DE1090001B - Thermostat device on an infrared gas analyzer - Google Patents
Thermostat device on an infrared gas analyzerInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTESPATENT OFFICE
Bei der Analyse von Gasen in der Analysenzelle eines Infrarot-Gasanalysators ist es mit Rücksicht auf die Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit erforderlich, die Messung bei gleichbleibenden Meßbedingungen, d. h. bei gleichbleibender Temperatur und bei 5 gleichbleibendem Druck des Meßgases auszuführen. Insbesondere bei der kontinuierlichen Analyse von Gasen besteht aber die Schwierigkeit, das Meßgas, das bei Einströmen in die Analysenzelle sehr unterschiedliche Temperaturen aufweisen kann, in der kurzen Zeit, in der es den Analysator durchströmt, auf eine gleichmäßige Temperatur zu bringen. Man hat zu diesem Zweck schon Thermostateneinrichtungen vorgesehen, welche die Analysenzelle auf eine vorbestimmte, gleichbleibende Temperatur aufheizen. Mit einer solchen Einrichtung lassen sich jedoch nicht immer gleichmäßige Meßtemperaturen erzielen, da der Wärmeaustausch zwischen den aufgeheizten Wandungen des Analysators und dem Meßgas im Vergleich zu der Verweilzeit des Gases in dem Analysator viel Zeit in Anspruch nimmt. Der Gasanalysator spricht daher insbesondere bei der kontinuierlichen Messung von Gasen verhältnismäßig laugsam auf Änderungen in der Zusammensetzung des Gases an und liefert infolge nicht gleichbleibender Meßbedingungen auch ungenaue Meßwerte.Take care when analyzing gases in the analysis cell of an infrared gas analyzer required to achieve a high measurement accuracy, the measurement under constant measurement conditions, d. H. to be carried out at constant temperature and constant pressure of the measuring gas. Particularly in the continuous analysis of gases, however, there is the difficulty, the measuring gas, which can have very different temperatures when flowing into the analysis cell, in the short one Time in which it flows through the analyzer to bring it to a uniform temperature. One has Thermostat devices are already provided for this purpose, which the analysis cell to a predetermined, heat up to a constant temperature. With such a facility, however, can not always achieve uniform measuring temperatures, because the heat exchange between the heated walls of the analyzer and the measurement gas compared to the residence time of the gas in the analyzer takes a lot of time. The gas analyzer therefore speaks particularly in the case of continuous Measurement of gases is relatively slow to respond to changes in the composition of the gas and, as a result of non-constant measuring conditions, also delivers inaccurate measured values.
Um die Nachteile zu vermeiden, ist erfindungsgemäß der Analysenzelle eine Vorheizkammer vorgeschaltet, in der im Weg des Meßgases eine poröse Wand aus einem Material guter Wärmeleitung angeordnet ist, die wärmeleitend mit den Wandungen der Vorheizkammer verbunden ist, welche mittels Heizelemente auf gleichmäßiger Temperatur gehalten werden. Die auf gleichmäßige Temperatur gehaltenen Wandungen der Vorheizkammer bestehen zweckmäßig aus Metall. Auch die poröse Wand besteht zweckmäßig aus Metall, beispielsweise aus gesintertem Metall.In order to avoid the disadvantages, according to the invention, a preheating chamber is connected upstream of the analysis cell, in which a porous wall made of a material with good heat conduction is arranged in the path of the measuring gas is, which is thermally connected to the walls of the preheating chamber, which by means of heating elements be kept at a constant temperature. The ones kept at a constant temperature The walls of the preheating chamber are expediently made of metal. The porous wall also exists expediently made of metal, for example made of sintered metal.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung einer Vorheizkammer wird ein sehr rascher Wärmeaustausch erzielt. Das der Analysenzelle zuströmende Gas besitzt daher auch bei größeren Temperaturschwankungen beim Einströmen' in den Analysator stets eine gleichbleibende Temperatur, ohne daß durch den Wärmeaustausch der Druck des Gases sich wesentlieh ändert. Es ist daher möglich, kontinuierliche Gasanalysen bei stets gleichbleibenden Meßbedingungen durchzuführen, wobei das Gerät sehr schnell auf Änderungen in der Gaszusammensetzung anspricht. With the arrangement of a preheating chamber according to the invention, a very rapid heat exchange is achieved achieved. The gas flowing into the analysis cell therefore also has greater temperature fluctuations when flowing into the analyzer always a constant temperature, without the Heat exchange the pressure of the gas changes essentially. It is therefore possible continuous Carry out gas analyzes under constant measurement conditions, with the device very quickly responds to changes in gas composition.
An sich ist es auf anderen Gebieten der Technik seit längerem bekannt, poröses Metall für Wärmeaustauschzwecke,
d. h. für die Kühlung von Flüssigkeiten mittels Gas, zu verwenden. Zu diesem Zweck
Thermostateneinrichtung
an einem. Infrarot-GasanalysatorIt has long been known per se in other fields of technology to use porous metal for heat exchange purposes, ie for cooling liquids by means of gas. Thermostat device for this purpose
on one. Infrared gas analyzer
Anmelder:Applicant:
Mine Safety Appliances Company,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)Mine Safety Appliances Company,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dipl.-Ing. W. Cohausz, Dipl.-Ing. W. FlorackDipl.-Ing. W. Cohausz, Dipl.-Ing. W. Florack
und Dipl.-Ing. K.-H. Eissei, Patentanwälte,and Dipl.-Ing. K.-H. Eissei, patent attorneys,
Düsseldorf, Schumannstr. 9?Düsseldorf, Schumannstr. 9?
James L. Waters, Framingham, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt wordenJames L. Waters, Framingham, Mass. (V. St. A.),
has been named as the inventor
hat man vorgeschlagen, die Flüssigkeitsleitung in dem porösen Metall einzubetten und durch das Metall den Gasstrom hindurchzuführen, der als Wärmeträger die Kühlung bewirkt. Bei diesen Einrichtungen dient also zur Kühlung der Flüssigkeit ein besonderes Kühlgas, welches durch das poröse Metall strömt. Bei der Erfindung vollzieht sich der Wärmeaustausch zwischen dem porösen Metall und dem Meßgas unmittelbar, d. h. ohne Zuhilfenahme eines die Wärme übertragenden Gases.it has been proposed to embed the fluid conduit in the porous metal and through the metal pass through the gas flow, which acts as a heat transfer medium for cooling. At these institutions A special cooling gas, which flows through the porous metal, is used to cool the liquid. at the invention, the heat exchange between the porous metal and the gas to be measured takes place directly, d. H. without the aid of a gas that transfers the heat.
Während gemäß der Erfindung üblicherweise die Temperatur des zu untersuchenden Gases durch Erhitzung erhöht wird, kann auch durch- den Wärmeaustausch eine Verminderung der Temperatur erreicht werden.While according to the invention usually the temperature of the gas to be examined by heating If the temperature is increased, the heat exchange can also reduce the temperature will.
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt.An exemplary embodiment is shown in the drawings.
Fig. 1 ist die Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Gasanalyse, deren Analysenzelle das zu untersuchende Gas mit vorbestimmter Temperatur zugeleitet wird; Fig. 2 ist eine Seitenansicht zu Fig. 1;Fig. 1 is a plan view of a device for gas analysis, the analysis cell of which is to be examined Gas having a predetermined temperature is supplied; Fig. 2 is a side view of Fig. 1;
Fig. 3 ist ein senkrechter Längsschnitt nach Linie 3-3 der Fig. 1, undFig. 3 is a vertical longitudinal section taken along line 3-3 of Figs
Fig. 4 ist eine vergrößerte Darstellung des oberen Teils der Fig. 3.FIG. 4 is an enlarged view of the upper part of FIG. 3.
Die dargestellte Vorrichtung hat eine massive, im allgemeinen rechteckige Grundplatte 10, üblicherweise aus Aluminium, also mit guter Wärmeleitung. Die massive Ausbildung der Grundplatte gestattet es, sieThe illustrated device has a solid, generally rectangular base plate 10, usually made of aluminum, so with good heat conduction. The massive design of the base plate allows it
009 609/212009 609/212
auf einer gleichmäßigen erhöhten Temperatur zu halten. Die Grundplatte 10 hat Öffnungen 12, in denen elektrische Heizelemente 14 untergebracht sind. Die Heizelemente 14 werden mit Thermostaten üblicher Art auf einer vorbestimmten gleichmäßigen Temperatur gehalten. -■- · ■ ■to keep at a uniformly elevated temperature. The base plate 10 has openings 12 in which electrical heating elements 14 are housed. The heating elements 14 are becoming more common with thermostats Kind on a predetermined even temperature held. - ■ - · ■ ■
Auf der Grundplatte 10 ist ein Metallblock 16 aus rostfreiem Stahl befestigt, der eine Analysenzelle 18 bildet, in der das Gas untersucht wird. Der Block 16 ist wärmeleitend auf der Grundplatte 10 befestigt. Mit der Analysenzelle 18 steht ein Gasauslaß 20 in Verbindung, und Fenster 22, 24 aus infrarote Strahlen durchlässigem Material,, wie z. B. Kalziumfluorid, schließen die Seiten der Zelle 18 ab.A metal block 16 made of stainless steel, which contains an analysis cell 18, is fastened to the base plate 10 forms in which the gas is examined. The block 16 is attached to the base plate 10 in a thermally conductive manner. A gas outlet 20 and windows 22, 24 of infrared rays are in communication with the analysis cell 18 permeable material, such as. B. calcium fluoride, complete the sides of the cell 18.
An dem Block 16 ist wärmeleitend ein Metallteil 26 aus rostfreiem Stahl befestigt. Der Block 16 und der Teil 26 umschließen eine Vorheiz- bzw. Wärmeaustauschkammer 28 mit im dargestellten Fall kreisförmigem Horizontalschnitt. Die Kammer 28 ist durch eine Leitung 30 mit der Analysenzelle 18 verbunde» und hat eine Gaszuleitung 32.A metal part 26 made of stainless steel is attached to the block 16 in a thermally conductive manner. The block 16 and the Part 26 enclose a preheating or heat exchange chamber 28 with a circular shape in the illustrated case Horizontal section. The chamber 28 is connected to the analysis cell 18 by a line 30 » and has a gas supply line 32.
Innerhalb der Kammer 28 befindet sich eine poröse Wand 34 guter Wärmeleitfähigkeit, vorzugweise aus gesintertem rostfreiem Stahl. Im dargestellten Fall ist die Wand 34 eine verhältnismäßig dünne kreisförmige Scheibe, die sich quer durch die Kammer 28 erstreckt und deren Umfangsteile wärmeleitend mit der Kammer verbunden sind. Die scheibenförmige Wand 34 hat gleichmäßige Dicke und ist nach oben hin gesehen konkav. Ein Austreten von Gas um die Scheibe herum wird durch einen Gummiring 36 verhindert, der zwischen der unteren Fläche der Wand, dem Vorsprung 38 und der unteren Wand der Kammer 28 liegt. Das durch den Einlaß 32 in die Kammer 28 eintretende Gas durchdringt die Wand 34 und tritt dann in die Analysenzelle 18 ein. Die Quererstreckung der Wand 34 ist verhältnismäßig groß, verglichen mit ihrer Dicke. Die Wand 34 füllt einen großen Volumenteil der Kammer 28 aus, d. h. etwa die Hälfte.Inside the chamber 28 there is a porous wall 34 of good thermal conductivity, preferably made of sintered stainless steel. In the case shown, the wall 34 is a relatively thin circular one Disc which extends transversely through the chamber 28 and whose peripheral parts are thermally conductive with connected to the chamber. The disc-shaped wall 34 has a uniform thickness and is upward concave when viewed. A rubber ring 36 prevents gas from escaping around the disc, that between the lower surface of the wall, the protrusion 38 and the lower wall of the chamber 28 lies. The gas entering chamber 28 through inlet 32 penetrates wall 34 and exits then into the analysis cell 18. The transverse extent of the wall 34 is relatively large compared to their thickness. The wall 34 fills a large volume of the chamber 28; H. about half.
Die Zuführung des zu untersuchenden Gases mit vorbestimmter Temperatur besteht aus einer Infrarot-Gasanalysenvorrichtung bekannter Art für die kontinuierliche Analyse eines Gasstromes. Auf der Grundplatte 10 ist ein Paar infraroter Strahlenquellen 40, 42 angeordnet, deren Strahlen durch einen von einem Motor 46 angetriebenen Unterbrecher 44 wechselweise unterbrochen werden können. Eine zur Analysenzelle 18 parallelliegende Vergleichszelle 48 ist in einem Teil 50 untergebracht. In einem Gehäuse 52 sind Strahldurchtritte 54, 56 angeordnet, durch die die infraroten Strählen zu einem Detektor 58 gelangen. In diesem Detektor 58 befinden sich durch eine Leitung 64 miteinander verbundene Kammern 60, 62, die durch eine Membran 66 voneinander getrennte Gaskörper enthalten. Entsprechend der Zusammen-Setzung des zu untersuchenden Gases empfängt ein Kondensator-Mikrofon 68 Impulse, die verstärkt und aufgezeichnet werden. Den Fenstern 22, 24 ent-. sprechende Fenster 70 aus infrarot ausstrahlendem Material dienen als Durchlaß der infraroten Strahlen.The supply of the gas to be examined at a predetermined temperature consists of an infrared gas analysis device known type for the continuous analysis of a gas flow. On the baseplate 10, a pair of infrared radiation sources 40, 42 is arranged, the rays of which through one of a Motor 46 driven interrupter 44 can be interrupted alternately. One to the analysis cell 18 parallel comparison cell 48 is accommodated in a part 50. In a housing 52 beam passages 54, 56 are arranged through which the infrared beams reach a detector 58. In this detector 58 there are chambers 60, 62, which are connected to one another by a line 64. which contain gas bodies separated from one another by a membrane 66. According to the composition of the gas to be examined receives a condenser microphone 68 pulses, which amplifies and to be recorded. The windows 22, 24 ent-. speaking window 70 made of infrared radiating Material serve as a passage for the infrared rays.
Bezüglich der Betriebsweise der Infrarot-Analysevorrichtung wird Bezug. genommen auf das USA.-Patent 2 648 775. Die dargestellte Vorrichtung spricht bei kontinuierlicher Analyse schnell auf Änderungen in der Zusammensetzung des Gases an.Regarding the operation of the infrared analysis device becomes reference. taken to U.S. Patent 2,648,775. The illustrated device speaks with continuous analysis, reacts quickly to changes in the composition of the gas.
Das zu untersuchende Gas tritt mit einer Temperatur gemäß seiner Herkunft durch den Einlaß 32 in die Vorheizkammer 28, wo es beim Durchtritt durch die Wand 34 aus gesintertem rostfreiem Stahl erwärmt wird, tritt dann durch die Bohrung 30 in die Analysenzelle 18 ein und verläßt diese durch den Auslaß 20.The gas to be examined enters through inlet 32 in at a temperature according to its origin the preheating chamber 28 where it heats as it passes through the sintered stainless steel wall 34 then enters the analysis cell 18 through the bore 30 and leaves it through the Outlet 20.
Wenn die Vorrichtung sich in einem Raum üblicher Raumtemperatur befindet und die Grundplatte 10 durch die Heizelemente 14 auf eine Temperatur von etwa 60° C erwärmt ist, liegt die Temperatur des Metallteils 26 und der Wand 34 innerhalb einer Toleranz von 1° C gleich mit der Temperatur der Grundplatte 10.When the device is in a room with normal room temperature and the base plate 10 is heated by the heating elements 14 to a temperature of about 60 ° C, the temperature of the Metal part 26 and the wall 34 within a tolerance of 1 ° C equal to the temperature of the base plate 10.
Bei etwa 3 mm Dicke der Wand 34 und bei einer mittleren Porengröße von etwa 35 Mikron sowie bei etwa 1 cm3 Volumen der Wand 34 in einer Vorheizkammer 28 mit einem Volumen von etwa 2 cm3 ist die Wärmeübertragung etwa wie folgt:With about 3 mm thickness of the wall 34 and with an average pore size of about 35 microns and with about 1 cm 3 volume of the wall 34 in a preheating chamber 28 with a volume of about 2 cm 3 , the heat transfer is approximately as follows:
Ist das eingeleitete Gas Luft von etwa 27° C und fließt das Gas mit etwa 1 l/min durch die Analysenzelle 18 bei einer Temperatur der Wand 34 von 60° C, so hat das Gas nach Durchtritt durch die Wand 34 eine Temperatur von etwa 59,9° C. Bei einem Durchfluß von 2 l/min und bei sonst unveränderten Bedingungen wird das Gas beim Durchtritt durch, die Wand 34 auf etwa 59,75° C erwärmt. Bei einem Durchfluß von 4 l/min wird also das Gas auf etwa 59,5° C erwärmt. Die genannten Durchflußmengen sind etwa die bei der Gasanalyse üblichen.If the gas introduced is air at approx. 27 ° C and the gas flows through the analysis cell at approx. 1 l / min 18 at a temperature of the wall 34 of 60 ° C., the gas has passed through the wall 34 a temperature of about 59.9 ° C. With a flow rate of 2 l / min and with otherwise unchanged conditions When the gas passes through the wall 34, it is heated to about 59.75 ° C. At one flow from 4 l / min the gas is heated to about 59.5 ° C. The stated flow rates are approximately the common in gas analysis.
Bei den vorgenannten Beispielen ist der Druckverlust beim Durchtritt durch die Wand außerordentlich gering. Bei einer Durchflußmenge von 1 l/min war der Druck des Gases nach Durchtritt durch die Wand 34 nur um etwa 12 mm Wassersäule geringer, bei einer Durchflußmenge von 2 l/min erfolgte ein Druckabfall auf nur 25 mm Wassersäule und bei 4 l/min Durchflußmenge auf nur 50 mm Wassersäule.In the above examples is the pressure drop extremely low when passing through the wall. At a flow rate of 1 l / min the pressure of the gas after passing through the wall 34 is only about 12 mm water column lower, at at a flow rate of 2 l / min, there was a pressure drop to only 25 mm water column and at 4 l / min Flow rate to only 50 mm water column.
Bei den erwähnten Durdhflußmengen von 1, 2 und 4 l/min und bei einer Vorheizkammer 28 mit einem Volumen von etwa 2 cm3 ergibt sich, daß jeder betrachtete Gaskörper sich nur während eines Bruchteils einer Sekunde in der Vorheizkammer befindet. Die Ausbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ergibt also ein vorteilhaftes, unvermindert schnelles Ansprechen auf Änderungen in der Zusammensetzung des Gases bei der kontinuierlichen Analyse.With the mentioned flow rates of 1, 2 and 4 l / min and with a preheating chamber 28 with a volume of about 2 cm 3, it follows that each gas body under consideration is only in the preheating chamber for a fraction of a second. The design of the device according to the invention thus results in an advantageous, undiminished rapid response to changes in the composition of the gas during continuous analysis.
Die Erfindung ermöglicht es, das Gas auf eine vorbestimmte Temperatur zu halten, hat nur einen geringen Druckabfall zur Folge und spricht infolge der jeweils nur geringen untersuchten Gasmenge schnell auf Änderungen in der Gaszusammensetzung an.The invention makes it possible to keep the gas at a predetermined temperature, has only a low Pressure drop and speaks quickly due to the small amount of gas examined to changes in the gas composition.
Der gute Wärmeaustausch kann sowohl zur Verminderung als auch zur Erhöhung der Temperatur des eingeleiteten Gases ausgenutzt werden.The good heat exchange can reduce as well as increase the temperature of the gas introduced can be used.
Die poröse Wand der Vorheizkammer besteht zweckmäßig aus gesintertem rostfreiem Stahl, weil dieser nicht korrodiert. Die mittlere Porengröße der Wand kann je nach den Umständen verschieden sein, sollte aber praktisch etwa zwischen 10 und 100 Mikron sein. Die poröse Wand kann auch aus anderem gesintertem Metall bestehen, beispielsweise Kupfer, Nickel oder Kupfer-Nickel-Legierungen. Die Wand kann auch aus Eisen- oder anderen Metallspänen bestehen, die durch ein Bleilot gebunden sind, ja sie können sogar aus nichtmetallischem wärmeleitendem Material bestehen. Wesentlich ist, daß das Material der porösen Wand gute Wärmeleitung hat im Vergleich zu wärmeisolierenden Materialien.The porous wall of the preheating chamber is suitably made of sintered stainless steel because this does not corrode. The mean pore size of the wall can vary depending on the circumstances, but should practically be between about 10 and 100 microns. The porous wall can also be sintered from other materials Made of metal, for example copper, nickel or copper-nickel alloys. The wall can also consist of iron or other metal shavings bound by a lead solder, yes they do can even consist of non-metallic thermally conductive material. It is essential that the material the porous wall has good heat conduction compared to heat insulating materials.
Das die Vorheizkammer umschließende Metall ist zweckmäßig rostfreier Stahl, weil dieser nicht korrodiert, es könnten aber auch andere Metalle Verwendung finden. Ebenso ist das die Analysenkammer umschließende Metall zweckmäßig, aber nicht notwen-The metal surrounding the preheating chamber is expediently stainless steel because it does not corrode, however, other metals could also be used. The same is the one surrounding the analysis chamber Metal functional, but not necessary
digerweise, rostfreier Stahl. Die Grundplatte besteht zweckmäßig aus Aluminium wegen dessen hoher Wärmeleitfähigkeit.digerweise, stainless steel. The base plate is expediently made of aluminum because of its high Thermal conductivity.
Der Abdichtungsring für die Umfangsteile der porösen Wand kann, mit Ausnahme von/ Gummi, aus entsprechenden Materialien bestehen, wie beispielsweise Siliziumpolymren oder Polytetrafluoräthylen.The sealing ring for the peripheral parts of the porous wall, with the exception of / rubber, can be made from corresponding materials exist, such as silicon polymers or polytetrafluoroethylene.
Die Voriieizkammer kann auch direkt an der Grundplatte befestigt sein. Die Abmessungen der einzelnen Teile können verschieden sein, je nach der Art des Instrumentes.The heating chamber can also be attached directly to the base plate. The dimensions of each Parts can be different depending on the type of instrument.
Die Vorrichtung kann für kontinuierlichen oder auch für nicht kontinuierlichen Gasdurchfluß vorgesehen sein, und es können auch zwei oder mehr Vorheizkammern hintereinander angeordnet sein, insbe- *5 sondere wenn besonders nahe beieinander liegende Vergleichstemperaturen vorhanden sind.The device can be provided for continuous or discontinuous gas flow and there can also be two or more preheating chambers arranged one behind the other, in particular especially when comparative temperatures are particularly close to one another.
Claims (6)
USA.-Patentschriften Nr. 1 893 330, 2 448 315;
»Gas—Wärme«, 1957, S. 148 bis 159.Considered publications:
U.S. Patent Nos. 1,893,330, 2,448,315;
"Gas — Wärme", 1957, pp. 148 to 159.
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|---|---|
| DE (1) | DE1090001B (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1893330A (en) * | 1928-08-07 | 1933-01-03 | Charles L Jones | Permeable metal and method of making the same |
| US2448315A (en) * | 1945-02-14 | 1948-08-31 | Gen Motors Corp | Combination restrictor and heat exchanger |
-
1957
- 1957-07-17 DE DEW21511A patent/DE1090001B/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1893330A (en) * | 1928-08-07 | 1933-01-03 | Charles L Jones | Permeable metal and method of making the same |
| US2448315A (en) * | 1945-02-14 | 1948-08-31 | Gen Motors Corp | Combination restrictor and heat exchanger |
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