DD207643A3 - FLUIDIC ELECTRICAL SENSOR FOR DETERMINING THE COMPOSITION OF GAS MIXTURES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen fluidisch-elektrischen Sensor zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen. Sie hat das Ziel, die Bestimmung der Zusammensetzung von Gasen, speziell die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes der Abluft industrieller Trocknungsanlagen zu vereinfachen und damit eine Minimierung des Energieverbrauchs solcher Trocknungsanlagen zu ermoeglichen. Der Sensor soll auch bei extremen Umgebungsbedingungen einsetzbar sein und elektrische frequenzanaloge Abbildsignale liefern, die ohne zusaetzliche Verstaerkung ueber mindestens 100m ueblicher Leitungen uebertragen werden koennen und dann noch bestimmte, falls erforderlich standardisierte Amplituden-und Frequenzwerte aufweisen koennen. Erfindungsgemaess wird als Sensor ein flaechenhafter fluidischer Oszillator benutzt, bei dem eine Einlaufduese ueber Resonanzkammern mit einer Auslaufduese gekoppelt ist. In der Einlaufduese sind Mittel zur Strahlberuhigung vorgesehen. Die Begrenzungsflaechen der Resonanzkammern sind teilweise oder ganz senkrecht zur Oszillatorebene verstellbar und als Druckaufnehmer ausgebildet.The invention relates to a fluidic-electrical sensor for determining the composition of gas mixtures. Its aim is to simplify the determination of the composition of gases, in particular the determination of the moisture content of the exhaust air of industrial drying plants and thus to enable a minimization of the energy consumption of such drying plants. The sensor should also be able to be used in extreme environmental conditions and provide electrical frequency-analogue image signals which can be transmitted without additional amplification over at least 100m of common lines and then have certain, if necessary, standardized amplitude and frequency values. According to the invention, the sensor used is an areal fluidic oscillator, in which an inlet duct is coupled via resonance chambers to an outlet duct. In the inlet duct means are provided for jet calming. The Begrenzungsflaechen the resonance chambers are partially or completely perpendicular to the oscillator plane adjustable and designed as a pressure transducer.
Description
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Fluidisch-elektrischer Sensor zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen Anwendungsgebiet der Erfindung Fluidic-electrical sensor for determining the composition of gas mixtures Field of application of the invention
Die Erfindung betrifft einen fluidisch-elektrischen Sensor zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen, der auch bei ' Temperaturen über 100 0C und bei verschmutzten Gasen einsetzbar ist und vorzugsweise zur Messung des Peuchtegehaltes von heißer verschmutzter Abluft von industriellen Trocknungsanlagen genutzt werden kann·The invention relates to a fluidically-electric sensor for determining the composition of gas mixtures, which is also applicable to 'temperatures above 100 0 C and with contaminated gases and can be used for measuring the Peuchtegehaltes of hot polluted exhaust air of industrial drying equipment preferably ·
Bekannt sind Sensoren zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen auf der Basis fluidischer Oszillatoren, die zur Erfassung der Druckschwingungen in den Oszillatoren mit elektrischen Druckaufnehmern versehen sind«Sensors are known for determining the composition of gas mixtures based on fluidic oscillators which are provided with electrical pressure transducers for detecting the pressure oscillations in the oscillators. "
Zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen werden fluidisch© Oszillatoren mit äußerer Rückführung benutzt, bei denen nach DE-OS 2 448 783, DD-PS 115 206 und US-PS 4.007.625 jeweils ein Oszillatorausgang mit einem: piezoelektrischen Druckaufnehmer verschlossen ist oder nach US-PS 3 273.377 und US-PS 4·150*561 ein Druckaufnehmer an einem Oszillatorausgang in nicht näher beschriebener Weise angeordnet ist· Nach US-PS 3,756.068 werden zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen zwei gleichartige Oszillatoren mit innerer Rückführung benutzt. Die Druckschwingungen dieser Oszillatoren werden mit einer akustischen Leitung aus jeweils einer Resonanzkammer der Oszillatoren herausgeführt und zu einem gemeinsamen Druckaufnehmer übertragen*To determine the composition of gas mixtures are used fluidically © oscillators with external feedback, in which according to DE-OS 2,448,783, DD-PS 115 206 and US-PS 4,007,625 each an oscillator output with a: piezoelectric pressure transducer is closed or according to US No. 3,273,377 and US Pat. No. 4,150,561 a pressure sensor is arranged on an oscillator output in a manner not described in more detail. US Pat. No. 3,756,068 uses two similar internal feedback oscillators to determine the composition of gas mixtures. The pressure oscillations of these oscillators are led out with an acoustic line from in each case a resonance chamber of the oscillators and transferred to a common pressure transducer *
Bei einem weiteren Sensor zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses von Gasen nach US-PS 3.392.571 wird ein Schneidentonosaillator benutzt, der akustisch mit zur- Umgebung offenen Resonanzkammern gekoppelt ist. An einer Resonanzkammer grenzt ein Druckaufnehmer zur Erfassung von Druckschwingungen- an, oder er ist k an der Umgebungsöffnung einer Resonanzkammer angeordnet, nachteilig ist bei allen bekannten fluidisch-elektrischen \ Sensoren zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen, daß bei den gwählten Anordnungen der Druckaufnehmer im OszillatorIn another sensor for determining the mixing ratio of gases according to US Pat. No. 3,392,571 a Schneidentonosaillator is used, which is acoustically coupled to the environment-open resonance chambers. At a resonance chamber, a pressure sensor for detecting Druckschwingungen- adjacent to, or is k disposed on the environment opening of a resonance chamber, is disadvantageous in all known fluidically-electrical \ sensors to determine the composition of gas mixtures that in the gwählten arrangements of the pressure sensor in the oscillator
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· p. · P.
die Druckaufnahmeflächen nicht so groß, z.B. größer als 150 mm ^ gewählt werden können, daß bei Anwendung aktiver Druckaufnehmer (z.B. piezoelektrischer Druckaufnahmer) das gewandelte elektrische Abbildsignal hinreichend leistungsstark und jitterarm ist, um ohne zusätzliche Yerstärkung und Signalformung über Entfernungen bis zu 100 m über übliche Übertragungsleitungen übertragen und anschließend von üblichen elektrischen Punktionseinheiten erfaßt und verarbeitet werden zu können. Die Wandlung der Druckschwingungen in elektrische Abbildsignale mit aktiven (ζ·Β· piezoelektrischen)Druckaufnehmern ist vorteilhaft, da für diese Wandlung keine zusätzliche Hilfsenergie erforderlich ist·the pressure receiving areas are not so large, e.g. greater than 150 mm ^ can be chosen so that when using active pressure transducer (eg piezoelectric pressure transducer) the converted electrical image signal is sufficiently powerful and low jitter, transmitted without additional Yerstärkung and signal shaping over distances up to 100 m via conventional transmission lines and then from conventional electrical Puncture units to be detected and processed. The conversion of the pressure oscillations into electrical image signals with active (piezoelectric) pressure sensors is advantageous, since no additional auxiliary energy is required for this conversion.
Die Übertragung der Abbildsignale vom Sensor zu entfernten elektrischen Funktionseinheiten ist erforderlich, wenn die Bestimmung der GasZusammensetzung unter extremen für elektrische Punktionseinheiten unzulässige Bedingungen erfolgen muß, oder aus anderen Gründen eine Trennung von Sensor und elektrischen Verarbeitungseinrichtungen zweckmäßig ist.The transmission of the image signals from the sensor to remote electrical devices is required if the determination of the gas composition must be made under conditions which are impermissible to electrical puncturing or if for other reasons separation of the sensor and electrical processing equipment is appropriate.
Bei denvbekannten fluidisch-elektrischen Sensoren zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen können die Druckaufnahmeflächen der Druckaufnehmer deshalb nicht so weit vergrößert werden, daß leistungsstarke und jitterarme Abbildsignale ent·? stehen, weil dann die parasitären Volumina vor den Druckaufnahmeflächen die Oszillatorschwingungen in unerwünschter Weise in ihrer Frequenz ändern, dämpfen oder Oberwellen erzeugen (akustische Fehlanpassung), Andererseits können die Oszillatorabmessungen auch nicht beliebig vergrößert und damit an große Druckaufnahmeflächen angepaßt werden, weil die Oszillatoren dann entweder nicht schwingungsfähig sind oder sehr niedrige Offsetfrequenzen und damit sehr niedrige Meßempfindlichkeiten haben.In the v known fluidic-electrical sensors for determining the composition of gas mixtures, the pressure receiving surfaces of the pressure transducer can therefore not be increased so far that powerful and jitterarme image signals ent ·. On the other hand, the oscillator dimensions can not be increased arbitrarily and thus adapted to large pressure-receiving surfaces, because the oscillators then either are not oscillatory or have very low offset frequencies and thus very low measuring sensitivities.
Sin weiterer Nachteil der bekannten Sensoren, zur'Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen besteht darin, daß sie über keine Mittel verfügen, mit denen ihre Offsetfrequenz justiert -werden kann.Another disadvantage of the known sensors for determining the composition of gas mixtures is that they have no means with which their offset frequency can be adjusted.
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Sine Justage der Qffsetfrequenz solcher Sensoren ist z.B. erforderlich, wenn sie bei unterschiedlichen Temperaturen oder Drücken betrieben werden sollen und ihre Abbildsignale für eine elektronische Erfassung mit üblichen Punktionseinheiten erforderliche z.B. nach (DGL 32 863 standardisierte Frequenzwerte haben müssen«Sine adjustment of the Qffsetfrequenz of such sensors is e.g. required if they are to be operated at different temperatures or pressures and their image signals required for electronic detection with conventional puncturing units e.g. according to (DGL 32 863) standardized frequency values must have
Ziel der Erfindung ist es, einen Sensor zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen zu schaffen, der auch unter extremen Bedingungen, beispielsweise bei Temperaturen über f 100 0C und bei verschmutztem. Gas zulässig ist und wartungsarm arbeitet und vorzugsweise benutzt werden kann,, um die Messung des Feuchtegehaltes in der Abluft industrieller Trocknungsanlagen zu vereinfachen« Die Messung der Abluftfeuchte von, industriellen Trocknungsanlagen ist zur Minimierung des Energiebedarfs solcher Anlagen erforderlich,The aim of the invention is to provide a sensor for determining the composition of gas mixtures, even under extreme conditions, for example at temperatures above f 100 0 C and polluted. Gas is permissible and requires little maintenance, and can preferably be used "to facilitate the measurement of the moisture content in the exhaust air of industrial drying plants" Measurement of the exhaust air humidity of industrial drying plants is necessary to minimize the energy requirements of such plants.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur ! Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen, vorzugsweise zur Messung des Feuchtegehaltes von Luft zu schaffen, der es ermöglicht, das Mischungsverhältnis von Gasen auch unter extremen Bedingungen, beispielsweise bei Temperaturen über 100 0C sowie bei verschmutzten Gasen zuverlässig und wartungsarm zu messen und die Meßinformation als elektrische frequenzanaloge jitterarme Abbildsignale abzugeben, die ohne zusätzliche Verstärkung über mindestens 100 m über übliche Übertragungsleitungen übertragen werden können und wo.bei die Signalparameter Amplitude und Frequenz der Abbildsignale in bestimmten, falls erforderlich standardisierten (z.B. nach TGL 32863) Wertebereichen liegen, so daß die übertragenen Abbildsignale unmittelbar von üblichen elektrischen Funktionseinheiten (z.B. elektronischen Zählern) erfaßt und weiterverarbeitet werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Sensor aus mindestens einem flächenhaften fluidischen Oszillator besteht, bei dem eine Einlaufdüse über mindestens eine Resonanz-The invention has for its object to provide a sensor for! Determination of the composition of gas mixtures, preferably for measuring the moisture content of air to create, which makes it possible to measure the mixing ratio of gases reliably and low maintenance even under extreme conditions, for example at temperatures above 100 0 C and polluted gases and the measurement information as electrical output frequency-analog jitterarme image signals that can be transmitted without additional amplification over at least 100 m over conventional transmission lines and where.bei the signal parameters amplitude and frequency of the image signals in certain, if necessary standardized (eg TGL 32863) ranges of values, so that the transmitted image signals can be directly detected and processed by conventional electrical functional units (eg electronic counters). According to the invention the object is achieved in that the sensor consists of at least one planar fluidic oscillator, in which an inlet nozzle via at least one resonant
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kammer mit einer Auslaufdüse gekoppelt ist. In der Einlauf düse sind Mittel zur Beruhigung des aus der Einlaufdüse austreten- , den Strahls vorhanden· Diese Mittel können u,a· aus einem kegelförmigen Einlauf u.A· aus Beruhigungskammern bestehen· Hierdurch wird das Jittern der Druckschwingungen im Oszillator vermindert« Mindestens eine zur Oszillatorebene parallele Begrenzungsfläche mindestens einer der Resonanzkammern ist teilweise oder ganz als möglichst große Druckaufnahmefläche eines elektrischen Druckaufnehmers ausgebildet und senkrecht zur Oszillatorebene teilweise oder ganz verstellbar· Die große Druckaufnähme fläche führt einerseits zu einer hohen Wandlungsempfindlichkeit und damit zu leistungsstarken elektrischen Abbildsignalen, deren Amplitude auch nach einer Übertragung über 100 m lange übliche Übertragungsleitungen noch bestimmte, falls erforderlich standardisierte Werte aufweist. Andererseits wird überraschender Weise das Signal durch die große Fläche integriert, wodurch das Jittern des gewandelten Abbildsignals reduziert wird»chamber is coupled with a discharge nozzle. In the inlet nozzle, means for calming the jet emerging from the inlet nozzle are present. These means may consist of a conical inlet and / or of calming chambers. This reduces the jitter of the pressure oscillations in the oscillator. At least one to the oscillator plane parallel boundary surface of at least one of the resonance chambers is partially or completely formed as large as possible pressure receiving surface of an electrical pressure transducer and perpendicular to the oscillator plane partially or fully adjustable · The large Druckaufnähme surface leads on the one hand to a high conversion sensitivity and thus powerful electrical imaging signals whose amplitude even after a transmission over 100 m long common transmission lines still certain, if necessary standardized values. On the other hand, surprisingly, the signal is integrated by the large area, which reduces the jitter of the converted image signal »
Sin weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die elektrischen Druckaufnehmer vorteilhaft aktive Druckaufnehmer sind, die keine elektrische Hilfsenergie benötigen· In weiterer Auskleidung der Erfindung ist der Sensor aus zwei gleichen Oszillatoren der o,g· Art aufgebaut, die thermisch gekoppelt sind und deren Einlaufdüsen oder Auslaufdüsen an die gleiche Pumpe angeschlossen sind.Another feature of the invention is that the electrical pressure transducers are advantageously active pressure transducers that do not require electrical auxiliary energy. In another embodiment of the invention, the sensor is constructed of two identical o, g-type oscillators which are thermally coupled and their inlet nozzles or outlet nozzles are connected to the same pump.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden·The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The accompanying drawings show:
Fig· 1 Perspektivische Ansicht eines fluidisch-elektrischen Sensors zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen :1 perspective view of a fluidic-electrical sensor for determining the composition of gas mixtures:
Fig· 2 Ansicht einer Oszillatorplatte Fig· 3 Ansicht einer KanalplatteFig. 2 View of an oscillator plate Fig. 3 View of a channel plate
Hach Fig· 1 kann ein Sensor zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen aus einer Grundplatte 1 , einer Kanalplatte 2} 1 can be a sensor for determining the composition of gas mixtures from a base plate 1, a channel plate 2 }
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einer Oszillatoiplatte 3 , einer Deckplatte 4 , zwei Drucklauf auf ne-hmern 5 und 6 sowie einem Ejektor 7 bestehen.a Oszillatoiplatte 3, a cover plate 4, two pressure run on ne-hmern 5 and 6 and an ejector 7 consist.
Pig» 2 zeigt die Oszillatorplatte ,3 ,in der zwei gleiche flächenhafte Oszillatoren, mit innerer Rückführung ausgebildet sind» Die Ei ηlaufdüsen 3·1 der Oszillatoren verjüngen sich anfangs und behalten anschließend über eine längere Strecke einen konstanten Querschnitt· Dadurch wird erreicht, daß ein aus der Einlaufdüse austretende Strahl weitgehend beruhigt ist, d.h. einen geringeren Turbulenzgrad hat» Die Resonanzkammern 3*2 der Oszillatoren sind so ausgebildet, daß bei einer bestimmten erwünschten Offsetfreqüenz der Oszillatoren eine ( möglichst große mindestens 150 mm betragende kreisförmige Druckaufnahmefläche eines piezoelektrischen DruckaufnehmersPig »2 shows the oscillator plate, 3, in which two equal area oscillators, with internal feedback are formed» The egg ηlaufdüsen 3 · 1 of the oscillators are initially tapered and then maintain a constant distance over a constant cross-section · This ensures that a The resonance chambers 3 * 2 of the oscillators are designed so that at a certain desired Offsetfreqüenz the oscillators ( as large as at least 150 mm amounting circular pressure receiving surface of a piezoelectric pressure transducer
eingeführt werden kann. -·can be introduced. - ·
Der Eingang der Auslaufdüse 3·3 ist mit scharfen Kanten versehen· Diese Kanten dienen zur Anregung der Oszillatorschwin-' gongen·The inlet of the outlet nozzle 3 · 3 is provided with sharp edges. These edges serve to excite the oscillator oscillations.
Fig« 3 zeigt eine Kanalplatte 2 · Sie dient dazu, den im Ejektor 7 erzeugten Unterdruck gleichmäßig an die Auslaufdüsen zu übertragen. Durch diesen unterdruck wird durch einen Oszillator das Gas gesaugt, dessen Zusammensetzung bestimmt werden soll. ζ·Β· feuchte Luft, während durch den anderen. Oszillator ein Vergleichsgäs (z.B· trockene Luft) gesaugt wird· Die Frequenz der Oszillatoren hängt außer von«der Zusammensetzung des sie durchströmenden Gases auch von der Gastemperätur und dem Unterdruck an der Auslaufdüse ab· Die Temperatur der Gase wird durch thermische Kopplung der beiden Oszillatoren in einer räumlichen Einheit gleich groß gehalten·Fig. 3 shows a channel plate 2 · It serves to transmit the negative pressure generated in the ejector 7 evenly to the outlet nozzles. By this negative pressure is sucked by an oscillator, the gas whose composition is to be determined. ζ · · · humid air while passing through the other. The frequency of the oscillators depends not only on the composition of the gas flowing through it but also on the gas temperature and the negative pressure at the outlet nozzle. The temperature of the gases is determined by thermal coupling of the two oscillators in a spatial unit kept the same size ·
Bei gleicher Temperatur der Gase, bei gleichem Unterdruck an den Auslaufdüsen und bei konstanter Zusammensetzung des Vergleichgases (trockene Luft) hängt die Differenz der Frequenzen beider Oszillatoren in erster Uäherung von der Zusammenstzung des zu messenden Gases ab· Durch dieses Differenzverfahren werden Meßfehler, die durch Temperatur- und Unterdruckschwankungen entstehen können weitgehend vermieden. Die piezoelektrischen Druckaufnehmer 5 und 6 lassen sich von der Deckplatte 4 aus in die Resonanzkammern derAt the same temperature of the gases, at the same negative pressure at the discharge nozzles and at constant composition of the reference gas (dry air), the difference of the frequencies of both oscillators in the first approximation depends on the composition of the gas to be measured by this difference method measurement errors caused by temperature - And vacuum fluctuations can be largely avoided. The piezoelectric pressure sensor 5 and 6 can be from the cover plate 4 in the resonance chambers of
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Oszillatoren einschrauben. Dadurch läßt sich erfindungsgemäß die Offsetfrequenz der Oszillatoren ändern und damit bestimmte, falls erforderlich,standardisierte Jrequenzwerte zur Erfassung der Abbildsignale mit üblichen elektrischen Punktionseinheiten (ζ,B. elektronischen Zählern) einstellen. 'Screw in oscillators. As a result, according to the invention, the offset frequency of the oscillators can be changed and thus certain, if necessary, standardized frequency values for the detection of the image signals can be set with customary electrical puncturing units (ζ, B, electronic counters). '
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