DE1079353B

DE1079353B - Magnetic oxygen meter based on the hot wire method

Info

Publication number: DE1079353B
Application number: DES61014A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Alfred Naumann; Dipl-Ing Dr Rudolf Oetker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1958-12-17
Filing date: 1958-12-17
Publication date: 1960-04-07

Description

Magnetischer Sauerstoffmesser nach dem Hitzdrahtverfahren Bei den bekannten nach dem Hitzdrahtverfahren arbeitenden magnetischen Sauerstoffmessern wird das zu untersuchende Gas in zylindrischen Kammern durch die Joulsche Wärme eines stromdurchflossenen Drahtes (Hitzdraht) innerhalb eines magnetischen Feldes erhitzt. Wenn das Gasgemisch Sauerstoff enthält, bildet sich dabei in der Kammer eine zusätzliche Gasströmung aus, die den Hitzdraht abkühlt. Als Meßeffekt wird die Temperaturdifferenz gegenüber einer gleichartigen Hitzdraht- und Kammeranordnung ohne magnetisches Feld bestimmt. Am besten bewährt haben sich bisher Geräte mit vier Kammern, von denen zwei mit einem MagnetfeLd ausgerüstet sind. Die Magnetpole sind dabei dachförmig ausgebildet und parallel zu ihrer Kante zwei Hitzdrähte in bifilarer Anordnung ausgespannt. Damit auch in den magnetfeldfreien Kammern auf die Hitzdrähte gleiche Umwelteinflüsse wirkten, hat man dort an Stelle der Polschuhe metallische Körper vorgesehen, welche die gleiche Wärmeleitfähigkeit wie die Polschuhe in den anderen Kammern sowie gleiche Formen und Abmessungen haben. Die vier Hitzdrähte bilden die vier Zweige einer Wheatstonschen Brücke, in deren Meßdiagonale die Temperaturdifferenz der Drähte als Maß für den Sauerstoffgehalt des Gasgemisches bestimmt wird.Magnetic oxygen meter based on the hot wire method known magnetic oxygen meters working according to the hot wire method the gas to be examined is placed in cylindrical chambers by the Joule heat a current-carrying wire (hot wire) within a magnetic field heated. If the gas mixture contains oxygen, it forms in the chamber an additional gas flow that cools the hot wire. As a measuring effect the temperature difference compared to a similar hot wire and chamber arrangement determined without a magnetic field. So far, devices with have proven to be the best four chambers, two of which are equipped with a magnetic field. The magnetic poles are roof-shaped and have two hot wires in parallel to their edge stretched bifilar arrangement. This also applies to the chambers free of magnetic fields the hot wires had the same environmental influences, you have there in place of the pole pieces metallic body is provided, which has the same thermal conductivity as the pole pieces in the other chambers and have the same shapes and dimensions. The four hot wires form the four branches of a Wheatstone bridge, in whose measuring diagonal the temperature difference of the wires is determined as a measure of the oxygen content of the gas mixture.

Ein derartiger magnetischer Sauerstoffmesser arbeitet dann nicht mehr zufriedenstellend, wenn das zu untersuchende Gasgemisch wechselnde Komponenten eines Gases mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Wasserstoff enthält. Auch bei sehr engen Fertigungstoleranzen für die Hitzdrähte und deren Montage, insbesondere den Abstand von den Magnetpolen lassen sich hierbei Abweidungen der Widerstands-Temperaturkennlinien der Hitzdrähte in den einzelnen Kammern nicht vermeiden. Das heißt aber, daß bei wechselndem Wasserstoffgehalt eine Temperaturdifferenz zwischen den Hitzdrähten in den Meß- und Vergleichskammern auftritt, auch wenn sich der Sauerstoffgehalt des Gases nicht ändert. Dieser Meßfehler konnte bisher nicht beseitigt werden. Such a magnetic oxygen meter will not work more satisfactory if the gas mixture to be examined has changing components a gas with high thermal conductivity, such as hydrogen. Even with very tight manufacturing tolerances for the hot wires and their assembly, in particular the distance from the magnetic poles can be derived from the resistance-temperature characteristics Do not avoid the hot wires in the individual chambers. But that means that at changing hydrogen content, a temperature difference between the hot wires occurs in the measuring and comparison chambers, even if the oxygen content of the gas does not change. This measurement error has not yet been eliminated.

Für magnetische Sauerstoffmesser anderer Ausführung, bei denen die Hitzdrähte in Form von Spiralen außerhalb der zylindrischen Meßkammer liegen, ist es bereits bekannt, innerhalb der Gasströmung Drahtspiralen für die Messung der Differenztemperaturen vorzusehen und in eine Wheatstonsche Brücke zu schalten. Der Heizstromkreis ist hierbei elektrisch vom Meßstromkreis getrennt. Auch bei derartigen Geräten kann der Wasserstoffeinfluß nicht beseitigt werden, denn die Widerstandsthermometer sind auf Trägerkörper gewickelt, und diese lassen sich nicht mit so engen Fertigungstoleranzen herstellen, daß bei verschiedenen Wasserstoffkonzentrationen jedes Wider- standsthermometers den gleichen Verlauf der Widerstandstemperaturkennlini e besitzt. For other types of magnetic oxygen meters where the Hot wires in the form of spirals are outside the cylindrical measuring chamber it is already known to measure the wire spirals within the gas flow Provide differential temperatures and switch to a Wheatstone bridge. Of the The heating circuit is electrically separated from the measuring circuit. Even with such Devices, the influence of hydrogen cannot be eliminated, because the resistance thermometer are wound on carrier bodies, and these cannot be made with such tight manufacturing tolerances establish that at different hydrogen concentrations each resistance standing thermometer has the same course of the resistance temperature characteristic.

Es ist außerdem bekannt, einen Heizdraht und davon elektrisch getrennt, mehrere Meßdrähte in einer Meßkammer mit flachen Seitenteilen anzuordnen. Die Meßdrähte liegen dabei in den Seitenteilen sehr nahe an den Kammerwänden, und daher verursachen bereits geringe Ungenauigkeiten bei der Montage, z. B. unterschiedliche Abstände zwischen Meßdraht und Wand erhebliche Meßfehler, wenn das zu untersuchende Gasgemisch wechselnde Anteile von Wasserstoff enthält. It is also known to have a heating wire and electrically separated from it, to arrange several measuring wires in a measuring chamber with flat side parts. The measuring wires are in the side parts very close to the chamber walls, and therefore cause even minor inaccuracies during assembly, e.g. B. different distances Significant measurement errors between measuring wire and wall when the gas mixture to be examined Contains varying proportions of hydrogen.

Die Störeinflüsse können gemäß der Erfindung bei Geräten mit parallel zu dachförmigen Magnetpolen frei ausgespannten Hitzdrähten dadurch ausgeschaltet werden, daß in jeder Kammer eine Gruppe von Hitzdrähten in unmittelbarer Nähe der Polschuhe ausschließlich der Beheizung des zu untersuchenden Gases dient und eine andere Gruppe von Hitzdrähten mit möglichst großem Abstand von Polschuhen und Kammerwänden, vorzugsweise in der Mittelachse der Kammern frei ausgespannt und elektrisch in bekannter Weise in die Meßbrücke geschaltet ist. Nur mit frei ausgespannten Drähten, die einen weiten Abstand von jedem festen, die Wärmeableitung beeinflussenden Körper haben, läßt sich erreichen, daß die Widerstandstemperaturkennlinien unabhängig vom Wasserstoffgehalt in der Kammer genau übereinstimmen. Da der ausgespannte Draht in der Mitte der Kammer nur an seinen Enden festgehalten wird, ist die Wärmeableitung über diese Halterung um Größenordnungen kleiner als bei Drahtspiralen, die auf keramischen Trägerkörpern aufgewickelt sind. Mit einem gemäß der Erfindung aufgebauten Sauerstoffmesser erreicht man, wieVersuche gezeigt haben, auch beiVorhandensein hoher Waserstoffkonzentrationen die gleichen Meßgenauigkeitenwie mit den bekannten Geräten ohne die Anwesenheit von Wasserstoff. The interfering influences can according to the invention in devices with parallel As a result, hot wires that are freely stretched out to form roof-shaped magnetic poles are switched off be that in each chamber a group of hot wires in close proximity to the Pole shoes are used exclusively for heating the gas to be examined and one another group of hot wires with the greatest possible distance from pole pieces and chamber walls, preferably freely stretched in the central axis of the chambers and electrically in a known manner Way is switched into the measuring bridge. Only with the wires stretched out freely, some have a large distance from any solid body that affects heat dissipation, it can be achieved that the resistance temperature characteristics are independent of the hydrogen content match exactly in the chamber. Because the stretched wire in the middle of the chamber is only held at its ends, the heat dissipation is through this bracket orders of magnitude smaller than wire spirals on ceramic Carrier bodies are wound up. Achieved with an oxygen meter constructed according to the invention as tests have shown, even in the presence of high hydrogen concentrations the same measuring accuracies as with the known devices without the presence of hydrogen.

Zweckmäßig werden in der Nähe der dachförmig verlaufenden Magnetpole jeweils zwei Hitzdrähte in bifilarer Anordnung --verwendet, während der ausschließlich der Temperaturmessung dienende Draht in der Mittelachse der Kammer als Einzeldraht ausgespannt sein kann. Es empfiehlt sich, die bewährte Anordnung mit vier Kammern beizuhalten und in den magnetfeldfreien Kammern Nachbildungen der Polschuhe, sogenannte Phantompole, vorzusehen, damit in diesen Kammern die gleichen Wärmeableitbedingungen auftreten wie in den Meßkammern. It is useful to have magnetic poles in the vicinity of the roof-shaped two hot wires in a bifilar arrangement - used, while the only The temperature measurement wire in the central axis of the chamber as a single wire can be relaxed. It is advisable to use the tried and tested arrangement with four chambers to maintain and in the magnetic field-free chambers replicas of the pole shoes, so-called Phantom poles to provide so that the same heat dissipation conditions in these chambers occur as in the measuring chambers.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll an Hand der schematischen Darstellung der Zeichnung noch näher erläutert werden. In die vier horizontal angeordneten Kammern 1 bis 4 ragen im unteren Teil dachförmige Körper hinein. Hierbei handelt es sich in den Kammern 1 und 3 um Magnetpole 12, zwischen die ein Permanentmagnet 11 eingesetzt ist. Die Körper 13 bestehen aus einem unmagnetischen Material, das jedoch annähernd die gleiche Wärmefähigkeit besitzt, wie die Magnetpole. Das zu untersuchende Gas gelangt durch die Schlitze 5 in die Kammern. Damit das Gas nicht unmittelbar auf die Hitzdrähte trifft und hierdurch die Messung beeinflußt, sind unterhalb der Einströmschlitze Abschirmbleche 6 befestigt. Der bisher beschriebene Aufbau ist an sich bekannt. An embodiment of the invention is based on the schematic Representation of the drawing will be explained in more detail. In the four horizontally arranged Chambers 1 to 4 protrude into the lower part of the roof-shaped body. This acts In chambers 1 and 3 there are magnetic poles 12, between which a permanent magnet 11 is inserted. The body 13 are made of a non-magnetic material that however has approximately the same heat capacity as the magnetic poles. That too The gas to be examined enters the chambers through the slots 5. So that the gas doesn't directly hits the hot wires and thereby influences the measurement Shielding plates 6 attached below the inflow slots. The one described so far Structure is known per se.

In unmittelbarer Nähe der dachförmigen Pol schuhe oder polschuhförmiger Gebilde 13 ist in jeder Kammer eine Gruppe von Hitzdrähten 14 angeordnet, die parallel zur Kante der Polschuhe verlaufen. Damit die Drähte im magnetischen Feld gegenüber den Drähten in den feldfreien Kammern nicht ausgelenkt werden, werden Drahtpaare, sogenannte bifilare Drähte, verwendet, die in entgegengesetzter Richtung vom Heizstrom durchflossen werden. In der Mittelachse der Kammern sind die Drähte 7 bis 10 ausgespannt, welche in eine nicht dargestellte Wheatstonsche Brücke geschaltet sind. Diese Drähte dienen ledilglich der Temperaturmessung und haben von den Polschuhen und den Kammerwänden einen so großen Abstand, daß sich innerhalb der Fertigungstoleranzen liegende Unterschiede in der Montage in der Widerstandstemperaturkennlinie nicht bemerkbar machen. Da die Drähte freitragend ausgespannt sind, können auch Temperatureinflüsse von Trägerkörpern den Kennlinienverlauf nicht beeinflussen. Bei Vorhandensein von Sauerstoff bildet sich in den Meßkammern 1 und 3 ein starker aufsteigender Gasstrom aus, der die Drähte 7 und 9 unmitelbar trifft und an den Kammerwänden abwärts verläuft. Der Gasstrom in den Kammern 2 und 4 ist infolge des fehlenden magnetischen Feldes wesentlich schwächer, so daß die Temperatur der Drähte 7 und 9 sich entsprechend dem vorhandenen Sauerstoffgehalt niedriger einstellt. Der Meßeffekt wird auch durch wechselnde Beimengungen von Wasserstoff nicht verändert. In the immediate vicinity of the roof-shaped pole shoes or pole shoes Formation 13 is arranged in each chamber a group of hot wires 14, which are parallel run to the edge of the pole pieces. So that the wires face in the magnetic field the wires in the field-free chambers are not deflected, wire pairs are so-called bifilar wires, used, which run in the opposite direction from the heating current are flowed through. The wires 7 to 10 are stretched out in the central axis of the chambers, which are connected to a Wheatstone bridge, not shown. These wires serve only to measure the temperature and have the pole pieces and the chamber walls such a large distance that there are differences within the manufacturing tolerances not noticeable in the resistance temperature curve during assembly. There the wires are stretched out in a self-supporting manner, temperature influences from support bodies can also be do not influence the characteristic curve. Forms in the presence of oxygen in the measuring chambers 1 and 3, a strong rising gas stream, which the Wires 7 and 9 directly meets and runs down the chamber walls. The gas flow in chambers 2 and 4 is essential due to the lack of a magnetic field weaker, so that the temperature of the wires 7 and 9 according to the existing Adjusts the oxygen content lower. The measuring effect is also achieved by changing admixtures not changed by hydrogen.

Zweckmäßig werden die Drähte 14 in Serie geschaltet und von einer gemeinsamen Gleichstromquelle oder Wechselstromquelle gespeist. Um die Meßgenauigkeit und die Unabhängigkeit von Wasserstoff noch zu erhöhen, kann man den Widerstand der Hitzdrähtel4 in Polschuhnähe und der Meßdrähte 7 bis 10 mittels bekannter Regeleinrichtungen konstant halten. Die Widerstände werden hierzu beispielsweise in Brüchenschaltungen gemessen und der Speisestrom jeweils so eingestellt, daß sich auch bei unterschiedlichem Wasserstoffgehalt im Gasgemisch die Drahtwiderstände nicht ändern. Derartige Regeleinrichtungen für den Widerstand der Hitzdrähte sind an sich bekannt bei magnetischen Sauerstoffmessern mit Hitzdrähten, die gleichzeitig zur Beheizung des Gasgemisches und zur Temperaturmessung dienen. The wires 14 are expediently connected in series and by one common DC power source or AC power source fed. To the measurement accuracy and to further increase the independence of hydrogen, one can increase the resistance the Hitzdrähtel4 near the pole shoe and the measuring wires 7 to 10 by means of known control devices keep constant. For this purpose, the resistors are, for example, in bridge circuits measured and the feed current adjusted so that even with different Hydrogen content in the gas mixture do not change the wirewound resistors. Such control devices for the resistance of the hot wires are known per se in magnetic oxygen meters with hot wires that simultaneously heat the gas mixture and measure the temperature to serve.

PArENrNspncHE: 1. Magnetischer Sauerstoffmesser nach dem Hitzdrahtverfahren mit parallel zur Kante von dachförmigen Magnetpolen frei ausgespannten Hitzdrähten in vorzugsweise zylindrisch geformten Meß- und Vergleichskammern, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Kammer eine Gruppe von Hitzdrähten der Beheizung des zu untersuchenden Gases dient und eine andere Gruppe von Hitzdrähten mit möglichst großem Abstand von Polschuhen und Kammerwänden, vorzugsweise in der Mittelachse der Kammern ausgespannt und elektrisch in die Meßbrücke geschaltet ist. PArENrNcHEs: 1. Magnetic oxygen meter using the hot wire method with hot wires freely stretched parallel to the edge of roof-shaped magnetic poles in preferably cylindrically shaped measuring and comparison chambers, characterized in that that in each chamber a group of hot wires heating the object to be examined Gas is used and another group of hot wires with the greatest possible distance by pole pieces and chamber walls, preferably stretched out in the central axis of the chambers and is electrically connected to the measuring bridge.

2. Magnetischer Sauerstoffmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Magnetpole jeweils zwei Hitzdrähte für die Beheizung des Gases in bifilarer Anordnung liegen. 2. Magnetic oxygen meter according to claim 1, characterized in that that in the vicinity of the magnetic poles there are two hot wires for heating the gas lie in a bifilar arrangement.

3. Magnetischer Sauerstoffmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier Kammern vorgesehen sind und der Heizstrom die Hitzdrähte in Serienschaltung durchfließt, während die Hitzdrähte in der Mittelachse der Kammern die vier Zweige einer Wheatstonschen Brücke bilden. 3. Magnetic oxygen meter according to claim 1 and 2, characterized in that that four chambers are provided and the heating current, the hot wires in series flows through the four branches while the hot wires in the central axis of the chambers a Wheatstone bridge.

Claims

4. Magnetic oxygen meter according to claim 1 and following, characterized characterized in that the base temperature of the heating wires and the measuring wires in the Bridge circuit are kept constant by means of known control devices.