DD222694A1

DD222694A1 - Sensor zur bestimmung der zusammensetzung von gasgemischen

Info

Publication number: DD222694A1
Application number: DD26105184A
Authority: DD
Inventors: Lothar Zipser; Lutz Dorfmueller; Joachim Labude
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1984-03-20
Filing date: 1984-03-20
Publication date: 1985-05-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen, speziell zur Bestimmung des Feuchtegehaltes heisser Luft industrieller Trocknungsanlagen, um eine Minimierung des Energieverbrauchs zu ermoeglichen. Der Sensor soll auch bei extremen Umgebungsbedingungen (Temperatur- und Druckschwankungen, verschmutzte Gasgemische) einsetzbar sein und genaue reproduzierbare frequenzanaloge Messsignale liefern, die ohne zusaetzliche Verstaerkung ueber mindestens 50 m ueblicher Leitungen uebertragen werden koennen. Erfindungsgemaess wird als Sensor ein fluidischer Oszillator benutzt, bei dem eine Einlaufduese ueber Resonanzkammern mit einer Auslaufduese gekoppelt ist. Die Abmessungen von Ein- und Auslaufduese, vom Duesenabstand und von den Resonanzkammern muessen in vorgegebenen Relationen zueinander stehen, die Resonanzkammerwaende muessen schallhart sein und mindestens eine Resonanzkammerwand muss als Druckaufnahmeflaeche eines Druckaufnehmers ausgebildet sein. Fig. 2

Description

Sensor zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen, der auch bei Temperaturen über 100 C und bei verschmutzten Gasen einsetzbar ist und vorzugsweise zur Messung des Peuchtegehaltes von heißer verschmutzter Abluft von industriellen Trocknungsanlagen ^; genutzt werden kann. .

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen ;

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. . Zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen werden' fluidische Oszillatoren mit äußerer Rückführung benutzt, bei denen nach DE-OS 2 448 733, DD-PS 115 206 und US-PS 4.007.625 jeweils ein Oszillatorausgang mit einem piezoelektrischen Druckaufnahmer verschlossen ist oder nach US-PS 3.273.377 und US-PS 4.T5O.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 Druckaufnahmer übertragen. Bei einem weiteren Sensor zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses von Gasen nach US-PS 3.392.571 wird ein Schneidentonoszillator benutzt, der akustisch mit zur Umgebung offenen Resonanzkammern gekoppelt ist. An einer Resonanzkammer grenzt ein Druckaufnahmer zur Erfassung von Druckschwingungen an, oder er ist an der Umgebungsöffnung einer Resonanzkammer angeordnet.

nachteilig ist bei diesen bekannten Sensoren zur Bestimmung der Gas zusammensetzung, daß bei den gewählten Anordnungen der Druckaufnehmer im Oszillator die Druckaufnahmefläche nicht

2 ao groß, z.B. größer als 50 nun , gewählt werden kann, daß bei Anwendung aktiver Druckaufnehmer (z.B. piezoelektrischer Druckaufnehmer) das gewandelte elektrische Frequenzsignal hinreichend leistungsstark und jitterarm ist, um ohne zusätzliche Verstärkung und Signalformung über größere Entfernungen (-v 50 m) über übliche Übertragungsleitungen übertragen und anschließend von üblichen elektrischen Funktionseinheiten erfaßt und verarbeitet werden zu können.

Bei den aufgeführten bekannten Sensoren können die Druckaufnahmeflächen der Druckaufnehmer deshalb nicht so weit vergrößert werden, daß leistungsstarke und jitterarme Abbildsignale entstehen, weil dann die parasitären Volumina vor den Druckaufnahmeflächen die Oszilaatorschwingungen in unerwünschter Weise in ihrer Frequenz ändern, dämpfen oder Oberwellen erzeugen (akustische Fehianpassung)·

Andererseits können die Abmessungen der aufgeführten bekannten Oszillatoren auch nicht beliebig vergrößert und damit an große Druckaufnahmeflächen angepaßt werden, weil die Oszillatoren dann entweder nicht schwingungsfähig sind oder sehr niedrige Frequenzen und Meßempfindlichkeiten sowie einen hohen.Luftverbrauch haben.

Die bisher genannten Uachteile bekannter Sensoren zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen auf der Basis fluidischer Oszillatoren wurden durch den planaren Sensor nach DD-WP G 01 J/231 532/5 aufgehoben· Hierbei sind in der Einlaufdüss Beruhigungsmittel zur Vermeidung des Jitterns der Druckschwingungen vorhanden. Mindestens eine zur Oszillatorebene parallele Begrenzungsfläche der Resonanzkammer ist teilweise oder ganz als senkrecht zur Oszillatorebene verstellbare Druckaufnahmefläche eines elektrischen Druckaufnahmers ausgebildet. Sind diese als aktive Druckaufnahmer ausgeführt, so wird keine elektrische Hilfsenergie benötigt. Temperaturdifferenzen von Vergleichs- und Meßgas werden durch thermische Kopplung zweier Oszillatoren in einer räumlichen Einheit kompensiert. Bei dieser und den anderen genannten Sensoren ist nachteilig, daß die Oszillatorfrequenz stark abhängig vom Druck ρ des zu analysierenden Gasgemisches ist, wenn die

Oszillatoren bei solchen niedrigen Drücken betrieben werden, bei denen die Ein- oder Auslaufdüse noch nicht kritisch durchströmt wird.

Betreiben der Oszillatoren bei kritischer Durchströmung führt zu hohem Verbrauch an Versorgungs- bzw. Meßgas, wenn die Düsen aus Gründen der Verschmutzung nicht sehr klein ausgeführt werden können.' Dieser Nachteil der Druckabhängigkeit muß durch eine zusätzliche Regelung oder Angleichung des Druckes des zumessenden Gasgemisches (pD-WP F 15 C/245 650 5) beseitigt werden. Ferner hat der Sensor nach WP G 01 J/231 532 5 den ITachteil, daß bei starken Schwankungen der Temperatur des zu analysierenden Gasgemisches die Oszillatorenfrquenz f in gewissen Grenzen indeterminiert schwankt, weil die akustische Welle in den Resonanzkammern durch stochstisch schwankende Strömungsfelder gestört wird. Diese Nachteile führen dazu,, daß bei großen Temperatur- und Gasdruckschwankungen Meßungenauigkeiten auftreten können, die den Einsatzbereich des Sensors einschränken. .

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen mittels eines aufwandsarmen fluidischelektrischen Sensors, der bei Schwankungen der Temperatur und des Druckes ohne zusätzliche Mittel zur Druckangleichung und auch bei verschmutzten Gasen definierte und reproduzierbare meßtechnische Parameter hat und zuverlässig und wartungsarm arbeitet. Er soll vorzugsweise zur Messung.des Feuchtegehalts in der Abluft industrieller Trochnungsanlagen eingesetzt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fluidisdielektrischen Sensor zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen, die auch verschmutzt sein können, zu schaffen, dessen elektrische frequenzanalοge jitterarme Abbildsignale als Meßwerte eine determinierte Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur, eine weitgehende Unabhängigkeit der

- .4 -

,Frequenz vom Druck des zu analysierenden Gases bei unter' kritischem Vers.orgungsdruck und nur geringe stochastisch© '..· . Frequenzschwahkungen aufweisen·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Sensor aus mindestens einem fluidischen Oszillator besteht, " bei dem eine Einlaufdüse über mindestens eine Resonanzkammer mit einer Auslaufdüse gekoppelt ist. Die Breite b der Düsenöffnung der Auslaufdüse in der Schwingungsebene des aus der Einlaufdüse austretenden Strahls muß gleich oder größer sein als die Breite a de,r Düsenöffnung der Einlauf düse in der (; entsprechenden-Ebene, z. B-a < b s 4 a. Außerdem muß der Abstand d von Ein- und Auslaufdüse. das zwei- bis achtfache der Einlaufdüsenöffnungsbreite a betragen, d.h. 2 aidiS a. Durch beide Maßnahmen wird erreicht, daß nur ein kleiner Teil -des aus der Einlauf düse austretenden Strahls die Resonanzkammern durchströmt, so daß die indeterminierte strömungsmechah-',nische Beeinflussung der akustischen Wellen in den Resonanzkammern gering bleibt.

Die Auslaufdüsenöffnung muß als Kante oder Schneide ausgebildet sein, damit dort Schneidentöne entstehen können. Eine der drei Ausdehnungen der Resonanzkammern (Länge 1, Breite g, Höhe h) muß deutlich größer sein als die jeweils anderen Ausdehnungen und die Kammerwände müssen schallhart _% . sein, damit sich entlang der größeren Ausdehnung eine stehende akustische Welle stabil ausbilden kann. '.. ''

Zur elektrischen Wandlung der Druckschwingungen im Oszillator muß mindestens eine Kammerwand teilweise oder ganz als große schallharte Druckaufnahmefläche eines elektrischen Druckaufnehmers ausgebildet sein. Diese Druckaufnahmefläche an den Kammern führt zu einer hohen Wandlungsempfindlichkeit und . damit zu leistungsstarken elektrischen Abbildsignalen, die ^; über übliche Übertragungsleitungen über größere Entfernungen (~50 m) i ohne zusätzlichen Verstärker übertragbar sind, ohne die akustische Welle in den Resonanzkammern zu beeinflussen. Durch das Zusammenwirken aller Maßnahmen wird überraschender Weise erreicht, daß die Oszillatorfrequenz f bereits in einem niedrigen Druckbereich Δρ^ ^. ^pZ₁-Ap₂ weit unterhalb der .

kritischen nur anströmung nur geringfügig von der Druckdifferenz Δρ = Ρλττο ~ Peiit zwischen dem Ausgangsdüsendruck P_Anc

und dem Eingangsdüsendruck P_e-qj abhängig ist. In bestimmten Temperaturbereichen läßt sich als Grenzfall Druckünabhängigkeit erreichen. ' - ' . '

Vorteilhafter Weise ist mindestens eine schallharte Resonanzkammerwand teilweise oder ganz dünner als die übrigen Kammerwände . An dje ser dünnen Wand ist dann der elektrische Druckaufnehmer .befestigt. Damit wird zusätzlich erreicht, daß indeterminierte Einflüsse eines Druckaufnehmers, dessen Druckaufnahmefläche nicht schallhart ist, auf die akustischen Eigenschaften der Resonanzkammer (z.B. parasitären Volumina, veränderliche Elastizität) vermieden werden» In einer weiteren Auskleidung der Erfindung ist der Sensor aus zwei gleichen Oszillatoren o.g. Art aufgebaut, die thermisch und/oder mechanisch gekoppelt sind, in dem die Oszillatoren oder nur die Resonanzkammern durch eine gut Wärme leitende Wand getrennt werden und ihre Ein- und Auslaufdüsen an dieselbe-Pumpe angeschlossen sind.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß Meßfehler durch Temperatur- und Pumpendruckschwankungen sowie durch temperaturbedingte mechanische Spannungen weitgehend ausgeschlossen werden.

Ausführungsbeispiel .

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel

näher erläutert werden.

Die dazu gehörigen Zeichnungen zeigen:

Pig. 1: Perspektivische Ansicht eines Sensors zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen

Pig. 2: Ansicht einer Oszillatorplatte Pig. 3: Schnitt einer Deckplatte

Pig. 4j Die.Abhängigkeit der Frequenz von der Druckdifferenz zwischen Ausgangs- und Eingangsdüsendruck

Nach Pig. 1 kann ein. Sensor zur Bestimmung der Zusammensetzung von -Gasgemischen in planarer Ausführung aus zwei Deckplatten

1 und 5, zwei Oszillatorplatten 2 und 4, einer gemeinsamen Grundplatte 3, die als Trennwand zwischen den beiden Oszillatoren 2;4 dient, den Anschlüssen 7 und 8 für die Aus- bzw. Eingangsdüse und den Druckaufnahmern 6 bestehen.

Fig. 2 zeigt die Oszillatorplatte 2 bzw. 4 mit der durch die Kammerlänge 1, Kammerbreite g - eine von beiden Dimensionen, in diesem Fall z.B. die Länge, ist deutliche größer als die andere (z.B. doppelt so groß)- Einlaufdüsen^pffnungsbreite a, Auslaufdüsenöffnungsbreite b, a <, b :£. 4 a und Düsenabstand d

2 axdl8 a, gekennzeichneten Oszillatorkonfigurationen. Ferner ist durch Pfeile die Strömungsrichtung des Gasgemisches durch den Oszillatore angegeben. Die Öffnung der Auslaufdüse ist mit scharfen Kanten versehen. Diese Kanten dienen zur' Anregung der Oszillatorschwingungen (Schneidentöne).

Die Schwingungen werden durch die Resonanzkammern 2.2 mit schallharten Wänden verstärkt und in ihrer Frequenz f festgelegt. Dabei hängt diese Frequenz ^hauptsächlich von der Kammer länge 1, vom Differenzdruck Δρ zwischen Einlaufdüse 2.1 und Auslaufdüse 2.3» von der Temperatur T in den Resonanzkammern 2.2 und von der Zusammensetzung des Gasgemisches in den Resonanzkammern ab. Von derselben Pumpe werden über Anschlüsse 8 durch eine OszilJLatorplatte 4 ein in einer Zusammensetzung zu analysie- _/ rendes Gasgemisch und durch die andere Oszillatorplatte 2. ein Vergleichsgas gesaugt. Über die Grundplatte 3 als Trennwand sind beide Oszillatoren thermisch so gekoppelt, daß in den vier Resonanzkammern 2.2 die gleiche Temperatur herrscht. Ferner führt die mechanische Verkopplung durch Anordnung der Oszillatoren zu beiden Seiten der Trennwand dazu, daß sich temperaturbedingte mechanische Verspannungen auf die Resonanzkammern 2.2 gleichmäßig auswirken, so daß keine unsymmetrischen geometrischen Veränderungen an den Kammern entstehen. Durch die genannten Maßnahmen kommt es dazu, daß die Differenz der Frequenzen f., f₂ beider Oszillatoren mit geringer Meßungenauigkeit nur von der Zusammensetzung <2es Gasgemisches in dem einen Oszillator abhängt.

In Pig. 3 wird mittels Querschnitt durch die obere Deckplatte dargestellt, ..wie die beiden elektrischen Druck auf nehmer 6 für je eine Resonanzkammer 2.2 befestigt sind. Da die Druckauf- ν nähmeflächeη der in diesem Falle aktiven piezoelektrischen Druckaufnehmer nicht schallhart sind, v/erden sie nicht in Öffnungen der Deckplatte eingesetzt, sondern in die Deckplatte werden über den Resonanzkammern 2.2 Vertiefungen 5.1 eingebracht, in welche die großflächigen Druckaufnehmer eingesetzt werden. Dabei werden die Druckaufnahtneflachen des Druckaufnehmers 6 direkt mit der dünneren Deckplatte in den Yertiefungen 5·1 verbunden. Somit haben die Resonanzkammern einschließlich der druckaufnehmenden Flächen schallharte Wände.

In Fig. 4 ist die Abhängigkeit der Frequenz von der Druck- . differenz dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, daß in einem niedrigen Druckbereich Δρ.. bis Δρ₂ weit unterhalb der kritischen Durchströmung eine Abhängigkeit der Frequenz von der Druckdifferenz kaum zu verzeichnen ist.

Claims

Erfindungsanspruch . . · ·

1. Sensor zur- Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen, vorzugsweise zur Messung des Feuchte gehalt es in heißer Luft, bestehend, aus mindestens einem fluidischen Oszillator, bei dem eine·Einlaufdüse über mindestens eine Resonanzkammer mit einer Auslaufdüse gekoppelt ist, wobei die Auslaufdüsenöffnung als Kante oder Schneide ausgebildet ist, und mindestens eine Kammerwand teilweise oder ganz als Druckaufnahmefläche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaufdüsenöffnungsbreite b in der Schwingebene des aus der Einlaufdüse (2.1) austretenden Strahls das einbis vierfache der Einlaufdüsenöffnungsbreite a in dieser Schwingungsebene beträgt, der Abstand d von Ein- und Auslaufdüse (2.1 und 2.3) das zwei- bis achtfache der Einlaufdüsenöffnungsbreite a beträgt, jeweils eine der drei Ausdehnungen der Resonanzkammern (2.2) deutlich größer als die beiden anderen Ausdehnungen ist und die Kammerwände sowie die Druckaufnahmefläche schallhart sind.

2. Sensor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnt,

daß mindestens eine schallharte Resonanzkammerwand teilweise oder ganz dünner ist als die übrigen Kammerwände und mit dieser dünneren Wand der elektrische Druckaufnehmer(6) verbunden ist, '

3. Sensor nach Punkt 1, dadurch'gekennzeichnet,

daß die elektrischen Druckaufnahmer (6) aktive Druckaufnehmer sind, die keine elektrische Hilfsenergie benötigen.

4. Sensor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Sensor aus zwei fluidischen Oszillatoren besteht, deren Resonanzkammern (2.2) lediglich durch eine gut Wärme leitende Wand getrennt sind und deren Ein- oder Auslaufdüsen (2.1;2,3) an dieselbe Pumpe angeschlossen sind.

'5. Sensor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus zwei planaren fluidischen Oszillatoren besteht, die an den beiden Seiten einer gut Wärme leitenden TCand (3) angeordnet sind und deren Ein- und Auslaufdüsen (2.1;2.3) an dieselbe Pumpe angeschlossen sind.

C) Hierzu 2 Blatt Zeichnungen