DE2505669B2 - Verfahren und Gasanalysator zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Gasgemisches - Google Patents

Description

65

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Gasgemisches aus zwei bekannten Gaskomponenten und Anwendung dieses Verfahrens zur kontinuierlichen Bestimmung und Ausschaltung des Wärmeleitfähigkeitseinflusses bei der Geschwindigkeitsmessung des Gasgemisches mittels eines Hitzdrahtanemometers.

Die Kenntnis der Zusammensetzung eines Gases ist auf vielen Gebieten außerordentlich wichtig, und auf manchen dieser Gebiete ist es wünschenswert, die Gaszusammensetzung auf einer Echtzeitbasis zu kennen. Beispielsweise ist es auf dem Gebiet der Atemtechnik wünschenswert, die Zusammensetzung der Atemgase zu kennen.

Die bekannten Gasanalysatoren bestehen aus einer Doppelzellenanordnung, von der die eine Zelle, die gewöhnlich abgedichtet ist, das Bezugsgas enthält, während die andere für das zu analysierende Gas bestimmt ist Innerhalb der Zellen befinden sich Fühler, gewöhnlich Heißleiter oder Platindrähte, die durch einen elektrischen Strom auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden. Eine Pumpe saugt das unbekannte Gas in die Probezelle, und wenn sich die Gaszusammensetzung in dieser verändert, verändert sich auch die Temperatur des Fühlers entsprechend der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit des Gases. Die Fühler in jeder Zelle bilden einen Teil einer Wheatstoneschen Brücke, und die Größe der Unsymmetrie zwischen den Fühlern, die durch das zu analysierende Gas hervorgerufen wird, ist proportional der Gaskonzentration, da sie die Wärmeleitfähigkeit des Gases beeinflußt, nachdem das Meßgerät richtig geeicht worden ist.

Die Ansprechzeit dieser Art von Gasanalysatoren ist verhältnismäßig lang, und es dauert mehrere Sekunden, bevor eine Messung durchgeführt werden kann. Zusätzlich sind diese Gasanalysatoren sperrig, umständlich in der Handhabung und teuer, da sie den Anschluß von Rohren und Pumpen erfordern und auf Augenblicksveränderungen in der Zusammensetzung des Gases nicht ansprechen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Nachteile der bekannten Verfahren umgangen werden und mit dem es möglich ist, ohne Zeitverlust Veränderungen in der Zusammensetzung zu erkennen und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases festzustellen. Gasanalysatoren sollen rasch ansprechen und sowohl ein geringes Gewicht haben als auch einfach im Aufbau sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gas intermittierend in einem Kanal in einer Richtung strömt und über Fühler eines Meßwandlers in Abhängigkeit von einem Bezugsspannungspegel erzeugte Brückenausgangssignale im Strömungsfreien-Intervall ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit und im Strömungs-Intervall ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit und die Strömungsgeschwindigkeit sind.

Der Gasanalysator zur Durchführung des Verfahrens besitzt nach der Erfindung einen Kanal für die Strömung des zu messenden Gases in einer Richtung, wobei die Strömungs- und Strömungsfreien-Intervalle abwechseln, einen Meßwandler mit in dem Kanal angeordneten Fühler und Kompensationsfühler, die während des Strömungs-Intervalls des Gases ein der Strömungsgeschwindigkeit und der Wärmeleitfähigkeit entsprechendes und während des Strömungsfreien-Intervalls ein der Wärmeleitfähigkeit entsprechendes Brückenausgangssignal erzeugen, eine Logik- und Zeitgeberschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals am Ende jedes Strömungs-Intervalls und eine Proben- und Halteschaltung zur Ermittlung des Meßwertes.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen

insbesondere darin, daß das Verfahren und der Gasanalysator eine kurze Ansprechzeit gestatten und damit eine sofortige Anzeige der Zusammensetzung des zu messenden Gases liefern.

Der Fühler des Meßwandlers ist ein elektrisches Widerstandselement, z. B. aus einem dünnen Platindraht, der durch einen elektrischen Strom auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird. Durch Steuerung des durch den Fühler fließenden Stromes wird erreicht, daß der elektrische Widerstand des Fühlers und damit dessen Temperatur konstant gehalten wird Der Kompensationsfühler besteht z. B. aus einem Platindraht mit einer Temperatur- und Widerstandslinie, die gleich der Teraperaturwiderstandslinie des ersten Fühlers ist Die dem Fühler zugeführte elektrische Leistung ist im Gleichgewichtsfall von der Geschwindigkeit, der Temperatur und der Wärmeleitfähigkeit der vorhandenen Gasströmung abhängig. Damit wird im Strömungs-Intervall der durch den Fühler fließende elektrische Strom ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit und der Wärmeleitfähigkeit des zu analysierenden Gases. Während jedes Strömungsfreien-Intervalls stellt der Strom durch den Fühler ein Maß, das von der Wärmeleitfähigkeit des zu analysierenden Gases abhängig ist, dar.

Der Fühler und der Kompensationsfühler sind in einer Brückenschaltung miteinander gekoppelt Die Brücke ist eine Wheatstonebrücke. Durch automatischen Abgleich wird das Widerstandsverhältnis der Widerstände des Fühlers und des Kompensationsfühlers konstant gehalten; damit wird der Einfluß der Temperatur des zu analysierenden Gases auf das Brückenausgangssignal des Meßwandlers vernachlässigbar klein.

Die Ansprüche 3 bis 6 stellen Weiterbildungen der Erfindung dar.

Die folgende Zusammenfassung zeigt eine einfache Ausführung de^r Erfindung, die anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Beispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert wird, und zwar zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Kanals für eine intermittierende, nur in einer Richtung stattfindende Gasströmung bei der Atmung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung des Gasanalysators mit einem Fühler in der Leitungsanordnung nach Fig.l,

Fig.3 eine Kurvendarstellung der elektrischen Signale an verschiedenen Stellen im Gasanalysator nach Fig. 2,

Fig.4 eine Kurvendarstellung der elektrischen Signale an verschiedenen Stellen im Gasanalysator nach F i g. 2, wenn die Zusammensetzung des Gases sich verändert und eine Zunahme der Wärmeleitfähigkeit stattfindet,

F i g. 5 eine Kurvendarstellung der elektrischen Signale ähnlich der Darstellung nach F i g. 4, bei welcher die Zusammensetzung des analysierten Gases sich verändert und die Wärmeleitfähigkeit desselben abnimmt.

Die Schaltung zur Erfassung des Brückenausgangssignals während jedes Strömungsfreien-Intervalls umfaßt eine Logik- und Zeitgeber-Schaltung sowie eine Proben- und Halteschaltung. Die Logik- und Zeitgeber-Schaltung umfaßt eine Gleichstrom-Rückstellschaltung, einen Nullanzeiger und eine Logikschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals beim Eintritt eines Strömungsfreien-Intervalls. Die Proben- und Halteschaltung tastet bei jedem Steuersignal das Brückenausgangssignal aus dem Meßwandler während jedes Strömungsfreien-Intervalls ab und liefert jeweils an ihrem Ausgang ein Signal, das die Wärmeleitfähigkeit des analysierten Gases darstellt

Mit dem Ausgang der Proben- und Halteschaltung kann ein Entnahmekreis zur Anzeige der Zusammensetzung des Gases gekoppelt werdenin Ausnutzung der Möglichkeiten des Gasanalysators stellt das Brückenausgangssignal des Meßwandlers in

ίο den Strömungs-Intervallen nach Linearisierung eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit dar.

Das Brückenausgangssignal während der Strömung stellt ein Maß für den Volumenfluß dar. Dieses Maß ist von den Stoffeigenschaften, vor allem der Wärmeleitfähigkeit, des Gases abhängig. Mit dem Brückenausgangssignal im Strömungsfreien-Intervall wird diese Stoffabhängigkeit kompensiert

Das Verfahren und das Gerät zum Analysieren der Zusammensetzung eines Gases ist auf die Anwendung zur Untersuchung von Atemgasen gerichtet

In einer Anwendungsform eines erfindungsgemäßen Gasanalysators ist das eingeatmete Gasgemisch Luft Der Anteil an Kohlendioxyd in dem ausgeatmeten Gasgemisch (Ausatemluft) wird gemessen, dabei ist es

r> wünschenswert, die Zusammensetzung des ausgeatmeten Gasgemisches und die Strömung des Gasgemisches auf Echtzeitbasis zu kennen. Dieses ist für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit von z. B. Atemgeräten sehr vorteilhaft.

so Gase haben eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit, die von ihrer Zusammensetzung abhängt. Luft von 20⁰C hat beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 0,0257 W/m, grd. Die Wärmeleitfähigkeit einiger Gase beträgt nach dem gleichen Leitfähigkeitsmaß:

Stickstoff (N₂)
Sauerstoff (O₂)
Kohlendioxyd (CO₂)
Helium (He)
Lachgas (N 2O)

ca.

0,0254 W/m, grd
0,0260 W/m, grd
0,0178 W/m, grd
0,1436 W/m, grd
0,016 W/m, grd

Das Gas aus dem Atemgerät 2 wird durch den Kanal 9, das Rohr 8 zum Benutzer und zurück durch das Rohr 8 und den Kanal 10 geführt.

In dem Kanal 10 sind Fühler 13, 14 angeordnet, wie F i g. 1 zeigt. Die durch den Kanal 10 hindurchtretenden Gase haben bedingt durch ein im Kanal angeordnetes Einwegventil U, nur eine Strömungsrichtung. Gleiches gilt für das Ventil 12 im Kanal 9. Der im Kanal 10 angeordnete Fühler 13 besteht aus einem dünnen Platindraht. Dieser Fühler 13 wird elektrisch geheizt und auf einer sorgfältig geregelten Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur gehalten. Die dazu erforderliche Leistung entspricht damit der Gasströmungsgeschwindigkeit, der Gaszusammensetzung und der Gastemperatur im Kanal 10. Der zweite Fühler, der Kompensationsfühler 14, der ebenfalls aus einem Platindraht sein kann, ist nahe dem Fühler 13 im gleichen Kanal 10 angeordnet. Dieser Kompensationsfühler 14 wird nicht geheizt, er dient zum Temperaturausgleich der Brückenschaltung, in die beide Fühler 13 und 14 eingeschaltet sind. Bei dieser Kombination reagiert der Fühler 13 auf die Gasströmungsgeschwindigkeit und die Gaszusammensetzung. Die abgegebene Leistung ist ein Maß für die Gasströmungsgeschwindigkeit und die Gaszusammensetzung. In dem Strömungsfreien-Intervall im Kanal 10 hängt die Leistungsabgabe des Fühlers 13 nur von der Wärmeleitfähigkeit des

Gases, das sich im Kanal befindet, ab.

Die Schaltung des Gasanalysators ist schematisch in F i g. 2 dargestellt und besitzt, durch strichpunktierte Linien voneinander getrennt dargestellt, einen Meßwandler 20, eine Proben- und Halteschaltung 21 und eine Logik- und Zeitgeberschaltung 22. Der Meßwandler 20 enthält eine Brückenschaltung 23, bei welcher der Fühler 13 in den einen Zweig geschaltet ist und der Kompensationsfühler 14 in den benachbarten Zweig. In den dritten Zweig ist ein Widerstand 15 geschaltet und in den vierten Zweig der Brückenschaltung 23 ein Widerstand 16. Strom wird der Brückenschaltung 23 von einer positiven Spannungsquelle 24 aus über den Kollektor-Emitter-Übergang eines Transistors 18 zugeführt. Die Brückenschaltung 23 besitzt zwei Eingangsanschlüsse 25 und 26 sowie zwei Ausgangsanschlüsse 27 und 28. Parallel zum Widerstand 15 ist ein hochohmiges Potentiometer 29 geschaltet und parallel zum Fühler 13 ein Potentiometer 30. Zwischen den Schleifarmen der Potentiometer 29 und 30 wird ein Signal entnommen und einem Differentialverstärker 31 zugeführt, dessen Ausgang mit der Basis des Transistors 18 verbunden ist, wodurch die Größe des Stroms durch den Transistor 18 und die Brückenschaltung 23 gesteuert wird.

Ein gewähltes Widerstandsverhältnis zwischen dem Fühler 13 und dem Kompensationsfühler 14 wird dadurch aufrechterhalten, daß der Strom durch die Brückenschaltung 23 unter der Steuerung des Differentialverstärkers 31 und des Transistors 18 gesteuert wird. Zwischen dem Ausgangsanschluß 28 und der Erde wird ein Brückenausgangssignal erzeugt, das am Punkt A auftritt

Das Brückenausgangssignal für das Strömungsfreie-Intervall oder das Strömungs-Intervall ist von einer Wellenform, die durch die Kurve A in F i g. 3 dargestellt wird.

Die Bezugsgröße für die Kurve A in F i g. 3 kann ein beliebiger Bezugspegel sein. Bei einem Bezugspegel von 1 V für Luft beträgt der Grundpegel für Kohlendioxyd 0,9 V. Es läßt sich daher durch die Messung des Brückenausgangssignals am Punkt A der Anteil an Kohlendioxyd in der Luft bestimmen.

Das Brückenausgangssignal am Punkt A wird einem Gleichstrom-Rücksteller 33 zugeführt, der das Brückenausgangssignal auf einen angegebenen Spannungspegel bezieht, welcher in diesem Falle eine geringfügig negative Spannung ist, damit das zugeführte Brückenausgangssignal bei der Rückführung zum Strömungsfreien-Intervall durch Null hindurchgeht.

Der Gleichstrom-Rücksteller 33 weist einen Spannungsteiler aus einem Widerstand 34, einer Diode 35 und einem Widerstand 36 auf, die zwischen einer bekannten positiven Spannung und einer bekannten negativen Spannung in Reihe geschaltet sind. Die Anode der Diode 35 ist mit dem Widerstand 34 verbunden und dieser mit der positiven Spannung, während die Kathode der Diode 35 über den Widerstand 36 mit der negativen Spannung verbunden ist

An der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 34 und der Diode 35 wird eine gewählte Spannung angelegt Die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 34 und der Diode 35 ist über eine Diode 37 mit der einen Seite eines Kondensators 38 verbunden, dessen andere Seite mit dem Punkt A verbunden ist und über den das Brückenausgangssignal in den Gleichstrom-Rücksteller 33 eingegeben wird.

Die Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator 38 und der Diode 37 ist mit B bezeichnet und über einen Widerstand 39 mit einer negativen Spannung verbunden.

Die Spannung am Punkt B ist mit einem Differentialverstärker 40 gekoppelt, der einen Ausgangspegel für Eingangssignale am Punkt B oberhalb null Volt und einen anderen Ausgangspegel für Eingangssignale am Punkt B unterhalb null Volt aufweist. Die Spannung an der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 34 und

in der Diode 35 wird auf einem gewählten negativen Wert gehalten, beispielsweise auf —10 Millivolt, um Zuverlässigkeit dadurch zu gewährleisten, daß das Signal am Punkt B durch null Volt hindurchgehen muß, um dadurch das Ende des Strömungs-Intervalls und den Beginn eines Strömungsfreien-Intervalls anzuzeigen.

Die Kurve C in F i g. 3 stellt das Signal am Ausgang des Verstärkers 40 dar. Der Ausgang des Verstärkers 40 ist über einen Integrierkondensator 41 und eine Diode 42 mit einem monostabilen Multivibrator 43 gekoppelt

2(1 Ein Widerstand 44 ist zwischen die Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator 41 und der Diode 42 und Erde geschaltet Der monostabile Multivibrator 43 spricht auf den negativen Übergang des Signals am Ausgang des Verstärkers 40 an. Das Signal am Ausgang des monostabilen Multivibrators 43 kann praktisch sofort bei dem negativen Übergang oder nach einem gewählten Intervall Δ nach dem Übergang auftreten. Zusätzlich kann die Dauer des Impulses am Ausgang des Multivibrators 43 verändert werden, um während eines längeren Intervalls das Brückenausgangssignal im Punkt A zu prüfen, das die Wärmeleitfähigkeit und damit die Zusammensetzung des analysierten Gases darstellt

Der Ausgang des monostabilen Multivibrators 43 ist mit der Proben- und Halteschaltung 21 gekoppelt Die in

j'i Fig.2 schematisch dargestellte Proben- und Halteschaltung 21 ist für Proben- und Halteschaltungen typisch. Die Proben- und Halteschaltung 21 erhält das Brückenausgangssignal am Punkt A aus dem Meßwandler 20. Dieser Eingang ist über einen Pufferverstärker 50

hi und einen steuerbaren Schalter 51 mit einem Kondensator 52 verbunden.

Der steuerbare Schalter 51 wird durch das Steuersignal am Punkt D gesteuert das über einen Widerstand 53 dem steuerbaren Schalter zugeführt wird, welcher ein Feldeffekttransistorschalter sein kann, wie in Fig.2 gezeigt Die eine Seite des Kondensators 52 ist geerdet, während die mit dem Schalter 51 verbundene Seite über einen Trennverstärker 54 von hoher Eingangsimpedanz mit einem Verbraucher 60 verbunden ist

j» Wenn eine Person mit 15 Atemzügen je Minute atmetet, erzeugt der Gasanalysator im Punkt A ein Brückenausgangssignal von einer Wellenform, wie sie durch Kurve A in Fig.3 dargestellt ist Dies sich verändernde Brückenausgangssignal während des Intervalls, während welches Gas durch den Kanal 10 strömt, ist über den Kondensator 38 gekoppelt und tritt am Punkt B auf. Die Wellenform des Signals am Punkt B ist durch die Kurve B in Fig.3 beispielsweise dargestellt Wenn das Signal am Punkt B durch Null

w hindurchgeht, verändert sich das Signal am Ausgang des Differentialverstärkers 40 und erzeugt ein Signal von der Wellenform der Kurve Cin F i g. 3.

Durch jeden negativen Übergang des Signals am Punkt Cwird der monostabile Multivibrator 43 mit einer

b5 inneren Verzögerung getriggert, worauf ein Ausgangsimpuls, wie durch die Kurve D in F i g. 3 gezeigt, erzeugt wird. Der Ausgangsimpuls ist das Steuersignal, das den Schalter 51 schließt, um das Brückenausgangssignal am

Punkt A über den Pufferverstärker 50 dem Kondensator 52 zuzuführen. Da das Steuersignal während des Strömungsfreien-Intervalls der Ausatmung auftritt, ist es das Grundpegelsignal.

Wie erwähnt, hat Kohlendioxyd einen Grundpegel von 0,9 V, bei einem Bezugspegel für Luft von 1,00 V. Daher wird durch eine Änderung von Kohlendioxyd auf Luft ein Brückenausgangssignal von der Wellenform der Kurve A in F i g. 4 erzeugt

Das Grundpegelsignal von 0,9 V, das ein Gas mit 100% Kohlendioxyd darstellt wird dem Kondensator 52 beim Anlegen des Steuersignals am Punkt D an den Schalter 51 zugeführt Wenn dem Kohlendioxyd Luft beigemischt wird, dann nimmt das Brückenausgangssi-

gnal auf einem Punkt zwischen 0,9 V und 1 V zu. Schließlich ist das Brückenausgangssignal wieder 1 V, wenn kein Kohlendioxyd mehr in der Luft vorhanden ist Die Kurven in F i g. 4 stellen dies dar.

In ähnlicher Weise werden, wenn das Gasgemisch sich von Luft auf Kohlendioxyd ändert die Kurven in F i g. 5 erhalten.

Der Gasanalysator nach F i g. 2 liefert ein Meßsignal, das dem Verbraucher 60 zugeführt werden kann.

Der Verbraucher kann beispielsweise ein Meßgerät sein, das zur laufenden Anzeige des Prozentsatzes an Kohlendioxyd in dem Kohlendioxyd-Luftgemisch geeicht ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Gasgemisches aus zwei bekannten Gaskomponenten und Anwendung dieses Verfahrens zur Konzentrationsbestimmung und Ausschaltung des Wärmeleitfähigkeitseinflusses bei der Geschwindigkeitsmessung des Gasgemisches mittels eines Hitzdrahtanemometers, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas intermittierend in einem Kanal in einer Richtung strömt und über Fühler eines Meßwandlers in Abhängigkeit von einem Bezugspegel erzeugte Brückenausgangssignale im strömungsfreien Intervall ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit und im Strömungs-Intervall ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit und die Strömungsgeschwindigkeit sind.

2. Gasanalysator zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kanal (10) für die Strömung des zu messenden Gases in einer Richtung, wobei die Strömungs- und Strömungsfreien-Intervalle abwechseln, einen Meßwandler (20) mit in dem Kanal angeordneten Fühler (13) und Kompensationsfühler (14), die während des Strömungs-Intervalls des Gases ein der Strömungsgeschwindigkeit und der Wärmeleitfähigkeit entsprechendes und während des Strömungsfreien-Intervalls ein der Wärmeleitfähigkeit entsprechendes Brückenausgangssignal erzeugen, eine Logik- und Zeitgeberschaltung (22) zur Erzeugung eines Steuersignals am Ende jedes Strömungs-Intervalls und eine Proben- und Halteschaltung (21) zur Ermittlung des Meßwertes.

3. Gasanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Steuersignal erzeugende Logik- und Zeitgeberschaltung (22) eine Gleichstromriickstellschaltung (33), eine Detektorschaltung und einen monostabilen Multivibrator (43) aufweist, und das Steuersignal bei einer Veränderung des Pegels am Ausgang eines Differentialverstärkers (46) erzeugt.

4. Gasanalysator nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersigna! des Multivibrators (43) um ein gewähltes Zeitintervall nach der Änderung des Pegels des Ausgangs aus dem Differentialverstärker (40) verzögert wird.

5. Gasanalysator nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Proben- und Halteschaltung (21) einen steuerbaren Schalter (51), der auf das so Steuersignal anspricht, einen Kondensator (52) zur Speicherung des Brückenausgangssignals am Ausgang des Meßwandlers (20) in dem Strömungsfreien-Intervall und einen Trennverstärker (54) von hoher Impedanz zur Kopplung des Signals über den Kondensator (52) zu einem Verbraucher umfaßt

6. Gasanalysator nach Anspruch 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Anzeige der Zusammensetzung des Gases, die durch das Brückenausgangssignal während jedes Strömungs- < >o freien-Intervalls dargestellt wird.