DE19619133A1 - Sensor for determining the thermal conductivity and / or the temperature of non-flowing, liquid or gaseous substances and method for exciting the sensor - Google Patents

Sensor for determining the thermal conductivity and / or the temperature of non-flowing, liquid or gaseous substances and method for exciting the sensor

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    • 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

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

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstandssensor für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von fließunfähigen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen 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 the Determination of the thermal conductivity and / or the temperature of non-flowing, liquid or gaseous substances according to the generic term of Claim 1 and a method for bringing electrical Auxiliary energy in the sensor (excitation of the sensor) according to the generic term of Claim 12.

Gase, Flüssigkeiten oder fließunfähige Stoffe können aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit unter Einbeziehung der Stofftemperatur untersucht oder analisiert werden, wenn entweder ein binäres Gemisch vorliegt oder wenn nur eine veränderliche Komponente die Wärmeleitfähigkeit des Gemisches signifikant beeinflußt. Der Zustand der Stoffe kann auch häufig aus deren Temperatur bzw. ihrer Änderung ermittelt werden.Gases, liquids or non-flowable substances can due to their different thermal conductivity including the fabric temperature be examined or analyzed if either a binary mixture is present or if only one variable component is the thermal conductivity of the Mixture significantly influenced. The condition of the fabrics can also often vary their temperature or their change are determined.

Es ist bekannt, die Bestimmung des Anteils an festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen einer Mischung oder Schichtung dieser Substanzen mit Hilfe eines elektrischen Widerstandsdrahtes durchzuführen, wie das in DE 31 22 642 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 mittels vorbestimmter n-1 verschiedener Mengen elektrische Energie kurzzeitig innerhalb von Millisekunden 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 Analyseverfahren basiert zwar auf der Wärmeleitfähigkeit der Stoffe, aber die eigentliche Kenngröße der zu untersuchenden Substanz, d. h. 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 zu untersuchenden Stoffes nicht eliminiert werden kann, erfüllt das Meßverfahren die höheren Anforderungen an die Genauigkeit nicht.It is known to determine the proportion of solid, liquid or gaseous substances of a mixture or stratification of these substances with the help of an electrical resistance wire, as in DE 31 22 642 C2 is described. The known method is characterized in that for the mixing or layering the number n of the different Substances determined and in the individual substances the electrical Resistance wire embedded and in each case by means of predetermined n-1 different amounts of electrical energy for a short time within Milliseconds up to a few seconds at most up to a maximum below Evaporation or ignition temperature of the mixture or Layering existing substance with the least evaporation or  Ignition temperature is heated while doing calibration measurements of the Feed times for the supply of the predetermined amounts of energy be made, and that with one in the to be examined Mixtures or layers of embedded resistance wire of the same type mechanical and electrical data as well as when feeding the same predetermined amounts of energy as in the calibration measurements Feed times measured again and from the values of these measurements and the calibration measurements the individual substances of the mixture or Stratification can be determined. The known analysis method is based on the thermal conductivity of the substances, but the actual parameter of the investigating substance, d. H. the thermal conductivity, can not from the Measured variables of the measuring method, in this case from the feed times, can be determined selectively. Since the effects of influence and interference effects such as e.g. B. the effect of the unstable temperature of the substance to be examined cannot be eliminated, the measuring method meets the higher ones Precision requirements are not.

In der DE 41 35 617 A1 ist eine Vorrichtung zum Feststellen einer Wärmeübergangszahl von Substanzen zu deren Beurteilung beschrieben, wobei die Vorrichtung eine Meßsonde zur Umformung der Wärmeleitfähigkeit in ein Amplitudensignal aufweist. Die Meßsonde besteht aus einem Gehäuse aus wärmeisolierendem Material und aus einem darin verschiebbar und feststellbar gelagerten, länglichen Temperaturaufnehmer. In seiner Nichtfunktionsstellung befindet sich das vordere Meßende des Temperaturaufnehmers 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 wird zunächst eine Temperaturmessung vorgenommen, wenn der ausgefahrene Temperaturaufnehmer sich mit dem zu untersuchenden Stoff in Kontakt befindet. Dann erfolgt auf der Basis mathematischer Beziehungen unter Einbeziehung von Konstantwerten der Meßsonde die rechnerische Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Stoffes. Diese Meßsonde wird bevorzugt eingesetzt bei der Beurteilung des Zervixschleims der Frau. Es hat sich herausgestellt, daß bei dieser bekannten Meßsonde für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Stoffes keine ausreichende Selektivität bei der Umformung der Wärmeleitfähigkeit in ein Amplitudensignal erreicht werden kann, und daher ist die Anwendung der Meßsonde bei Stoffgemischen mit kleinen Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit nicht möglich. DE 41 35 617 A1 describes a device for determining a Heat transfer coefficient of substances described for their assessment, the device being a measuring probe for converting the thermal conductivity into has an amplitude signal. The measuring probe consists of a housing heat-insulating material and from a slidable and lockable therein stored, elongated temperature sensor. In its non-working position the front measuring end of the temperature sensor is inside the Housing, while in the measuring position just outside the Housing is located in contact with the substance to be examined come. To do this, a temperature measurement is first carried out if the extended temperature sensor with the substance to be examined is in contact. Then takes place on the basis of mathematical relationships including the constant values of the measuring probe Determination of the thermal conductivity of the substance to be examined. This Measuring probe is preferably used when assessing the cervical mucus the woman. It has been found that with this known measuring probe for the determination of the thermal conductivity of the substance to be examined none sufficient selectivity when converting the thermal conductivity into a Amplitude signal can be achieved, and therefore the application of the Measuring probe for mixtures with small changes in the Thermal conductivity not possible.  

Zum Untersuchen oder Analysieren von Gasen ist es bekannt, Wärmeleitfähigkeitsmeßgeräte zu verwenden (Dr. T. Pfeifer, Dr. P. Profos: Handbuch der industriellen Meßtechnik, R. Oldenburg München-Wien, 6. Auflage 1994, S. 913-923; J. Hengstenberg, B. Strum, O. Winkler: Messen, Steuern, Regeln in der Chemischen Technik, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Dritte Auflage, Band II, S. 94-112). Große Bedeutung haben Analysegeräte zur Bestimmung des Gasgehaltes in einem Gasgemisch z. B. des CO2-Gehaltes. Kohlendioxyd hat nämlich gegenüber Luft eine deutlich niedrigere Wärmeleitfähigkeit und der CO2-Anteil beeinflußt daher die Wärmeleitfähigkeit deutlich. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Gasgemisches geschieht in zylinderförmigen, thermostatisierten Meßkammern, in denen beheizte Platin-Meßdrähte ausgespannt sind. Der Meßdraht nimmt dabei eine um so höhere Temperatur an, je geringer die Wärmeleitfähigkeit des ihn umgebenden Gases ist. Die daraus resultierende Widerstandsänderung des Meßdrahtes wird ausgewertet. Die Anwendung dieses Wärmeleitfähigkeitsmeßgerätes erfordert eine Probeentnahme und benötigt eine sehr große Sorgfalt bei der Temperaturregelung der Meßkammern sowie die Ausschaltung äußerer Temperatureinwirkungen und die Konstanthaltung des Meßstroms und damit einen relativ großen Aufwand an Geräten.For examining or analyzing gases it is known Use thermal conductivity meters (Dr. T. Pfeifer, Dr. P. Profos: Handbook of industrial measurement technology, R. Oldenburg Munich-Vienna, 6. Edition 1994, pp. 913-923; J. Hengstenberg, B. Strum, O. Winkler: measuring, Taxes, rules in chemical engineering, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Third Edition, Volume II, pp. 94-112). Big meaning have analyzers for determining the gas content in a gas mixture e.g. B. the CO2 content. Carbon dioxide has one in relation to air lower thermal conductivity and the CO2 content therefore affects the Thermal conductivity clearly. Measuring the thermal conductivity of a Gas mixture takes place in cylindrical, thermostated measuring chambers, in which heated platinum measuring wires are stretched out. The measuring wire takes the higher the temperature, the lower the thermal conductivity of the surrounding gas. The resulting change in resistance of the Measuring wire is evaluated. The application of this Thermal conductivity meter requires a sample and needs one very great care in the temperature control of the measuring chambers and the Elimination of external temperature effects and keeping the constant Measuring current and thus a relatively large amount of equipment.

Bei 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 Betriebszeiten. Da die Qualität des beanspruchten Öles je nach Beanspruchungsgrad, Maschinenzustand, Ölart, Raffinationsgrad u. a. nach festen Betriebszeiten verschieden ist, kann die optimale Betriebszeit des Öles meistens nicht universal festgesetzt werden. Es sind genaue aber relativ teuere und zeitaufwendige Laboruntersuchungen von betreffenden Schmierstoffen bekannt, z. B. nach DIN 51 551 (Der Koksrückstand als eine Maßzahl für den Alterungszustand eines Öles). Bekannte einfachere Methoden verwenden z. B. die Dielektrizitätszahl (U.S. Pat. No. 4 733 556) oder den Scheinwiderstand (Impedanz) des Öles (U.S. Pat. No. 5 200 027), 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 Unterscheiden zwischen einem neuen und einem verbrauchten Öl nicht unter allen Betriebsbedingungen absichern. With liquid lubricants, such as lubricating oils, in particular Motor oils, there is a risk of aging and / or contamination of the substances with the disadvantage that these lubricants after a long period of use become unusable and must be replaced. The exchange of the In practice, lubricant mainly takes place after fixed operating times. There the quality of the oil used, depending on the degree of use, Machine condition, type of oil, degree of refining u. a. after fixed operating times is different, the optimal operating time of the oil can usually not be set universally. They are accurate but relatively expensive time-consuming laboratory tests of the lubricants in question known, e.g. B. according to DIN 51 551 (the coke residue as a measure of the Aging condition of an oil). Known simpler methods use e.g. B. dielectric constant (U.S. Pat. No. 4,733,556) or impedance (Impedance) of the oil (U.S. Pat. No. 5,200,027), but it is difficult to do so Characteristics of the affected oil in any case with its lubrication quality correlate and therefore they can provide the necessary selectivity in Do not differentiate between a new and a used oil secure all operating conditions.  

Es sind elektrische Widerstandssensoren 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 dynamischen Übertragungsverhalten nur näherungsweise beschreiben und daher ist ihre genaue, dynamische Korrektur, die die dynamischen Fehler des Sensors beseitigt und damit eine erhöhte Genauigkeit der Temperaturmessung gewährleistet, praktisch nicht möglich.Electrical resistance sensors are known which are used to determine the Temperature of substances are provided. Because the dynamic parameters of such a sensor are variable, they can be delayed sensors in their dynamic transmission behavior describe only approximately and therefore its exact, dynamic Correction that eliminates the dynamic errors of the sensor and thus a Guaranteed increased accuracy of the temperature measurement, practically not possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wärmeempfindlichen, für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von fließunfähigen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen geeigneten Sensor zu schaffen, und ihn so anzuregen, daß aus dem Ausgangssignal des Sensors eine Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur des Stoffes möglich wird, und daß die wärmespezifischen und elektromagnetischen Störeinflußeffekte, die beim Auftreten die eigentliche Meßgröße überlagern, in ihrer Auswirkung überwiegend eliminiert werden können. Dadurch wird es möglich, genau die Wärmeleitfähigkeit und/oder die Temperatur von Stoffen zu bestimmen, um daraus eine Veränderung des Stoffzustandes oder der Stoffeigenschaften bzw. der Konzentrationen genau festzustellen, wobei der Sensor ferner einfach aufgebaut und an Ort und Stelle, ohne Probeentnahme und Probenaufbereitung, d. h. ohne Probeentnahmefehler, unkompliziert in der Anwendung ist.The invention has for its object a heat sensitive for Determination of the thermal conductivity and / or the temperature of flowable, liquid or gaseous substances suitable sensor create and excite him so that from the output signal of the sensor a determination of the thermal conductivity and / or the temperature of the substance becomes possible, and that the heat-specific and electromagnetic Interference effects that overlay the actual measured variable when it occurs, in their impact can be largely eliminated. It will possible to exactly the thermal conductivity and / or the temperature of substances determine in order to change the state of matter or the Determine substance properties or concentrations precisely, the Furthermore, the sensor is simply constructed and in place, without sampling and sample preparation, d. H. without sampling errors, uncomplicated in the Application is.

Unter wärmespezifischen Störeinflußeffekten ist das Folgende zu verstehen:The following are to be understood as heat-specific interference effects:

  • a. die labile Temperatur des zu untersuchenden Stoffes.a. the unstable temperature of the substance to be examined.
  • b. die Bewegung des zu untersuchenden Stoffes bzw. seines Gas- oder Flüssigkeitsanteils bei der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit.b. the movement of the substance to be examined or its gas or Liquid fraction when determining thermal conductivity.

Unter elektromagnetischen Störeinflußeffekten ist das Folgende zu verstehen:The following are to be understood as electromagnetic interference effects:

  • a. die elektromagnetischen Einstreuungen aus der Umwelt.a. the electromagnetic interference from the environment.
  • b. die elektrischen Störspannungen seitens des elektrischen Anregungssignals (des Elektrospeisesignals).b. the electrical interference voltages on the part of the electrical excitation signal (of the electrical feed 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 by the features of Claims 1 and 12 solved. 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 in seinem dynamischen Übertragungsverhalten wie ein lineares Meßglied 1. Ordnung verhält, für die prinzipnahe Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur des ihn direkt berührenden, zu untersuchenden Stoffes, heranzuziehen um aus dem Ausgangssignal des Sensors einen Aufschluß darüber bekommen zu können, wie intensiv die in der Meßwicklung des Sensors anfallende, bestimmte elektrothermische Leistung auf den Stoff mit einer sich verändernden Wärmeleitfähigkeit übertragen wird, wobei die Störeinflußeffekte auf das Untersuchungsergebnis einen vernachlässigbaren Einfluß haben.The invention is therefore based on the idea of an interference-free examination the transmission behavior of a sensor proposed by the invention, which is sensitive to heat thanks to its design and is dynamic Transmission behavior behaves like a linear 1st order measuring element for which principle-related determination of the thermal conductivity and / or the temperature of the to touch him directly, to be examined, to extract from the Output signal of the sensor to get information about how intensely the determined in the measuring winding of the sensor determined electrothermal power on the fabric with a changing Thermal conductivity is transferred, the interference effects on the The result of the investigation has a negligible influence.

Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge der vorliegenden Erfindung ist zu erläutern, daß:For a better understanding of the context of the present invention to explain that:

  • a. Unter einem solchen wärmeempfindlichen, linearen Sensor 1. Ordnung ein Sensor zu verstehen ist, dessen Ausgangsgröße, in diesem Fall der elektrische Widerstand der Meßwicklung, der in dem Sensor gespeicherten Wärmeenergie proportional ist, d. h. die Wärmeempfindlichkeit des Sensors konstant ist, und zudem das Übertragungsverhalten des Sensors durch eine Differentialgleichung 1. Ordnung, d. h. mit Hilfe nur einer dynamischen Kenngröße (der sogenannten Zeitkonstante T) genau beschrieben werden kann.a. Under such a heat-sensitive, linear sensor of the 1st order Sensor is to be understood, its output variable, in this case the electrical one Resistance of the measuring winding, the thermal energy stored in the sensor is proportional, d. H. the heat sensitivity of the sensor is constant, and also the transmission behavior of the sensor through a 1st order differential equation, d. H. with the help of only one dynamic Parameter (the so-called time constant T) can be described exactly can.
  • b. Unter der störfesten Untersuchung des Übertragungsverhaltens eines solchen Sensors versteht sich eine experimentelle Ermittlung des funktionalen Zusammenhanges zwischen einem bestimmten Eingangssignal, in diesem Fall dem elektrischen Anregungssignal des Sensors, als Ursache und dem Ausgangssignal des Sensors, in diesem Fall der Widerstandsänderung der Meßwicklung, als Wirkung, wobei das Ausgangssignal durch eine Einflußgröße, in diesem Fall die Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Stoffes, beeinflußt wird. Die Störeinflußeffekte werden durch die Ermittlungs- und Konstruktionsmaßnahmen unterdrückt.b. Under the most interference-free investigation of the transmission behavior of a such a sensor is understood to be an experimental determination of the functional Relationship between a certain input signal, in this Case the electrical excitation signal of the sensor, as the cause and the Output signal from the sensor, in this case the change in resistance of the Measuring winding, as an effect, the output signal being determined by an influencing variable, in this case affects the thermal conductivity of the substance to be examined becomes. The interference effects are determined by the determination and Construction measures suppressed.
  • c. Unter der prinzipnahen Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder Temperatur ist zu verstehen, daß die Grundlagen zu einer solchen Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit der erste Hauptsatz der Thermodynamik (Energiebilanz) und das Fouriersche Grundgesetz der Wärmeleitung (kinetischer Ansatz) sind, und daß es sich um die Ermittlung der kalorischen, dynamisch korrigierten Temperatur des Sensors handelt.c. Under the principle-related determination of thermal conductivity and / or Temperature is understood to be the basis for such a determination thermal conductivity the first law of thermodynamics (energy balance) and Fourier's law of heat conduction (kinetic approach), and that it was the determination of the caloric, dynamically corrected Temperature of the sensor.

Mit der Erfindung lassen sich die wärmespezifischen und elektromagnetischen Störeinflußeffekte, die bei der Umformung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur des zu untersuchenden Stoffes auftreten können, in ihrer Auswirkung größtenteils eliminieren und daher können verläßliche Aussagen über feinste Veränderungen des Stoffzustandes oder der Stoffeigenschaften bzw. Konzentrationen von flüssigen, gasförmigen oder fließunfähigen Stoffen gemacht werden. Die erfindungsgemäße Lösung ist universell einsetzbar und läßt eine genaue Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Stoffes 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 auf Grund der Probeentnahme und Probenaufbereitung ergeben. Die erfindungsgemäße Lösung dient auch, mit dem selben Sensor, einer Messung der aktuellen Stofftemperatur, die entweder als Bezugstemperatur für die Wärmeleitfähigkeit entnommen werden soll, oder nach der Beseitigung von dynamischen Fehlern als eine Meßgröße oder eine Einflußgröße in verschiedenen Anwendungsgebieten der Meß- und Regeltechnik benutzt werden kann.With the invention, the heat-specific and electromagnetic Interference effects that occur during the transformation of the thermal conductivity and / or Temperature of the substance to be examined can occur in their Eliminate impact to a large extent and therefore reliable statements can be made about the finest changes in the state of matter or properties or concentrations of liquid, gaseous or non-flowing substances be made. The solution according to the invention can be used universally and allows an exact determination of the thermal conductivity of the examined Carry out fabric under practical conditions with a relatively little equipment. The relevant investigations can be made on the spot such that a Sampling is not necessary. This means that there are also measurement errors switched off due to sampling and sample preparation surrender. The solution according to the invention also serves, with the same sensor, a measurement of the current fabric temperature, either as Reference temperature for the thermal conductivity should be taken, or after eliminating dynamic errors as a measure or a Influencing variable in various fields of application of measurement and Control technology can be used.

Der erfindungsgemäß aufgebaute und angeregte Sensor für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur wird quasikontinuierlich mit einer geeigneten Meßschaltung zur Überwachung des Zustandes von verschiedenen Stoffen benutzt. Ein wirtschaftlich besonders wichtiges Anwendungsgebiet besteht in der Überwachung eines Schmieröles, insbesondere des Motoröles eines Kraftfahrzeuges, in Verbindung mit einem, auf Mikrocomputer basierendem Meßgerät. Durch wesenseigene Alterungsprozesse im Schmieröl, z. B. durch die im Öl stattfindende Oxidation und durch das mechanische Kleinhacken der Ölmolekülketten, oder durch Eindringen von Verschmutzungsteilchen in das Öl, entstehen im Schmieröl Oxydations-, Polymerisations- und andere Fremdprodukte, die in ihrer inneren Struktur wesentlich kürzere Molekülketten aufweisen und damit über schlechtere Schmiereigenschaften als das Neuöl selbst, verfügen. Man spricht von einem erhöhten äußeren Freiheitsgrad der Moleküle, der eine andauernde Abschwächung der Kraftwirkung unter den Molekülen, d. h. eine Verschlechterung des Viskositätsverhaltens des Öles, zu Folge hat. Es wurde durch laufende Ölprobeentnahmen festgestellt, daß sich einige bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften eines Schmieröls im Laufe seiner Beanspruchung ändern, darunter auch die Viskosität des Öles (Lubrication Engineering, August 1994, S. 605-611). Da die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten im wesentlichen nur von den intermolekularen Kräften bestimmt ist (VDI-Wärmeatlas, 7. Auflage 1994, S. Da 31), beeinflußt der "Fremdstoffanteil" die Wärmeleitfähigkeit des Öles merklich. Daher ist die Änderung der Wärmeleitfähigkeit eines Öles mit der Änderung seiner Schmierqualität korrelierbar und es ist möglich, durch die genaue Bestimmung der reinen Wärmeleitfähigkeit auf die Alterungsstufe des Öles zu schließen. Es ist auch bekannt, daß, wenn einmal ein Öl eine gewisse Alterungsstufe überschritten hat, die weitere Alterung sehr schnell fortschreitet, die das Öl schnell unbrauchbar werden läßt. Es kann dann an einer Anzeige des Meßgerätes abgelesen werden, daß der Zustand des Motoröles sich rapide verschlechtert, so daß das Öl bald ausgewechselt werden soll.The sensor constructed and excited according to the invention for the determination the thermal conductivity and / or the temperature becomes quasi-continuous with a suitable measuring circuit for monitoring the state of different fabrics used. An economically particularly important one The field of application is the monitoring of a lubricating oil, in particular the motor oil of a motor vehicle, in connection with a measuring device based on microcomputer. Through our own Aging processes in the lubricating oil, e.g. B. by the oxidation taking place in the oil and by mechanically chopping the oil molecule chains, or by Penetration of dirt particles into the oil occurs in the lubricating oil Oxidation, polymerization and other foreign products that are in their inner Structure have significantly shorter molecular chains and thus over have poorer lubricating properties than the new oil itself. One speaks of an increased external degree of freedom of the molecules, which is an ongoing Weakening of force between molecules, d. H. a Deterioration in the viscosity behavior of the oil. It was through ongoing oil sampling found that some determined physical and chemical properties of a lubricating oil in the course of its  Change the load, including the viscosity of the oil (lubrication Engineering, August 1994, pp. 605-611). Since the thermal conductivity of Liquids are essentially determined only by the intermolecular forces is (VDI Warmth Atlas, 7th edition 1994, p. Da 31), influences the "Foreign matter content" noticeably affects the thermal conductivity of the oil. Hence the Change in the thermal conductivity of an oil with the change in its Lubrication quality can be correlated and it is possible through precise determination the pure thermal conductivity to conclude the aging stage of the oil. It It is also known that once an oil has reached a certain stage of aging has passed, the further aging progresses very quickly, which the oil can quickly become unusable. It can then be displayed on the Meter read that the condition of the engine oil is rapidly changing deteriorated so that the oil should be replaced soon.

Die Größe und die Gestalt des Freiraumes 10 sollen im allgemeinen, abhängig vom Fließvermögen des zu untersuchenden Stoffes, auf diese Art und Weise abgestimmt werden, daß die Zähigkeit des zu untersuchenden Stoffes seine Konvektion praktisch verhindert. Sofern der Gegenstand der Erfindung für die Bestimmung der reinen Wärmeleitfähigkeit von dünnflüssigen oder gasförmigen Stoffen benutzt wird, soll um den Sensor eine mechanische Einrichtung 15 vorgesehen werden, die den Sensor derart umschließt, daß der bestimmte, den Sensor umfassende Freiraum 10 in Form von mindestens einem Hohlraum ausgebildet wird, in dessen Innerem die Reibung die natürliche Konvektion des zu untersuchenden, vom Sensor erwärmten Stoffes unterdrückt und mögliche Bewegungen stark hemmt.The size and shape of the free space 10 should generally, depending on the fluidity of the material to be examined, be adjusted in such a way that the toughness of the material to be examined practically prevents its convection. If the subject of the invention is used for the determination of the pure thermal conductivity of low-viscosity or gaseous substances, a mechanical device 15 is to be provided around the sensor, which encloses the sensor in such a way that the specific space 10 comprising the sensor in the form of at least one Cavity is formed, inside of which the friction suppresses the natural convection of the material to be examined, heated by the sensor, and strongly inhibits possible movements.

Um die Wärmekapazitäten außerhalb des Einbettraumes 9 des Sensors vermindern zu können, soll die Wärmekapazität des Trägerkörpers 1 im Vergleich zur gesamten Wärmekapazität des Sensors erheblich kleiner sein, d. h. das Volumen des Trägerkörpers 1 im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Sensors soll sehr gering sein.In order to be able to reduce the heat capacities outside of the embedding space 9 of the sensor, the heat capacity of the carrier body 1 should be considerably smaller compared to the total heat capacity of the sensor, ie the volume of the carrier body 1 in relation to the total volume of the sensor should be very small.

Die negative Auswirkung von aufbaubedingten Abweichungen des Sensors vom idealen Sensor 1. Ordnung läßt sich dadurch verringern, indem die Materialien der Sensorbauteile (Trägerkörper 1, Schutzlack, Isolierbezug des Widerstandsdrahtes und der Widerstandsdraht 8 selbst) nahezu gleiche Temperaturleitfähigkeiten aufweisen, d. h. der Temperaturausgleich läuft in diesen Bauteilen gleich schnell ab. The negative effect of deviations of the sensor from the ideal sensor of the 1st order due to the construction can be reduced by the fact that the materials of the sensor components (carrier body 1 , protective varnish, insulation cover of the resistance wire and the resistance wire 8 itself) have almost the same thermal conductivities, i.e. the temperature compensation takes place in these Components off quickly.

Das Aufnehmen des ganzen Temperaturfeldes des Sensors durch den Widerstandsdraht 8 läßt sich besser gewährleisten, wenn am Querschnitt dieses Widerstandsdrahtes keine Temperaturunterschiede auftreten, d. h. wenn die Ader des Widerstandsdrahtes 8 und der Isolierüberzug sehr dünn sind.The recording of the entire temperature field of the sensor through the resistance wire 8 can be better ensured if there are no temperature differences on the cross section of this resistance wire, ie if the wire of the resistance wire 8 and the insulating coating are very thin.

Die elektromagnetischen Störeinflußeffekte lassen sich in ihrer Auswirkung dadurch vermindern, daß die Meßwicklung 7 zweidrähtig, d. h. mit einem Doppelwiderstandsdraht 8 mit gleichen Adern auf dem Trägerkörper 1 aufgespult wird und die beiden so ausgebildeten Halbwicklungen 7a, 7b gegenüberliegend zu einer Wheatstone-Brücke elektrisch angeordnet werden, wobei sich die Anfangsstellen 11 der Adern dieses Doppelwiderstandsdrahtes 8 an der selben Brückendiagonalen befinden.The electromagnetic Störeinflußeffekte can be reduced in that the measuring coil 7 is two-wire, that is wound with a double resistance wire 8 with same wires on the carrier body 1 and the two half-windings 7 thus formed, 7b opposite to a Wheatstone bridge in its impact electrically arranged are, the starting points 11 of the wires of this double resistance wire 8 are on the same bridge diagonal.

Eine sehr vorteilhafte elektrische Unabhängigkeit des Ausgangssignals Uy von Schwankungen der Speisespannung Uo läßt sich dadurch erreichen, daß das Amplitudensignal Ul durch das Speisespannungssignal Uo mit Hilfe des in dem Gegenkopplungszweig 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 in that the amplitude signal Ul is divided by the supply voltage signal Uo with the aid of the multiplier 28 arranged in the negative feedback branch of the amplifier circuit 27 .

Die wärmespezifischen und elektromagnetischen Störeinflußeffekte werden im 2. Verfahrensschritt - dank eines einfach realisierbaren, den Anforderungen der Korrelationsmeßtechnik entsprechenden, pseudozufälligen impulsförmigen Speisespannungssignals für den Sensor - auch korrelativ unterdrückt und damit wird die Störfestigkeit der Messung, in Verbindung mit den baulichen Merkmalen der Ansprüche 1 bis 11, erheblich erhöht.The heat-specific and electromagnetic interference effects are in the 2nd process step - thanks to an easy to implement, the requirements of Correlation measurement technique corresponding, pseudo-random pulse-shaped Supply voltage signal for the sensor - also suppressed correlatively and thus is the immunity of the measurement, in connection with the structural Features of claims 1 to 11, significantly increased.

Aufgrund kurzer Dauer des pseudozufälligen Speisespannungssignals im 2. Verfahrensschritt des Anregens ist die Wärme, die vom Sensor in die Richtung des negativen Temperaturgradienten in dem zu untersuchenden Stoff übertragen wird, imstande, sich nur bis maximal innerhalb des bestimmten Freiraumes 10 ggf. des Hohlraumes zu verbreiten.Due to the short duration of the pseudo-random supply voltage signal in the second process step of the excitation, the heat that is transmitted by the sensor in the direction of the negative temperature gradient in the substance to be examined is only able to spread up to a maximum within the specific free space 10, possibly the cavity .

Die Erfindung ist nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele und zweier Verfahrensbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The invention is based on two embodiments and two process examples in connection with the attached drawings explained in more detail. It shows:

Fig. 1 ein Teil-Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel S1 eines Sensors, Fig. 1 is a partial cross-section through an embodiment of a sensor S1,

Fig. 2 eine Übersichtsskizze eines Ausführungsbeispiels S2 eines Sensors, und zwar mit einer ihn umschließenden mechanischen Einrichtung, Fig. 2 is an overview diagram of one embodiment of a sensor S2, with a surrounding him mechanical means,

Fig. 3 eine verstärkerlose Meßschaltung, wie sie beispielsweise bei dem Sensor nach Fig. 1 und 2 angewendet wird, Fig. 3 is a repeaterless measuring circuit, as applied for example in the sensor of FIGS. 1 and 2,

Fig. 4 eine lineare Speise- und Meßeinrichtung, zur elektrischen Speisung der verstärkerlosen Meßschaltung und Verarbeitung der Meßsignale sowie eine rechnerische Einrichtung, Fig. 4 is a linear feed and measurement means for the electrical supply of the repeaterless measuring circuit and processing of the measuring signals as well as a computational device,

Fig. 5 1. Beispiel eines zeitlichen Verlaufs der Speisespannung Uo der verstärkerlosen Meßschaltung und des Ausgangssignals Uy. Fig. 5 1. Example of a time course of the supply voltage Uo of the amplifier-less measuring circuit and the output signal Uy.

Fig. 6 2. Beispiel eines zeitlichen Verlaufs der Speisespannung Uo der verstärkerlosen Meßschaltung und des Ausgangssignals Uy. Fig. 6 2. Example of a time course of the supply voltage Uo of the amplifier-less measuring circuit and the output signal Uy.

Fig. 7 Testergebnisse des Sensors S1 in Verbindung mit dem Erdreich. Fig. 7 test results of the sensor S1 in connection with the ground.

Fig. 8 Testergebnisse des Sensors S2 in Verbindung mit einem Motoröl. Fig. 8 test results of the sensor S2 in connection with an engine oil.

Ausführungsbeispiel S1Embodiment S1

Das vorliegende Beispiel beschreibt eine Ausführung der Erfindung, welche die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von fließunfähigen Stoffen ermöglicht.The present example describes an embodiment of the invention, which Determination of the thermal conductivity and / or the temperature of non-flowing substances.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel S1 weist einen allgemein mit 1 bezeichneten Trägerkörper auf, der in Form eines sehr kleinen, sich im Sensorkörper sehr wenig absondernden, spulenförmigen Bauieils, mit einem dünnen, inneren Metallstab 2 und mit zwei dünnen metallenden Endwänden 3 und 4 ausgebildet ist. Der Metallstab 2 weist einen Durchmesser von etwa 0,5 mm auf und die metallenen Endwände 3, 4 sind etwa 0,3 mm dick. Der Trägerkörper ist mit einem Halter 5 ausgerüstet, der zur Befestigung des Sensors in einem Meßeinsatz 6 vorgesehen ist. Das Gesamtvolumen des Trägerkörpers 1 ist im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Sensors sehr gering. Die Wärmekapazität des Trägerkörpers 1 ist im Vergleich zur Gesamtwärmekapazität des Sensors erheblich kleiner (ca. 2%), so daß die im Trägerkörper 1 gespeicherte Wärme relativ klein ist und damit der Teil der außerhalb des Einbettraumes 9 gespeicherten Wärme möglichst geringer wird.The exemplary embodiment S1 shown in FIG. 1 has a carrier body, generally designated 1 , which is in the form of a very small, coil-shaped component which does not separate very much in the sensor body, with a thin, inner metal rod 2 and with two thin metal end walls 3 and 4 is trained. The metal rod 2 has a diameter of approximately 0.5 mm and the metal end walls 3 , 4 are approximately 0.3 mm thick. The carrier body is equipped with a holder 5 , which is provided for fastening the sensor in a measuring insert 6 . The total volume of the carrier body 1 is very small in relation to the total volume of the sensor. The heat capacity of the carrier body 1 is considerably smaller than the total heat capacity of the sensor (approx. 2%), so that the heat stored in the carrier body 1 is relatively small and the part of the heat stored outside the embedding space 9 is as small as possible.

Auf dem Trägerkörper 1 ist eine Meßwicklung 7 angeordnet, wobei die Meßwicklung aus einem aus zwei gleichen, kupfernen, parallel verlaufenden, voneinander isolierten Widerstandsdrähten gebildetem Doppelwiderstandsdraht 8 besteht. Jede Ader dieses Doppelwiderstandsdrahtes 8 weist einen Durchmesser von etwa 0,1 mm und eine Isolationsstärke von 5 µm auf. Der Doppelwiderstandsdraht 8 der Meßwicklung 7 ist räumlich gleichmäßig und dicht in dem Einbettraum 9 angeordnet und mit einem, auf Metallbasis hergestellten, sehr gut temperaturleitenden Schutzlack imprägniert, so daß sich eine homogene Wicklungsspule ergibt, was in der Fig. 1 zu sehen ist. Die Außenschicht des Schutzlacks ist sehr dünn, um die Wärmekapazitäten außerhalb des Einbettraumes 9 der Meßwicklung zu vermindern, was auch bei der Verkleinerung des Trägerkörpers 1 der Fall war. Auch aus diesem Grund darf der Sensor mit keiner Schutzarmatur ausgerüstet werden. Alle Aufbaumaterialien des Sensors (Trägerkörper 1, Schutzlack und der Widerstandsdraht 8) weisen ähnliche Temperaturleitfähigkeiten und Wärmespeicherfähigkeiten auf, d. h., daß der Sensor thermisch gleichartig ist und das Temperaturfeld des Sensors der Verteilung der Wärme in ihm entspricht. Jede Ader des Doppelwiderstandsdrahtes 8 kann praktisch das ganze Temperaturfeld des Sensors aufnehmen und damit ist ihre Widerstandsänderung der Gesamtänderung der in allen Teilen des Sensors gespeicherten Wärme proportional.A measuring winding 7 is arranged on the carrier body 1 , the measuring winding consisting of a double resistance wire 8 formed from two identical, copper, parallel, mutually insulated resistance 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 of the measuring winding 7 is spatially uniform and tightly arranged in the embedding space 9 and impregnated with a metal-based, very good temperature-conductive protective lacquer, so that a homogeneous winding coil results, which can be seen in FIG. 1. The outer layer of the protective lacquer is very thin in order to reduce the heat capacities outside the embedding space 9 of the measuring winding, which was also the case when the carrier body 1 was downsized. For this reason too, the sensor must not be equipped with a protective fitting. All construction materials of the sensor (carrier body 1 , protective varnish and the resistance wire 8 ) have similar thermal conductivities and heat storage capabilities, ie that the sensor is thermally identical and the temperature field of the sensor corresponds to the distribution of heat in it. Each wire of the double resistance wire 8 can absorb practically the entire temperature field of the sensor and thus its change in resistance is proportional to the total change in the heat stored in all parts of the sensor.

Da die auf dem Trägerkörper 1 befindliche Meßwicklung 7 aus einem Doppelwiderstandsdraht mit gleichen Adern besteht, befinden sich auf dem Trägerkörper 1 zwei gleiche Halbwicklungen 7a und 7b, jede mit der Anfangs- und Endanschlußstelle 11 und 12. Die Stellen 11 und 12 sind mit Innenleitungsdrähten 13 des Meßeinsatzes 6 verbunden, die wiederum an die Anschlußklemmen des Meßeinsatzes 6 angeschlossen sind. Der Meßeinsatz 6 selbst ist einem Meßeinsatz für Widerstandsthermometer nach DIN 43 762 ähnlich und besteht aus einem biegsamen Mantelrohr 13a mit vier Innenleitungen 13, einem Flansch und einem Sockel mit der Anschlußklemmen.Since the sensing winding on the carrier body 1 7 consists of a double resistance wire with same wires are located on the carrier body 1 two identical half-windings 7 a and 7 b, each with the initial and Endanschlußstelle 11 and 12. FIG. The points 11 and 12 are connected to inner lead wires 13 of the measuring insert 6 , which in turn are connected to the terminals of the measuring insert 6 . The measuring insert 6 itself is similar to a measuring insert for resistance thermometers according to DIN 43 762 and consists of a flexible jacket tube 13 a with four inner lines 13 , a flange and a base with the connecting terminals.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel S1 stellt eine Grundform des Sensors dar und eignet sich allein für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von fließunfähigen oder dickflüssigen Stoffen, die selbst nicht strömen können z. B. das Erdreich, das hinsichtlich landwirtschaftlicher Nutzung untersucht werden soll oder ein Schleim, besonders der Zervixschleim, dessen Zustandsänderungen im Laufe des Frauenzyklus bzw. bei einer Frauenkrankheit aus medizinischen Gründen festgestellt werden sollen. The exemplary embodiment S1 shown in FIG. 1 represents a basic form of the sensor and is only suitable for determining the thermal conductivity and / or the temperature of non-flowable or viscous substances which cannot flow by themselves. B. the soil that is to be examined for agricultural use or a mucus, especially the cervical mucus, whose changes in state during the course of the woman's cycle or in a woman's disease should be determined for medical reasons.

Ausführungsbeispiel S2Embodiment S2

Das vorliegende Beispiel schafft auf der Basis des Ausführungsbeispiels S1 eine andere Ausführung der Erfindung, welche die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von dünnflüssigen und gasförmigen Stoffen ermöglicht und beispielsweise bei der Untersuchung der Alterungsstufe eines Flüssigkeitsgemisches anwendbar ist.The present example creates S1 on the basis of the exemplary embodiment another embodiment of the invention, which the determination of Thermal conductivity and / or the temperature of thin and allows gaseous substances and, for example, when examining the Aging level of a liquid mixture is applicable.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel S2 besteht aus einer allgemein mit 14 bezeichneten Grundform des Sensors S1 aus Fig. 1 und einer mechanischen, ihn umschließenden, allgemein mit 15 bezeichneten Einrichtung. Diese mechanische Einrichtung 15 ist in Form eines Zylinders 17 ausgebildet und schafft um den Sensor 14 herum einen nicht vollständig abgeschlossenen Freiraum (Hohlraum), in diesem Fall, eine ringspaltförmige, von unten teilweise und von oben ganz geöffnete Kammer 16. Die untere Endwand 18 weist Einströmöffnungen 20 auf, welche ermöglichen, daß ein Teil des zu untersuchenden flüssigen oder gasförmigen Stoffes in die Kammer 16 einströmen und aus dieser ausströmen kann. Damit ist gewährleistet, daß sich in der Kammer 16 und im Raum hinter der Kammer Stoff des gleichen Zustands befindet. Wie aus Fig. 2 auch zu ersehen ist, ist der Sensor 14 mit einem kleinen Abstand (ca. 5 mm) zum Zylinder 17 angeordnet. Auf diese Weise ist um den Sensor kein ausreichend großer Strömungsraum für die natürliche Konvektion des, vom Sensor 14 erwärmten, zu untersuchenden Stoffes, vorgesehen und damit wird die Bewegung dieses Stoffes durch die Reibung stark unterdrückt. Der Freiraum 10, in diesem Falle die Kammer 16, ist aber ausreichend groß um die ganze Wärme, die vom Sensor in die Richtung des negativen Temperaturgradienten in dem dünnflüssigen oder gasförmigen Stoff während des 2. Verfahrensschrittes des Anregens übertragen wird, aufnehmen zu können. Das Vorsehen der mechanischen Einrichtung 15 hat auch den Vorteil, daß auf den Sensor keine störende Außenströmungen einwirken können, d. h. die teilweise geöffnete Kammer 16 stellt für den zu untersuchenden Stoff gewissermaßen einen Beruhigungsraum dar.The exemplary embodiment S2 shown in FIG. 2 consists of a basic form of the sensor S1 from FIG. 1, generally designated 14, and a mechanical device, which surrounds it, generally designated 15. This mechanical device 15 is designed in the form of a cylinder 17 and creates an incompletely closed space (cavity) around the sensor 14 , in this case an annular gap-shaped chamber 16 that is partially open from below and completely open from above. The lower end wall 18 has inflow openings 20 , which make it possible for part of the liquid or gaseous substance to be examined to flow into and out of the chamber 16 . This ensures that the same state is present in chamber 16 and in the room behind the chamber. As can also be seen from FIG. 2, the sensor 14 is arranged at a small 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 material to be examined, which is heated by the sensor 14 , and thus the movement of this material is strongly suppressed by the friction. The free space 10 , in this case the chamber 16 , is, however, sufficiently large to be able to absorb all the heat which is transmitted by the sensor in the direction of the negative temperature gradient in the thin liquid or gaseous substance during the second process step of excitation. The provision of the mechanical device 15 also has the advantage that no interfering external currents can act on the sensor, ie the partially open chamber 16 represents a calming space for the substance to be examined.

Fig. 3 zeigt eine verstärkerlose, allgemein mit 21 bezeichnete Meßschaltung zur Umformung von Widerstandsänderungen des Doppelwiderstandsdrahtes 8 des Sensors S1 bzw. S2 in ein Amplitudensignal Ul. In dem Falle ist die Meßschaltung 21 in Form einer Wheatstone-Brücke aufgebaut. Die beiden Halbwicklungen 7a und 7b, die aufgrund der zweidrähtigen Wicklungsausbildung entstanden sind, sind schaltungstechnisch als gleiche Brückenwiderstände gegenüberliegend zu einer Wheatstone-Brücke angeordnet, wobei die beiden Anfangsanschlußstellen 11 von Halbwicklungen 7a und 7b sich an der selben Diagonale der Wheatstone-Brücke befinden, wie das aus Fig. 3 zu ersehen ist. Die beiden anderen Brückenwiderstände 22 sind gleiche, nicht einstellbare Widerstände mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten und sind ebenso zu der Wheatstone-Brücke nach der Fig. 3 elektrisch angeordnet und mechanisch an die Anschlußklemmen am Anschlußsockel des Meßeinsatzes 6 befestigt. Der Ohm-Wert jedes festen Brückenwiderstandes 22 ist derart vorbestimmt, daß er dem Ohm-Widerstand einer Halbwicklung 7a, 7b in der Betriebstemperatur des zu untersuchenden Stoffes gleich ist, d. h. die Wheatstone-Brücke während des Anregens des Sensors befindet sich in einem optimalen, nahezu abgeglichenen Zustand. Fig. 3 shows an amplifier-less, generally designated 21 measuring circuit for transforming changes in resistance of the double resistance wire 8 of the sensor S1 or S2 into an amplitude signal Ul. In this case, the measuring circuit 21 is constructed in the form of a Wheatstone bridge. The two half-windings 7 a and 7 b, which have arisen due to the two-wire winding design, are arranged in terms of circuitry as the same bridge resistances opposite a Wheatstone bridge, the two starting connection points 11 of half-windings 7 a and 7 b being located on the same diagonal of the Wheatstone Bridge are, as can be seen from Fig. 3. The two other bridge resistors 22 are the same, non-adjustable resistors with a small temperature coefficient and are also electrically arranged to the Wheatstone bridge according to FIG. 3 and mechanically attached to the terminals on the connection base of the measuring insert 6 . The ohm value of each fixed bridge resistor 22 is predetermined such that it is equal to the ohm resistance of a half-winding 7 a, 7 b in the operating temperature of the substance to be examined, ie the Wheatstone bridge is in an optimal state during the excitation of the sensor , almost balanced condition.

Sind die beiden Halbwicklungen 7a und 7b der zweidrähtigen Wicklungsausbildung nach der Fig. 3 zu einer Wheatstone-Brücke angeordnet, so fließt bei 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 gegenseitig auf und es werden die, während des Anregens des Sensors, durch Selbstinduktion in der Meßwicklung 7 entstehenden elektrischen Störspannungen stark reduziert. Bei der Erwärmung des Sensors um ca. 10 Grad Celsius vom Arbeitspunkt, d. h. in dem Erwärmungsbereich während des Anregens, ist das sich aus der Brückenschaltung ergebende Ausgangssignal Ul der Widerstandsänderung des Doppelwiderstandsdrahtes 8 proportional und die in der Meßwicklung 7 entstehende elektrothermische Leistung weicht - aufgrund der Widerstandsänderung - vom durch das Speisespannungssignal Uo vorbestimmten Wert nicht mehr als 0.5% ab, was elektrisch ohne weiteres zu erklären ist.If the two half-windings 7 a and 7 b of the two-wire winding configuration according to FIG. 3 are arranged to form a Wheatstone bridge, the current flows in them in the opposite direction when current flows through them and thus produces largely compensating magnetic fields in their effect. 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 of the sensor by self-induction in the measuring winding 7 are greatly reduced. When the sensor is heated by approx. 10 degrees Celsius from the operating point, that is to say in the heating area during the excitation, the output signal Ul resulting from the bridge circuit is proportional to the change in resistance of the double resistance wire 8 and the electrothermal power produced in the measuring winding 7 gives way - on account of the Resistance change - from the value predetermined by the supply voltage signal Uo no more than 0.5%, which can be easily explained electrically.

In Fig. 4 ist schematisch ein gemeinsames Gehäuse 23 gezeigt, in dem eine lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 und eine rechnerische Einrichtung 25 vorgesehen sind. Da die Einrichtungen zusammen sehr kompakt ausgeführt werden können, kann auch das Gehäuse 23, das eine eigene elektrische Energiequelle 26 für die lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 und die rechnerische Einrichtung 25 enthält, ebenfalls kompakt aufgebaut sein, so daß der Sensor S1 bzw. S2 und das Gehäuse 23 bequem zum jeweiligen Meßort transportiert oder dort fest eingebaut werden kann, um auf einfache Weise die gewünschten Messungen und Berechnungen vornehmen zu können.In FIG. 4, a common housing 23 is schematically shown, in which a linear feed and measurement means 24 and a computational device 25 are provided. Since the devices can be made very compact together, the housing 23 , which contains its own electrical energy source 26 for the linear feed and measuring device 24 and the computing device 25 , can also be of compact construction, so that the sensor S1 or S2 and the housing 23 can be conveniently transported to the respective measuring location or permanently installed there in order to be able to carry out the desired measurements and calculations in a simple manner.

Die lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 enthält eine Verstärkerschaltung 27, die mit der verstärkerlosen Meßschaltung 21 und mit der rechnerischen Einrichtung 25 in einer Reihenschaltung angeordnet ist und das aus der Meßschaltung 21 aufgetretene Amplitudensignal Ul verstärkt und weiter sein Ausgangssignal Uy in die rechnerische Einrichtung 25 eingibt. Die Verstärkerschaltung 27 wiederum weist einen, in ihren Gegenkopplungszweig 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 Speisespannungssignal Uo mitbestimmt und zwar auf diese Weise, daß der Gesamtverstärkungsfaktor der verstärkerlosen Meßschaltung 21 und der Verstärkerschaltung 27 während des Anregens des Sensors konstant wird. Damit ist gewährleistet, daß das Ausgangssignal Uy von der Speisespannung Uo elektrisch unabhängig ist.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 21 and with the computing device 25 and amplifies the amplitude signal Ul that has occurred from the measuring circuit 21 and further inputs its output signal Uy into the computing device 25 . The amplifier circuit 27 in turn has an analog multiplier 28 arranged in its negative feedback branch, which is provided for the multiplication of the output signal Uy by the supply voltage signal Uo. The amplification factor of the amplifier circuit 27 is thus also determined by the supply voltage signal Uo, in such a way that the overall amplification factor of the amplifier-less measuring circuit 21 and the amplifier circuit 27 becomes constant during the excitation of the sensor. This ensures that the output signal Uy is electrically independent of the supply voltage Uo.

Fig. 4 zeigt weiterhin, daß in der linearen Speise- und Meßeinrichtung 24 eine Speiseschaltung 29 vorgesehen ist, die in Form einer gesteuerten Speisespannungsquelle für die verstärkerlose Meßschaltung 21 aufgebaut ist. Die lineare Speise- und Meßeinrichtung 24 weist auch ein Einstellglied 30 auf, das einerseits von der rechnerischen Einrichtung 25 gesteuert wird und andererseits die Speiseschaltung 29 steuert. Das Einstellglied 30 ist als ein programmierbarer Funktionsgenerator aufgebaut und ist zur Generierung eines Übertragungsverhaltenstestsignals vorgesehen, was noch erläutert wird. Die rechnerische Einrichtung 25 weist eine Umsetzschaltung 31 auf, die für die Analog-Digital-Umwandlung von Signalen Uy und Uo und für die Ausgabe und Aufnahme von binären Steuersignalen für das Einstellglied 30 zuständig ist und einen Mikrorechner 32, der für die Ausführung von Meßalgorithmen, für die sensorspezifische Meßsignalverarbeitung und für die Auswertung der Signale Uy und Uo, sowie für die rechnerische Ermittlung der Zeitkonstante T des Sensors, der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur des zu untersuchenden Stoffes vorgesehen ist. Fig. 4 also shows that a power 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 measuring circuit repeaterless 21st The linear feed and measuring device 24 also has an adjusting element 30 which is controlled on the one hand by the computing device 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 transmission behavior test signal, which will be explained later. The computing device 25 has a conversion circuit 31 , which is responsible for the analog-digital conversion of signals Uy and Uo and for the output and reception of binary control signals for the setting element 30 , and a microcomputer 32 , which is used to execute measurement algorithms, is provided for the sensor-specific measurement signal processing and for the evaluation of the signals Uy and Uo, as well as for the computational determination of the time constant T of the sensor, the thermal conductivity and / or the temperature of the substance to be examined.

Wenn ein Stoff geprüft werden soll, so kann sich der Sensor S1 bzw. S2 im Stoff ständig befinden oder er wird in den zu untersuchenden Stoff hineingehalten und zwar derart, daß der Stoff sich im Freiraum 10 befinden wird. Der Sensor S1 bzw. S2 wird in einem oder mehreren Meßvorgängen, in Verbindung mit der Meßschaltung 21, der Speise- und Meßeinrichtung 24 und der rechnerischen Einrichtung 25 in zwei Verfahrensschritten elektrisch angeregt, was auf dem zeitlichen Verlauf der Speisespannung Uo in der Fig. 5 bzw. Fig. 6 hervorgehoben ist. Der 1. Verfahrensschritt des Anregens kann eine beliebig lange Zeit dauern und Ziel eines solchen Elektrospeisens in diesem Verfahrensschritt ist die experimentelle Ermittlung der Stofftemperatur und zwar unter Einbeziehung der sensorspezifischen Meßsignalverarbeitung. Der 2. Verfahrensschritt des Anregens kann in einem wahlfreien Zeitpunkt stattfinden, aber unter Voraussetzung der Stabilität der Stofftemperatur. Dieser Verfahrensschritt darf nicht länger dauern als bis zum Zeitpunkt in dem eine Erwärmung des Stoffes außerhalb des Freiraumes 10 stattfinden kann. Ziel des 2. Verfahrensschrittes ist zuerst die experimentelle Ermittlung der aktuellen Zeitkonstante T des in den zu untersuchenden Stoff eingetauchten Sensors und zwar auf der Basis der Speise- und Ausgangssignale Uo und Uy, und mathematischer Beziehungen unter Einbeziehung von Konstantwerten des Sensors. Die ermittelte Zeitkonstante T kann dann zur rechnerischen Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Stoffes dienen und/oder zur dynamischen Korrektur des Sensors bei der dauerhaften Temperaturmessung verwendet werden. An zwei Verfahrensbeispielen aus der Praxis mag das verdeutlicht werden.If a substance is to be tested, the sensor S1 or S2 can be in the substance at all times or it is held in the substance to be examined, in such a way that the substance will be in the free space 10 . The sensor S1 or S2 is electrically excited in one or more measuring processes in connection with the measuring circuit 21 , the feeding and measuring device 24 and the computing device 25 in two process steps, which is based on the time profile of the supply voltage Uo in FIG. 5 is highlighted or Fig. 6. The first process step of excitation can take any length of time and the aim of such an electrical feed in this process step is the experimental determination of the material temperature, including the sensor-specific measurement signal processing. The 2nd The excitation process step can take place at an arbitrary point in time, but subject to the stability of the substance temperature. This process step may not take longer than the time at which the material can be heated outside the free space 10 . The aim of the second step of the method is first to determine the current time constant T of the sensor immersed in the substance to be investigated, on the basis of the feed and output signals Uo and Uy, and mathematical relationships, including constant values of the sensor. The determined time constant T can then be used for the mathematical determination of the thermal conductivity of the substance to be examined and / or for the dynamic correction of the sensor in the permanent temperature measurement. This may be illustrated by two practical examples.

Verfahrensbeispiel 1Process example 1

Es ist bekannt, daß die Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes sehr gut verwendet werden kann. Daher eignet sich die Erfindung für den Einsatz beim Erdreich, um den aktuellen Feuchtigkeitsgehalt festzustellen, damit rechtzeitige Anfeuchtungs-Maßnahmen eingesetzt werden können und um die Feuchtigkeitsschwankungen in möglichst engen Grenzen zu halten.It is known that the thermal conductivity of the soil for determining the Moisture content can be used very well. Therefore, the Invention for use in soil to the current moisture content to determine that timely moistening measures are used can and to keep the humidity fluctuations within the narrowest possible limits hold.

Wenn der Feuchtigkeitsgehalt im Erdreich untersucht werden soll, wird der Sensor S1 benutzt. In dem 1. Verfahrensschritt des Anregens wird die Stofftemperatur gemessen. So wird die verstärkerlose Meßschaltung 21 mit einer niedrigen Speisespannung Uo (sog. Initialwert) in der Höhe von 200 mV angeregt, die eine geringe elektrothermische Leistung, d. h. einen geringen Wärmestrom in den Sensor hineinbringt und die Temperatur des Sensors und des Erdreiches praktisch nicht beeinflußt. Das sich aus der Meßschaltung 21 ergebende Amplitudensignal Ul ist der Widerstandsänderung der Halbwicklung 7a und 7b proportional und es entspricht der Änderung der kalorischen Mitteltemperatur des Sensors. Das Amplitudensignal Ul wird, nach der entsprechenden Verstärkung in der Verstärkerschaltung 27 (Ausgangssignal Uy) und nach der Umsetzung in ein digitales Signal in der Umsetzschaltung 31 an den Mikrorechner 32 weitergeleitet. Die Messung wird so lange durchgeführt, bis festgestellt ist, daß die gemessene Temperatur sich nicht mehr ändert, d. h. die Temperatur des Sensors stabil und gleich der Temperatur des Erdreiches ist. Diese stabile Stofftemperatur, die die Voraussetzung für den 2. Verfahrensschritt des Anregens ist, kann als Bezugstemperatur für die Wärmeleitfähigkeit im Mikrorechner 32 gespeichert bzw. auf einem Display angezeigt werden. In diesem ersten Teil des Meßverfahrens stellt der in der verstärkerlosen Meßschaltung 21 angeordnete und mit der niedrigen elektrischen Leistung gespeiste Sensor S1 einen Temperaturaufnehmer dar, mit dem die Temperatur des zu untersuchenden Stoffes aufgenommen werden kann. Mit Hilfe des Mikrorechners 32 wird im Laufe jedes 1. Verfahrensschrittes des Anregens beispielsweise die Korrektur von Exemplarstreuungen von Nullpunkt und Steilheit, Nichtlinearitäten und eventuell auch das digitale oder korrelative Filtern des Ausgangssignals Uy durchgeführt. Bei der Wiederholung des Meßvorganges wird im 1. Verfahrensschritt auch die dynamische Korrektur des Sensors möglich, und zwar auf der Basis seiner aktuellen, im 2. Verfahrensschritt des vorherigen Meßvorganges ermittelten, Zeitkonstante T.If the moisture content in the soil is to be examined, sensor S1 is used. The material temperature is measured in the first process step of excitation. Thus, the amplifier-less measuring circuit 21 is excited with a low supply voltage Uo (so-called initial value) in the amount of 200 mV, which brings a low electrothermal power, ie a low heat flow into the sensor and practically does not influence the temperature of the sensor and the ground. The resulting from the measuring circuit 21 amplitude signal Ul is proportional to the change in resistance of the half-winding 7 a and 7 b and it corresponds to the change in the caloric mean temperature of the sensor. The amplitude signal U1 is forwarded to the microcomputer 32 after the corresponding amplification in the amplifier circuit 27 (output signal Uy) and after the conversion into a digital signal in the conversion circuit 31 . The measurement is carried out until it is established that the measured temperature no longer changes, ie the temperature of the sensor is stable and is the same as the temperature of the ground. This stable material temperature, which is the prerequisite for the second process step of the excitation, can be stored as a reference temperature for the thermal conductivity in the microcomputer 32 or shown on a display. In this first part of the measuring method, the sensor S1 arranged in the amplifier-less measuring circuit 21 and fed with the low electrical power represents a temperature sensor with which the temperature of the substance to be examined can be recorded. With the help of the microcomputer 32 , in the course of each 1st method step of the excitation, for example, the correction of specimen scatter from zero point and slope, non-linearities and possibly also the digital or correlative filtering of the output signal Uy is carried out. When the measuring process is repeated, the dynamic correction of the sensor is also possible in the first process step, on the basis of its current time constant T determined in the second process step of the previous measuring process.

In einem frei wählbaren Zeitpunkt und nach der Feststellung des thermischen Stabilitätszustandes des Sensors und des Erdreiches wird der Sensor S1 mit einer sich zeitlich ändernden Elektrospeisung angeregt, deren zeitlichen Verlauf den Anforderungen eines Übertragungsverhaltenstests entspricht. Da die wärmespezifischen Störeinflußeffekte, die während der Untersuchung der Bodenfeuchte auftreten könnten, schwach sind, ist die Beschränkung des Freiraumes 10 durch eine mechanische Einrichtung nicht notwendig (der Freiraum 10 ist unendlich). Aus diesem Grund wurde zum Anregen des Sensors S1, eine einfache, leicht realisierbare Form des Signals für die Elektrospeisung der Meßschaltung ausgewählt und zwar eine impulsförmige Änderung der Speisespannung Uo vom niedrigen Initialwert Uo-200 mV auf einen erheblich größeren Prüfwert. Für den 2. Verfahrensschritt wurde diese Form des Signals auch deshalb ausgewählt, weil, aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus des Sensors, das daraus resultierende Ausgangssignal Uy, d. h. die Änderung der kalorischen Mitteltemperatur des Sensors S1, einer exponentiellen Gewichtsfunktion (Impulsantwort) des Sensors S1 gleichwertig ist, die relativ einfach auswertbar ist, sowie, weil die thermischen Vorgänge im Inneren des Sensors und im zu untersuchenden Stoff relativ leicht erkennbar sind.At a freely selectable point in time and after the determination of the thermal stability state of the sensor and the ground, the sensor S1 is excited with a time-changing electrical power supply, the course of which corresponds to the requirements of a transmission behavior test. Since the heat-specific interference effects that could occur during the investigation of the soil moisture are weak, the restriction of the free space 10 by a mechanical device is not necessary (the free space 10 is infinite). For this reason, a simple, easily realizable form of the signal for the electrical supply of the measuring circuit was selected to excite the sensor S1, namely a pulsed change in the supply voltage Uo from the low initial value Uo-200 mV to a considerably larger test value. This form of the signal was also selected for the second method step because, due to the construction of the sensor according to the invention, the resulting output signal Uy, ie the change in the caloric mean temperature of the sensor S1, is equivalent to an exponential weight function (impulse response) of the sensor S1 , which is relatively easy to evaluate, and because the thermal processes inside the sensor and in the substance to be examined are relatively easy to recognize.

Der Prüfwert der Speisespannung Uo soll derart vorbestimmt werden, daß der Sensor S1 während des 2. Verfahrensschrittes bis zu einer Temperatur erwärmt wird, die einerseits für die weitere Auswertung ausreichend groß ist, aber andererseits keine signifikante natürliche Konvektion des Gas- oder Flüssigkeitsanteils des in dem Freiraum 10 befindlichen zu untersuchenden Erdreiches verursachen kann. Durch Versuche wurde festgestellt, daß eine Erwärmung des Sensors um bis 10 Grad Celsius in der Regel eine absolut zu vernachlässigende natürliche Konvektion verursacht und gleichzeitig für die Auswertungszwecke groß genug ist. So wird bei der Untersuchung des Erdreiches ein einziger Spannungsimpuls angewendet, bei dem die Speisespannung der verstärkerlosen Meßschaltung 21 einen Endwert in Höhe von 10 V erreicht und der, nach ca. 0,3 Sekunde, auf den Initialwert Uo = 200 mV abgesunken ist und auf diesem Wert, bis zum Ende des 2. Verfahrensschrittes, konstant bleibt, was die Kurve 1 in Fig. 5 zeigt. Da der Freiraum 10 unbeschränkt ist, kann auch der 2. Verfahrensschritt beliebig lange Zeit dauern. Durch Versuche wurde festgestellt, daß das Aufnehmen des Ausgangssignals Uy in der Zeit von ca. 5-6 Sekunden nach der impulsförmigen Änderung der Speisespannung Uo für die Auswertungszwecke ausreicht.The test value of the supply voltage Uo should be predetermined in such a way that the sensor S1 is heated to a temperature during the second step of the method, which on the one hand is sufficiently large for further evaluation, but on the other hand no significant natural convection of the gas or liquid component in the Free space 10 located soil to be investigated can cause. Experiments have shown that heating the sensor by up to 10 degrees Celsius generally causes absolutely negligible natural convection and is at the same time large enough for the evaluation purposes. Thus, when examining the ground, a single voltage pulse is used, in which the supply voltage of the amplifier-less measuring circuit 21 reaches a final value of 10 V and which, after about 0.3 seconds, has dropped to the initial value Uo = 200 mV and has risen to this value remains constant until the end of the second process step, which is shown by curve 1 in FIG. 5. Since the free space 10 is unlimited, the second process step can also take any length of time. Experiments have shown that the recording of the output signal Uy in the time of approximately 5-6 seconds after the pulse-shaped change in the supply voltage Uo is sufficient for the evaluation purposes.

Entsprechend der sprunghaften Änderung der Speisespannung, ändert sich die in der stromdurchflossenen Meßwicklung des Sensors S1 entstehende elektrothermische Leistung, d. h. der die Wärmeleitung ingangsetzende Wärmestrom. Da die Wendeln der stromdurchflossenen Meßwicklung 7 gleichmäßig und dicht im ganzen Volumen des Sensors S1 verteilt sind, ist auch der Wärmewiderstand bei der Wärmeleitung innerhalb des Sensorkörpers sehr gering und der entstehende Wärmestrom wird dem ganzen Sensorkörper, der eine bestimmte Wärmekapazität aufweist, blitzschnell zugeführt. Da dem Sensor S1 momentan nicht genau soviel Wärmeenergie entzogen wie zugeführt wird, ändert sich die innere Wärmeenergie, d. h. die kalorische Mitteltemperatur des Sensors, was aus der Kurve 2, Fig. 5 zu erkennen ist. Aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen dem Sensor S1 und dem zu untersuchenden Erdreich wird die Wärme vom Sensor in die Richtung des negativen Temperaturgradienten im Erdreich übertragen. Der Wärmewiderstand des zu untersuchenden Erdreiches, d. h. seine Wärmeleitfähigkeit, beeinflußt direkt die Intensität des Energietransportes und damit auch die Änderung der inneren Wärme im Sensor. Die experimentelle Kopplung von Energiebilanz des Sensors S1 und der Wärmeleitung des zu untersuchenden Erdreiches liefert ein Ausgangssignal Uy (Kurve 2 aus der Fig. 5), das der Änderung der im Sensor gespeicherten Wärme entspricht und das Übertragungsverhalten des Sensors mit nur einer einzigen dynamischen Kenngröße, der Zeitkonstante T, direkt beschreiben läßt. Die Auswertung des, während des 2. Verfahrensschrittes, experimentell ermittelten Ausgangssignals Uy und die rechnerische Berechnung der Zeitkonstante T des Sensors S1, die für die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches und/oder für die dynamische Korrektur des Sensors S1 benötigt wird, kann z. B. in der Weise erfolgen, die in dem schon genannten DE 41 35 617 A1 beschrieben und erläutert ist.Corresponding to the sudden change in the supply voltage, the electrothermal power that arises in the current-carrying measuring winding of the sensor S1 changes, ie the heat flow that initiates the heat conduction. Since the filaments of the current-carrying measuring winding 7 are evenly and densely distributed in the entire volume of the sensor S1, the thermal resistance in the case of heat conduction within the sensor body is also very low and the resulting heat flow is supplied to the entire sensor body, which has a specific heat capacity, at lightning speed. Since the sensor S1 does not currently extract as much heat energy as is supplied, the internal heat energy changes, ie the caloric mean temperature of the sensor, which can be seen from curve 2 , FIG. 5. Due to the temperature difference between the sensor S1 and the soil to be examined, the heat is transferred from the sensor in the direction of the negative temperature gradient in the soil. The thermal resistance of the soil to be examined, ie its thermal conductivity, directly influences the intensity of the energy transport and thus also the change in the internal heat in the sensor. The experimental coupling of the energy balance of the sensor S1 and the heat conduction of the soil to be examined provides an output signal Uy (curve 2 from FIG. 5) which corresponds to the change in the heat stored in the sensor and the transmission behavior of the sensor with only a single dynamic parameter, the time constant T, can be described directly. The evaluation of the experimentally determined output signal Uy during the second method step and the computational calculation of the time constant T of the sensor S1, which is required for the determination of the thermal conductivity of the soil and / or for the dynamic correction of the sensor S1, can, for. B. done in the manner described and explained in the aforementioned DE 41 35 617 A1.

Verfahrensbeispiel 2Process example 2

Wenn z. B. das Schmieröl eines Motors untersucht werden soll, wird der Sensor wie im Ausführungsbeispiel S2 durch den Ölpeilstabstutzen des Motors im Öl hineingehalten. Die Messungen der Wärmeleitfähigkeit sollen bei der Betriebstemperatur des Öles, d. h. im nahezu abgeglichenen Zustand der Wheatstone-Brücke stattfinden. Das Vorgehen beim 1. Verfahrensschritt beim Untersuchen eines Öles unterscheidet sich nicht vom dem Vorgehen beim 1. Verfahrensschritt beim Untersuchen eines fließunfähigen Stoffes.If e.g. B. the lubricating oil of an engine is to be examined, the sensor as in embodiment S2 through the oil dipstick of the engine in the oil kept in. The measurements of the thermal conductivity should be at the Operating temperature of the oil, d. H. in the almost balanced state of Wheatstone Bridge take place. The procedure for the 1st step in the Examining an oil is no different than doing it 1. Process step when examining a non-flowing substance.

In einem frei wählbaren Zeitpunkt und nach der Feststellung des thermischen Stabilitätszustandes des Sensors und des Öles, wird der Sensor S2 mit einer sich zeitlich ändernden Elektrospeisung in Form eines pseudozufälligen impulsförmigen Signals angeregt. Im Sensor und in dem zu untersuchenden Stoff werden die ähnlichen thermischen Vorgänge wie die Vorgänge im 1. Verfahrensbeispiel angefacht. Zum Anregen des Sensors S2 wurde ein einfach realisierbares Elektrospeisesignal in Form von pseudozufälligen, rechteckigen Änderungen der Speisespannung mit der Amplitude Uo = 10 V, der Taktzeit Δ = 0.3 s und der Periodendauer NΔ = 5 s (Kurve 1, Fig. 6) ausgewählt, wobei die Zeitdauer des 2. Verfahrensschrittes der Periodendauer NΔ gleich ist. Durch Versuche wurde festgestellt, daß bei dieser Elektrospeisung noch keine Erwärmung des Öles außerhalb der mechanischen Vorrichtung 15 stattfindet und sich eine momentane Erwärmung des Sensors um ca. 10 Grad Celsius ergibt. Aufgrund der großen inneren Reibung in der Kammer 16, wird bei dieser Temperatur noch keine signifikante natürliche Konvektion des zu untersuchenden Öles im Inneren der mechanischen Vorrichtung 15 verursacht. Die effektive innere Reibung ist nicht nur deswegen besonders groß, weil der Abstand Sensor-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 und daher, zusätzlich zu den Schubspannungen, auch die Trägheit des Öles zu überwinden ist.At a freely selectable point in time and after the thermal stability state of the sensor and the oil has been determined, the sensor S2 is excited with a time-changing electrical supply in the form of a pseudo-random pulse-shaped signal. The thermal processes similar to the processes in the first process example are fanned in the sensor and in the substance to be examined. To excite the sensor S2, an easily realizable electrical supply signal in the form of pseudo-random, rectangular changes in the supply voltage with the amplitude Uo = 10 V, the cycle time Δ = 0.3 s and the period duration NΔ = 5 s (curve 1 , FIG. 6) was selected, where the duration of the second step of the process is equal to the period NΔ. Experiments have shown that, with this electrical feed, the oil does not yet heat up outside the mechanical device 15 and the sensor is momentarily heated by approximately 10 degrees Celsius. Due to the large internal friction in the chamber 16 , no significant natural convection of the oil to be examined is caused inside the mechanical device 15 at this temperature. The effective internal friction is particularly large not only because the sensor-cylinder distance is relatively small and large shear stresses have to be overcome, but also because, due to the transient thermal and hydrodynamic processes in the gap chamber 16 , a constantly changing one Acceleration of the oil particles takes place and therefore, in addition to the shear stresses, the inertia of the oil has to be overcome.

Bei der Anregung des Sensors S2 mit dem Speisespannungssignal Uo in pseudozufälliger Form ergibt sich aus der Meßschaltung 21 das Amplitudensignal Ul, das nach der Verarbeitung in der linearen Speise- und Meßeinrichtung 24, als das Ausgangssignal Uy, abgetastet und mit Hilfe der Umsetzschaltung 31 in ein digitales Signal umgewandelt wird. Das Speisespannungssignal Uo wird ebenso parallel, mit Hilfe der Umsetzschaltung 31 abgetastet und auch in ein digitales Signal umgewandelt. In dem Mikrorechner 32 wird die Autokorrelationsfunktion für das Speisespannungssignal Uo und die Kreuzkorrelationsfunktion für das Ausgangssignal Uy und für das Speisespannungssignal Uo berechnet. Da das angewandte Speisespannungssignal Uo ein breites Leistungsspektrum aufweist, sind die stattfindenden zufälligen wärmespezifischen Störeinflußeffekte mit ihm unkorreliert und dadurch ist es möglich und sinnvoll, die modernen Werkzeuge der Korrelationsmeßtechnik heranzuziehen, um die thermischen Störauswirkungen bei der Ermittlung der Zeitkonstante T zu eliminieren. Hat man die beiden Korrelationsfunktionen ermittelt, ist die Gewichtsfunktion (Impulsantwort) des Sensors, mit Hilfe des Mikrorechners 32 bestimmbar und die Störeinflußeffekte haben keinen Einfluß auf das Ergebnis. Das Korrelationsverfahren ist im Buch von Wolfgang Wehrmann u. a.; Korrelationstechnik; Lexika-Verlag; 1. Aufl. 1977; S. 74-78, näher beschrieben.When the sensor S2 is excited with the supply voltage signal Uo in a pseudo-random form, the measurement circuit 21 results in the amplitude signal U1, which after processing in the linear supply and measurement device 24 is sampled as the output signal Uy and converted into a using the conversion circuit 31 digital signal is converted. The supply voltage signal Uo is also scanned in parallel with the aid of the conversion circuit 31 and also converted into a digital signal. The autocorrelation function for the supply voltage signal Uo and the cross-correlation function for the output signal Uy and for the supply voltage signal Uo are calculated in the microcomputer 32 . Since the applied supply voltage signal Uo has a wide power spectrum, the random heat-specific interference effects that occur are uncorrelated with it, and it is therefore possible and useful to use the modern tools of correlation measurement technology in order to eliminate the thermal interference effects when determining the time constant T. Once the two correlation functions have been determined, the weight function (impulse response) of the sensor can be determined with the aid of the microcomputer 32, and the interference effects have no influence on the result. The correlation method is in the book by Wolfgang Wehrmann and others; Correlation technique; Encyclopedia publisher; 1st ed. 1977; Pp. 74-78, described in more detail.

Die Gewichtsfunktion für den Sensor S2 ist aufgrund seiner Bauart eine Exponentialfunktion mit einem gleichartigen Verlauf wie die Gewichtsfunktion im 1. Verfahrensbeispiel. Deshalb kann ihre Auswertung und die rechnerische Berechnung der Zeitkonstante T des Sensors S2 in der Weise erfolgen, wie sie in diesem 1. Verfahrensbeispiel beschrieben ist. The weight function for the sensor S2 is due to its design Exponential function with a similar course as the weight function in the 1st process example. Therefore their evaluation and the arithmetic The time constant T of the sensor S2 is calculated in the manner as it is is described in this 1st process example.  

Da die Wärmeübertragung vom Sensor an eine ruhende Umgebung, bei der Vernachlässigung der Strahlung, sich durch die reine Wärmeleitung ergibt, berechnet sich die zu bestimmende Wärmeleitfähigkeit λ des zu untersuchenden Stoffes aus der schon berechneten Zeitkonstante T zu der bekannten Gleichung:Because the heat transfer from the sensor to a quiescent environment where Neglect of the radiation, which results from the pure heat conduction, calculates the thermal conductivity λ to be determined investigating substance from the already calculated time constant T to the known equation:

λ = R/T (1)λ = R / T (1)

worin der Faktor R eine durch Kalibriermessungen bestimmte Körperkonstante des Sensors ist, die von den Materialien und Abmessungen des Sensors abhängig ist.where the factor R is a body constant determined by calibration measurements of the sensor is that of the materials and dimensions of the sensor is dependent.

Testergebnisse des Sensors S1 in Verbindung mit dem Erdreich und des Sensors S2 in Verbindung mit einem Motoröl sind in Fig. 7 und Fig. 8 angezeigt, wobei der Kalibrierungsfaktor R schätzungsweise festgestellt wurde.Test results of the sensor S1 in connection with the ground and the sensor S2 in connection with an engine oil are shown in FIG. 7 and FIG. 8, the calibration factor R having been estimated.

Anhand einer bereits vorliegenden Vergleichstabelle mit den Wärmeleitfähigkeitswerten für den zu untersuchenden Stoff kann nun festgestellt werden, ob der geprüfte Stoff seinen Bestand so verändert hat, daß er noch weiter verwendungsfähig ist, gewechselt werden muß oder behandelt werden soll.Using an existing comparison table with the Thermal conductivity values for the substance to be examined can now it is determined whether the tested substance has changed its stock in such a way that it is still usable, needs to be changed or treated shall be.

Da der Sensor S1 bzw. S2 sich strikt in seinem dynamischen Verhalten als ein Meßglied 1. Ordnung verhält, kann auch, mit Hilfe der rechnerischen Einrichtung 25 unter Einbeziehung der Zeitkonstante T, seine dynamische Korrektur bei der dauerhaften Temperaturmessung vorgenommen werden und zwar nach der Vorschrift: die zu messende Temperatur des zu untersuchenden Stoffes ergibt sich, indem man zur gemessenen Temperatur das mit der aktuellen Zeitkonstante T des Sensors bewertete Differential der Temperatur addiert. Damit kann die Erfindung zum dauerhaften, dynamisch korrigierten Temperaturmessen vorteilhaft verwendet werden.Since the sensor S1 or S2 behaves strictly in its dynamic behavior as a first-order measuring element, its dynamic correction can also be carried out with the aid of the computer device 25 , taking into account the time constant T, in the permanent temperature measurement, specifically according to the regulation : the temperature to be measured of the substance to be measured is obtained by adding the temperature differential evaluated with the current time constant T of the sensor to the measured temperature. The invention can thus advantageously be used for permanent, dynamically corrected temperature measurement.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die Erfindung eignet sich auch zur Ermittlung des Siedezustandes von Flüssigkeiten. Das Sieden in einer Flüssigkeit ist erreicht worden, wenn sie vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Die dabei erreichte Temperatur heißt Siedetemperatur und ist nicht nur von der Art der Flüssigkeit aber auch vom äußeren Druck abhängig. Die Bestimmung der Stofftemperatur allein reicht deshalb nicht, um den Siedezustand der zu untersuchenden Flüssigkeit feststellen zu können. Beim Sieden wird wesentlich höhere Gesamtwärmeleitfähigkeit für Leitung und Konvektion der zu untersuchenden Flüssigkeit erreicht und ist sie für die Ermittlung des Siedezustandes von ausschlaggebender Bedeutung. Die nach der Erfindung ermittelte aktuelle Zeitkonstante T des direkt mit der zu siedenden Flüssigkeit in Berührung kommenden Sensors, kann zur rechnerischen Bestimmung der Gesamtwärmeleitfähigkeit dieser Flüssigkeit verwendet werden. Die zu bestimmende Gesamtwärmeleitfähigkeit λ g berechnet sich aus der Zeitkonstante T zu der oben genannten Gleichung (1) und auf der Basis der Feststellung der Veränderungen der Gesamtwärmeleitfähigkeit können Rückschlüsse auf den Siedezustand der zu untersuchenden Flüssigkeit gezogen werden. Damit ist die präzise Ermittlung des Siedens, beispielweise bei einem Destillationsverfahren, möglich.Finally, it should be pointed out that the invention is also suitable to determine the boiling state of liquids. Boiling in one Liquid has been achieved when moving from liquid to gaseous Condition passes. The temperature reached is called boiling temperature and is not only of the type of liquid but also of the external pressure dependent. The determination of the fabric temperature alone is therefore not enough to  to be able to determine the boiling state of the liquid to be examined. When boiling, there is much higher total thermal conductivity for line and Convection of the liquid to be examined is achieved and for the Determination of the boiling state of crucial importance. The after of the invention determined current time constant T des directly with the boiling liquid in contact with the sensor, can be used mathematical determination of the total thermal conductivity of this liquid be used. The total thermal conductivity λ g to be determined is calculated from the time constant T for the above equation (1) and based on the detection of changes in the Overall thermal conductivity can draw conclusions about the boiling state of the liquid to be examined. This is the precise determination of boiling, for example in a distillation process.

Claims (14)

1. Sensor für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Temperatur von fließunfähigen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen, bestehend aus einem Trägerkörper und einer darauf angeordneten Meßwicklung einer die Selbstinduktion und Induktivität reduzierenden Wicklungsart, wobei die Meßwicklung aus einem metallenen, elektrisch isoliert angeordneten Widerstandsdraht besteht und über eine verstärkerlose Meßschaltung an eine lineare, mit einer rechnerischen Einrichtung zusammenwirkenden Speise- und Meßeinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsdraht (8) gleichmäßig in einem homogenen, für die Meßwicklung vorgesehenen, Einbettraum (9) auf einem, im Verhältnis zum Sensor, winzigen Trägerkörper (1) angeordnet ist, derart, daß das ganze Temperaturfeld des Sensors mit dem Widerstandsdraht (8) belegt wird sowie von der Abgrenzung des Sensors an ein, auf das Fließvermögen des zu untersuchenden Stoffes abgestimmter, Freiraum (10) für den zu untersuchenden Stoff vorgesehen ist.1. Sensor for the determination of the thermal conductivity and / or the temperature of non-flowable, liquid or gaseous substances, consisting of a support body and a measuring winding arranged thereon of a type of winding reducing self-induction and inductance, the measuring winding consisting of a metal, electrically insulated resistance wire and is connected via an amplifier-free measuring circuit to a linear feed and measuring device interacting with a computing device, characterized in that the resistance wire ( 8 ) is uniformly arranged in a homogeneous embedding space ( 9 ) provided for the measuring winding on a, in relation to Sensor, tiny support body ( 1 ) is arranged in such a way that the entire temperature field of the sensor is covered with the resistance wire ( 8 ) and from the delimitation of the sensor to a free space (matched to the fluidity of the substance to be examined) ( 10 ) is provided for the substance to be examined. 2. Sensor nach Anspruch 1 für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von dünnflüssigen oder gasförmigen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte, 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 the determination of the thermal conductivity of low-viscosity or gaseous substances, characterized in that the specific, the sensor-comprising free space ( 10 ) is designed 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 gekennzeichnet, daß die mechanische Einrichtung (15) aus einem dünnwandigen offenen Zylinder (17) mit einer gelochten Endwand (18) besteht.3. Sensor according to claim 2, characterized in 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 gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) aus einem spulenförmiges Metallbauteil besteht und eine Wärmekapazität aufweist, die höchstens etwa 5% derjenigen des Sensors beträgt. 4. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier body ( 1 ) consists of a coil-shaped metal component and has a heat capacity which is at most about 5% of that of the sensor. 5. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturleitfähigkeit aller Aufbauelemente des Sensors ähnlich der Temperaturleitfähigkeit des Widerstandsdrahtes (8) ist.5. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the thermal conductivity of all structural elements of the sensor is similar to the thermal conductivity of the resistance wire ( 8 ). 6. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsdraht ein Kupferdraht ist.6. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the Resistance wire is a copper wire. 7. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsdraht (8) ein Doppelwiderstandsdraht ist, und daß jede Ader des Doppelwiderstandsdrahtes eine Halbwicklung (7a, 7b) der Meßwicklung (7) bildet.7. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the resistance wire ( 8 ) is a double resistance wire, and that each wire of the double resistance wire forms a half-winding ( 7 a, 7 b) of the measuring winding ( 7 ). 8. Sensor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Adern des Doppelwiderstandsdrahtes gleiche, sehr dünne Widerstandsdrähte mit feinem Isolierüberzug sind.8. Sensor according to claim 7, characterized in that the wires of the Double resistance wire same, very thin resistance wires with fine Are insulation. 9. Verstärkerlose Meßschaltung (21) für den Sensor nach Anspruch 7, bestehend aus einer Wheatstone-Brücke, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich gegenüberliegende, die Meßwicklung (7) bildenden Brückenwiderstände jeweils aus den Halbwicklungen (7a, 7b) der Meßwicklung (7) bestehen, und daß die beiden anderen Brückenwiderstände (22) sich gleichende Festwiderstände sind.9. amplifier-less measuring circuit ( 21 ) for the sensor according to claim 7, consisting of a Wheatstone bridge, characterized in that two opposite, the measuring winding ( 7 ) forming bridge resistors each from the half-windings ( 7 a, 7 b) of the measuring winding ( 7 ) exist, and that the other two bridge resistors ( 22 ) are identical fixed resistors. 10. Verstärkerlose Meßschaltung (21) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anfangsstellen (11) der Halbwicklungen (7a, 7b) an der selben Diagonalen der Wheatstone-Brücke gegenüberliegend elektrisch angeordnet sind.10. amplifier-less measuring circuit ( 21 ) according to claim 9, characterized in that the two starting points ( 11 ) of the half-windings ( 7 a, 7 b) 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 10, bestehend aus einer Speiseschaltung (29) zur elektrischen Speisung der verstärkungslosen Meßschaltung (21) und einer Verstärkerschaltung (27) zur Verstärkung des aus der verstärkungslosen Meßschaltung (21) eintreffenden Amplitudensignals Ul, dadurch gekennzeichnet, daß ein analoger Multiplizierer (28) für die Multiplikation des Ausgangssignals Uy der Verstärkerschaltung (27) mit dem Ausgangssignal Uo der Speiseschaltung (29) in den Gegenkopplungszweig der Verstärkerschaltung (27) angeordnet ist. 11. Linear feed and measuring device for the sensor according to at least one of claims 1 to 10, consisting of a feed circuit ( 29 ) for electrically feeding the unamplified measuring circuit ( 21 ) and an amplifier circuit ( 27 ) for amplifying the unamplified measuring circuit ( 21 ) arriving amplitude signal Ul, characterized in that an analog multiplier ( 28 ) for multiplying the output signal Uy of the amplifier circuit ( 27 ) by the output signal Uo of the feed circuit ( 29 ) is arranged in the negative feedback branch of the amplifier circuit ( 27 ). 12. Verfahren zum Anregen eines Sensors nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
  • 1) daß die Elektrospeisung der verstärkerlosen Meßschaltung (21) konstant gehalten wird, wobei die konstante Amplitude des Elektrospeisesignals (Initialwert) derart vorbestimmt ist, daß die in der stromdurchflossenen Meßwicklung (7) entstehende elektrothermische Leistung einen geringen Wert aufweist.
  • 2) daß die Elektrospeisung der verstärkerlosen Meßschaltung (21) maßgebend für einen Übertragungsverhaltenstest geändert wird, wobei die Amplitude des Elektrospeisesignals und sein zeitlicher Verlauf derart vorbestimmt werden, daß der Sensor, während dieses Verfahrensschrittes, aufgrund der in der stromdurchflossenen Meßwicklung (7) entstehenden elektrothermischen Leistung bis maximal unterhalb der Temperatur, die eine merkliche natürliche Konvektion des Gas- oder Flüssigkeitsanteils des im Freiraum 10 befindlichen zu untersuchenden Stoffes verursachen kann, erwärmt wird, und daß keine Erwärmung des Stoffes außerhalb des bestimmten Freiraumes 10, während dieses Verfahrensschrittes, stattfinden kann.
12. A method for exciting a sensor according to at least one of claims 1 to 8, characterized by the following method steps:
  • 1) that the electrical supply of the amplifier-less measuring circuit ( 21 ) is kept constant, the constant amplitude of the electrical supply signal (initial value) being predetermined such that the electrothermal power produced in the current-carrying measuring winding ( 7 ) has a low value.
  • 2) that the electrical supply of the amplifier-free measuring circuit ( 21 ) is changed significantly for a transmission behavior test, the amplitude of the electrical supply signal and its time course being predetermined such that the sensor, during this process step, due to the electrothermal arising in the current-carrying measuring winding ( 7 ) Power is heated to a maximum below the temperature, which can cause a noticeable natural convection of the gas or liquid portion of the substance to be examined in the free space 10, and that no heating of the material outside the specific free space 10 can take place during this process step.
13. Verfahren nach Anspruch 12 Schritt 2, insbesondere für dickflüssige und fließunfähige Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrospeisung der verstärkerlosen Meßschaltung (21) in Form eines einziges Speisespannungsimpulses erfolgt.13. The method according to claim 12 step 2, in particular for viscous and non-flowing substances, characterized in that the electrical supply to the amplifier-less measuring circuit ( 21 ) takes place in the form of a single supply voltage pulse. 14. Verfahren nach Anspruch 12 Schritt 2, insbesondere für dünnflüssige und gasförmige Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrospeisung der verstärkerlosen Meßschaltung (21) in Form von rechteckigen Speisespannungsimpulsen mit einer konstanten Amplitude und in einer pseudozufälligen Sequenz mit kurzer Taktzeit erfolgt.14. The method according to claim 12 step 2, in particular for low-viscosity and gaseous substances, characterized in that the electrical supply of the amplifier-less measuring circuit ( 21 ) in the form of rectangular supply voltage pulses with a constant amplitude and in a pseudo-random sequence with a short cycle time.
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