DE2828429B2

DE2828429B2 - Thermal conduction gas analyzer

Info

Publication number: DE2828429B2
Application number: DE19782828429
Authority: DE
Inventors: Udo 7514 Leopoldshafen Damer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-06-28
Filing date: 1978-06-28
Publication date: 1980-06-26
Also published as: DE2828429C3; DE2828429A1; JPS557698A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmcleit-Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a thermal conductivity gas analyzer according to the preamble of claim 1.

Bei der (iasanalysc nach dem Wärmcleitfähigkcits-In the ( iasanalysc according to the thermal conductivity kit-

verfahren wird die Temperaturanderung 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 Meß&jlle 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 bestimmenden Komponente des Meßgases gefüllt ist Das Brükkenausga'ngssignal 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).the temperature change is handled by a Supply of electrical power heated hot wire from the thermal conductivity of the surrounding area Measurement gas and the geometric relationships of the measuring cell and the hot wire stretched in it Since gases differ in their specific thermal conductivity, that in the hot wire Depending on the type of gas, the generated heat is dissipated to different degrees to the inner wall of the measuring tube If the geometrical relationships are fixed, the electrical resistance is constant with Electricity fed hot wire is a measure of the thermal conductivity and thus a statement about the species of the measuring gas in the measuring cell. If the gas to be measured is on, as is usual with industrial measurements Gas mixture, of which a certain proportion, e.g. B. CO ^ is to be measured, the measuring system A comparison system is switched on in a bridge circuit, which also consists of a chamber with There is a hot wire and which is filled with the component of the measuring gas to be determined The bridge output signal in this case gives the proportion of the reference gas in the measuring gas (see e.g. operating instructions No. 1804-00 00005 000 500 for the heat conduction gas analyzer from W. H. Joens & Co. GmbH of November 1972, Section 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).To increase sensitivity, it is also common practice to use four heating wires in pairs are exposed to the measuring gas or the reference gas and are interconnected to form a full bridge (cf. e.g. Siemens pocket book for measurement and control in heat and chemical engineering, 3rd edition, 1960, page 68, fig. 20).

Bei einem dem Umgebungsdruck entsprechenden Gasdruck ist die Wärmeleitung in der Meßzelle druckunabhängig.At a gas pressure corresponding to the ambient pressure, the heat conduction is in the measuring cell independent of pressure.

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, freie 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 Hitzdrahtmessers zu verringern, vorzugsweise durch 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.Below 0.1 bar, however, the Pirani effect occurs to an increasing extent, i. i.e., the measurement signal becomes not only dependent on the thermal conductivity of the gas to be measured, but also on its pressure. The middle, Free path of the gas molecules can no longer be neglected against the hot wire dimensions will; a decrease in heat conduction is simulated by a reduced heat emission, which leads to an incorrect measurement, both the hot wire diameter for a given geometric arrangement and is inversely proportional to the absolute gas pressure. An attempt has already been made reduce the pressure dependency by enlarging the hot wire knife, preferably by using it coiled hot wires, whereby the coil diameter is to be regarded as the relevant diameter is. However, this leads to relatively large ones that are sensitive to mechanical influences such as vibrations, etc. Measuring cells that are only of limited use for many industrial applications.

Es ist demgemäß die Aufgabe, einen Wärmeleit-Gasanalysator zu schaffen, bei dem die Druckabhängigkeit des Meßsignals im Bereich niedriger Absolutdrücke auf ein vernachlässigbares Maß verringert ist.It is accordingly the object to provide a thermally conductive gas analyzer in which the pressure dependency of the measurement signal is reduced to a negligible level in the range of low absolute pressures.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs I genannten Maßnahmen gelöst.This object is achieved according to the invention by the measures mentioned in the characterizing part of claim I. solved.

Weiterbildungen der Hrfindung sind Gegenstand der Unteransprüchc.Further developments of the invention are the subject of the subclaims.

Da bei der erfindungsgemäßen Ausführung eines Wärmelcit-Gasanalysators beide Drähte in Meßgasatmosphärc unter gleichem Druck arbeiten, wird beiSince in the embodiment of a Wärmelcit gas analyzer according to the invention, both wires are in measuring gas atmosphere working under the same pressure will be at

gleicher abgegebener WSrmeleistung der Drähte der Druckeinfluß kompensiert, infolge der unterschiedlichen geometrischen Verbältnisse verbleibt eine Signaldifferenz zwischen den beiden Systemen, die nur von der Wärmeleitfähigkeit des Meßgases abhängig ist.same heat output of the wires of the Compensated for the influence of pressure, as a result of the different geometric ratios, a signal difference remains between the two systems, which only depends on the thermal conductivity of the measuring gas.

Die den Hitzdrähten zugeführte elektrische Heizleistung kann in an sich bekannter Weise elektronisch eingestellt ußi geregelt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Hitzdrähte als Zweige einer mit konstanter Leistung gespeisten Widerstandsmeßbrücke zu schalten.The electrical heating power supplied to the hot wires can be electronic in a manner known per se set to be regulated. Another possibility consists in the hot wires as branches of a resistance measuring bridge fed with constant power to switch.

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.To explain the invention, FIGS. 1 to 6 show the basic structure of the measuring cell together with Circuit and various embodiments shown schematically and described below.

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 Serienwiders.and aus einer Konstantspannungsquelle gespeist wird. Die Brückensignalspannung wird von einem Differenzverstärker 6 abgegriffen.Fig. 1: Two hot wires 1 and 2 made of a platinum alloy form adjacent branches of a resistance measuring bridge 11, which is completed by a fixed resistor 3 and the adjustable resistor 4 and the series contradicting the power consumption constant and from a Constant voltage source is fed. The bridge signal voltage is supplied by a differential amplifier 6 tapped.

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.The measuring cell 7 contains two measuring chambers 8 and 9, which are connected via the channel 10 and conduct gas are filled with the measuring gas. The hot wire 1 is located in the chamber 8 and 9 in the smaller chamber the same hot wire 2, they are exposed to the same gas atmosphere under the same pressure, so that the Pressure dependency of the measuring effect is compensated for when the heating power ratio is set correctly.

Die Ableitung der aus den Oberflächen der beiden Hitzdrähte abgegebenen Wärme ist jedoch unterschiedlich, da der Wärme widerstand zwischen Hitzdraht und Innenwand der Meßzelle infolge der unter-However, the dissipation of the heat given off from the surfaces of the two hot wires is different, because the heat resistance between the hot wire and the inner wall of the measuring cell due to the

schiedlichen Abstände der Hitzdrähte von dieser verschieden ist und somit eine in dem Verstärker 6 verstärkbare Signaldifferenz verbleibt.different distances of the hot wires from this one is different and thus a signal difference that can be amplified in the amplifier 6 remains.

In Fig, 2 ist ein Querschnitt der in Fig. 1 angedeuteten Meßzelle 7 dargestellt Zwei parallele rohrförmige Kammern 8 und 9, deren Durchmesser D^, D₍ 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 Durchmessers aufgespanntIn FIG. 2 a cross section of the direction indicated in Figure 1 the measuring cell 7 is shown two parallel tubular chambers 8 and 9, the diameter D ^, D _{(approximately} from 5: behave 1 are connected in a gas conducting manner via the designed as a longitudinal slot channel 10, The hot wires 1 and 2 of the same diameter are stretched along their axes

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Meßzelle 7 als rohrförmige Kammer 8' ausgebildet, wobei der Hitzdraht 1 mit dem Durchmesser rf, in der Mittelachse und der Hitzdraht 2 gleichen Durchmessers d₂ in einer die Mittelachse enthaltenden Ebene angeordnet ist, so daß ihre Abstände A₁, A₁ zu der Innenwand der Meßkammer 8' verschieden sind.In the embodiment according to FIG. 3, the measuring cell 7 is designed as a tubular chamber 8 ', the hot wire 1 having the diameter rf, being arranged in the central axis and the hot wire 2 having the same diameter d _{2 being arranged} in a plane containing the central axis, so that their Distances A ₁ , A ₁ to the inner wall of the measuring chamber 8 'are different.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 hat die Meßkammer 8' der Meßzelle 7 quadratischen Querschnitt, der Hitzdraht 1 ist wiede* in der Mittelachse, der Hitzdraht 2 parallel dazu in eineir Winkel des Innenraums der Meßkammer 8' angeordnet, die Abstände A₁, A₂ zur Kammerwand sind verschieden.In the embodiment according to FIG. 4, the measuring chamber 8 'of the measuring cell 7 has a square cross-section, the hot wire 1 is arranged in the central axis, the hot wire 2 is arranged parallel to it in an angle of the interior of the measuring chamber 8', the distances A ₁ , A ₂ to the chamber wall are different.

Andere Ausführungsmöglichkeiten zeigen die Fig. 5 und 6. In Fig. 5 sind in den gasleitend verbundenen rohrförmigen Kammern 8 und 9 gleichen Durchmessers D₈, D₉ jeweils axial die Hitzdrähte 1 und 2 unterschiedlichen Durchmessers d_v d, 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.Other possible embodiments are shown in FIGS. 5 and 6. In FIG. 5, the hot wires 1 and 2 of different diameters d _v d, _{each axially stretched in the tubular chambers 8 and 9 of the same diameter D 8} , D ₉ connected in a gas-conducting manner. The hot wire 2 can be designed as a helix in a known manner; the distance from its surface to the chamber wall is accordingly smaller than the corresponding distance in the case of hot wire 1.

In Fig. 6 sind die beiden Hitzdrähte 1 und 2 unterschiedlichen Durchmessers d., d-, exzentrisch in der rohrförmigen Kammer 8 der Meßzelle 7 in einer die Mittelachse enthaltenden Ebene mit gleichen Achsabständen zu der Kammerwand aufgespannt.In Fig. 6, the two hot wires 1 and 2 of different diameters d., D-, eccentrically in the tubular chamber 8 of the measuring cell 7 in a plane containing the central axis with the same axial distances to the chamber wall.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claims;

1. Thermal conductivity analyzer with

a) a measuring cell,

b) two arranged in the measuring cell and the same Hot wires exposed to the measuring gas atmosphere,

c) a supply circuit which supplies a heating current to the hot wires and

d) a measuring circuit for determining the gas concentration based on the resistance values of the hot wires,

characterized in that

e) the dimensions of the hot wires (1, 2) and / or their distances from the inner wall of the Measuring cell (7) are different,

f) the supply circuit switching elements (3, 4) for different setting of the Has heating currents of the two hot wires (1,2), and

g) the measuring circuit circuits (6) for determining the difference between the resistance values of the two hot wires.

2. Heat conduction gas analyzer according to claim 1, characterized in that the measuring cell (7) has two tubular chambers (8,9) connected to one another in a gas-conducting manner, that the hot wires (1,2) have different diameters (</ ,, d ₂ ) and are each clamped axially in the two chambers (8, 9).

3. Heat conduction gas analyzer according to claim 2, characterized in that the two chambers (8, 9) have the same dimensions.

4. Wärmeleit-Gasanalysal r according to claim 1, characterized in that the hot wires (1, 2) within a common tubular chamber (8 ') of the measuring cell (7) in a plane containing the axis of the chamber (8') each spanned axially parallel are and have different diameters (d _v d ₂ ), but the same distance from the wall of the common chamber (8 ').

5. Heat conduction gas analyzer according to claim 1, characterized in that the measuring cell (7) has two tubular chambers (8, 9) of different diameters (D., D ₉ ) connected to one another in a gas-conducting manner, and that the hot wires (1, 2) each are axially stretched in the chambers (8, 9) and have the same diameter (d _t , d ₂ ) .

6. heat conduction gas analyzer according to claim 1, characterized in that the hot wires (1, 2) have the same diameter (</ ,, d ₂ ) and in a common tubular chamber (8 ') parallel to the axis of the chamber (8') are spanned in a plane containing the axis and at different distances {A _} , A ₁ ) from the wall of the chamber.