DE2828429A1

DE2828429A1 - Waermeleit-messzelle zur gasanalyse im bereich niedriger absolutdruecke

Info

Publication number: DE2828429A1
Application number: DE19782828429
Authority: DE
Inventors: Udo Damer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-06-28
Filing date: 1978-06-28
Publication date: 1980-01-03
Also published as: DE2828429B2; DE2828429C3; JPS557698A

Description

Wärmeleit-Meßzelle zur Gasanalyse im Bereich niedriger
Absolutdrücke Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeleit-Meßzelle zur Gasanalyse im Bereich niedriger Absolutdrücke (' 0,1 bar).
Bei der Gasanalyse nach dem Wärmeleitfähigkeitsverfahren wird die Temperaturänderung eines durch Zufuhr elektrischer Leistung erwärmten Hitzdrahtes von der Wärmeleitfähigkeit des ihn umgebenden Meßgases und von den geometrischen Verhältnissen der Meßzelle und des in ihr aufgespannten Hitzdrahtes bestimmt. Da Gase sich in ihrer spezifischen Wärmeleitfähigkeit unterscheiden, wird die in dem Hitzdraht erzeugte Wärme je nach Art des Gases in unterschiedlichem Maße an die Innenwand der Meßzelle abgeführt. Liegen die geometrischen Verhältnisse fest, so ist der elektrische Widerstand des mit konstantem Strom gespeisten Hitzdrahtes ein Maß für die thermische Leitfähigkeit und somit Aussage über die Art des in der Meßzelle befindlichen Meßgases.
Ist das Meßgas, wie bei industriellen Messungen üblich, ein Gasgemisch, von welchem ein bestimmter Anteil, z. B.
CO2, gemessen werden soll, so wird dem Meßsystem in einer Brückenschaltung ein Vergleichssystem zugeschaltet, das ebenfalls aus einer Kammer mit Hitzdraht besteht und welches mit der zu bestimmenden Komponente des Meßgases gefüllt ist. Das Brückenausgangssignal ergibt in diesem Falle den Anteil des Vergleichsgases im Meßgas.
F,ei einem dem Umgebungsdruck entsprechenden Gasdruck ist die Wärmeleitung in der Meßzelle druckunabhängig.
Unterhalb 0,1 bar tritt jedoch in zunehmendem Maße der Pirani-Effekt auf, d. h., das Meßsignal wird nicht nur von der Wärmeleitfähigkeit des Meßgases, sondern auch von dessen Druck abhängig. Die mittlere, freie Weglänge der Gasmoleküle kann nicht mehr gegen die Hitzdrahtdimensionen vernachlässigt werden; es wird durch eine verminderte Wärmeabgabe eine Verminderung der Wärmeleitung vorgetäuscht, was zu einer Fehlmessung führt, die.bei gegebener geometrischer Anordnung sowohl dem Hitzdrahtdurchmesser als auch dem absoluten Gasdruck umgekehrt proportional ist. Es wurde bereits versucht, die Druckabhänglgkeit durch Vergrößerung des Hitzdrahtdurchmessers zu verringern, vorzugsweise durch Verwendung gewendelter Hitzdrähte, wobeider Wendeldurchmesser als relevanter Durchmesser anzusehen ist. Dies führt jedoch zu relativ großen, gegen mechanische Einflüsse wie Erschütterung usw. empfindlichen Meßzellen, die für viele industrielle Einsätze nur bedingt brauchbar sind.
Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Meßanordnung zu schaffen, bei der die Druckabhängigkeit des Meßsignals im Bereich niedriger Absolutdrücke auf ein vernachlässigbares Maß verringert ist.
Eine Lösung der Aufgabe wird in einer Wärmeleit-Meßzelle der eingangs genannten Art gesehen, die dadurch gekenn- zeichnet ist, daß zwei Hitzdrähte derselben Meßgasatmosphäre ausgesetzt sind, wobei der erste Hitzdraht einem Meßsystem und der zweite Hitzdraht einem Kompensationssystem angehört und daß die geometrischen Verhältnisse der Hitzdrähte selbst und/oder ihr Abstand zur Innenwand der Meßzelle unterschiedlich sind und daß das Verhältnis der Heizleistungen der Hitzdrähte derart einstellbar ist, daß die spezifische Leistungsdichte der Wärmeabgabe aus den Oberflächen der Hitzdrähte gleich ist.
Da Meßsystem und Kompensationssystem in Meßgasatmosphäre unter gleichem Druck arbeiten, wird bei gleicher lzrärmeleistungsdichte der Druckeinfluß kompensiert, infolge der unterschiedlichen geometrischen Verhältnisse verbleibt eine Signaldifferenz zwischen den beiden Systemen, die nur von der Wärmeleitfähigkeit des Meßgases abhängig ist.
Die den Elitzdrahten zugeführte elektrische Heizleistung kann in an sich bekannter Weise elektronisch eingestellt und geregelt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Hitzdrähte als Zweige einer mit konstanter Leistung gespeisten Widerstandsmeßbrücke zu schalten.
Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 6 der prinzipielle Aufbau der Meßzelle nebst Schaltung sowie verschiedene Ausführungsformen schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.
Figur 1: Zwei Hitzdrähte 1 und 2 aus einer Platinlegierung bilden benachbarte Zweige einer Widerstandsmeßbrükke 11, die durch den festen Widerstand 3 und den einstellbaren Widerstand 4 vervollständigt ist und die über den die aufgenommene Leistung konstanthaltenden Serienwiderstand 5 aus einer Konstantspannungsquelle gespeist wird. Die Brückensignalspannung wird von einem Differenz- verstärker 6 abgegriffen. Die Meßzelle 7 enthält zwei Meßkammern 8 und 9, die über den Kanal 10 gasleitend verbunden und mit dem Meßgas gefüllt sind. In der Kammer 8 befindet sich der Hitzdraht 1 des Meßsystems, in der kleineren Kammer 9 der gleiche Hitzdraht 2 des Kompensationssystems.
Beide Hitzdrähte 1 und 2 sind derselben Gasatmosphäre unter gleichem Druck ausgesetzt, so daß die Druckabhängigkeit des Meßeffektes bei richtig eingestelltem Heizleistungsverhältnis kompensiert wird.
Die Ableitung der aus den Oberflächen der beiden Hitzdrähte abgegebenen Wärme ist jedoch unterschiedlich, da der Wärmewiderstand zwischen Hitzdraht und Innenwand der Meßzelle infolge der unterschiedlichen Abstände der Hitzdrähte von dieser verschieden ist und somit eine in dem Verstärker 6 verstärkbare Signaldifferenz verbleibt.
In Figur 2 ist ein Querschnitt der in Figur 1 angedeuteten Meßzelle 7 dargestellt. Zwei parallele zylindrische Kammern 8 und 9, deren Durchmesser D8, D9 sich etwa wie 5 : 1 verhalten, sind über den als Längsschlitz ausgebildeten Kanal 10 gasleitend verbunden, in ihren Achsen sind die Hitzdrähte 1 und 2 gleichen Durchmessers aufgespannt.
In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist die Meßzelle 7 als Hohlzylinder mit einer einzigen Kammer 8' ausgebildet, wobei der dem Meßsystem angehörige Hitzdraht 1 mit dem Durchmesser d1 in der Mittelachse und.der dem Kompensationssystem angehörige Hitzdraht 2 gleichen Durchmessers d2 in einer die Mittelachse enthaltenden Ebene angeordnet ist, so daß ihre Abstände A1, A2 zu der Innenwand der Meßkammer 8' verschieden sind.
In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 hat der Innenraum der Meßzelle 7 quadratischen Querschnitt, der Hitz- draht 1 ist wieder in der Mittelachse, der Hitzdraht 2 parallel dazu in einem Winkel des Innenraums angeordnet, die Abstände A1, A2 zur Zellenwand sind verschieden.
Andere Ausführungsmöglichkeiten zeigen die Figuren 5 und 6. In Figur 5 sind in den gasleitend verbundenen Kammern 8 und 9 gleichen Durchmessers D8, Dg jeweils axial die Hitzdrähte 1 und 2 unterschiedlichen Durchmessers d1, d2 aufgespannt. Der Hitzdraht 2 kann dabei in bekannter Weise als Wendel ausgeführt sein, der Abstand von seiner Oberfläche zur Kammerwand ist demnach kleiner als der entsprechende Abstand bei Hitzdraht 1.
In Figur 6 sind die beiden Hitzdrähte 1 und 2 unterschiedlichen Durchmessers d1, d2 exzentrisch in der zylindrischen Kammer 8' einer Meßzelle 7 in einer radialen Ebene mit gleichen Achsabständen zu der Kammerwand aufgespannt.

Claims

Patentansprüche ärmeleit-Meßzelle zur Gasanalyse im Bereich niedriger Absolutdrücke (C 0,1 bar), d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwei Hitzdrähte (1, 2) derselben Meßgasatmosphäre ausgesetzt sind und daß der Hitzdraht (1) dem Meßsystem und der Hitzdraht (2) einem Kompensationssystem angehört und daß die geometrischen Verhältnisse der Hitzdrähte (1, 2) selbst (d1, d2) und/oder ihre Abstände (A1, A2, D1, D2) zur Innenwand der Meßzelle (7) unterschiedlich sind und daß das Verhältnis der Heizleistungen der Hitzdrähte (1, 2) derart einstellbar ist, daß die spezifische Leistungsdichte der Wärmeabgabe aus den Oberflächen der Hitzdrähte (1, 2) gleich ist.
2. Warmeleit-Meßzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hitzdrähte (1, 2) unterschiedlichen Durchmessers (d1, d2) axial in gasleitend verbundenen Meßkammern (8, 9) gleicher Abmessungen aufgespannt sind.
3. Wärmeleit-Meßzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hitzdrähte (1, 2) unterschiedlichen Durchmessers (d1, d2) in einer gemeinsamen Meßkammer (8') achsparallel in einer radialen Ebene mit gleichen Abständen (A1, A2) zu der Kammerwand aufgespannt sind.
4. Wärmeleit-Meßzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hitzdrähte (1, 2) gleichen Durchmessers (d1, d2) axial in-gasleitend verbundenen Kammern (8, 9) verschiedenen Durchmessers (D1, D2) aufgespannt sind.
5. I;Tärmeleit-Meßzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hitzdrähte (1, 2) gleichen Durchmessers (d1, d2) parallel in einer die Mittelachse einer gemeinsamen Meßkammer (81) enthaltenden Ebene mit verschiedenen Abständen (A1, A2) zu der Kammerwand aufgespannt sind.
6. Wärmeleit-Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Hitzdrähte (1, 2) Zweige einer mit konstanter Leistung gespeisten Widerstandsmeßbrücke (11) sind.