DE2828429C3 - Wärmeleit-Gasanalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeleit-Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 Hitzdrahts 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. CO,, 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 bestimmende den Komponente des Meßgases gefüllt ist. Das Brükkenausgangssignal ergibt in diesem Falle den Anteil des Vergleichsgases im Meßgas (siehe z. B. Betriebsanweisung Nr. 1804-00 00005 000 500 für den Wärmeleit-Gasanalysator der Firma W. H. Joens & Co.

GmbH vom November 1972, Abschnitt 1.3).

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ist es auch üblich, vier Heizdrähte zu verwenden, die paarweise dem Meßgas bzw. dem Vergleichsgas ausgesetzt und zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet sind (vergleiche beispielsweise Siemens-Taschenbuch für Messen und Regeln in der Wärme- und Chemietechnik, 3. Auflage, 1960, Seite 68, Bild 20).

Bei einem dem Umgebungsdruck entsprechenden Gasdruck ist die Wärmeleitung in der Meßzelle druckunabhängig.

Unterhalb 0,1 bar tritt jedoch in zunehmendem Maße der Pirani-Effekt, d. h., das Meßsignal wird nicht nur von der Wärmeleitfähigkeit des Meßgases, sondern auch von dessen Druck abhängig. Die mittlere, fr^ie 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 Druckabhängigkeit durch Vergrößerung des Hitzdrahtdurchmessers zu verringern, vorzugsweise durch

■50 Verwendung gewendelter Hitzdrähte, wobei der 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, einen Wärmeleit-Gasanalysator zu schaffen, bei dem die Druckabhängigkeit des Meßsignals im Bereich niedriger Absolutdrücke auf ein vernachlässigbares Maß verringert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Da bei der erfindungsgemäßen Ausführung eines Wärmeleit-Gasanalysators beide Drähte in Meßgasatmosphäre unter gleichem Druck arbeiten, wird bei

gleicher abgegebener Wärmeleistung der Drähte 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 Hitzdrähten 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 Fig. 1 bis 6 der prinzipielle Aufbau der Meßzelle nebst Schaltung sowie verschiedene Ausführungsformen schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.

Fig. 1: Zwei Hitzdrähte 1 und 2 aus einer Platinlegierung bilden benachbarte Zweige einer Widerstandsmeßbrücke 11, die durch einen festen Widerstand 3 und den einstellbaren Widerstand 4 vervollständigt ist und die über den die aufgenommene Leistung konstanthaltenden Serienwiderstand aus einer Konstantspannungsquelle gespeist wird. Die Brückensignalspannung wird von einem Differenzverstärker 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, in der kleineren Kammer 9 der gleiche Hitzdraht 2, sie sind derselben Gasatmosphäre unter gleichem Druck ausgesetzt, so daß die Druckabhängigkeit des Meßeffekts 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 Fig. 2 ist ein Querschnitt der in Fig. 1 angedeu-

teten Meßzelle 7 dargestellt. Zwei parallele rohrförmige Kammern 8 und 9, deren Durchmesser D^, D_y 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

ίο Durchmessers aufgespannt.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Meßzelle 7 als rohrförmige Kammer 8' ausgebildet, wobei der Hitzdraht 1 mit dem Durchmesser d, in der Mittelachse und der Hitzdraht 2 gleichen Durchmes-

l; sers d₂ in einer die Mittelachse enthaltenden Ebene angeordnet ist, so daß ihre Abstände A₁, A₂Zu der Innenwand der Meßkammer 8' verschieden" sind.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 hat die Meßkammer 8' der Meßzelle 7 quadratischen Querschnitt, der Hitzdraht 1 ist wieder in der Mittelachse, der Hitzdraht 2 parallel dazu in einem Winkel des Innenraums der Meßkammer 8' angeordnet, die Abstände A₁, A₁ zur Kammerwand sind verschieden. Andere Ausführungsmöglichkeiten zeigen die

Fig. 5 und 6. In Fig. 5 sind in den gasleitend verbundenen rohrförmigen Kammern 8 und 9 gleichen Durchmessers D_s, D^ jeweils axial die Hitzdrähte 1 und 2 unterschiedlichen Durchmessers d_v 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 Fig. 6 sind die beiden Hitzdrähte 1 und 2 unterschiedlichen Durchmessers d_v d, exzentrisch in der

rohrförmigen Kammer 8 der Meßzelle 7 in einer die Mittelachse enthaltenden Ebene mit gleichen Achsabständen zu der Kammerwand aufgespannt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Wärmeleit-Gasanalysator mit

a) einer Meßzelle,

b) zwei in der Meßzelle angeordneten und derselben Meßgasatmosphäre ausgesetzten Hitzdrähten,

c) einer den Hitzdrähten einen Heizstrom zuführenden Versorgungsschaltung sowie

d) einer Meßschaltung zur Ermittlung der Gaskonzentration anhand der Widerstandswerte der Hitzdrähte,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) die Abmessungen der Hitzdrähte (1, 2) und/oder ihre Abstände zur Innenwand der Meßzelle (7) unterschiedlich sind,

f) die Versorgungsschaltung Schaltelemente (3, 4) zur unterschiedlichen Einstellung der Heizströme der beiden Hitzdrähte (1,2) aufweist, und

g) die Meßschaltung Schaltkreise (6) zur Ermittlung der Differenz der Widerstandswerte der beiden Hitzdrähte umfaßt.

2. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (7) zwei gasleitend miteinander verbundene rohrförmige Kammern (8,9) aufweist, daß die Hitzdrähte (1,2) unterschiedlichen Durchmesser (d_v d₂) haben und jeweils axial in den beiden Kammern (8, 9) aufgespannt sind.

3. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kammern (8, 9) gleiche Abmessungen haben.

4. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzdrähte (1, 2) innerhalb einer gemeinsamen rohrförmigen Kammer (8') der Meßzelle (7) in einer die Achse der Kammer (8') enthaltenden Ebene jeweils achsparallel aufgespannt sind und unterschiedlichen Durchmesser (d_v tf₂), aber gleichen Abstand von der Wand der gemeinsamen Kammer (8') haben.

5. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (7) zwei gasleitend miteinander verbundene rohrförmige Kammern (8, 9) unterschiedlichen Durchmessers (D₈, D₉) aufweist, und daß die Hitzdrähte (1, 2) jeweils axial in den Kammern (8, 9) aufgespannt sind und gleichen Durchmesser (d_v d₂) haben.

6. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzdrähte (1, 2) gleichen Durchmesser (U₁, d₂) haben und in einer gemeinsamen rohrförmigen Kammer (8') parallel zur Achse der Kammer (8') in einer die Achse enthaltenden Ebene und in unterschiedlichem Abstand (A_}, A₂) von der Wand der Kammer aufgespannt sind.