DE1573098B1 - Einrichtung zur Messung schwacher Gasstr¦mungen, vorzugsweise in einem Gasanalysegerät - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung schwacher, vorzugsweise pendelnder Gasströmungen in einem Gasanalysegerät mit elektrisch beheizten Widerständen, die mit der Strömung in Wärmekontakt stehen und in eine Brückenschaltung eingeschaltet sind, in deren einer Diagonale eine Konstantstromquelle und in deren anderer Diagonale meßwertverarbeitende oder meßwertanzeigende Geräte liegen.
• Es sind sogenannte Hitzdrahtströmungsmesser bekannt, bei denen die durch die Gasströmung hervorgerufene Abkühlung eines elektrisch beheizten Widerstandsdrahtes eine Widerstandsänderung hervorruft, die als Meßeffekt benutzt wird. Derartige Anordnungen sind jedoch gerade bei schwachen Gasströmungen relativ unempfindlich, was nur durch nachgeschaltete aufwendige Verstärker in etwa ausgeglichen werden kann. Gegenüber schnellen Schwankungen der Gasströmung zeigen die bekannten Hitzdrahtströmungsmesser eine störende Trägheit.
• Aus der deutschen Patentschrift 242 038 ist eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit von Gasen oder Luft bekannt, die aus einer Wheatstoneschen Brückenanordnung besteht, von der zwei gleiche Zweige aus sehr dünnem, durch den Meßstrom erwärmten Draht von großem Widerstands-Temperaturkoeffizienten bestehen. Die beiden Zweige liegen hintereinander in dem strömenden Medium. Die Drähte sind zwischen Spiralfedern zickzackförmig ausgespannt. Es wird dabei als vorteilhaft angesehen, die beiden Zweige derart anzuordnen, daß ihre Ebene in der Strömungsrichtung liegt. Bei der Messung wird der von dem strömenden Medium zuerst getroffene Zweig stärker abgekühlt als der anschließend getroffene, der von bereits vorgewärmtem Gas bespült wird. Infolgedessen ändert sich der Widerstand des ersten Zweiges gegenüber dem des zweiten Zweiges, und das in die Brücke geschaltete Galvanometer schlägt aus.
• Derartige Meßvorrichtungen eignen sich nicht zur Messung schwacher Gasströmungen, da sie zu unempfindlich und zu träge sind. Darüber hinaus haben sie einen erheblichen Raumbedarf, so daß sie zur Messung in engen Rohren kaum oder überhaupt nicht eingesetzt werden können.
• Aus der britischen Patentschrift 1033 741 ist ein Strömungsmeßgerät bekannt, das insbesondere zur Messung der Strömung in einer Blutbahn verwendet wird. Es besteht aus einer Wechselstrom-Meßbrücke, in die zwei temperaturempfindliche Widerstandselemente geschaltet sind. Bei der Messung liegen die beiden Widerstandselemente, die symmetrisch auf beiden Seiten eines Halters befestigt sind, in Strömungsrichtung gesehen hintereinander. Der Halter setzt der Strömung einen beträchtlichen Strömungswiderstand entgegen, so daß es zur Ausbildung von Turbulenzen an den Widerstandselementen kommt. Das eine Widerstandselement verliert dabei mehr Wärme als das andere, und die Temperaturdifferenz wird gemessen.
• Als Widerstandselemente werden Thermistoren oder Silizium-Halbleiter verwendet. Diese haben den Nachteil, daß sie recht träge sind, so daß sie Signalschwankungen, die bei Gasanalysegeräten mit einer Frequenz von 5 bis 100 Hz erfolgen, nicht zu folgen vermögen. Zusammen mit dem Halter setzen sie der Strömung einen erheblichen Strömungswiderstand entgegen, was sich bei der Messung gleichfalls nachteilig auswirkt. Andererseits ist ihre thermische Wechselwirkung mit dem strömenden Medium gering, da sie nur einen Teil des gesamten Innenquerschnitts des Meßkanals (Blutbahn) einnehmen.
• Aus der deutschen Patentschrift 339 850 ist ferner ein Strömungsmesser bekannt, der aus einem elektrischen Heizkörper zum Erhitzen des strömenden Fluidums und aus elektrischen Widerstandsthermometern in einigem Abstand zu beiden Seiten desselben zur Temperaturmessung des Fluidums besteht. Als Widerstandsthermometer werden umbeheizte Drahtgitter aus temperaturempfindlichem Widerstandsdraht verwendet, deren Ebenen senkrecht zur Strömung angeordnet sind. Der Strömungsmesser ist für Rohre großen Durchmessers vorgesehen. Seine Nachweisempfindlichkeit reicht zur Messung schwacher Gasströmungen in einem Gasanalysegerät nicht aus.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung schwacher Gasströmungen in einem Gasanalysegerät zu schaffen, welche die angeführten Nachteile der bekannten Einrichtungen nicht aufweist, welche viehmehr ein Meßsignal abgibt, das den Schwankungen der Gasströmungen nach Betrag und Richtung möglichst trägheitslos folgt und das entweder direkt angezeigt oder mit relativ einfach aufgebauten Verstärkern weiterverarbeitet werden kann.
• Diese Aufgabe wird bei der Einrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Widerstände in einem Verbindungsrohr zwischen einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer liegen und durch mindestens zwei aus einem temperaturempfindlichen, elektrischen Material bestehende ebene Gitter gebildet sind, deren Ebenen senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet und die zwecks Erzielung von Wärmekopplung in einem gegenseitigen Abstand von etwa 0,15 mm angeordnet sind.
• Da sich die beiden geheizten Gitter in Wärmekopplung befinden, liegt die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung gegenüber dem bekannten I-Eizdrahtströmungsmesser um mindestens eine Größenordnung höher. Um eine möglichst starke Wärmekopplung zu erreichen, ist die Temperatur der Gitter möglichst hoch zu wählen, jedoch so, daß keine Umwandlung des zu untersuchenden Gases zu befürchten ist. Starke Wärmekopplung erreicht man auch durch den möglichst geringen Abstand zwischen den beiden Gittern. Die zu messende Gasströmung verschiebt das an dem strömungsseitig gelegenen Gitter auftretende Wärmeprofil derart, daß es zu einer weiteren Aufheizung des zweiten Gitters kommt. Bei dieser Einrichtung wird der Meßeffekt gegenüber einem Hitzdrahtströmungsmesser üblicher Bauart infolge der größeren Widerstandsänderung des Gitters, an dem das Meßsignal abgenommen wird, erheblich erhöht. Die zwischen den beiden Gittern auftretende Widerstandsdifferenz und damit der Wert der in der Meßdiagonale der Brücke erreichbaren Spannung sind auch bei sehr schwachen Gasströmungen so groß, daß zur Meßwertverarbeitung einfache und wenige aufwendige Mittel eingesetzt werden können.
• Eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit kann durch die Anordnung mehrerer Gitter hintereinander erreicht werden.
• Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Einrichtung gemäß der Erfindung ist die Infrarotgasanalyse. Es sind hier Meßeinrichtungen bekannt, bei denen eine gasgefüllte Empfängerkammer in zwei Teile aufgeteilt ist, deren einer Teil im Vergleichsstrahlengang und deren anderer Teil im Meßstrahlengang liegt, wobei die Strahlengänge periodisch unterbrochen werden. Die einander zugekehrten Wände der Kammerteile können in bekannter Weise als Membrankondensator ausgebildet werden, dessen von den Druckschwankungen in den Kammerteilen hervorgerufene Kapazitätsänderungen den Meßeffekt bilden. Es wurde weiterhin bereits vorgeschlagen, die periodischen Druckschwankungen in den beiden Teilen der Empfängerkammer durch einen in einem Verbindungsrohr angeordneten Hitzdrahtströmungsmesser in elektrische Widerstandsänderungen umzusetzen. Hitzdrahtströmungsmesser bekannter Bauart haben sich jedoch für diesen Zweck als zu empfindlich erwiesen, um die sehr schwache pendelnde Gasströmung mit der geforderten Meßgenauigkeit aufzulösen. Infolge ihrer um mindestens eine Größenordnung höheren Empfindlichkeit und ihrer Ansprechgeschwindigkeit sind erfindungsgemäße Einrichtungen hier mit besonderem Vorteil einzusetzen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
• Ein nach dem Wechsellichtprinzip arbeitendes Infrarot-Gasanalysegerät weist zwei Empfängerkammern 1 und 2 auf, wobei die Empfängerkammer 1 im Meßstrahlengang, die Empfängerkammer 2 im Vergleichsstrahlengang liegt. Die Kammern 1 und 2 sind mit gleichartigem Gas gefüllt und stehen miteinander über das Rohr 3 in Verbindung. Die bei dem Meßverfahren nach dem Wechsellichtprinzip in den Kammern 1 und 2 auftretenden periodischen Druckschwankungen haben eine pendelnde Gasströmung in dem Verbindungsrohr 3 zur Folge, wobei die Frequenz der pulsierenden Gassäule gewöhnlich in der Größenordnung von 10 Hz liegt. In dem Rohr 3 sind senkrecht zur Strömungsrichtung zwei ebene Gitter 4 und 4' aus temperaturempfindlichem, elektrisch leitendem Material angeordnet. Der Durchmesser der Gitter beträgt etwa 1 mm, ihr Abstand etwa 0,15 mm. Die beiden gleichartigen Gitter 4 und 4' bilden Zweige einer Brückenschaltung, die außerdem noch die einstellbaren Widerstände 5 und 6 aufweist. Eine in der einen Brückendiagonale liegende Konstantspannungsquelle 7 heizt die Gitter 4 und 4', deren Widerstand in der Größenordnung von einigen 10 Ohm liegt, auf eine Temperatur von etwa 200° C auf. An die Meßdiagonale der Brücke ist ein Verstärker 8 einfacher Bauart angeschlossen, dessen Ausgang mit einem anzeigenden oder auswertenden Meßgerät 9 in Verbindung steht.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Einrichtung zur Messung schwacher, vorzugsweise pendelnder Gasströmungen in einem Gasanalysegerät mit elektrisch beheizten Widerständen, die mit der Strömung in Wärmekontakt stehen und in eine Brückenschaltung eingeschaltet sind, in deren einer Diagonale eine Konstantstromquelle und in deren anderer Diagonale meßwertverarbeitende oder meßwertanzeigende Geräte liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände in einem Verbindungsrohr (3) zwischen einer ersten Kammer (1) und einer zweiten Kammer (2) liegen und durch mindestens zwei aus einem temperaturempfindlichen, elektrischen Material bestehende, ebene Gitter (4 und 4') gebildet sind, deren Ebenen senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet und die zwecks Erzielung von Wärmekopplung in einem gegenseitigen Abstand von etwa 0,15 mm angeordnet sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Gitter (4 und 4') etwa 1 mm beträgt.