DE1573098C

DE1573098C - Device for measuring weak gas flows, preferably in a gas analyzer

Info

Publication number: DE1573098C
Authority: DE
Inventors: Gunter Dipl Ing Spceter Winfried 7500 Karlsruhe Schunck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1972-08-03

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 Brückensclialtung eingeschaltet sind, in deren einer Diagonale eine Konstantstromquelle und in deren anderer Diagonale meßwertverarbeitende oder meßwcrtanzeigende Geräte liegen.The invention relates to a device for measuring weak, preferably oscillating, gas flows in a gas analyzer with-electrically heated resistors, which with the flow in Are in thermal contact and are switched into a bridge circuit, one diagonal of which is a Constant current source and devices that process or display measured values in the other diagonal lie.

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 Hitzdrahtströniungsmesser eine störende Trägheit. *There are so-called hot wire flow meters are known in which the gas flow caused Cooling of an electrically heated resistance wire causes a change in resistance, which is used as a measuring effect. Such arrangements are, however, especially in the case of weak gas flows relatively insensitive, 'which can only be roughly compensated for by expensive downstream amplifiers can be. The known hot-wire flow meters show rapid fluctuations in the gas flow a disturbing indolence. *

Aus der deutschen Patentschrift 242 038 ist eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit von Gasen oder Luft bekannt, die aus einer Wheatstoneschen Brüekenanordnung besteht, von der zwei gleiche Zweige aus sehr dünnem, durch den Meßstrom erwärmten Draht von großem Widcrslands-Tcmperaturkocffizicnten bestehen. Die beiden Zweige liegen hintereinander in dem strömenden Medium. Die Drähte sind zwischen Spiralfedern zickzaekfönnig 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.From the German patent specification 242 038 a device for measuring the speed of Gases or air are known, which consists of a Wheatstone bridge arrangement, of the two like branches of very thin wire, warmed by the measuring current, of great temperature and temperature exist. The two branches lie one behind the other in the flowing medium. The wires are zigzagged between spiral springs relaxed. It is considered advantageous to arrange the two branches in such a way that their level lies in the direction of flow. During the measurement, the one hit by the flowing medium first Branch cooled more than the one that was hit afterwards, which was flushed with preheated gas will. As a result, the resistance of the first branch changes compared to that of the second branch, and the galvanometer connected to the bridge deflects.

Derartige Meßvorrichtungeii 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.Such measuring devices are not suitable for Measurement of weak gas flows because they are too insensitive and too sluggish. In addition, have they take up a considerable amount of space, so that they are hardly or not at all for measurements in narrow pipes can be used.

Aus der britischen Patentschrift 1 033 741 ist ein Strömungsmeßgerät bekannt, das insbesondere zur Messung der Strömung in einer Blutbahn verwendet wird. Es besieht aus einer Wechselstrom-Meßbrücke, in die zwei lemperaturempfindliehe Widerstandselemente geschaltet sind. Bei der Messung liegen die beiden Widerslandselemente, 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 Widerstandselenienten kommt. Das eine Widerstandselement verliert dabei mehr Wärme als das andere, und die Temperatiirdil'ferenz wird gemessen.From British patent specification 1 033 741 a flow meter is known, which is particularly used for Measurement of the flow in a bloodstream is used. It consists of an alternating current measuring bridge, into the two temperature-sensitive resistance elements are switched. During the measurement, the two opposing elements, which are symmetrical, lie on are attached to both sides of a holder, seen in the flow direction one behind the other. The holder sets the flow against a considerable flow resistance, so that it leads to the formation of Turbulence comes to the resistance element. The one resistance element loses more Heat than the other, and the temperature differential is measured.

Als WiderslaiiclselemeiUe werden Thermistoren oder Silizium-Halbleiter verwendet. Diese haben den Nachteil, daß sie recht träge sind, so daß sie Signalseliwaiikungen, die bei Gasanalysegeräteu mit einer Frequenz von 5 bis 100 Hz erfolgen, nicht zu folgen vermögen. Zusammen mit dem Haller 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 desselbenThermistors or silicon semiconductors are used as contradicting elements. These have the disadvantage that they are quite sluggish, so that they are unable to follow signal selections that occur in gas analyzers with a frequency of 5 to 100 Hz. Together with the Haller, they oppose considerable flow resistance to the flow, which is also disadvantageous in the measurement. On the other hand, their thermal interaction with the flowing medium is low, since they only take up part of the entire internal cross-section of the measuring channel (bloodstream).
From the German patent specification 339 850 a flow meter is also known, which consists of an electrical heating element for heating the flowing fluid and electrical resistance thermometers at some distance on both sides of the same

ίο zur Temperaturmessung des Fluidums besteht. Als Widerstandsthermometer werden unbeheizte 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.ίο exists to measure the temperature of the fluid. When Resistance thermometers are unheated wire grids made from temperature-sensitive resistance wire used, the planes of which are arranged perpendicular to the flow. The flow meter is for pipes large diameter provided. Its detection sensitivity is sufficient to measure weak gas flows does not appear in a gas analyzer.

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 vielmehr 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.The invention is based on the problem of providing a device for measuring weak gas flows to create in a gas analyzer, which the listed disadvantages of the known devices does not have, which rather emits a measurement signal that follows the fluctuations in the gas flows Amount and direction follows with as little inertia as possible and this is either displayed directly or relatively easily built-up amplifiers can be processed further.

Diese Aufgabe wird bei der Einrichtung der eingangs erwähnten Art erl'iiulungsgemäß dadurch gelöst,In the device of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the following:

;i<) daß die Widerstände in einem Veibimlungsrohr 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 Strömungsrichtting ausgerichtet und die zwecks Erzielung' von Wärmekopplung in einem gegenseitigen Abstand von etwa 0,15 mm angeordnet sind.; i <) that the resistances in a connecting pipe between a first chamber and a second chamber and at least two of a temperature-sensitive, electrical material existing flat grids are formed, the planes of which are perpendicular aligned to the direction of flow and the purpose of achieving 'thermal coupling in a mutual Distance of about 0.15 mm are arranged.

Da sich die beiden geheizten Gitter in Wärmekopplung befinden, liegt die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung gegenüber dem bekannten Hitzdrahtströmungsmesser um mindestens eine Größenordnung höher. Um eine möglichst starke Wärmekopplung zu erreichen, äst 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 Hitzdrahtströmurigsinesser 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 zurSince the two heated grids are in thermal coupling, the sensitivity of the Measuring device compared to the known hot wire flow meter by at least an order of magnitude higher. In order to achieve the strongest possible thermal coupling, the temperature of the grids is as low as possible should be chosen high, but so that no conversion of the gas to be examined is to be feared. Strength Thermal coupling is also achieved by keeping the distance between the two grids as small as possible. The gas flow to be measured shifts the heat profile occurring on the grille on the flow side such that there is a further heating of the second grid. At this facility becomes the measuring effect compared to a hot wire flow rate usual design due to the larger change in resistance of the grid on which the measurement signal is decreased, increased significantly. The difference in resistance occurring between the two grids and thus the value of the voltage achievable in the measuring diagonal of the bridge are also at very weak gas flows so great that for

6u Meljwertvcrarbeitimg einfache und wenige aufwendige Mittel eingesetzt werden können.6u Meljwertvcrarbeitimg simple and few complex Funds can be used.

Eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit kann durch die Anordnung mehrerer Gitter hintereinander erreicht werden.A further increase in sensitivity can be achieved by arranging several grids one behind the other can be achieved.

«5 Hin bevorzugtes Anwendungsgebiet der Einrichtung gemäß der Erfindung ist die liifrarotgasanalyse. Es sind hier Meßeinrichtungen bekannt, bei denen eine gasgefüllte Empfängerkammer in zwei Teile aufgeteilt«5 Hin preferred area of application of the facility according to the invention is the liifrarotgasanalyse. There are measuring devices are known in which one Gas-filled receiver chamber divided into two parts

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ist, deren einer Teil im Vergleichsstrahlengang und deren anderer Teil im Meßstrahlengang liegt, wobei die Strahlengänge periodisch unterbrochen werden. Die einander zugekehrten Wände der Karnmerteilc können in bekannter Weise als Membrankondensator ausgebildet werden, dessen von den Druckschwankungen in den Kammcrteilen hervorgerufene Kapazitätsänderungen den Meßeffekt bilden. Es wurde weiterhin bereits vorgeschlagen, die periodischen Druckschwankuiigen in den beiden Teilen der Enipfängerkammcr durch einen in einem Verbindungsrolir angeordneten Hitzdrahtströmiingsmesser in elektrische Widerstandsändcruiigen umzusetzen. Hitzclrahtströmungsinesser 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 Ein-, richtungen hier mit besonderem Vorteil einzusetzen.one part of which lies in the comparison beam path and the other part in the measuring beam path, the beam paths being periodically interrupted. The mutually facing walls of the chamber parts can be designed in a known manner as a membrane capacitor, the capacitance changes of which, caused by the pressure fluctuations in the chamber parts, form the measuring effect. It has also already been proposed to convert the periodic pressure fluctuations in the two parts of the receiver chamber into electrical resistance changes by means of a hot-wire flow meter arranged in a connecting roller. However, hot wire flow meters of known design have proven to be too sensitive for this purpose to resolve the very weak pendulous gas flow with the required measuring accuracy. As a result of their at least one order of magnitude higher sensitivity and their speed of response, devices according to the invention can be used here with particular advantage.

Ein Ausfühningsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. An Ausfühningsbeispiel the invention is in Figure shown and will be explained in more detail below.

Ein nach dem Wechsellichtprinzip arbeitendes Infrarot-Gasanalysegerät weist zwei Empfängerkammern 1 und 2 auf, wobei die Enipfängerkammer 1 im Meßstrahlengimg, 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 Wcchsellichtprinzip in den Kammern 1 und 2 auftretenden periodischen Druck-Schwankungen 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 teinperaturempfindlichem, 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 ίο H) 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.An infrared gas analyzer that works according to the alternating light principle has two receiver chambers 1 and 2, the receiving chamber 1 in Meßstrahlengimg, the receiving chamber 2 in Comparison beam path lies. The chambers 1 and 2 are filled with the same type of gas and stand together via the pipe 3 in connection. The in the measuring method according to the alternating light principle in the Chamber 1 and 2 occurring periodic pressure fluctuations have an oscillating gas flow in the connecting pipe 3, the frequency of the pulsating gas column usually being in of the order of 10 Hz. In the tube 3, two planes are perpendicular to the direction of flow Grids 4 and 4 'arranged from temperature-sensitive, electrically conductive material. The diameter the grid is about 1 mm, their spacing about 0.15 mm. The two similar grids 4 and 4 'form branches of a bridge circuit, which also have adjustable resistors 5 and 6 having. A constant voltage source 7 lying in one bridge diagonal heats the grids 4 and 4 ', whose resistance is in the order of a few ίο H) ohms, to a temperature of around 200 ° C on. An amplifier 8 of simple construction is connected to the measuring diagonal of the bridge, its Output with a indicating or evaluating measuring device 9 is in connection.

Claims

Patent claims:

1. Device for measuring weak, preferably oscillating gas flows in one Gas analyzer with electrically heated resistors that are in thermal contact with the flow and are connected to a bridge circuit, in one diagonal of which there is a constant current source and in the other diagonal of these there are values that process or display values Devices lie, characterized that the resistors in a connecting tube (3) between a first chamber (1) and a second chamber (2) and through at least two from a temperature-sensitive, elec-Irish Material existing, flat grids (4 and 4 ') are formed, the planes of which are perpendicular aligned to the direction of flow and the in order to achieve thermal coupling arranged at a mutual distance of about 0.15 mm are.

2. Device according to claim 1, characterized in that the diameter of the grating (4 and 4 ') is about 1 mm.

1 sheet of drawings