DE3837951A1 - Vorrichtung zur konzentrationsmessung eines unerwuenschten gases in luft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (geliefert durch die Fa. New Cosmos Electric Co., Ltd., Tokio, Japan, als CO₂-Sensor Typ CT-3S für den Meßbereich 0 bis 100 Vol.-% CO₂) besteht jeder beheizbare temperaturab­ hängige Widerstand aus einem Thermistor, der in Form einer kleinen Kugel an einem elektrisch leitenden Faden ausgebildet ist. Die Enden des Fadens sind jeweils an einer Trägerelektrode leitend befestigt. Jeder Thermi­ stor ist von einer gesonderten, im Abstand voneinander angeordneten, an einer Stirnseite geschlossenen Hülse aus dünnem Aluminiumblech umgeben. Die Hülse des aktiven Thermistors ist mit einem elektrisch isolierenden Faser­ material angefüllt, das der Strömungsberuhigung des zu messenden Gas-Luft-Gemisches dient. Diese Hülse des aktiven Thermistors weist zahlreiche Durchbrechungen in ihrer Seitenwand auf. Beide Hülsen sind von einer gegen­ über einer Tragplatte für die Hülsen abgedichteten Kappe aus offenporigen Sintermetall im Abstand umgeben. Bei Temperatur- und/oder Strömungsschwankungen des zu messen­ den Gas-Luft-Gemisches, wie sie in den meisten Einsatz­ fällen, insbesondere bei Industrieeinsätzen, die Regel sind, ergeben sich bei der bekannten Vorrichtung zu starke Nullpunktschwankungen von bis zu 10% des Meßbereichs.

Es sind ferner temperaturabhängige Widerstände an sich bekannt (Prospekt "Thermal Conductivity Detector Ele­ ments for Gas Analysis from GOW-MAC", Bulletin SB-13 mit Druckkodierung 5M 8/84 der GOW MAC Instrument Co., Bridgewater, N. J. 08807, US), die jeweils ein langge­ strecktes, wendelförmiges, elektrisch beheizbares Fila­ ment aufweisen. Solche Widerstände werden bisher in Wärmeleitfähigkeitsdetektoren von Gaschromatographen eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Wärmeleit­ fähigkeitsmeßzellen der eingangs genannten Art den Nullpunkt zu stabilisieren, wobei die Ansprechdauer entweder nicht oder nur unwesentlich verlängert werden soll. Es sollen auch verhältnismäßig geringe Meßbereiche für das unerwünschte Gas, also hohe Meßempfindlichkei­ ten, erreicht werden.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Körper besitzt eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität. Er wird durch die beheizten temperaturab­ hängigen Widerstände und die Umgebungstemperatur auf einen recht stabilen Temperaturwert gebracht. Änderungen in der Umgebungstemperatur und Schwankungen in der Anströmung der Vorrichtung werden durch den Körper gepuffert und damit ihr ungünstiger Einfluß auf die Nullpunktstabilität und das Meßergebnis herabgesetzt. Die guten Wärmeleiteigenschaften des Körpers vergleich­ mäßigen die Temperatur der Wände der beiden Kammern. Die Vorrichtung eignet sich für den Nachweis von z.B. CO₂, Freonen wie R12 und R22, Halonen, H₂, He und SF₆, von denen einige nicht auf andere Weise nachweisbar sind. Die Nullpunktstabilität ist sehr hoch, so daß entspre­ chend niedrige Meßbereiche erreichbar sind. Für CO₂ sind z.B. Meßbereiche von 0 bis 20 Vol.-% bzw. 0 bis 10 Vol.-% möglich. Die Vorrichtung leistet einen wesentlichen Beitrag zur sicheren Messung toxischer Gase, insbeson­ dere zur Überwachung und Einhaltung der jeweiligen MAK-Werte (=Maximale Arbeitsplatzkonzentrationen, festgelegt durch die Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschäd­ licher Arbeitsstoffe der Deutschen Forschungsgemein­ schaft) und/oder bei der Messung explosibler Gase (UEG-Bereich). Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Körper aus Messing gefertigt.

Gemäß Anspruch 2 läßt sich der Körper verhältnismäßig einfach herstellen und die temperaturabhängigen Wider­ stände optimal relativ zueinander anordnen. Im montier­ ten Zustand liegen die Filamente praktisch parallel zueinander und im Abstand nebeneinander, wobei sich in dem Zwischenraum zwischen den beiden Filamenten eine Trennwand des Körpers befindet. Bezogen auf eine zu den Filamenten parallele Symmetrieebene werden die Filamente vorzugsweise spiegelbildlich zu dieser Symmetrieebene angeordnet. Dadurch erreicht man stets weitgehend gleiche Temperierbedingungen für die Filamente, also gute Voraus­ setzungen für die Nullpunktstabilität.

Die Einbaulage der Filamente gemäß Anspruch 3 hat sich als besonders zweckmäßig für einen ungestörten Meßbe­ trieb hoher Genauigkeit erwiesen.

Gemäß Anspruch 4 wird nach einer bevorzugten Ausführungs­ form nur eine Durchbrechung koaxial zu der zweiten Kammer angeordnet. Die Durchbrechung ist z.B. als Boh­ rung von 0,8 mm Durchmesser ausgebildet.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 ergeben sich, insbe­ sondere bei Verwendung nur einer Durchbrechung gemäß Anspruch 4, sehr günstige Strömungsverhältnisse des zu messenden Gasgemisches in der zweiten Kammer. Das aktive Filament wird praktisch nicht von einer direkten Strö­ mung des Gasgemisches getroffen. Vielmehr bildet sich in der zweiten Kammer ein Strömungsfeld aus, das das zu messende Gasgemisch gut beruhigt in besonders groß­ flächige Berührung mit dem aktiven Filament treten läßt. Vorzugsweise werden auf einer Mantellinie des Körpers zwei Durchbrechungen in axialem Abstand voneinander angeordnet. Auch diese Durchbrechungen können z.B. als Bohrungen von 0,8 mm Durchmesser ausgebildet sein. In dieser geometrischen Ausbildung und Anordnung der Durch­ brechungen sind diese besonders gut für den Nachweis von CO₂ geeignet.

Die Merkmale des Anspruchs 6 führen zu einer fertigungs­ technisch einfachen und zuverlässigen relativen Anord­ nung der Bauelemente. Vorzugsweise ist das Gehäuse hermetisch dicht und besteht die Kappe aus Sintermetall. Durch die Kappe wird das außen anströmende zu messende Gasgemisch abgebremst und beruhigt und diffuss im Inneren der Kappe in dem Zwischenraum zwischen Kappe und Körper verteilt. Aus diesem Zwischenraum gelangt das zu messen­ de Gasgemisch nach erneuter Beruhigung durch die Durch­ brechungen des Körpers in die zweite Kammer an das aktive Filament. An dem aktiven Filament bewirkt das zu messende Gasgemisch in Abhängigkeit von seiner Wärmeleit­ fähigkeit eine entsprechende Temperaturänderung, die in ein entsprechendes elektrisches Spannungssignal gewandelt wird. Ein ähnliches, aber konstantes Spannungssignal wird aus dem passiven Filament in der ersten Kammer gewonnen und, vorzugsweise in einer Brückenschaltung, mit dem von dem aktiven Filament abgeleiteten Signal verglichen. Daraus ergibt sich das Meßsignal.

Dieses Meßsignal wird vorzugsweise gemäß Anspruch 7 behandelt und zur Anzeige, Alarmierung und Registrierung ausgewertet. Über potentialfreie Umschaltkontakte auf den frei einstellbaren Alarmschwellen, Logik- und Meß­ wertausgängen können nachgeschaltete Einrichtungen, wie z.B. Lüfter, optische und akustische Signale, Regelein­ richtungen, Schreiber, usw. angesteuert werden. Der Abstand von der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu dem zugehörigen Meßeinschub kann bis über 5000 m betragen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 lassen sich die Teile der Schaltung funktionell und raumsparend in dem Gehäuse unterbringen.

Gemäß Anspruch 9 sind die Schaltungsteile für Montage, Überprüfung und ggf. Austausch sehr leicht zugänglich.

Gemäß Anspruch 10 ergibt sich ein vorverstärktes Meßsig­ nal, das sich praktisch verlustfrei auch über große Entfernungen zu dem zugehörigen Meßeinschub leiten läßt.

Gemäß Anspruch 11 können Störeinflüsse auf das Meßsignal vor seiner Weiterleitung an den Meßeinschub beseitigt werden. Vorzugsweise ist zumindest der Meßsignalvorver­ stärkungsteil der Schaltung als SMD (Surface Mounted Device) raumsparend ausgebildet.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Draufsicht auf eine Vorrichtung,

Fig. 2 die Seitenansicht nach Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 den oberen Teil einer Schnittansicht nach Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 die Ansicht nach Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 die Ansicht nach Linie V-V in Fig. 2 und

Fig. 6 eine in der Vorrichtung verwendete Schaltung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 mit einem für Wandaufbau eingerichteten Gehäuse 2, das hermetisch dicht ist. Das Gehäuse 2 weist einen Deckel 3 und eine Dose 4 (Fig. 2) auf, die durch Schrauben 5 aneinander befestigt sind. Die Dose ist an ihrer Unterseite mit Wandbefestigungs­ laschen 6 und an ihrer unteren Seitenfläche mit einem durchgehenden Stopfen 7 mit elastischer Ringmembran 8 zur dichten Durchführung von elektrischen Kabeln verse­ hen. Das Gehäuse 2 besteht aus elektrisch gut isolieren­ dem Kunststoff und ist zur Montage an einer senkrechten Wand vorgesehen.

Mittig auf dem Deckel 3 ist mit Schrauben 9 ein Schutz­ korb 10 befestigt, der eine aus offenporigem Sinter­ metall bestehende Kappe 11 (vgl. Fig. 3) umschließt und dem umgebenden Gemisch aus Luft und einem unerwünschten Gas praktisch ungehinderten Zutritt zu der Kappe 11 gestattet. Der Schutzkorb besteht aus Kunststoff und hält mechanische Einwirkungen von der Kappe 11 fern. Gemäß Fig. 3 übergreift der Schutzkorb 10 mit einer Schulter 12 einen Außenflansch 13 der Kappe 11. Beim Festziehen der Schrauben 9 wird auf diese Weise die Kappe 11 axial dicht gegen einen O-Ring 14 gedrückt, der unten an dem Deckel 3 anliegt.

Durch eine Öffnung 15 in dem Deckel 3 erstreckt sich ein kreiszylindrischer Körper 16 aus Messing, der mit einem Außenflansch 17 an einer Innenfläche 18 des Deckels 3 dicht verklebt ist. Der Körper 16 erstreckt sich in die Kappe 11 hinein. Zwischen dem Körper 16 und der Kappe 11 besteht ein allseitiger Zwischenraum 19, der eine gute Verteilung des durch die Kappe 11 hindurchdiffundieren­ den Gasgemisches um den Körper 16 herum gestattet.

In dem Körper 16 sind nebeneinander eine erste Kammer 20 und eine zweite Kammer 21 als achsparallele Sacklöcher ausgebildet, die in eine erste Stirnfläche 22 des Kör­ pers 16 münden. In jede der Kammern 20, 21 erstreckt sich von unten her hermetisch abgedichtet ein tempera­ turabhängiger Widerstand 23 und 24 mit jeweils einem langgestreckten, offenliegenden, elektrisch beheizbaren Filament 25 und 26. Die Filamente 25, 26 sind jeweils gewendelt, verlaufen parallel zueinander und sind je­ weils an Trägerelektroden 27, 28 und 29, 30 elektrisch leitend befestigt. Die Filamente 25, 26 sind elektrisch beheizbar. Das passive Filament 25 befindet sich in der hermetisch abgedichteten ersten Kammer 20 in Luft als Bezugsgas. Die zweite Kammer 21 ist über Durchbrechungen 31, 32 und 33 in dem Körper 16 mit dem Zwischenraum 19 ständig verbunden. Die Durchbrechungen 31 bis 33 sind jeweils als Bohrung von 0,8 mm Durchmesser ausgebildet und befinden sich sämtlich jenseits des aktiven Fila­ ments 26. Die Durchbrechung 31 mündet in eine zweite Stirnfläche 34 des Körpers 16 und ist koaxial mit der zweiten Kammer 21 angeordnet. Die Durchbrechungen 32, 33 liegen auf einer Mantellinie des Körpers 16 in axialem Abstand voneinander. Diese in Fig. 3 gezeigte Anordnung und Kalibrierung der Durchbrechungen 31 bis 33 ist besonders für den Nachweis von CO₂ geeignet.

Jede Schraube 9 ist durch eine Bohrung in dem Deckel 3 hindurchgeführt und in eine Gewindebuchse 35 einge­ schraubt, die sich an der Innenfläche 18 abstützt. Die Gewindebuchse 35 dient gleichzeitig als Abstandshalter und Träger für einen als SMD-Schaltung ausgebildeten Meßsignalvorverstärkungsteil 36 einer elektrischen Schaltung 37. Der Meßsignalvorverstärkungsteil 36 ist durch Schrauben 38 an den Gewindebuchsen 35 festgelegt und mit den Trägerelektroden 27 bis 30 elektrisch lei­ tend verbunden.

Gemäß Fig. 4 ist am Boden der Dose 4 ein als gedruckte Schaltung ausgebildeter Spannungsversorgungsteil 40 der Schaltung 37 mit Schrauben 39 befestigt. Ein Flachband­ kabel 41 stellt die elektrische Verbindung zu dem Meßsig­ nalvorverstärkungsteil 36 gemäß Fig. 5 her.

In Fig. 4 ist an der Dose 4 eine ununterbrochen umlau­ fende, nach außen hin vorspringende Dichtungsrippe 42 aus formbeständigem Kunststoff erkennbar. Der Stopfen 7 ist durch eine Mutter 43 mit der Wand der Dose 4 dicht verschraubt.

Fig. 5 zeigt einen Blick auf die Unterseite des Deckels 3 und den gesamten Meßsignalvorverstärkungsteil 36. Zur Vereinfachung der Darstellung sind jedoch hier wie auch bei dem Spannungsversorgungsteil 40 in Fig. 4 die elek­ tronischen Bauelemente der Schaltung 37 und ihre elek­ trische Verknüpfung nicht dargestellt.

Der Deckel 3 weist gemäß Fig. 5 eine ununterbrochen umlaufende Nut auf, in die, komplementär zu der Dich­ tungsrippe 42 gemäß Fig. 4, ein endloser Dichtungsstrei­ fen 44 eingelegt wird. Durch das Zusammenwirken von Dichtungsrippe 42 und Dichtungsstreifen 44 wird bei angezogenen Schrauben 5 eine hermetische Abdichtung des Gehäuses 2 erreicht. Andererseits sind nach dem Lösen der Schrauben 5 und dem Abnehmen des Deckels 3 die Teile 36 und 40 der Schaltung 37 gut und schnell zugänglich.

Fig. 6 zeigt Einzelheiten der elektrischen Schaltung 37 mit ihrer Unterteilung in dem Meßsignalvorverstärkungs­ teil 36 und dem Spannungsversorgungsteil 40.

Der Spannungsversorgungsteil 40 ist durch Eingangslei­ tungen 45 und 46 mit einer nicht gezeichneten Speise­ spannungsquelle von z.B. 24 V Gleichstrom verbunden. Den Eingangsleitungen 45, 46 folgt ein Schaltnetzteil 47 an sich bekannter Bauart.

Der Meßsignalvorverstärkungsteil 36 besitzt zunächst eine die beiden temperaturabhängigen Widerstände in Gestalt der Filamente 25, 26 enthaltende Brückenschal­ tung 48 mit Nullabgleich durch ein Potentiometer 49. Ausgänge 50 und 51 der Brückenschaltung 48 sind jeweils über einen Tiefpaß 52 und 53 mit einem Instrumentenver­ stärker 54 verbunden, dem ein aktives Tiefpaßfilter 55 nachgeschaltet ist. Das vorverstärkte Meßsignal führende Ausgangsleitungen 56 und 57 des Meßsignalvorverstärkungs­ teils 36 sind durch die elastische Ringmembran 8 des Stopfens 7 (Fig. 2) hindurchgeführt.

Claims (11)

1. Stationäre Vorrichtung (1) zur Detektierung und Messung der Konzentration eines unerwünschten Gases in Luft durch Wärmeleitfähigkeitsmessung,
mit zwei elektrisch beheizbaren temperaturabhängigen Widerständen (23, 24),
von denen ein passiver temperaturabhängiger Wider­ stand (23) in einer mit Luft als Bezugsgas gefüllten, hermetisch abgedichteten ersten Kammer (20) angeord­ net ist und ein aktiver temperaturabhängiger Wider­ stand (24) in einer der ersten Kammer (20) benachbar­ ten zweiten Kammer (21) angeordnet ist,
wobei in einer Wand der zweiten Kammer (21) wenig­ stens eine Durchbrechung (31, 32, 33) vorgesehen ist, die die zweite Kammer (21) mit der Umgebung verbin­ det, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (20) und die zweite Kammer (21) in einem gemeinsamen Körper (16) aus gut wärmeleitendem Stoff ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (16) zylindrisch ist und die beiden Kammern (20, 21) als achsparallele, in eine erste Stirnfläche (22) des Körpers (16) mündende Sacklöcher ausgebildet sind, und daß die temperaturabhängigen Widerstände (23, 24) sich jeweils mit einem langge­ streckten, offenliegenden, elektrisch beheizbaren Filament (25, 26) in die zugehörige Kammer (20, 21) erstrecken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im montierten Zustand der Vorrichtung (1) die Längsachsen der beiden Filamente (25, 26) in einer gemeinsamen, waagerechten Ebene angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens eine Durchbrechung (31) in eine zweite Stirnfläche (34) des Körpers (16) mündet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Durchbrechung (32, 33) jenseits des aktiven Filaments (26) in eine Seitenfläche des Körpers (16) mündet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Körper (16) sich durch eine Öffnung (15) in einer Wand eines Gehäuses (2) nach außen erstreckt, und daß der Körper (16) außer­ halb des Gehäuses (2) mit einem allseitigen Zwischen­ raum (19) von einer gegenüber dem Gehäuse (2) abge­ dichteten Kappe (11) aus offenporigem Stoff umgeben ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (2) eine elektrische Schaltung (37) zur Vorverstärkung eines von dem aktiven tempe­ raturabhängigen Widerstand (24) gewonnenen Meßsignals angeordnet ist, und daß das vorverstärkte Meßsignal führende Ausgangsleitungen (56, 57) der Schaltung (37) durch eine Wand des Gehäuses (2) abgedichtet hindurch­ geführt (8) und mit einem Meßeinschub für die Auswer­ tung des vorverstärkten Meßsignals verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (37) in einen Spannungsversorgungs­ teil (40) und einen mit dem Spannungsversorgungsteil (40) elektrisch leitend verbundenen (41) Meßsignal­ vorverstärkungsteil (36) unterteilt ist, und daß der Spannungsversorgungsteil (40) über durch eine Wand des Gehäuses (2) abgedichtet hindurchgeführte (8) Eingangsleitungen (45, 46) mit einer Speisespannungs­ quelle verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsversorgungsteil (40) in einer Dose (4) des Gehäuses (2) und der Meßsignalvorverstärkungs­ teil (36) an einem Deckel (3) des Gehäuses (2) ange­ bracht sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßsignalvorverstärkungsteil (36) eine die beiden temperaturabhängigen Widerstände (23, 24) enthaltende Brückenschaltung (48) mit Null­ abgleich (49) und einen den Ausgängen (50, 51) der Brückenschaltung (48) nachgeschalteten Instrumenten­ verstärker (54) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Instrumentenverstärker (54) ein aktives Tiefpaßfilter (55) des Meßsignalvorverstärkungsteils (36) nachgeschaltet ist.