DE1296837B

DE1296837B - Device for measuring the concentration of methane contained in a gas mixture

Info

Publication number: DE1296837B
Application number: DEA41566A
Authority: DE
Inventors: Duerre; Dipl-Ing Hans-Joachim; Schumann; Dipl-Geophys Dr Wolfgang
Original assignee: Auergesellschaft GmbH
Current assignee: Auergesellschaft GmbH
Priority date: 1962-11-07
Filing date: 1962-11-07
Publication date: 1969-06-04
Also published as: GB1069493A; AT255804B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Messung der Konzentration des in einem Gasgemisch enthaltenen Methans, beruhend auf einer von der Wärmetönung und der Wärmeleitfähigkeit des Methans abhängigen Widerstandsmessung, bestehend aus einem Meßraum, in den das zu prüfende Gemisch eingeleitet wird, und eine Wheatstoneschen Brücke, von der sich die Widerstände zweier benachbarter Brückenzweige, nämlich ein auf die Verbrennung des Methans katalytisch wirkender Meßwiderstand und ein Kompensationswiderstand innerhalb des Meßraums befinden und bei der im Meßzweig ein zusätzlicher, dem Methan nicht ausgesetzter Widerstand angeordnet ist.The invention relates to an apparatus for measuring concentration of the methane contained in a gas mixture, based on one of the heat effects and the thermal conductivity of the methane-dependent resistance measurement, consisting of from a measuring room, into which the mixture to be tested is introduced, and a Wheatstone ash Bridge from which the resistances of two neighboring bridge branches, namely a measuring resistor which catalytically acts on the combustion of the methane and a Compensation resistor are located within the measuring area and in the measuring branch an additional resistor not exposed to methane is arranged.

Bei den bekannten Geräten dieser Art sind der Meßwiderstand und der Kompensationswiderstand so dimensioniert, daß hinsichtlich des Einflusses der Wärmeleitfähigkeit auf diese Widerstände Symmetrie herrscht. Die Wärmetönung tritt nur an dem Meßwiderstand auf, da nur dieser auf das Methan katalytisch wirkende Eigenschaften besitzt.In the known devices of this type, the measuring resistor and the Compensation resistor dimensioned so that with regard to the influence of thermal conductivity symmetry prevails on these resistances. The heat tint occurs only on the measuring resistor because only this has catalytically active properties on the methane.

Wenn man bei einem solchen Gerät die Konzentration des Methans der zu messenden Probe variiert und die Anzeige des Meßinstruments über der Konzentration aufträgt, so erhält man eine Kurve, wie sie die F i g. 1 zeigt.If you look at the methane concentration in such a device sample to be measured varies and the display of the measuring instrument over the concentration plots, one obtains a curve as shown in FIG. 1 shows.

Auf der Abszisse des Diagramms der F i g. 1 ist die Konzentration von Methan in Luft aufgetragen, die von 0 0% (überhaupt kein Methan in der Probe) bis 100 % (reines Methan in der Probe) reicht. Die Ordinate weist den Zeigerausschlag des Meßinstruments in beliebigen Einheiten auf.On the abscissa of the diagram of FIG. 1 is concentration of methane in air applied by 0 0% (no methane at all in the sample) up to 100% (pure methane in the sample) is sufficient. The ordinate shows the pointer deflection of the measuring instrument in any units.

Der Kurve ist zu entnehmen, daß jedem am Meßinstrument angezeigten Wert zwei Konzentrationswerte zugeordnet sind (abgesehen von dem Wert, der zu dem Maximum der Kurve gehört). Die Anzeige ist also doppeldeutig; man kann, anders ausgedrückt, nicht sagen, ob bei einem angezeigten Wert »a« die Probe etwa 5 0/0 oder etwa 7011/o Methan enthält. Die Theorie läßt diese Doppeldeutigkeit auch erwarten: Eine durch Verbrennung auftretende Wärmetönung hängt naturgemäß nicht nur von der Konzentration des Methans, sondern auch von der Konzentration des Sauerstoffs ab. Je mehr Methan die Probe enthält, um so weniger Sauerstoff enthält sie demgemäß. In dem ersten Bereich, der in F i g. 1 vom Wert 0 bis zum Maximum der Kurve reicht, tritt eine wachsende Wärmetönung bis zu dem Maximum auf, da in diesem Bereich ein ausreichender Sauerstoffüberschuß vorliegt; bei überschreiten des Methan-Konzentrationswertes, der zu diesem Maximum der Kurve gehört, reicht der Sauerstoffgehalt nicht mehr aus, um dieses Anzeigemaximum zu erreichen. Die auftretende Wärmetönung muß demnach notgedrungen wieder geringer werden. Ist in der Probe nur noch Methan vorhanden, ist also die Konzentration des Methans 100 0/0, so findet überhaupt keine Verbrennung mehr statt; die Wärmetönung und damit die Anzeige ist Null.The curve shows that each displayed on the measuring instrument Value, two concentration values are assigned (apart from the value that corresponds to the Maximum belonging to the curve). The display is therefore ambiguous; in other words, one can does not say whether a displayed value of "a" means that the sample is about 5 0/0 or about 7011 / o Contains methane. The theory also suggests this ambiguity: One through The heat that occurs when burned naturally does not only depend on the concentration of methane, but also on the concentration of oxygen. The more methane the sample contains, the less oxygen it contains accordingly. In the first Area that is shown in FIG. 1 ranges from the value 0 to the maximum of the curve, a increasing heat tint to the maximum, since in this area a sufficient one There is excess oxygen; when the methane concentration value is exceeded, which belongs to this maximum of the curve, the oxygen content is no longer sufficient, to reach this display maximum. The heat tint that occurs must therefore be an absolute necessity decrease again. If only methane is left in the sample, it is If the methane concentration is 100 0/0, no more combustion takes place at all; the heat tint and thus the display is zero.

Diese Doppeldeutigkeit, die den bisherigen Geräten eigentümlich ist, wurde bisher in Kauf genommen. Inzwischen weiß man aber, daß im Bergbau in gewissen Fällen auch hohe Konzentrationen auftreten. Die Doppeldeutigkeit stellt offensichtlich einen Nachteil dar, denn die Bedienungsperson des Geräts weiß nicht, ob sie sich in einer Atmosphäre mit niedrigem, gegebenenfalls noch ungefährlichem, oder mit hohem, in jedem Fall gefährlichen Methangehalt befindet. (Die bisher bekannten Geräte lassen zwar nicht eine Anzeige für alle Konzentrationen zu; die Skala des Meßinstruments reicht vielmehr nur bis zu einem Wert, der zum Beispiel 211/o Methangehalt bzw. nach Umschaltung des Meßbereichs 511/o Methangehalt entspricht. Liegt der Methangehalt oberhalb dieser Werte, so zeigt der Zeiger - mit Ausnahme des erwähnten Bereichs der Doppeldeutigkeit bei hoher Konzentration an Methan - Vollausschlag an. Die Anzeige bei Vollausschlag ist an sich vieldeutig, da ihm unendlich viele Konzentrationswerte zugeordnet sind; diese theoretische Vieldeutigkeit spielt jedoch in der Praxis keine Rolle, da für die Bedienungsperson Vollausschlag in jedem Falle »Gefahr« bedeutet, und es dann gleichgültig ist, ob der Methangehalt zum Beispiel 20'0%, 4011/o oder 60% beträgt.) Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die erwähnte Doppeldeutigkeit zu beseitigen, die Anzeige innerhalb des Meßbereichs also eindeutig zu machen.This ambiguity, which is peculiar to the previous devices, has been accepted so far. In the meantime, however, we know that in mining in certain In some cases, high concentrations also occur. The ambiguity makes obvious is a disadvantage, because the operator of the device does not know whether they are in an atmosphere with low, possibly still harmless, or with high, in any case dangerous, methane content. (The previously known devices do not allow a display for all concentrations; the scale of the meter Rather, it only extends up to a value that is, for example, 211 / o methane content or after switching over the measuring range 511 / o corresponds to methane content. Is the methane content above these values, the pointer shows - with the exception of the area mentioned the ambiguity at a high concentration of methane - full scale. The ad at full deflection is ambiguous in itself, since it gives an infinite number of concentration values assigned; however, this theoretical ambiguity does not play a role in practice Role, since full deflection always means "danger" for the operator, and it is then irrelevant whether the methane content is, for example, 20'0%, 4011 / o or 60%.) The object of the invention is to eliminate the ambiguity mentioned to eliminate, so to make the display unambiguous within the measuring range.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention characterized in claim 1 solved.

Dieser Lösung liegt der Gedanke zugrunde, die an dem Meßwiderstand und dem Kompensationswiderstand auftretende Wärmeleitung auszunutzen, um die Eindeutigkeit der Anzeige zu erzwingen. Die Wärmeleitung wirkt sich so aus, daß eine vorgeheizte Wendel, die nicht zusätzlich noch katalytisch wirksam ist, bei zunehmendem Methangehalt kälter wird (die Wärleitungseigenschaften des Methans sind besser als die der Luft), wobei die Abkühlungskurve etwa linear verläuft. Diese Wirkung überlagert sich bei der Meßwendel dem Wärmetönungseffekt. Da sie bei den bisherigen Geräten bei der Kompensationswendel praktisch in gleicher Weise vorliegt, tritt sie bei der Messung nicht in Erscheinung, vielmehr wird der auf sie zurückgehende Anteil der Abkühlung der Meßwendel durch einen gleich großen Abkühlungswert an der Kompensationswendel kompensiert. Durch den zusätzlich im Meßzweig liegenden Widerstand wird hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit eine Unsymmetrie geschaffen, die den Verlauf der Kurve in F i g. 1 beeinflußt. Durch Variation der Widerstände der Brücke kann man es erreichen, daß die Kurve gemäß F i g. 1, nachdem sie den Bereich, der dem auf der Ordinate aufgetragenen Meßbereich entspricht, verlassen hat nicht mehr in diesen Bereich eintaucht, daß also insbesondere der Punkt der Kurve, der der Konzentration 10011/o zugeordnet ist, oberhalb des Werts liegt, der dem Vollausschlag des Instruments entspricht. Dann entspricht jedem Punkt des Meßbereichs nur ein einziger Konzentrationswert.This solution is based on the idea that the measuring resistor and to exploit the thermal conduction occurring in the compensation resistor in order to ensure uniqueness to force the display. The heat conduction has the effect that a preheated Helix, which is not also catalytically effective, with increasing methane content gets colder (methane's thermal conductivity properties are better than those of air), where the cooling curve is approximately linear. This effect is superimposed on the measuring coil to the catalytic effect. Since they were used in the previous devices in the Compensation coil is present in practically the same way, it occurs during the measurement not in appearance, rather the part of the cooling that goes back to them becomes the measuring coil by an equal cooling value on the compensation coil compensated. Due to the additional resistance in the measuring branch, with regard to the thermal conductivity created an asymmetry that changes the shape of the curve in F i g. 1 affected. By varying the resistances of the bridge one can achieve that the curve according to F i g. 1 after having the area corresponding to the one on the ordinate corresponds to the applied measuring range, has no longer left this area immersed, so that in particular the point of the curve that corresponds to the concentration 10011 / o is above the value that corresponds to the full scale of the instrument is equivalent to. Then only a single concentration value corresponds to each point of the measuring range.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der F i g. 2 dargestellt.An embodiment of the invention is shown in FIG. 2 shown.

Darin ist mit 5 eine Wheatstonesche Brücke bezeichnet, die von einer Batterie 6 gespeist wird. In ihrem Diagonalzweig 7 liegt ein Widerstand 8 und ein Anzeigeinstrument 9. In den Brückenzweigen befinden sich ein auf Methan katalytisch wirkender Meßwiderstand 10 mit einem Widerstand 11, ein Kompensationswiderstand 12 mit einem Hilfswiderstand 13, ein Widerstand 14 und ein Widerstand 15. Mit 16 ist ein Potentiometer bezeichnet, mit dem das Brückengleichgewicht eingestellt werden kann. Eine Meßkammer, die mit gestrichelten Linien veranschaulicht ist, ist mit 17 bezeichnet. Der Kompensationswiderstand 12 und der Meßwiderstand 10 liegen innerhalb der Kammer 17. 11 ist der zusätzliche Widerstand, mit dessen Hilfe die Unsymmetrie hinsichtlich der Wärmeleitung bewirkt und die Eindeutigkeit der Anzeige geschaffen wird.5 denotes a Wheatstone bridge which is fed by a battery 6. In their diagonal branch 7 there is a resistor 8 and a display instrument 9. In the bridge branches there is a measuring resistor 10 with a resistor 11, which acts catalytically on methane, a compensation resistor 12 with an auxiliary resistor 13, a resistor 14 and a resistor 15. With 16 is a Denotes a potentiometer with which the bridge balance can be set. A measuring chamber, which is illustrated with dashed lines, is denoted by 17. The compensation resistor 12 and the measuring resistor 10 are located within the chamber 17. 11 is the additional resistor with the aid of which the asymmetry with regard to the heat conduction is brought about and the unambiguousness of the display is created.

Ist die Brücke eingeschaltet und befindet sich in der Kammer 17 ein Methangasgemisch, so zeigt das Meßinstrument entweder den Konzentrationswert des Methans in dem Gasgemisch an oder der Zeiger steht auf Vollausschlag, letzteres dann, wenn die Methankonzentration außerhalb des Konzentrationsbereichs liegt, für den der Meßbereich des Instruments geeicht ist.If the bridge is switched on and there is a in chamber 17 Methane gas mixture, the measuring instrument shows either the concentration value of the Methane in the gas mixture or the pointer is at full deflection, the latter when the methane concentration is outside the concentration range, for that the measuring range of the instrument is calibrated.

Selbstverstän$lich ist das Gerät nicht auf die Messung von Methan beschränkt. Auf alle diejenigen Gase reagiert es prinzipiell in gleicher Weise wie auf Methan, deren Wärmeleitfähigkeitsverhalten grundsätzlich so ist wie dasjenige von Methan.Of course, the device is not designed to measure methane limited. In principle, it reacts to all those gases in the same way as on methane, whose thermal conductivity behavior is basically the same as that of methane.

Geräte nach F i g. 2 können bei durch die Kammer fließendem Gemisch oder in der Kammer stehendem Gemisch betrieben werden. Die Messung bei durch die Kammer fließendem Gemisch ergibt eine stationäre Anzeige am Meßinstrument 9. Wird dagegen das Meßprinzip angewendet, bei dem das Luft-Gas-Gemisch in der Kammer nach erfolgter Füllung ruht, so ist eine sich ändernde Anzeige, die ein Maximum durchläuft, zu erwarten, da das Gemisch sowohl an Methan als auch an zur Verbrennung erforderlichem Sauerstoff während der Verbrennung verarmt.Devices according to FIG. 2 can be operated with the mixture flowing through the chamber or with the mixture standing in the chamber. The measurement when the mixture is flowing through the chamber results in a stationary display on the measuring instrument 9. If, on the other hand, the measuring principle is used in which the air-gas mixture in the chamber is at rest after filling, then a changing display, which runs through a maximum, is to be expected, since the mixture is depleted of both methane and the oxygen required for combustion during combustion.

Claims

Claims: 1. Device for measuring the concentration of the in one Gas mixture contained methane, based on one of the heat tone and the thermal conductivity of the methane-dependent resistance measurement, consisting of a measuring room into which the The mixture to be tested is introduced, and a Wheatstone bridge from which the resistances of two neighboring bridge branches, namely one on the combustion of the methane catalytically active measuring resistor and a compensation resistor are located within the measuring room and an additional methane in the measuring branch unexposed resistance is arranged, d a -characterized in that this additional resistor (11) is dimensioned so that the indicating instrument (9) with each Concentration above its measuring range shows full deflection.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the additional resistor (11) is temperature dependent and is designed to compensate for the pressure and / or temperature dependence of the heat conduction effect as is the measuring resistor (10, helix), with the exception of the catalytic effect.