NO302320B1 - Fremgangsmåte og apparat for bestemmelse av varmeledningsevnen for gasser - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte av den art som er angitt i krav l's ingress, samt et apparat som angitt i kravene 6-8, for utførelse av fremgangsmåten. Oppfinnelsen vedrører således en fremgangsmåte og apparat for bestemmelse av sammensetningen av gassblandinger ved måling av deres termiske ledningsevne,.

En kommersiell viktig anvendelse av bestemmelse av den termiske ledningsevne for en gass er for å bestemme mengden av gass, spesielt hydrogen, i en metallsmelte, spesielt aluminium og legeringer derav. Tilstedeværelse av mer enn en forhåndsbestemt liten mengde hydrogen (f.eks. 0,1-0,15 ml H2pr. 100 g metall) kan ha ødeleggende effekt på metallets egenskaper og en nøyaktig bestemmelse er derfor nød-vendig for å sikre at innholdet er under denne verdi.

I praksis blir en egnet porøs sonde som den beskrevet i europeisk patentpublikasjon nr. Al 0295 798, publisert 21. desember 1988, innført i det smeltede metall og en bærer-gass, såsom nitrogen, sirkuleres i en lukket krets mellom prøven og et katarometer. Gasser oppløst i metallet føres med bærergassen i et proposjonalitetsforhold til deres kon-sentrasjon i metallet, og hvis de termiske ledningsevner for den medførte gass og bærergassen er tilstrekkelig forskjellige, er måling ved hjelp av katarometeret av denne parameter for bærergassen alene, som utgjør referansegassen, og for den resulterende blanding, som utgjør prøvegas-sen, anvendes for å bestemme konsentrasjonen av gass opp-løst i metallet.

En type katarometerapparat som vanligvis har vært anvendt til nå anvender to celler som er elektrisk forbundet som to motstående armer i en motstandsbro, hvor én av cellene mottar eller inneholder referansegassen og utgjør en referan-secelle, mens den andre mottar en strøm av prøvegassen som skal undersøkes og utgjør målecellen. Hver celle inneholder en fin, oppvarmet platinatråd, hvis motstand er avhengig av temperatur, graden med hvilken tråden avkjøles ved passasje av gassen gjennom cellen, avhengig av gassens termiske ledningsevne, hvilket vanligvis vil variere med gass-sammensetningen på grunn av de forskjellige verdier for de forskjellige gasser. Den resulterende forandring i motstanden i målecellen bringer broen i ubalanse, og verdien for den resulterende ubalansespenning er en funksjon av prøvegassens termiske ledningsevne.

Fremstilling og drift av katarometerapparater til å gi reproduserbare resultater byr på vanskeligheter. Det er vanskelig i første omgang å fremstille kommersielt to katarometerceller med tilstrekkelig like statiske og dyna-miske karakteristika til å gi en bro som kan balanseres uten behov for statisk og dynamisk korrigering av krets-elementene. De to celler bør holdes så nær som mulig til den samme temperatur, men dette er vanskelig å oppnå når filamentet i målecellen nødvendigvis varierer med hensyn til temperatur for å gi den nødvendige ubalanse. Det er derfor vanligvis nødvendig å forsøke å holde de to celler ved en viss standardtemperatur, slik at deres responser tilsvarer hverandre så mye som mulig. Et typisk område for hydrogengasskonsentrasjonen i smeltet aluminium er 0,1 - 0,3 ml H2/100 g, tilsvarende 1-9 volum% i bærergassen, men det er mulig at prosentandelen kan være så høy som 25%, og det er ikke ukjent at denne type katarometer ikke er istand til å måle verdier over 0,4, slik at nøyaktige målinger av disse høye verdier blir umulige.

Man har forsøkt å unngå dette problem ved å anordne et katarometer som anvender kun en enkelt celle. US patent nr.4.685.325 viser et slikt enkeltcelle-katarometer, hvor cellen tilføres strøm fra en konstant strømkilde for å oppvarme dets filament. En balansekrets er knyttet over cellen for å balansere strømstyrken mot denne konstante strømkilde, slik at utgangsspenningen er null når bærergassen alene passerer gjennom cellen. Spenningsforskjellen som utvikles over filamentet er en funksjon av andelen av hydrogen i bærergassen.

Det er en hovedhensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe nye fremgangsmåter ved bestemmelse av gassers varmeledningsevne under anvendelse av katarometere.

Det er en annen hensikt å tilveiebringe et nytt katarometerapparat for slike målinger, hvor det anvendes et enkelt temperaturfølsomt katarometerelement.

I henhold til foreliggende opppfinnelse er det tilveiebragt en fremgangsmåte for måling av ledningsevnen for gass under anvendelse av et katarometer som omfatter et enkelt katarometerelement med en temperatur/motstandskarakteristikk.

Fremgangsmåten er særpreget ved det som er angitt i krav l's karakteriserende del, nemlig

å utføre to målinger adskilt i tid for å bestemme andelen av prøvegassen inneholdt i bæregassen,

å sirkulere bæregassen igjennom katarometerelementet (10) og en sonde (74) i kontakt med prøvegassen i en første tidsperiode tilstrekkelig til å medføre prøvegassen i bæregassen for å gi en blanding av gasser, og

deretter å utføre en første bestemmelse, hvoretter katarometeret (10) spyles med bæregassen for å fjerne gassblandingen og utføre en andre bestemmelse i løpet av en kort tidsperiode etter den første bestemmelse, og

å anvende den første og andre bestemmelse for å elimi-nere temperaturen av katarometerelementet (10), som en variabel fra gassvarmeledningsevnebestemmelsen.

Ytterligere trekk fremgår av kravene 2-5.

I henhold til oppfinnelsen er det også tilveiebragt et nytt apparat for å måle eller bestemme gassvarmeledningsevnen for en prøvegass, hvilket apparat omfatter, som angitt i

krav 6's ingress:

et enkelt katarometerelement (10) med en temperatur /mot st andskarakt er is tikk,

midler (12, 14, 16) for å føre en prøvegass over elementet (10),

midler (22) for å tilføre elektrisk effekt til elementet (10) for å oppvarme dette til en forhåndsbestemt temperatur og en tilsvarende motstand,

midler (12, 14, 16) for å tilføre en prøvegass hvis varmeledningsevne skal bestemmes til elementet (10) og derved endre temperaturen for elementet (10) fra den forhåndsbestemte verdi og derved endre motstanden fra den tilsvarende verdi, og

kontrollmidler (32)som reagerer på endringer i motstanden av elementet (10) for å endre tilført elektrisk effekt (22) til elementet (10) for å bibeholde dets temperatur ved den forhåndsbestemte verdi og dets motstand ved en tilsvarende verdi, samt midler (42) for å bestemme mengden av effekt (22) nødvendig for å bibeholde elementet (10) ved dets forhåndsbestemte verdi i nærvær av prøvegas-sen, for å gi en måling som er representativ for gassens varmeledningsevne.

Apparatet er særpreget ved det som er angitt i krav 6's karakteriserende del.

Spesielt foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen skal beskrives under henvisning til de vedlagte tegninger, hvorav

Fig. 1 viser skjematisk et kretsdiagram for en første utførelsesform,

fig. 2 er et perspektivbilde av et katarometer som viser anvendelse av isotermiske varmeavlederplater for å stabilisere temperaturen for ledningene til katarometerelementet ,

fig. 3 viser skjematisk apparatet for måling av gassinnholdet i smeltet metall,

figurene 4A og 4B viser henholdsvis måten ved hvilken et katarometerelement og et oppvarmet filamentkata-rometerelement kan monteres i katarometerlegemet,

fig. 5 viser grafisk en faktor B for et termi-sterkatarometerelement ved forskjellige omgivelsestemperaturer,

fig. 6 viser grafisk responsen for en krets iføl-ge oppfinnelsen til forandringer av innholdet av hydrogen i en prøvegass,

figurene 7 og 8 viser henholdsvis skjematiske kretsdiagrammer for den andre og tredje utførelsesform.

I apparatet i den beskrevne oppfinnelse anvendes en termistor 10 som et temperaturfølsomt katarometerelement hvis elektriske motstand varierer med dets absolutte temperatur, hvor den absolutte verdi av dets motstand er tilstrekkelig konstant for en forhåndsbestemt temperaturverdi. I den viste utførelsesform er termistoren montert i det vanlige, relativt tunge metallkatarometerhus 12 forsynt med et gassinnløp 14 og et gassutløp 16, slik at respektive strøm-mer av prøvegass og referansegass kan føres gjennom husets indre. I denne utførelsesform er elementer forbundet i serie med en fast motstand 18 med en motstand R for å gi en første spenningsdeler med et knutepunkt 20, ved hvilket spenningen V1vil oppstå, idet spenningsdeleren tilføres elektrisk effekt fra kilden 22.

To serie-forbundne faste motstander 24 og 2 6 med henholdsvis motstandene Rx og R2 utgjør en andre referansepoten-sialdeler som også tilføres fra kilden 22 og som ved deres knutepunkt 2 8 er forbundet med inngangsterminalen 3 0 på en differensialforsterker 32 for å gi denne en referansespen-ning V2, og knutepunktet 2 0 er forbundet med den andre for-sterkerinngangsterminal 34. Forsterkeren tilføres kraft fra terminalene 36 og en oppstartings-belastnings-motstand 3 8 er anordnet mellom kilden 22 og kretsen til å gi en oppstartingsspenning (positiv eller negativ) som pålegges

cellen.

Termistoren 10 vil bli varmet opp av strømmen som føres

gjennom den og når dens temperatur øker, avtar dens mot-

stand og senker verdien av V1. Hvis spenningene ved Vxog V2ikke er like, vil forsterkeren 32 endre sin utgangsspen-ning proposjonalt med forskjellen mellom dem og oppvarme termistoren 10 ytterligere og således ytterligere nedsette dens motstand inntil balanse nås, ved hvilket punkt elemen-

tet har en stabil temperatur og tilsvarer en stabil motstandsverdi. I denne stabile tilstand vil en konstant spenning V0bli produsert ved forsterkerens utgangsterminal og kan måles mellom utgangsterminalene 42. Hvis en gass-strøm med høyere termisk ledningsevne nå innføres i kataromete-

ret, vil termistoren 10 avkjøles, hvilket resulterer i en forøkning av dens elektriske motstand, slik at Vxavtar. Dette resulterer i en forøkning av spenningen V0og en økning av strømstyrken gjennom termistoren og motstanden 18 til å gi en økning i elektrisk effekt (energi/s) tilført termisto-

ren, inntil dens temperatur og motstand bringes tilbake til forhåndsbestemte verdier. Den nye verdi for spenningen V0

er korrelert med gassvarmeledningsevne i blandingen av gasser i strømmen i henhold til ligningen:

hvor

R er motstanden i motstanden 18,

Rx er motstanden i motstanden 26,

R2er motstanden i motstanden 24,

G er en geometrisk konstant for katarometeret basert på katarometercellens geometri og på termistoren og dens plassering i cellen,

Tt er temperaturen for termistoren 10 og denne bør være så konstant som mulig,

Tb er omgivelsestemperaturen for katarometerlegemet målt i °K,

KL er en ekvivalent gassvarmeledningsevne tilsvarende til varmetapet (lekkasje) via termistorens elektriske tilførselsledninger og bør holdes så liten og konstant som mulig,

Kxer den ekvivalente gassvarmeledningsevne tilsvarende den termiske motstand for termistoren 10 og er derfor en konstant, og

Kn, er varmelednigsevnen for prøvegassen som skal bestemmes og er derfor variabel.

Denne ligning inneholder en varmemodell som beskriver driften av katarometerkretsen som ovenfor beskrevet, og kan betraktes som bestående av 3 deler. Den venstre del innbefattende motstandsverdier beskriver den elektriske avhen-gighet av kretsens konfigurasjon. Den midtre del omfatter temperaturverdier som innbefatter en viktig konsekvens basert på det faktum at verdien av Tt er konstant, hvilket betyr at enten Tb må være nøyaktig kjent, under anvendelse av et uavhengig måleinstrument, såsom et termometer, eller forholdet mellom to målinger utført med korte tidsmellomrom anvendes når Tb ikke har endret seg vesentlig, hvis over-hodet, og denne faktor kan elimineres fra det endelige resultat. Den høyre del av ligningen beskriver en spesiell, forenklet, men tilstrekkelig nøyaktig termisk modell av driften av katarometeret. En av parameterne er den ukjente verdi K,,, som skal måles, og det er derfor nødvendig å oppnå egnede verdier for K±og KL. Disse erholdes fra målinger av hvilke som helst tre kjente gasser, fortrinnsvis nitrogen, argon og helium (eller hydrogen) utført ved en gitt temperatur, idet verdiene erholdes fra forholdet mellom de resulterende V0-verdier.

Da den venstre del av ligningen er avhengig av den spesifikke elektriske krets for katarometeret, kan den i seg selv betraktes som en kretskonstant, og da vil forholdet ha den mere generelle form som er anvendbar også for andre typer katarometere:

Den totale elektriske effekt som tilføres elementet10 kan bestemmes med forholdet:

Da det er effekten (energi/s) som tilføres termistoren 10 som bibeholder dens temperatur, kan enten spenningen eller strømstyrken måles for å oppnå en bestemmelse som er representativ for gassens varmeledningsevne, fordi alle motstander i kretsen er kjente og har en konstant verdi, bestemmelse av spenning er vanligvis foretrukket.

Verdien for KL kan vanligvis holdes ved en i det vesentlige konstant verdi ved hjelp av et arrangement slik som vist i fig. 2, hvor tilførselsledningene 44a og 44b til termistoren holdes så korte som mulig og er hver sveiset til respektive isotermiske varmeledere 46a og 46b, som i den viste utførelsesform utgjøres av kobberplater som er semen-tert til bærerblokken festet til huset 12 og elektrisk isolert fra huset og fra hverandre. Det vil bemerkes at det er uten betydning hvorvidt V0 er positiv eller negativ, og dette er uten betydning for målingen av 1^, da leddet V<2>fremgår av ligning (1). I den spesifikke utførelsesform ble termistoren 10 erholdt fra Gow-Mac Corporation med en indre motstand på 8 Kohm ved 25°C. Verdien for R var IK og den for RLog R2var 10K, alle tre var av metallfilmtypen med en toleranse på 1% med en temperaturkoeffisient på ± 50 ppm/°C. Verdien for motstand 38 var 22K. Forsterkeren var av type LT1013AM og verdiene for V<+>og V" var henholdsvis +15 og -15 V.

Ved anvendelse av katarometeret for å bestemme prosentan delen av hydrogen i smeltet aluminium blir det forbundet i lukket krets med en porøs sonde, slik som den er beskrevet i EP nr. A 1.0295.798. Under henvisning til fig. 3 er det vist et sondeelement 74 bestående av et monolitisk legeme av gasspermeabelt materiale som er ugjennomtrengelig for flytende metall og neddykket i et legeme av smeltet metall 76, spesielt smeltet aluminium eller en legering derav. Legemet 76 kan være stasjonært, slik som det vil være i en øse eller laboratorieprøve, eller det kan være en strøm av metall, slik som erholdt i et overføringstrau som fører fra en støpeovn. Et tynt rør 78 utstrekker seg fra et gassinn-løp i sondeelementet til sirkulasjonspumpen 8 0 via en tilbakeslagsventil 82 og deretter via en annen tilbakeslagsventil 84 til gassutløpet 16 fra katarometeret. Et annet tynt rør 86 utstrekker seg fra gassutløpet fra sonden 74 til gassutløpet 14 til katarometeret og danner således en fullstendig lukket krets innbefattende sonden, pumpen og cellen. Røret 3 0 innbefatter en T-skjøt ved hjelp av hvilken gasskretsen forbindes med en kontrollerbar spyle-ventil 88, som når den åpnes tillater innføring av bæregassen, vanligvis nitrogen, inn i kretsen fra en egnet kilde, vanligvis en sylinder med komprimert gass (ikke vist). Katarometercellen er forbundet med dens kontrollkrets 90, som på sin side er forbundet med en kontrollcomputer 92.

Et termoelement 94 er mekanisk forbundet med sondeelementet, slik at det er neddykket i det smeltede metall 76 og tilveiebringer den nødvendige bestemmelse av metallets temperatur. Termoelementet 94, pumpen 8 0 og spyleventilen 88 er også forbundet med kontrollcomputeren 92, som er anordnet til automatisk å kontrollere apparatet gjennom hver konsentrasjonsbestemmelsescyklus og for å innmate resultatene av cyklusen til én eller flere vise- og/eller skriveranordninger slik det vil være åpenbart for en fag-mann .

En typisk målecyklus vil begynne med at spyleventilen 88 åpnes av kontrollcomputeren 92, slik at tørt nitrogen under trykk sirkulerer gjennom hele kretsen, idet nitrogenet innføres både i sondegassinnløpet og utløpet og utføres gjennom det porøse legeme i sondeelementet. Denne sirku-lering bibeholdes så lenge at det sikres at kun nitrogen forblir i kretsen. Spyleoperasjonen bibeholdes inntil sonden er senket inn i smeiten når ventilen 88 er lukket og nitrogentrykket i kretsen vil rask oppnå en stabil tilstand. Drift av pumpemotoren 8 0 forårsaker at bæregassvolu-met i kretsen konstant vil sirkuleres i denne. En første avlesning av V0utføres mens den tørre nitrogen sirkulerer. Når gassem sirkuleres kontinuerlig mellom sonden og katarometeret, vil hydrogen fra aluminium akkumuleres i nitro-genbæregassen inntil likevekt nås, avhengig av de respektive partialtrykk, dette tar vanligvis ca. 10 min, og en andre avlesning av V0utføres, hvorfra gassens ledningsevne bestemmes. Dette er også driftsprosedyren som anvendes for kjente apparater. Under denne relativt lange periode kan blokkens 4 8 og også husets 12 temperatur forandres med flere grader med det resultat at den første avlesning ikke lenger er noen gyldig null-avlesning.

I henhold til en fremgangsmåte ved oppfinnelsen tas en første avlesning etter at nitrogen er sirkulert inntil likevekt med medført hydrogen oppnås, umiddelbart etter denne avlesning blir rent nitrogen injisert i kretsen ved å åpne ventilen 88 for å utspyle gassblandingen fra cellen og en andre avlesning tas etter 10-30 s, fortrinnsvis 15-20 s, etter den første avlesning. Katarometerlegemet 12 har en relativt stor varmekapasitet og en eventuell forandring i dets temperatur vil derfor finne sted meget lamgsomt, slik at effekten av disse endringer kan holdes ved et minimum. Hydrogenkonsentrasjonen kan bestemmes ved beregning fra de to varmeledningsevne-avlesningene, som er gjort med kort tids mellomrom, fordi temperaturforskjellene er minimale, forøkes målingens presisjon.

Det nye apparat anvender således et enkelt varmeelement og presisjonen kan bibeholdes selv over relativt store forandringer i omgivelsestemperaturen for katarometeret i området 10°C-60°C. Slike store temperaturforskjeller kan oppstå i feltomgivelser for en industriell drift, for eksempel i et aluminiumsmelteverk hvor apparaturen må anvendes nær ovnen, eller nær metalloverføringsrennen. Denne presisjon kan oppnås ved å anvende en enkelt måling, forutsatt at temperaturen av katarometerlegemet er kjent å være innen 0,01°C, eller at de to avlesninger som sammen-lignes er erholdt med kort tids mellomrom, som ovenfor beskrevet. Det vil spesielt ses at temperaturkontrollen for termistoren 10 er enkel, fordi det kun er nødvedig å kontrollere dens elektriske motstand.

Apparatet kan anvendes ved hvilken som helst temperatur over gasstemperaturen, innen dets normale temperaturområde, og det er kun nødvendig at det bibeholdes konstant ved denne temperatur.

De nedre varmeledningsverdier kan måles med en absolutt presisjon på ± 0,03%. Den tilvarende presisjon for bestemmelse av prosentandelen av hydrogen i en hydrogen/nitrogen-gassblanding er ca. 1% i forhold til 1% hydrogen i blandingen. De erholdbare signalnivåer er avhengig av motstands-verdiene av komponentene, spesielt den for termistoren 10, og er uavhengig av dens motstand/temperaturkakteristikk. Det er også mulig å måle høyere verdier (opptil 100% hydrogen) med et tilstrekkelig dynamisk signalområde uten at den tilhørende forsterker går i metning. Med de kjente apparater ble en vesentlig unøyaktighet forårsaket av det faktum at målingene ble gjort ved temperaturer som nødvendigvis ikke var konstante fra måling til måling, og varmeledningsevnen for alle gasser endrer seg med temperaturen. Med foreliggende fremgangsmåter og apparatet ifølge oppfinnelsen er målingene i realiteten uttrykt som forhold ved de samme temperatur, hvorfor disse forskjeller forsvinner og i virkelighetene gjør målingene temperatur-ufølsomme over

driftsområdet.

De ønskede funksjonsegenskaper for et industrielt anvend-bart prøveutstyr anvendt for å bestemme hydrogeninnholdet i aluminium er dets evne til å måle, under feltbetingelser, dvs. ved en omgivelsestemperatur i området 10-60°C, hydrogenkonsentrasjonen i en nitrogenbæregass ved 60°C ved 1% med en presisjon på 1%. En slik presisjon har tidligere bare blitt oppnådd under laboratoriebetingelser, men har ved hjelp av foreliggende apparat også blitt oppnådd under feltbetingelser.

Termistorer som er faststofftemperaturfølsomme anordnin-ger, består vanligvis av en liten perle av keramisk materiale, og er uventet spesielt fordelaktige å anvende som temperaturfølsomt element i katarometeret. Generelt vil deres elektriske motstand korrelere nøyaktig og jevnt med deres tilsvarende driftstemperatur og er lett kommmersielt tilgjengelige over et bredt område av temperatur/motstands-karakteristika, slik at det er mulig å tilpasse det nødven-dige brede driftstemperaturområde på 10-60°C. De er også lett tilgjengelige med en temperatur/motstandskarak-teristikk som er negativ over det ønskede driftsområde (dvs. at dens motstand avtar med økende temperatur), dette i motsetning til den positive karakteristikk av varmefila-mentkatarometerelementer som inntil nå har vært anvendt, hvilket forenkler konstruksjonen av den tilhørende elektro-niske krets. Det er ytterligere fysisk mere robust enn et varmefilament.

Termistorer med perleform har en spesifikk varmefordel som følge av sin struktur, slik som vist i fig. 4A og 4B, som viser henholdsvis en typisk montering av en termistor og et varmeelement i et katarometerlegeme. Det fysisk lille perleformede termistorlegeme 10 er montert mellom to relativt tykke terminalstaver 44b som vanligvis har en diameter på ca.1,25 mm via to tynne terminaltråder 50 med en diame ter på ca. 0,025 mm som er loddet til stavene. Varmen som genereres i termistoren av den gjennomgående strøm, har derfor en relativt høy motstandslekkasjebane gjennom tråde-ne 50, sammenlignet med lekkasjebanen for gassen som passerer gjennom katarometeret.

Under henvisning til ligning (1) vil det ses at verdien for KL derfor er liten sammenlignet med K^, og Ki#men fordi K,,, er meget større enn KL og mindre enn K ± for termistoren, vil den resulterende variasjon i den totale varmeledningsevne være stor, med tilsvarende stor variasjon i den totale spenning. Det oppvarmede filament har ikke slike små varme-konveksjonsbegrensende ledninger, men er loddet direkte til de store terminalstavene 44a og 44b, fra hvilke generert varme lett overføres til det ytre. Følgelig vil lekkasje-verdien KL være høy og i praksis vil den være mange ganger verdien for K,,,. Vanligvis er filamentet av metall og følge-lig er Ki også meget høy, med det resultat at størstedelen av dannet varme har en tendens til å bli ført ut til det ytre via terminalstavene, i stedet for å bli fjernet av den sirkulerende gass. Forandringene i K^, som følge av forandringer i gassen forårsaker kun små variasjoner i den totale varmeledningsevne, hvilket fører til kun små variasjoner i utgangsspenningen. Dette kan kun kompenseres ved å øke forsterkningen i forsterkeren og den erholdte variasjon kan være under inngangs "offset"-spenningen som kreves for en tilfredsstillende drift av forsterkeren til å gi den krevede følsomhet.

Da verdien for Tt (termistortemperatur) i ligning (1) skal være konstant, vil verdien for dens motstand også være tilsvarende konstant, og for å oppnå den største utgangs-spenning V0bør termistorens motstand være så høy som mulig. Det eksisterer en begrensning ved at temperatur/- motstands-karakteristikken for de fleste kommersielt tilgjengelige termistorer reverserer over en viss grensetempe-ratur, hvor reverseringen begynner tidligere når driftstem- peraturen øker. Termistoren blir derfor valgt med en gren-setemperatur på 60°C for å gi en maksimal motstandsverdi ved denne temperatur, når det blir akseptert at motstanden ved lavere driftstemperaturer vil være lavere. Fig. 6 viser en serie kurver ved forskjellige omgivelsestemperaturer for en verdi B avsatt mot motstandsverdier Rt for termistoren, hvor B er gitt av det følgende uttrykk avledet fra ligning

(1)

Termistoren velges med en omgivelsestemperatur på 60°C til å gi en maksimal verdi for B ved denne temperatur, idet det aksepteres at verdien ved andre lavere omgivelsestemperaturer vil være høyere.

Det vil ses at for dette spesielle eksempel vil grensever-dien for Rxhved 6 0°C være 96 0 Ohm ved en verdi for B =

231; ved en lavere omgivelsestemperatur ved 15°C er verdien for B=373,8Ohm, og dette er maksimums- og minimumsverdiene for denne delen av ligning (1). For en gitt verdi Rt (omgivelsestemperatur) som kan erholdes ved foreliggende fremgangsmåte og apparat ifølge oppfinnelsen blir det en konstant .

Det følger derav at det avsluttende uttrykk

i ligning (1), som angir den totale varmeledningsevne som observert av kretsen, blir den eneste variable og hvor KL er en helt uvesentlig verdi som følge av anvendelse av en termistor, vil den grafiske fremstilling av denne verdi for uttrykket mot hydrogeninnholdet bli meget lineær, slik det fremgår av den grafiske fremstilling i fig. 6, hvor ordinaten angir spesifikke numeriske verdier for slutt-uttrykket. Kurven er ført til under null for å representere verdier erholdt med gasser forskjellige fra hydrogen,

f.eks. argon som anvendes for kalibreringsformål, som vil gi den tilnærmet samme verdi som -13H20. Ved lave hydro-genkonsentrasjoner vil verdien for KL være av samme stør-relsesorden som K,,, og helningen vil vøre større. I det midlere område for den grafiske fremstilling er den tilnærmet lineær, mens ved høyere verdier er verdien for K^, av samme størrelsesorden som Ki7som er konstant og derfor bibeholde lineariteten. Det kan ytterligere bemerkes at kurven bibeholder en i det vesentlige positiv helning over hele området opp til 100% hydrogen, slik at det ikke er noen begrensning med hensyn til målinger av høye hydrogen-konsentrasj oner.

Kretsens følsomhet er angitt av linjens helning i fig. 6 og det kan vises at for dette spesielle apparat vil variasjo-nen i V0 for å gi den ønskede 1% presisjon i målingen være ca. 227 jxM, en slik verdi ligger innenfor mulighetene for mange billige forsterkere. Slike billige forsterkere er også i stand til å tilfredsstille det beskjedne effektbehov som kreves av katarometeret som anvender en termistor på 3 0 V total og ca. 10 mA utgangsstrøm.

Det vil derfor ses at katarometere i henhold til oppfinnelsen, spesielt de som anvender termistorelementer, har de ønskede kerakteristika, at de er stabile og lette å arbeide med og kalibrere i den ønskede 1% presisjon under drift og kan måle opptil 100% hydrogeninnhold i prøvegassen uten behov for bytte av område og vil operere i det ønskede om-givelsestemperaturområde på 10-60°C. Det termistoranven-dende apparat kan arbeide med et behov mindre enn 100 mW elektrisk effekt og kan lett drives med batterier i et bærbart apparat.

Kretsen vist i fig. 7 har det samme eller tilsvarende element, det samme henvisningstall, når dette er mulig. Termistorkatarometerelementet 10 er forbundet i serie med en motstand 18, og denne er forbundet over inngangen for deleelementet 52, hvis innganger er spenninger, nemlig V1og V2, ved temistorelementets terminaler, og hvis utgang er V2/ Vll idet denne utgang mates til operasjonsforsterkeren 54. Verdien for motstand 18 er innstilt til å gi den ønskede verdi, f.eks. 2, for dette forhold ved en forhåndsbestemt driftstemperatur og motstand for elementet og effekt-utgangen fra forsterkeren 54 er tilstrekkelig til å holde forholdet stabilt ved denne verdi. Når termistoren 10 avkjøles og dens motstand avtar, vil forholdet øke, hvorved utgangen fra forsterkeren 54 øker for å oppvarme elementet og gjenopprette motstanden til sin opprinnelige likevekts-verdi. Verdien for V0måles ved utgangen av forsterkeren 54 .

En tredje utførelsesform er vist i fig. 8 hvor nøyaktighe-ten og følsomheten av kretsen er forbedret ved eliminering av eventuelle omgivelsestemperatureffekter på forsterkeren og referansemotstanden 18 i de to tidligere beskrevne kretser, hvilket gjør det mulig å anvende en motstand med en temperaturkoeffisient som er relativt lav (f.eks. 50 ppm/°C) i stedet for kravet til at den skal være 0, eller akseptere en ellers resulterende lavere følsomhet. Forsterkeren 32 tilfører driftsstrøm til termistoren 10 og referansemotstanden 18 i serie, slik at de begge mottar den samme strømstyrke og spenningen over dem er derfor lik deres respektive motstander. Kretsen er anordnet for å kontrollere verdien RThfor termistoren for å gjøre denne lik verdien for motstanden 28 ved likevekt når spenningene er de samme eller for å bringe dem til et egnet forhåndsbestemt forhold. Seriekoblingen av motstanden og termistoren gjør sammenligning av deres spenninger vanskelig, da de ikke kan henføres til et felles referansepunkt, slik som jordpunktet 56. Denne vanskelighet overvinnes ved kretsen ved denne utførelseform av oppfinnelsen ved å overføre spenningen over motstanden 18 til en holdekondensator 58 og overføre spenningen over termistoren 10 til en holdekondensator 60. De to holdekondensatorer er forbundet mellom det samme jordreferansepunkt 56, og de respektive innganger til forsterkeren 32, som derfor kan mere nøyaktig gi et ut-gangssignal slik at de to spenninger er like eller er like med det forhåndsbestemte forhold. En slik krets kan kontrollere forholdet mellom verdiene for spenningen med en høy presisjonsgrad, (f.eks. ca. 2 ppm). Det er ikke nødven-dig med presisjonskondensatorer og driften av forsterkeren er uavhengig av omgivelsestemperaturen. Følsomheten bestemmes hovedsagelig av inngangsfølsomheten for forsterkeren og det er funnet at den totale presisisjon er bedre og mere stabil enn den tilsvarende brokrets. Forholdet mellom de to motstander R og Rxh må holdes liten, men dette er ikke noen ulempe, da verdien 1 er fullt ut tilfredsstillende og det er relativt lett å velge en motstand hvis verdi er tilstrekkelig nær arbeidsområdet for termistoren.

I denne krets blir spenningsoverføringene tilveiebragt av kommersielt tilgjengelige dobbeltbrytermoduler 62 forsynt med to separarte bryterblokker 64a og 64b, som hver innbefatter henholdsvis et par "på"-brytere 66a og 66b og et par "av"-brytere 68a og 68b. Blokken 64a kontrollerer spen-ningsoverf øringen fra motstanden 28 til kondensatoren 58 via en overføringskondensator 70, mens blokken 64b kontrollerer overføringen fra termistoren 10 til kondensatoren 60 via overføringskondensatoren 70b. Når begge "på"-brytere er lukket er de respektive "av"-brytere åpne og omvendt, idet bryterne drives for å bryte før de slås inn i begge retnin-ger under kontroll av en intern oscillator som synkronise-rer åpnings- og lukningssekvensene. Et egnet område for driftssekvensen for bryterblokkene er fra 100 Hz til lKHz, idet frekvensen kontrolleres av en eksternt justerbar kondensator 72.

Hver bryterblokk arbeider som en differensialspennings-"translator", teoretisk er i den viste krets blokken 64 som overfører til termistoren ikke nødvendig, da denne allerede er forbundet med referansepunktet 56. I praksis er den nødvendig i denne spesielle krets, slik at det er en kondensator ved hver inngang til forsterkeren, for spennings-strømmen ved hver inngang produserer en lik spenningsva-riasjon i begge kondensatorer og jevner ut den erholdte utgang. Hver overføringskondensator er først koblet over sitt respektive motstandselement og vil lades opp eller utlades inntil dens spenning er lik den over elementet. Den blir deretter koblet fra og koblet til de respektive jordekondensatorene til hvilken den lader eller utlader, inntil deres spennnger er like. Brytersekvensen gjentas, og til slutt vil spenningene over hvert motstandselementsett, overføringskondensator og holderkondensator bli like, med den ønskede høye nøyaktighetsgrad. Overføringssystemene ifølge foreliggende oppfinnelse er også anvendbare på katarometere som anvender andre temperaturfølsomme elemen-

ter enn termistorer.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte ved måling av gassvarmeledningsevnen for en prøvegass under anvendelse av et katarometer (10) ved å: tilføre elektrisk effekt (22) til et enkelt katarometerelement (10) med en temperatur/motstandskarakteristikk for å oppvarme elementet (10) til en forhåndsbestemt temperatur og en tilsvarende motstandsverdi, føre en prøvegass hvis varmeledningsevne skal bestemmes over katarometerelementet (10) for derved å endre dets temperatur fra en forhånbdsbestemt verdi og dens motstand fra den tilsvarende verdi, anvende endringen i elementets (10) motstand til å endre tilførselen av elektrisk effekt (22) til elementet (10) for å gjenopprette dens temperatur til den forhåndsbestemte verdi og dets motstand til den tilsvarende verdi, og måle (42) tilført elektrisk effekt (22) til elementet (10) når dets temperatur er bragt tilbake til den forhåndsbestemte verdi for å bestemme prøvegassens varmeledningsevne , og hvor prøvegassen, hvis ledningsevne skal bestemmes, inneholdes i en bæregass, karakterisert vedå utføre to målinger adskilt i tid for å bestemme andelen av prøvegassen inneholdt i bæregassen, sirkulere bæregassen igjennom katarometerelementet (10) og en sonde (74) i kontakt med prøvegassen i en første tidsperiode tilstrekkelig til å medføre prøvegassen i bæregassen for å gi en blanding av gasser, og deretter utføre en første bestemmelse, hvoretter katarometeret (10) spyles med bæregassen for å fjerne gassblandingen og utføre en andre bestemmelse i løpet av en kort tidsperiode etter den første bestemmelse, og anvende den første og andre bestemmelse for å elimine-re temperaturen av katarometerelementet (10), som en variabel fra gassvarmeledningsevnebestemmelsen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat en motstand (18) er forbundet i serie med katarometerelementet (10) som et referansepunkt i kretsen, motstanden (18) og katarometerelementet (10) tilføres strøm fra den samme kilde for å etablere spenninger over dem tilsvarende deres respektive motstandsverdier, én av spenningene er målbar fra referansepunktet, spenningen over minst én av de andre motstander (18) og katarometerelementet'(10) som ikke er forbundet direkte til referansepunktet, overføres til et annet kretselement (58) forbundet med referansepunktet, og spenningene, som har felles referansepunkt, sammenlig-nes med strømstyrken som tilføres motstanden (18) og katarometerelementet (10) kontrolleres i respons til sammenligningen for å bibeholde deres motstand i et forhåndsbestemt forhold.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedbestemmelsen av effekten som er nødvendig for å bibeholde katarometerelementet (10) ved en innstilt temperatur og for å bestemme verdien Km med ligningen:

hvor: G er en geometrisk konstant for katarometeret, Tt er temperaturen for katarometerelementet (10), Tb er temperaturen for katarometerlegemet, KL er en ekvivalent gassvarmeledningsevne som tilsvarer varmetapet fra katarometerelementets (10) elektriske tilførselsledninger (44a, 44b), Ki er den ekvivalente gassvarmeledningsevne tilsvarende den termiske motstand f or katarometerelementet (10), og K,,, er varmeledningsevnen for gassen som skal bestemmes .

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat katarometerelementet (10) har elektriske ledninger (44a, 44b) for tilknyt-ning til en kraftkilde for tilførsel av elektrisk energi til katarometerelementet (10), hvor varmelekkasje fra ledningene vil ha den evkivalente effekt med hensyn til å endre varmeledningsevnen for prøvegassen, og hvor de elektriske ledninger er montert på respektive isoterme varmeavledere (46a, 46b) for å stabilisere deres varmetapsmot-stand.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat prøvegassen, hvis varmeledningsevne skal bestemmes, fjernes fra et smeltet metall ved medføring i en bæregass.

6. Apparat for bestemmelse av varmeledningsevnen for en prøvegass, omfattende: et enkelt katarometerelement (10) med en temperatur /mot st andskarakter is tikk, midler (12, 14, 16) for å føre en prøvegass over elementet (10), midler (22) for å tilføre elektrisk effekt til elementet (10) for å oppvarme dette til en forhåndsbestemt temperatur og en tilsvarende motstand, midler (12, 14, 16) for å tilføre en prøvegass/hvis varmeledningsevne skal bestemmes,til elementet (10) og derved endre temperaturen for elementet (10) fra den forhåndsbestemte verdi og derved endre motstanden fra den tilsvarende verdi, og kontrollmidler (32) som reagerer på endringer i motstanden av elementet for å endre tilført elektrisk effekt (22) til elementet (10) for å bibeholde dets temperatur ved den forhåndsbestemte verdi og dets motstand ved en tilsvarende verdi, samt midler (42) for å bestemme mengden av effekt (22) nødvendig for å bibeholde elementet (10) ved dets forhåndsbestemte verdi i nærvær av prøvegassen, for å gi en måling som er representativ for gassens varmeledningsevne , karakterisert vedat katarometerelementet (10) har elektriske ledninger (44a, 44b) og at ledningene er montert på respektive varmeavledere (46a, 46b) for å stabilisere deres varmetapsresistens.

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert vedat kontrollmidlene (32) omfatter en motstand forbundet i serie med katarometerelementet (10) til å gi en første spenningsdeler med et første knutepunkt (20), en andre spenningsdeler (Rx, R2) med et andre knutepunkt (28) som tilføres energi fra til-førselsdeleren (22) og en spenningsforsterker (32) med to innganger tilført fra de respektive knutepunkter (20, 28), og hvor utgangen fra forsterkeren (32) er forbundet med katarometerelementet (10) for å kontrollere mengden av elektrisk energi som innmates til katarometerelementet (10) .

8. Apparat ifølge krav 6, karakterisert vedat kontrollmidlene (90) omfatter en motstand (18) forbundet i serie med katarometerelementet (10) , midler for å tilføre elektrisk effekt til katarometerelementet (10) og en motstand i serie til å gi spenninger for hver av disse tilsvarende deres respektive mot-standsevne, midler (64a, 64b) for å overføre minst én av de således genererte spenninger som en første overføring til et felles referansepunkt i kretsen med den andre spenning, og midler for å sammenligne de to spenninger med det fellesreferansepunkt og kontrollere tilførslen av elektrisk effekt til katarometerelementet (10) og motstanden (18), i serie med sistnevnte i henhold til sammenligningen mellom de to spenninger.