CH616743A5 - Device for measuring the density of gaseous media. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Dichtemessung von gasförmigen Medien, z. B. also auch von Dämpfen, wie sie bekannterweise mit Hilfe von mechanischen Druckmessgeräten unter zusätzlicher Berücksichtigung der Temperatur des Mediums als Relativmessung oder unter zusätzlicher Berücksichtigung von Materialkonstanten bzw. der Gaskonstante als Absolutmessung durchgeführt werden kann. Unter den Begriff «Dichtemessung» ist in diesem Zusammenhang auch ein quantitativer Grenzwertvergleich im Sinne einer Dichte-Grenzwertüberwachung zu verstehen. Die Durchführung des Grenzwertvergleiches selbst gehört dabei jedoch nicht zum Erfindungsgegenstand. Vielmehr richtet sich dieser auf die Bereitstellung eines zur Relativ-Absolutmessung und damit auch zu einer Grenzwertüberwachung geeigneten Messsignals. The invention relates to a device for density measurement of gaseous media, for. B. also of vapors, as they are known to be carried out with the help of mechanical pressure measuring devices with additional consideration of the temperature of the medium as a relative measurement or with additional consideration of material constants or the gas constant as an absolute measurement. In this context, the term “density measurement” also means a quantitative limit value comparison in the sense of density limit value monitoring. However, carrying out the limit value comparison itself is not part of the subject matter of the invention. Rather, it focuses on the provision of a measurement signal suitable for relative absolute measurement and thus also for limit value monitoring.
Von besonderer Bedeutung ist die Dichtemessung für die Überwachung von Isoliergasen für Schaltanlagen, vor allem das hierfür zunehmend verwendete Schwefelhexafluorid. Density measurement is particularly important for the monitoring of insulating gases for switchgear, especially the sulfur hexafluoride that is increasingly used for this purpose.
Hier kommen in der Praxis zahlreiche Mess- und Uber-wachungsstellen innerhalb einer Anlage zum Einsatz, so dass ein erhebliches Bedürfnis nach Vereinfachung und Verbilligung der entsprechenden Einrichtungen ohneEinbusse an Zuverlässigkeit und Genauigkeit besteht. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zur Dichtemessung, die in dieser Hinsicht einen Fortschritt gegenüber den üblichen elektromechanischen Druckwächtern mit zusätzlicher Temperaturberäcksichtigung ermöglicht. Die erfin-dungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. In practice, numerous measuring and monitoring points are used here within a system, so that there is a considerable need to simplify and reduce the cost of the corresponding facilities without sacrificing reliability and accuracy. The object of the invention is to provide a device for density measurement which, in this respect, allows progress over the conventional electromechanical pressure switches with additional temperature considerations. The solution to this problem according to the invention is characterized by the features specified in claim 1.
Die erfindungsgemässe Einrichtung umfasst also grundsätzlich druck- und temperaturempfindliche Messorgane und liefert ein wenigstens annähernd druckproportionales und temperaturreziprokes Ausgangssignal, wodurch sich ein dichteabhängiges Ausgangssignal ergibt. Dabei besteht die Möglichkeit der Aufnahme eines druckabhängigen und eines temperaturabhängigen Signals in getrennten Messwandlern mit anschliessender, multiplikativer oder quotientenbildender Überlagerung. Die erstgenannte Möglichkeit bedingt ein temperaturreziprokes Signal, die zweitgenannte ein temperaturproportionales Signal für die Überlagerung mit dem druckproportionalen Signal. Durch die praktisch verfügbaren Wandlerelemente können beide Typen der Temperaturabhängigkeit im allgemeinen in gewissen Messbereichen mit ausreichender Näherung verwirklicht werden. Für die reziproke Temperaturabhängigkeit kommen dabei z. B. Halbleiterelemente wie Dioden und andere in Betracht, die an sich eine linear fallende Spannungs-Temperaturkennlinie bei konstant eingeprägtem Strom aufweisen, wobei jedoch die linear fallende Kennlinie in begrenzten Abschnitten als ausreichende Näherung für die hyperbolisch fallende Kennlinie einer reziproken Funktion verwendbar ist. Mit ausreichender Näherung temperaturproportionale Wandlerelemente sind in der Praxis verfügbar, jedoch erfordern diese eine besondere Einrichtung zur Quotientenbildung. The device according to the invention therefore basically comprises pressure and temperature-sensitive measuring elements and delivers an at least approximately pressure-proportional and temperature-reciprocal output signal, which results in a density-dependent output signal. It is possible to record a pressure-dependent and a temperature-dependent signal in separate transducers with a subsequent, multiplicative or ratio-forming overlay. The first-mentioned possibility requires a temperature reciprocal signal, the second-mentioned a temperature-proportional signal for the superposition with the pressure-proportional signal. Due to the practically available transducer elements, both types of temperature dependency can generally be achieved with sufficient approximation in certain measuring ranges. For the reciprocal temperature dependence come z. B. semiconductor elements such as diodes and others into consideration, which have a linearly falling voltage-temperature characteristic with a constant impressed current, but the linearly falling characteristic can be used in limited sections as a sufficient approximation for the hyperbolic falling characteristic of a reciprocal function. With sufficient approximation, temperature-proportional transducer elements are available in practice, but these require a special facility for forming the quotient.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, druck- und temperaturabhängige Wandlerelemente in einer geeigneten Schaltung einzusetzen, die wiederum zu einem wenigstens annähernd druckproportionalen und temperaturreziproken Ausgangssignal führt. Hierfür kommen beispielsweise piezoelektrische Wadlerelemete in einer Brückenschaltung in Betracht, wobei die Temperaturabhängigkeit der Wandlerelemente für den genannten Zweck ausgenutzt werden kann. Furthermore, there is the possibility of using pressure- and temperature-dependent transducer elements in a suitable circuit, which in turn leads to an at least approximately pressure-proportional and temperature-reciprocal output signal. Piezoelectric Wadlerelemete in a bridge circuit come into consideration for this purpose, the temperature dependence of the transducer elements can be used for the purpose mentioned.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Messeinrichtung besteht in bezug auf elektromechanische Einrichtungen in der schnellen Reaktionsfähigkeit und im Fehlen einer Hysterese im Kennlinienverlauf, wodurch eine verbesserte Messgenauigkeit und mit Sicherheit erreichbar ist. Justierung und Eichung können ferner im Bereich der elektrischen An essential advantage of the measuring device according to the invention in relation to electromechanical devices is the rapid reactivity and the lack of hysteresis in the course of the characteristic curve, as a result of which an improved measuring accuracy can be achieved with certainty. Adjustment and calibration can also be done in the electrical field
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Schaltungselemente vorgenommen werden, während eine Nachjustierung unter Berücksichtigung von physikalischen Umgebungsverhältnissen am Messort entfallen. Fertigung und Einbau bzw. Inbetriebnahme werden dadurch erleichtert. Circuit elements are made, while readjustment taking into account physical environmental conditions at the measuring location is not necessary. Manufacturing and installation or commissioning are thereby facilitated.
Eine besondere Eigenschaft der verwendeten Wandler be- 5 steht darin, dass der Druck-Messwadler in der Praxis im allgemeinen rascher auf Druckänderungen reagiert, als der Temperatur-Messwandler auf Temperaturänderungen. Dies bedeutet, dass bei raschen Druck- und Temperaturänderungen das Ausgangssignal in einem anfänglichen Übergangsin- i° tervall überwiegend durch die Druckänderung bestimmt ist, A special property of the transducers used is that in practice the pressure transducer generally reacts faster to changes in pressure than the temperature transducer to changes in temperature. This means that in the event of rapid changes in pressure and temperature, the output signal in an initial transition interval is predominantly determined by the change in pressure,
also eine entsprechende Abweichung von der Dichtemessung aufweist. Die Trägheit des Temperatur-Messwandlers kann aber im allgemeinen so gering gehalten werden, dass das Ubergangsintervall für die praktischen Anforderungen der 15 Dichteüberwachung genügend kurz wird. Andererseits kann die vorgenannte Eigenschaft mit Vorteil für eine zusätzliche Überwachung eines Gasdruckraumes auf schnelle Druckänderungen für sich ausgenutzt werden, was in manchen Fällen einen erheblichen Vorteil darstellt. 20 thus has a corresponding deviation from the density measurement. However, the inertia of the temperature transducer can generally be kept so low that the transition interval becomes sufficiently short for the practical requirements of density monitoring. On the other hand, the aforementioned property can advantageously be used for additional monitoring of a gas pressure chamber for rapid pressure changes, which is a considerable advantage in some cases. 20th
Für die multiplikative Lösung kommt insbesondere ein piezoresistiver Druck-Messwandler in Betracht, der an eine elektrische Speisequelle mit temperaturreziproker Ausgangs-grösse angeschlossen ist. Damit ergibt sich unmittelbar eine zum Verhältnis p/T (p=Druck, T=Absoluttemperatur), d. h. 25 dichteproportionale Messgrösse, die in einer Grenzwert-Überwachungsschaltung leicht ausgewertet werden kann. Eine solche Lösung zeichnet sich durch grosse Einfachheit aus, For the multiplicative solution, a piezoresistive pressure transducer is particularly suitable, which is connected to an electrical supply source with a temperature-reciprocal output. This immediately results in a ratio p / T (p = pressure, T = absolute temperature), i.e. H. 25 density-proportional measurement variable that can be easily evaluated in a limit value monitoring circuit. Such a solution is characterized by great simplicity,
wobei mechanisch bewegte oder verformte Elemente wie Metallbälge und Bimetallmembranen entfallen. Da ferner der 30 piezoresistive Effekt vom Absolutdruck des Mediums und die elektrische Speisung ebenfalls von der Absoluttemperatur abhängig ist, entfallen die bei Umgebungstemperatur- und umgebungsdruckabhängigen Einrichtungen erforderlichen Justier- und Kontrollarbeiten. 35 whereby mechanically moved or deformed elements such as metal bellows and bimetallic membranes are omitted. Furthermore, since the piezoresistive effect is dependent on the absolute pressure of the medium and the electrical supply is also dependent on the absolute temperature, the adjustment and control work required for devices that are dependent on ambient temperature and pressure are eliminated. 35
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden weiter anhand des in der Zeichnung schematisch angedeuteten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt: The features and advantages of the invention are further explained on the basis of the exemplary embodiment schematically indicated in the drawing. Herein shows:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer multiplikativen elektro-piezoresistiven Dichtemesseinrichtung; 40 1 shows the basic circuit diagram of a multiplicative electro-piezoresistive density measuring device; 40
Fig. 2 das Blockschaltbild einer Dichtemesseinrichtung mit Quotientenbildung und Fig. 2 shows the block diagram of a density measuring device with quotient formation and
Fig. 3 das Blockschaltbild einer Dichtemesseinrichtung mit Fernauswertung. Fig. 3 shows the block diagram of a density measuring device with remote evaluation.
Die in Fig. 1 dargestellte Messeinrichtung umfasst einen 45 piezoresistiven Druck-Messwandler MWP mit einer Brückenschaltung, in der diametral zwei elektrische Wandlerelemente Rxi und Rx2 mit druckabhängigem Widerstand angeordnet sind und die von einer elektrischen Speisequelle QI über eine Diagonale mit einem Speisestrom Ib beaufschlagt wird. 50 Der Wandler MWP wird in hier nicht näher interessierender Weise dem Druck des Messmediums ausgesetzt, wobei an der anderen Brückendiagonale eine druckproportionale und ausserdem zum Speisestrom Ib proportionale Messspannung Um erscheint. Letztere wird in einem Ausgangsverstärker VA in 55 ein Spannungssignal Ua geeigneten Leistungsniveaus umgesetzt. The measuring device shown in FIG. 1 comprises a 45 piezoresistive pressure transducer MWP with a bridge circuit in which two electrical transducer elements Rxi and Rx2 with pressure-dependent resistance are arranged and which is supplied with a feed current Ib by an electric feed source QI via a diagonal. 50 The converter MWP is exposed to the pressure of the measuring medium in a manner that is not of interest here, with a measuring voltage Um proportional to the pressure and also proportional to the feed current Ib appearing on the other diagonal of the bridge. The latter is implemented in an output amplifier VA in 55 a voltage signal Ua suitable power levels.
Die reziproke Temperaturabhängigkeit der Messspannung Um wird durch eine solche des Speisestromes Ib und diese wiederum mittels eines Kompensationsverstärkers VC mit temperaturreziproker Eingangsspannung erzielt. Im Eingangskreis des Kompensationsverstärkers wird die Differenz zwischen dem zu Ib proportionalen Spannungsabfall an einem — zu Justierzwecken einstellbaren — Widerstand P2 und einer temperaturabhängigen Eingangsspanung Ue gebildet, wobei durch die hohe Verstärkung diese Differenz durch den sich entsprechend einstellenden Speisestrom Ib annähernd auf Null gebracht wird. In diesem abgeglichenen Zustand des Kompensationsverstärkers ist also Ib proportional zur temperaturabhängigen Eingangsspannung Ue. Der Kompensationsverstärker wirkt also als Spannungs-Stromwandler. The reciprocal temperature dependence of the measuring voltage Um is achieved by means of that of the supply current Ib and this in turn by means of a compensation amplifier VC with a temperature-reciprocal input voltage. In the input circuit of the compensation amplifier, the difference between the voltage drop proportional to Ib at a resistor P2, which can be adjusted for adjustment purposes, and a temperature-dependent input voltage Ue is formed, the difference being brought approximately to zero by the correspondingly setting supply current Ib due to the high gain. In this balanced state of the compensation amplifier, Ib is proportional to the temperature-dependent input voltage Ue. The compensation amplifier thus acts as a voltage-current converter.
Die temperaturabhängige Eingangsspannung wird wiederum mit Hilfe einer Konstantstromquelle QIC als Spannungsabfall an einem temperaturreziprok veränderlichen Widerstandselement D, etwa einer geeigneten Halbleiterdiode, gebildet. In Serie dazu ist noch ein zur Korrektur des Temperaturkoeffizienten dienendes Potentiometer Pi vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich mit einfachen Mitteln eine vergleichsweise genau reziproke Temperaturabhängigkeit mit hoher Langzeitstabilität (Driftarmut) verwirklichen. The temperature-dependent input voltage is in turn formed with the help of a constant current source QIC as a voltage drop across a temperature-reciprocally variable resistance element D, for example a suitable semiconductor diode. A potentiometer Pi used to correct the temperature coefficient is also provided in series. In this way, a comparatively precisely reciprocal temperature dependency with high long-term stability (low drift) can be achieved with simple means.
Eine weitere, schaltungsmässig nicht dargestellte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, unmittelbar einen piezoresistiven Druck-Messwandler MWP zu verwenden, dessen Wandlerelemente einen nicht nur druckabhängigen, sondern auch passend temperaturabhängig veränderlichen Widerstand aufweisen. Bei geeigneter Bemessung der Brückenelemente ergibt sich dann mit temperaturunabhängigem Speisestrom eine druckproportionale und temperaturreziproke Messspannung Um. Eine solche Ausführung zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus, weil die sonst üblichen Kompensationsschaltungen zum Ausgleich der Temperaturabhängigkeit der piezoresistiven Wandlerelemente entfallen. Another possible embodiment of the invention, not shown in terms of circuitry, is to use a piezoresistive pressure transducer MWP directly, the transducer elements of which have a resistance that is not only pressure-dependent but also suitably temperature-dependent. With a suitable dimensioning of the bridge elements, a pressure-proportional and temperature-reciprocal measurement voltage Um results with temperature-independent supply current. Such an embodiment is characterized by particular simplicity because the otherwise usual compensation circuits for compensating for the temperature dependence of the piezoresistive transducer elements are eliminated.
Das Ausführungsbeispiel der quotientenbildenden Lösung gemäss Fig. 2 weist gesonderte Messwandler auf, nämlich einen Druck-Messwandler MWP mit wenigstens annähernd druckproportionalem Ausgangssignal Up und einen Temperatur-Messwandler MWT mit wenigstens annähernd temperaturproportionalem Ausgangssignal Ut. Die Ausgänge dieser Wandler sind an zugehörige Eingänge eines Quotientenbildners Q an sich üblicher Art geführt, der nunmehr das dichteabhängige Ausgangssignal Ua liefert. Insbesondere kommen für eine solche Quotientenbildung Digitalschaltungen in Betracht, wobei die Messwandler über entsprechende Analog-Digitalwandler anzuschliessen sind. The embodiment of the quotient-forming solution according to FIG. 2 has separate transducers, namely a pressure transducer MWP with an output signal Up that is at least approximately proportional to pressure and a temperature transducer MWT with an output signal Ut that is at least approximately proportional to temperature. The outputs of these converters are routed to associated inputs of a quotient generator Q of a conventional type, which now supplies the density-dependent output signal Ua. In particular, digital circuits are suitable for forming such a quotient, the measuring transducers being connected via corresponding analog-digital converters.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel kommt für eine Femüberwachung oder Fernmessung der Gasdichte mit einer Mehrzahl von Messstellen in Betracht. Jede Messstelle ist mit einem Wandlerpaar MWP, MWT für Druck und Temperatur versehen und über einen entsprechend zweifachen Übertragungskanal KP, Kt an eine zentrale, von den Messstellen entfernte Auswerteeinrichtung A angeschlossen. In letzterer werden in nicht dargestellter, an sich üblicher Weise die vorstehend angegebenen Verknüpfungen und gegebenenfalls Analog-Digitalumformungen sowie Grenzwertvergleiche und dergleichen für eine umfassende Dichte- und gegebenenfalls Druckänderungsüberwachung vorgenommen. The exemplary embodiment shown in FIG. 3 comes into consideration for remote monitoring or remote measurement of the gas density with a plurality of measuring points. Each measuring point is provided with a pair of transducers MWP, MWT for pressure and temperature and is connected via a corresponding double transmission channel KP, Kt to a central evaluation device A remote from the measuring points. In the latter, the above-mentioned links and, if appropriate, analog-digital conversions and limit value comparisons and the like are carried out in a manner which is not shown and is customary per se for comprehensive density and, if appropriate, pressure change monitoring.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased | ||
| PL | Patent ceased |