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WärmeleitfähiHkeitsdetektor Die Erfindung betrifft einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor
mit einer von einem Meßgas durchströmiten Meßzelle, in welcher ein temperaturempfindliche@
Meßelement angeordnet ist, das auf eine über der Temperatur der Zellenwandung liegende
Temperatur aufgeheizt wird.
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Solche Detektoren sind beispielsweise in der Gaschromatografie weit
verbreitet. Das temperaturempfindliche Meßelement liegt in einer Schaltungsanordnung
zur Erzeugung eines Äusgangssignals, welches sich mit der Wärmeleitfähigkeit des
durch die Meßzelle strömenden Meßgases ändert. Üblicherweise ist eine Meßzelle,
die von einem Meßgas durchströmt wird, und eine von einem Vergleichßgas durchströmte
Vergleichszelle vorgesehen, die je ein temperaturempSindliches Widerstandsglied
enthalten. Die temperaturempfindlichen Widerstandsglieder sind in einer Brücke geschaltet,
die ein Ausgangssignal bei einer Abweichung der Zusammensetzung von Meßgas und Veigleichsgas
liefert.
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Zu diesem Zweck wird das temperaturempfindliche Widerstandsglied auf
eine definierte Ubertemperatur im Vergleich zu der Zellenwandung aufgeheizt, die
dann konstant ist, wenn sich die zugeführte elektrische Leistung und die durch das
hindurchströmende Gas abgeführte thermische Leistung im Gleichgewicht befinden.
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Eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit des durch die Zelle hindurchströmenden
Gases bedingt einen Gleichgewichtszustand bei einer anderen Temperatur des Widerstandsgliedes
und damit eine Verstimmung der Brücke, wenn das Vergleichsgas in der Vergleichszelle
unverändert geblieben ist. Bei einer Gaschromatografie kann beispielsweise als Trägergas
Helium verwendet werden, welches eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Wenn am Trennsäulenausgang ein Probenbestandteil auftritt, dann stellt sich an dem
Widerstandsglied in der Meßzelle eine höhere Temperatur ein, da die Wärmeleitfähigkeit
des Gemisches aus dem Probenbestandteil und Helium in praktisch allen Fällen geringer
ist und sich somit die abgeführte thermische Leistung verringert.
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Bei bekannten Wärmeleitfähigkeitsdetektoren erfüllt das temperaturempfindliche
Widerstandsglied gleichzeitig zwei Punktionen: Es bildet einen elektrischen Widerstand,
in welchem Joul'sche Wärme erzeugt wird und det durch diesen auf eine gegenüber
der Zellenwandung erhöhte Temperatur gebracht wird. Zum anderen dient die temperaturabhängige
Widerstandsänderung zur Erzeugung eines elektrischen Meßsignals. Bekannte Detektoren
enthalten entweder einen Metalldraht (Hitzdraht) als temperaturempfindliches Widerßtandsgled
oder einen Halbleiterwiderstand, einen sogenannten Thermistor.
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Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor
mit erhöhter Empfindlichkeit zu schaffen.
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Der erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor
mit verbesserter linearität, insbesondere im Vergleich zu einem Thermistor, zu schaffen.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor
zu schaffen, der robust und einfach im Aufbau ist.
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Der Erfindung liegt schlieElich die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor
geringer Zeitkonstante zu schaffen.
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Die Erfindung besteht darin, daß das Widerstandsglied ein Halbleiterschaltelement
ist, welches durch einen gesonderten Hitzdraht beheizt ist.
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Das Halbleiterschaltelement kann ein Transistor, Feldeffekttransistor
oder Metalloxyd-Feldeffekttransistor sein.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich mit einem Transistor,
Feldeffekttransistor oder Metalloxyd-Feldeffekttransistor theoretisch eine wesentlich
höhere Empfindlichkeit erhalten läßt als mit Hitzdraht oder Thermistor-Detektoren.
Es zeigt sich aber, daß ein Transistor, der mit hoher Verlustleistung betrieben
wird, bald das Ende seiner Leistungsfähigkeit erreichen wurde. Aus diesem Grund
wird gemäß dem weiteren Merkmal der Erfindung die Temperaturerhöhung gegenüber der
Meßkammerwand durch einen gesonderten Hitzdraht bewirkt. DiePunktionen zur Erzeugung
einer Tem-.
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peraturdifferenz zur Meßkammerwandung und zur Erzeugung
des
elektrischen Signals werden somit erfindungsgemäß getrennt. Die erstere Funktion
erfüllt ein Hitzdraht, und die zweite Funktion erfüllt ein Transistor.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme
auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau
einer erfindungsgemäßen Meßzelle für einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor.
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Figur 2 zeigt schematisch das Schaltbild eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors
mit Meß-und Vergleichs zelle.
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Figur 3 zeigt ein Schaltbild für einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor,
der mit zwei Transistoren als temperaturempfindliche Widerstandsglieder in Meß-
und Vergleichszelle arbeitet.
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Mit 10 ist eine Meßzelle bezeichnet, durch welche ein Meßgas über
Anschlüsse 12, 14 hindurchtritt. In der Meßzelle 10 ist ein Hitzdraht 16 angeordnet,
der mit seinen Anschlüssen 18 in einem Sockel 20 sitzt. An dem Hitzdraht 16 und
in wärmeleitendem Kontakt mit diesem ist ein Transistor 22 vorgesehen, dessen Anschlüsse
24 in einem Sockel 26 sitzen.
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Der Hitzdraht 16 bewirkt eine Temperaturerhöhung des Transistors
22 gegenüber der Wandung der Meßzelle 10. Der Transistor 22 dient zur Erzeugung
eines elektrischen Signals bei einer durch die Zusammensetzung des Meßgases bedingten
- ICemperaturänderung erung.
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In Figur 2 ist ein schematisches Schaltbild dargestellt, wobei der
Wärmeleitfähigkeitsdetektor in üblicher Weise eine Meßzelle 10 und eine ebenso aufgebaute
Vergleichszelle 28 enthält. Die Hitzdrähte 16 der Meßzellen 10 und 30 der Meßzelle
28 liegen parallel an einer Versorgungsspannung U, wobei in dem Stromkreis des Hitzdrahtes
16 ein einstellbarer Widerstand 32 für den Grobabgleich zwischen Meß- und Vergleichs
zelle vorgesehen ist. Es muß dafür gesorgt werden, daß sich das Ausgangssignal Null
ergibt, wenn beide Zellen 16 und 28 von dem gleichen Gas durchströmt sind. An dem
Hitzdraht 30 der Vergleichszelle 28 sitzt ein Transistor 34. Die Transistoren 22
der Meßzelle und 34 der Vergleichszelle sind auf Impedanzwandler 36 bzw. 38 geschaltet.
An dem Impedanzwandler 36 ist noch eine Einrichtung 40 zum Feinabgleich vorgesehen.
Die Signaldifferez wird auf einen Schred oder ein sonstiges Anzeigeinstrument 42
gegeben.
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Figur 3 zeigt im einzelnen die Schaltung der Transistoren.
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Die beiden Transistoren 22 und 34 liegen in Basisschaltung.
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Der Emitter des Transistors 22 liegt an einem Spannuagsteiler, bestehend
aus einem Einstellwiderstand AS1 und Festwiderständen R2 und R3, und zwar am Verbindungspunkt
der Widerstände R2 und R3. Der Transistor 34 liegt ebenfalls in Basisschaltung mit
seinem Emitter an einem Spannungsteiler, bestehend aus dem Einstellwiderstand AP2
und den Festwiderständen R4 und R5, und zwar am Verbindungspunkt der Widerstände
R4 und R5.
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Über die Einstellwiderstande AP1 und AP2 werden die Arbeitspunkte
der Transistoren eingestellt. Durch den Widerstand AP1 ist außerdem ein Nullabgleich
möglich.
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Dieser Einstellwiderstand AP1 entspricht also dem in Figur 2 schematisch
angedeuteten Widerstand 40. In den Kollektorkreisen liegen Widerstände R6 bzw. R7.
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Der Transistoreingang in Basisschaltung setzt sich aus einem Innenwiderstand
Ri mit veränderlicher Spannungsquelle US, zusammen. Der Innenwiderstand Ri kann
über den Arbeitsbereich als annähernd konstant betrachtet werden. Die einziege Veränderliche
ist die Spannungsquelle Us', deren Spannung mit steigender Sperrschichttemperatur
annähernd linear abnimmt. Die Spannungsänderung liegt zwischen 2 und 2,7 Volt/00.
Damit ergibt sich über den Innenwiderstand Ri des Transistors und den Innenwiderstand
Rq der Speisespannungequelle eines Stromänderung, die proportional der Spannungsänderung
durch die Temperatur ist.
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Zwischen den Kollektoren der Transistoren 22 und 94 wird die Ausgangsspannung
Ua abgegriffen, die durch Kondensatoren C1 02 und C3 geglättet ist und ein Differenzsignal
für Meß- und Vergleichszelle darstellt. Dieses Differenzsignal wird in üblicher
Weise auf einen Schreiber gegeben.