DE3046081A1

DE3046081A1 - Akustischer gasanalysator

Info

Publication number: DE3046081A1
Application number: DE19803046081
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl.-Phys. Dr. 7513 Büchig Mayer
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1980-12-06
Filing date: 1980-12-06
Publication date: 1982-07-15
Also published as: DE3046081C2

Description

Akustischer Gasanalysator
Beschreibung: Die Erfindung betrifft einen akustischen Gasanalysator, der kontinuierlich die Zusammensetzung von Gasgemischen bekannter Komponenten mißt, wobei die Meßgröße die Schallgeschwindigkeit des Gemisches ist, die aus der dazu proportionalen Schwingungsfrequenz eines Oszillators ermittelt wird, der beim Durchleiten des Gasstromes die akustische Schwingung erzeugt, welche von der Schwingmembran eines Mikrophons aufnehmbar ist, die beidseitig mit einem Gasdruck beaufschlagt ist.
Das Konzentrationsmeßverfahren mit einem Fluidik-Oszillator ist an sich bekannt und wird industriell (Firma Mahlo GmbH & Co KG, 8424 Saal/Donau) zum Beispiel zur Luftfeuchtigkeitsmessung verwendet. Dieses Gerät benutzt ein Mikrophon,dessen Membran fest mit einem Magneten verbunden ist, welchen eine Magnetspule umgibt (Tauchmagnet). Membran und Magnetsystem werden von dem Meßgas ohne Hindernis umgeben, da das verwendete Meßgas als auch die Einsatzgebiete der Geräte keinerlei Anforderungen an Expo-Sicherung oder Korrosionsbeständigkeit stellen. Bei Verwendung explosiver und/oder korrosiver Gase bzw. Gasgemische, wie z.B.UF5 und H2,Luft oder H, müßten jedoch alle elektrischen und/oder nichtbeständigen Teile vor clies(n Gasgemischen gee,chützt werden, bohne die Wirkungsweise des Mikrophons zu beeinträchtigen. Es gcnüqt hierzu bei diesem bekanllten Gerät zur Erfüllung dieser Forderung aber nicht, lediglich die Schwingmembran vom elektrischen Teil'des Mikrophons räumlich zu trennen.
Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, einen Gasanalysator der oben genannten Art derart auszubilden, daß der Meßkopf vakuumdicht (Leckrate 10 mbar l/s) ist, um das Eindringen von Luft zu vermeiden; es könnten sonst störende Reaktionsprodukte und -im Falle massiver Lufteinbrüche- ein zündfähiges Gasgemisch entstehen, daß der Meßkopf keine mediumberührten elektrischen Bauteile haft, die im Störfall. als ziindquellen infrage kämen und daß der ]orrosionsbeständiqc Meßkopf für eine hohe Nenndruckklasse ausgelegt ist,mfi.t störfallmäßig auftretende erhöhte Drücke nicht zu einem Zerbersten des Geräts und zu einer Gefährdung des- Bedienungspersonals führen können.
Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 wiedergegeben. Die Ansprüche 2 und 3 beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der besondere Vorteil des Gasanalysators mit Fludik-Oszillator besteht darin, daß der Meßkopf eine elektronenstrahl-verschweiß Le Ganzmetallkons trnktion ist, die hohen Decken standhält und auch zur Analyse von heißen Gasen geeignet ist. Da sich Frequenzen mit großer Präzision messen lassen, kann mit dem Analysator eine hohe Meßgenauigkeit erzielt werden. Die Empfindlichkeit hängt von den Molekulargewichten der Gaskomponenten ab und ist überall dort hoch, wo sich diese -wie im Falle von Wasserstoff (Helium) und Uranhexafluorid- stark unterscheiden. Die zum Betrieb des akustischen Gasanalysators notwendige Druckdifferenz wird zum Beispiel beim Trenndüsenverfahren für das Ausgangsyas jeder Trennstufe vom Stufenkompressor selbst aufrechterhalten, für die anderen Fraktionen ist zum Betrieb eine Meßgaspumpe notwendig.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren 1 bis 4 naher erläutert, wobei die Figurenl und 2, zwei um 90° versetzte Längsschnitte durch den Gasanalysator und die Figur 3 eine Aufsicht zeigen, während die Figur 4 eine schematische Darstcllung der Meßanordnung wiedergibt.
Figur 1 zeigt einen' Längsschnitt durch den akustischen Gasanalysator miteinanFluidik-Oszillator 1, der wie eine Pfeife beim Durchleiten eines Gasstromes vom Meßgaseingang 2 zum Meßgas-ausgang (siehe auch Figur 2) zu einer akustischen Schwingung angeregt wird, deren Frequenz zur Schallgeschwindigkeit des Gases annähernd proportional ist. Das Fluidikelement 1 läßt sich durch Rückführungsleitungen 4 und 5 (Resonanzrohre, siehe auch Figur 2 und 3) so beschalten, daß ein astabiler Multivibrator entsteht.
Die Umschaltfrequenz hängt von der Laufzeit der Signale auf den Riickf ührungs le i tungen 4 und 5, somit von deren Länge sowie der Schallgeschwindigkeit des Gajc-isches, ab. Zur Eichung wird die akustische Länge (Verhältnis Schallgeschwindigkeit/Fre«uenz) des Gasanalysators mit einem Gas bekannter Schallgeschwindigkeit gemessen. Der KalibrTzrzustand hängt von der Konstanz des mechanischen Aufbaus ab, was eine Langzeitstabilität garantiert. Zum Betrieb des Oszillators 1 muß zwischen Meßgasein- und ausgang 2 und 3 eine Druckdifferenz von ca. 10 mbar aufrechterhalten werden.
Der Fluidik-Oszillator 1 ist in eine elektronenstrahlverschweißte Ganzmetallkonstruktion 6 fest eingebaut, die hohen Drücken (40 bar) standhält und auch zur Analysc von lleißcn Gasen geeignet ist. Die eine Rückführungsleitung 4 besitzt über eine Bohrung 7 durch die Ganzmetallkonstruktion 6 eine Verbindung zu dem Meßraum 8, in dem die Schwingmembran 9 des pneumoelektrischen Wandlers (mit Magnetjoch 10 und Spulen 11 sowie der Schwingmembran 9 ergeben diese ein Mikrophon) untergebracht ist. Dieser Meßraum 8 wird einerseits von der Ganzmetallkonstruktion 6 als auch mittels einer metallischen Schut-zwand 12 dicht und expo-gesichert vom elektrischen Teil (Spulen 11, Elektronik) des Mikrophons 9,10,11 abgetrennt. Die Schwingmembran 9 aus vernickeltem Weicheisen wird selbst auf einem umlaufenden Rand 13, der Teil der Schutzwand 12 ist, mittels eines flalteringes 14 unter Zwischenlage eines Ringes 15 gehaltert. Dic vom Fluidik-Oszillator 1 erzeugte akustische Schwingung versetzt ihrerseits die Schwingmembran 9 in Schwingungen gleicher Frequenz.
Der elektro-magneti'sche Erregerteil 10,11 des Mikrophons befindet sich in einem vom Meßgasraum 8 abyetrennten Teil 16, der von einem Gehäuse 17 umgeben wird und Halterungen 18 für nicht näher dargestellte Elektronikelemente (Vorverstärker) aufweist. Das Mikrophon ist in einem eigenen Kapselrohr 19 untergebracht, welches jedoch nicht dicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen zu sein braucht.
Zurnäheren Beschreibung des Mikrophons 9 bis 11 wird auf Figur 2 hingewiesen, welche ebenfalls einen Längsschnitt des Gasanalysators zeigt. Das Magnetjoch 10 besitzt zwei Schenkel, auf welche jeweils eine Signalspule 11 aufgesetzt ist, die mit dem elektronischen hU.w(l-lfteil 20 (siehe auch Figur 4) in Verbindung stehen. I)ic Schwingungen in der Schwingmembran 9 erzeugen in den Signalspulen 11 eine Wechselspannung gleicher Frequenz, die dem Vorverstärker zugeleitet wird. Durch die Schutzwand 12 hindurch werden beide Schenkel mit Ver längerungsstücken 21 (aus Weicheisen) versehen, welche auf die Stirnflächen 23 der Schenkel des Magnetjoches 10 aufgesetzt sind und bis in den Meßgasraum 8 zwischen Schwingmembran 9 und Schutzwand 12 reichen. Ihre Stirnflächen 22 werden mit der Schutzwand 12 elektronenstrahlverschweißt. Die Verlängerungsstücke 21 ergänzen das Mikrophon derart, daß der Magnetfluß durch Magnetjoch 10 und Schwingmembran 9 geschlossen wird und die Schwingungen der Membran 9 die Spulen 11 anregen. Der Druckausgleich langsamer Druckänderungen des Gasgemisches auf beiden Seiten der Schwingmembran 9 erfolgt über geeinet dimensionierte Bohrungen 24 , welche vom Meßgasraum 8 zwischen Ganzmetallkonstruktion 6 und Schwingmembran 9 aus den Rand 13 sowie die Halterung 14 umgehen und eine offene Verbindung zum Meßgasraum 8 zwischen Schwingmembran 9 und Schutzwand 12 herstellen.
Die Figur 3 veranschaulicht die Anordnung des Meßgas ein- und ausganges 2 und 3, der beiden Rückführungsleitungen 4 und 5 und der Ganzmetallkonstruktion 6 zum Gehäuseteil 17, von oben gesehen, zueinander.
in Figur 4 ist eine Meßanordnung schematisch dar.gesLt1i( . D.r Druck des Meßgases wird sowohl im Meßgaseingang 2 als auch im Meßgaseingang 3 mittels Druckaufnehmern 25,26 festgestellt und wie das Meßsignal 27 (Wechselspannung) dem digitalen Auswertegerät 20 mit Konzentrationsanzeige 28 zugeführt. Der Temperatureinfluß läßt sich wahlweise durch eine Thermostatisierung des Meßkopfes oder durch rechnerische Korrektur im Auswertegerät 20 eliminieren. Hierzu befindet sich an einer Rückführungsleitung 5 ein Pt-100-Widerstandsthermometer 29.
Leerseite

Claims

Patentansprüche: 0 Akustischer Gasanalysator, der kontinuierlich die Zusammensetzung von Gasgemischen bekannter Komponenten mißt, wobei die Meßgröße die Schallqeschwindigkeit des Gemisches ist, die aus der dazu ploportiolwal Schwingungsfreguenz eines OszillaLors ermittelt wird, der beim Durchleiten des Gasstromes die akustische Schwingung erzeugt, welche von der Schwingmembran eines Mikrophons aufnehmbar ist, die beidseitig mit einem Gasdruck beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingmembran (9) des Mikrophons (9-11) vom elektromagnetischen Teil (17) mittels einer Schutzwand (12) räumlich dicht getrennt ist und daß der elektromagnetische Teil (10) 11) des Mikrophons ein Magnetjoch (10) mit Aufnahmespulen (11) aufweist, dessen beide Schenkel mit dicht durch die Schutzwand (12) hindurchreichenden Verlängerungsstücken (21) versehen sind.
2. Akustischer Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingmembran (9) auf einem umlaufenden Rand (13) aufliegt, der auf der Schutzwand (12) angeordnet ist, und daß der Raum zwischen Schwingmembran (9) und der Schutzwand (12) mit Ausgleichsleitungen (24) versehen ist, derart, daß ein Druckausgleich auf beiden Seiten der Schwingmembran (9) entsteht.
3. Akustischer Gasanalysator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungsstücke (21) aus Weicheisen bestehen, welche auf den Stirnflächen (23) der Schenkel des Magnetjoches (10) aufliegen und auf der der Schwingmembran(9) zugekehrten Seite der Schutzwand (12) mit dieser dicht verschweißt sind.