DE10003676A1

DE10003676A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines H¶2¶/He-Gasgemisches

Info

Publication number: DE10003676A1
Application number: DE2000103676
Authority: DE
Inventors: Axel-Ulrich Grunewald; Gerhard R Wagner
Original assignee: GRUNEWALD AXEL ULRICH
Current assignee: GRUNEWALD AXEL ULRICH
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2001-08-02
Anticipated expiration: 2020-01-29
Also published as: DE10003676B4

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines H¶2¶/He-Gasgemisches durch Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches und Vergleich der Wärmeleitfähigkeit mit bei Kalibriermessungen bestimmten Wärmeleitfähigkeiten. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Wärmeleitfähigkeiten des Gasgemisches bei wenigstens zwei Temperaturniveaus ermittelt und mit in Kalibriermessungen bei ebenfalls wenigstens zwei Temperaturniveaus bestimmten Wärmeleitfähigkeiten verglichen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der Konzentration eines H₂/He-Gasgemisches gemäß dem Oberbegriff des Vorrichtungs- bzw. Verfahrensanspruches.

Zur Bestimmung von Konzentrationen in Gasgemischen ist es allgemein bekannt, die Wärmeleitfähigkeit des Gemisches bei ein oder mehreren Temperaturen zu bestimmen und daraus beispielsweise über Vergleichsmessungen (Kalibriermessungen) die Konzentration des Gasgemisches zu ermitteln. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit eines Gases (der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient) hängt in komplexer Weise von der Temperatur (Temperaturniveau), dem Molekulargewicht des Gases sowie dem Freiheitsgrad der Gasmoleküle ab. Bei der kinetischen Deutung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von Gasen geht ferner auch der Radius (mittlerer Radius) der Moleküle ein. Generell gilt, dass die Wärmeleitfähigkeit von Gasen mit steigender Temperatur zunimmt und mit wachsender Molekülmasse abnimmt. Aus diesem Grund haben Wasserstoff (H₂) und Helium (He) die größten spezifischen Wärmeleitfähigkeitswerte im Vergleich zu den Wärmeleitfähigkeiten anderer Gase.

Aus der DE 37 11 511 C1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch sowie ein Sensor zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Gasgemisches bekannt. Bei diesem Verfahren wird der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Gase ausgenutzt. Der dabei verwendete Analysator besteht aus einer vom Gasgemisch durchstörmbaren Wärmequelle und einer Wärmesenke. Ein als Wärmequelle dienendes Widerstandsheizelement wird mittels Stromdurchfluss auf eine gegenüber seine Umgebung erhöhte Temperatur gebracht. Über eine durch die Geometrie festgelegte Wärmeleitstrecke wird vom Gasgemisch Wärme von der Wärmequelle zu einer auf konstante Temperatur gehaltenen Wärmesenke geleitet. Durch den Wärmetransport von der Wärmequelle zur Wärmesenke wird der Wärmequelle Energie entzogen, welche ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches ist und die sich mit geeigneten Verfahren messen läßt. Wie bereits erwähnt, ist die Wärmeleitfähigkeit eines Gases temperaturabhängig. Um Einflüsse der Temperatur auf den Koeffizienten der Wärmeleitung auszuschalten, wird die Messzelle thermostatisiert, d. h. durch eine elektronische Regelung auf konstanter Temperatur gehalten. Außer von der Temperatur der Messzelle wird die mittlere Gastemperatur in der Wärmeleitstrecke von der Temperatur der Wärmequelle bestimmt. Deshalb wird auch diese konstant gehalten bzw. reproduzierbar eingestellt.

Dieses vorbekannte Verfahren dient zur Bestimmung der Gaskonzentrationen bei einem Gasgemisch mit mehr als zwei Komponenten. Dazu werden die Wärmeleitfähigkeiten bei mehreren stationären Temperaturen (Temperaturniveaus) bestimmt. Allgemein gesprochen bedeutet dies, dass zur Bestimmung der Gaskonzentrationen bei einem aus N(< 2)-Gaskomponenten bestehenden Gemisch die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches bei mindestens N - 1 Gastemperatur zu bestimmen ist, um dann aus den ermittelten Wärmeleitfähigkeits-Messwerten mit bekannten mathematischen Methoden zur Lösung nichtlinearer Gleichungssysteme die einzelnen Gaskonzentrationen zu berechnen. Eine Abwandlung dieses bekannten Verfahrens schlägt vor, das zur Erkennung eines Auftretens unbekannter Gaskomponenten die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches bei mindestens N Gastemperaturen gemessen wird.

Der bei diesem bekannten Verfahren einsetzbare Sensor zur Messung der Wärmeleitfähigkeit des durchströmten Gasgemisches besteht aus einer einige 100 Mikrometer starken Trägerplatte aus Silicium. Auf diese Trägerplatte ist eine Isolatorschicht aufgetragen, auf der durch Aufdampfen oder Sputtern mäanderförmige Dünnfilmwiderstände aufgebracht sind. Im Bereich der Dünnfilmwiderstände ist die Isolatorschicht unterätzt, so dass eine Grube in der Trägerplatte entsteht, die den unteren Teil der Messkammer des Sensors bildet. Auf der Trägerplatte mit den Dünnfilmwiderständen ruht eine Deckelplatte aus Silicium, in die in Höhe der Dünnfilmwiderstände eine Grube eingeätzt ist, die den oberen Teil der Messkammer bildet. Die Deckplatte besitzt eine Öffnung, die als Diffusionskanal dem Gasgemisch den Zutritt der Messkammer ermöglicht.

Besteht das Gasgemisch aus lediglich zwei Komponenten, so genügt eine Wärmeleitfähigkeitsmessung bei einem Temperaturniveau. Als Temperaturniveau sei hier die mittlere Temperatur zwischen Wärmequelle und Wärmesenke angenommen. Per Definition kann als Temperaturniveau auch der Wert der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke angegeben werden. Der Temperaturwert der Wärmesenke kann auch als Basistemperatur und der Temperaturwert der Wärmequelle als Übertemperatur bezeichnet werden. Demzufolge wäre das Temperaturniveau der Mittelwert zwischen Basistemperatur und Übertemperatur.

Die zuvorstehend skizzierten bekannten Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Gasgemischen eignen sich nicht bzw. nicht vollumfänglich zur Bestimmung der Gaskonzentrationen eines H₂/He- Gasgemisches. Dies hat seinen Grund darin, dass, wie allgemein bekannt ist, die Wärmeleitfähigkeit eines H₂/He-Gasgemisches im Bereich zwischen 10 und 15% der H₂-Konzentration ein Minimum aufweist. Die Wärmeleitfähigkeit als Funktion der steigenden H₂- Konzentration wächst also nicht streng monoton, so dass bestimmte Wärmeleitfähigkeitswerte nicht eindeutig einer H₂-Konzentration zugeordnet werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Verfahrens- bzw. Vorrichtungsanspruches dahingehend zu erweitern, so dass die Konzentrationen eines H₂/He- Gasmisches in einfacher Weise genau bestimmt werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Verfahrens- bzw. Vorrichtungsanspruches. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass Wärmeleitfähigkeiten des Gasgemisches bei wenigstens zwei Temperaturniveaus ermittelt und mit in Kalibriermessungen bei ebenfalls wenigstens zwei Temperaturniveaus bestimmten Wärmeleitfähigkeiten verglichen werden. Unter Temperaturniveau sei hier der Mittelwert der Temperatur der Wärmequelle und Wärmesenke verstanden.

Die Wärmeleitfähigkeiten können direkt mit in Kalibriermessungen bestimmten Werten verglichen oder in Differenzen, Quotienten oder andere Größen umgerechnet werden, wobei diese Größen dann zur Kalibrierung und Bestimmung der Konzentration heranzuziehen sind. Um die Konzentration an H₂ im gesamten Bereich (0-100%) bestimmen zu können, werden sowohl die aus den Wärmeleitfähigkeiten gebildeten Größen als auch die Wärmeleitfähigkeiten selbst verwendet.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird aus den bei zwei verschiedenen Temperaturniveaus bestimmten Wärmeleitfähigkeitswerten eine Differenz gebildet. Diese Differenz- Wärmeleitfähigkeit bildet dann die Grundlage zur Bestimmung der H₂- He-Gaskonzentration. Dazu wird in mehreren Kalibriermessungen die Konzentration von H₂ variiert und die zuvorstehend erläuterte Differenz der Wärmeleitfähigkeiten bestimmt. Es ergibt sich im Bereich der Konzentrationen von H₂ zwischen 0 und annähernd 100% eine streng monoton fallende Kennlinie. Mittels dieser Kennlinie in Verbindung mit Werten der Wärmeleitfähigkeit selbst kann dann die an einem H₂/He- Gasgemisch ermittelte Differenz-Wärmeleitfähigkeit zur Bestimmung der H₂-Konzentration zwischen 0 und 100% verwendet werden.

Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit bzw. der Wärmeleitfähigkeiten bei zwei verschiedenen Temperaturniveaus erfolgt mittels einem Sensor bekannter Art, insbesondere einem Sensor, wie dieser in der DE 37 11 511 C1 beschrieben ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Wärmesenke dieses Sensors auf einer Basis-Temperatur gehalten wird, wobei die Wärmequelle bei der ersten Messung auf eine erste Übertemperatur und bei der zweiten Messung auf eine zweite Übertemperatur aufgeheizt wird. Als Temperaturniveau in dem hier zur Rede stehenden Sinne ist dann die mittlere Temperatur zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zu verstehen. Da bei beiden Messungen die Basistemperatur die gleiche und die Übertemperaturen T₁, T₂ verschieden sind, sind auch die Temperaturniveaus voneinander verschieden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, das mittels einem Sensor (Messelement) in zwei oder mehreren aufeinander folgenden Messungen die Wärmeleitfähigkeiten bei den zwei Temperaturniveaus bestimmt werden. Dazu wird die Wärmequelle des Messelementes für eine Zeitspanne auf die erste Übertemperatur T₁ und sodann für eine weitere Zeitspanne auf die zweite Übertemperatur T₂ aufgeheizt. Die Wärmesenke wird dabei stets auf den gleichen Basis-Temperaturwert T_B gehalten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zu bestimmende H₂/He-Gasgemisch aufgeteilt und durch zwei Messelemente der beschriebenen Art geleitet wird. Bei beiden Messelementen wird die Wärmesenke auf den gleichen Basis-Temperaturwert T_B gehalten. Die Wärmequellen der beiden Messelemente werden auf die vorgesehenen Übertemperaturen T₁, T₂ aufgeheizt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung entstehen parallel zwei verschiedene Signale, welche den Wärmeleitfähigkeit des hindurch geleiteten Gasgemisches entsprechen. Demzufolge können diese beiden Signale direkt zur Differenzbildung herangezogen werden.

Bei Verwendung nur eines Messelementes mit wechseldem Aufheizen der Wärmequelle auf die Übertemperaturwerte T₁, T₂ werden die erhaltenden Messsignale (Wärmeleitfähigkeiten) gespeichert und daraufhin der Differenzbildung zugeführt.

Des weiteren erfolgt die Erläuterung von zwei Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen Messaufbau zur Durchführung des Verfahrens mit einer Messzelle, und

Fig. 2 einen Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Messelementen.

Ein Messelement 1 zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeiten von Gasen/Gasgemischen der bekannten und zuvorstehend angegebenen Art wird von einem Gasstrom 2 durchströmt. In dem Messelement 1 sind eine durch eine Temperiereinrichtung 3 auf eine Basistemperatur T_B verbringbare Wärmesenke 1.1 sowie nacheinander auf zwei Übertremperaturen T₁, T₂ verbringbare Wärmequellen 1.2 angeordnet. Die sich bei den Übertemperaturen T₁, T₂ in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit ergebenden Signale s(T₁), s(T₂) des Messelementes 1 werden einer Auswerteeinheit 4 zugeführt, welche mit einem Kennlinienspeicher 5 in Wirkverbindung steht. Der Kennlinienspeicher 5 enthält die bei einer Kalibriermessung aufgenommene Kennlinie der Differenzwärmeleitfähigkeit als Funktion der H₂-Konzentration. Die im Kennlinienspeicher 5 enthaltene Kennlinie der Differenzwärmeleitfähigkeit als Funktion der H₂-Gaskonzentration wurde durch Verändern der H₂-Gaskonzentration bei den gleichen Übertemperaturen T₁, T₂ bezogen auf die Basis-Temperatur T_B ermittelt. In der Auswerteeinheit 4 erfolgt eine Differenzbildung der die Wärmeleitfähigkeiten wiedergebenden Signale s(T₁), s(T₂) und eine Verrechnung mit Werten aus dem Kennlinienspeichers 5. Dass die H₂- Konzentration in He wiedergebende Ausgangssignal der Auswerteeinheit 4 kann einer Anzeigeeinrichtung 6 zugeführt werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird der Gasstrom 2 des zu bestimmenden H₂/He-Gasgemisches in zwei Teilströme 2.1, 2.2 aufgeteilt und jeweils durch zwei Messzellen 1 geleitet. Die Wärmesenken 1.1 der Messzellen 1 in den beiden Teilströmen 2.1, 2.2 werden durch eine Temperiereinrichtung 3 auf einen Basistemperaturwert T_B gehalten. Die beiden Wärmequellen 1.2 der beiden Messzellen 1 in den beiden Teilströmen 2.1, 2.2 werden durch die Temperiereinrichtung 3 auf zwei verschiedene Übertemperaturen T₁, T₂ aufgeheizt. Somit erfolgt in der Messzelle 1 in dem einen Teilstrom 2.1 eine Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit bei einer Übertemperatur T₁ und in der Messzelle 1 im Teilstrom 2.2 eine Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des hindurch geleiteten Gasgemisches bei der Übertemperatur T₂. Die dabei simultan anfallenden und die Wärmeleitfähigkeiten λ₁, λ₂ wiedergebenden Signale s(T₁), s(T₂) werden einer Auswerteeinheit 4 zugeleitet, welche diese differenzbildend und in Verbindung mit den Daten eines Kennlinienspeichers 5 zur Ermittlung der H₂-Konzentration weiterverarbeitet. Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird das die Konzentration von H₂ wiedergebende Ergebnissignal einer Anzeigeeinrichtung 6 zugeführt bzw. durch nicht dargestellte Einrichtungen weiterverarbeitet.

Bezugszeichenliste

1

Messelement (Sensor)

2

Gasstrom (H₂

/He-Gasgemisch)

2.1

Teilstrom

2.2

Teilstrom

3

Temperiereinrichtung

4

Auswerteeinrichtung

5

Kennlinienspeicher

6

Anzeigeeinrichtung
T_B

Basistemperatur (Wärmesenke

1.1

)
T₁

Übertemperaturwert (Wärmequelle

1.2

)
T₂

Übertemperaturwert (Wärmequelle

1.2

)
s(T₁

) Signal Wärmeleitfähigkeit bei Übertemperatur T₁

s(T₂

) Signal Wärmeleitfähigkeit bei Übertemperatur T₂

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines H₂/He- Gasgemisches durch Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches und Vergleich der Wärmeleitfähigkeit mit bei Kalibriermessungen bestimmten Wärmeleitfähigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeleitfähigkeiten des Gasgemisches bei wenigstens zwei Temperaturniveaus (T_B, T₁, T₂) ermittelt und mit in Kalibriermessungen bei ebenfalls wenigstens zwei Temperaturniveaus (T_B, T₁, T₂) bestimmten Wärmeleitfähigkeiten verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den bei wenigstens zwei Temperaturniveaus (T_B, T₁, T₂) ermittelten Wärmeleitfähigkeiten Differenzen gebildet werden, wobei zur Bestimmung einer Konzentration eine in gleicher Weise erstellte Kalibrationskurve verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung einer Konzentration Differenzen der Wärmeleitfähigkeiten sowie die Wärmeleitfähigkeiten selbst verwendet und mit bei Kalibriermessungen bestimmten Werten verglichen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeiten des Gasgemisches, ausgehend von einer Basistemperatur (T_B), zu zwei unterschiedlichen Übertemperaturen (T₁, T₂) ermittelt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeiten bei den zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus (T_B, T₁, T₂) mit einer Messzelle nacheinander erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeiten bei den zwei verschiedenen Temperaturniveaus (T_B, T₁, T₂) mit zwei Messzellen erfolgt, welche auf zwei verschiedene Temperaturwerte temperiert werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei der zu bestimmende H₂/He-Gasstrom durch ein Messelement hindurch geleitet wird, wobei das Messelement mit einer Temperiereinrichtung verbunden ist und das der Wärmeleitfähigkeit entsprechende Signal des Messelementes einer Auswerteeinheit zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) durch die Temperiereinrichtung (3) auf wenigstens zwei unterschiedliche Temperaturniveaus (T_B, T₁, T₂) verbringbar und in der Auswerteeinheit (4) die den Wärmeleitfähigkeiten bei den Temperaturniveaus entsprechenden Signale s(T₁), s(T₂) zur Verrechnung mit Kalibrationswerten zuführbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) durch die Temperiereinrichtung (3) zeitlich aufeinander folgend auf zwei verschiedene Temperaturniveaus (T_B, T₁, T₂) verbringbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (2) über zwei Teilströme (2.1, 2.2) durch zwei Messzellen (1) hindurch leitbar ist, welche durch eine Temperiereinrichtung (3) auf zwei unterschiedliche Temperaturniveaus (T_B, T₁, T₂) verbringbar sind.