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Vorrichtung zur Messung physikalischer Größen
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in meßfeindlicher Umgebung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur Messung physikalischer Größen in einer meßfeindlichen Umgebung.
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Der Meßtechnik wird häufig die Aufgabe gestellt, physikalische Größen
in einer meßfeindlichen Umgebung zu messen. Dabei wird eine Umgebung al-s meßfeindlich
bezeichnet, wenn sie die Funktion einer in ihr befindlichen ungeschützten Meßeinrichtung
beeinträchtigt oder unmöglich macht. Die Meßfeindlichkeit kann beispielsweise durch
den Aggregatzustand, die chemische Zusammensetzung, den Druck, die Temperatur eines
Mediums oder durch die Kombination der genannten Störfaktoren verursacht werden.
Der Einfluß der meßfeindlichen Umgebung auf die Meßeinrichtung kann bekanntlich
weitgehend durch Einbringen der Meßeinrichtung in geeignete Schutzgefäße ausgeschaltet
werden. Je nach Art der Störfaktoren muß das Schutzgefäß beispielsweise flüssigkeitsdicht,
gasdicht oder wärmeisolierend sein. Gegebenenfalls muß es mehrere dieser Eigenschaften
gleichzeitig aufweisen. Eine meßfeindliche Umgebung ist insbesondere auch dann gegeben,
wenn das Meßobjekt sich in einem meßfeindlichen Medium befindet und während der
Messung seinen Abstand vom Beobachter ändert.
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Die Aufgabe, physikalisthe Größen in einer meßfeindlichen Umgebung
zu messen, soll nachfolgend am Beispiel der Messung der ortsabhängigen Temperatur
in einem Durchlauf-Autoklaven oder der Messung des zeitlichen Temperaturverlaufs
in einer Konservendose während ihres Durchlaufs durch den Autoklaven erläutert werden.
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Eine Lösung der Aufgabe, die Temperatur im Autoklaven zu messen, besteht
bekanntlich darin, die Meßkette in den Aufnehmer und zwei getrennte Baugruppen I
und II aufzuteilen und nur Baugruppe I in einem Schutzgefäß unterzubringen, das
sich während der Messung am Meßort befindet, das heißt, durch den Autoklaven wandert.
Der Aufnehmer, das heißt, das am Eingang der Meßkette befindliche Glied, welches
die physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt, in der vorliegenden
Aufgabe ein Temperaturaufnehmer in Form eines Thermoelementes oder eins Temperatur-Meßwiderstandes,
ist über eine elektrische Leitungsverbindung mit dem Eingang der im Schutzgefäß
befindlichen Baugruppe I verbunden. Er befindet sich nicht im Schutzgefäß, sondern
entweder im Heizmedium des Autoklaven, falls die Temperatur des Heizmediums gemessen
werden soll, oder er befindet sich in der Konservendose, sofern die Temperatur in
der Konservendose gemessen werden soll.
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Baugruppe I enthält eine elektronische Schaltung, durch die zumindest
zeitweise aufeinander folgende Meßwerte digital speicherbar sind, das heißt, falls
der Aufnehmer ein analoges Signal abgibt: - einen ADU (Analog-Digital-Umsetzer),
der ein analoges Signal des Meßwertaufnehmers in ein binär-codiertes Signal umsetzt;
- einen elektronischen Meßwertspeicher, der entweder aus diskreten Schaltelementen
oder aus einem oder mehreren integrierten Bauteilen besteht und in dem dieses Signal
binär-codiert gespeichert wird; - die für den Betrieb des ADU und des elektronischen
Meßwertspeichers erforderlichen Hilfsschaltungen (Taktgeber, Gatter u.ä.); - die
zugehörige Stromversorgung.
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Sofern der Aufnehmer ein digitales Signal abgibt, entfällt der ADU.
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Baugruppe II enthält: diejenigen Schaltelemente, die erforderlich
sind, um nach Abschluß der Meßzeit die im elektronischen Meßwertspeicher binär-codiert
gespeicherten Meßwerte auszulesen und weiterzuverarbeiten.
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Die in Baugruppe I benötigten Bauelemente zeichnen sich durch einen
sehr geringen Platz- und Leistungsbedarf aus. Elektronische Meßwertspeicher bestehen
ausschließlich aus elektronischen Bauelementen wie beispielsweise Widerständen,
Kondensatoren, Spulen, Dioden, Transistoren, integrierten Schaltkreisen, magnetisierbaren
Materialien.
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Sie enthalten keine elektromechanischen Bauteile, bei denen mechanische
Teile bewegt werden müssen, was Platz beanspruchende Konstruktionen und einen großen
Energiebedarf zur Folge haben würde. In elektronischen Meßwertspeichern werden keine
me-chanischen Teile, sondern lediglich elektrische Ladungen oder magnetische Zustände
in Materialien bewegt. Sie sind besonders klein und billig und benötigen wenig Energie.
Als elektronische Meßwertspeicher können beispielsweise die auch als Zwischenspeicher
in Rechenanlagen verwendeten hochintegrierten Bausteine eingesetzt werden.
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Die Aufteilung der Meßeinrichtung in zwei Baugruppen I und II bewirkt
also, daß für den Einbau der Baugruppe I nur ein kleines Schutzgefäß benötigt wird,
daß ferner die maximale Betriebsdauer bei Batteriestromversorgung wegen der geringen
Verlustenergie der eingebauten Schaltung groß ist und daß schließlich zur Auswertung
beliebige Registriergeräte, das heißt, ohne Einschränkung der Abmessungen und des
Leistungsbedarfs, verwendet werden können.
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In Abb.1 ist noch einmal für die bisher bekannte Lösung der Meßaufgabe
die Meßeinrichtung und ihre Wirkungsweise dargestellt. Analog-Digital-Umsetzer a
und elektronischer Meßwertspeicher b bilden die Baugruppe I und sind in ein Schutzgefäß
c eingebaut. Die Meßgröße
wird im Aufnehmer d in ein elektrisches
Meßsignal umgewandelt und dieses über die elektrische Leitungsverbindung e der Baugruppe
I zugeleitet und hier anschließend an eine Binär-Codierung im elektronischen Meßwertspeicher
b gespeichert. Später wird Baugruppe I aus der meßfeindlichen Umgebung in eine meßfreundliche
Umgebung, beispielsweise einen Laborraum, gebracht und der Meßwertspeicher in bekannter
Weise £1,2 ausgelesen.
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Der Nachteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß der Aufnehmer
gegen die Einwirkung der meßfeindlichen Umgebung nicht geschützt ist und daß ferner
eine elektrische Leitungsverbindung zwischen Aufnehmer außerhalb des Schutzgefäßes
und elektronischer Schaltung innerhalb des Schutzgefäßes erforderlich ist. Eine
elektrische Leitungsverbindung erfordert aber zusätzlichen Aufwand für die elektrische
Isolation und für den störfreien Anschluß der Leitungsverbindung an den Aufnehmer
und für ihre Durchführung durch die Gefäßumfassung. Die Bezeichnung "Gefäßumfassung"
gilt im folgenden sowohl für die Gefäßwand als auch für den Gefäßdeckel. Elektrische
Leitungsdurchführungen sind wegen der verschiedenartigen Materialpaarungen, wie
beispielsweise Kunststoff/Metall, besonders störanfällig und ihre druckdichte Durchführung
ist besonders schwierig.
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Die nachstehende Erfindung vermeidet diese Nachteile.
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Erfindungsgemäß wird außer der Baugruppe I, bestehend aus der elektronischen
Schaltung, durch die zumindest zeitweise aufeinander folgende Meßwerte digital speicherbar
sind, zusätzlich auch der Aufnehmer im Schutzgefäß eingebaut. Auf diese Weise wird
erreicht, daß der Aufnehmer und die elektrische Leitungsverbindung vor außerhalb
des Schutzgefäßes wirksamen Störungseinflüssen, je nach Art des Schutzgefäßes beispielsweise
vor Feuchtigkeit oder vor hoher Temperatur, geschützt ist. Die zu messende physikalische
Größe oder eine andere physikalische Größe, in welche gegebenenfalls die zu messende
physikalische Größe umgewandelt worden ist, muß auf den im Schutzgefäß befindlichen
Aufnehmer einwirken können. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß in die
Gefäßumfassung ein Obertragungselement eingebaut ist, mit dessen Hilfe die physikalische
Größe durch die Gefäßumfassung auf den Aufnehmer im Schutzgefäß übertragen wird.
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Soll als physikalische Größe ein Druck p an einer Meßstelle außerhalb
des Schutzgefäßes gemessen werden, so kann erfindungsgemäß als Übertragungselement
ein Rohr, das druckdicht durch die Gefäßumfassung geführt ist, verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird die Einwirkung des Druckes auf den Aufnehmer dadurch erreicht,
daß der Aufnehmer im Inneren des Schutzgefäßes angeordnet ist (Abb.2) und daß von
der Meßstelle ein Rohr a durch die Gefäßumfassung b zum Aufnehmer geführt wird,
dessen dem Aufnehmer zugewandtes offenes Ende in einen durch die Aufnehmeroberfläche
oder einen Teil derselben und eine Kappe c eingeschlossenen Aufnehmerdruckraum e
führt, dessen Innenfläche auch von der druckempfindlichen Fläche d des Aufnehmers
mitgebildet wird. Die Befestigungen der Kappe c am Aufnehmer und am Rohr müssen
druckdicht, beispielsweise geschraubt, gelötet oder geklebt sein. Ebenso muß auch
die Durchführung des Rohrs a durch die Gefäßumfassung b druckdicht ausgeführt sein.
Als Druck-Aufnehmer kannbeispielsweise eine piezoresistive Ausführung verwendet
werden, dessen druckempfindliche Fläche d durch ein Siliziumplättchen gebildet wird,
dessen durch den Druck bewirkte Verformung durch eindiffundierte Widerstände, die
zu einer Meßbrücke zusammengeschaltet sind, in ein druckproportionales elektrisches
Signal umgewandelt wird 30 .
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Häufig besteht der Wunsch, in einem außerhalb des Schutzgefäßes, aber
innerhalb der meßfeindlichen Umgebung befindlichen geschlossenen Behälter den Druck
zu messen. Ein Beispiel dafür ist die Messung des Druckes in einer Konservendose
während ihres Durchlaufs durch den Autoklaven. Erfindungsgemäß kann das nach Abb.3
dadurch geschehen, daß ein als Übertragungselement dienendes eingangsseitig an den
Aufnehmerdruckraum angeschlossenes Rohr a druckdicht durch die Gefäßumfassung b
geführt wird und ausgangsseitig druckdicht in die Konservendose c eingeführt wird.
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Zur Erleichterung der Handhabung kann es zweckmäßig sein, die druckdichte
Verbindung zwischen Rohr und Konservendose lösbar zu machen.
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Diese Lösbarkeit kann bekanntlich beispielsweise dadurch geschehen,
daß
mittels einer Überwurfmutter a (Abb.4) die Innenseite eines Ringes b aus elastischem
Material gegen die Außenwandung des als Druckübertragungselement dienenden Rohres
c und die Außenseite des Ringes b in die konische Bohrung eines in der Wand d der
Konservendose befestigten Nippels e gepreßt wird. Nach Lockern der Überwurfmutter
a kann das Rohr c aus der Bohrung des Nippels e gezogen werden.
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Das Obertragungselement für den Druck kann besonders einfach gestaltet
werden, wenn der Druck in dem das Schutzgefäß unmittelbar umgebenden Medium gemessen
werden soll. In diesem Falle bewirkt der Druck eine Verformung der Gefäßumfassung,
die im Gefäß als eine vom Druck abhängige Gefäßverformung oder Gefäßdehnung gemessen
werden kann. Die Gefäßumfassung oder ein Teil derselben dient in diesem Falle als
Übertragungselement. Ein einfacher Druckaufnehmer wird erfindungsgemäß dadurch erhalten,
daß die Verformung eines elastischen Teils der Gefäßunifassung mittels geeigneter
Sensoren gemessen wird. So können beispielsweise auf der Innenseite eines elastischen
Flächenteils der Gefäßumfassung Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt und zu einer Brücke
zusammengeschaltet werden, die ein druckabhängiges Ausgangssignal abgibt.
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Befinden sich in dem Medium, dessen Druck gemessen werden soll, einzelne
Stoffpartikel, so besteht die Gefahr, daß diese das als Übertragungselement dienende
Rohr verstopfen und so die einwandfreie Druckübertragung vom Medium auf den Druckaufnehmer
verhindern. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann daher in einem solchen
Falle das dem Aufnehmer abgewandte offene Ende des Rohres a (Abb.5) mit einem aus
einer nachgiebigen weichen Wandung b gebildeten Hohlraum c druckdicht abgeschlossen
werden. Stoffpartikel können die Wandung nicht passieren und werden daher von der
Rohröffnung ferngehalten, dagegen wird der im Medium außerhalb der Wandung b herrschende
Druck durch die nachgiebige Wandung b vollständig in den Hohlraum c und damit weiter
zum Druckaufnehmer übertragen.
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Manchmal ist es erwünscht, an einer Meßstelle außerhalb des Schutzgefäßes
gleichzeitig Druck und Temperatur zu messen. Erfindungsgemäß wird in diesem Falle
zur Übertragung des Druckes von der Meßstelle zum Aufnehmer ein Rohr a benutzt (Abb.6),
in dessen Innenraum eine Mantel-Thermoelement-Leitung b so eingelegt ist, daß sich
dessen Thermoelement c an der Meßstelle befindet und die Mantel-Thermoelement-Leitung
b an einer Stelle d zwischen der druckdichten Durchführung des Verbindungsrohres
a durch die Gefäßumfassung e und dem Druckaufnehmer druckdicht aus dem Verbindungsrohr
a herausgeführt wird.
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Zur Messung einer Temperatur wird erfindungsgemäß das Meßvolumen eines
an der Meßstelle befindlichen Ausdehnungsthermometers a (Abb.7) über ein als Übertragungselement
dienendes Rohr b mit dem Aufnehmer c im Schutzgefäß verbunden. Das flüssige oder
gasförmige Medium im Meßvolumen dehnt sich bei Temperaturanstieg aus, so daß ein
von der Elastizität des Gesamtvolumens abhängiger Druckanstieg eintritt, der vom
Aufnehmer c gemessen wird.
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Die Temperatur an einer Meßstelle außerhalb des Schutzgefäßes kann
dadurch gemessen werden, daß zwischen Meßstelle und Aufnehmer als Temperatur-0bertragungselement
ein Körper mit hoher Wärmeübertragungsfähigkeit derart angeordnet wird, daß der
Wärmeübergangswiderstand sowohl einerseits zwischen der Meßstelle und ihm als auch
andererseits zwischen ihm und dem Temperaturaufnehmer klein ist, während der Wärmeübergangswiderstand
von seiner. Oberfläche zu seiner Umgebung sowohl außerhalb und innerhalb des Schutzgefäßes
als auch an der Durchführung durch die Gefäßumfassung groß ist. Die Oberfläche des
Körpers muß deshalb wärmeisoliert sein mit Ausnahme der beiden Oberflächenteile,
die den Wärmekontakt zum Aufnehmer beziehungsweise zur Meßstelle herstellen. Ein
derartiger Körper kann beispielsweise eine prismatische Form besitzen und aus Kupfer
hergestellt sein.
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Soll die Temperatur in dem das Schutzgefäßunmittelbar umgebenden Medium
gemessen werden, so kann als Übertragungselement für die Temperatur die Gefäßumfassung
benutzt werden. Erfindungsgemäß wird ein geeigneter elektrisch an den Eingang der
elektronischen Schaltung angeschlossener Temperatur-Aufnehmer in guten Wärmekontakt
mit der Innenseite der Gefäßumfassung gebracht. Als Temperatur-Aufnehmer ist beispielsweise
ein Thermoelement geeignet, welches an die Gefäßumfassung gelötet, geschweißt oder
auch angeklebt ist.
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Geeignet sind ferner auch Temperatur-Widerstandsaufnehmer. Auch sie
können beispielsweise auf die Innenseite der Gefäßumfassung geklebt werden.
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Sollen Strahlungsmessungen ausgeführt werden oder Temperaturmessungen,
die auf eine Strahlungsmessung zurückgeführt werden, so können (Abb.8), um die Strahlung
von der Meßstelle zum Aufnehmer zu übertragen, als Obertragungselement für die Temperatur
beziehungsweise für die -sie repräsentierende Strahlung optische Elemente eingesetzt
werden. Erfindungsgemäß kann als Übertragungselement ein Strahlungsfenster b, eine
Linse oder eine Linsenkombination oder ein Lichtleiter, so in die Gefäßumfassung
a eingebaut.werden, daß die Strahlung c von der Meßstelle außerhalb des Schutzgefäßes
zum Aufnehmer im Schutzgefäß geführt wird.
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=== Literatur: Eine Emschermann,H.H.; Fuhrmann ,B.; Huhnke,D.: Neuartiges
Temperaturmeßgerät zur Bestimmung der Kerntemperatur von Konserven; Die industr.
Obst-u.Gemüseverwertung 58(1973); 22 Deutsche Patentanmeldung P 23 08 887.1: Temperatur-Meßeinrichtung
für hohe Umgebungstemperaturen; ll3 Keller, H.W.: Piezoresistive Druckaufnehmer;
Druckschrift der Kistler Instrumente GmbH, 7302 Nellingen bei Stuttgart.