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Vorrichtung zur meßtechnischen Auswertung von
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Gasen mittels mindestens einer auf Gasströmungen ansprechenden Meßzelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur meßtechnischen Auswertung von Gasen
und Gasgemischen mittels mindestens einer auf Gasströmungen ansprechenden Meßzelle,
die in einem Strömungskanal angeordnet ist, der diametral zu einem in einem Gehäuse
angeordneten Ringkanal verläuft und an beiden Enden in diesen einmündet, wobei der
Ringkanal seinerseits auf diametral gegenüberliegenden Seiten mit je einem Einlaßkanal
und einem Auslaßkanal versehen ist.
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Unter dem Ausdruck "meßtechnische Auswertung" wird die Analyse von
Gasen bzw. die Bestimmung von Zusammensetzungen von Gasgemischen verstanden. Gasanalysenqeräte
auf der Basis der WärmleitfShigkeitsmessung sind beispielhaft in der DE-PS 21 56
752 beschrieben. In Frage kommt aber auch die Anwendung bei sogenannten Massendurchflußmessern,
wie sie beispielhaft in der DE-OS 33 02 080 beschrieben sind.
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Durch die DE-PS 21 56 752 ist es bekannt, daß man die Strömungsempfindlichkeit
von Meßzellen für Gasanalysenverfahren dadurch beeinflussen kann, daß man die Meßzellen
entweder in einem direkt durchströmten Strömungskanal oder in einem nur von einer
Teilströmung erreichbaren By-Pass anordnen kann. Je geringer der Anteil der sogenannten
By-Pass-Strömung ist, um so weniger wird das Meßergebnis durch die Strömungsgeschwindigkeit
beeinflußt. Dies wird jedoch mit entsprechend langen Ansprechzeiten erkauft, die
durch die geringe Geschwindigkeit des Gasaustauschs bedingt ist. Die Forderungen
nach einer hohen Meßgenauigkeit einerseits und einer hohen Ansprechgeschwindigkeit
andererseits stehen sich infolgedessen diametral entgegen.
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In der Praxis ist es erforderlich, stets einen Kompromiß zwischen
der Meßgenauigkeit einerseits und der Ansprechgeschwindigkeit andererseits zu finden.
Dies wurde durch einen unterschiedlichen Verlauf der Strömungskanäle zur eigentlichen
Meßzelle; bzw. zum Sensor er-
zielt, wobei die verschiedenen Variations-
und Beeinflussungsmöglichkeiten in der bereits genannten DE-PS 21 56 752 beschrieben
sind. Die einmal vorgegebene Charakteristik einer solchen Meßzelle ist jedoch nachträglich
nicht mehr beeinflußbar, und insbesondere sind Abweichungen im Ansprechverhalten
durch Toleranzen bei der Herstellung der Strömungskanäle (durch mechanische Bohrvorgänge)
durch die Beeinflussung der Strömung praktisch nicht mehr und durch elektrische
Maßnahmen bei der Signalauswertung nur mit sehr großem Aufwand und innerhalb enger
Grenzen zu kompensieren. Außerdem ist die Zeitkonstante des Meßgeräts je nach der
Art des eingesetzten Gases auch noch verschieden, und diese Abhängigkeit kann nachträglich
überhaupt nicht mehr ausgeglichen werden.
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Durch "Ullmann's Encyclopädie der Techn. Chem.", 4. Aufl., Bd. 5,
S. 891 ist eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung bekannt, bei der
die Längsachse des Strömungskanals und die gemeinsame Achse des auf diametral gegenüberliegenden
Seiten des Ringkanals angeordneten Einlaß- und Auslaßkanals im rechten Winkel zueinander
verlaufen und unter diesem Winkel fest zueinander angeordnet sind. Die Folge ist
eine praktisch zu vernachlässigende Querströmung durch den diametralen Strömungskanal
und ein langsames Ansprechverhalten
der Meßzelle.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, die auf praktisch beliebige Verhältnisse
von Meßgenauigkeit einerseits und Ansprechgeschwindigkeit andererseits einstellbar
ist, die eine nachträgliche Veränderung dieser Einstellung ebenso ermöglicht, wie
die genaue Justierung der Strömungsverhältnisse.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen
Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch, daß der diametrale Strömungskanal in einem
relativ zum Gehäuse drehbaren Block angeordnet ist, dessen Oberfläche mindestens
eine kreisförmige Wand des Ringkanals bildet.
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Da hierbei die Bedingung beibehalten wird, daß der diametrale Strömungskanal
an beiden Enden dn den Ringkanal einmündet, läßt sich lediglich durch Verdrehen
des Blocks eine bestimmte Charakteristik des Ansprechverhaltens der Meßzelle einstellen
und justieren. Die relative Winkelstellung stellt hierbei ein Maß für den durch
den diametralen Strömungskanal geleiteten Strömungsanteil dar. Bei geradliniger
Verbindung von Einlaß- und Auslaßkanal durch den diametralen Strömungskanal (Winkel
dx = O Grad) verläuft die Strömung geradlinig und unmittelbar durch die Meßzelle,
so daß die Strömungsabhängigkeit sehr
groß ist, während die Ansprechzeit
bzw. Zeitkonstante kleinstmöglich ist und nur durch die Zeitkonstante der Meßzelle
bzw. des Sensors selbst bestimmt wird.
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Bei einer Stellung der Kanäle im rechten Winkel zueinander, wie dies
beim Stande der Technik beschrieben ist, ist die By-Pass-Strömung praktisch gleich
Null, so daß die Strömungsempfindlichkeit äußerst gering ist, während die Ansprechzeit
bzw. Konstante sehr lang ist (Winkel ob = 90 Grad).
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Durch Zwischenstellungen läßt sich ein stufenloser Obergang zwischen
den beiden extremen Charakteristika erreichen. Dabei bildet sich je nach der Größe
des Winkels eine mehr oder weniger starke By-Pass-Strömung aus, die der Meßzelle
die gewünschte Charakteristik verleiht.
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Es wird in der Detail beschreibung anhand eines Diagramms noch aufgezeigt
werden, auf welche Weise eine Optimierung der Einstellung möglich ist. Es ist dabei
insbesondere auch möglich, eine Einstellung bzw. Verstellung des Meßbereichs wrzunehmen,
eine Maßnahme, die mit den bekannten Vorrichtungen nicht möglich ist. Dabei ist
eine Verstellung des Meßbereichs etwa bis zum Verhältnis 1:10 möglich, so daß auch
unterschiedliche Skalenteilungen für die einzelnen Meßbereiche zum Einsatz gebracht
werden können. Die Verstellung des Meßbereichs ist dabei auf sehr einfache Weise
möglich, und es kann durch eine
Indexierung bzw. durch Anschläge
an dem drehbaren Block eine gezielte Meßbereichsverstellung erreicht werden.
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Es ist dabei auch möglich, in dem drehbaren Block in Richtung der
Drehachse übereinander zwei oder mehr Meßzellen anzuordnen, deren diametrale Strömungskanäle
parallel zueinander verlaufen. Jedem dieser Strömungskanäle ist alsdann ein eigener
Ringkanal mit Einlaß- und Auslaßkanal zugeordnet, wobei auch die Einlaß- und Auslaßkanäle
parallel zueinander verlaufen. Es ist bei einer solchen Anordnung möglich, eine
der Meßzellen für die Durchleitung eines Referenzgases oder Gasgemischs zu verwenden,
um eine relative meßtechnische Auswertung zu ermöglichen.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend
anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung der
wesentlichen Teile einer vollständigen Vorrichtung, Figur 2 teilweise Axialschnitte
durch die einzelnen Teile der Vorrichtung, gleichfalls in Explosionsdarstellung,
Figur
3 eine Draufsicht bzw. einen teilweisen Radialschnitt durch eine vollständige Vorrichtung,
Figur 4 eine Seitenansicht bzw. einen teilweisen Axialschnitt durch eine vollständige
Vorrichtung und Figur 5 eine grafische Darstellung der Zeitkonstante und der Strömungsabhängigkeit
der Meßzelle in Abhängigkeit von der Winkelstellung des diametralen Strömungskanals
zur gemeinsamen Achse von Einlaß- und Auslaßkanal.
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In Figur 1 ist ein Gehäuse 1 dargestellt, das im wesentlichen als
Hohl zylinder ausgebildet ist und an diametral gegenüberliegenden Stellen - achsgleich
- je einen Einlaßkanal 2 und einen Auslaßkanal 3 aufweist. Das Gehäuse besitzt eine
zylindrische Bohrung 4, die zur Erleichterung der Montage eine konische Anfasung
5 aufweist. Das Gehäuse 1 ist weiterhin von parallelen und ebenen Stirnflächen 6
bzw. 7 begrenzt.
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In das Gehäuse 1 ist ein drehbarer Block 8 einsetzbar, der eine im
wesentlichen zylindrische Außenfläche 9 besitzt. In diese ist eine vollständig umlaufende
Ringnut 10 eingestochen, die nach dem Einsetzen des Blocks 8 in das Gehäuse 1 zusammen
mit dessen zylindrischer Bohrung 4 einen Ringkanal 11 bildet (Figur 3). Beiderseits
der Ringnut 10 befindet sich in der Zylinderfläche 9
je eine weitere
Ringnut 12 bzw. 13, in die je eine Ringdichtung 14 bzw. 15 eingelegt ist. Dadurch
wird der Ringkanal 11 nach beiden Seiten hin gegenüber dem Gehäuse 1 zuverlässig
abgedichtet.
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Der drehbare Block 8 ist dabei als Hohlzylinder ausgeführt, d.h. er
besitzt eine zylindrische Bohrung 16, in der sich mindestens eine Meßzelle 17 befindet
(Figuren 2 und 3). Durch diese Meßzelle führt ein diametraler Strömungskanal 18
hindurch, der mit seinen beiden Enden in den Ringkanal 11 mündet.
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(siehe auch Figur 3). Der diametrale Strömungskanal 18 wird dabei
durch zwei Rohrstutzen 19 gebildet, deren Enden den als Hohlzylinder ausgebildeten
drehbaren Block 8 durchdringen, und zwar derart, daß der Strömungskanal an beiden
Enden in die Ringnut 10 bzw. in den Ringkanal 11 einmündet. Es ist erkennbar, daß
die Oberfläche 9 des Blocks 8 durch das Vorhandensein der Ringnut 10 drei kreisförmige
bzw. kreisrngförmige Wände des Ringkanals 11 bildet.
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Zur Festlegung des den Block 8 bildenden Hohlzylinders ist dieser
an seinen beiden Stirnseiten 20 und 21 mit je einer radial überstehenden kreisförmigen
Flanschplatte 22 bzw. 23 versehen, die das Gehäuse 1 an den Stirnflächen 6 und 7
zwischen sich aufnehmen, wobei die beiden Flanschplatten über Schrauben 24 lösbar
mit dem Hohlzylinder verbunden sind. Mindestens in der
unteren
Stirnseite 21 des Hohlzylinders befindet sich noch eine weitere Ringnut, in die
eine weitere Ringdichtung 25 eingelegt ist, durch die eine Abdichtung gegenüber
derzugehörigen Flanschplatte 23 bewirkt wird. Von der Meßzelle 17 führen Anschlußleitungen
26 zu einer nicht gezeigten Auswerteschaltung.
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Figur 2 zeigt zusätzlich zu Figur 1, daß in dem Block 8 zusätzlich
zur Meßzelle 17 noch eine weitere Meßzelle 17a angeordnet ist, die zur Bildung eines
Referenzwertes dient. Diese Meßzelle 17a mündet über einen weiteren diametralen
Strömungskanal 18a an deren beiden Enden in eine weitere Ringnut 10a, wobei die
beiden Strömungskanäle 18 und 18a parallel zueinander verlaufen. Auf der Höhe der
Ringnut 10a sind auf diametral gegenüberliegenden Seiten je ein weiterer Einlaßkanal
2a und ein weiterer Auslaßkanal 3a angeordnet, wobei zwischen den Einlaßkanälen
2 und 2a und den Auslaßkanälen 3 und 3a gleichfalls Parallelität gegeben ist. Um
hierbei zwei vollkommen gegeneinander abgedichtete Ringnuten 10 und 10a zu erhalten,
ist gegenüber Figur 1 eine weitere Ringdichtung 26 vorgesehen.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen die Teile nach Figur 2 in montiertem Zustand
mit Ausnahme jedenfalls der Flanschplatte 23 und der Schraube 24, die noch nicht
mit den übrigen Teilen der Vorrichtung verbunden sind.
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Figur 3 zeigt eine der möglichen Winkelstellungen zwischen dem diametralen
Strömungskanal 18 und der gemeinsamen Achse von Einlaßkanal 2 und Auslaßkanal 3,
wobei die einzelnen Strömungswege in beiden Umfangsrichtungen durch den Ringkanal
11 miteinander verbunden sind. Wird der drehbare Block 8 aus der in Figur 3 gezeigten
Stellung entgegen dem Uhrzeigersinn verdreht, so nimmt derjenige Strömungsanteil,
der durch den diametralen Strömungskanal 8 hindurchgeht, allmählich ab bis zu einem
Minimalwert, der praktisch bei Null liegt, wenn die Achse des Strömungskanals 8
senkrecht zur gemeinsamen Achse von Einlaßkanal 2 und Auslaßkanal 3 steht. Wird
umgekehrt der Block 8 aus derin Figur 3 gezeigten Stellung im Uhrzeigersinne verdreht,
so nimmt der durch den Strömungskanal 18 hindurchgehende Strömungsanteil zu, bis
er bei fluchtender Stellung von Einlaßkanal 2, Strömungskanal 18 und Auslaßkanal
3 ein Maximum erreicht.
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Figur 5 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse Werte für den Winkel
"O(i" gemäß Figur 3 zwischen 0 Grad und 90 Grad aufgetragen sind. Die linke Ordinate
enthält die Zeitkonstante q in Sekunden. Hierzu gehört die durchgehende Kurve 27.
Diese Kurve berührt nicht die Abszisse; vielmehr bleibt ein Abstand von beispielhaft
zwei Sekunden bestehen, die auf die Zeitkonstante CCL
der Meßzelle
zurückzuführen ist. Auf der rechten Ordinate ist die Strömungsabhängigkeit in %
vom gesamten Meßbereich der Meßzelle aufgetragen. Hierzu gehört die gestrichelte
Kurve 28.
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Die Kurvendarstellung gemäß Figur 5 läßt erkennen, daß ein besonders
wirksamer Kompromiß bei einem Winkelckozwischen etwa 25 und 40 Grad besteht. In
diesem Fall sind sowohl die Zeitkonstante als auch die Strömungsabhängigkeit außerordentlich
gering, was für die meisten Anwendungsfälle ein optimaler Kompromiß sein dürfte.
Die Zeitkonstante läßt sich im Hinblick auf die Charakteristik der verwendeten Meßzelle
praktisch nicht mehr verringern, und die Strömungsabhängigkeit betragt hierbei etwa
1 % vom Meßbereich und weniger. Versucht man, die Strömungsabhängigkeit noch weiter
zu verringern, so muß dies durch eine mehrfach verlängerte Zeitkonstante des gesamten
Systems in Kauf genommen werden. Die Tatsache, daß gemäß der Kurve 27 die Zeitkonstante
nicht auf noch größere Werte ansteigt, ist auf die begrenzte Länge der Strömungswege
in Verbindung mit Diffusionsvorgängen im Gas zurückzuführen. Bei der Vorrichtung,
mit der die Kurven nach Figur 5 aufgenommen wurden, betrugt der Durchmesser der
Trennfuge zwischen Gehäuse 1 und Block 8, mithin also der äußere Durchmesser des
Ringkanals 11, 50 mm.
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Als Meßzellen kommen zahlreiche bekannte Meßzellen in Frage. Beispiele
solcher Meßzellen sind in folgenden Literaturstellen beschrieben: - Firmendruckschrift
der English Electric Valve Company Ltd.
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in Chelmsford, Essex, Großbritannien "Combustible Gas Detector Elements",
Juli 1977 - Aufsatz von A. Schwaier "Festkörpersensoren zur Messung der Gas- und
Ionenkonzentration sowie der Feuchte", veröffentlicht in "Regelungstechnische Praxis",
26. Jahrgang, 1984, Heft 7, Seiten 298 bis 301.
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