DE3517240C2 - Vorrichtung zur messtechnischen auswertung von gasen mittels einer auf gasstroemungen ansprechenden messzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur meßtechnischen Auswertung von Gasen und Gasgemischen mittels einer auf Gasströmungen ansprechende Meßzelle, die in einem Strömungskanal angeordnet ist, der diametal 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.

Unter dem Ausdruck "meßtechnische Auswertung" wird die Analyse von Gasen bzw. die Bestimmung von Zusammen­ setzungen von Gasgemischen verstanden. Gasanalysengeräte auf der Basis der Wärmleitfähigkeismessung 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.

Durch die DE-PS 21 56 752 ist es bekannt, daß man die Strömungsempfindlichkeit von Meßzellen für Gasanalysen­ verfahren dadurch beeinflussen kann, daß man die Meßzellen entweder in einem direkt durchströmten Strömungskanal oder in einem nur von einer Teil­ strömung erreichbaren Bypass anordnen kann. Je geringer der Anteil der sogenannten Bypass-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.

In der Praxis ist es erforderlich, stets einen Kompromiß zwischen der Meßgenauigkeit einerseits und der An­ sprechgeschwindigkeit andererseits zu finden. Dies wurde durch einen unterschiedlichen Verlauf der Strömungs­ kanäle zur eigentlichen Meßzelle bzw. zum Sensor er­ zielt, wobei die verschiedenen Variations- und Be­ einflussungsmöglichkeiten in der bereits genannten DE-PS 21 56 752 beschrieben sind. Die einmal vorge­ gebene 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 Zeit­ konstante des Meßgeräts je nach der Art des einge­ setzten Gases auch noch verschieden, und diese Ab­ hängigkeit kann nachträglich überhaupt nicht mehr ausgeglichen werden.

Durch "Ullmanns Encyclopädie der Techn. Chem.", 4. Aufl., Bd. 5, S. 905, ist eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung bekannt, bei der die Längsachse des Strömungskanals und die gemeinsame Achse des auf diametral gegenüber­ liegenden Seiten des Ringskanals angeordneten Einlaß- und Auslaßkanals im rechten Winkel zueinander verlaufen und unter diesem Winkel fest zueinander angeordnet sind. Die Folge ist eine praktisch zu ver­ nachlässigende Querströmung durch den diametralen Strömungskanal und ein langsames Ansprechverhalten der Meßzelle.

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.

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 eine kreisförmige Wand des Ringkanals bildet.

Da hierbei die Bedingung beibehalten wird, daß der diametrale Strömungskanal an beiden Enden in den Ringkanal einmündet, läßt sich lediglich durch Verdrehen des Blocks eine bestimmte Charakteristik des An­ sprechverhaltens 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 α+0 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.

Bei einer Stellung der Kanäle im rechten Winkel zu­ einander, wie dies beim Stande der Technik beschrieben ist, ist die Bypass-Strömung praktisch gleich Null, so daß die Strömungsempfindlichkeit äußerst gering ist, während die Ansprechzeit bzw. Konstante sehr lang ist (Winkel α=90 Grad).

Durch Zwischenstellungen läßt sich ein stufenloser Übergang zwischen den beiden extremen Charakteristika erreichen. Dabei bildet sich je nach der Größe des Winkels eine mehr oder weniger starke Bypass-Strömung aus, die der Meßzelle die gewünschte Charakteristik verleiht.

Es wird in der Detailbeschreibung 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 vorzunehmen, eine Maßnahme, die mit den be­ kannten 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.

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.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Erfindungs­ gegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung der wesentlichen Teile einer vollständigen Vorrichtung,

Fig. 2 teilweise Axialschnitte durch die einzelnen Teile der Vorrichtung, gleichfalls in Explosionsdarstellung,

Fig. 3 eine Draufsicht bzw. einen teilweisen Radialschnitt durch eine vollständige Vorrichtung,

Fig. 4 eine Seitenansicht bzw. einen teilweisen Axialschnitt durch eine vollständige Vorrichtung und

Fig. 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.

In Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 dargestellt, das im wesent­ lichen als Hohlzylinder ausgebildet ist und an diametral gegenüberliegenden Stellen - achsgleich - je einen Einlaßkanal 2 und einen Auslaßkanal 3 aufweist. Das Ge­ häuse 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.

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 (Fig. 3). Beider­ seits 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.

Der drehbare Block 8 ist dabei als Hohlzylinder aus­ geführt, d. h. er besitzt eine zylindrische Bohrung 16, in der sich mindestens eine Meßzelle 17 befindet (Fig. 2 und 3). Durch diese Meßzelle führt ein diametraler Strömungskanal 18 hindurch, der mit seinen beiden Enden in den Ringkanal 11 mündet (siehe auch Fig. 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. kreisringförmige Wände des Ringkanals 11 bildet.

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 Ring­ dichtung 25 eingelegt ist, durch die eine Abdichtung gegenüber der zugehörigen Flanschplatte 23 bewirkt wird. Von der Meßzelle 17 führen Anschlußleitungen 26 zu einer nicht gezeigten Auswerteschaltung.

Fig. 2 zeigt zusätzlich zu Fig. 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 Fig. 1 eine weitere Ringdichtung 26 vorgesehen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Teile nach Fig. 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.

Fig. 3 zeigt eine der möglichen Winkelstellungen zwischen dem diametralen Strömungskanal 18 und der gemeinsamen Achse von Einlaßkanal 2 und Aus­ laßkanal 3, wobei die einzelnen Strömungswege in beiden Umfangsrichtungen durch den Ringkanal 11 miteinander verbunden sind. Wird der drehbare Block 8 aus der in Fig. 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 ge­ meinsamen Achse von Einlaßkanal 2 und Auslaßkanal 3 steht. Wird umgekehrt der Block 8 aus der in Fig. 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.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse Werte für den Winkel "α" gemäß Fig. 3 zwischen 0 Grad und 90 Grad aufgetragen sind. Die linke Ordinate enthält die Zeitkonstante τ 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 τ_z der Meßzelle zurückzuführen ist. Auf der rechten Ordinate ist die Strömungsabhängigkeit in % vom gesamten Meßbereich der Meßzelle aufgetragen. Hierzu gehört die gestrichelte Kurve 28.

Die Kurvendarstellung gemäß Fig. 5 läßt erkennen, daß ein besonders wirksamer Kompromiß bei einem Winkel α zwischen 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 beträgt hierbei etwa 1% vom Meßbereich und weniger. Versucht man, die Strömungs­ abhängigkeit 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 Fig. 5 aufgenommen wurden, betrug der Durchmesser der Trennfuge zwischen Gehäuse 1 und Block 8, mithin also der äußere Durch­ messer des Ringkanals 11, 50 mm.

Als Meßzellen kommen zahlreiche bekannte Meßzellen in Frage. Beispiele solcher Meßzellen sind in folgenden Literaturstellen beschrieben:

- Firmendruckschrift der English Electric Valve Company Ltd. in Chelmsford, Essex, Großbritannien, "Combustible Gas Detector Elements", Juli 1977.

- Aufsatz von A. Schwaier "Festkörpersensoren zur Messung der Gas- und Ionenkonzentration sowie der Feuchte", ver­ öffentlicht in "Regelungstechnische Praxis", 26. Jahrgang, 1984, Heft 7, Seiten 298 bis 301.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur meßtechnischen Auswertung von Gasen und Gasgemischen mittels 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, dadurch gekennzeichnet, daß der diametrale Strömungs­ kanal (18) in einem relativ zum Gehäuse (1) drehbaren Block (8) angeordnet ist, dessen Oberfläche (9) eine kreisförmige Wand des Ringkanals (11) bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) eine zylindrische Bohrung (4) aufweist, und daß der drehbare Block (8) als Hohl­ zylinder mit einer äußeren Ringnut (10) als Ringkanal (11) ausgebildet ist, wobei beiderseits der Ringnut je eine Ringdichtung (14, 15) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (17) im Innenraum des Hohlzylinders untergebracht und über den Hohlzylinder durchdringende Rohrstutzen (18) mit dem Ringkanal (11) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder an beiden Stirnseiten (20, 21) mit Flanschplatten (22, 23) versehen ist, die das Gehäuse (1) zwischen sich aufnehmen, und daß mindestens eine der Flanschplatten (23) lösbar mit dem Hohlzylinder verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Block (8) zusätzlich zur Meßzelle (17) eine Referenzmeßstelle (17a) angeordnet ist, die über einen weiteren diametralen Strömungskanal (18a) und einen weiteren Ringkanal (Ringnut 10a) an einen Einlaßkanal (2a) und einen Auslaßkanal (3a) angeschlossen ist.