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DE2828429C3 - Thermal conduction gas analyzer - Google Patents

Thermal conduction gas analyzer

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Publication number
DE2828429C3
DE2828429C3 DE19782828429 DE2828429A DE2828429C3 DE 2828429 C3 DE2828429 C3 DE 2828429C3 DE 19782828429 DE19782828429 DE 19782828429 DE 2828429 A DE2828429 A DE 2828429A DE 2828429 C3 DE2828429 C3 DE 2828429C3
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DE
Germany
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hot wires
chamber
measuring
gas analyzer
measuring cell
Prior art date
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DE19782828429
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German (de)
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DE2828429B2 (en
DE2828429A1 (en
Inventor
Udo 7514 Leopoldshafen Damer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to JP8122879A priority patent/JPS557698A/en
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Publication of DE2828429B2 publication Critical patent/DE2828429B2/en
Application granted granted Critical
Publication of DE2828429C3 publication Critical patent/DE2828429C3/en
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested

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Description

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

Bei der Gasanalyse nach dem Wärmeleitfähigkeitsverfahren wird die Temperaturänderung 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 Meßzelle 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 bestimmende den Komponente des Meßgases gefüllt ist. Das Brükkenausgangssignal 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.In the gas analysis according to the thermal conductivity method, the temperature change is a by 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 certainly. Since gases differ in their specific thermal conductivity, that in the hot wire Depending on the type of gas, the heat generated is dissipated to different degrees to the inner wall of the measuring cell. 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 hot wire and which one with the one to be determined the component of the measuring gas is filled. In this case, the bridge output signal 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-conducting gas analyzer from W. H. Joens & Co.

GmbH vom November 1972, Abschnitt 1.3).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, fr^ie 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 Hitzdrahtdurchmessers zu verringern, vorzugsweise durchBelow 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, The path length of the gas molecules can no longer be neglected in relation to the dimensions of the hot wire 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 to reduce the pressure dependency by increasing the hot wire diameter, preferably by

■50 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.■ 50 use of coiled hot wires, whereby the coil diameter is to be regarded as a relevant diameter. However, this leads to relatively large, against mechanical influences such as vibrations etc. sensitive measuring cells, which are used for many industrial applications are only of limited use.

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.This object is achieved according to the invention by the measures mentioned in the characterizing part of claim 1 solved.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further developments of the invention are the subject of the subclaims.

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

gleicher abgegebener Wärmeleistung der Drähte der Druckeinfluß kompensiert, infolge der unterschiedlichen geometrischen Verhältnisse verbleibt eine Signaldifferenz zwischen den beiden Systemen, die nur von der Wärmeleitfähigkeit des Meßgases abhängig ist.equal heat output of the wires compensated for the pressure influence, due to the different geometric relationships, there remains a signal difference between the two systems, which is only depends on the thermal conductivity of the measuring gas.

Die den Hitzdrähten zugeführte elektrische Heizleistung kann in an sich bekannter Weise elektronisch eingestellt und 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 set and regulated electronically in a manner known per se. 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 Serienwiderstand 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 is and the series resistance that keeps the power consumed constant 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 Wärmewiderstand zwischen Hitzdraht und Innenwand der Meßzelle infolge der unterschiedlichen Abstände der Hitzdrähte von dieser verschieden ist und somit eine in dem Verstärker 6 verstärkbare Signaldifferenz verbleibt.However, the dissipation of the heat given off from the surfaces of the two hot wires is different, because the thermal resistance between the hot wire and the inner wall of the measuring cell as a result of the different Distances of the hot wires is different from this and thus one in the amplifier 6 amplifiable signal difference remains.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt der in Fig. 1 angedeu-In Fig. 2 is a cross section of the indicated in Fig. 1

teten Meßzelle 7 dargestellt. Zwei parallele rohrförmige Kammern 8 und 9, deren Durchmesser D^, Dy 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 gleichenTeten measuring cell 7 shown. Two parallel tubular chambers 8 and 9, the diameters D ^, D y of which are approximately 5: 1, are connected in a gas-conducting manner via the channel 10 designed as a longitudinal slot; the hot wires 1 and 2 are the same in their axes

ίο Durchmessers aufgespannt.ίο clamped diameter.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Meßzelle 7 als rohrförmige Kammer 8' ausgebildet, wobei der Hitzdraht 1 mit dem Durchmesser d, in der Mittelachse und der Hitzdraht 2 gleichen Durchmes-In the embodiment according to FIG. 3, the measuring cell 7 is designed as a tubular chamber 8 ', where the hot wire 1 with the diameter d, in the central axis and the hot wire 2 with the same diameter

l; sers d2 in einer die Mittelachse enthaltenden Ebene angeordnet ist, so daß ihre Abstände A1, A2Zu der Innenwand der Meßkammer 8' verschieden" sind.l; sers d 2 is arranged in a plane containing the central axis, so that their distances A 1 , A 2 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 wieder in der Mittelachse, der Hitzdraht 2 parallel dazu in einem Winkel des Innenraums der Meßkammer 8' angeordnet, die Abstände A1, A1 zur Kammerwand sind verschieden. Andere Ausführungsmöglichkeiten zeigen dieIn 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 again in the central axis, the hot wire 2 is arranged parallel to it at an angle of the interior of the measuring chamber 8', the distances A 1 , A 1 to the chamber wall are different. Other possible designs show the

Fig. 5 und 6. In Fig. 5 sind in den gasleitend verbundenen rohrförmigen Kammern 8 und 9 gleichen Durchmessers Ds, D^ jeweils axial die Hitzdrähte 1 und 2 unterschiedlichen Durchmessers dv d2 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. In Fig. 6 sind die beiden Hitzdrähte 1 und 2 unterschiedlichen Durchmessers dv d, exzentrisch in der5 and 6. In FIG. 5, the hot wires 1 and 2 of different diameters d v d 2 are each axially stretched in the tubular chambers 8 and 9 of the same diameter D s , D ^ , which are 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 therefore smaller than the corresponding distance for hot wire 1. In Fig. 6, the two hot wires 1 and 2 of different diameters d v d, eccentric in the

rohrförmigen Kammer 8 der Meßzelle 7 in einer die Mittelachse enthaltenden Ebene mit gleichen Achsabständen zu der Kammerwand aufgespannt.tubular chamber 8 of the measuring cell 7 in a plane containing the central axis with the same axial distances stretched to the chamber wall.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Wärmeleit-Gasanalysator mit1. Thermal conduction gas analyzer with a) einer Meßzelle,a) a measuring cell, b) zwei in der Meßzelle angeordneten und derselben Meßgasatmosphäre ausgesetzten Hitzdrähten,b) two arranged in the measuring cell and exposed to the same measuring gas atmosphere Hot wires, c) einer den Hitzdrähten einen Heizstrom zuführenden Versorgungsschaltung sowiec) a supply circuit which supplies a heating current to the hot wires and d) einer Meßschaltung zur Ermittlung der Gaskonzentration anhand der Widerstandswerte der Hitzdrähte,d) a measuring circuit for determining the gas concentration on the basis of the resistance values the hot wires, dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that e) die Abmessungen der Hitzdrähte (1, 2) und/oder ihre Abstände zur Innenwand der Meßzelle (7) unterschiedlich sind,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) die Versorgungsschaltung Schaltelemente (3, 4) zur unterschiedlichen Einstellung der Heizströme der beiden Hitzdrähte (1,2) aufweist, undf) the supply circuit switching elements (3, 4) for different setting of the Has heating currents of the two hot wires (1,2), and g) die Meßschaltung Schaltkreise (6) zur Ermittlung der Differenz der Widerstandswerte der beiden Hitzdrähte umfaßt.g) the measuring circuit circuits (6) for determining the difference between the resistance values of the two hot wires. 2. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (7) zwei gasleitend miteinander verbundene rohrförmige Kammern (8,9) aufweist, daß die Hitzdrähte (1,2) unterschiedlichen Durchmesser (dv d2) haben und jeweils axial in den beiden Kammern (8, 9) aufgespannt sind.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 v d 2 ) and each are axially stretched in the two chambers (8, 9). 3. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kammern (8, 9) gleiche Abmessungen haben.3. heat conduction gas analyzer according to claim 2, characterized in that the two chambers (8, 9) have the same dimensions. 4. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzdrähte (1, 2) innerhalb einer gemeinsamen rohrförmigen Kammer (8') der Meßzelle (7) in einer die Achse der Kammer (8') enthaltenden Ebene jeweils achsparallel aufgespannt sind und unterschiedlichen Durchmesser (dv tf2), aber gleichen Abstand von der Wand der gemeinsamen Kammer (8') haben. 4. Heat conduction gas analyzer according to claim 1, characterized in that the hot wires (1, 2) are each spanned axially parallel within a common tubular chamber (8 ') of the measuring cell (7) in a plane containing the axis of the chamber (8') and have different diameters (d v tf 2 ), but the same distance from the wall of the common chamber (8 '). 5. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (7) zwei gasleitend miteinander verbundene rohrförmige Kammern (8, 9) unterschiedlichen Durchmessers (D8, D9) aufweist, und daß die Hitzdrähte (1, 2) jeweils axial in den Kammern (8, 9) aufgespannt sind und gleichen Durchmesser (dv d2) haben. 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 8 , 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 v d 2 ) . 6. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzdrähte (1, 2) gleichen Durchmesser (U1, d2) haben und in einer gemeinsamen rohrförmigen Kammer (8') parallel zur Achse der Kammer (8') in einer die Achse enthaltenden Ebene und in unterschiedlichem Abstand (A}, A2) von der Wand der Kammer aufgespannt sind.6. heat conduction gas analyzer according to claim 1, characterized in that the hot wires (1, 2) have the same diameter (U 1 , d 2 ) and in a common tubular chamber (8 ') parallel to the axis of the chamber (8') in a plane containing the axis and spanned at different distances (A } , A 2 ) from the wall of the chamber.
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