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Anordnung zur Erfassung von Temperaturänderungen und des Differentialquotienten
hierzu Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur selbsttätigen, gleichzeitigen
Erfassung von Temperaturänderungen und des Differentialquotienten hierzu, insbesondere
an den Punkten der Zustandsänderung eines Stoffes, mittels eines Temperaturschreibers,
dem eine von dem Temperaturfühler abgeleitete Meßspannung zugeführt wird.
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Es ist bekannt, Kurven von Röhrencharakteristiken zu bestimmen unter
der Annahme, daß der Anodenstrom in Abhängigkeit von der Gitterspannung linear verläuft.
Hierbei wird die Differenz zwischen je zwei Anodenstromwerten bei konstanten Gitterspannungsänderungen
festgestellt, indem diese Differenz unmittelbar von der Skala eines Amperemeters
abgelesen wird. Vor jeder Spannungsänderung muß der Nullpunkt des Amperemeters neu
justiert werden.
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Es ist ebenfalls bekannt, die Registrierung eines diskontinuierlichen
Vorganges der kontinuierlichen Zeitaufzeichnung eines anderen Vorganges zu überlagern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, kennzeichnende Punkte bzw. Abschnitte
in der Temperaturzeitkurve, beispielsweise Temperaturschwankungen bestimmter Geschwindigkeit,
welche durch Zustandsänderungen von Stoffen bedingt sind, automatisch besonders
kenntlich zu machen. Bisher konnten diese den Zustandsänderungen entsprechenden
Kurvenabschnitte nur aus dem registrierten Temperaturlctirvenverlauf herausgelesen
werden. Die bisher bekannten Temperaturkontrollgeräte, bestehend aus Temperaturfühler
und von diesem gesteuerten Temperaturschreiber, schreiben nämlich nur eine solche
Temperaturkurve auf, welche bei nicht sehr schnell verlaufenden Temperaturschwankungen
eingetretene Zustandsänderungen nur durch genauere Betrachtung erkennen lassen.
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Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Anordnung auch für die
Bestimmung von beliebigen Schwankungen in der Temperaturzeitkurve benutzt werden,
die von anderen Ursachen als von Zustandsänderungen von Stoffen herrühren.
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Die weiter oben umrissene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Meßspannung in an sich bekannter Weise vom Schreibgerät aufgezeichnet wird
und daß diese Spannung gleichzeitig unter Einschaltung von Differenziergleichern,
welche die erhaltenen Anzeigen zweifach in bezug auf die Zeit differenzieren, einem
Relaisstromkreis zugeführt wird, derart, daß bei Überschreiten eines vorbestimmten
Wertes des Differentialquotienten ein Impuls ausgelöst und dieser den aufzuschreibenden
Meßwerten in an sich bekannter Weise überlagert wird.
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Vorzugsweise wird die Temperaturmessung mit einem im Eingangskreis
der Differenzierschaltung liegenden Thermistor und einem unmittelbar an den Temperaturschreiber
angeschalteten Widerstandsthermometer durchgeführt. Es kann auch nur ein einziger
Temperaturfühler beispielsweise ein Thermistor verwendet werden, dessen Ausgangsspannung
einerseits an einem Differenzierglied und andererseits über einen zu diesem parallel
geschalteten Verstärker unmittelbar am Temperaturschreiber liegt.
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Bei der ersten Ausführungsform ist der Temperaturschreiber vorzugsweise
von- der Art einer sich selbst kompensierenden Wheatstonschen Brücke. Im zweiten
Fall ist der Temperaturschreiber zweckmäßig eine Potentiometertyp.
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Der Erfindungsgegenstand ist vorzugsweise anwendbar bei Verfahren,
bei denen ein fester Stoff kontinuierlich abgekühlt bzw. ausgefroren wird. Hierbei
tritt nämlich bei einer Phasenumwandlung nur eine verhältnismäßig geringe Wärmemenge
auf, insbesondere dann, wenn die betreffende Menge des umzuwandelnden Stoffes gering
ist. Der Erfindungsgegenstand ist von besonderer.-Bedeutung einerseits für die Bestimmung
und/oder Regelung des Temperaturbereiches,
in dem p-Xylol in wirksamer
Weise und im wesentlichen frei von den binären oder ternären Eutektika mit anderen
Xylolen aus entsprechenden gemischten Xylolen ausgefroren werden kann, und andererseits,
um hierdurch die Temperatur in der nachfolgenden Zentrifugierungsstufe regeln zu
können, die zur Ausscheidung des p-Xylols dient, so daß die maximale Menge an im
wesentlichen reinem p-Xylol aus der Flüssigkeit ausgeschieden werden kann. Für den
erstgenannten Zweck sind die wesentlichen Temperaturgrenzen einmal der Punkt, bei
dem das feste p-Xylol sich auszuscheiden beginnt, und dann der Punkt, bei dem sich
das p-Xyloleutektikum ausscheidet. Eine Kontrolle erfolgt hierbei dadurch, daß die
Geschwindigkeit der Kältezufuhr genau eingestellt wird, so daß die Temperatur innerhalb
dieses Bereiches aufrechterhalten wird.
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Infolge der Tendenz des Xylolsystems, sich zu unterkühlen, ist es
vorteilhaft, für die Bestimmung dieser beiden Umwandlungspunkte die betreffende
Probe unter den ersten binären eutektischen Punkt des p-Xylols abzukühlen und dann
die Probe allmählich zu erwärmen, um hierdurch die beiden charakteristischen Temperaturen
auf der Schmelzpunktkurve zu bestimmen. Unter Zugrundelegung dieser Werte kann das
Ausfrierungsverfahren wirksam innerhalb eines Temperaturbereiches durchgeführt werden,
innerhalb dessen p-Xylol von einem gewünschten Reinheitsgrad und/oder in gewünschter
Menge anfällt. Die Arbeitsweise zur Durchführung des Verfahrens verläuft beispielsweise
wie folgt: Eine Probe einer Xylol-Mischung wird in ein Vakuumgefäß eingebracht,
das mit einem Ventilauslaß versehen ist, welcher mit dem Raum zwischen dessen Wandungen
in Verbindung steht. Das Gefäß ist in ein zweites größeres Vakuumgefäß eingetaucht,
das ein Gefriermittel enthält, beispielsweise flüssigen Stickstoff oder eine Mischung
von festem Kohlendioxyd mit Methanol. Der Raum zwischen den beiden Doppelwandungen
des ersten Gefäßes ist mit einer Pumpe verbunden. Durch Einstellung des Druckes
in diesem Raum kann die Temperaturänderung des Xylols in der gewünschten Weise verändert
werden.
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Die Mischung wird dann zunächst unter den binären eutektischen Punkt
abgekühlt, beispielsweise mit Hilfe von flüssigem Stickstoff. Der flüssige Stickstoff
wird dann durch ein Eisbad ersetzt. Die Mischung wird auf diese Weise allmählich
erwärmt. Ein Widerstandsthermometer wird in das Xylol, das ständig gerührt wird,
eingetaucht, und die Temperatur wird mittels eines selbsttätigen Temperaturschreibers
aufgezeichnet. Ferner wird in die Xylolmischung ein Thermistor eingetaucht, dessen
Ausgangsspannung nach zweimaliger Differentitation und elektronischer Verstärkung
als Zeichenimpuls in der noch zu beschreibenden Weise dem Temperaturschreiber zugeführt
wird, so daß Änderungen des Temperaturverlaufs durch Spitzen in der Temperatur-Zeitkurve
deutlich sichtbar werden. Auf diese Weise werden die Temperatur, bei der das Binär
zu schmelzen beginnt und diejenige, bei der das letzte feste p-Xylol schmilzt, bestimmt.
Unter Ausnutzung dieser Werte läßt sich der Temperaturbereich bestimmen, der bei
dem p-Xylol-Ausfrierungsverfahren vorteilhafterweise angewandt wird.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
erläutert. In den Zeichnungen stellt dar
Fig. 1 die Schaltung des erfindungsgemäßen
Geräts als Blockschaltbild in einpoliger Darstellungsweise, Fig. 2 die Schaltung
nach Fig. 1 in Einzelheiten.
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Die XylolmischungX befindet sich in einem mit einer Rührvorrichtung
ausgestatteten Gefäß Q. In diese Mischung taucht ein Widerstandsthermometer T ein,
das an einen Temperaturzeiger und -schreiber 1 angeschlossen ist. Ferner taucht
in die Mischung ein Thermistor t ein, der an eine erste elektrische Differenzierschaltung
D1 angeschlossen ist, an deren Ausgang ein Röhrenverstärker A liegt. An diesem ist
eine zweite Differenzierschaltung D2 angeschlossen, welche mit einem empfindlichen
Schalterstromkreis S in Verbindung steht, an den wiederum ein Relaisstromkreis R
angeschaltet ist, welcher die Zeichenimpulse an den Temperaturschreiber 1 liefert.
Als Thermistor zur Bestimmung der Temperatur in einem p-Xylol-Ausfrierungsverfahren
ist einer der Standard Telephone and Cables Type A.5412/100 geeignet, der mit einer
Spannung von 85 Volt unter Verwendung eines 3,3-Megohm-Vorschaltwiderstandes betrieben
werden kann und hierbei eine Empíindlichkeit von etwa 1 Volt je 10 C im Bereich
von - 653 C, d. h. in der Nähe der hier interessierenden Temperatur, aufweist.
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Die vorstehend prinzipiell dargestellte Schaltung arbeitet folgendermaßen:
Die von einem Widerstandsthermometer, das in den unter Kontrolle stehenden Stoff
eingeführt ist, abgegebene Ausgangsspannung wird direkt dem Temperaturschreiber
zugeführt und bewirkt auf diesem die Aufzeichnung der Temperaturkurve in Abhängigkeit
von der Zeit. In den Stoff wird außerdem ein Thermistor eingeführt, dessen abgegebene
Spannung ebenfalls der Temperatur des Stoffes entspricht. Jedoch ergibt sich bei
kontinuierlicher Änderung der Temperatur hinter den Differenziergliedern keine Spannungsänderung.
Während dieser Zeit verbleibt der Schalterstromkreis im Ruhezustand. Bei Auftreten
einer Phasenänderung od. dgl. ergibt sich jedoch eine mit großer Geschwindigkeit
verlaufende Änderung der vom Thermistor abgegebenen Spannung, die sich hinter dem
zweiten Differenzierglied in Form eines Spannungssprungs bemerkbar macht. Dieser
Spannungssprung steuert den Schalterstromkreis aus, welcher seinerseits die Betätigung
eines Relais bewirkt. Durch diese Arbeitsweise wird ein Impuls erzeugt, welcher
dem Temperaturschreiber zugeführt wird und welcher in der Temperaturkurve als eine
aus dem Kurvenzug besonders herausspringende Zacke erscheint.
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Die Einzelheiten der in Fig. 1 schematisch dargestellten Schaltung
ergeben sich aus Fig. 2 der Zeichnungen.
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Die jeweilige Spannung des Thermistors t liegt über die als Stecker
und Büchse zweiteilig gezeichnete Steckkontaktverbindung P am Eingang der Schaltung,
die aus folgenden Teilkreisen besteht.
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1. Differenzierglied Da Diese enthält einen Kondensator C1 und einen
Widerstand Rt und ist derart bemessen, daß sie für die bei diesem Verfahren auftretende
Temperaturänderung/Zeit, die latente Wärme, die Menge der auftretenden latenten
Wärme und die Eigenschaften des Thermistors geeignet ist. Im allgemeinen ist eine
Zeitkonstante von 1 Sekunde bis 1 Minute ein geeigneter
Bereich,
der einmal durch die Dauer des Verlaufs der Umwandlung und andererseits von dem
praktischen Erfordernis einer möglichst raschen Arbeitsweise, soweit sich das mit
der Zuverlässigkeit vereinbaren läßt, bestimmt wird. Beim Abkühlen von Mischungen,
welche p-Xylol enthalten, ist eine Zeitkonstante von 30 Sekunden vorteilhaft.
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Der Druckknopfschalter DS ist gewöhnlich geschlossen und hat keine
Bedeutung für den Normalbetrieb der Schaltung; er kann zum Anlegen von Eichsignalen
für Prüfzwecke benutzt werden.
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2. Verstärker Dieser besteht aus einer Pentode Y1 mit einem an ihrem
Steuergitter liegenden Glättungsschaltglied. Das verstärkte Signal wird von der
Anode abgenommen.
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An diese kann ein weiterer Glättungskondensator c2 angeschaltet werden.
Die Regelung der Gittervorspannung erfolgt in der in Fig. 2 dargestellten Weise.
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3. Zweites Differenzierglied D2 Dieses besitzt eine ähnliche Zeitkonstante
wie Dt, jedoch wird der Widerstandswert von R2 und kleiner als der von Bl, die Kapazität
C3 größer als die von gewählt, um die Ausgangsspannung gegenüber Einwirkungen durch
die Begrenzungsdioden V4 weniger empfindlich zu machen.
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4. Schalterstromkreis mit Relais Dieser Stromkreis enthält eine Pentode
V2 und eine Triode V3 (A) mit zugehörigen Schaltgliedern und mit einer positiven
Rückkopplung von V3 (A) nach V2, die von der Kathode von V3 (A) abgenommen und über
das Hilfsschaltgliedr und den veränderlichen Widerstand an die Kathode und das Bremsgitter
von V2 gelegt wird. Wenn die Steuergitterspannung von V2 den Wert übersteigt, der
durch die Gittervorspannung der Röhre V2 festgelegt ist, erreicht der Anodenstrom
in V2 einen so hohen Wert, daß der Anodenstrom in V3 (A) durch Absenkung deren Gitterspannung
unterbrochen wird und somit das Relais RLt, das gewöhnlich erregt ist, abfällt.
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Das Hilfsschaltglied r ist ein als Buchse ausgebildeter Doppelkontakt,
der im Normalbetrieb der Schaltung keine Rolle spielt. In diese Buchse kann eine
Klinke für Prüf- und Überwachungszwecke eingesteckt werden. Wenn, wie gewöhnlich,
die Klinke nicht eingesteckt ist, verläuft die Rückkopplung von V3 (A) zu V über
den in der Kathodenzuleitung von V2 liegenden Rückkopplungswiderstand in seiner
Normaleinstellung. Ist die Klinke eingesteckt, fließt der Strom in V2 lediglich
durch den veränderlich abgreifbaren Widerstand, der dann zur Regelung der Spannung
verwendet wird, die über die Klinke an einen nicht dargestellten, zur Überwachung
des in Vo fließenden Stromes benutzten Prüfschreiber geliefert wird.
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5. Relaisstromkreis Dieser dient dazu, einen Impuls zu erzeugen,
der über die AnschlußklemmeZ dem Temperaturzeiger und -schreiber zugeführt wird.
Wenn RLi abfällt, schließt der Kontakt Ru11, und die Röhre V3 (B) wird für einen
gewissen Zeitraum stromlos, die durch die Zeitkonstante des an ihrem Steuergitter
liegenden Stromzweiges bestimmt ist. Das Relais RL2, das gegewöhnlich unter Strom
steht, wird auf diese Weise für diesen Zeitraum abgeschaltet, und ein Paar seiner
Kontakte
wird dazu verwendet, dem Galvanometerstromkreis des Temperaturschreibers l einen
Ablenkstrom zuzuleiten. Dieser läßt in der von dem Temperaturschreiber aufgezeichneten
Temperatur-Zeitkurve eine Markierungsspitze entstehen, welche die zu kennzeichnende
Temperatur anzeigt.
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Die Stromversorgung ist von üblicher Art. Sie weist einen Transformator
Tt, einen Röhrengleichrichter Va und ein aus einer Drosselspule L und zwei Kondensatoren
C4 und C5 bestehendes Glättungsfilter auf. Schwankungen der Netzspannung werden
mit Hilfe von Neonröhren V6 und V7 und deren Vorschaltwiderständen R3 und R4 auf
ein Minimum verringert. Das Neonrohr V6 dient dazu, die Anodenspannung der Röhren
V2 und V3 zu stabilisieren. Das andere Neonrohr V7 stabilisiert die Anodenspannung
der Röhre, und ist ferner mit einem weiteren Neonrohr V5 verbunden, damit dem Thermistor
eine stabile Spannung, d. h. eine Spannung mit Schwankungen von weniger als 0,1
ovo, zugeführt wird.
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Eine negative Spannung wird durch einen Metallgleichrichter M und
dessen Glättungskondensator c6 erzeugt und durch ein Neonrohr V9 stabilisiert, dem
ein Widerstand R5 vorgeschaltet ist.
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Die Heizdrähte von V, und V2 werden von einem Transformator T2 mit
konstanter Spannung gespeist.
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Vorteilhafterweise kann eine Widerstandslampen-Stabilisierung angewandt
werden. Die beschriebene Einrichtung kann mit Anzeigelampen ausgestattet sein, die
in jedem Augenblick den Zustand in den Differentialkreis erkennen lassen.