NL8600088A - Inrichting voor het meten van de warmtegeleiding van gassen. - Google Patents

Description

i § r i 70 7579

Titelï Inrichting voor het meten van de warmtegeleiding van gassen.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het meten van de warmtegeleiding van gassen door middel van een eerste, elektrisch in een meetbrug en in een stroomshunt van een hoofdstroomkanaal opgestelde, te verwarmen en temperatuurafhankelijke meetweerstand.

5 Dergelijke inrichtingen worden normaliter toegepast in gasanalyse- inrichtingen aangezien de afzonderlijke gassen zich door verschillende warmtegeleidingsgetallen van elkaar onderscheiden. Het voornaamste bezwaar van deze inrichtingen en meetweerstanden is daarin, gelegen, dat de meetwaarden in sterke mate afhankelijk zijn van de stroomsnelheid 10 vein het te analyseren medium. Zo spiegelt bijvoorbeeld, een grotere stroomsnelheid een grotere warmtegeleiding voor dat wil zeggen, dat de stabiliteit van het uitgangssignaal afhankelijk is van zich veranderende debieten. In principe kan men dit zo uitdrukken, dat de meetsonde niet in staat is een verschil te maken tussen een afkoeling door stroming 15 en een dergelijke afkoeling door warmtegeleiding.

Men kan echter niet afzien van een stroming aangezien de gassamenstelling zich kan veranderen en toch een geschikte aanspreeksnelheid nodig is.

Derhalve staan twee eisen diametraal tegenover elkaar namelijk 20 enerzijds de eis tot een grote meetnauwkeurigheid en anderzijds de eis tot een grote aanspreeksnelheid.

Een inrichting van het bovenbeschreven type is bekend uit fig. 6 van het DE-AS 21 56 752. Daarbij wordt de invloed van de stroomsnelheid gereduceerd doordat men de temperatuursonde opstelt in een shunt, der-25 halve blootstelt aan slechts een deelstroom. Des te kleiner de stroomsnelheid in de shunt is, des te nauwkeuriger is de meetwaarde, des te groter echter ook de aanspreektijd en omgekeerd.

.Wanneer in het grensgeval volledig wordt afgezien van een gasuitwisseling door stroming, dan is de meetnauwkeurigheid dienovereenkom-30 stig groot doch is de aanspreektijd buitengewoon groot. Een dergelijke meetsonde, welke in verband met het principe van de gasuitwisseling ook als "diffusiecel" wordt aangeduid, is bekend uit het Duitse octrooi-schrift 29 52 137. Daarbij dient zelfs een door temperatuurverschillen veroorzaakte convectie nog door een bijzonder klein volume van de meet-

'** *Y

* i }- * ll H 'H

- \r V* V

> Λ -,

w 'X

* - 2 - cel te worden onderdrukt. De meting zelf geschiedt door een energietransport tengevolge van warmtegeleiding tussen een verwarmingsdraad en een temperatuurmeetdraad. Ondanks de aanzienlijke miniaturisering van deze niet van hetzelfde type zijnde oplossing heeft deze echter het be-5 zwaar van een grote traagheid.

De uitvinding stelt zich derhalve ten doel een inrichting van het bovenbeschreven type, derhalve een inrichting met een stroomshunt, te verschaffen, die ondanks een grote aanspreeksnelheid slechts een bijzonder geringe stroomgevoeligheid bezit, 10 De oplossing van het gestelde probleem vindt bij de inrichting van het bovenbeschreven type volgens de uitvinding plaats doordat (a) in de onmiddellijke nabijheid van de eerste meetweerstand een tweede te verwarmen en temperatuurafhankelijke meetweerstand is opgesteld, welke beide weerstanden in de richting van de stroombaan achter 15 elkaar zijn gelegen, en (b) de beide meetweerstanden elektrisch in tegengestelde takken van de meetbrug zijn opgenomen.

Door de combinatie van de beide maatregelen vindt een compensatie van de aan de afzonderlijke meetweerstanden nog steeds aanwezige stroom-20 afhankelijkheid plaats. Zolang als de stroomsnelheid nul is, onstaat in de direkte omgeving van de beide verwarmde meetweerstanden een temperatuurprofiel, dat ten opzichte van een symmetrievlak tussen de beide meetweerstanden eveneens symmetrisch is. De weerstandswaarden van de beide meetweerstanden zijn in het ideale geval ook aan elkaar gelijk. Zodra 25 nu een stroming begint, verschuift tengevolge van het extra warmtetransport het temperatuurmaximum in een richting van de stroomafwaarts gelegen meetweerstand. Het door dit temperatuurverschil optredende verschil in de weerstandswaarden is nu een maat zowel voor de stroomsnelheid als ook voor de warmtegeleiding van het betreffende gas of gasmengsel.

30 Aangezien nu de beide meetweerstanden volgens de uitvinding elektrisch in tegenovergelegen takken van de meetbrug zijn opgesteld, wordt de in de beide meetweerstanden tegengesteld werkzame invloed van de stroom- e snelheid gecompenseerd doch blijft de in de beide meetweerstanden in dezelfde richting verlopende invloed van de warmtegeleiding behouden.

35 Het is duidelijk, dat ook bij de oplossing volgens de uitvinding '•Ή. ** ν-Ί. _;«v M .

'iS1 J -Τ' Λ* \f ? ·* - 3 - een miniaturisering van de eigenlijke meetcel ten aanzien van het volume en de stroombanen daarvan van voordeel is doch deze noodzakelijkheid is in het geheel niet zo kritisch als bij de materie volgens het Duitse octrooischrift 29 52 137.

5 De verhouding tussen shuntstroom en totaalstroom kan bijvoor beeld als 1:1000 worden gekozen. Bij een celvolume van ongeveer 5 mm3 verkrijgt men dan een door de lege spoeling veroorzaakte tijdconstante van ongeveer 0,3 seconden. Door op een geschikte wijze uitgevoerde meetweerstanden met een materiaaldikte van bijvoorbeeld 5 ^im kan voor 10 de meetsonde een tijdconstante van minder dan 0,1 seconde worden verkregen, zodat aanspreektijden van minder dan 0,4 seconde kunnen worden verkregen. Onder verwijzing naar de gedetailleerde beschrijving zal nog worden aangegeven, dat deze waarden verder kunnen worden gereduceerd.

Weliswaar is uit het DE-Gbm 1 920 597 en het Duitse Auslegeschrift 15 1 256 909 reeds bekend verwarmde meetweerstanden in de stroomrichting achter elkaar te verbinden en weerstandsveranderingen door een meetbrug te bepalen doch deze maatregel geschiedt voor een tegengesteld doel namelijk het bepalen van massastromen. Ook zijn hierbij verwarmde tempe-ratuurafhankelijke meetweerstanden in dezelfde tak van de brug opgenomen, 20 zodat de invloed van de warmteoverdracht door stroming een additief karakter heeft.

Bij een· verdere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding is het van bijzonder voordeel wanneer de beide meetweerstanden meandervormig zijn uitgevoerd en in een doorgaand venster van een ondersteuningslichaam 25 zijn opgesteld, dat op een gelamelleerde wijze uit drie isolerende congruente plaatjes kan zijn opgebouwd.

Verder is het van voordeel wanneer het ondersteuningslichaam is opgesteld tussen keramische platen, die elk zijn voorzien van een eigen verwarmingsweerstand, door middel waarvan de meetcel op een geregelde 30 wijze op een constante temperatuur kan worden verwarmd.

Aangezien de warmtegeleiding in de richting naarde celwand evenredig is met het verschil van de temperaturen tussen de meetweerstand enerzijds en de celwand anderzijds dient de thermostatische verwarming van de meetcel voor een extra meetnauwkeurigheid.

^ p ./* Λ '·· £ 'v Vi* ί - 4 - « \

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naarde tekening. Daarbij toont: fig. 1 een langsdoorsnede van de stroomkanalen in een meetcel, die op zijn beurt radiaal op een hoofdstroomkanaal is geplaatst; 5 fig. 2 een bovenaanzicht van het centrale isolerende plaatje van het op een gelamelleerde wijze opgebouwde ondersteuningslichaam; fig. 3 een sectie van fig. 1 op vergrote schaal, namelijk het ondersteuningslichaam onder insluiting van het centrale plaatje volgens fig. 2; 10 fig. 4 de elektrische schakeling van de meetweerstanden in de meetbrug; en fig. 5 de karakteristiek voor de stroomafhankelijkheid van elk van de beide meetweerstanden.

In fig. 1 is een hoofdstroomkanaal 1 met een langsboring 2 afge-15 beeld, welke bijvoorbeeld een diameter van 3 mm bezit. Het hoofdstroomkanaal bezit in de zeer dichte nabijheid van elkaar twee radiale aftak-boringen 3 en 4. met een diameter van steeds 0,5 mm. In het gebied van deze aftakboringen is het hoofdstroomkanaal 1 voorzien van een uitspa-* ring 5, die een plat bodemvlak 6 bezit.

20 Op het bodemvlak 6 is de eigenlijke meetcel 7 geplaatst, die later nader zal worden beschreven. Deze cel is met een gietmassa 8, welke bijvoorbeeld een siliconhars kan zijn, stevig met het hoofdstroomkanaal 1 verbonden.

Het centrale deel van de meetcel 7 bestaat uit een ondersteunings-25 lichaam 9 met een venster 10 waarvan de details onder verwijzing naar fig. 3 nog nader zullen worden toegelicht. Het ondersteuningslichaam 9 is tussen twee keramische platen 11 en 12 opgesteld, waarvan de ene een stroomkanaal 13 naar het venster 10 toe respectievelijk de andere een stroomkanaal 14 vanuit het venster af bezit. De beide stroomkanalen 30 13 en 14 staan in verbinding met de radiale aftakboringen 3 respectieve lijk 4, zodat de door pijlen aangegeven stroming zich door het venster 10 kan vormen.

De keramische platen 11 en 12 zijn aan de buitenzijden daarvan van steeds een verwarmingsweerstand 15 en 16 voorzien, welke als een 35 dunne uit platina bestaande lage weerstand is uitgevoerd. De beide ver- ;-· .e c *+r - ** - 5 - warmingsweerstanden zijn tegelijkertijd meetweerstanden voor de thermostatische temperatuurregeling van de cel 7. Deze combinatie van verwarming en regeling bezit een buitengewoon goede regelnauwkeurigheid bij een zeer goede temperatuurconstantheid. De voeding van de verwarmings-5 weerstandai 15 en 16 geschiedt via aansluitgeleiders 17 respectievelijk 18. De meetcel 7 is bovendien nog voorzien van een uit glas bestaande trek-ontlastingsinrichting 19, welke eveneens in de gietmassa 8 is ingebed.

De dikte van de keramische platen 11 en 12 bedraagt 0,6 mm waaruit reeds de geringe afmeting van (¾ totale inrichting blijkt.

10 Pig. 2 toont het centrale isolerende plaatje 20 van het onder- steuningslichaam 9 met het ongeveer vierkante venster 10. Aan de beide zijden van het plaatje 20 bevinden zich, het venster een aantal malen overbruggend, twee meandervormig uitgevoerde meetweerstanden 21 en 22, waarvan in fig. 2 slechts de meetweerstand 21 kan worden waargenomen.

15 De uiteinden van elke meetweerstand leiden naar aansluitcontacten 23 en 24. De meetweerstanden kunnen bijvoorbeeld door maskering en chemisch etsen van een nikkelplaat je met een dikte van 5 ^un worden vervaardigd.

Fig. 3 toont het inbedden van het centrale plaatje 20 tussen twee verdere isolerende plaatjes 25 en 26 met even grote en congruent gelegen 20 vensters 10. De constructie is daarbij zodanig, dat de eerste meetweerstand 21 tussen het eerste plaatje 25 en het tweede (centrale) plaatje 20 en de tweede meetweerstand 22 tussen het tweede plaatje 20 en het derde plaatje 26 komt te liggen, waarbij de meetweerstanden de congruente vensters op de in fig. 2 aangegeven wijze overspannen. Op de aangegeven 25 wijze vormen de afzonderlijke vensters 10 een stroombaan 27, welke symbolisch is voorgesteld door de ingetekende pijl, en in deze stroombaan liggen de beide meetweerstanden 21 en 22 achter elkaar.

Fig. 4 toont de meetbrug met de in de afzonderlijke brugtakken gelegen brugweerstanden R^, R£, R^ en . Daarbij vormen de brugweer-30 standen R^ en de meetweerstanden 22 respectievelijk 21, en de aan de brugdiagonaal af te nemen spanning is een maat voor de warmtegeleiding van het zich in de stroombaan 27 bevindende gas.

De compensatie van de stroominvloed komt daarbij tot stand door de door de stroom veroorzaakte warmteoverdracht vanuit de meetweerstand 35 21 naar de meetweerstand 22, Door de in de meetbrug tegengesteld opge- f» «< ·;

> * . ·*' J ' J

/ „ - 6 - stelde meetweerstanden 21 en 22 wordt het effect van de warmtegeleiding versterkt,terwijl het effect van de warmteoverdracht door stroming subtractief wordt beïnvloed aangezien de door de meetweerstand 1 afgevoerde thermische energie aan de meetweerstand 2 wordt toegevoerd. Binnen bepaalde grenzen 5 van de in fig. 5 af geheelde karakteristiek verkrijgt men derhalve een compensatie van de stroomafhankelijkheid. Het lineaire compensatiegebied van de beide gebruikte meetweerstanden reikt daarbij volgens fig. 5 tot ongeveer 100 mm3/sec, zodat de compensatie van de stroomsnelheid bij een totaal debiet van 1 1/min door het hoofdstroomkanaal 1 en een shuntaan-10 deel 1/1000 wordt gewaarborgd. De shunt wordt volgens fig. 1 door de aftakboring 3, het radiale stroomkanaal 13, het venster 10, het weer radiale stroomkanaal 14 en de aftakboring 4 gevormd.

Bij een uitvoeringsvoorbeeld volgens fig. 1 bedroeg het kamer-volume van de meetcel 7 dat wil zeggen het volume van de stroomkanalen 15 13 en 14 en het vensterstelsel 10 ongeveer 1 mm3 . De beide meetweerstan den 21 en 22 overbrugden een vensteroppervlak van 1 mm x 1 mm en bezaten een weerstand van 22,5 ohm. De aanspreeksnelheid, de zogenaamde T^-tijd lag· bij dit uitvoeringsvoorbeeld bij 800 milliseconden bij een praktisch niet waarneembare stroomafhankelijkheid respectievelijk een volkomen vol-20 doende stroomcompensatie.

3 : 0 3 3

Claims (7)

1. Inrichting voor het meten van de warmtegeleiding van gassen door middel van een eerste, elektrisch in een meetbrug en een stroomshunt van een hoofdstroomkanaal opgestelde, te verwarmen en temperatuurafhan-kelijke meetweerstand met het kenmerk, dat 5 a) in de onmiddellijke nabijheid van de eerste meetweerstand (21) een tweede te verwarmen en temperatuurafhankelijke meetweerstand (22) is opgesteld, welke beide weerstanden in de richting vein de stroombaan (27) achter elkaar zijn gelegen, en b) de beide meetweerstanden (21, 22) elektrisch in tegenover elkaar 10 gelegen takken vein de meetbrug zijn opgenomen.

2. Meetcel voor de inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de beide meetweerstanden (21, 22) meandervormig zijn uitgevoerd en in een doorgaand venster (10) van een ondersteuningslichaam (9) zijn opgesteld.

3. Meetcel volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat het ondersteu ningslichaam (9) uit drie isolerende plaatjes (20, 25, 26) met steeds een venster (10) bestaat, die congruent op elkaar zijn geplaatst, en de eerste meetweerstand (21) tussen het eerste plaatje (25) en het tweede plaatje (20) en de tweede meetweerstand (22) tussen het tweede plaatje 20 (20) en het derde plaatje (26), de congruente vensters overspannend, zijn bevestigd.

4. Meetcel volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat het ondersteuningslichaam (9) tussen twee keramische platen (11, 12) is bevestigd, waarvan elk een stroomkanaal (13, 14) naar het venster (10) toe, 25 respectievelijk vanaf het venster af bezit, welke stroomkanalen in het hoofdstroomkanaal (1) uitkomen.

5. Meetcel volgens conclusie 4 met het kenmerk, dat de keramische platen (11, 12) van steeds een verwarmingsweerstand (15, 16) zijn voorzien, door middel waarvan de meetcel (7) op een geregelde wijze op een 30 constante temperatuur kan worden verwarmd.

6. Meetcel volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat het totale volume van de shunt binnen de meetcel kleiner dan 5 mm3, bij voorkeur kleiner dan 1 mm3 is. fS ~ '· •U' *. - 8 -

7. Meetcel volgens conclusie 4 met het kenmerk,dat de keramische platen (11, 12) met de zich daartussen bevindende ondersteuningslichamen (9) onder radiale centrering van de stroomkanalen (13, 14) in de keramische platen naar het hoofdstroomkanaal (1) op één zijwand daarvan zijn 5 aangebracht. i Γ*. — \ Λ V v 'J