DE2445550A1

DE2445550A1 - Brenngasfuehler

Info

Publication number: DE2445550A1
Application number: DE19742445550
Authority: DE
Inventors: Donald Noble Campbell; Thomas Joseph Thomas
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1973-10-25
Filing date: 1974-09-24
Publication date: 1975-04-30
Also published as: FR2249328A1; JPS5075096A; FR2249328B1

Description

Patentanwälte Dipl. Ing. D. Karl Brose

D-8023 München- Pullach
Wi«efSir.2,T.Md».7933O71,7933072

vl/Pz München-Pullach, 24. Sep. 1974

THE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan 48075, USA

Brenn gas fühler

Die Erfindung betrifft Analysiervorrichtungen für brennbares Gas, bei welchen Pühlerelemente in Form eines erhitzten Drahtes zur Anwendung gelangen.

Es ist bekannt und weit verbreitet, Mittel einzusetzen, um die Konzentration eines brennbaren Gases in Luft oder einer anderen Gasmischung zu bestimmen, wobei die dabei verwendete Einrichtung aus einer Wheatstone¹sehen elektrischen Widerstandsbrücke besteht, in welcher einer der Widerstände aus dem Fühler für das brennbare Gas besteht. Allgemein besteht der Fühlerwiderstand aus einem Längenabschnitt eines feinen Drahtes, der mit einer Substanz überzogen ist, durch die eine katalytische Verbrennung des Analysiergases auf der Oberfläche gefördert wird, wenn die Temperatur des Widerstandes erhöht wird. Es.ist auch ein Kompensationswiderstand vorgesehen, der hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften so ähnlich als möglich dem Fühlerwiderstand ausgewählt ist, der jedoch keinen'Katalysatorüberzug aufweist. Der Fühlerwiderstand und der Kompensationswiderstand sind jeweils in getrennte- Zweige einer Widerstandsbrücke geschaltet und beide sind der Strömung eines Probegases ausgesetzt. Es wird an die Brücke eine ausreichend große Spannung angelegt, um die Temperatur des Fühlerwiderstandes zu erhöhen und zwar auf einen Wert, bä welchem die Wirkung des Katalysa-

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tors gefördert wird. Wenn das Probegas ein brennbares Gas enthält, so bewirkt die katalytische Verbrennung am Pühlerwiderstand, daß dessen Temperatur ansteigt und zwar oberhalb derjenigen des Kompensationswiderstandes und es nimmt auch der Widerstandswert des Fühle rwiderstandes gleichzeitig zu. Die zuvor bei Abwesenheit eines brennbaren Gases abgeglichene Widerstandsbrücke wird dann unabge- . glichen und zwar in einem Ausmaß, welches kennzeichnend für die Konzentration des brennbaren Gases ist.

Um eine angemessene Empfindlichkeit und Ansprechzeit zu erreichen, bestehen sowohl der Kompensationswiderstand als auch der Pühlerwiderstand gewöhnlich aus feinen Drahtfasern. Wenn ein Probegas getestet wird, welches eine hohe Konzentration eines brennbaren Gases enthält oder eine geringe thermische Leitfähigkeit besitzt, oder beides, kann die Temperatur des Fühlers auf einen solchen -Wert steigen, daß die Lebensdauer desselben wesentlich verkürzt wird und zwar oftmals auf Minuten. Es ist offensichtlich, daß urter diesen Bedingungen Schwierigkeiten, zusätzliche Kosten und selbst Gefahren durch den Betrieb der herkömmlichen Brenngasdetektoren verursacht werden.

Es ist Gegenstand der Erfindung einen Fühler für brennbares Gas unter Verwendung des Prinzips einer katalytischen Verbrennung zu schaffen, bei welchem die Lebensdauer des Fühlerwiderstandes um ein Vielfaches gegenüber derjenigen Lebensdauer erhöht ist, die bei einem Fühlerwiderstand in einem herkömmlichen Instrument vorherrscht.

Auch soll durch die Erfindung ein Instrument zum Messen der Eigenschaften oder der Zusammensetzung eines Gases geschaffen werden und zwar unter Verwendung der Widerstandsbrückenmethode, bei welcher die Betriebsfähigkeit des Instruments nicht durch den Zustand, physikalische Eigenschaft oder die Zusammensetzung des getesteten Gases negativ beeinflußt wird.

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Es ist auch Gegenstand der Erfindung, eine Gas-Analysiervorrichtung vom Brückenwiderstandstyp zu schaffen, bei -welcher einer oder mehrere der Widerstände durch einen geregelten Strom auf eine konstante Temperatur aufgeheizt werden, wobei diese Temperatur im wesentlichen unverändert bleibt und zwar trotz Änderungen in der Umgebung des Widerstandes oder der Widerstände.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, eine Gas-Analysiervorrichtung vom Widerstandsbrückentyp zu schaffen, bei welcher die Stabilität der Eichung wesentlich verbessert ist, indem einer oder mehrere der Brückenwiderstände auf einer konstanten Temperatur gehalten werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung zeigt.

Die Erfindung besteht im wesentlichen aus der Kombination zweier Wheatstone'scher Widerstandsbrücken, von-denen jede in einem Brückenzweig einen Widerstand enthält, der auf einer oberhalb der Umgebung liegenden Temperatur gehalten wird und zwar mit Hilfe eines geregelten elektrischen Stromflusses durch denselben. Einer dieser Widerstände ist analog zum Bezugs- oder Kompensationswiderstand aufgebaut, der Xn den Brücken gemäß dem Stand der Technik verwendet werden. Der andere der Widerstände besteht aus einem Fühlerwiderstand. Bei jeder Brücke sind Verbindungen von den Brükkenanschlüssen zu erkennen, von welchen der Brückenabgleichzustand in herkömmlicher Weise abgenommen wird und zu einem Verstärker gelangt, der so geschaltet ist, daß er einen Abschnitt des Stromes, der.durch die Brückenzweige fließt, zu einem Brückeneingangsanschluß gegenkoppelt. Wenn die Temperatur des Bezugs- oder Fühlerwiderstandes, wie dies der Fall sein kann, dazu neigt, sich zu ändern, so ändert sich auch der Widerstandswert in gleicher Weise, so daß dadurch eine Unabgeglichenheit an der Brücke entsteht und eine Änderung in der Ausgangsgröße des Verstärkers in der richti*· gen Richtung hervorgerufen wird, vielter entweder eine Zunahme oder

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Abnahme der Eingangsspannung der Brücke, um dadurch die Abgeglichenheit der Brücke wieder herzustellen und um dadurch die Temperatur des Widerstandes konstant zu halten. Bei einem Brenngasfühler werden der Bezugswiderstand und der .Fühlerwiderstand homogenen Gasproben ausgesetzt. Wenn das Probegas ein brennbares Gas enthält, so nimmt die Temperatur des Fühlerwiderstandes zu, was jedoch eine Reduzierung der Ausgangsgröße des Rückkopplungsverstärkers, der an diese Brücke angeschlossen ist, zur FaLge hat, jedoch keine wesentliche Änderung in der Temperatur des Bezugswiderstandes auftritt. Die Ausgangsgröße des Rückkopplungsverstärkers, der an die Bezugswiderstandsbrücke angeschlossen ist, ändert sich nicht. Es sind Mittel vorgesehen, um die Ausgangsgrößen der zwei Rückkopplungsverstärker zu vergleichen und um das Ergebnis, in geeigneter Weise nach einer geeigneten Eichung in Ausdrücken eines prozentualen Explosionslimits anzuzeigen.

Die einzige Figur zeigt einen schematischen Schaltplan nach der Erfindung.

Gemäß der einzigen Figur ist eine Bezugsbrücke 10 vorgesehen, die aus verändlichen Widerständen 12 und 14 besteht, die in Reihe geschaltet sind und durch einen festen Widerstand 16 in Reihe mit dem temperaturempfindlichen Bezugswiderstand 18 geshuntet/, um die bekannte Wheatstone'sche Schaltung zu bilden. Der Verbindungsρunkt 21 der Brücke 10 ist geerdet und es wird über einen Widerstand 22 Strom zugeführt, der zwischen einer positiven Spannungsquelle und dem Verbindungspunkt 23 liegt, und ebenso durch den Ausgang eines Verstärkers 24, der ebenfalls mit dem Verbindungspunkt 23 verbunden ist. Zum Verstärker 24 führen Eingänge von den Brückenverbindungen 25 und 26. Wenn der Temperaturkoeffizient des Bezugswiderstandes 18 wie üblich positiv ist, so sind die Eingänge des Verstärkers 24 so gepolt, daß bei einer höheren Spannung am Anschluß 25 als am Anschluß 26 eine Verminderung des Ausgangsstromes des Verstärkers 24 bewirkt wird. Der Widerstand 14 ist einstellbar, um den Temperaturwert des Bezugswiderstandes 18 verändern. Der Widerstand 12 ist einstellbar, um das Instrument in den abgeglichenen

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Zustand bringen zu können.

Die Meßbrücke 30 ist im wesentlichen identisch mit der Bezugsbrükke 10 und enthält entsprechende Widerstände 12·, IiJ¹, l6' und 22· und einen Verstärker 24'. Der Fühlerwiderstand 31 unterscheidet sich jedoch vom Bezugswiderstand 18 dadurch, daß der Widerstand 31 mit einem Katalysatorüberzug ausgestattet ist. Ähnlich wie beim Verstärker 24 sind die Eingänge zum Verstärker 24' so gepolt, daß eine größere Spannung am Verbindungspunkt 25' der Meßbrücke als am Verbindungspunkt 26' eine Reduzierung des Ausgangsstromes des Verstärkers 24' bewirkt.

Wie dies bekannt ist, werden der Bezugswiderstand 18 und der Fühlerwiderstand 31 einem Probegas ausgesetzt, wobei diese zwei thermisch gegeneinander isoliert sind, so daß ein Temperaturanstieg, der durch die Verbrennung am Fühlerwiderstand 31 hervorgerufen wird, nicht vom Bezugswiderstand 18 festgestellt wird. Der Bezugswiderstand 18 ist somit in der Lage, Schwankungen in der Umgebungstemperatur des Probegases zu erfassen und zu kompensieren. Eine Verbrennung am Fühlerwiderstand 31 führt zu einer Erhöhung der Temperatur und des Widerstandswertes desselben, wodurch bewirkt wird, daß die Ausgangsgröße des Verstärkers 24' und der zum Verbindungspunkt 23' der Meßbrücke gelieferte Strom reduziert werden. Das Vorhandensein eines brennbaren Gases in dem Probegas bewirkt somit lediglich eine leichte Zunahme der Temperatur des Fühlerwiderstandes 31 oberhalb des Wertes, der vorgegeben wird, wenn kein brennbares Gas in dem Probegas vorhanden ist. Das Ausmaß der Temperaturzunahme erfolgt analog zu dem Fehler, der bei allen servomechanischen Einrichtungen vorhanden ist und der von der Verstärkung des Verstärkers 24* abhängig ist. Obwohl die Temperatur des Fühlerwiderstandes 31 notwendigerweise bei Vorhandensein eines brennbaren Gases zunimmt, so ist die Zunahme gering, so daß aufwendige Messungen zwischen dem thermisch isolierten Bezugswiderstand 18 und dem Fühlerwiderstand 31 nicht erforderlich sind.

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Die. Ausgangs spannungen der Verstärker 24 und 24' werden in einem Differenzverstärker 33 verglichen, dessen Ausgang an einem in geeigneter V/eise geeichten Meßinstrument 34 zur Anzeige gebracht wird. Zu Beginn werden der Bezugswiderstand 18 und der Fühlerwiderstand 31 einem Probegas ausgesetzt, welches kein brennbares Gas enthält, und es wird der Abgleichwiderstand 12 so eingestellt,, daß eine Anzeige von null am Meßinstrument 34 hervorgerufen wird. Die Temperatur der Widerstände 18 und 31 wird durch Einstellung der Widerstände 14 und 14' bestimmt. Wenn. Umgebungstemperatur des Probegases schwankt, so werden der Bezugswiderstand l8 und der Püh!erwiderstand 31 in gleicher Weise beeinflußt, die Ausgangsgrös-, sen der Verstärker 24 und 24' ändern sich in gleicher Weise und es tritt keine Änderung in der Anzeige des Meßinstruments 34 auf. Wenn ein brennbares Gas vorhanden ist, so. nimmt die Temperatur des FunIeWiderstandes 31 zu, wodurch eine Reduzierung der Ausgangsgröße des Verstärkers 24' bewirkt wird und eine Zunahme in der Anzeige des Meßinstruments 34 um einen Betrag stattfindet, der von der Konzentration des brennbaren Gases in dem Probegas abhängig ist.

Indem man den Fühlerwiderstand auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur betreibt und zwar ungeachtet der Konzentration des brennbaren Gases in der Gasprobe, wird die Lebensdauer des Fühlerwiderstandes stark erweitert. Darüberhinaus kann das Instrument auch sehr viel schneller und sehr viel genauer auf Änderungen in der Konzentration von brennbaren Gasen ansprechen als herkömmliche Instrumente, da die thermischen Zeitverzögerungen stark reduziert sind und sich Eichpunkte nicht verschieben.

Es ist "offensichtlich, daß sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch in abgewandelter Form als der Beschriebenen realisieren läßt. Es sind somit eine Reihe von Abwandlungen und Änderungen möglich, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Sämtliche in der Beschreibung erwähnten und in der Zeichnung veranschaulichten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung. 509818/1045

Claims

PATENTMSPRUCHE

f 1/ Brenngasfühler, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einer ersten liiderstandsbrücke (10) mit einem ersten Temperatur-Fühlerwiderstand (18) besteht, daß Mittel (22, 24) mit einem ersten Verstärker (24) vorgesehen sind, um der·ersten Brücke (10) in ausreichendem Maße Strom zuzuführen, damit die Temperatur des ersten Temperatur-Fühlerwiderstands (18) über die Umgebungstemperatur gehoben wird, daß der erste Verstärker (24) an seinem Eingang mit der ersten Brücke (10) verbunden ist, um die Ausgangsgröße des ersten Verstärkers derart zu regeln, daß die Temperatur des ersten. Widerstands (l8) konstant gehalten wird, daß weiter eine zweite Widerstandsbrücke (30) vorgesehen ist, die einen zweiten Temperatur- Fühlerwiderstand (3D enthält, daß Mittel (22¹, 24') inklusive eines zweiten Verstärkers (24') vorgesehen sind, um einen Strom der zweiten Brücke (30) in solch ausreichendem Maße zuzuführen, daß die Temperatur des zweiten Temperatur-Fühlerwiderstandes (31) über die Temperatur der Umgebung gehoben wird, daß der zweite Verstärker (24') eine Eingangsverbindung mit der zweiten Brücke (30) aufweist, um die Ausgangsgröße des zweiten Verstärkers derart zu regeln, daß die Temperatur des zweiten Widerstandes (31) konstant gehalten wird, daß weiter Mittel vorgesehen sind, um den ersten und zweiten Widerstand (18, 31) einem zu analysierenden Gas auszusetzen, wobei das Vorhandensein eines brennbaren Gases bzw. brennbaren Stoffes in dem zu analysierenden Gas eine Zunahme der Temperatur des zweiten Widerstandes (31) bewirkt, und daß Vergleichseinrichtungen (33» 44) vorgesehen sind, um die Ausgangsgrößen des ersten und des zweiten Verstärkers (24, 24') zu vergleichen und um aus dem Vergleichsergebnis eine Anzeige in Ausdrücken der Konzentration des brennbaren Stoffes in dem zu analysierenden Gas vorzusehen.
2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten Verstärker enthaltenden Mittel (22, 24) und ₍die einen zweiten Verstärker (24») enthaltenden Mittel (22', 24') jeweils die Temperatur des ersten Widerstandes (18) und die Temperatur des

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zweiten Widerstandes (31) im wesentlichen gleich halten.
3. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (31) mit einem Katalysator überzogen ist, um eine katalytische Verbrennung des brennbaren Stoffes zu fördern, der in dem zu analysierenden Gas vorhanden ist.
4. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten Verstärker (24) enthaltenden Mittel (22, 24) eine Einrichtung (22) zum Zuführen eines Stromes in einer festgelegten Größe zur ersten Widerstandsbrücke (10) enthalten und daß die einen zweiten Verstärker (24^f) enthaltenden Mittel (22·, 24') eine Einrichtung (22¹) zum Zuführen eines Stromes in einer festgelegten Größe zur zweiten Widerstandsb'rücke (30) aufweisen.

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