DE10318450B3 - Measurement cell for gas thermal conductivity analyzer has sample channel with parallel main bores and parallel adjacent bores penetrating casing - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Meßzelle für einen Analysator zum Nachweis von gasförmigen oder flüssigen Medien durch Messen der Wärmeleitfähigkeit mit einem durch eine regelbare Wärmequelle thermostatisierbaren Gehäuse, das voneinander getrennt einen Probenkanal und einen Vergleichskanal enthält, wobei der Probenkanal eine Einlaßöffnung zum Zuführen einer Probe und eine Auslaßöffnung zum Abführen der Probe hat, der Probenkanal und der Vergleichskanal jeweils mit wenigstens einer einen Thermofühler enthaltenden Meßkammer in Verbindung stehen und die Meßkammern in Bezug auf eine Mittelebene des Gehäuses symmetrisch angeordnet sind.The invention relates to a measuring cell for an analyzer for the detection of gaseous or liquid Media by measuring the thermal conductivity with one through an adjustable heat source thermostatted housing, which contains a sample channel and a comparison channel separately from one another, wherein the sample channel has an inlet opening for Respectively a sample and an outlet for lead away the sample, the sample channel and the comparison channel each with at least one has a thermal sensor containing measuring chamber communicate and the measuring chambers arranged symmetrically with respect to a central plane of the housing are.
Analysatoren, die nach dem Prinzip der Wärmeleitfähigkeitsmessung arbeiten, werden in vielen Bereichen zur Analyse von Gasen eingesetzt, da sie robust, vielseitig, empfindlich und über einen weiten Bereich relativ linear sind und die Probe nicht zerstören. Ein Anwendungsschwerpunkt ist hierbei die Messung der Wasserstoffkonzentration in Gasgemischen in der chemischen und metallurgischen Industrie. Zur Erfassung der Wärmeleitfähigkeit wird bei diesen Analysatoren die Abkühlung einerseits der in der Meßzelle befindlichen, elektrisch beheizten Thermofühler durch die Probe und ein Vergleichsmedium als Änderung des elektrischen Widerstandes der Thermofühler gemessen oder andererseits die Leistung, die nötig ist, die Temperatur der Meßfühler konstant zu halten.Analyzers based on the principle thermal conductivity measurement work, are used in many areas for the analysis of gases, because they are robust, versatile, sensitive and relative over a wide range are linear and do not destroy the sample. An application focus is the measurement of the hydrogen concentration in gas mixtures in the chemical and metallurgical industry. To capture the thermal conductivity With these analyzers, on the one hand, the cooling in the measuring cell located, electrically heated thermocouple through the sample and a Comparison medium as a change the electrical resistance of the thermocouples or on the other hand the performance that is needed the temperature of the sensors is constant to keep.
Meßzellen der angegebenen Art unterliegen zahlreichen Anforderungen. Probenseite und Vergleichsseite der Meßzelle müssen weitgehend symmetrisch aufgebaut sein, damit vergleichbare Werte gemessen werden können. Die Meßzelle muß aus wärmeleitfähigem Material herstellbar sein, damit eine gleichmäßige Thermostatisierung möglich ist. Zudem muß das Material der Meßzelle resistent gegen ein möglichst weites Feld von Probestoffen sein. In der Praxis ist diese Anforderung nur mit mehreren unterschiedlichen Materialien erreichbar. Die Meßzelle muß daher eine Formgestalt haben, die mit den verschiedenen in Frage kommenden Materialien einfach und wirtschaftlich herstellbar ist. Weiterhin besteht das Bedürfnis nach einer Meßzellengestaltung, die mit geringem Aufwand und ohne nennenswerte bauliche Änderungen an unterschiedliche Meßaufgaben angepaßt werden kann.Measuring cells of the specified type are subject to numerous requirements. Sample page and comparison page the measuring cell have to largely symmetrical so that comparable values can be measured can be. The measuring cell must be made of thermally conductive material be producible so that a uniform thermostatting is possible. moreover must Material of the measuring cell resistant to one if possible wide field of test substances. In practice, this is a requirement can only be achieved with several different materials. The measuring cell must therefore have a shape that matches the different ones in question Materials are simple and economical to manufacture. Farther there is a need after a measuring cell design, the with little effort and without significant structural changes to different measuring tasks customized can be.
Bei einer aus
Aus
Eine Meßzelle zur Messung der Wärmeleitfähigkeit
von Gasen mit vier symmetrisch angeordneten Meßkammern, die jeweils einen
Thermofühler enthalten,
ist aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßzelle der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch ein günstiges Verhältnis von Meßgenauigkeit zu Ansprechzeit auszeichnet, für einen großen Meßbereich geeignet ist und kostengünstig aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden kann.The invention has for its object a measuring cell to create the kind mentioned above, which is characterized by a favorable relationship of measurement accuracy at response time, for a big Measuring range is suitable and inexpensive different materials can be made.
Die Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The task is defined in the claim 1 specified invention solved. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Bei der Meßzelle nach der Erfindung weist der Probenkanal zwei parallele Hauptbohrungen und wenigstens eine zu diesen parallele Nebenbohrung auf, wobei die Hauptbohrungen und die Nebenbohrung das Gehäuse durchdringen und mit ihren Enden auf entgegengesetzten Seiten des Gehäuses jeweils in eine gemeinsame Kammer münden, die in dem Gehäuse ausgebildet und durch einen Deckel nach außen verschlossen ist, wobei in einem der Deckel die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung angeordnet sind und wobei eine Hauptbohrung unmittelbar an die Einlaßöffnung angeschlossen ist und die andere Hauptbohrung durch eine von dieser abzweigende Abzweigbohrung mit der wenigstens einen Meßkammer verbunden ist.In the measuring cell according to the invention, the sample channel has two parallel main bores and at least one parallel to this secondary bore, wherein the main bores and the secondary bore penetrate the housing and each end with their ends on opposite sides of the housing in a common chamber which is formed in the housing and closed to the outside by a cover, in one the cover, the inlet opening and the outlet opening are arranged and wherein one main bore is connected directly to the inlet opening and the other main bore is connected to the at least one measuring chamber by a branch bore branching from the latter.
Die erfindungsgemäße Gestaltung der Meßzelle bildet einen günstigen Kompromiß zur Erfüllung der genannten Anforderungen. Der durch die Nebenbohrung gebildete Bypass ermöglicht einen ausreichend großen Strömungsquerschnitt innerhalb der Meßzelle und sorgt für kurze Ansprechzeiten bei geringer Strömungsempfindlichkeit. Die Probe muß auf ihrem Weg zur Meßkammer die Meßzelle einmal vollständig queren, wodurch eine wirksame Thermostatisierung erreicht und der Einfluß der Probentemperatur auf die Messung kleingehalten wird. Durch die Anordnung von Einlaß- und Auslaßöffnung auf der gleichen Seite der Meßkammer ist es außerdem mit einfachen Mitteln möglich, der Meßzelle einen Gegenstrom-Wärmetauscher vorzuschalten. Hierdurch kann die Temperaturbelastung bei großen Temperaturwechseln der zugeführten Probe ohne zusätzlichen Energiebedarf verringert werden.The design of the measuring cell according to the invention forms a cheap one Compromise on Fulfillment of the mentioned requirements. The bypass formed by the secondary bore allows a sufficiently large one Flow area inside the measuring cell and ensures short response times with low flow sensitivity. The sample must on her Way to the measuring chamber the measuring cell once completely cross, which achieves an effective thermostat and the Influence of Sample temperature on the measurement is kept low. By the arrangement from inlet and outlet opening the same side of the measuring chamber it is also possible with simple means the measuring cell a counterflow heat exchanger upstream. As a result, the temperature load during large temperature changes the supplied Sample without additional Energy requirements can be reduced.
Der vorgeschaltete Gegenstrom-Wärmetauscher kann in einer einfachen Ausführung aus zwei parallel geführten Rohrleitungen aus wärmeleitendem Material bestehen, die wärmeleitend miteinander verbunden sind, wobei das eine Rohr mit der Einlaßöffnung und das andere Rohr mit der Auslaßöffnung der Meßzelle verbunden ist.The upstream counterflow heat exchanger can be in a simple design from two guided in parallel Pipelines made of thermally conductive Made of material that is thermally conductive are connected to each other, the one tube with the inlet opening and the other pipe with the outlet opening of the measuring cell connected is.
Die Vergleichsseite der Meßzelle ist vorzugsweise spiegelbildlich zur Probenseite ausgebildet und der Vergleichskanal weist dementsprechend ebenfalls zwei parallele Hauptbohrungen und wenigstens eine zu diesen parallele Nebenbohrung auf, die das Gehäuse durchdringen und deren Enden auf entgegengesetzten Seiten des Gehäuses jeweils in eine gemeinsame, in dem Gehäuse ausgebildete Kammer münden, die jeweils durch einen Deckel verschlossen ist, wobei in einem Deckel eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung angeordnet sind und eine Hauptbohrung an die Einlaßöffnung angeschlossen ist und von der anderen Hauptbohrung wenigstens eine Abzweigbohrung zu einer Meßkammer führt. Durch diesen symmetrischen Aufbau der Meßzelle wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen Probenseite und Vergleichsseite erreicht und die Verstimmung einer an die Thermofühler angeschlossenen Meßbrücke minimiert.The comparison side of the measuring cell is preferably a mirror image of the sample side and the Accordingly, the comparison channel also has two parallel main bores and at least one parallel to this secondary bore that the casing penetrate and their ends on opposite sides of the housing each in a common, in the housing trained chamber open, which is closed by a lid, in one Cover an inlet opening and an outlet opening is arranged are and a main bore is connected to the inlet opening and from the other main bore at least one branch bore to one Measurement chamber leads. By this symmetrical structure of the measuring cell is a uniform temperature distribution between Sample side and comparison side reached and the detuning one to the thermocouples connected measuring bridge minimized.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann der Vergleichskanal auch dicht verschlossen und mit einem für die Meßaufgabe geeigneten Gas gefüllt sein.After another suggestion from the Invention, the comparison channel can also be sealed and sealed one for the measurement task suitable gas filled his.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann in dem Eintrittsende der Hauptbohrung, von der die Meßkammer abzweigt, eine Diffusordüse angeordnet sein. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit in der Hauptbohrung zusätzlich reduziert und ein vorwiegend laminares Strömungsverhalten erzeugt, welches zu einer Homogenisierung des Strömungsfeldes im Bereich der Meßkammern führt.After another advantageous one Embodiment of the invention can in the inlet end of the main bore, from which the measuring chamber branches off, a diffuser nozzle be arranged. As a result, the flow rate in the Main bore additionally reduced and produces a predominantly laminar flow behavior, which to a homogenization of the flow field in the area of the measuring chambers leads.
Vorzugsweise sind in beiden Enden der Hauptbohrung sich in Richtung der Hauptbohrung erweiternde Diffusordüsen angeordnet. Um die Erzeugung einer Strömung innerhalb der Meßkammer weitgehend zu vermeiden, kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen sein, daß die Diffusordüse die Öffnung der zu der Meßkammer führenden Abzweigbohrung ganz oder teilweise überdeckt. Hierdurch wird die Strömung im wesentlichen an der Abzweigöffnung vorbeigelenkt, so daß die Füllung der Meßkammern hauptsächlich auf Diffusionseffekten beruht. Die Strömungsabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeitsmessung wird auf ein Minimum reduziert.Preferably in both ends the main bore arranged in the direction of the main bore widening diffuser nozzles. To generate a flow largely within the measuring chamber to avoid, can be provided according to a further proposal of the invention be that the diffuser nozzle the opening of the to the measuring chamber leading Branch hole completely or partially covered. This will make the flow essentially at the branch opening steered past so that the filling the measuring chambers mainly is based on diffusion effects. The flow dependence of the thermal conductivity measurement is reduced to a minimum.
Die Deckel zum Verschließen der Kammern können durch Schweißen, beispielsweise Wolfram-Inertgas-(WIG)-Schweißen, gasdicht mit dem Gehäuse verbunden sein. Ist Schweißen aufgrund der gewählten Werkstoffe nicht möglich, so kann eine mechanische Befestigung der Deckel vorgesehen sein, wobei die Deckel gegenüber dem Gehäuse mit Hilfe eines Dichtrings abgedichtet sind.The lid to close the Chambers can by welding, for example tungsten inert gas (TIG) welding, gas-tightly connected to the housing his. Is welding based on the chosen Materials not possible, mechanical attachment of the cover can be provided, with the lid facing the housing are sealed with the help of a sealing ring.
Die Meßfühler sind bei der Meßzelle an einer Gehäuseseite in die Meßkammern eingesetzt, die als sich nach außen erweiternde Stufenbohrung ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Meßfühler vollständig in Glas gekapselt und mittels einer gasdichten Glas-Metallverbindung mit einer Metallmembran verbunden, die gasdicht in dem Gehäuse befestigt ist. Die gasdichte Befestigung der Metallmembran kann erfindungsgemäß durch Schweißen, insbesondere WIG-Schweißen, oder durch mechanisches Klemmen erfolgen, wobei mit Hilfe von vorgespannten Federn eine definierte Klemmkraft erzeugt wird.The sensors are on at the measuring cell one side of the case into the measuring chambers used as a step hole that widens outwards are trained. The sensors are preferably completely encapsulated in glass and connected to a metal membrane by means of a gas-tight glass-metal connection, the gas-tight in the housing is attached. The gas-tight fastening of the metal membrane can according to the invention Welding, especially TIG welding, or by mechanical clamping, with the help of preloaded Springs a defined clamping force is generated.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigenThe invention is described below of embodiments explained in more detail the are shown in the drawing. Show it
Die in den
Zur Bildung des Probenkanals
Die auf der selben Seite des Gehäuses
Von den Hauptbohrungen
Die in die Meßkammern
Zur Thermostatisierung der Meßzelle
Bei der beschriebenen Meßzelle
Die beschriebene Meßzelle eignet
sich auch für
Anwendungen, bei denen während
des Meßvorgangs
der Vergleichsseite der Meßzelle
das Vergleichsgas nicht kontinuierlich zugeführt wird, sondern statt dessen
die Vergleichsseite nach Füllung mit
einem für
den vorgesehenen Anwendungsfall geeigneten Vergleichsgas dicht verschlossen
wird. In einem solchen Fall ist es allerdings nicht erforderlich, den
Vergleichskanal vollkommen symmetrisch zum Probenkanal auszuführen, da
die Notwendigkeit der Unterdrückung
von Strömungseinflüssen entfällt. Die Vergleichsseite
einer solchen in
Die geschlossene Ausführung des
Vergleichskanals
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