DE2952137B1 - Sensor for measuring heat conduction in gases - Google Patents

Sensor for measuring heat conduction in gases

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Description

Der Temperaturmeßdraht integriert über seine gesamte Länge die örtliche Gastemperatur und stellt mit seinem Widerstand ein Signal zur Verfügung, das nun unabhängig von Konvektionsstörungen ist, die parallel zu der durch die Meßdrahtschlaufe gehenden Ebene verlaufen. Konvektionsstörungen führen zu Verzerrungen der den Heizdraht umgebenden »Wärmewolke«. Zum Beispiel wird bei einem plötzlichen Stoß die Gastemperatur links vom Heizelement größer und dafür rechts vom Heizelement gleichartig geringer. The temperature measuring wire integrates the local one over its entire length Gas temperature and provides a signal with its resistance that now is independent of convection disturbances that are parallel to that caused by the measuring wire loop going level. Convection disturbances lead to distortion of the heating wire surrounding »heat cloud«. For example, when there is a sudden shock, the gas temperature becomes larger to the left of the heating element and similar to the right of the heating element less.

Da der Temperaturmeßdraht über beide Seiten integriert, kompensiert sich die Temperaturstörung.Since the temperature measuring wire is integrated on both sides, compensates the temperature disturbance.

Durch eine »spaltförmige« Abgrenzung des Raumes V also eine Form, bei der der Raum in der Richtung senkrecht zur Ebene der Meßdrahtschlaufe wesentlich kleiner als in den beiden andercn Richtungen ist, kann erreicht werden, daß Konvektionsströmungen nur weitgehend parallel zu den in A b b. 2 gezeigten Spaltwänden 8 und 10 erfolgen können und somit die beschreibende Kompensation voll wirksam wird. Für evtL Strömungen senkrecht zur Spaltbegrenzung würde die Kompensation nicht mehr voll wirken. Die Spalthöhe h liegt günstigerweise zwischen 0,3 und 0,6 mm. Through a »gap-like« demarcation of space V, a form in which the space in the direction perpendicular to the level of the measuring wire loop is essential is smaller than in the other two directions, convection currents can be achieved only largely parallel to those in A b b. 2 gap walls 8 and 10 shown and thus the descriptive compensation is fully effective. For any currents The compensation would no longer have a full effect perpendicular to the gap delimitation. the The gap height h is advantageously between 0.3 and 0.6 mm.

Um eine von Gasströmungen unbeeinflußte Temperaturmessung im Gas durchführen zu können, muß der Temperaturmeßdraht örtlich gleiche Temperatur wie das umgebende Gas haben. Eine Übertemperatur des Temperaturmeßdrahtes würde sofort einen strömungsabhängigen Einfluß auf die Temperaturmessung erzeugen, da die Übertemperatur naturgemäß vom Wärmeübergangswiderstand abhängt. Eine Temperaturmessung ohne Übertemperatur bedeutet bei der in der Gasanalyse üblichen Kleinheit der Fühlergebilde eine sehr geringe Meßleistung. A temperature measurement in the gas that is not influenced by gas flows To be able to perform, the temperature measuring wire must be locally the same temperature as have the surrounding gas. An overtemperature of the temperature measuring wire would immediately generate a flow-dependent influence on the temperature measurement, since the overtemperature naturally depends on the heat transfer resistance. A temperature measurement without overtemperature means a very small size of the sensor structure, which is usual in gas analysis low measuring performance.

Um bei der geringen Meßleistung eine ausreichende Stabilität aer Anlage zu erreichen, ist eine Umsetzung der z. B. temperaturabhängigen Widerstandsmessung des Temperaturfühlers in eine Wechselspannung unbedingt erforderlich, um das Meßsignal von ständig im Meßkreis gegenwärtigen Thermospannungen zu trennen. In order to have sufficient stability at the low measuring power To achieve plant is an implementation of z. B. temperature-dependent resistance measurement of the temperature sensor in an alternating voltage is absolutely necessary to the measuring signal to separate from thermal voltages that are constantly present in the measuring circuit.

A b b. 3 zeigt ein ausgeführtes Beispiel einer Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle. Der Aufbau der Meßzelle ist in »Sandwich«-Weise durchgeführt. Eine Bodenplatte 8 aus Keramik bildet den unteren Abschluß. Der spaltförmige Raum V(nicht besonders gekennzeichnet) wird von dem keramischen Formenteil 9 gebildet. Eine Deckplatte 10 vervollständigt das Meßgehäuse. Über die Öffnung 11 der Deckplatte 10, eine dieser Öffnung entsprechende Aussparung (13) im Formteil q und einen diese Aussparung mit dem Raum Vverbindenden Kanal (14) steht der Raum V mit der äußeren Umgebung der Meßzelle in Verbindung. Die Spalthöhe hdes Raumes V beträgt ca. 0,5 mm, die Breite b ca. 0,6 mm. Die Tiefe t beträgt im ausgeführten Beispiel ca. 1.5 mm. Das Formteil weist weiterhin den mit dem Raum V in Verbindung stehenden Raum 7 auf, der zur Handhabung der Kontaktierungen der Zuleltungen mit dem Heiz-und Meßdraht benötigt wird und günstig so klein wie möglich ausgeführt werden soll, um unnütze Gashohlräume zu vermeiden. Die Teile 8 bis 10 sind mit Gaslot bei Temperaturen über 500° C verschmolzen. A b b. 3 shows an exemplary embodiment of a thermal conductivity measuring cell. The construction of the measuring cell is carried out in a "sandwich" manner. A base plate 8 made of ceramic forms the lower end. The gap-shaped space V (not particularly marked) is formed by the ceramic mold part 9. A cover plate 10 completes the measuring housing. Via the opening 11 of the cover plate 10, one of these Opening corresponding recess (13) in the molded part q and one with this recess the space V-connecting channel (14) is the space V with the external environment of the Measuring cell in connection. The gap height h of the space V is approx. 0.5 mm, the width b approx. 0.6 mm. In the example shown, the depth t is approx. 1.5 mm. The molding furthermore has the space 7 which is in communication with the space V and is used for handling the contacting of the supply lines with the heating and measuring wire is required and should be made as small as possible to avoid useless gas cavities avoid. Parts 8 to 10 are fused with gas solder at temperatures above 500 ° C.

In dem Raum Vwird als Heizelement ein Heizdraht 1 schlaufenförmig zwischen 2 Elektroden 3 und 4 gehalten. Der Durchmesser des Heizdrahtes beträgt z. B. 10 Zm. Parallel zu Heizdraht 1 wird zwischen den Anschlüssen 5 und 6 der Temperaturmeßdraht 2 angeordnet. In the space V, a heating wire 1 is looped as a heating element held between 2 electrodes 3 and 4. The diameter of the heating wire is z. B. 10 cm. In parallel with heating wire 1, the temperature measuring wire is inserted between connections 5 and 6 2 arranged.

Der Durchmesser des Temperaturmeßdrahtes im ausgeführten Beispiel beträgt ca. 10 leim. Der Abstand des Temperaturmeßdrahtes vom Heizdraht beträgt auf der ganzen Drahtlänge ca. 0,1 mm. Die Elektroden 3 bis 6 werden in nicht dargestellten Schlitzen zwischen der Bodenplatte 8 und dem Formteil 9 eingeschmolzen unter Verwendung eines Gaslotes. The diameter of the temperature measuring wire in the example is about 10 glue. The distance between the temperature measuring wire and the heating wire is 0.1 mm over the entire length of the wire. The electrodes 3 to 6 are not shown in FIG Slits between the base plate 8 and the molded part 9 melted using a gas solder.

Die Messung der Wärmeleitfähigkeit selbst erfolgt durch Widerstandsmessung in an sich bekannter Weise. The measurement of the thermal conductivity itself is carried out by measuring the resistance in a manner known per se.

Vorzugsweise erfolgt die Messung über 2 unabhängige Meßsysteme, wobei die beiden Meßdrähte die zwei Zweige einer Brückenschaltung bilder und die Brücke mit Rechteckwechselspannung gespeist wird.The measurement is preferably carried out using 2 independent measuring systems, with the two measuring wires represent the two branches of a bridge circuit and the bridge is fed with square wave alternating voltage.

Claims (5)

Patentansprüche: 1. Fühler zur Messung der Wärmeleitung in Gasen, mit einem in einem spaltförmigen Meßraum angeordneten elektrisch erwärmten Heizkörper, dadurch gekennzeichnet. daß die Seitenwände (12) des Meßraums einen geringen Abstand zum Heizkörper (1) aufweisen und um den Heizkörper (1) ein Temperaturmeßdraht (2) angeordnet ist, der zum Heizkörper auf seiner gesamten Länge einen möglichst gleichen, geringen Abstand hat, den Heizkörper auf mindestens zwei sich gegenüberliegenden Seiten umschlingt und in einer zu den Spaltwänden (8, 10) parallelen Ebene angeordnet ist. Claims: 1. Sensor for measuring the heat conduction in gases, with an electrically heated heating element arranged in a gap-shaped measuring space, characterized. that the side walls (12) of the measuring space a small distance to the radiator (1) and around the radiator (1) a temperature measuring wire (2) is arranged, which is as similar as possible to the radiator over its entire length, close the radiator on at least two opposite one another Wraps around sides and arranged in a plane parallel to the gap walls (8, 10) is. 2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (1) ein U-förmig gebogener Draht ist und der Meßdraht (2) ebenfalls U-förmig im gleichen Sinne um den Heizdraht (1) bei gleichförmigem Abstand angeordnet ist. 2. Sensor according to claim 1, characterized in that the radiator (1) is a U-shaped bent wire and the measuring wire (2) is also U-shaped in the the same sense around the heating wire (1) is arranged at a uniform distance. 3. Fühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrom für die Widerstandsbestimmung des Temperaturmeßdrahtes so klein ist, daß sich keine störende Eigenerwärmung des Meßdrahtes ergibt. 3. Sensor according to claim 1 and 2, characterized in that the The measuring current for determining the resistance of the temperature measuring wire is so small that there is no disturbing self-heating of the measuring wire. 4. Fühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturmeßdraht (2) mit Wechselstrom beaufschlagt ist. 4. Sensor according to claim 3, characterized in that the temperature measuring wire (2) is supplied with alternating current. 5. Fühler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da3 zwei unabhängige Meßsysteme für eine Wärmeleitungsdifferenzmessung vorgesehen sind und beide Temperaturmeßdrähte (2) Zweige einer Brückenschaltung bilden, die mit einer Rechteckwechselspanriung gespeist wird. 5. Sensor according to claim 1 to 4, characterized in that there are two independent measuring systems are provided for a thermal conduction difference measurement and both temperature measuring wires (2) form branches of a bridge circuit, which with a Rectangular alternating voltage is fed. Die Erfindung betrifft einen Fühler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a sensor according to the preamble of the claim 1. Die Analyse von Gasen über die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit der Gase oder Gasmischungen ist ein über 90 Jahre altes Verfahren und dementsprechend in vielfältigster Bauart in der Betriebsmeßtechnik verwendet worden. Auch heute ist bei einer beachtlichen Zahl von Anwendungen die Gasanalyse mit Wärmeleitfähigkeitsdetektoren hochaktuell. Die am Markt erhältlichen Wärmeleitfähigkeitsdetektoren haben jedoch beachtliche Schwächen, die besonders dann in Erscheinung treten, wenn ein Prozeß über die Gasanalysemessung geregelt werden soll. Die Schwächen der bekannten Geräte liegen besonders in der langsamen Anzeige und der Abhängigkeit der Anzeige von der Durchflußmenge. Beide Einflüsse sind miteinander verknüpft und lassen sich nur durch Kompromisse einzeln verbessern. The analysis of gases via the determination of the thermal conductivity of gases or gas mixtures is a process that is over 90 years old and accordingly has been used in a wide variety of designs in industrial measurement technology. Today as well is gas analysis with thermal conductivity detectors in a considerable number of applications highly topical. However, the thermal conductivity detectors available on the market have considerable weaknesses that appear especially when a trial should be controlled via the gas analysis measurement. The weaknesses of the known devices are especially in the slow display and the dependency of the display on the Flow rate. Both influences are linked and only let through Improve compromises one at a time. Der allgemein übliche Aufbau zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen ist derartig, daß man einem in dem unbekannten Gas möglichst frei aufgehängten, heizbaren Körper, meist einem Heizdraht oder einem Heißleitergebilde, eine bestimmte elektrische Heizleistung zuführt. Die mit dieser Leistung erzielte Temperatur des geheizten Körpers ist ein Maß für die Wärmeleiteigenschaft des Gases. The common setup for measuring the thermal conductivity of Gases is such that one is suspended as freely as possible in the unknown gas, heatable body, usually a heating wire or a thermistor structure, a certain supplies electrical heating power. The temperature of the achieved with this performance heated body is a measure of the thermal conductivity of the gas. Hat das Gas gute Wärmeleiteigenschaften, so wird der Körper stärker abgekühlt als von einem Gas mit schlechter Wärmeleitung. If the gas has good thermal conductivity properties, the body becomes stronger cooled than by a gas with poor heat conduction. Die Temperatur des geheizten Körpers wird üblicherweise mit dem selben Bauteil gemessen, mit dem auch die elektrische Heizleistung umgesetzt wird. Besteht z. B. der geheizte Körper aus einem dünnen Metalldraht oder einer Metallwendel mit einem endlichen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, so ist dieser Widerstand ein Maß für die Drahttemperatur. The temperature of the heated body is usually the same Component measured with which the electrical heating power is also implemented. Consists z. B. the heated body made of a thin metal wire or a metal coil with a finite temperature coefficient of the electrical resistance, then this is Resistance is a measure of wire temperature. Mit einer üblichen Meßbrückenschaltung läßt sich die Drahttemperatur und damit die Wärmeleiteigenschaft des Gases bestimmen.The wire temperature can be measured with a conventional measuring bridge circuit and thus determine the thermal conductivity of the gas. In der Praxis zeigen sich jedoch störende Nebeneinflüsse. So ist Wärmeabfuhr am geheizten Körper nicht nur von der Wärmeleiteigenschaft des Gases abhängig, sondern auch von den Konvektionsbedingungen innerhalb des Gases. Strömt das Gas in irgend einer Weise am heißen Körper vorbei, so bedeutet dies zusätzlichen Wärmetransport und täuscht somit eine Wärmeleitungsänderung vor. In practice, however, there are disruptive side effects. So is Heat dissipation on the heated body is not only due to the thermal conductivity of the gas but also on the convection conditions within the gas. Flows the gas in some way bypasses the hot body, so this means additional Heat transport and thus simulates a change in heat conduction. Um die Wärmeleitfähigkeit mit ausreichender Genauigkeit feststellen zu können, muß eine evtL vorhandene Gaskonvektion stabil und ungestört sein. To determine the thermal conductivity with sufficient accuracy To be able to do so, any gas convection that may be present must be stable and undisturbed. Das erklärt die Schwierigkeit, die bei dem für die Messung nötigen Gaswechsel auftritt. Es werden daher in der Praxis die unterschiedlichsten Strömungs- und Diffusionsanordnungen für den Gaswechsel angewendet. This explains the difficulty involved in the measurement Gas switch occurs. Therefore, in practice, a wide variety of flow and diffusion arrangements used for gas exchange. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anzeigegeschwindigkeit zu erhöhen und die Abhängigkeit der Anzeige von der Durchllußmenge zu beseitigen. The present invention is based on the object of the display speed to increase and to eliminate the dependency of the display on the flow rate. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. This task is given by the characterizing part of claim 1 Features solved. Bei der vorliegenden Erfindung hat die Gaskonvektion prinzipiell keinen Einfluß auf das Meßergebnis. In the present invention, gas convection has in principle no influence on the measurement result. Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Im Raum V (Abb. 1) wird etwa in dessen Mitte der geheizte Körper 1 möglichst weitgehend freitragend angeordnet, um die Wärmeabfuhr nur über aas Gas zu tätigen. Der Raum V kann unterschiedliche Abmessungen aufweisen, doch soll der Abstand der Wand 12 von dem geheizten Körper nach allen Seiten kleiner als 1 mm sein, um freie Konvektion durch thermische Auftriebskräfte zu unterdrücken. Bei größeren Wandabständen wird durch die dann auftretende freie Konvektion ein Rauscheffekt der Anzeige begünstigt, der den kleinstmöglichen Meßbereich für die Wärmeleitfähigkeitsmessung einschränkt. Der Raum V kann z. B. aus rechteckförmig angeordneten Wänden (in A b b. 1 dargestellt) bestehen. Der Temperaturmeßdraht 2 wird in geeignetem Abstand, z. B. 0,1 mm bis 0,2 mm, unter Wahrung eines gleichförmigen Abstandes rund um den geheizten Körper angeordnet. Dem heizbaren Körper wird in bekannter Weise eine definierte elektrische Heizleistung zugeführt. Seine Temperatur ändert sich abhängig von der Wärmeleitung und der Gaskonvektion, die z. B. bei plötzlichen Druck- oder Strömungsänderungen oder auch bei Erschütterungen die Temperatur des heißen Körpers beeinflußt. The invention is illustrated by means of one in the drawings Exemplary embodiment explained in more detail In room V (Fig. 1) is approximately in the middle the heated body 1 is as largely cantilevered as possible in order to dissipate heat only to be done via aas gas. The space V can have different dimensions, however, the distance between the wall 12 and the heated body should be smaller on all sides than 1 mm in order to suppress free convection due to thermal buoyancy forces. If the wall spacing is greater, the free convection that then occurs causes a The noise effect of the display favors the smallest possible measuring range for the Limits thermal conductivity measurement. The room V can, for. B. from rectangular arranged walls (shown in A b b. 1) exist. The temperature measuring wire 2 is at a suitable distance, e.g. B. 0.1 mm to 0.2 mm, while maintaining a uniform Spaced around the heated body. The heatable body is in a defined electrical heating power supplied in a known manner. Its temperature changes depending on the heat conduction and gas convection, the z. B. at sudden Changes in pressure or flow or the temperature of the affects hot body.
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