DE10249935A1

DE10249935A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung von Messsignalen

Info

Publication number: DE10249935A1
Application number: DE2002149935
Authority: DE
Inventors: Christian-Joachim Dr. Schmidt; Manfred Dr. Wetzko; Albrecht Dr. Vogel; Peter Dr.-Ing. Krippner; Antonio Dr.-Ing. Ruzzu; Rolf Dr.-Ing. Merte
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-13

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung von Messsignalen eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors (1). Dieser ist hierfür mit wenigstens einem Mess-Widerstandselement (2) und einem Referenz-Widerstandselement (3) ausgerüstet. Für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit (lambda¶probe¶) eines zu untersuchenden Gases (4) wird der Quotient zwischen dem Spannungssignal (U¶probe¶) des Mess-Widerstandselements (2) und dem Spannungssignal (U¶ref¶) des Referenz-Widerstandselements (3) gebildet. Während der Messung werden das Mess-Widerstandselement (2) und das Referenz-Widerstandselement (3) auf der gleichen Umgebungstemperatur und auf einem für beide vorgebbaren Widerstandswert gehalten. Für die Bildung des Quotienten zwischen dem Spannungssignal (U¶probe¶) und dem Spannungssignal (U¶ref¶) wird letzteres als Referenzspannung für einen Analog-/Digitalwander (11) und das Spannungssignal (U¶probe¶) als Eingangssignal für diesen Analog-/Digitalwander (11) genutzt. Die Referenzspannung (U¶ref¶) bewirkt eine Normierung des Spannungssignals (U¶probe¶). Die Normierung entspricht der Quotientenbildung zwischen dem Spannungssignal (U¶probe¶) und dem Spannungssignal (U¶ref¶). Dieser Wert kann am Signalausgang (11A) des Analog-/Digitalwanders (11) abgegriffen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung von Messsignalen eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4.

Verfahren und Vorrichtungen dieser Art kommen bei der Erfassung und Auswertung von Messsignalen zur Anwendung, die bei der quantitativen Bestimmung von Komponenten eines strömenden Mediums ermittelt werden. Die Messungen werden mit Hilfe von Wärmeleitfähigkeitsdetektoren durchgeführt. Die bis jetzt bekannten Wärmeleitfähigkeitsdetektoren sind mit wenigstens zwei Widerstandselementen ausgerüstet. Eines dieser Widerstandselemente wird der Einwirkung des zu untersuchenden Mediums ausgesetzt, während das zweite Widerstandselement in einem Referenz-Medium angeordnet wird, dessen Zusammensetzung und Wärmeleitfähigkeit bekannt sind. Bei diesen Messungen wird die Tatsache genutzt, das jedes strömende Medium eine charakteristische Wärmeleitfähigkeit aufweist. Wird ein elektrisches Widerstandselement in einem solchen strömenden Medium angeordnet, so ändert sich die Temperatur und damit auch der elektrische Widerstand dieses Widerstandselements. Aus der Änderung des elektrischen Widerstands kann der quantitative Anteil der einzelnen Komponenten in diesem Medium ermitteln werden. Diese Messsignale sind jedoch ungenau, da sie durch die Temperatur des Widerstandselements beeinflusst werden. Um die Einwirkungen der Temperatur auf die Messsignale auszuschließen, sind die Wärmeleitfähigkeitsdetektoren so ausgebildet, dass die Betriebsspannungen, die an den elektrischen Widerstandselementen anliegen, so geregelt werden, dass die Widerstandselemente auf konstanter Temperatur gehalten werden, bzw. immer die gleichen elektrischen Widerstandswerte aufweisen. Das wird durch den Einsatz von Thermistoren erreicht, da diese Widerstandselemente einen sich stark mit der Temperatur ändernden Temperaturkoeffizienten aufweisen. Werden sie bei konstanter Temperatur betrieben, so stellt die Betriebsspannung das Messsignal dar. Der Temperaturkoeffizient ist unabhängig von dem jeweils untersuchten Medium immer derselbe. Der Wärmeleitfähigkeitsdetektor wird auf diese Weise linearisiert. Das Signal, das für die quantitative Bestimmung der Komponenten beispielsweise in einem Gas genutzt wird, wird aus der Differenz der Messsignale gebildet, die von dem elektrischen Widerstandselement in dem zu untersuchenden Gas und dem elektrischen Widerstandselement in dem Referenzgas stammen. Für die Auswertung der Messsignale wird eine Brückenschaltung verwendet, in welche die beiden Widerstandselemente integriert werden. Durch die Differenzbildung der beiden Messsignale werden Querempfindlichkeiten aufgehoben, die durch Schwankungen der Umgebungstemperatur und durch den Temperaturkoeffizienten der elektrischen Widerstandselemente selbst verursacht werden.

Mit diesen Maßnahmen lassen sich jedoch keine Schwankungen ausgleichen, die durch die Empfindlichkeit des Systems verursacht werden. Wird ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor beispielsweise in einem Gaschromatographen eingesetzt, mit dem die Konzentrationsverhältnisse eines Gasgemischs bestimmt werden sollen, so hängt die Wärmeleitfähigkeit dieses Gasgemischs nicht nur von den Mischungsverhältnissen, sondern auch vom Druck und der Temperatur des Gemischs ab. Diese Querempfindlichkeiten der Wärmeleitfähigkeit führen natürlicherweise zu einem erhöhten Rauschen, wodurch die Nachweisgrenze des verwendeten Wärmeleitfähigkeitsdetektor reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem alle Querempfindlichkeiten ausgeschlossen werden können, welche multiplikativ in die Messsignale eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors eingehen. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe, das Verfahren betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Aufgabe, die Vorrichtung betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 4 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine exakte Ermittlung der quantitativen Anteile von Komponenten in einem strömenden Medium möglich. Bei den Messungen der Wärmeleitfähigkeit bzw. der Mischkonzentration von Gasen und Flüssigkeiten wird ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor verwendet, der ein Mess-Widerstandselement und ein Referenz-Widerstandselement aufweist. Bei der Durchführung des Verfahrens werden alle Einwirkungen auf die Messsignale ausgeschlossen, die das Ergebnis verfälschen. Das gilt insbesondere für die Abhängigkeit der Messsignale von der Betriebstemperatur und dem Betriebsdruck der Vorrichtung. Diese Querempfindlichkeiten werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, dass aus den Messsignalen der beiden elektrischen Widerstandselemente der Quotient gebildet wird. Hierfür muss jedoch sichergestellt werden, dass das Referenz-Widerstandselement der selben Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, wie das Mess-Widerstandselement. Das resultierende Signal kann dann als Maß für den quantitativen Anteil einer Komponente in dem zu untersuchenden Medium gewertet werden kann.

Für die Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, die neben dem Wärmeleitfähigkeitsdetektor eine Auswerteeinheit mit zwei Verstärkerschaltungen und einem Analog-/Digitialwander aufweist. Dieser muss für seinen Betrieb mit einer Referenzspannung versorgt werden. Diese Referenzspannung bestimmt die kleinste Spannungsstufe des Digitalisierungsrasters. Sie bestimmt auch den Spannungswert, der dem Maximalausschlag des Analog-/Digitialwander entspricht. Damit stellt die Referenzspannung effektiv eine Normierung des Eingangssignals dar. Das normierte Eingangssignal wird dabei digitalisiert. Eine Normierung entspricht dem Quotienten zwi schen der Referenzspannung und dem Eingangssignal. Für die Bildung des Quotienten aus der Messspannung des Mess-Widerstandselements und der Referenzspannung des Referenz-Widerstandselements werden diese beiden Spannungen den entsprechenden Eingängen des Analog-/Digitialwanders zugeführt. Sowohl das Mess-Widerstandselement als auch das Referenz-Widerstandselement sind mit jeweils einer Verstärkerschaltung verbunden. Mit deren Hilfe wird jedes der beiden Widerstandselemente auf einem Widerstandswert eines Vergleichswiderstands gehalten. Der jeweilige Vergleichswiderstand ist in die jeweils zugehörige Verstärkerschaltung integriert. Damit wird erreicht, dass das Mess-Widerstandselement und das Referenz-Widerstandselement auch auf einer festen Temperatur gehalten werden. Das jeweilige Ausgangssignal der beiden Verstärkerschaltungen entspricht der Ausgangsspannung des jeweiligen Verstärkers in Rückkopplung, und wird wie oben angegeben, dem entsprechenden Signaleingang des Analog-/Digitialwanders zugeführt. Das digitalisierte Ausgangssignal des Analog-/Digitialwanders entspricht dem Quotienten zwischen dem Messsignal des Mess-Widerstandselements und dem Messsignal des Referenz-Widerstands.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor 1 mit einem elektrischen Mess-Widerstandselement 2 und einem Referenz-Widerstandselement 3. Das Mess-Widerstandselement 2 wird von einem zu untersuchenden Gas 4 beaufschlagt, während das Referenz-Widerstandselement 3 mit einem Referenzgas 5 in Kontakt steht, dessen Wärmeleitfähigkeit λ_ref bekannt ist. Beide Gase 4 und 5 weisen die gleiche Temperatur auf. Die Einwirkungen aller Querempfindlichkeiten, die durch die Mischkonzentration des zu untersuchenden Gases 4, die Betriebstemperatur und den Betriebsdruck des Wärmeleitfähigkeitsdetektors 1 multiplikativ in die Messsignale eingehen, werden bei der Auswertung durch Quotientenbildung zwischen dem Spannungssignal des Mess-Widerstandselements 2 und dem Spannungssignal des Referenz-Widerstandselements 3 eliminiert. Für die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit λ_probe des zu untersuchenden Gases 4 ist eine Auswerteeinheit 8 vorgesehen, zu der zwei Verstärkerschaltungen 9 und 10 sowie ein Analog-/Digitialwander 11 gehören. Bei beiden Verstärkerschaltungen 9, 10 ist jeweils ein Widerstand 12, 13 bzw. 14, 15 an einen positiven bzw. negativen Signaleingang des Verstärkers 9V, 10V und an den Signalausgang des Verstärkers 9V, 10V angeschlossen. Ein drittes Widerstandselement 16, 17 ist mit dem Widerstandselement 12, 14 in Reihe geschaltet, und steht mit dem positiven Signaleingang des Verstärkers 9V, 10V in Verbindung. Das Mess-Widerstandselement 2 und das Referenz-Widerstandselement 3 des Wärmeleitfähigkeitsdetektors 1 stehen mit jeweils einem der beiden Verstärkerschaltungen 9 bzw. 10 in Verbindung. Hierfür sind das Mess-Widerstandselement 2 und das Referenz-Widerstandselement 3 an den negativen Signaleingang des Verstärkers 9V bzw. 10V angeschlossen und mit dem Widerstandselement 13 bzw. 15 in Reihe geschaltet. Durch diese Verschaltungen wird erreicht, dass das Widerstandselement 2 auf dem Widerstandswert des Widerstandselements 16 bzw. auf einer festen Temperatur gehalten wird. In gleicher Weise wird das Referenz-Widerstandselement 3 auf dem Widerstandswert des Widerstandselements 17 gehalten.
Das Spannungssignal U_probe des Widerstandselements 2 ergibt sich als Ausgangsspannung des Verstärkers 9V in Rückkopplung. In analoger Weise ergibt sich das Spannungssignal U_ref des Referenz-Widerstandselements 3 als Ausgangsspannung des Verstärkers 10V in Rückkopplung. Das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 9V wird dem Signaleingang 11A und das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 10V dem Referenzsignaleingang 11B des Analog-/Digitalwandlers 11 zugeführt. Als Analog-/Digitalwandler 11 wird vorzugsweise ein Sigma-Delta Analog-/Digitalwandler 11 verwendet.
Der elektrisch Widerstand R des Mess-Widerstandselements 2, das von dem zu untersuchenden Gas 4 beaufschlagt wird, wird durch die Gleichung R = Ro (1 + tc T + tc κ I² R/λ_probe) beschrieben. Dabei steht λ_probe für die Wärmeleitfähigkeit des Gases 4. Bei κ handelt es sich um einen Geometriefaktor, I den Strom, der durch das Widerstandselement 2 fließt, tc den Temperaturkoeffizienten des Widerstandselements 2, T die Temperatur der Umgebung und Ro den elektrischen Widerstand des Widerstandselements 2 bei einer beliebigen, konstanten Temperatur. Für die quantitative Bestimmung der Komponenten in dem zu untersuchenden Gas 4 wird das Mess-Widerstandselement 2 auf einem konstanten elektrischen Widerstand R gehalten. Damit kann der Strom I, der durch das Widerstandselements 2 fließt, als Messsignal genutzt werden. Die elektrische Spannung U_probe, die an dem Widerstandselement 2 anliegt, wird durch die Gleichung U_probe = I_probe R = [{1/Ro – (1 + tc T)/R]}λ_probe/(tc κ)]^1/2 beschrieben. In entsprechender Weise kann auch die an dem Referenz-Widerstandselement 3 anliegende Spannung U_ref = I_ref R = [{1/Ro – (1 + tc T)/R]} λ_ref/(tc κ)]^1/2 dargestellt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Wärmeleitfähigkeit λ = λ_o(T)^1/2 aller Gasen von der Wurzel der Temperatur abhängt. Wird das Verhältnis zwischen U_probe und U_ref gebildet, so ergibt sich aus den obigen Gleichungen U_probe/U_ref = I_probe/I_ref = [λ_probe/λ_ref]^1/2 = [λ_oprobe/λ_oref]^1/2. Wie den Gleichungen zu entnehmen ist, entfallen hierbei alle Temperaturabhängigkeiten. Die Bildung dieses Quotienten ist mit dem Analog-/Digitialwander 11 möglich. Dieser muß zum Betrieb mit einer Referenzspannung versorgt werden. Deshalb wird das Spannungssignal des Referenz-Widerstandselements 3 dem Eingang 11B des Analog-/Digitialwanders 11 zugeführt. Diese Referenzspannung bestimmt die kleinste Spannungsstufe des Digitalisierungsrasters. Sie bestimmt auch den Spannungswert, der dem Maximalausschlag des Analog-/Digitialwander 11 entspricht. Mit der Referenzspannung wird damit eine effektive Normierung des Eingangssignals bewirkt. Das normierte Eingangssignal wird dabei digitalisiert. Das digitalisierte Ausgangssignal des Analog-/Digitialwanders 11 entspricht damit dem Quotienten zwischen dem Spannungssignal des Mess-Widerstandselements 2 und dem Spannungssignal des Referenz-Widerstands 3.

Claims

Verfahren zur Auswertung von Messsignalen eines Wärmeleitfähigkeitsdetektor (1), mit wenigstens einem Mess-Widerstandselement (2) und einem Referenz-Widerstandselement (3) dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit (λ_probe) eines zu untersuchenden Gases (4) der Quotient zwischen dem Spannungssignal (U_probe) des Mess-Widerstandselements (2) und dem Spannungssignal (U_ref) des Referenz-Widerstandselements (3) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mess-Widerstandselement (2) und das Referenz-Widerstandselement (3) während der Messung auf der gleichen Umgebungstemperatur und auf einem Widerstandswert eines Vergleichswiderstands (16, 17) gehalten werden, der für jedes der beiden Widerstandselemente (2, 3) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildung des Quotienten zwischen dem Spannungssignal (U_probe) und dem Spannungsignal (U_ref) letzteres als Referenzspannung für einen Analog-/Digitialwander (11) und das Spannungssignal (U_probe) als Eingangssignal für den Analog-/Digitialwander (11) genutzt wird, dass die Referenzspannung (U_ref) eine Normierung des Spannungssignals (U_probe) bewirkt und dieses dabei digitalisiert wird, und dass die Normierung einer Quotientenbildung zwischen dem Spannungssignal (U_probe) und dem Spannungssignal (U_ref) entspricht, dessen Wert am Signalausgang (11A) des Analog-/Digitialwander (11) abgegriffen werden kann.
Vorrichtung für die Auswertung von Messsignalen eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors (1) mit wenigstens einem Mess-Widerstandselement (2) und einem Referenz-Widerstandselement (3), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitfähigkeitsdetektor (1) mit wenigstens zwei Verstärkerschaltungen (9V, 10V) einer Auswerteeinheit (8) in Verbindung steht, deren Signalausgänge an einen Analog-/Digitalwandler (11) angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der negative Signaleingang eines Verstärkers (9V, 10V) direkt und der Signalausgang eines Verstärkers (9V, 10V)) der Verstärkerschaltung (9, 10) über ein Widerstandselement (13, 15) mit dem Mess-Widerstandselement (2) bzw. dem Referenz-Widerstandselement (3) des Wärmeleitfähigkeitsdetektors (1) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang des Verstärkers (9V, 10V) über ein Widerstandselement (12) mit dem positiven Signaleingang des Verstärkers (9V, 10V) und mit einem weiteren Widerstandselement (16, 17) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, der Signalausgang der ersten Verstärkerschaltung (9V) an den ersten Signaleingang (11A) des Analog-/Digitalwandlers (11) und der Signalausgang der zweiten Verstärkerschaltung (10V) an den Eingang (11B) für die Referenzspannung des Analog-/Digitalwandlers (11) angeschlossen ist.