DE2952137B1 - Fuehler zur Messung der Waermeleitung in Gasen - Google Patents

Description

• Der Temperaturmeßdraht integriert über seine gesamte Länge die örtliche Gastemperatur und stellt mit seinem Widerstand ein Signal zur Verfügung, das nun unabhängig von Konvektionsstörungen ist, die parallel zu der durch die Meßdrahtschlaufe gehenden Ebene verlaufen. Konvektionsstörungen führen zu Verzerrungen der den Heizdraht umgebenden »Wärmewolke«. Zum Beispiel wird bei einem plötzlichen Stoß die Gastemperatur links vom Heizelement größer und dafür rechts vom Heizelement gleichartig geringer.
• Da der Temperaturmeßdraht über beide Seiten integriert, kompensiert sich die Temperaturstörung.
• Durch eine »spaltförmige« Abgrenzung des Raumes V also eine Form, bei der der Raum in der Richtung senkrecht zur Ebene der Meßdrahtschlaufe wesentlich kleiner als in den beiden andercn Richtungen ist, kann erreicht werden, daß Konvektionsströmungen nur weitgehend parallel zu den in A b b. 2 gezeigten Spaltwänden 8 und 10 erfolgen können und somit die beschreibende Kompensation voll wirksam wird. Für evtL Strömungen senkrecht zur Spaltbegrenzung würde die Kompensation nicht mehr voll wirken. Die Spalthöhe h liegt günstigerweise zwischen 0,3 und 0,6 mm.
• Um eine von Gasströmungen unbeeinflußte Temperaturmessung im Gas durchführen zu können, muß der Temperaturmeßdraht örtlich gleiche Temperatur wie das umgebende Gas haben. Eine Übertemperatur des Temperaturmeßdrahtes würde sofort einen strömungsabhängigen Einfluß auf die Temperaturmessung erzeugen, da die Übertemperatur naturgemäß vom Wärmeübergangswiderstand abhängt. Eine Temperaturmessung ohne Übertemperatur bedeutet bei der in der Gasanalyse üblichen Kleinheit der Fühlergebilde eine sehr geringe Meßleistung.
• Um bei der geringen Meßleistung eine ausreichende Stabilität aer Anlage zu erreichen, ist eine Umsetzung der z. B. temperaturabhängigen Widerstandsmessung des Temperaturfühlers in eine Wechselspannung unbedingt erforderlich, um das Meßsignal von ständig im Meßkreis gegenwärtigen Thermospannungen zu trennen.
• A b b. 3 zeigt ein ausgeführtes Beispiel einer Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle. Der Aufbau der Meßzelle ist in »Sandwich«-Weise durchgeführt. Eine Bodenplatte 8 aus Keramik bildet den unteren Abschluß. Der spaltförmige Raum V(nicht besonders gekennzeichnet) wird von dem keramischen Formenteil 9 gebildet. Eine Deckplatte 10 vervollständigt das Meßgehäuse. Über die Öffnung 11 der Deckplatte 10, eine dieser Öffnung entsprechende Aussparung (13) im Formteil q und einen diese Aussparung mit dem Raum Vverbindenden Kanal (14) steht der Raum V mit der äußeren Umgebung der Meßzelle in Verbindung. Die Spalthöhe hdes Raumes V beträgt ca. 0,5 mm, die Breite b ca. 0,6 mm. Die Tiefe t beträgt im ausgeführten Beispiel ca. 1.5 mm. Das Formteil weist weiterhin den mit dem Raum V in Verbindung stehenden Raum 7 auf, der zur Handhabung der Kontaktierungen der Zuleltungen mit dem Heiz-und Meßdraht benötigt wird und günstig so klein wie möglich ausgeführt werden soll, um unnütze Gashohlräume zu vermeiden. Die Teile 8 bis 10 sind mit Gaslot bei Temperaturen über 500° C verschmolzen.
• In dem Raum Vwird als Heizelement ein Heizdraht 1 schlaufenförmig zwischen 2 Elektroden 3 und 4 gehalten. Der Durchmesser des Heizdrahtes beträgt z. B. 10 Zm. Parallel zu Heizdraht 1 wird zwischen den Anschlüssen 5 und 6 der Temperaturmeßdraht 2 angeordnet.
• Der Durchmesser des Temperaturmeßdrahtes im ausgeführten Beispiel beträgt ca. 10 leim. Der Abstand des Temperaturmeßdrahtes vom Heizdraht beträgt auf der ganzen Drahtlänge ca. 0,1 mm. Die Elektroden 3 bis 6 werden in nicht dargestellten Schlitzen zwischen der Bodenplatte 8 und dem Formteil 9 eingeschmolzen unter Verwendung eines Gaslotes.
• Die Messung der Wärmeleitfähigkeit selbst erfolgt durch Widerstandsmessung in an sich bekannter Weise.
• Vorzugsweise erfolgt die Messung über 2 unabhängige Meßsysteme, wobei die beiden Meßdrähte die zwei Zweige einer Brückenschaltung bilder und die Brücke mit Rechteckwechselspannung gespeist wird.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Fühler zur Messung der Wärmeleitung in Gasen, mit einem in einem spaltförmigen Meßraum angeordneten elektrisch erwärmten Heizkörper, dadurch gekennzeichnet. daß die Seitenwände (12) des Meßraums einen geringen Abstand zum Heizkörper (1) aufweisen und um den Heizkörper (1) ein Temperaturmeßdraht (2) angeordnet ist, der zum Heizkörper auf seiner gesamten Länge einen möglichst gleichen, geringen Abstand hat, den Heizkörper auf mindestens zwei sich gegenüberliegenden Seiten umschlingt und in einer zu den Spaltwänden (8, 10) parallelen Ebene angeordnet ist.
2. 2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (1) ein U-förmig gebogener Draht ist und der Meßdraht (2) ebenfalls U-förmig im gleichen Sinne um den Heizdraht (1) bei gleichförmigem Abstand angeordnet ist.
3. 3. Fühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrom für die Widerstandsbestimmung des Temperaturmeßdrahtes so klein ist, daß sich keine störende Eigenerwärmung des Meßdrahtes ergibt.
4. 4. Fühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturmeßdraht (2) mit Wechselstrom beaufschlagt ist.
5. 5. Fühler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da3 zwei unabhängige Meßsysteme für eine Wärmeleitungsdifferenzmessung vorgesehen sind und beide Temperaturmeßdrähte (2) Zweige einer Brückenschaltung bilden, die mit einer Rechteckwechselspanriung gespeist wird.

   Die Erfindung betrifft einen Fühler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

   Die Analyse von Gasen über die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit der Gase oder Gasmischungen ist ein über 90 Jahre altes Verfahren und dementsprechend in vielfältigster Bauart in der Betriebsmeßtechnik verwendet worden. Auch heute ist bei einer beachtlichen Zahl von Anwendungen die Gasanalyse mit Wärmeleitfähigkeitsdetektoren hochaktuell. Die am Markt erhältlichen Wärmeleitfähigkeitsdetektoren haben jedoch beachtliche Schwächen, die besonders dann in Erscheinung treten, wenn ein Prozeß über die Gasanalysemessung geregelt werden soll. Die Schwächen der bekannten Geräte liegen besonders in der langsamen Anzeige und der Abhängigkeit der Anzeige von der Durchflußmenge. Beide Einflüsse sind miteinander verknüpft und lassen sich nur durch Kompromisse einzeln verbessern.

   Der allgemein übliche Aufbau zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen ist derartig, daß man einem in dem unbekannten Gas möglichst frei aufgehängten, heizbaren Körper, meist einem Heizdraht oder einem Heißleitergebilde, eine bestimmte elektrische Heizleistung zuführt. Die mit dieser Leistung erzielte Temperatur des geheizten Körpers ist ein Maß für die Wärmeleiteigenschaft des Gases.

   Hat das Gas gute Wärmeleiteigenschaften, so wird der Körper stärker abgekühlt als von einem Gas mit schlechter Wärmeleitung.

   Die Temperatur des geheizten Körpers wird üblicherweise mit dem selben Bauteil gemessen, mit dem auch die elektrische Heizleistung umgesetzt wird. Besteht z. B. der geheizte Körper aus einem dünnen Metalldraht oder einer Metallwendel mit einem endlichen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, so ist dieser Widerstand ein Maß für die Drahttemperatur.

   Mit einer üblichen Meßbrückenschaltung läßt sich die Drahttemperatur und damit die Wärmeleiteigenschaft des Gases bestimmen.

   In der Praxis zeigen sich jedoch störende Nebeneinflüsse. So ist Wärmeabfuhr am geheizten Körper nicht nur von der Wärmeleiteigenschaft des Gases abhängig, sondern auch von den Konvektionsbedingungen innerhalb des Gases. Strömt das Gas in irgend einer Weise am heißen Körper vorbei, so bedeutet dies zusätzlichen Wärmetransport und täuscht somit eine Wärmeleitungsänderung vor.

   Um die Wärmeleitfähigkeit mit ausreichender Genauigkeit feststellen zu können, muß eine evtL vorhandene Gaskonvektion stabil und ungestört sein.

   Das erklärt die Schwierigkeit, die bei dem für die Messung nötigen Gaswechsel auftritt. Es werden daher in der Praxis die unterschiedlichsten Strömungs- und Diffusionsanordnungen für den Gaswechsel angewendet.

   Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anzeigegeschwindigkeit zu erhöhen und die Abhängigkeit der Anzeige von der Durchllußmenge zu beseitigen.

   Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

   Bei der vorliegenden Erfindung hat die Gaskonvektion prinzipiell keinen Einfluß auf das Meßergebnis.

   Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Im Raum V (Abb. 1) wird etwa in dessen Mitte der geheizte Körper 1 möglichst weitgehend freitragend angeordnet, um die Wärmeabfuhr nur über aas Gas zu tätigen. Der Raum V kann unterschiedliche Abmessungen aufweisen, doch soll der Abstand der Wand 12 von dem geheizten Körper nach allen Seiten kleiner als 1 mm sein, um freie Konvektion durch thermische Auftriebskräfte zu unterdrücken. Bei größeren Wandabständen wird durch die dann auftretende freie Konvektion ein Rauscheffekt der Anzeige begünstigt, der den kleinstmöglichen Meßbereich für die Wärmeleitfähigkeitsmessung einschränkt. Der Raum V kann z. B. aus rechteckförmig angeordneten Wänden (in A b b. 1 dargestellt) bestehen. Der Temperaturmeßdraht 2 wird in geeignetem Abstand, z. B. 0,1 mm bis 0,2 mm, unter Wahrung eines gleichförmigen Abstandes rund um den geheizten Körper angeordnet. Dem heizbaren Körper wird in bekannter Weise eine definierte elektrische Heizleistung zugeführt. Seine Temperatur ändert sich abhängig von der Wärmeleitung und der Gaskonvektion, die z. B. bei plötzlichen Druck- oder Strömungsänderungen oder auch bei Erschütterungen die Temperatur des heißen Körpers beeinflußt.