DE3502440A1

DE3502440A1 - Anordnung zur messung der waermeleitfaehigkeit von gasen

Info

Publication number: DE3502440A1
Application number: DE19853502440
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 6457 Maintal Wiegleb
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Emerson Process Management GmbH and Co oHG
Priority date: 1985-01-25
Filing date: 1985-01-25
Publication date: 1986-07-31
Also published as: JPS61217749A; GB8601759D0; GB2170317B; FR2576688A1; FR2576688B1; US4850714A; CH669263A5; NL8600088A; GB2170317A

Description

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LEYBOLD-HERAEUS GmbH Bonner Straße 498

D-5000 Köln - 51

Anordnung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen "

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen mittels eines ersten, elektrisch in einer Meßbrücke sowie in einem Strömungs-By-Pass eines Hauptströmungskanals angeordneten, beheizbaren und temperaturabhängigen Meßwiderstandes.

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Derartige Anordnungen werden üblicherweise in Gasanalysengeräten verwendet, da sich die einzelnen Gase durch verschiedene Wärmeleitfähigkeitszahlen voneinander unterscheiden. Der Hauptnachteil solcher Anordnungen und Meßwiderstände besteht darin, daß die Meßwerte in hohem Maße von der Strömungsgeschwindigkeit des Analysenmediums abhängig sind. So täuscht beispielsweise -eine höhere Strömungsgeschwindigkeit eine größere Wärmeleitfähigkeit vor, d.h. die Stabilität des Ausgangssignals ist von sich ändernden Durchflüssen abhängig. Im Prinzip kann man dies so ausdrücken, daß der Meßfühler nicht im Stande ist, zwischen einer Abkühlung durch Strömung und einer solchen durch Wärmeleitung zu differenzieren.

Auf eine Strömung kann man jedoch nicht verzichten, da sich die Gaszusammensetzung ändern kann und dennoch eine entsprechende Ansprechgeschwindigkeit erforderlich ist.

Es stehen sich daher zwei Forderungen diametral entgegen, nämlich einmal die Forderung nach einer hohen Meßgenauigkeit und zum anderen die Forderung nach einer hohen Ansprechgeschwindigkeit.

Eine Anordnung der eingangs beschriebenen Gattung ist durch die DE-AS 21 56 752, Figur 6, bekannt. Dabei wird der Einfluß der Strömungsgeschwindigkeit dadurch

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reduziert, daß man den Temperaturfühler in einem By-Pass anordnet, ihn also nur einer Teilströmung aussetzt. Je kleiner die Strömungsgeschwindigkeit im By-Pass ist, um so genauer ist der Meßwert, um so länger allerdings auch die Ansprechzeit, und umgekehrt.

Wird im Grenzfall auf einen Gasaustausch durch Strömung vollständig verzichtet, so ist die Meßgenauigkeit entsprechend hoch, jedoch die An-Sprechzeit außerordentlich lang. Ein derartiger Meßfühler, der wegen des Prinzips des Gasaustauschs auch als "Diffusionszelle¹¹ bezeichnet wird, ist durch die DE-PS 29 52 137 bekannt. Dabei soll selbst eine durch Temperaturdifferenzen bedingte Konvektion noch durch ein besonders kleines Volumen des Volumens der Meßzelle unterdrückt werden. Die Messung selbst erfolgt durch Energietransport in Folge Wärmeleitung zwischen einem Heizdraht und einem Temperaturmeßdraht. Trotz der erheblichen Miniaturisierung dieser nicht gattungsgemäßen Lösung leidet diese jedoch unter dem Nachteil einer erheblichen Trägheit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Gattung, also eine solche mit einem Strömungs-By-Pass , anzugeben, die trotz hoher Ansprechgeschwindigkeit nur eine

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äußerst geringe Strömungsempfindlichkeit aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Anordnung erfindungsgemäß dadurch, daß

a) in unmittelbarer Nähe des ersten Meßwiderstandes ein zweiter beheizbarer und temperaturabhängiger Meßwiderstand angeordnet ist, die beide in Richtung des Strömungsweges hintereinander liegen, und

b) beide Meßwiderstände elektrisch in entgegengesetzten Zweigen der Meßbrücke angeordnet sind.

Durch die Kombination der beiden Maßnahmen findet eine Kompensation der an den einzelnen Meßwiderständen nach wie vor vorhandenen Strömungsabhängigkeit statt. So lange die Strömungsgeschwindigkeit Null ist, baut sich in unmittelbarer Umgebung der beiden beheizten Meßwiderstände ein Temperaturprofil auf, das zu einer Symmetrieebene zwischen den beiden Meßwiderständen gleichfalls symmetrisch ist. Die Widerstandswerte der beiden Meßwiderstände sind im Idealfall also gleich. Sobald nun eine Strömung einsetzt, verschiebt sich wegen des zusätzlichen Wärmetransports das Temperaturmaximum in Richtung des stromabwärts gelegenen Meßwiderstandes. Der sich durch diese Temperaturdifferenz einstellende Unterschied in den Widerstandswerten ist nun ein Maß Sowohl für die Strömungs-

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geschwindigkeit als auch für die Wärmeleitfähigkeit des betreffenden Gases oder Gasgemischs. -Da nun die beiden Meßwiderstände erfindungsgemäß elektrisch in entgegengesetzten Zweigen der Meßbrücke angeordnet sind, kompensiert sich der in beiden Meßwiderständen entgegengesetzt wirkende Einfluß der Strömungsgeschwindigkeit, jedoch bleibt der in beiden Meßwiderständen gleichgerichtete Einfluß der Wärmelei tfähigkeit erhalten.

Es versteht sich, daß auch bei der erfindungsgemäßen Lösung eine Miniaturisierung der eigentlichen Meß-, zelle im Hinblick auf ihr Volumen und ihre Strömungswege vorteilhaft ist, jedoch ist diese Notwendigkeit nicht ganz so kritisch wie beim Gegenstand nach der DE-PS 29 52 137.

Beispielhaft läßt sich das Verhältnis von By-Pass-Strömung zur Gesamtströmung wie 1:1000 auslegen. Bei einem Zellenvolumen von etwa 5 mm³ erhält man dann eine durch die LeerspüTung bedingte Zeitkonstante von etwa 0,3 Sekunden. Durch entsprechend ausgebildete Meßwiderstände mit einer Material stärke von beispielsweise 5 \im, läßt sich für den Meßfühler eine Zeitkonstante von unter 0,1 Sekunden erzielen, so daß sich Ansprechzeiten von weniger als 0,4 Sekunden erzielen lassen. Es wird anhand der Detailbeschreibung noch aufgezeigt werden, daß diese Werte weiter zu reduzieren sind.

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Es ist zwar durch das DE-Gbm 1 920 597 und die DE-AS 1 256 909 bereits bekannt, beheizte Meßwiderstände in Strömungsrichtimg hintereinander zu schalten und Widerstandsänderungen durch eine Meßbrücke zu erfassen, jedoch geschieht diese Maßnahme zum gegenteiligen Zwecke, nämlich zur Erfassung von Massenströmen. Auch sind hierbei die beheizten temperaturabhängigen Meßwiderstände im gleichen Brückenzweig angeordnet, so daß sich der Effekt der Wärmeübertragung durch Strömung additiv verhält.

'■ Es ist dabei gemäß einer weiteren Ausgestaltung der

Erfindung besonders vorteilhaft, wenn die beiden Meßwiderstände mäanderförmig ausgebildet und in einem durchgehenden Fenster eines Trägerkörpers angeordnet sind, der in Schichtbauweise aus drei isolierenden kongruenten Plättchen aufgebaut sein kann.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Trägerkörper zwischen Keramikplatten angeordnet ist, von denen jede mit einem eigenen Heizwiderstand versehen ist, durch 0 den die Meßzelle geregelt auf einen konstante Temperatur aufheizbar ist.

Da die Wärmeleitung in Richtung auf die Zellenwand der Differenz der Temperaturen zwischen dem Meßwiderstand einerseits und der Zellenwand andererseits proportional ist, sorgt die thermostatisierte Beheizung der Meßzelle für zusätzliche Meßgenauigkeit.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den übrigen" Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes 5. und seine Wirkungsweise werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch die Strömungskanäle in einer Meßzelle, die ihrerseits radial auf einen Hauptströmungskanal auf

gesetzt ist,

Figur 2 eine Draufsicht auf das mittlere isolierende Plättchen des in Schichtbauweise aufgebauten Trägerkörpers,

Figur 3 einen Ausschnitt aus Figur 1 in vergrößertem Maßstab, nämlich den Trägerkörper unter Einschluß des mittleren Plättchens nach Figur 2,

Figur 4 die elektrische Schaltung der Meßwiderstände innerhalb einer Meßbrücke und

Figur 5 die Kennlinie für die Strömungsabhängigkeit jedes der beiden Meßwiderstände.

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In Figur 1 ist ein Hauptströmungskanal 1 mit einer Längsbohrung 2 dargestellt, die beispielhaft einen Durchmesser von 3 mm aufweist. Der Hauptströmungskanal besitzt in enger Nachbarschaft zwei radiale Abzweigbohrungen 3 und 4 mit einem Durchmesser von jeweils 0,5 mm. Im Bereich dieser Abzweigbohrungen ist der Hauptströmungskanal 1 mit einer Ausnehmung versehen, die eine ebene Bodenfläche 6 besitzt.

Auf die Bodenfläche 6 ist die eigentliche Meßzelle aufgesetzt, die nachfolgend näher beschrieben wird. Sie ist mit einer Vergußmasse 8, die beispielsweise ein Silikonharz sein kann, mit dem Hauptströmungskanal 1 fest verbunden.

Zentraler Teil der Meßzelle 7 ist ein Trägerkörper mit einem Fenster 10, deren Einzelheiten anhand von Figur 3 noch näher erläutert werden. Der Trägerkörper 9 ist zwischen zwei Keramikplatten 11 und 12 angeordnet, von denen die eine einen Strömungskanal

. „ . . die.andere^ .. , . . . zum Fenster 10 hin bzw. ein/en Stromungskanal 14 vom Fenster weg aufweist. Die beiden Strömungskanäle 13 und 14 kommunizieren mit den radialen Abzweigbohrungen bzw. 4,· so daß sich die durch Pfeile gekennzeichnete Strömung durch das Fenster 10 hindurch ausbilden kann.

Die Keramikplatten 11 und 12 sind auf ihren Außen-Seiten mit je einem Heizwiderstand 15 und 16 versehen, der als Platin-Dünnschichtwiderstand ausgebildet ist. Die beiden Heizwiderstände sind gleichzeitig Meßwiderstände für die thermostätisierte Temperaturregelung

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der Zelle 7. Diese Kombination aus Heizung und Regelung hat eine ausgezeichnete Regelgenauigkeit bei sehr guter Temperaturkonstanz. Die Versorgung der Heizwiderstände 15 und 16 erfolgt über Anschlußleitungen 17 bzw. 18. Die Meßzelle 7 ist zusätzlich noch mit einer aus Glas bestehenden Zugentlastung 19 versehen, die gleichfalls in die Vergußmasse 8 eingebettet ist. Die Dicke der Keramikplatten 11 und 12 beträgt 0,6 mm, woraus sich bereits die Kleinheit der gesamten Anordnung ergi bt.

Figur 2 zeigt das mittlere isolierende Plättchen 20 des Trägerkörpers 9 mit dem etwa quadratischen Fenster Auf beiden Seiten des Plättchens 20 befinden sich, das Fenster mehrfach überbrückend, zwei mäanderförmig ausgebildete Meßwiderstände 21 und 22, von denen in Figur 2 nur der Meßwiderstand 21 zu sehen ist. Die Enden eines jeden Meßwiderstandes führen zu Anschlußkontakten 23 und 24. Die Meßwiderstände können beispielsweise durch Maskierung und chemisches Ätzen eines NickelpTättchens von 5 \im Dicke hergestellt werden.

Figur 3 zeigt die Einbettung des mittleren Plättchens zwischen zwei weiteren isolierenden Plättchen 25 und mit gleich großen und kongruent liegenden Fenstern 10. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der erste Meßwiderstand 21 zwischen dem ersten Plättchen 25 und dem zweiten (mittleren) Plättchen 20 und der zweite

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Meßwiderstand 22 zwischen dem zweiten Plättchen 20 und dem dritten Plättchen 26 zu liegen kommt, wobei die Meßwiderstände die kongruenten Fenster in der in Figur 2 gezeigten Weise überspannen. Auf die angegebene Weise bilden die einzelnen Fenster 10 einen Strömungsweg 27, der durch den eingezeichneten Pfeil symbolisiert ist, und in diesem Strömungsweg liegen die beiden Meßwiderstände 21 und 22 hintereinander.

Figur 4 zeigt die Meßbrücke mit den in den einzelnen Brückenzweigen "1 iegenden Brückenwiderständen R₁, R_? , R„ und R₄. Dabei bilden die Brückenwiderstände R₁ und R₄ die Meßwiderstände 22 bzw. 21, und die an der Brückendiagonale abgegriffene Spannung ist ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit des im Strömungsweg 27 befindlichen Gases.

Die Kompensation des Strömungseinflusses kommt dabei durch die strömungsbedingte Wärmeübertragung vom Meßwiderstand 21 zum Meßwiderstand 22 zustande. Durch die in der Meßbrücke entgegengesetzt angeordneten Meßwiderstände 21 und 22 addiert sich der Effekt der Wärmeleitung, während sich der Effekt der Wärmeübertragung durch Strömung subtraktiv verhält, da die von dem Meßwiderstand 1 abgeführte Wärmeenergie dem Meßwiderstand 2 zugeführt wird. Innerhalb bestimmter Grenzen der in Figur 5 dargestellten Kennlinie erhält man daher eine Kompensation der Strömungsabhängigkeit. Der

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lineare Kompensationsbereich der beiden benutzten Meßwiderstände reicht dabei gemäß Figur 5 bis etwa 100 mm³/sec., so daß die Kompensation der Strömungsgeschwindigkeit bei einem Gesamtdurchsatz von 1 T/min durch den Hauptströmungskanal 1 und einem By-Pass-Antei1 von 1/1000 gewährleitstet ist. Der By-Pass wird gemäß Figur 1 durch die Abzweigbohrung 3, den radialen Strömungskanal 13, die Fensteranordnung 10, den wiede-rum radialen Strömungskanal und die Abzweicpohrung 4 gebildet.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 betrug das Kammervolumen der Meßzelle 7, d.h. das Volumen der Strömungskanale 13 und 14 und der Fensteranordnung 10 etwa 1 mm³. Die beiden Meßwiderstände und 22 überbrückten eine Fensterfläche von 1 mm χ 1 mm und besassen einen Widerstand von 22,5 0hm. Die Ansprechgeschwindigkeit, die sogenannte Tg^-Zeit lag bei diesem Ausführungsbeispiel bei 800 Millisekunden bei einer praktisch nicht wahrnehmbaren Strömungsabhängigkeit bzw. einer vollkommen ausreichenden Strömungskompensation.

Claims

85502 3502U0 ANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen mittels eines ersten, elektrisch in einer Meßbrücke sowie einem Strömungs-By-Pass eines Hauptströmungskanals angeordneten, beheizbaren und temperaturabhängigen Meßwiderstandes, dadurch gekennzeichnet ,daß

a) in unmittelbarer Nähe des ersten Meßwijderstandes (21) ein zweiter beheizbarer und temperaturabhängiger Meßwiderstand (22) angeordnet ist, die beide in Richtung des Strömungsweges (27) hintereinander liegen, und

b) beide Meßwiderstände (21, 22) elektrisch in entgegengesetzten Zweigen der Meßbrücke angeordnet sind.

2. Meßzelle für die Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßwiderstände (21 ₉ 22) mäanderförmig ausgebildet und in einem durchs gehenden Fenster (10) eines Trägerkörpers (9 ) angeordnet sind.

3. Meßzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper ( 9 ) aus drei isolierenden Plättchen (20, 25, 26) mit je einem Fenster (TO) besteht, die kongruent aufeinandergelegt sind, und daß der erste Meßwiderstand (21) zwischen dem ersten (25) und dem zweiten Plättchen (20) und der zweite Meßwiderstand (22) zwischen dem zweiten (.20 ) und dem dritten Plättchen (26), die kongruenten Fenster Überspannend, befestigt sind.

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4. Meßzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper ( g ) zwischen zwei Keramikplatten (11, 12) befestigt ist, von denen jede einen Strömungskanal (13, 14) zum Fenster (10) hin bzw. vom Fenster weg aufweist, welche Strömungskanäle in den Hauptströmungskanal ( 1 ) einmünden.

5. MeßzeTle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikplatten (11, 12) mit je einem Heizwiderstand (15, 16) versehen sind, durch den die Meßzelle ( 7) geregelt auf eine konstante Temperatur aufheizbar ist.

6. Meßzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtvolumen des By-pass innerhalb der Meßzelle kleiner als 5 mm³, vorzugsweise kleiner als 1 mm³ , ist.

7. Meßzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikplatten (.11, 12) mit dem dazwischenliegenden Trägerkörper ( g ) unter radialer Ausrichtung der Strömungskanäle (13, 14) in den Keramikplatten zum Hauptströmungskanal ( 1 ) auf dessen eine Seitenwand aufgesetzt sind.