DE69020343T2

DE69020343T2 - Pseudokontinuierliches verfahren zum abfragen eines detektors für oxydierbares gas.

Info

Publication number: DE69020343T2
Application number: DE69020343T
Authority: DE
Inventors: Antoinette Accorsi; Marc Kazmierczak; Andree Wattier
Original assignee: INST NAT ENVIRONNEMENT IND
Current assignee: INST NAT ENVIRONNEMENT IND
Priority date: 1989-04-06
Filing date: 1990-04-05
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2010-04-06
Also published as: ES2073570T3; FR2645646B1; ATE124139T1; CA2049330A1; FR2645646A1; US5234837A; JPH04504618A; CS173890A2; RO107036B1; CA2049330C; EP0466831A1; DE69020343D1; JP2942624B2; PL164008B1; EP0466831B1; ZA902448B; AU5535390A; YU67390A; WO1990012313A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Erfassung von oxidierbarem Gas in einem gasförmigen Medium, wie etwa Luft.
In an sich bekannter Weise wird die Erfassung eines oxidierbaren Gases in Luft durch eine Meßfühlereinrichtung sichergestellt, die üblicherweise als "Explosimeter mit katalytischem Draht" bezeichnet wird, in der ein Draht, im allgemeinen aus Platin, durch Stromwärme erhitzt wird, d.h. durch den Durchtritt eines elektrischen Stromes. Das in der Umgebungsluft enthaltene oxidierbare Gas oxidiert durch Katalyse bei Kontakt mit dem Draht, woraus eine zusätzliche Erwärmung desselben entsteht. Die Erhöhung der Temperatur, die sich daraus ergibt, ruft eine Erhöhung des Widerstandes des Drahtes hervor, dessen unmittelbare oder mittelbare Messung es gestattet, Kenntnis von der Konzentration des genannten oxidierbaren Gases in der Luft zu erhalten.
Beispielweise hat die Anmelderin in ihrem Patent FR-1 444 771, das am 4. Mai 1965 hinterlegt wurde, eine Vorrichtung zur Erhebung und Feststellung von Gas in Luft vorgeschlagen, worin die Feststellung dem Gases mittels der Spannung an den Klemmen einer der Diagonalen einer Widerstandsbrücke bewirkt wird, die von einem Meßdraht und einem Kompensationsdraht gebildet ist, die parallel zu zwei Widerständen angebracht sind, von denen der eine vorteilhafterweise regulierbar ist.
Die Anmelderin hat auch in ihrem Patent FR-1 577 448, hinterlegt am 2. Mai 1968, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Größe vorgeschlagen, die charakteristisch ist für ein gasförmiges Medium, wonach der Wert der in Betracht gezogenen Größe aus der Messung eines der Vorgabewerte zur Versorgung eines Meßdrahtes abgeschätzt wird, während dessen Widerstand gleich dem eines Kompensationsdrahtes gehalten wird.
Die Anmelderin hat auch durch das französische Patent 1 576 576, hinterlegt am 6. Juni 1968, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung von verbrennbarem Gas vorgeschlagen, bei dem man eine Spannung an den Anschlußklemmen des Drahtes trotz der Änderungen seines Widerstandes infolge Abnützung oder aufgrund der Anwesenheit von verbrennbarem Gas im wesentlichen konstant hält.
In gleicher Weise hat die Anmelderin im Patent FR-1 579 535, hinterlegt am 21. März 1968, eine Spannungs-Stabilisationsschaltung offenbart, die es gestattet, Nachweisdrähte mit einer im wesentlichen konstanten Spannung zu speisen.
Kürzlich hat die Anmelderin in ihrem Patent FR-2 537 722, hinterlegt am 14. Dezember 1982, ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung vorgeschlagen, die darauf abzielen, den Einfluß der Diffusion oxidierbarer Gase in Luft zu eliminieren, und die es gestatten, sich freizumachen von den Unterschieden der Oxidationswärme, die zwischen den Gasen vorliegt. Zu diesem Zweck stellt man die Entwicklung einer Größe im Lauf der Zeit fest, die kennzeichnend ist für die Einspeisung des Drahtes, wobei diese Einspeisung derart eingeregelt wird, daß man den Widerstand des Drahtes konstant hält.
Wenn heute die Benutzung eines Drahtes als Katalysator für die Verbrennung von Methan eine sehr genaue Überwachung von Grubengas im Bergwerk gestattet, wird dies indessen, wenn man den Vorgehensweisen bei der Speisung und Messung Rechnung trägt, die bis heute gewählt werden, von dem Nachteil einer recht raschen Alterung und eines ziemlich großen Stromverbrauches begleitet, was eine diskontinuierliche Benutzung erforderlich macht, was deren Echt- Ansprechzeit verlängert.
Bei dem Versuch, diesen Unzulänglichkeiten abzuhelfen, wurden andere Einrichtungen aus katalytischen Perlen gebildet, die von einem Metallfühler (beispielsweise aus Platin) gebildet sind, der mit dotiertem Aluminiumoxid umhüllt ist und das Aussehen einer kleinen Perle aufweist.
Die Benutzung dieser katalytischen Perlen hat eine ständige Überwachung des Gehalts an brennbarem Gas infolge der weniger raschen Alterung gestattet, die mit einer geringeren Verbrennungstemperatur einhergeht. Indessen leiden diese Perlen unter einer bedeutenden Empfindlichkeitsveränderung, einer weniger großen Stabilität und einer längeren Ansprechzeit als die Drähte.
Die Erfindung hat zum Ziel, die vorgenannten Nachteile abzumildern und dank eines neuen Verfahrens zur Abfrage des Drahtes gleichzeitig einen geringeren elektrischen Verbrauch und eine verlangsamte Alterung sowie eine pseudokontinuierliche Benutzung zu gestatten, d.h. eine kontinuierliche Benutzung in den Augen eines Benutzers, wobei der Zeitraum eines Überprüfungszyklus viel kürzer wird als die Ansprechzeit des Meßfühlers.
Die Erfindung schlägt zu diesem Zweck ein Verfahren zur Messung des Gehalts an einem oxidierbaren Gas bekannter Beschaffenheit bei einem gasförmigen Medium vor, bei dem ein Widerstandselement, das in diesem gasförmigen Medium angeordnet ist und eine katalytische Oberfläche besitzt, elektrisch aufgeheizt, der Wert einer für die Gaskonzentration repräsentativen Größe ermittelt und hieraus nach einem Umwandlungsgesetz, das vorher durch Stichprobenentnahme erstellt wurde, ein Maß für den Gehalt an diesem oxidierbaren Gas in dem gasförmigen Medium abgeleitet wird, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß dieses Widerstandselement gemäß Zyklen, die drei Phasen umfassen, mit einer vorher festgelegten Abfrageperiode versorgt wird:
- in einer ersten Phase wird das Widerstandselement mit einem Heizstrom beaufschlagt, der es innerhalb einer vorher festgelegten Aufheizzeit auf eine solche vorbestimmte Solltemperatur bringt, bei der die katalytische Oberfläche des Widerstandselementes die Verbrennung des oxidierbaren Gases katalysiert;
- in einer zweiten Phase wird das Widerstandselement während einer vorher festgelegten Regelungszeit fortgesetzt mit elektrischem Strom versorgt, dessen Stärke so geregelt wird, daß die Temperatur des Widerstandselements auf der Solltemperatur gehalten wird, und nach Stabilisierung der Spannung UD an den Anschlußklemmen des Widerstandselementes wird der Wert der für die Gaskonzentration repräsentativen Größe ermittelt und von diesem das erwähnte Maß für den Gehalt an oxidierbarem Gas abgeleitet, wobei die Leistung des elektrischen Stromes, der während dieser zweiten Phase fließt, im Durchschnitt deutlich geringer als die Leistung des Heizstroms ist, und
- in einer dritten Phase wird die Heizleistung des Widerstandselements derart reduziert, daß dieses auf eine Ruhetemperatur abkühlen kann.
In vorteilhafter Weise kann man jegliche elektrische Einspeisung während dieser dritten Phase unterbrechen.
Die für den Gasgehalt repräsentative Größe ist bevorzugt der Widerstand des Meßfühlers.
Indem man so mit einer erhöhten elektrischen Leistung startet, erreicht man es, die Wärmeverluste zu verringern, insbesondere die Leitungsverluste längs der Träger des Widerstandselementes oder längs desselben.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der von der Anmelderin gemachten Entdeckung, daß einerseits das Widerstandselement den erhöhten Strom aushält, ohne Schaden zu nehmen, und daß andererseits die katalytische Reaktion mit dem Gas sogar nach einer sehr kurzen Zeit (etwa 0,15 Sekunden) stattfindet.
Durch dieses Verfahren wird die für die Oxidation des Gases erforderliche Temperatur sehr rasch erreicht, wobei die Wärmeverluste in die Umgebung begrenzt werden, was beträchtlich den elektrischen Verbrauch herabsetzt.
Außerdem ändert durch dieses Verfahren die Oxidation des Gases das thermische Gleichgewicht des Meßfühlers mit seiner Umgebung um nichts, wie auch die Ansprechzeit verkürzt ist. So ist der Meßfühler für jede Abfragung weniger lange bei hoher Temperatur in Funktion, und seine Lebensdauer ist erhöht; es ist also möglich, die Abfragefoige zu erhöhen und dichter liegendere Messungen vorzunehmen, beispielsweise alle 3 Sekunden oder sogar kürzer.

Gemäß bevorzugten Ausführungen der Erfindung

- ist die Abfrageperiode höchstens 4 Sekunden;
- liegt die Gesamtdauer von erster und zweiter Phase unter 300 ms;
- liegt die Dauer der ersten Phase unter 200 ms;
- ist die Solltemperatur mindestens gleich der Temperatur gewählt, bei welcher die Reaktion des Gases auf dem Widerstandselement selbst oder auf dem vom Widerstandselement getragenen Element beginnt;
- liegt bei einem Widerstandselement, das selbst ein Katalysator auf Platinbasis ist, die Solltemperatur im Bereich von 570ºC bis 1 100ºC für Methan, bevorzugt im Bereich von 900ºC bis 1 100ºC;
- ist die Solltemperatur im wesentlichen gleich 1000ºC;
- liegt die elektrische Heizleistung im Mittel zwischen dem Einfachen und einem Vielfachen der elektrischen Leistung der zweiten Phase, wobei dieses ganze Vielfache in Übereinstimmung mit der Spannungsfestigkeit des Widerstandselementes steht (in der Praxis kleiner als 10); dieses Verhältnis liegt bevorzugt im Bereich von 1 bis 3;
- ist bevorzugt während der Heizphase die Intensität des zugeführten Stromes konstant.
Diese zweite Phase, die darin besteht, die Temperatur des Heizelementes konstant zu halten, kann über verschiedene Verfahren umgesetzt werden:
- Aufrechterhaltung eines konstanten Widerstandes, der sich später entwickelt,
- Aufrechterhaltung des Verhältnisses des Widerstandes, der der Temperatur während der zweiten Phase zugeordnet ist, zum Widerstand, der der Ruhetemperatur zugeordnet ist (dritte Phase), auf einem vorgegebenen, konstanten Wert; dieser Wert liegt beispielsweise im Bereich von 1,1 bis 4;
- oder durch irgendeine Steuereinrichtung für diese Temperatur, die es gestattet, den Heizstrom zu regeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Effindung identifiziert man die Beschaffenheit des Gases aus der Messung der Zeit für die Einstellung des thermischen Gleichgewichts des Meßfühlers und aus vorbestimmten Wechselbeziehungen zwischen der Dauer für die Einstellung des thermischen Gleichgewichtes des Meßfühlers und dem Gehalt an betrachtetem Gas, die für verschiedene Feuchtigkeitsgrade der Luft und für verschiedene mögliche Gase ermittelt wurden.
Ziele, Merkmale und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die beispielsweise im Hinblick auf die beigefügten Zeichnungen vorgelegt wird. Es zeigen:
- Fig. 1 ein allgemeines Schaltbild einer Vorrichtung, die zur Ausführung des Meßverfahrens nach der Erfindung eingerichtet ist;
- Fig. 2 das Schaltbild der Regelvorrichtung für den Meßfühler, den diese Vorrichtung aufweist;
- Fig. 3 eine Variante der Fig. 2;
- Fig. 4 eine graphische Darstellung der Intensität ID des dem Meßfühler zugeführten Stromes und der Spannung UD an den Anschlußklemmen des Meßfühlers als Funktion der Zeit im Verlauf eines Abfragezyklusses;
- Fig. 5 die graphische Darstellung des Widerstandes des Drahtes während der Abfragephasen und der Abkühlung dieses Drahtes über der Zeit;
Fig. 6 und 7 graphische Darstellungen der Spannung des Signals (Spannung in der Luft - Spannung in Anwesenheit von Gas) als Funktion des Gehalts an oxidierbarem Gas (für zwei unterschiedliche Drähte);
- Fig. 8 eine graphische Darstellung (für einen Draht mit 80 um Durchmesser) der Wechselbeziehungen zwischen dem Ansprechen des Meßfühlers in Millivolt und dem tatsächlichen Gehalt in der Luft von fünf Gasen im Fall von trockener Luft (Vierecke) und im Fall einer feuchten Luft mit 85 bis 90% (Kreuze);
- Fig. 9 eine graphische Darstellung (für dieselbe Art von Draht und für dieselben Gase) der Wechselbeziehungen zwischen dein Ansprechverhalten des Meßfühlers in Millivolt und dem Gehalt an Gas, ausgedrückt in Prozent seiner unteren Explosivitätsgrenze (LIE) im Fall trockener Luft;
- Fig. 10 eine graphische Darstellung (für dieselbe Art eines Drahtes und für dieselben Gase) der Wechselbeziehungen zwischen der Zeit zur Herstellung des Gleichgewichts am Meßfühler und dem tatsächlichen Gehalt dieser Gase in Luft, im Fall trockener Luft;
- Fig. 11 eine Ansicht analog zur Fig. 10 für den Fall von Beispielen feuchter Luft;
- Fig. 12 eine graphische Darstellung (für dieselbe Art eines Drahtes und für dieselben Gase) der Zuordnungen zwischen den Zeiten zur Herstellung des Gleichgewichts am Meßfühler und dem Gehalt dieser Gase, ausgedrückt in Prozent der unteren Explosivitätsgrenze (LIE) für die Fälle trockener Luft (Vierecke) und die Fälle feuchter Luft (Kreuze), und
- Fig. 13 eine graphische Darstellung (für dieselbe Art eines Drahtes und für dieselben Gase) der Wechselbeziehungen zwischen der Zeitdauer der Herstellung eines Gleichgewichtes am Meßfühler und dessen Ansprechverhalten in Millivolt für den Fall von Beispielen trockener Luft (Vierecke) und feuchter Luft (Kreuze).
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Erfassen oxidierbarer Gase, mit einem Widerstandselement 2 mit katalytischer Oberfläche, das ein Meßelement bildet, beispielsweise auf Platinbasis, das dazu bestimmt ist, in ein zu prüfendes Gasmedium verbracht zu werden, das beispielsweise in einer Meßzelle 3 enthalten ist, die nach außen offen ist.
Dieses Widerstandselement ist beispielsweise ein Platindraht, in der Praxis ein spiralig aufgewickelter Draht mit einem Querschnittsdurchmesser von 80 um und einer Länge von 1 cm. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante ist dieses Meßelement in einer katalytischen Perle eingeschlossen. Man könnte sich sogar vorstellen, daß die katalytische Oberfläche dieses Widerstandselementes aus einem Material bestehen könnte, das gegenüber deir des Rests des Widerstandselementes unterschiedlich ist.
Zwischen den Anschlußmemmen dieses Widerstandselementes 2 ist eine Regeleinrichtung 4 bekannter, geeigneter Art angeordnet, die dazu dient, die Einspeisung dieses Elements 2 derart zu regeln, daß sein Widerstand konstant gehalten wird.
Bevorzugt ist dieses Widerstandselement 2, das ein Meßelement bildet, einem zweiten Widerstandselement 5, hier beispielsweise ebenfalls auf Platinbasis, zugeordnet, das identisch zum Element 2 ist und zwischen dessen Ansehlußklemmen ebenfalls eine Regeleinrichtung 6 gleicher Art und gleicher Funktion wie die Regeleinrichtung 4 angebracht ist. Dieses zweite Widerstandselement 5 ist in einem gasförmigen Medium angeordnet, das analog dem zu untersuchenden gasförmigen Medium ist, jedoch ohne jegliches oxidierbares Gas, und das in einer zweiten Meßzelle 7 eingeschlossen ist, die nahe der Zelle 3 angeordnet ist. Dieses zweite Widerstandselement bildet ein Ausgleichsglied, welches es gestattet, den Einfluß der Außentemperatur und der Abnutzung der Drähte (die gleichzeitig ausgetauscht werden) zu eliminieren.
Ein Operationsverstärker 10 jeder bekannten, geeigneten Art ist vorgesehen, um die Differenz U aus den Differenzen der Spannung UD und UC, die jeweils zwischen den Anschlußklemmen des Meß-Widerstandselementes 2 und des Ausgleichs-Widerstandselementes 5 vorliegen, mit einem Multiplikationswert A zu errechnen. Diese Differenz U kann wahlweise insbesondere einem Anzeigegerät, etwa einem Oszilloskop, einem Meßwertgeber oder einem Zwischenspeicher, zugeführt werden, sogar einer Vergleichsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen Alarm auszulösen, wenn diese Differenz U eine vorbestimmte Schwelle überschreitet (hier nicht dargestellt).
Die Regeleinrichtungen 4 und 6 werden von einem Versorgungsblock 11 gespeist, der einen herkömmlichen Spannungsgenerator 12 (5 Volt zur Speisung des Widerstandselementes und des Vergleichselementes sowie +15 Volt, -15 Volt zur Speisung des Verstärkers) aufweist und dem ein Impulsgenerator 13 des Typs "Pulse Generator Wavetek Model 801" vorgeschaltet ist, der es gestattet, die Zeit jeder Abfragung und die Antwortzeit zwischen zwei Abfragungen auf eine gewünschte Folge einzuprogrammieren.
Fig. 2 gibt als nicht-einschränkendes Beispiel das Schaltbild der Regler 4 und 6 an. Jeder dieser Regler weist eine Widerstandsbrücke auf, die mittels Transistoren vom Impulsgenerator 13 gespeist ist, der zwischen den Punkten A und B angeschlossen ist und in A eine Spannung von mindestens einem Volt abgibt.
Auf der Seite jedes Bestandteils sind in dieser Fig. 2 die Werte angegeben, die ihm im Fall eines klassischen Platindrahts von 1 cm Länge und 80 um Durchmesser zu geben sind.
Man sieht, daß dieses System die Aufheizung der Drähte beschleunigt, da es sie unter Überspannung hält, solange die gewünschte Temperatur nicht erreicht ist.
Der Operationsverstärker AO&sub3; wird in einem herkömmlichen Differentialaufbau benutzt, wobei der Kondensator C&sub3; die Stöftrequenzen über 5 Hz beseitigt.
Die beiden Regler sind identisch. Untersuchen wir nun die Funktionsweise des ersten:
Ein hohes Niveau oder die Abwesenheit des Signals bei "A" macht den Transistor T&sub1; durchlässig. Die Transistoren T&sub2; und T&sub3; sind somit gesperrt und kein Strom fließt durch die Drähte.
Bei niedrigem Niveau an "A" sperrt T&sub1;. T&sub2; und T&sub3;, die von AO&sub1; angesteuert sind, regeln den Strom in der Widerstandsbrücke (P&sub1;, R&sub6;, R&sub7;, R&sub9;, RD). Die Regelung ist so, daß RD den Wert
R&sub9; x R&sub7;/P&sub1; + R&sub6;
einnimmt. Das Potentiometer P&sub1; dient zum Einstellen dieses Wertes. R&sub8; und C&sub1; unterbinden die Schwingungen infolge der thermischen Trägheit des Drahtes.
Die Messungen werden mit einem Oszilloskop an den Klemmen des Drahtes (Meßdraht oder Ausgleichsdraht) und an den Klemmen der Widerstände R9 oder R&sub1;&sub7; vorgenommen. Sie werden dann auf einem Schreiber ausgeschrieben.
Der Wert der Spannung an den Anschlußklemmen der Widerstände gestattet es, die Ströme zu bestimmen, die durch das Meßelement und das Ausgleichselement hindurchfließen; bei Kenntnis der Spannung an deren Klemmen kann man den Widerstand der Drähte und demnach deren Temperaturen ableiten.
Der Ausgang des Operationsverstärkers AO&sub3;, der in Luft auf 0 einreguliert ist, gestattet es, die Differenz zwischen den beiden Reglern während des Durchtritts von Gas (hier von Methan) zu messen. Eine Vorrichtung zur Abfrage des Drahtes, die im Rahmen der Fähigkeit des Fachmanns liegt, gestattet es, die Abfragezeit und die Ansprechzeit zwischen zwei Abfragen bei der gewünschten Folge zu programmieren.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante der Reglerschaltung 4 oder 6. Sie unterscheidet sich von der der Fig. 2 darin, daß der Strom während der gesamten Phase des Temperaturanstiegs und bis zu einem Wert konstant bleibt, der höher ist als der, der sich aus dem elektrischen Schaltbild ergibt, das in Fig. 2 dargestellt ist. Hierzu hat man die Einspeisungsquelle aufgespalten, wobei die eine (3,5 Volt) das Widerstandselement mit Energie versorgt, und die andere (6 Volt) die gesamte Schaltung speist.
Außerdem sind das Ausgleichselement 5 und seine Regelvorrichtung weggefallen und man überwacht hier einfach die Spannung an den Anschlußklemmen des Widerstandselementes 2.
Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung der Fig. 1 eingesetzt, um das Meßelement 2 sowie das Ausgleichselement 5, wenn es vorliegt, in zwei Phasen zu erwärmen:
- in einer ersten Phase läßt man einen beträchtlichen Heizstrom fließen, bis man das Widerstandselement 2 (und das Element 5, wenn es vorliegt) bis auf eine vorbestimmte Solltemperatur gebracht hat;
- in einer zweiten Phase regelt man den Strom derart, daß man dieses Widerstandselement auf der Solltemperatur hält (beipielsweise hält man den Widerstand dieses Widerstandseiementes auf dem Wert, der dieser Solltemperatur zugeordnet ist, beispielsweise 1,2 Ω für 1000ºC im Fall eines Drahtes mit 1 cm Länge und 80 um Durchmesser).
Die Heizstromstärke wird deutlich höher als die mittlere Stromstärke der zweiten Phase gewählt (in der Praxis bevorzugt zwischen dem zwei- und dreifachen dieser mittleren Stärke). Dies bringt einen Zeitgewinn mit sich und verringert den erforderlichen elektrischen Verbrauch infolge der Verringerung der zugeordneten Verluste durch Wärmeleitung und verkürzt die nachträgliche Abkühlzeit vor der folgenden Abfrage. Vorteilhafterweise hat dieser Heizstrom eine ungefähr konstante Stärke, aber es kann sich auch um einen stärkeren, mehr oder weniger gesteuerten Energieimpuls handeln.
Wenn ein oxidierbares Gas in Kontakt mit dem Widerstands- Meßelement 2 oxidiert, verleiht es ihm Wärmeenergie und wird demnach danach trachten, dessen Temperatur zu erhöhen; zum Ausgleich wird ihm die Regeleinrichtung 4 weniger elektrische Energie zuführen, indem sie den Strom verringert, der ihn durchläuft: daraus ergibt sich eine Absenkung der Spannung an seinen Anschlußklemmen nach der Stabilisierung während der zweiten Phase, die repräsentativ ist für die Gaskonzentration.
Im Fall eines Platindrahtes von 1 cm Länge und einem Querschnitt von 80 um im Durchmesser, wird die Solltemperatur vorteilhafterweise etwa gleich 1000ºC gewählt. Theoretisch wäre eine Temperatur von 570ºC ausreichend, um die Katalyse der Reaktion mit Methan zu erhalten (das klassische Beispiel eines zu überwachenden Gases am Grund von Kohlebergwerken), aber die elektronischen Signalverstärkerschaltungen sind dann sehr schwer. Eine kaum mehr erhöhte Temperatur (600 bis 800ºC) würde teilweise diesem Nachteil abhelfen, aber die Kosten der zugeordneten Elektronik blieben noch imrrier sehr beträchtlich. Eine deutlich höhere Temperatur (mehr als 1200ºC) würde zu einer zu schnellen Abnutzung des Drahtes führen. Es hat sich aber erwiesen, daß eine Temperatur, die im Bereich von 800ºC bis 1200ºC oder, besser, von 900ºC bis 1100ºC liegt, einem optimalen Kompromiß der Gesichtspunkte des Raumbedarfes, der Sperrigkeit und der Lebensdauer entspricht. Beispielsweise entsprechen 1000ºC und 1200ºC nahezu Spannungen an den Anschlußklemmen des Widerstandselementes von 0,76 V bzw. 0,9V.
Um die Gesamtdauer der Einspeisung (die beiden vorgenannten Phasen zusammen) verringern zu können und damit die nachfolgende Dauer der Abkühlung, und um somit die Abfragefolge bis zu dem Puilkt zu erhöhen, bei dem der Meßvorgang als kontinuierlich erscheint, trachtet man danach, für die Einspeisespannung während der zweiten Phase eine möglichst schnelle Abschwächung nach dem Ende der Aufheizphase zu erzielen: hierzu kann man, falls erforderlich, den Wert der Teile C&sub1; und R&sub8; in Fig. 2 in Funktion der spezifischen Merkmale des in Betracht gezogenen Drahts, der Art des zu überwachenden Gases und der Anteilsbereiche, in denen man es überwachen will, einstellen. Die in Fig. 2 und 3 bezeichneten Werte entsprechen einem Gehalt von 0 bis 3% Methan für einen Platindraht mit 1 cm Länge und einem Querschnitt mit 80 um Durchmesser, wie er durch Oldham unter der Lizenz von Cerchar hergestellt wird.
Um das Ziel eines scheinbar kontinuierlichen Meßverfahrens zufriedenstellend zu erreichen, wird die Periode der Wiederholung der Abfragezyklen vorteilhafterweise höchstens etwa gleich 4 Sekunden gewählt, bevorzugt Meiner oder gleich 3 Sekunden.
Für Solltemperaturen von 900ºC bis 1200ºC ist die Gesamtdauer eines jeden Abfragezyklusses vorteilhafterweise kleiner als 400 ms, bevorzugt gleich (oder kleiner als) 300 ms, aufgeteilt auf 200 ms Aufheizung und 100 ins Stabilisierung vor der Messung. Die Heizstromstärke wird vorteilhafterweise zwischen 1 und 2 A gewählt (beispielsweise nahe bei 1,3 A), während der mittlere Stromstärkewert in der Regelungs-Stabilisierungsphase im Bereich von 0,65 A bis 0,75 A liegt (beispielsweise nahe bei 0,7 A).
Die Fig. 4 und 5 stellen jeweils dar, wie sich im Lauf der Zeit die Stromstärke ID und die Spannung UD bzw. der Widerstand RD für das Meßelement entwickeln. Für eine Abfrageperiode von 4 Sekunden gibt es eine Aufheizphase von etwa 200 ms sowie eine Regelphase von etwa 100 ms für den Fall eines Platindrahtes (1 cm Länge, 80 um Durchmesser), der auf eine Solltemperatur von 1000ºC gebracht wurde (entsprechend einem Widerstand von 1,3 Ω).
Während der ersten Phase hat der Strom eine Stärke ID von etwa 1,3 A, während sich die Spannung UD quasi-linear zwischen 0,47 V und 1,37 V ändert. Während der Regelungsphase schwankt der Strom um 0,6 A, während sich UD bei einem Wert stabilisiert, der charakteristisch ist für den Gehalt des in Betracht gezogenen Gases (weniger als 0,76 V im Fall von Methan, das hier betrachtet wird).
Man stellt fest, daß nach dem Ende der Einspeisung der Widerstand am Ende von 2 Sekunden auf einen Wert R sehr nahe seinem ursprünglichen Wert Rursprünglich zurückgekehrt ist.
Die unterschiedlichen Vorzüge dieses Verfahrens ergeben sich aus der Verringerung der Betriebsdauer des Drahtes:
- elektrischer Verbrauch verringert um 2 oder 3,
- Ansprechzeit verkürzt,
- Abfragefolge erhöht,
- Lebensdauer des Drahtes verbessert.
Somit
- wird für die Platindrahtmeßfühler, die nach der herkömmlichen diskontinuierlichen Technik abgefragt werden, der Draht mit 0,76 Volt bei einem Strom von 0,8 A während 4 s gespeist, wovon sich die verbrauchte Energie E = Vit = 2,4 Joule und die verbrauchte Leistung P = E/t = 600 mW ableiten läßt.
- für die gemäß dem neuen Verfahrert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gespeisten Drahtmeßfühler wird der Draht von einem konstanten Strom von 1,3 A während 200 ms durchflossen, um ihn auf seine Funktionstemperatur zu bringen, und dann arbeitet der Draht bei einer konstanten Temperatur (und einem konstanten Widerstand) mit einer Spannung an seinen Klemmen von etwa 0,76 V während 100 ms.
Während des Temperaturanstieges ist der mittlere Widerstand 0,8 Ω (lineare Erhöhung der Temperatur, demnach auch des Widerstands). Während der Phase konstanter Temperatur beträgt der Widerstand 1,3 Ω.
Die verbrauchte Energie ist demnach:
E = R&sub1;I²t&sub1; + (V²/R&sub2;)t&sub2;
E = 0,8 x 1,3 x 1,3 x 0,19 + (0,76 x 0,76/1,3) x 0,1
E = 300 mJ
P = 75 mW (danach besteht die Folge aus einer Messung alle 4 Sekunden).
Wenn die Temperaturanstiegsphase unter 2 Amperes vorgenommen wird, dauert sie nur noch 60 ms. Der Stromverbrauch verringert sich in diesem Fall auf:
E = 200 mJ und P = 50 mW.
Im übrigen zeigen die Fig. 6 und 7, daß das Signal für schwache Anteile an explosivem Gas (0 bis 3%) linear ist, was bei einer Benutzung als Explosimeter die Verarbeitung des Signals zu vereinfachen gestattet.
Die Messungen werden mit Hilfe eines Schnellschreibers an den Anschlußklemmen des Drahtes (Meßelement oder Ausgleichselement vorgenommen; der Ausgang des Operationsverstärkers A, auf 0 in Luft einreguliert, gestattet es, die Differenz zwischen den Spannungen am Ausgang der beiden Regler während des Durchtritts des brennbaren Gases zu messen. Tatsächlich kann die Erstellung von Eichkurven in jeder geeigneten Weise vorgenommen werden.
Die Fig. 8 bis 12 zeigen eine Anwendung der Erfindung zur vorläufigen Erkennung nach der quantitativen Erfassung oxidierbarer Gase dar.
Es wird zunächst erneut auf Fig. 4 eingegangen; man stellt fest, daß zwischen den Zeiten t&sub1; und t&sub2; der Draht in ein thermisches Gleichgewicht gelangt, das zwischen den Zeiten t&sub2; und t&sub3; aufrechterhalten wird.
Die Dauer, um in das thermische Gleichgewicht t&sub2;-t&sub1; zu gelangen, hängt von Parametern ab, die mit dem Draht (Art des Drahtes, Geometrie des Drahtes) und der Natur des Gases zusammenhängen, das an den Wärmeaustauschvorgängen teilnimmt.
Fig. 8 zeigt das Ansprechverhalten des Meßfühlers in Millivolt in Funktion vom tatsächlichen Anteil von fünf Gasen: Methan, Propan, Butan, Ethylen und Wasserstoff, und dies für zwei extreme Feuchtigkeitsgrade (trockene Luft und feuchte Luft mit 86 bis 90%).
Fig. 9 zeigt das Ansprechverhalten des Meßfühlers in Funktion vom Gasanteil, ausgedrückt in Prozent der unteren Eplosivitätsgrenze (LIE); ein Signal von 760 mV entspricht somit LIE-Werten von 54% oder von 30%, je nachdem, ob das explosive Gas Methan oder Ethylen ist. Ein solcher Fehler kann auf zwei Weisen korrigiert werden, die nicht befriedigend sind:
- man kann die Vorrichtung auf ein bestimmtes Gas eichen, das man zu erfassen wünscht, aber man muß sie erneut eichen, um ein anderes Gas zu messen;
- man kann gleichermaßen die Vorrichtung auf das Gas eichen, für das der Meßfühler am wenigsten empfindlich ist (in unserem Fall das Methan), aber man wird unangemessene Vorkehrungen in bezug auf die tatsächliche Gefahr ergreifen, die mit anderen, weniger sensiblen Gasen verbunden ist.
Die Dauer der Herstellung des thermischen Gleichgewichts des Meßfühlers kann zum Identifizieren der Art des Gases genutzt werden; der Benutzer ist somit über die tatsächliche Gefahr hinsichtlich der Explosivität vorgewarnt.
Die Messung der Dauer der Herstellung des thermischen Gleichgewichts des Meßfühlers wird durch eine: herkömmliche Technik der Signalverarbeitung durch Ermittlung des Maximums bei dem gesamten Signal ausgeführt.
Man kann gleichermaßen den plötzlichen Abfall der charakteristischen Spannung von t&sub2; durch einen elektronischen Vergleicher erfassen, der einen Eingang des Mikroreglers aktiviert.
Die Fig. 10 und 11 zeigen die Zeit zur Herstellung des Gleichgewichts als Funktion des tatsächlichen Gehaltes von fünf Gasen für feuchte Luft und für trockene Luft; es zeigt sich, daß es so möglich ist, jedes Gas zu kennzeichnen.
Fig. 12 stellt die Zuordnung zwischen der Zeit des thermischen Gleichgewichts und dem Ansprechen des Meßfühlers dar, ausgedrückt in Prozent der unteren Explosivitätsgrenze (LIE) für unterschiedliche Gase in trockener Luft und feuchter Luft (man vermerkt den geringen Einfluf der Luftfeuchtigkeit auf die Gleichgewichtszeit des Meßelementes).
Die Identifizierung des Gases erfolgt über die Messung der Zeit zur Herstellung des Gleichgewichts und des Signals in mV an den Anschlußklemmen des Drahtes (siehe Fig. 13); dieses Wertepaar entspricht einem Punkt einer der Kurven, wenn das Gas zu der Gruppe gehört, die im Programm des Mikroreglers erfaßt ist.
Die Durchführung dieser Technik erfolgt durch die Aufbereitung von Informationen durch einen Mikroregler. Dieser kann so, ausgehend vom Spannungssignal an den Anschlußklemmen des Drahtes, dem Benutzer mit Hilfe eines alphanumerischen Anzeigegerätes den Gehalt an Gas und dessen Beschaffenheit aufgrund der Messung der Gleichgewichtszeit mitteilen.
Der Mikroregler enthält in seinem Tot- bzw. Ablesespeicher die gegebenen Werte, die zur Erkennung der Gase erforderlich sind, wie sie aus Fig. 12 ableitbar sind.
Die Programmierung des Mikroreglers 4 gestattet es diesem, die Vergleichs-, Erkennungs- und Anzeigevorgänge durchzuführen, die bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung erforderlich sind.
Selbstverständlich können zahlreiche Ausführungsvarianten vom Fachmann vorgesehen werden, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird, was den Draht und die Verarbeitungselektronik angeht. In gleicher Weise können die experimentellen Parameter in einem großen Bereich von Werten (Temperatur oder Widerstand des Drahtes) ausgewählt werden.
Im allgemeinen kann das Verfahren auch an jedem Meßfühler angewandt werden, der bei einer gewissen Temperatur diskontinuierlich arbeitet.
Die Erfindung trifft somit auf ein sehr weites Anwendungsfeld, indem man nach der Messung verschiedene Verarbeitungen des Signals vornehmen kann, welche die Anzeige, die Übertragung, die Speichereingabe und im Fall des Überschreitens eines Schwelienwerts die Auslösung eines Alarms sicherstellen.
Die Erfindung kann auch auf solche Anwendungen wie insbesondere die Ausführung von Meßfühlern für die Gaschromatographie verallgemeinert werden.

Claims

1. Verfahren zur Messung des Gehalts an einem oxidierbaren Gas bekannter Beschaffenheit in einem gasförmigen Medium, bei dem ein Widerstandselement, das in diesem gasförmigen Medium angeordnet ist und eine katalytische Oberfläche besitzt, elektrisch aufgeheizt, der Wert einer für die Gaskonzentration repräsentativen Größe ermittelt und hieraus nach einem Umwandlungsgesetz, das zuvor durch Stichprobennahme erstellt wurde, ein Maß für den Gehalt an diesem oxidierbaren Gas in dem gasförmigen Medium abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer vorher festgelegten Abfrageperiode dieses Wiederstandselement gemäß Zyklen, die drei Phasen umfassen, versorgt wird:

- in einer ersten Phase wird das Widerstandselement mit einem Heizstrom beaufschlagt, der es in einer vorher festgelegten Aulheizzeit auf eine solche vorbestimmte Solltemperatur bringt, bei der die katalytische Oberfläche dieses Widerstandselementes die Verbrennung des oxidierbaren Gases katalysiert;

- in einer zweiten Phase wird das Widerstandselement während einer vorher festgelegten Regelungszeit fortgesetzt mit elektrischem Storm versorgt, dessen Stärke so geregelt wird, daß die Temperatur des Widerstandselementes auf der Solltemperatur gehalten wird, und nach Stabilisierung der Spannung (UD) an den Anschlußklemmen des Widerstandselementes wird der Wert der für die Gaskonzentration repräsentativen Größe ermittelt und von ihm das erwähnte Maß für den Gehalt an oxidierbarem Gas abgeleitet, wobei die Leistung des elektrischen Stromes, der während dieser zweiten Phase fließt, im Durchschnitt merklich geringer als die Leistung des Heizstroms ist, und

- in einer dritten Phase wird die Heizleistung des Widerstandselementes derart reduziert, daß man es auf eine Ruhetemperatur abkühlen läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageperiode höchstens 4 Sekunden dauert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdauer von erster und zweiter Phase kleiner als 300 ms ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der ersten Phase kleiner als 200 ms ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für Methan die Solltemperatur zwischen 570ºC und 1100ºC gewählt wird, wenn das Widerstandselement (2) aus einem Material auf Platinbasis besteht und selbst katalysierend ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Solltemperatur im wesentlichen gleich 1000ºC ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung im Durchschnitt im Bereich vom Ein- bis zum Dreifachen der elektrischen Leistung der zweiten Phase liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß während der Heizphase die Stärke des zugeführten Stroms konstant ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Phase die elektrische Stromversorgung unterbrochen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus der Temperatur in der zweiten Phase zur Temperatur in der dritten Phase in einem Bereich von 1,1 bis 4 liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Gaskonzentration repräsentative Größe der Widerstand des Widerstandselementes ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaffenheit des Gases aus der Messung der Zeit für die Einstellung des thermischen Gleichgewichts des Meßfühlers und der für verschiedene Feuchtigkeitsstufen der Luft und verschiedene mögliche Gase vorher bestimmten Korrelationen zwischen der Dauer für die Einstellung des thermischen Gleichgewichts des Meßfühlers und dem Gehalt an betrachtetem Gas ermittelt wird.