DE1160669B

DE1160669B - Sensor for the indication of the heat convection flow, especially with catalytic gas analyzers

Info

Publication number: DE1160669B
Application number: DE1962Z0009377
Authority: DE
Inventors: Jindrich Fuka
Original assignee: ZD Y PRUMYSLOVE AUTOMATISACE N
Current assignee: ZD Y PRUMYSLOVE AUTOMATISACE N
Priority date: 1961-05-05
Filing date: 1962-04-27
Publication date: 1964-01-02
Also published as: FR1321819A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. KL: G Ol ηBoarding school KL: G Ol η

Deutsche KL: 421-4/08German KL: 421-4 / 08

Nummer: 1160 669Number: 1160 669

Aktenzeichen: Z 9377 IXb/421File number: Z 9377 IXb / 421

Anmeldetag: 27. April 1962 Filing date: April 27, 1962

Auslegetag: 2. Januar 1964Opened on: January 2, 1964

Für die Analyse von Gasgemischen ist schon eine ganze Reihe von Methoden ausgearbeitet worden, wie z. B. die Methode der Wärmeleitfähigkeit, der infraroten Strahlung, die polarographische Methode u. a. m. Ein oft benutztes Prinzip ist auch die katalytische Kontaktverbrennung der zu bestimmenden Gaskomponente. Im Falle der Ausnutzung dieser Methode zur Feststellung von Wasserstoff, Kohlenoxyd, kommt man mit einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur des Platin- oder Platiniridiodrahtes aus, so daß es auch bei länger dauerndem Betrieb zu keiner Änderung der physikalischen Eigenschaften des Meßelementes kommt und dasselbe in einem Zweig der Meßbrücke geschaltet werden kann.A whole series of methods has already been developed for the analysis of gas mixtures, such as B. the method of thermal conductivity, infrared radiation, the polarographic method i.a. m. An often used principle is also the catalytic contact combustion of the to be determined Gas component. If this method is used to determine hydrogen, carbon dioxide, one comes with a relatively low temperature of the platinum or platinum iridio wire so that there is no change in the physical properties even after prolonged operation of the measuring element comes and the same can be switched in a branch of the measuring bridge.

Der sichere Betrieb in Bergwerken wird sehr oft, besonders in manchen Teilgebieten, wo Methan zugegen ist, gefährdet, welches, mit Luft gemischt, bei einer höheren Konzentration (über 4,9 bis 12,5% CH₄) ein explosives Gemisch bildet. Die Atmosphäre in Bergwerken wird zur Zeit mittels tragbaren Indikationsgeräten kontrolliert. Diese Kontrolle geschieht jedoch nur ab und zu und ist von der Gewissenhaftigkeit des Bedienungspersonals abhängig. Im Hinblick auf die sich steigernde Mechanisierung und Elektrifizierung der Bergwerke ist es notwendig, kontinuierliche Analysatoren des CH₄-Inhalts dort einzuführen, wo solches in der Grubenatmosphäre zugegen ist. Diese Geräte sollen eine erhöhte Konzentration von CH₄ rechtzeitig signalisieren und bei Erreichung einer gefährlichen Konzentration von Methan die Zuführung der elektrischen Energie im gefährdeten Teilgebiet ausschalten.Safe operation in mines is very often endangered, especially in some areas where methane is present, which when mixed with air forms an explosive mixture _{at a higher concentration (above 4.9 to 12.5% CH 4).} The atmosphere in mines is currently controlled by means of portable indicator devices. However, this check only happens from time to time and is dependent on the conscientiousness of the operating personnel. In view of the increasing mechanization and electrification of the mines, it is necessary to introduce continuous analyzers of the CH ₄ content where it is present in the mine atmosphere. These devices should signal an increased concentration of CH ₄ in good time and switch off the supply of electrical energy in the endangered area when a dangerous concentration of methane is reached.

Bei diesen Analysatoren ist es vorteilhaft, die Methode der Kontaktverbrennung von CH₄ auf der Oberfläche eines Platinelementes anzuwenden. Ein Teil des bekannten Analysatorfühlers ist in Fig. 1 dargestellt, wo 1 das geheizte Widerstandselement und 2 das Abtastwiderstandselement bedeutet. Um die Verbrennung des Methans im Fühler zu erzielen, ist es aber notwendig, die Platinoberfläche auf eine hohe Temperatur zu erwärmen. Bei einer solchen treten jedoch schon bei dauerndem Betrieb physikalische Änderungen der Eigenschaften des Materials (Rekristallisation) ein. Es ist also daher nicht möglich, für Dauerbetrieb ein direkt geheiztes Element 1 (s. F i g. 1), auf welchem Methan verbrennt, als Bestandteil der Meßbrücke auszunutzen. Deshalb wird die entstandene Wärmetönung, d. h. Temperaturänderung zufolge Erwärmung des die Wärme übertragenden Stromes des Milieus, des Konvektionsstromes, mittels Abtastwiderstandselement 2 gemessen, welches in bestimmter Entfernung so ange-Fühler für die Indikation der Wärme-Konvektionsströmung, insbesondere bei
katalytischen GasanalysatorenWith these analyzers it is advantageous to use the method of contact combustion of CH ₄ on the surface of a platinum element. Part of the known analyzer probe is shown in Fig. 1, where 1 denotes the heated resistance element and 2 denotes the sense resistance element. In order to achieve the combustion of the methane in the sensor, however, it is necessary to heat the platinum surface to a high temperature. In such a case, however, physical changes in the properties of the material (recrystallization) occur even during continuous operation. It is therefore not possible to use a directly heated element 1 (see FIG. 1), on which methane burns, as part of the measuring bridge for continuous operation. Therefore, the resulting heat tone, ie temperature change as a result of the heating of the heat-transferring current of the environment, the convection current, is measured by means of a sensing resistor element 2, which is located at a certain distance as a sensor for the indication of the heat-convection current, in particular at
catalytic gas analyzers

Anmelder:Applicant:

Zavody prämyslove automatisace,
närodni podnik, PragZavody premyslove automatisace,
närodni podnik, Prague

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,Dipl.-Ing. A. Spreer, patent attorney,

Göttingen, Gronerstr. 35Göttingen, Gronerstr. 35

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Jindfich Fuka, Chodov (Tschechoslowakei)Jindfich Fuka, Chodov (Czechoslovakia)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Tschechoslowakei vom 5. Mai 1961 (Nr. 2802)Czechoslovakia from May 5, 1961 (No. 2802)

ordnet ist, daß sich seine Temperatur in zulässigen Grenzen bewegt. Die bisher benutzten Meßsysteme dieser Art sind von der Lage des Fühlers sehr abhängig, selbst wenn sie elektrisch und geometrisch übereinstimmen (Meß- und auch Kompensationselement der Meßbrücke), denn mit einer Neigung des Gerätes verändert sich die gegenseitige Lage von denjenigen Teilen der Abtastelemente, welche von der Konvektion und der Zunahme der durch Verbrennung des CH₄ verursachten Konvektionsströmung betroffen werden. So z. B. wirkt sich beim Fühler gemäß F i g. 1 eine Ablenkung desselben von der senkrechten Lage um 1° zufolge der Gleichgewichtsstörung und der Änderung der Empfindlichkeit der Meßbrücke durch Änderung der Angabe des Analysator um etwa 0,3 bis Ο,4·°/ο CH₄ aus, auch wenn kein CH₄ vorhanden ist; oder, im Gegenteil, durch Einwirkung der Nullverschiebung und der Änderung der Empfindlichkeit der Brücke kann die Überschreitung der gefährlichen Konzentration des CH₄ ungemeldet bleiben, was zu einem Bergwerksunglück führen kann. Die signalisierte Grenze einer erhöhten Konzentration ist z. B. 0,7 %, die der Havarie 1% CH₄. In Anbetracht dessen, daß der Fühler (Analysator) im Bergwerk auf einem Grubenstempel befestigt wird, dessen Lage sich durch Druckeinwirkung des Gesteins ändert, oder aber die Lage des Fühlers auch durch einen anderen Eingriff geändert werden kann, besonders beim Materialtransport, ist die Kontrolle des CH₄ unsicher. Ein is arranged is that its temperature moves within permissible limits. The previously used measuring systems of this type are very dependent on the position of the sensor, even if they match electrically and geometrically (measuring and compensation element of the measuring bridge), because with an inclination of the device, the mutual position of those parts of the scanning elements which be affected by convection and the increase in convection flow caused _{by combustion of the CH 4.} So z. B. affects the sensor according to FIG. 1 a deflection of the same from the vertical position by 1 ° due to the imbalance and the change in the sensitivity of the measuring bridge by changing the specification of the analyzer by about 0.3 to Ο.4 ° / ο CH ₄ , even if no CH _{4 is} present is; or, on the contrary, due to the effect of the zero shift and the change in the sensitivity of the bridge, exceeding the dangerous concentration of CH _{4 can} go unreported, which can lead to a mining accident. The signaled limit of an increased concentration is z. B. 0.7%, the average 1% CH ₄ . In view of the fact that the sensor (analyzer) is attached to a pit stamp in the mine, the position of which changes due to pressure from the rock, or the position of the sensor can also be changed by another intervention, especially during material transport, the control of the CH ₄ unsure. A

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durch Lagenänderung des Fühlers (des Analysators) verschuldetes flaches Ausschalten der Zuleitung der elektrischen Energie bewirkt Betriebsstörungen und dadurch auch große wirtschaftliche Verluste. Außerdem erfordert der Fühler eine öftere Kontrolle, minimal einmal am Tage, und ein Einstellen. Die Einstellung in die ursprüngliche Lage ist sehr schwierig und ungenau, so daß das Nachstellen des ganzen Analysators auf Grund der Messung des CH₄-Gehaltes direkt am Fühler vermittels eines Übertragungsgerätes notwendig ist.Flat switching off of the supply line for electrical energy caused by a change in the position of the sensor (analyzer) causes operational malfunctions and thus also major economic losses. In addition, the sensor requires frequent checks, at least once a day, and adjustment. The adjustment to the original position is very difficult and imprecise, so that the readjustment of the entire analyzer _{is necessary due to the measurement of the CH 4} content directly on the sensor by means of a transmission device.

Alle diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Einrichtung beseitigt. Das Wesen beruht darin, daß das geheizte Element für die Verbrennung der Gaskomponente und das Abtastwiderstandselement in Gestalt von konzentrischen Kugelflächen ausgebildet sind. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, daß wenigstens das Abtastwider-Standselement in Gestalt eines Gitters ausgebildet ist.All these disadvantages are eliminated by the device according to the invention. The essence is based in that the heated element for the combustion of the gas component and the sense resistor element are designed in the form of concentric spherical surfaces. Another object of the invention consists in that at least the scanning resistor stand element is designed in the form of a grid.

Ein Beispiel der Ausführung der Erfindung ist in F i g. 2 der Zeichnung veranschaulicht und im weiteren beschrieben. In F i g. 2 bedeutet 1 das geheizte Element zur Verbrennung der Gaskomponente, 2 das Abtastwiderstandselement, 3 Tragröhrchen aus Isolierstoff, 4 den Ausgang des geheizten Elementes, 5 die Klemmen für den Anschluß der Ausgangsleitungen des Abtastwiderstandselementes und 6 Versteifungsfasern aus Isolierstoff (Glasfasern).An example of the implementation of the invention is shown in FIG. 2 of the drawing and further described. In Fig. 2 means 1 the heated element for the combustion of the gas component, 2 the Sensing resistor element, 3 support tubes made of insulating material, 4 the output of the heated element, 5 the terminals for connecting the output lines of the sensing resistor element and 6 Reinforcing fibers made from insulating material (glass fibers).

Das geheizte Element 1 ist als Schraubenlinie ausgeführt, welche die Form einer Kugelfläche verfolgt. Es ist im Innern des Abtastwiderstandselementes konzentrisch angebracht, welches dieselbe Form besitzt, wobei eine unterschiedliche Größe beider Elemente mit Rücksicht auf die geforderte Temperaturdifferenz gewählt wird. Die geometrische Stabilitat beider Elemente ist vermittels der Versteifungsglasfasern 6 gesichert, welche als Breitekreise und Meridiane ausgestaltet und vermittels Isolationsröhrchen fest geschweißt sind. Die Drähte des Abtastelementes sind in ihnen eingeschmolzen. Dadurch ist die gegenseitige Lage beider Elemente und deren Form gesichert.The heated element 1 is designed as a helical line which follows the shape of a spherical surface. It is mounted concentrically inside the sense resistor element, which has the same shape has, with a different size of both elements with regard to the required temperature difference is chosen. The geometric stability of both elements is ensured by means of the stiffening glass fibers 6, which are called circles of latitude and Meridians are designed and firmly welded by means of insulation tubes. The wires of the sensing element are melted into them. This is the mutual position of both elements and their Form secured.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung arbeitet folgendermaßen:The device according to the invention works as follows:

Die freie Wärme-Konvektionsströmung verbreitet sich senkrecht aufwärts; sie geht von dem glühenden Platinelement 1 nach F i g. 2 aus, auf dessen kugelförmiger Oberfläche die Kontaktverbrennung des CH₄ stattfindet. Diese ist z. B. eine kugelförmige gewundene Schraubenlinie aus Platindraht eines Durchmessers von 0,3 mm oder ein Platinüberzug auf einer keramischen Kugel oder schließlich ein dünnwandiges Kügelchen. Dadurch wird gesichert. daß der Querschnitt des Wärmekonvektionsstromes bei jeder Lage des Elementes praktisch konstant bleibt. Um auch die Beständigkeit der Empfindlichkeit des Analysators auf den CH₄-Inhalt und die Nullbeständigkeit der Meßbrücke zu garantieren, ist das Abtastelement 2 ebenfalls kugelförmig ausgebildet, z. B. als eine Schraubenlinie aus schwachem Draht, ein Gitter aus Widerstandsdraht, das eine Kugelfläche umfaßt usw., so daß seine von der Wärmekonvektionsströmung getroffene Fläche bei einer Lagenänderung des Fühlers auf jedwede Seite praktisch konstant bleibt. Gleichfalls bleibt die konstante Temperaturdifferenz zwischen beiden Elementen erhalten. In derselben Weise ist auch ein Vergleichselement zum Kompensieren der Nebeneinflüsse wie CO.„ Feuchtigkeit usw. ausgeführt, so daß beide Elemente nicht nur geometrisch, elektrisch, sondern auch, was die Wärmeströmung anbelangt, übereinstimmend sind. Die Zunahme der Wärmeströmung durch Einfluß der Kontaktverbrennung trifft immer denselben Widerstandsteil des Abtastelementes bei einer konstanten Temperaturdifferenz, so daß die Beständigkeit der Empfindlichkeit des Analysators auch bei Lagenänderung gegenüber der senkrechten Lage, die bei der Adjustierung eingestellt wurde, garantiert ist. Die Benutzung des erfindungsgemäßen Fühlers sichert einen richtigen und verläßlichen Gang des mit ihm ausgerüsteten kontinuellen Analysators von Methan und infolgedessen auch einen sicheren und störungsfreien Betrieb.The free heat convection flow spreads vertically upwards; it goes from the glowing platinum element 1 according to FIG. 2, on whose spherical surface the contact combustion of the CH ₄ takes place. This is z. B. a spherical coiled helix of platinum wire with a diameter of 0.3 mm or a platinum coating on a ceramic ball or finally a thin-walled bead. This will secure. that the cross-section of the heat convection flow remains practically constant in every position of the element. In order to guarantee the resistance of the sensitivity of the analyzer to the CH ₄ content and the zero resistance of the measuring bridge, the scanning element 2 is also spherical, e.g. B. as a helical line of weak wire, a grid of resistance wire, which includes a spherical surface, etc., so that its surface hit by the heat convection flow remains practically constant when the sensor changes position on either side. The constant temperature difference between the two elements is also retained. In the same way, a comparison element is also designed to compensate for the secondary influences such as CO., Moisture, etc., so that both elements are not only geometrically, electrically, but also, as far as the heat flow is concerned, congruent. The increase in heat flow due to the influence of contact burning always hits the same resistance part of the scanning element at a constant temperature difference, so that the stability of the sensitivity of the analyzer is guaranteed even when the position changes compared to the vertical position that was set during the adjustment. The use of the sensor according to the invention ensures correct and reliable operation of the continual methane analyzer equipped with it and consequently also safe and trouble-free operation.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann weiter auch bei einer z. B. bei Erdbohrungen durchgeführten Analyse von Gas benutzt werden. In einem solchen Falle ist es notwendig, daß das entnommene Gasmuster vermittels einer Pumpe in eine Verbrennungskammer transportiert wird, welche durch eine für das Gas undurchlässige Kugel gebildet ist. Ihre innere Oberfläche ist mit einem Überzug aus Platin oder platinenthaltenden Metallen versehen, an welchen nach der Erhitzung die Kontaktverbrennung des analysierten Gases zustande kommt. Die Zunahme der Temperatur der Konvektionsströmung wird auf ähnliche Weise, wie im vorangehenden Falle, gemessen.The inventive device can also be used in a z. B. carried out in earth drilling Analysis of gas can be used. In such a case it is necessary that the removed Gas sample is transported by means of a pump into a combustion chamber, which is through a for the gas impermeable ball is formed. Its inner surface is coated with platinum or platinum-containing metals, on which contact burns after heating of the analyzed gas comes about. The increase in the temperature of the convection flow is measured in a similar manner to the previous case.

Bei dem beschriebenen Verfahren der Gasanalyse ist es notwendig, daß beide Elemente, sowohl das Heiz- als auch das Meßelement, in einer konzentrischen kugelförmigen Höhle der Meßkammer angebracht sind.In the gas analysis method described, it is necessary that both elements, both the Heating element as well as the measuring element, mounted in a concentric spherical cavity of the measuring chamber are.

Andere konkrete Ausführungen der erfindungsgemäßen Einrichtung kennzeichnen sich dadurch, daß das äußere Meßelement die Gestalt eines Hohlkugdsegmentes besitzt, dessen Größe durch die geforderte Unabhängigkeit von der Ausschwenkung der Einrichtung aus der vertikalen Lage gegeben ist.Other specific designs of the device according to the invention are characterized by that the outer measuring element has the shape of a hollow spherical segment has, the size of which is given by the required independence from the pivoting of the device from the vertical position.

Claims

Patent claims:

1. Sensor for the indication of the heat convection flow, in particular in gas analyzers, consisting of a heated and a catalytic measuring element, thereby characterized in that the heated element (1) for the combustion of the gas component and the sensing resistor element (2) are formed in Gastalt of concentric spherical surfaces.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that at least the Abtasi resistance element (2) is in the form of a grid.

1 sheet of drawings