Die Erfindung betrifft einen
Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysator zur Bestimmung der Konzentration einer
Messgaskomponente in einem Gasgemisch mit einer Messzelle, die eine von
dem Gasgemisch umgebene elektrische Heizvorrichtung enthält,
mit einer Regeleinrichtung, die die Heizvorrichtung mit
Heizleistung versorgt und dabei auf eine konstante Temperatur
regelt, und mit einer Auswerteeinrichtung, die anhand einer
nichtlinearen empirisch ermittelten Kennlinie aus der
Heizleistung die Konzentration der Messgaskomponente bestimmt.
The invention relates to a
Thermal conductivity gas analyzer for determining the concentration of a
Sample gas component in a gas mixture with a measuring cell that is one of
contains electrical heating device surrounded by the gas mixture,
with a control device using the heater
Heating power supplied and at a constant temperature
regulates, and with an evaluation device based on a
nonlinear empirically determined characteristic from the
Heating power determines the concentration of the sample gas component.
Das Messprinzip eines Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysators
beruht auf der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit von Gasen.
Die Wärmeleitfähigkeit eines Gasgemischs hängt von den
Gaskomponenten und ihren Konzentrationen ab, so dass durch die
Messung der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches bei bekannten
Gaskomponenten deren Konzentrationen in dem Gasgemisch
bestimmt werden kann. In der Regel ist das Messprinzip auf
binäre oder quasibinäre Gasgemische beschränkt, also
Gasgemische mit einer Messgaskomponente und einer
Begleitgaskomponente oder einer Messgaskomponente und zwei oder mehr
Begleitgaskomponenten, sofern sie sich wie ein binäres
Gemisch verhalten. Die Wärmeleitfähigkeit wird mittels einer
Messzelle gemessen, in der eine von dem Gasgemisch umgebene
Heizvorrichtung angeordnet ist, so dass die in der
Heizvorrichtung erzeugte Wärme je nach Wärmeleitfähigkeit des
Gasgemischs über dieses mehr oder weniger stark abfließt. Eine
die Heizvorrichtung auf eine konstante Temperatur regelnde
Regeleinrichtung muss dementsprechend mehr oder weniger
Heizleistung (Heizstrom) liefern, so dass die Heizleistung
(Heizstrom) ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit ist. Der
Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit und Heizleistung sowie
zwischen Wärmeleitfähigkeit und Gaskonzentration ist in der
Regel nicht linear, so dass eine für das jeweils zu
analysierende Gasgemisch und die Messphysik des Gasanalysators
empirisch zu ermittelnde Kennlinie benötigt wird, um in einer
Auswerteeinrichtung die Gaskonzentration aus der Heizleistung
(Heizstrom) zu bestimmen.
The measuring principle of a thermal conductivity gas analyzer
is based on the different thermal conductivity of gases.
The thermal conductivity of a gas mixture depends on the
Gas components and their concentrations, so that by the
Measurement of the thermal conductivity of the gas mixture in known
Gas components whose concentrations in the gas mixture
can be determined. Usually the measuring principle is on
binary or quasi-binary gas mixtures limited, so
Gas mixtures with one sample gas component and one
Accompanying gas component or a sample gas component and two or more
Accompanying gas components, provided they are like a binary
Behave mixture. The thermal conductivity is determined using a
Measuring cell measured in which one surrounded by the gas mixture
Heater is arranged so that in the
Heater generated heat depending on the thermal conductivity of the
Gas mixture flows over this more or less strongly. A
regulating the heating device to a constant temperature
Accordingly, control device must more or less
Deliver heating power (heating current) so that the heating power
(Heating current) is a measure of the thermal conductivity. The
Relationship between thermal conductivity and heating output as well
between thermal conductivity and gas concentration is in the
Usually not linear, so one for each
analyzing gas mixture and the measurement physics of the gas analyzer
Characteristic curve to be determined empirically is required in a
Evaluation device the gas concentration from the heating power
To determine (heating current).
Bisher wurde der Gasanalysator ab Werk für die jeweilige
Applikation, d. h. für das jeweils zu analysierende Gasgemisch
eingestellt, wobei die Messphysik, z. B. die Temperatur, im
Hinblick auf die jeweilige Applikation eingestellt wurde und
die entsprechende Kennlinie ermittelt und implementiert
wurde.
So far, the gas analyzer has been factory-made for each
Application, d. H. for the gas mixture to be analyzed in each case
set, the measurement physics, e.g. B. the temperature in
Was set with regard to the respective application and
the corresponding characteristic curve is determined and implemented
has been.
Um diesen Einstellungsaufwand zu verringern, ist gemäß der
Erfindung vorgesehen, dass der Gasanalysator der eingangs
angegebenen Art für unterschiedliche, die Analyse weiterer
unterschiedlicher Gasgemische beinhaltende Applikationen
ausschließlich über zugehörige weitere Kennlinien parametrierbar
ist und dass die Kennlinien jeweils als Parametersatz in der
Auswerteeinrichtung hinterlegbar sind. Die Messphysik, also
beispielsweise die Temperatur der Heizvorrichtung, ist von
der jeweiligen Applikation unabhängig und bleibt unverändert.
Im nachhinein können ausgelieferte und für eine bestimmte
Applikation parametrierte Gasanalysatoren ohne weiteres für
neue Applikationen umparametriert werden. Um den
Gasanalysator für alle denkbaren Applikationen ausschließlich durch
Veränderung des Parametersatzes in der Auswerteeinrichtung
einstellen zu können, muss die Messphysik, hier also die
Messzelle, in der Lage sein, den gesamten Bereich aller
vorkommenden Wärmeleitfähigkeiten zu messen, wobei der höchste
Wärmeleitfähigkeitswert der von Wasserstoff und der
niedrigste der von Xenon ist diese Voraussetzung ist beispielsweise
durch den Wärmeleitfähigkeitssensor TCS208F der Firma
HL-Planartechnik GmbH (www.hlplanar.de) gegeben.
In order to reduce this adjustment effort, according to the
Invention provided that the gas analyzer at the beginning
specified type for different, analyzing further
applications containing different gas mixtures
can only be parameterized via associated additional characteristic curves
and that the characteristic curves are each as a parameter set in the
Evaluation device can be stored. The measurement physics, so
for example the temperature of the heater is from
independent of the respective application and remains unchanged.
In retrospect, delivered and for a specific
Application parameterized gas analyzers for
new applications are parameterized. To the
Gas analyzer for all conceivable applications exclusively through
Change of the parameter set in the evaluation device
To be able to set the measurement physics, here the
Measuring cell, be able to cover the entire area of all
measuring occurring thermal conductivities, being the highest
Thermal conductivity value that of hydrogen and the
lowest that of xenon is this requirement, for example
through the company's TCS208F thermal conductivity sensor
HL-Planartechnik GmbH (www.hlplanar.de).
Vorzugsweise umfasst der Parametersatz Anfangs- und Endpunkte
der jeweiligen Kennlinie bei für die jeweilige Applikation
typischen Konzentrationen von z. B. 0% und 100% der
Messgaskomponente sowie die Kurvenform der Kennlinie zwischen ihren
Endpunkten, wobei die Kurvenform der Kennlinie in
vorteilhafter Weise durch ein Polynom n-ten Grades angenähert ist und
der Parametersatz die Parameter des Polynoms enthält.
The parameter set preferably includes start and end points
the respective characteristic curve for the respective application
typical concentrations of e.g. B. 0% and 100% of
Sample gas component and the curve shape of the characteristic between their
End points, the curve shape of the characteristic curve in
is advantageously approximated by an nth degree polynomial and
the parameter set contains the parameters of the polynomial.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysators erläutert.
Furthermore, the invention is based on one in the drawing
illustrated embodiment of the invention
Thermal conductivity gas analyzer explained.
Der Gasanalysator weist eine Messzelle 1 auf, die von einem
zu analysierenden Gasgemisch 2 durchströmt wird. Das
Gasgemisch 2 enthält eine Messgaskomponente, z. B. H2, deren
Konzentration in einer Begleitgaskomponente, z. B. N2, zu
bestimmen ist. In der Messzelle 1 ist eine Heizvorrichtung 3 in
Form eines Heizwiderstandes derart angeordnet, dass sie von
dem Gasgemisch 2 umgeben ist, dabei aber zur Vermeidung von
Strömungseinflüssen nicht unmittelbar umströmt wird. Der
Heizwiderstand 3 ist zusammen mit anderen Widerständen 4 in
einer Messbrücke 5 angeordnet, wobei die Widerstände 3, 4
hier als Dünnschichtwiderstände auf ein Siliziumchip
realisiert sind. Eine Regeleinrichtung 6 versorgt die Messbrücke 5
an zwei gegenüberliegenden Schaltungspunkten mit einem Strom
I und erfasst an den beiden anderen Schaltungspunkten der
Messbrücke 5 die dort anstehende Brückenspannung. Die
Regeleinrichtung 6 regelt die Temperatur des Heizwiderstandes 3
auf einen vorgegebenen konstanten Wert, bei dem die
Messbrücke 5 abgeglichen und die Brückenspannung daher Null ist.
Je nach Wärmeleitfähigkeit des Gasgemischs 2 fließt von dem
Heizwiderstand 3 über dieses mehr oder weniger Wärme ab, so
dass sich bei einer Veränderung der Zusammensetzung des
Gasgemisches 2 und der damit verbundenen Änderung der
Wärmeleitfähigkeit die Temperatur des Heizwiderstandes 3 ändert.
Dadurch wird die Messbrücke 5 verstimmt und es entsteht eine
von Null verschiedene Brückenspannung, die von der
Regeleinrichtung 6 detektiert wird. Entsprechend ändert die
Regeleinrichtung 6 den Strom I, um die Temperaturänderung an dem
Heizwiderstand 3 rückgängig zu machen. Der Strom I ist daher
von der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemischs 2 abhängig, wobei
dieser Zusammenhang aber nicht linear ist. In einer
Auswerteeinrichtung 7 wird der Strom I zunächst in einem Analog-
/Digital-Umsetzer 8 digitalisiert und anschließend einer
Aufbereitungseinrichtung 9 zur Filterung, Kompensation von
Druck- und Temperaturschwankungen des Gasgemischs 2 und
Nullpunkt- und Endpunktjustierung zugeführt. In einer
nachfolgenden Einheit 10 wird der nichtlineare Zusammenhang zwischen
der Wärmeleitfähigkeit und dem Strom I bzw. zwischen der
Wärmeleitfähigkeit und der Konzentration der Messgaskomponente
in dem Gasgemisch 2 linearisiert, bevor das linearisierte
Signal in einer weiteren Einrichtung 11 gegebenenfalls
nochmals kalibriert, justiert und skaliert wird. Am Ausgang der
Einrichtung 11 erscheint als Ergebnis 12 die zu bestimmende
Konzentration der Messgaskomponente in dem Gasgemisch 2.
The gas analyzer has a measuring cell 1 through which a gas mixture 2 to be analyzed flows. The gas mixture 2 contains a measuring gas component, e.g. B. H 2 , the concentration of which in an accompanying gas component, e.g. B. N 2 , is to be determined. A heating device 3 in the form of a heating resistor is arranged in the measuring cell 1 in such a way that it is surrounded by the gas mixture 2 , but is not directly flowed around in order to avoid flow influences. The heating resistor 3 is arranged together with other resistors 4 in a measuring bridge 5 , the resistors 3 , 4 being implemented here as thin-film resistors on a silicon chip. A control device 6 supplies the measuring bridge 5 with a current I at two opposite circuit points and detects the bridge voltage present there at the two other circuit points of the measuring bridge 5 . The control device 6 controls the temperature of the heating resistor 3 to a predetermined constant value at which the measuring bridge 5 is adjusted and the bridge voltage is therefore zero. Depending on the thermal conductivity of the gas mixture 2 , more or less heat flows out of the heating resistor 3 via it, so that the temperature of the heating resistor 3 changes when the composition of the gas mixture 2 and the associated change in thermal conductivity change. This detunes the measuring bridge 5 and creates a non-zero bridge voltage that is detected by the control device 6 . Correspondingly, the control device 6 changes the current I in order to reverse the temperature change at the heating resistor 3 . The current I is therefore dependent on the thermal conductivity of the gas mixture 2 , but this relationship is not linear. In an evaluation device 7 , the current I is first digitized in an analog / digital converter 8 and then fed to a processing device 9 for filtering, compensating for pressure and temperature fluctuations in the gas mixture 2 and adjusting the zero and end points. In a subsequent unit 10 , the nonlinear relationship between the thermal conductivity and the current I or between the thermal conductivity and the concentration of the measuring gas component in the gas mixture 2 is linearized before the linearized signal is calibrated, adjusted and scaled again in a further device 11, if necessary. At the outlet of the device 11 , the result 12 shows the concentration of the measurement gas component to be determined in the gas mixture 2 .
Die Linearisierung des Zusammenhangs zwischen der
Messgaskonzentration und dem Strom I erfolgt in der Einheit 10 anhand
einer Kennlinie 13, die durch die Anfangs- und Endpunkte bei
für die jeweilige Applikation typischen Konzentrationen von
z. B. 0% und 100% der Messgaskomponente, hier H2, sowie durch
die Kurvenform der Kennlinie zwischen diesen Endpunkten
definiert ist. Dabei ist die Form der Kennlinie 13 durch ein
Polynom fünften Grades P(x) = ax + bx2 + cx3 + dx4 + ex5
angenähert, wobei die Parameter a, b, c, d, e des Polynoms sowie
die Anfangs- und Endpunkte der Kennlinie 13 als Parametersatz
in der Einrichtung 10 hinterlegt sind. Für unterschiedliche
Applikationen, d. h. für unterschiedliche zu analysierende
Gasgemische 2, wird lediglich der Parametersatz in der
Einheit 10 ausgetauscht.
The linearization of the relationship between the sample gas concentration and the current I takes place in the unit 10 using a characteristic curve 13 , which is determined by the starting and ending points at concentrations of z. B. 0% and 100% of the sample gas component, here H 2 , and is defined by the curve shape of the characteristic between these end points. The shape of the characteristic curve 13 is approximated by a polynomial of the fifth degree P (x) = ax + bx 2 + cx 3 + dx 4 + ex 5 , the parameters a, b, c, d, e of the polynomial and the initial and end points of the characteristic curve 13 are stored as a parameter set in the device 10 . For different applications, ie for different gas mixtures 2 to be analyzed, only the parameter set in unit 10 is exchanged.