem biegsamen Mantelrohr 13a mit vier Innenleitungen 13, einem Flansch und einem Sockel mit der Anschlußklemmen.To the carrier body 1, a measuring winding 7 is arranged, which is formed from a double resistance wire 8 and consists of two identical, parallel, mutually insulated copper wires. Each wire of this double resistance wire 8 has a diameter of approximately 0.1 mm and an insulation thickness of 5 μm. The double resistance wire 8 is arranged spatially and tightly in the embedding space 9 and impregnated with a metal-based, very good temperature-insulating protective lacquer, so that there is a typical gold-like winding coil, which can be seen in FIG. Since the measuring winding 7 in the sensor consists of a double resistance wire with golden wires, there are two half-windings 7a and 7b in the sensor, each with a starting connection point Ila, 11b and with an end connection point 12a, 12b. These points are with inner lead wires 13 of the measuring insert 6 connected, which in turn are connected to its terminals. It itself is similar to a measuring set for resistance thermometers according to DIN 43762 and consists of a flexible jacket tube 13a with four inner lines 13, a flange and a base with the connecting terminals.
AmfÜhrungsbeispiel S2Example S2
Das vorliegende Beispiel schafft auf der Basis des Ausführungsbeispiels SI eine andere Ausführung, welche die Bestimmung der Wärmeldtfähigkdt und/oder der Temperatur von flüssigen und gasförmigen Stoffen ermöglicht und beispielsweise bd der Untersuchung der Alterungsstufe eines Flüssigkdtgemisches anwendbar istThe present example creates another embodiment on the basis of the exemplary embodiment SI, which enables the determination of the heat conductivity and / or the temperature of liquid and gaseous substances and can be used, for example, for the investigation of the aging stage of a liquid mixture
Das in Fig.2 gezeigte Ausführungsbeispiel S2 besteht aus einer allgemein mit 14 bezdchneten Grundform des Sensors SI aus Fig.l und einer mechanischen, ihn umschließenden, allgemein mit 15 bezdchneten Einrichtung. Diese mechanische EinrichtungThe exemplary embodiment S2 shown in FIG. 2 consists of a basic form of the sensor SI from FIG. 1, which is generally 14, and a mechanical device, which surrounds it and is generally 15. This mechanical device
15 ist in Form eines Zylinders 17 ausgebildet und schafft um den Sensor 14 herum einen nicht vollständig abgeschlossenen Freiraum, in diesem Fall, eine ringspaltförmige Kammer15 is designed in the form of a cylinder 17 and creates an incompletely closed space around the sensor 14, in this case an annular-gap-shaped chamber
16 (Hohlraum). Sie ist von oben ganz geöffnet um das Hineingelangen des Sensors in ihr Inneres zu ermöglichen. Die untere Endwand 18 weist Einstromöffnungen 20 auf, welche ermöglichen, daß ein Teil des flüssigen oder gasförmigen Stoffes in die Kammer 16 einströmen und aus dieser sehr langsam ausströmen kann. Damit ist gewährleistet, daß sich im Hohlraum und im Raum dahinter Stoff des gldchen Zustande befindet. Wie aus Fig.2 auch zu ersehen ist, ist der Sensor 14 mit einem klemen Abstand (ca. 5mm) vom Zylinder 17 angeordnet. Auf diese Weise ist um den Sensor kein ausreichend großer Strömungsraum für die natürliche Konvektion des erwärmten Stoffes vorgesehen und damit wird seine Bewegung dort stark unterdrückt Der Hohlraum 16 ist aber ausreichend groß um die ganze Wärme, die in die Richtung des negativen Temperaturgradienten in dem Stoff während des 2.Verfahrcnsscl)£rittes übertragen wird, aufnehmen zu können. Das Vorsehen der mechanischen Einrichtung 15 hat auch den Vorteil, daß auf den Sensor keine störenden Außenströmungen einwirken können, d.h. die teilweise geöffnete Kammer 16 stellt für den Stoff gewissermaßen einen Beruhigungsraum dar. Fig.3 zeigt eine verstärkerlose, allgemein mit 21a bezdchnete Meßschaltung zur Umformung von Widerstandsänderungen des Doppelwiderstandsdrahtes 8 in ein Amplitudensignal Ul. Sie dient zur Messung der absoluten Wärmeldtfähigkdt und ist in Form einer Wheatstone-Brücke ausgebildet Die bdden Halbwicklungen 7a und 7b, die aufgrund der zwddrähtigen Wicklungsausbildung entstanden sind, sind schaüungstcchnisch als gleiche Brückenwiderstände gegenüberliegend zu einer Wheatstone-Brücke angeordnet, wobd die bdden Anfangsanschlußstellen Ila, 11b von Haibwickhmgcn 7a und 7b sich an der selben Diagonalen der Wheatstone-Brücke befinden, wie das aus Fig.3 zu ersehen ist Die bdden anderen Brückenwiderstände 22 sind gldche, nicht einstellbare Widerstände mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten und sind ebenso zu der Wheatstone-Brücke nach Fig.3 elektrisch angeordnet und mechanisch an die Anschlußklemmen im Sockel befestigt Der Ohm-Wert jedes festen Brückenwiderstandes 22 ist derart vorbestimmt, daß er dem Ohm-Widerstand einer Halbwicklung 7a, 7b in der Bezugstemperatur für die Wärmeldtfähigkdt des Stoffes gleich ist, d.h. die Wheatstone-Brücke befindet sich während des Anregens des Sensors in einem optimalen, nahezu abgeglichenen Zustand.16 (cavity). It is fully open from above to allow the sensor to get inside. The lower end wall 18 has inflow openings 20 which allow part of the liquid or gaseous material to flow into the chamber 16 and to flow out of it very slowly. This ensures that there is material of the golden state in the cavity and in the space behind it. As can also be seen from FIG. 2, the sensor 14 is arranged at a short distance (approx. 5 mm) from the cylinder 17. In this way, there is no sufficiently large flow space around the sensor for the natural convection of the heated material and thus its movement there is strongly suppressed. The cavity 16 is, however, large enough to accommodate all the heat that flows in the direction of the negative temperature gradient in the material of the 2nd procedural step is transferred. The provision of the mechanical device 15 also has the advantage that no disturbing external currents can act on the sensor, ie the partially open chamber 16 represents a calming space for the substance. 3 shows an amplifier-less measuring circuit, generally designated 21a, for converting changes in resistance of the double resistance wire 8 into an amplitude signal U1. It is used to measure the absolute thermal capacity and is designed in the form of a Wheatstone bridge. The half-windings 7a and 7b, which have arisen due to the twisted-wire winding formation, are, in terms of aesthetics, arranged as the same bridge resistances opposite a Wheatstone bridge, with the starting junctions Ila, 11b of Haibwickhmgcn 7a and 7b are located on the same diagonal of the Wheatstone bridge as can be seen from FIG. 3, and the other bridge resistors 22 are similar, non-adjustable resistors with a small temperature coefficient and are also similar to the Wheatstone bridge 3 electrically arranged and mechanically attached to the terminals in the base. The ohmic value of each fixed bridge resistor 22 is predetermined in such a way that it is equal to the ohmic resistance of a half-winding 7a, 7b in the reference temperature for the thermal conductivity of the substance, ie the Wheatstone Bridge is located during the excitation of the sensor in an optimal, almost balanced state.
Sind die bdden Halbwicklungen 7a und 7b der zwddrähtigen Wicklungsausbildung nach Fig.3 zu einer Wheatstone-Brücke angeordnet, so fließt bd Stromdurchgang in ihnen der Strom in entgegengesetzter Richtung und erzeugt somit in der Wirkung weitgehend kompensierende Magnetfelder. Auf diese Weise heben sich die elektromagnetischen Einstreuungen aus der Umwelt in den beiden Halbwicklungen gegensdtig auf und es werden die, während des Anregens, durch Selbstinduktion in der Meßwicklung 7 entstehenden elektrischen Störspannungen stark reduziert. Bd der Erwärmung des Sensors um ca. 5 K, d.h. in dem Erwärmungsbereich während des Anregens, ist das sich aus der Brückenschaltung ergebende Ausgangssignal Ul der Widerstandsänderung einer Halbwicklung 7a, 7b praktisch proportional, was elektrisch ohne wdteres zu erklären istIf the two half-windings 7a and 7b of the twisted-wire winding configuration according to FIG. 3 are arranged to form a Wheatstone bridge, then the current flows in them in the opposite direction and thus generates largely compensating magnetic fields. In this way, the electromagnetic interferences from the environment cancel each other out in the two half-windings and the electrical interference voltages generated during the excitation by self-induction in the measuring winding 7 are greatly reduced. Bd the heating of the sensor by approx. 5 K, i.e. in the heating range during the excitation, the output signal Ul resulting from the bridge circuit is practically proportional to the change in resistance of a half-winding 7a, 7b, which can be explained electrically without further explanation
Die beiden anderen Brückenwiderstände 22 können auch aus Halbwicklungen 7c und 7d eines anderen, erfindungsgemäß aufgebauten Sensors bestehen, der sich aber in einem bekannten Vergldchsstoff befindet Die bdden Halbwicklungen 7c und 7d dieses Sensors werden, neben der Halbwicklungen 7a und 7b, in die Meßschaltung 21b in Form einer Wheatstone-Brücke nach Fig.4 elektrisch angeordnet wobd die bdden Anfangsanschlußstellen 11c, lld von Halbwicklungen 7c und 7d sich an der selben Diagonalen der Wheatstone-Brücke befinden. Eine solche Meßschaltung enthalt zwd identische Sensoren, von denen einer in den zu untersuchenden Stoff, der andere in den Vergldchsstoff mit der selben Temperatur, eingetaucht ist. Mit dieser verstärkeriosen Meßschaltung 21b wird, im Gegensatz zur oben beschriebenen Meßschaltung 21a, eine relative Messung der Wärmeldtfähigkdt zwischen dem zu untersuchenden Stoff und einem bekannten Vergldchsstoff vorgenommen. Diese Lösung allein ermöglicht zwar keine Messung der Stofftemperatur, beschränkt aber die Linearitätsfehler die z.B. in der Meßschaltung 21a auftreten.The two other bridge resistors 22 can also consist of half-windings 7c and 7d of another sensor constructed according to the invention, but which is in a known laminate. The half-windings 7c and 7d of this sensor are, in addition to the half-windings 7a and 7b, in the measuring circuit 21b in In the form of a Wheatstone bridge according to FIG. 4, the initial connection points 11c, 11d of half-windings 7c and 7d are arranged on the same Diagonals of the Wheatstone Bridge are located. Such a measuring circuit contains two identical sensors, one of which is immersed in the substance to be examined, the other in the composite material at the same temperature. In contrast to the measuring circuit 21a described above, this amplifying measuring circuit 21b is used to carry out a relative measurement of the thermal conductivity between the substance to be examined and a known comparative substance. This solution alone does not enable the material temperature to be measured, but limits the linearity errors which occur, for example, in the measuring circuit 21a.
In Fig.5 ist schematisch ein gemeinsames Gehäuse 23 gezeigt, in dem eine lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 und eine Auswerteschaltung 25 sowie eine dgene elektrische Energiequelle 26 vorgesehen sind. Die lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 enthält eine Verstärkerschaltung 27, die in einer Reihenschaltung mit der verstärkerlosen Meßschaltung 21a oder 21b und mit der Auswerteschaltung 25 angeordnet ist und das aus der Meßschaltung austretende Amplitudensignal Ul verstärkt. Die lineare Speise- und Meβdnrichtung 24 gibt ihr Ausgangssignal Uy in die Auswerteschaltung 25 ein. Die Verstärkerschaltung 27 weist einen, in ihren Gegenkopplungszwdg angeordneten, analogen Multiplizierer 28 auf, der für die Multiplikation des Ausgangssignals Uy mit dem Speisespannungssignal Uo vorgesehen ist Der Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung 27 wird damit durch das Speisespannungssignai Uo mitbestimmt und zwar auf die Weise, daß der Gesamtverstärkungsfaktor der verstärkerlosen Meßschaltung 21a oder 21b und der Veretärkerschaltung 27 konstant wird.A common housing 23 is shown schematically in FIG. 5, in which a linear feed and measuring device 24 and an evaluation circuit 25 as well as an electrical energy source 26 are provided. The linear feed and measuring device 24 contains an amplifier circuit 27 which is arranged in a series circuit with the amplifier-less measuring circuit 21a or 21b and with the evaluation circuit 25 and amplifies the amplitude signal U1 emerging from the measuring circuit. The linear feed and measuring device 24 inputs its output signal Uy into the evaluation circuit 25. The amplifier circuit 27 has an analog multiplier 28 which is arranged in its negative feedback and which is provided for multiplying the output signal Uy by the supply voltage signal Uo the amplifier-less measuring circuit 21a or 21b and the amplifier circuit 27 becomes constant.
Fig.5 zeigt weiterhin, daß in der linearen Speise- und Meßeinrichtung 24 eine Speiseschaltung 29 vorgesehen ist, die in Form einer gesteuerten Speisespannungquelle für die verstärkeriose Meßschaltung 21a oder 21b, aufgebaut ist Die lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 weist auch ein Einstellglied 30 auf, das dnersdts von der Auswerteschaltung 25 gesteuert wird und andererseits die Speiseschaltung 29 steuert. Das Einstellglied 30 ist als ein programmierbarer Funktionsgenerator aufgebaut und ist zur Generierung eines Überϋ^mgsverhaltenstestsignals vorgesehen, was noch erläutert wird. Die Auswerteschaltung 25 weist eine Umsetzschaltung 31 auf, die für die Analog-Digital-Umwandlung von den Signalen Uy und Uo und für die Ausgabe und Aufnahme von binaren Steuersignalen für das Einstellglied 30 zuständig ist Sie ist mit einem Mikrorechner 32 ausgestattet, der für die Ausführung von Meßalgorithmen, für die sensorspezifische Meßsignah/erarbdrung und für die Auswertung der Signale Uy und Uo, sowie für die rechnerische Ermittlung der zu messenden bzw. der reinen Wärmeidtfähigkeit und/oder der Temperatur des zu untersuchenden Stoffes vorgesehen ist5 further shows that a supply circuit 29 is provided in the linear supply and measuring device 24, which is constructed in the form of a controlled supply voltage source for the amplifier-less measuring circuit 21a or 21b. The linear supply and measuring device 24 also has an adjusting element 30 , which is controlled by the evaluation circuit 25 and on the other hand controls the feed circuit 29. The setting member 30 is constructed as a programmable function generator and is provided for generating a behavior test signal which is explained below. The evaluation circuit 25 has a conversion circuit 31, which is responsible for the analog-digital conversion of the signals Uy and Uo and for the output and reception of binary control signals for the setting element 30 Microcomputer 32 equipped, which is provided for the execution of measurement algorithms, for the sensor-specific Meßsignah / erarbdrung and for the evaluation of the signals Uy and Uo, as well as for the computational determination of the measured or the pure heat ability and / or the temperature of the substance to be examined is
AnregungsverfahrenExcitation process
Der Sensor SI bzw. S2 wird in einem oder mehreren Meßvorgängen, in Verbindung mit der Meßschaltung 21a oder 21b, der Spdse- und Meßeinrichtung 24 und der Auswerteschaltung 25 jeweils in zwd Verfahrensschritten elektrisch angeregt, und zwar in der Weise, daß aus dem Ausgangssignal des Sensors die Ermittlung der Temperatur und der Wärmeldtfähigkdt des mit dem Sensor in Berührung kommenden Stoffes möglich wird.The sensor SI or S2 is electrically excited in one or more measuring processes, in conjunction with the measuring circuit 21a or 21b, the spdse and measuring device 24 and the evaluation circuit 25, each in two process steps, in such a way that from the output signal of the Sensor the determination of the temperature and the thermal conductivity of the material coming into contact with the sensor is possible.
An einem Beispiel aus der Praxis mag das Anregungsverfahren verdeutlicht werden. Soll z.B. das Schmieröl eines Motors untersucht werden, wird der Sensor wie im Ausführungsbeispiel S2 durch den Ölpeilstabstutzen des Motors in das öl hmeingehalten, wobei die mechanische Einrichtung 15 im Inneren des Motors vorzufinden ist Zur Umformung der Widerstandsänderungen der Meßwicklung in ein Amplitudensignal wird die verstärkerlose Meßschaltung 21a benutzt Die Messung der absoluten Wärmeldtfähigkdt soll bd der Betriebstemperatur des Öles, in nahezu abgeglichenen Zustand der Wheatstone-Brücke stattfinden.The excitation process may be illustrated using a practical example. Should e.g. the lubricating oil of an engine are examined, the sensor is held in the oil through the oil dipstick of the engine, as in the exemplary embodiment S2, the mechanical device 15 being found inside the engine. The amplifier-less measuring circuit 21a is used to convert the changes in resistance of the measuring winding into an amplitude signal The measurement of the absolute thermal capacity should take place in relation to the operating temperature of the oil, in the almost balanced state of the Wheatstone bridge.
Ziel des 1. Verfahrensschrittes ist die Bestimmung der Öltemperatur und die Feststellung des thermischen Stabilitätszustandes des Öles und des Sensors. Daher wird er, ähnlich wie ein Widerstandsthermometer, mit einem Elektrospeisesignal angeregt, das die Umformung von der Widerstandsänderung in ein Spannungssignal ermöglicht und nur eine geringe elektroωermische Leistung in die stromdurchfloβsene Meßwicklung einbringt So wird die verstärkerlose Meßschaltung 21a mit einer Speisespannung Uo (sog. Initialwert), in der Höhe von 200 mV, angeregt. Das sich aus der Meßschaltung 21a ergebende Amplitudensignal Ul wird, nach einer entsprechenden Venstärkung in der Verstärkerschaltung 27 (Ausgangssignal Uy) und nach der Umsetzung in ein digitales Signal in der Umsetzschaltung 31 an den Mikrorechner 32 weitergeldtet Das Signal ist der Widerstandsänderung der Halbwicklung 7a und 7b proportional und entspricht der Änderung der kalorischen Mitteltemperatur des Sensors. Im Mikrorechner 32 wird die sensorspezifische Meßsignalverarbeitung für Widerstandsthermometer einbezogen, beispielsweise die Korrektur von Exempiarstreuungen von Nullpunkt und Steilheit und von Nichtiinearitäten. Der 1. Verfahrensschritt kann sich über eine beliebig lange Zeit erstrecken. In einem Zdtpunkt nach Wahl, wenn aber festgestellt ist, daß sich die gemessene Temperatur nicht mehr ändert, d.h. die Temperatur des Sensors stabil und gldch der Temperatur des Öles ist, kann der 2. Verfahrensschritt erfolgen.The aim of the first process step is to determine the oil temperature and to determine the thermal stability state of the oil and the sensor. Therefore, similar to a resistance thermometer, it is excited with an electrical supply signal, which enables the conversion from the change in resistance into a voltage signal and only introduces a small amount of electromagnetic power into the current-carrying measuring winding. Thus, the amplifier-less measuring circuit 21a is supplied with a supply voltage Uo (so-called initial value). , at a height of 200 mV. The amplitude signal U1 resulting from the measuring circuit 21a is passed on to the microcomputer 32 after a corresponding amplification in the amplifier circuit 27 (output signal Uy) and after conversion into a digital signal in the conversion circuit 31. The signal is the change in resistance of the half-winding 7a and 7b proportional and corresponds to the Change in the caloric mean temperature of the sensor. The microprocessor 32 incorporates the sensor-specific measurement signal processing for resistance thermometers, for example the correction of exemplary scatter of zero point and slope and of non-linearities. The first process step can extend over any length of time. The second process step can be carried out at a central point of your choice, but if it is established that the measured temperature no longer changes, ie the temperature of the sensor is stable and the temperature of the oil.
Ziel des 2. Verfahrensschrittes ist die experimentelle Kopplung der Energiebilanz des Sensors und der Wärmeldtung des Stoffes in Form einer Differentialgldchung 1. Ordnung, die das Ubertragungsverhalten des Sensors beschreibt Diese Differentialgldchung, Hauptgldchung für den Sensor, definiert den Zusammenhang zwischen der Änderung seiner kalorischen Mitteltemperatur und dem elektrischen Anregungssignal unter Einbeziehung der Konstantweite des Sensors und der Wärmeldtfähigkdt des Stoffes. Die experimentelle Kopplung der Energiebilanz und der Wärmeldtung liefert ein Ausgangssignal Uy, das, zusammen mit dem elektrischen Anregungssignal, die Lösung der Hauptgldchung ermöglicht Damit wird die Wärmeldtfähigkdt des Stoffes bestimmbar.The aim of the second process step is the experimental coupling of the energy balance of the sensor and the heat insulation of the substance in the form of a first-order differential glazing, which describes the transmission behavior of the sensor.This differential glazing, main glazing for the sensor, defines the relationship between the change in its average calorific temperature and the electrical excitation signal, taking into account the constant width of the sensor and the thermal conductivity of the substance. The experimental coupling of the energy balance and the thermal insulation provides an output signal Uy, which, together with the electrical excitation signal, enables the solution of the main glazing to be determined. This makes it possible to determine the thermal conductivity of the substance.
Durch das erfindungsgemäße Anregen des Sensors entsteht so in seiner stromdurchflossenen Meßwicklung eine elektrothermische Leistung, die die Änderung der Temperatur des Sensors verursacht. Aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen dem Sensor und dem Stoff wird die Wärme in die Richtung des negativen Temperaturgradienten im Stoff übertragen. Buanzmäßig ist die Differenz des zu- und abgeführten Wärmestroms im Sensor gespdchert Es gut
Figure imgf000017_0001
wobd F zu die zum Sensor zugeführte Elektroleistung, F a0 der vom Sensor an den Stoff abgeldtete und Fs der im Sensor gespdcherte Wärmestrom sind.
By exciting the sensor according to the invention, an electrothermal power is generated in its current-carrying measuring winding which causes the temperature of the sensor to change. Due to the temperature difference between the sensor and the fabric, the heat is transferred in the direction of the negative temperature gradient in the fabric. The difference between the heat flow in and out is stored in the sensor, which is good
Figure imgf000017_0001
where F is the electrical power supplied to the sensor, F a0 is the heat flux absorbed by the sensor and Fs is the heat flow stored in the sensor.
Für die Wärmespdcherung Fs gutGood for heat storage F s
F __/-» dVs dt (3) wobd Cs die Wärmespdcherfähigkdt und Vg die kalorische Mttehemperatur des Sensors sind. Rein rechnerisch bedeutet V 9 die Überternperatur gegenüber der im 1. Verfahrensschritt ermittelten Bezugstemperatur des Stoffes.F __ / - »dV s dt (3) where Cs is the heat storage capacity and Vg is the calorific temperature of the sensor. In purely arithmetical terms, V 9 means the over-temperature compared to the reference temperature of the substance determined in the first process step.
Für die Übertragung der Wärme vom Sensor an den Stoff Fab &&For the transfer of heat from the sensor to the Fab && fabric
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0001
Hierin sind K die reine Wärmeldtfähigkdt, V die Temperatur des Stoffes, S die Oberfläche und R der Radius eines
Figure imgf000018_0002
Sensors.
Here K is the pure thermal capacity, V the temperature of the substance, S the surface and R the radius of one
Figure imgf000018_0002
Sensors.
Einsetzen von Gldchungen 3 und 4 in die Gldchung 2 ergibt die Hauptgldchung für den SensorInserting gaps 3 and 4 into the gasket 2 is the main seal for the sensor
F„-K«S*(g) ι_R-rC. * 3!. (5)F "-K" S * (g) ι _ R -rC. * 3 ! , (5)
Die Gldchung 5 stellt eine Differenzialgldchung 1. Ordnung dar, die sich, mit der folgenden begründeten Annahme, daß die kalorische Mitteltemperatur des Sensors gldch seiner Oberflächentemperatur ist , in einer lösbaren Form darstellen läßt, wie noch klar wird.The equation 5 represents a first order differential equation which, with the following well-founded assumption that the caloric mean temperature of the sensor is equal to its surface temperature, can be represented in a detachable form, as will become clear.
Grenzt der erfindungsgemäß ausgebildete Sensor an einen ruhenden Stoff mit der zu bestimmenden Wärmeldtfähigkdt und ist er maßgebend für einen Übertragungsverhaltenstest angeregt, so kann die Übertragung der Wärme vom Sensor an den Stoff und dann auch die Wärmeldtfähigkdt des Stoffes aus der Hauptgldchung 5 aufgrund der Werte der zu messenden kalorischen Mitteltemperatur bestimmt werden. Um diese Bestimmung zu ermöglichen, es ist notwendig den Sensor entweder mit einer sich ändernden aber nicht wiederkehrenden oder mit einer sich periodisch ändernden Elektroleistung anzuregen.If the sensor designed according to the invention borders on a resting substance with the thermal conductivity to be determined and is decisive for a transfer behavior test, then the transfer of heat from the sensor to the substance and then also the thermal conductivity of the substance from the main structure 5 can be based on the values of the measuring caloric mean temperature can be determined. To enable this determination, it is necessary to excite the sensor either with a changing but not recurring or with a periodically changing electrical power.
Zu den für einen Übertragungsveinaltenstest maßgebenden nicht wiederkehrenden Anregungssignalen gehören typische Testfunktionen, die sich vergldchswcise einfach realisieren lassen, wie die Impuls-, Sprung- und Rampenfunktion. Die Änderung der zu messenden Mitteltemperatur stellt hier einen Vorgang dar, an dessen Ende sich eine neue stationäre Temperaturverteilung in dem Stoff einstellt Die Auswertung der Meßergebnisse kann in der Weise erfolgen, die in dem schon genannten DE 4135617 AI erläutert istThe non-recurring excitation signals that are decisive for a transmission quality test include typical test functions that are simple to implement, such as the pulse, jump and ramp function. The change in the mean temperature to be measured represents a process, at the end of which there is a new one sets stationary temperature distribution in the substance The evaluation of the measurement results can be carried out in the manner which is explained in the already mentioned DE 4135617 AI
Zu den für einen Überiragungsverhaltenstest maßgebenden periodischen Anregungssignalen gehören beispielsweise der smusförmige Verlauf der anregenden Elektroldstung mit einer konstanten Amplitude und mit einer konstanten Frequenz oder das periodische, in Form von rechteckigen Speiseenergieimpulsen mit einer konstanten Amplitude und in einer pseudozufälligen Sequenz mit kurzer Taktzeit erfolgende Signal. Bd diesen Anregungssignalen enthält die Änderung der kalorischen Mitteltemperatur einen vorübergehenden und einen periodischen Anteil, wobd nur der periodische Anteil für den Ubertragungsverhaltenstest bestimmend ist. Der periodische Anteil fangt erst nach dem Ablauf eines vorübergehenden Vorganges an, der beim Start der Schwingungen der Elektrospeisung eintrifft und sich in einer nicht periodischen Temperanirverteilung im Sensor und in dem zu untersuchenden Stoff abbildet. Der vorübergehende Vorgang in dem zu untersuchenden Stoff endet früher je kleiner der Abstand vom Sensor und je größer die Temperaturidtfähigkdt des Stoffes ist. Der Verlauf der zu messenden Mitteltemperatur kann also erst nach einer Einstellzdt regelrecht ausgewertet werden. Anderenfalls tritt ein systematischer Meßfehler ein, der Meßergebnisse verfälschen kann. Die Dauer des 2.Veιfahrensschrittes soll in der Regel aber beschränkt werden um die Erwärmung des Stoffes außerhalb des Freiraumes 10 vermdden zu können.The periodic excitation signals that are decisive for a transmission behavior test include, for example, the smusty course of the stimulating electrical equipment with a constant amplitude and with a constant frequency or the periodic signal in the form of rectangular feed energy pulses with a constant amplitude and in a pseudo-random sequence with a short cycle time. In addition to these excitation signals, the change in the mean caloric temperature contains a temporary and a periodic component, with only the periodic component determining the transmission behavior test. The periodic part only begins after the end of a temporary process, which arrives at the start of the vibrations of the electrical power supply and is reflected in a non-periodic temperature distribution in the sensor and in the substance to be examined. The temporary process in the substance to be examined ends earlier, the smaller the distance from the sensor and the greater the temperature ability of the substance. The course of the mean temperature to be measured can therefore only be properly evaluated after a setting time. Otherwise, a systematic measurement error occurs, which can falsify the measurement results. However, the duration of the second process step should generally be limited in order to be able to avoid the heating of the material outside the free space 10.
Da die aus dem sinusförmigen Anregen resultierende Wärmeübertragung an den Stoff relativ Idcht bestimmbar ist und die mermischen Vorgänge im Inneren des Sensors und im zu untersuchenden Stoff ldcht erkennbar sind, ist zum Anregen diese einfach realisierbare Form des Signals für die Elektrospeisung des Sensors zu bevorzugen. So wird, beim Untersuchen des Motoröles, in einem frd wählbaren Zdtpunkt und nach der Feststellung des angeführten thermischen Stabilitätszustandes, die verstärkerlose Meßschaltung 21a mit einer sinusförmigen Speisespannung uo=Uo sin(ωot-ε) (6) angeregt, wobd Uo die Amplitude, CDQ die Frequenz des Speisespannung und £ die anfangliche Phasenverschiebung bd der Zeitmessung bedeuten. Die Speisespannung der verstärkerlosen Meßschaltung 21a weist eine Amplitude in Höhe von 10V und eine Frequenz von 1 Hz auf. In der Meßwicklung entsteht dabd dn elektromeπnischer WärmestromSince the heat transfer to the material resulting from the sinusoidal excitation can be determined relatively poorly and the thermal processes inside the sensor and in the material to be examined are easily recognizable, this easily realizable form of the signal for the electrical supply of the sensor is to be preferred for excitation. Thus, when examining the engine oil, at a selectable point in time and after establishing the stated thermal stability state, the amplifier-less measuring circuit 21a is excited with a sinusoidal supply voltage uo = Uo sin (ωot-ε) (6), whereupon the amplitude, CDQ the frequency of the supply voltage and £ mean the initial phase shift bd of the time measurement. The supply voltage of the amplifier-less measuring circuit 21a has an amplitude of 10V and a Frequency of 1 Hz. Electromagnetic heat flow is then generated in the measuring winding
Fzu=Fo[l-cos 2(ωot-ε)l (7) der zwd Komponenten, eine konstante und dne periodische, enthält (Fig. 6).Fzu = Fo [l-cos 2 (ωot-ε) l (7) of the two components, one constant and one periodic, contains (Fig. 6).
Die konstante Komponente ist für den vorübergehenden Anteil im Verlauf der kalorischen Mitteltemperatur verantwortlich und beträgt für die beiden stromdurchflossenen Halbwicklungen zusammenThe constant component is responsible for the temporary portion in the course of the average calorific temperature and is together for the two current-carrying half-windings
Figure imgf000020_0001
wobei R.Q die Resistanz einer Halbwicklung in der anfanglichen Temperatur (Bezugstemperatur) bedeutet. Die Änderung der konstanten Komponente sdtens der Änderung der Sensortemperatur um ca. 5 K beträgt nicht mehr als 0.01%, und muß bd der Auswertung nicht berücksichtigt werden. Die periodische Komponente ist für den periodischen Anteil im Verlauf der kalorischen Mitteltemperatur des Sensors haftbar und beträgt
Figure imgf000020_0001
where RQ means the resistance of a half winding in the initial temperature (reference temperature). The change in the constant component sdd the change in the sensor temperature by approximately 5 K is not more than 0.01%, and must not be taken into account in the evaluation. The periodic component is liable for the periodic portion in the course of the caloric mean temperature of the sensor and is
Fo cos2(ωot-ε).Fo cos2 (ωot-ε).
Ihre Frequenz CO ist, im Vergldch zu der Frequenz des Speisespannung COQ, doppelt hoch (2 Hz).Their frequency CO is, compared to the frequency of the supply voltage COQ, twice as high (2 Hz).
Entsprechend der sinusförmigen Änderung des, in der stromdurchflossenen Meßwicklung entstehenden, elektrothermischen Wärmestroms, wird die Wärmeldtung im Sensor und in dem zu untersuchenden Öl inganggesetzt. Da dem Sensor in jenem Moment nicht genau so viel Wärme entzogen wie zugeführt wird, ändert sich - auch smusförπrig - die im Sensor gespdcherte Wärmeenergie, und damit auch seine Temperatur. Der Wärmestrom wird dem ganzen Sensor, der eine bestimmte Wärmekapazität aufweist, blitzschnell zugeführt Da der Sensor im größten Teil aus einem Widerstandsdraht und einem wärmehochldtfähigen Metallack besteht sowie nur einen geringen, metallenen Trägerkörper aufweist, ist auch sein innerer Wärmewiderstand sehr gering und es treten daher in ihm geringe Temperaturunterschiede auf. Die Temperatur des Sensors hängt nur von der Zdt, aber nicht von der räumlichen Koordinaten ab, d.h. die zu messende kalorische Mitteltemperatur ist seiner Oberflächentemperatur praktisch gldch. Die Intensität der Wärmeübergabe an das Öl, d.h. die örtliche Abldtung der öltemperatur an der Oberfläche des Sensors ist im Laufe des 2. Verfahrerwschrittes nicht konstant Sie kann aufgrund der Theorie der Temperaturweilen („Conduction of Heat in Sohds" von H.S. Carslaw, Oxford University Press, 1959, S. 64-70) und daraus resultierenden Verteilung der momentanen Temperatur im Sensor und in dem Öl (Fig.7) ermittelt werden, wobd sich das Öl während des 2. Verfahrensschrittes nicht bewegen darf. Es ist nämlich zu erwarten, daß wenn das Öl auf seinem Rande (hier Sensoroberfläche) sinusförmig erwärmt wird, werden - nach einer Einstellzdt - sowohl die Temperaturen an der Oberfläche des Sensors als auch im Inneren des Öles einen ähnlichen Verlauf aufzeigen. Zu jedem Zdtpunkt stellt sich an der Oberfläche eine in das Innere des Öles wandernde, mit zunehmender Tiefe abklingende Temperaturweile ein. Die Frequenz des Signals von 2 Hz bewirkt, daß die Temperaturwelle im Öl praktisch auf die Tiefe von ein paar Millimetern, d.h. nur auf eine Teildicke des Freiraums 10 eindringen kann. Durch Versuche wurde festgestellt, daß bd diesem Anregen während der Zdt von ca. 5-6 Sekunden noch keine Erwärmung des Öles außerhalb des Freiraumes 10 stattfindet und sich in dem Zdtraum dne momentane Erwärmung des Sensors um ca. 5 K ergibt. Bd den relativ niedrigen Temperaturen wird noch keine signifikante natürliche Konvektion des Öles im Inneren der mechanischen Vorrichtung 15 vorzufinden sein. Die effektive innere Rdbung im Öl ist in diesem Falle nicht nur deswegen besonders groß, weil der Abstand vom Sensor zum Zylinder relativ klein ist und damit große Schubspannungen zu überwinden sind, sondern auch deshalb, weil aufgrund der instationären thermischen und hydrodynamischen Vorgänge in der Spaltkammer 16, eine sich ständig ändernde Beschleunigung der Ölteilchen stattfindet Daher ist, zusätzlich zu den Schubspannungen, auch die Trägheit des Öles zu überwinden.Corresponding to the sinusoidal change in the electrothermal heat flow that arises in the current-carrying measuring winding, the heat detection is initiated in the sensor and in the oil to be examined. Since not as much heat is withdrawn from the sensor as is being supplied at that moment, the thermal energy stored in the sensor, and thus also its temperature, changes - also in a smoky manner. The heat flow is supplied to the entire sensor, which has a certain heat capacity, at lightning speed.As the sensor largely consists of a resistance wire and a heat-sealable metal sheath and only has a small, metallic support body, its internal heat resistance is also very low and therefore occur slight temperature differences. The temperature of the sensor depends only on the Zdt, but not on the spatial coordinates, ie the caloric mean temperature to be measured is practically the same as its surface temperature. The intensity of the heat transfer to the oil, ie the local absorption of the oil temperature on the surface of the sensor is not constant in the course of the second step of the driver. It can be based on the theory of temperature periods ("Conduction of Heat in Sohds" by HS Carslaw, Oxford University Press , 1959, pp. 64-70) and the resulting distribution of the instantaneous temperature in the sensor and in the oil (Fig. 7), whereby the oil must not move during the second process step, because it can be expected that if the oil on its edge (here sensor surface) is heated sinusoidally, - after a setting time - both the temperatures on the surface of the sensor and inside the oil will show a similar progression The temperature of the signal of 2 Hz causes the temperature wave in the oil pr can actually penetrate to the depth of a few millimeters, ie only to a partial thickness of the free space 10. Experiments have shown that the oil does not heat up outside the free space 10 during this time of about 5-6 seconds and that the sensor is momentarily heated by about 5 K in the time room. Due to the relatively low temperatures, there will still be no significant natural convection of the oil inside the mechanical device 15. The effective internal color in the oil is particularly large in this case not only because the distance from the sensor to the cylinder is relatively small and large shear stresses have to be overcome, but also because of the transient thermal and hydrodynamic processes in the gap chamber 16 , a constantly changing acceleration of the oil particles takes place. Therefore, in addition to the shear stresses, the inertia of the oil has to be overcome.
Da die Temperaturen an der Oberfläche des Sensors V* sich im Öl mit der GeschwindigkdtSince the temperatures on the surface of the sensor V * in the oil change with the speed
Figure imgf000021_0001
ausbreiten, ist diese Schwingung in der Tiefe Δx
Figure imgf000021_0001
spread, this vibration is at depth Δx
Δx= J2κω Δt (10) zu dem Temperaturwert f ωΔx = J2κω Δt (10) for the temperature value f ω
Vk+ι=Vk e- 2JC Δx V k + ι = V k e - 2JC Δx
(11) abgesunken. Die örtliche Abldtung der Öltemperatur an der Oberfläche des Sensors kann dann für das zdtliche Abtastintervall Δt aus der Formel(11) sunk. The local mapping of the oil temperature on the surface of the sensor can then be done for the hourly sampling interval Δt from the formula
Figure imgf000022_0001
berechnet werden, wobd der Index K einem Meßwert zugeordnet ist, der am Abtastzdtpunkt
Figure imgf000022_0002
erfaßt worden ist, und K die TemperaturidtfaTiigkdt des zu untersuchenden Öles bedeutet. Die Hauptgldchung 5 für den Sensor in Form einer Differenzengldchung für die diskreten Werte der kalorischen Mitteltemperatur des Sensors
Figure imgf000022_0001
are calculated, the index K being assigned to a measured value at the sampling point
Figure imgf000022_0002
has been recorded, and K means the temperature difference of the oil to be examined. The main glow 5 for the sensor in the form of a differential glow for the discrete values of the caloric mean temperature of the sensor
Vg kann dann in der FormV g can then be in the form
F^&S* Δt7Ä +C8 * — s- d3) dargestellt werden, und nach der Umformung lautet sieF ^ & S * Δt7Ä + C 8 * - s- d3), and after the deformation it reads
Figure imgf000022_0003
Figure imgf000022_0003
Die tiiermophysikalischen Kenngrößen des Öles: die reine Wärmeldtfähigkdt K, die Dichte P und die spezifische Wärmekapazität C, sind in dieser Gldchung als die zu messende Wänneldtfähigkeit D zusammengefaßt. Die numerische Berechnung der Wärmeldtfähigkdt ist aus der Gldchung 14 für jede Abtastperiode Δt möglich. Sie beträgtThe animal-physical characteristics of the oil: the pure thermal conductivity K, the density P and the specific thermal capacity C are summarized in this equation as the thermal conductivity D to be measured. The numerical calculation of the thermal capacity is possible from the equation 14 for each sampling period Δt. It is
Figure imgf000022_0004
Figure imgf000022_0004
Die zur Berechnung notwendigen Werte F und V* können, aufgrund desThe values F and V * necessary for the calculation can, due to the
Speisespannungssignals Uo und des Ausgangssignals Uy, in dem Mikrorechner 32 ermittelt werden und die anderen benötigen Werte stehen von Anfang an zur Verfügung.Supply voltage signal Uo and the output signal Uy, in which microcomputers 32 are determined and the other required values are available from the beginning.
Das oben vorgeführte Ermitnungsverfahren ermöglicht die Bestimmung derThe determination procedure presented above enables the determination of the
Wärmeldtfähigkdt Dk m jedem einzelnen Zduntervaü Δt des maßgebenden Vorgangs während des 2. Verfahrensschrittes. Aus den einzelnen Werten Dk wύti ein Mittelwert D zur Beschränkung zufälliger Fehler berechnet b=£ ∑bk. (16) Der restliche zufällige Fehler läßt sich in seiner Gesamthdt durch Verteüungsfunktionen und durch statistische Kennwerte, wie z.B. den durchschnittlichen Fehler und den mittleren quadratischen Fehler, bestimmen. Deshalb weist das ErmMungsverfahren eine gute Zuverlässigkeit auf.Heat capacity Dk m each individual Zduntervaü Δt of the decisive process during the 2nd process step. From the individual values Dk wύti an average value D to limit random errors is calculated b = £ ∑bk. (16) The rest of the random error can be determined in its overall value by means of expensive functions and by statistical parameters, such as, for example, the average error and the mean square error. Therefore, the detection process has good reliability.
Die Testergebnisse des Sensors S2 in Verbindung mit einem Motoröl sind in Fig.8 angezeigt, wobd der Kalibrierungsfaktor des Sensors abschätzend festgestellt wurde. Anhand einer bereits vorliegenden Vergldchstabelle mit den Werten der absoluten Wänneldtfähigkeit für das zu untersuchende Öl, kann nun festgestellt werden, ob das geprüfte Öl seinen Bestand so verändert hat daß es noch wdter verwendungsfähig ist. In besonderen Fällen kann die reine Wärmeldtfähigkdt K des Öles, aufgrund der Gldchung 1, aus der Werten der zu messenden Wärmeleitfähigkdt D, für vorbestimmte Werte der spezifischen Wärmekapazität und der Dichte des Öles, rechnerisch im Mikrorechner 32 ermittelt werden.The test results of the sensor S2 in connection with an engine oil are shown in Fig. 8, whereby the calibration factor of the sensor has been estimated. On the basis of an existing comparison table with the values of the absolute heat capacity for the oil to be examined, it can now be determined whether the tested oil has changed its stock so that it is even more usable. In special cases, the pure thermal conductivity K of the oil, based on the equation 1, can be calculated in the microcomputer 32 from the values of the thermal conductivity D to be measured, for predetermined values of the specific thermal capacity and the density of the oil.
Die Wärmeleitfähigkeit kann auch aus den Amplitudenwerten der Signale Fzu und V s in Verbindung mit der Hauptgldchung für den Sensor ermittelt werden. Diese Lösung bietet insbesondere die Mögüchkdt die relative Wärmeldtfähigkdt eines Stoffes, mit Hilfe der Meßschaltung 21b, auf einfachere Weise zu bestimmen, und kann der betrieblichen Stoffanalyse dienen. Sie verfügt aber über eine niedrigere Genauigkdt und Zuverlässigkdt, die wiederum aus der relativ geringen Anzahl der zur Verfügung stehendenThe thermal conductivity can also be determined from the amplitude values of the signals Fzu and V s in connection with the main equation for the sensor. This solution offers, in particular, the possibility of determining the relative thermal conductivity of a substance in a simpler manner with the aid of the measuring circuit 21b, and can be used for operational substance analysis. However, it has a lower accuracy and reliability, which in turn is due to the relatively small number of available
Amplitudenwerte der Signale F zu u*10* V s herauskommen.Amplitude values of the signals F come out to u * 10 * V s.
Die Erfindung eignet sich auch für den Einsatz beim Erdreich, um den aktuellen Feuchtigkdtsgehalt festzustellen, damit rechtzdtige Anfeuchtungsmaßnahmen eingesetzt werden können und um die Feuchtigkdtsschwankungen in möglichst engen Grenzen zu halten. Auch ein Schleim, besonders der Zervixschleim, dessen Zustandsänderungen im Laufe des Frauenzyklus bzw. bd einer Frauenkrankhdt aus medizinischen Gründen festgestellt werden sollen, kann mit dem Sensor untersucht werden. Die Erfindung ist auch zur Untersuchung von verschiedenen Gas(Dampf)-πüssι^keit-Gemischen z.B. im Zusammenhang mit einer Benzin/Alkohol-Kraftatofϊmischung oder zur Ermittlung des Sättigungsgrades bzw. zur Feststellung des Siedezustandes eines Gemisches geeignet. Abschließend sd noch darauf hingewiesen, daß der Sensor zum dauerhaften, statisch und dynamisch korrigierten Temperaturmessen vorteilhaft verwendet werden kann. So kann mit Hilfe der Auswerteschaltung 25 die statische und unter Einbeziehung der Gleichung 14 die dynamische Korrektur der Temperaturmessung, insbesondere bd den periodischen TempenuuraTuicπingen, vorgenommen werden. Ein Beispiel daf&r ist die Temperatimregelung (Ein- Aus-Regdung) durch Thermostate. The invention is also suitable for use in the ground to determine the current moisture content so that timely moistening measures can be used and to keep the moisture fluctuations within the narrowest possible limits. The sensor can also be used to examine mucus, especially cervical mucus, whose changes in condition during the course of a woman's cycle or in the course of a woman's disease are determined for medical reasons. The invention is also suitable for the investigation of various gas (vapor) mixtures, for example in connection with a gasoline / alcohol / fuel mixture, or for determining the degree of saturation or for determining the boiling state of a mixture. Finally, it is also pointed out that the sensor can be used advantageously for permanent, statically and dynamically corrected temperature measurement. Thus, with the aid of the evaluation circuit 25, the static and, with the inclusion of equation 14, the dynamic correction of the temperature measurement, in particular bd the periodic temperature measurement, can be carried out. An example of this is temperature control (on-off control) using thermostats.

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensor für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von flüssigen, gasförmigen oder halbfesten Stoffen, bestehend aus einem Trägerkörper und einer dazu angeordneten Meßwicklung einer die Selbstinduktion und Induktivität reduzierenden Wicklungsart, wobei die Meßwicklung aus einem elektrisch isoliert angeordneten metallischen Widerstandsdraht mit einem temperanirabhängigen Widerstandswert besteht und über eine verstärkerlose, zur Umformung von Widerstandsänderungen des Widerstandsdrahts in ein Amplitudensignal vorgesehene Meßschaltung, an eine lineare, mit einer Auswerteschaltung zusammenwirkende Speise- und Meßeinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzdchnet, daß der Widerstandsdraht (8) gldchmäßig in einem für die Meßwicklung vorgesehenen, an allen Stellen dieselbe Wärmespdcherfähigkeit besitzenden Einbettraum (9), an einem Trägerkörper (1), dessen jedes Teilstück höchstens die Wärmekapazität von ein paar an das Teilstück angrenzenden Widerstandsdrahtschichten aufweist, angeordnet ist, derart, daß die kalorische Mitteltemperatur des Sensors mit dem Widerstandsdraht (8) erfaßt werden kann, sowie, von der Abgrenzung des Sensors an, ein vorbestimmter Freiraum (10) für den zu untersuchenden Stoff vorgesehen ist.1.Sensor for the determination of the thermal conductivity and / or the temperature of liquid, gaseous or semi-solid substances, consisting of a carrier body and a measuring winding arranged therefor of a type of winding which reduces self-induction and inductance, the measuring winding consisting of an electrically insulated metallic resistance wire with a There is a temperature-dependent resistance value and is connected via an amplifier-free measuring circuit provided for converting changes in resistance of the resistance wire into an amplitude signal, to a linear supply and measuring device interacting with an evaluation circuit, characterized in that the resistance wire (8) is used in a suitable manner for the measuring winding provided, at all points having the same heat storage capacity, an embedding space (9) on a support body (1), each section of which at most adjusts the heat capacity of a few to the section zenden resistance wire layers, is arranged such that the caloric mean temperature of the sensor can be detected with the resistance wire (8), and, from the delimitation of the sensor, a predetermined free space (10) is provided for the substance to be examined.
2. Sensor nach Anspruch 1 für dünnflüssige oder gasförmige Stoffe, dadurch gekennzdchnet, daß der vorbestύnmte, den Sensor umfassende Freiraum (10) in Form von mindestens einem Hohlraum mit Hilfe einer ihn umliegend angeordneten mechanischen Einrichtung (15) ausgebildet ist.2. Sensor according to claim 1 for low-viscosity or gaseous substances, characterized gekennzdchnet that the predetermined, the sensor comprising free space (10) in the form of at least one cavity with the help of a mechanical device (15) arranged around it.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzdchnet, daß die mechanische Einrichtung (15) aus einem dünnwandigen offenen Zylinder (17) mit einer gelochten Endwand (18) besteht3. Sensor according to claim 2, characterized gekennzdchnet that the mechanical device (15) consists of a thin-walled open cylinder (17) with a perforated end wall (18)
4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzdchnet, daß er in Form einer Spule ausgebildet ist und seine Höhe seinem Durchmesser etwa gldch ist 4. Sensor according to claim 1 or 2, characterized gekennzdchnet in that it is designed in the form of a coil and its height is approximately gldch its diameter
5. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzdchnet, daß die Temperaturidtfähigkdt aller Bauelemente des Sensors ähnlich der Tempcraturldtfahigkdt des Widerstandsdrahts (8) ist5. Sensor according to claim 1 or 2, characterized gekennzdchnet in that the Temperaturidtfunktionkdt of all components of the sensor is similar to the Tempcraturldtfahigkdt of the resistance wire (8)
6. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzdchnet, daß der Widerstandsdraht (8) ein Doppelwiderstandsdraht ist, und daß jede Ader des Doppelwiderstandsdrahtes eine Halbwicklung der Meßwicklung mit je einer Anfangs- und Endanschlußstelle bildet6. Sensor according to claim 1 or 2, characterized gekennzdchnet in that the resistance wire (8) is a double resistance wire, and that each wire of the double resistance wire forms a half-winding of the measuring winding, each with a start and end connection point
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzdchnet, daß die Adern des Doppelwiderstandsdrahtes gldche, sehr dünne Kupferdrähte mit feinem Isolierüberzug sind.7. Sensor according to claim 6, characterized gekennzdchnet that the wires of the double resistance wire are gldche, very thin copper wires with a fine insulating coating.
8. Verstärkerlose Meßschaltung (21a) für den Sensor nach Anspruch 6 oder 7 zur Bestimmung der absoluten Wärmeleitfähigkdt, bestehend aus einer Wheatstone-Brücke, dadurch gekennzdchnet, daß zwd sich gegenüberliegende, die Meßwicklung (7) bildende Brückenwiderstände jeweils aus den Halbwicklungen (7a, 7b) der Meßwicklung (7) bestehen, und daß die bdden anderen Brückenwiderstände (22) sich gleichende Festwiderstände sind.8. amplifier-free measuring circuit (21a) for the sensor according to claim 6 or 7 for determining the absolute thermal conductivity, consisting of a Wheatstone bridge, gekennzdchnet that zwd opposing bridge resistors forming the measuring winding (7) each from the half-windings (7a, 7b) of the measuring winding (7), and that the other bridge resistors (22) are identical fixed resistors.
9. Verstärkerlose Meßschaltung (21b) für den Sensor nach Anspruch 6 oder 7 zur Bestimmung der relativen Wäπneldtfahigkdt bestehend aus einer Wheatstone-Brücke, dadurch gekennzdchnet daß zwd sich gegenüberliegende, die Meßwicklung (7) des in den zu untersuchenden Stoff eingetauchten Sensors bildenden Brückenwiderstände jeweils aus den Halbwicklungen (7a, 7b) der Meßwicklung (7) des Sensors bestehen, und daß die bdden anderen die Meßwicklung (7) des anderen, in einen bekannten Vergldchsstoff eingetauchten Sensors bildenden Brückenwiderstände sich jeweils aus den Halbwicklungen (7c, 7d) der Meßwicklung (7) des Sensors zusammenstellen.9. amplifier-less measuring circuit (21b) for the sensor according to claim 6 or 7 for determining the relative Wäπneldtfahigkdt consisting of a Wheatstone bridge, thereby gekennzdchnet that zwd opposite, the measuring winding (7) of the sensor immersed in the substance to be examined forming bridge resistances each consist of the half-windings (7a, 7b) of the measuring winding (7) of the sensor, and that the other bridge resistors forming the measuring winding (7) of the other sensor immersed in a known composite material each consist of the half-windings (7c, 7d) of the measuring winding (7) of the sensor.
10. Verstärkerlose Meßschaltung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzdchnet daß jeweils die bdden Anfangsanschlußstellen der Halbwicklungen (7a, 7b; 7c, 7d) an der selben Diagonalen der Wheatstone-Brücke gegenüberliegend elektrisch angeordnet sind. 10. amplifier-less measuring circuit according to claim 8 or 9, characterized gekennzdchnet that each bdden the starting connection points of the half-windings (7a, 7b; 7c, 7d) on the same diagonal of the Wheatstone bridge are arranged electrically opposite.
11. Lineare Speise- und Meßeinrichtung für den Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, bestehend aus einer Speiseschaltung (29) zur elektrischen Speisung der verstärkungslosen Meßschaltung (21a;21b) und einer Verstärkerachattung (27) zur Verstärkung des aus der verstärkungslosen Meßschaltung (21a;21b) eintreffenden 5 Amplitudensignals Ul, dadurch gekennzdchnet daß ein analoger Multiplizierer (28) für die Multiplikation des Ausgangssignals Uy der Verstärkerschaltung (27) mit dem Ausgangssignal Uo der Spdseschaltung (29) in den Gegenkopplungszweig der Verstarkerschaltung (27) angeordnet ist11. Linear feeding and measuring device for the sensor according to at least one of claims 1 to 7, consisting of a feed circuit (29) for electrically feeding the unamplified measuring circuit (21a; 21b) and an amplifier device (27) for amplifying the unamplified measuring circuit (21a; 21b) arriving 5 amplitude signal Ul, characterized gekennzdchnet that an analog multiplier (28) for the multiplication of the output signal Uy of the amplifier circuit (27) with the output signal Uo of the Spündeschaltung (29) is arranged in the negative feedback branch of the amplifier circuit (27)
10 12. Verfahren zum Anregen eines Sensors nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzdchnet durch die folgenden Verfahrensschritte:10. A method for exciting a sensor according to at least one of claims 1 to 7, characterized by the following method steps:
1) daß die Elektrospeisung der verstärkerlosen Meßschaltung konstant gehalten wird, wobd die konstante Amplitude des Elektrospeisesignals (Initialwert) derart vorbestimmt ist, daß die1) that the electrical supply of the amplifier-less measuring circuit is kept constant, wobd the constant amplitude of the electrical supply signal (initial value) is predetermined such that the
15 in der stromdurchflossenen Meßwicklung (7) entstehende elektrothenrtische Leistung einen geringen Wert aufweist.15 in the current-carrying measuring winding (7) resulting electro-thermal power has a low value.
2) daß die Elektrospeisung der verstärkeriosen Meßschaltung maßgebend für einen Überttagungsverhaltenstest geändert wird, wobd die Amplitude des Hektrospeisesignals und 0 sein zeitlicher Verlauf derart vorbestimmt werden, daß der Sensor, während dieses Verfahrensschrittes, aufgrund der in seiner stromdurchflossenen Meßwicklung (7) entstehenden elektrouiermischen Leistung bis maximal unterhalb der Temperatur, die eine merkliche natürliche Konvektion des Gas- oder Flüssigkdtsantdls des im Freiraum 10 befindlichen zu untersuchenden Stoffes verursachen kann, erwärmt wird, und daß keine 5 Erwärmung des Stoffes außerhalb des vorbestimmten Freiraumes 10, während dieses Verfalirensschrittes. stattfinden kann.2) that the electric power supply of the amplifier-type measuring circuit is changed significantly for a transmission behavior test, the amplitude of the hectare feed signal and its time course being predetermined in such a way that the sensor, during this process step, due to the electro-electromagnetic power arising in its current-carrying measuring winding (7) is heated to a maximum below the temperature which can cause a noticeable natural convection of the gas or liquid substance of the substance to be examined located in the free space 10 and that no heating of the material outside the predetermined free space 10 takes place during this step. can take place.
13. Verfahren nach Anspruch 12 Schritt 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrospeisung der verstärkeriosen Meßschaltung in Form eines periodischen Speisesignals erfolgt, das eine 0 sinusförmige Änderung der in der stromdurchflossenen Meßwicklung (7) des Sensors entstehenden elektrothermischen Leistung verursacht 13. The method according to claim 12 step 2, characterized in that the electrical supply of the amplifier-measuring circuit takes place in the form of a periodic feed signal, which causes a 0 sinusoidal change in the current-carrying measuring winding (7) of the sensor resulting electrothermal power
PCT/PL1997/000007 1996-05-11 1997-05-12 Sensor for determining the thermal conductivity and/or temperature of liquid, gaseous or viscous substances and process for driving the sensor WO1997043628A2 (en)

Priority Applications (3)

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