CH669263A5

CH669263A5 - Anordnung mit einer messzelle zur messung der waermeleitfaehigkeit von gasen.

Info

Publication number: CH669263A5
Application number: CH5388/85A
Authority: CH
Inventors: Gerhard Wiegleb
Original assignee: Leybold Ag
Priority date: 1985-01-25
Filing date: 1985-12-18
Publication date: 1989-02-28
Also published as: NL8600088A; US4850714A; FR2576688B1; GB8601759D0; GB2170317B; FR2576688A1; JPS61217749A; DE3502440A1; GB2170317A

Description

BESCHREIBUNG

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

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 2 156 752, Fig. 6, bekannt. Dabei wird der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit dadurch 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 Ansprechzeit ausserordentlich lang. Ein derartiger Messfühler, der wegen des Prinzips des Gasaustauschs auch als «Diffusionszelle» bezeichnet wird, ist durch die DE-PS 2 952 137 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 gattungsge-mässen 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 äusserst geringe Strömungsempfindlichkeit aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Anordnung erfindungsgemäss dadurch, dass a) in der Messzelle 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 Strömungsgeschwindigkeit 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 Wärmeleitfähigkeit erhalten.

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Es versteht sich, dass auch bei der erfindungsgemässen Lösung eine Miniaturisierung der eigentlichen Messzelle 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 2 952 137.

Beispielhaft lässt sich das Verhältnis von By-Pass-Strö-mung zur Gesamtströmung wie 1:1000 auslegen. Bei einem Zellenvolumen von etwa 5 mm3 erhält man dann eine durch die Leerspülung bedingte Zeitkonstante von etwa 0,3 Sekunden. Durch entsprechend ausgebildete Messwiderstände mit einer Materialstärke von beispielsweise 5 um, 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.

Es ist zwar durch das DE-Gbm 1 920 597 und die DE-AS 1 256 909 bereits bekannt, beheizte Messwiderstände in Strömungsrichtung 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 den die Messzelle geregelt auf eine 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.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den übrigen abhängigen Ansprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Strömungskanäle in einer Messzelle, die ihrerseits radial auf einen Hauptströmungskanal aufgesetzt ist,

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

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrössertem Massstab, nämlich den Trägerkörper unter Einschluss des mittleren Plättchens nach Fig. 2,

Fig. 4 die elektrische Schaltung der Messwiderstände innerhalb einer Messbrücke und

Fig. 5 die Kennlinie für die Strömungsabhängigkeit jedes der beiden Messwiderstände.

In Fig. 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 5 versehen, die eine ebene Bodenfläche 6 besitzt.

Auf die Bodenfläche 6 ist die eigentliche Messzelle 7 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 9 mit einem Fenster 10, deren Einzelheiten anhand von Fig. 3 noch näher erläutert werden. Der Trägerkörper 9 ist zwischen zwei Keramikplatten 11 und 12 angeordnet, von denen die eine einen Strömungskanal 13 zum Fenster 10 hin bzw. die andere einen Strömungskanal 14 vom Fenster weg aufweist. Die beiden Strömungskanäle 13 und 14 kommunizieren mit den radialen Abzweigbohrungen 3 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 Aussenseiten mit je einem Heizwiderstand 15 und 16 versehen, der als Platin-Dünnschichtwiderstand ausgebildet ist. Die beiden Heizwiderstände sind gleichzeitig Messwiderstände für die thermostatisierte Temperaturregelung 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 ergibt.

Fig. 2 zeigt das mittlere isolierende Plättchen 20 des Trägerkörpers 9 mit dem etwa quadratischen Fenster 10. Auf beiden Seiten des Plättchens 20 befinden sich, das Fenster mehrfach überbrückend, zwei mäanderförmig ausgebildete Messwiderstände 21 und 22, von denen in Fig. 2 nur der Messwiderstand 21 zu sehen ist. Die Enden eines jeden Messwiderstands führen zu Anschlusskontakten 23 und 24. Die Messwiderstände können beispielsweise durch Maskierung und chemisches Ätzen eines Nickelplättchens von 5 (im Dicke hergestellt werden.

Fig. 3 zeigt die Einbettung des mittleren Plättchens 20 zwischen zwei weiteren isolierenden Plättchen 25 und 26 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 Messwiderstand 22 zwischen dem zweiten Plättchen 20 und dem dritten Plättchen 26 zu liegen kommt, wobei die Messwiderstände die kongruenten Fenster in der in Fig. 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.

Fig. 4 zeigt die Messbrücke mit den in den einzelnen Brük-kenzweigen liegenden Brückenwiderständen Ri, R2, R3 und R4. Dabei bilden die Brückenwiderstände Ri 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 Strö-

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mung subtraktiv verhält, da die von dem Messwiderstand 1 abgeführte Wärmeenergie dem Messwiderstand 2 zugeführt wird. Innerhalb bestimmter Grenzen der in Fig. 5 dargestellten Kennlinie erhält man daher eine Kompensation der Strömungsabhängigkeit. Der lineare Kompensationsbereich der beiden benutzten Messwiderstände reicht dabei gemäss Fig. 5 bis etwa 100 mm3/sec., so dass die Kompensation der Strömungsgeschwindigkeit bei einem Gesamtdurchsatz von 11/min durch den Hauptströmungskanal 1 und einem By-Pass-Anteil von 1/1000 gewährleistet ist. Der By-Pass wird gemäss Fig. 1 durch die Abzweigbohrung 3, den radialen Strömungskanal 13, die Fensteranordnung 10, den wiederum radialen Strömungskanal 14 und die Abzweigbohrung 4 gebildet.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 betrug das Kammervolumen der Messzelle 7, d.h das Volumen der Strö-5 mungskanäle 13 und 14 und der Fensteranordnung 10 etwa 1 mm3. Die beiden Messwiderstände 21 und 22 überbrückten eine Fensterfläche von 1 mm x 1 mm und besassen einen Widerstand von 22,5 Ohm. Die Ansprechgeschwindigkeit, die sogenannte Tw-Zeit lag bei diesem Ausführungsbeispiel io bei 800 Millisekunden bei einer praktisch nicht wahrnehmbaren Strömungsabhängigkeit bzw. einer vollkommen ausreichenden Strömungskompensation.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

669263 PATENTANSPRÜCHE

1 mm3, ist.

1. Anordnung mit einer Messzelle zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen mittels eines ersten, elektrisch in einer Messbrücke sowie räumlich in einem Strömungs-By-Pass eines Hauptströmungskanals angeordneten, beheizbaren und temperaturabhängigen Messwiderstandes,

dadurch gekennzeichnet, dass a) in der Messzelle in unmittelbarer Nähe des ersten Messwiderstandes (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. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messwiderstände (21,22) der Messzelle mäanderförmig ausgebildet und in einem durchgehenden Fenster (10) eines Trägerkörpers (9) angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (9) der Messzelle aus drei isolierenden Plättchen (20,25,26) mit je einem Fenster (10) 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.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (9) der Messzelle zwischen zwei Keramikplatten (11,12) befestigt ist, von denen jede einen Strö-mungskanal (13,14) zum Fenster (10) hin bzw. vom Fenster weg aufweist, welche Strömungskanäle in den Hauptströmungskanal (1) einmünden.

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

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtvolumen des Strömungs-By-Pass innerhalb der Messzelle kleiner als 5 mm3, vorzugsweise kleiner als

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatten (11,12) der Messzelle mit dem dazwischenliegenden Trägerkörper (9) unter radialer Ausrichtung der Strömungskanäle (13,14) in den Keramikplatten zum Hauptströmungskanal (1) auf dessen eine Seitenwand aufgesetzt sind.