ITMI990996A1

ITMI990996A1 - Dispositivo per la misurazione della conducibilita' termica di un fluido

Info

Publication number: ITMI990996A1
Application number: IT1999MI000996A
Authority: IT
Inventors: Cesare Marzoli; Giacinto Zilioli
Original assignee: Thermoquest Italia Spa
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-07
Also published as: US6361204B1; IT1312311B1; DE60042355D1; EP1050756B1; EP1050756A3; EP1050756A2

Description

Descrizione dell’invenzione che ha per titolo:

"Dispositivo per la misurazione della conducibilità termica di un fluido”

La presente invenzione concerne un dispositivo per la misurazione della conducibilità termica di un fluido, utilizzabile in particolare per la rilevazione di composti presenti nel fluido stesso.

La rilevazione della composizione chimica di una sostanza, portata alio stato gassoso o di vapore, è usualmente effettuata per mezzo di gascromatografi. In tali apparecchi una miscela gassosa, o di gas e vapore, di un campione da analizzare e di un gas vettore inerte (carrier) viene fatta affluire, al termine di un processo di eluizione, ad un rivelatore che misura variazioni di determinate caratteristiche fisiche della miscela gassosa stessa.

Vengono comunemente utilizzati come analizzatori di sostanze, in apparecchiature per la gascromatografia, dispositivi che misurano la variazione di conducibilità termica di un fluido. Tali dispositivi rilevano le variazioni di conducibilità della miscela gassosa con cui vengono alimentati, fornendo valori correiabili con la composizione della miscela gassosa stessa.

I rilevatori di conducibilità termica di fluidi sono schematicamente costituiti da un filamento metallico posto entro un condotto in cui viene fatta scorrere una miscela gassosa da analizzare. Il filamento metallico, che presenta una resistenza elettrica dipendente dalla temperatura, viene riscaldato per mezzo di una corrente elettrica e il flusso di calore da esso generato si trasmette, soprattutto per conduzione attraverso la miscela gassosa, verso le pareti interne del condotto.

Variazioni istantanee della conducibilità termica della miscela, dovute a cambiamenti nella composizione chimica della stessa, comportano variazioni nel flusso di calore dissipato dal filamento. A tali variazioni del flusso di calore corrispondono variazioni della temperatura del filamento, e di conseguenza, della sua resistenza elettrica.

È allora possibile avere una misura della conducibilità termica della miscela gassosa semplicemente rilevando i valori della resistenza elettrica assunta dal filamento metallico durante lo scorrimento della miscela gassosa entro il condotto.

L'impiego operativo di tale schema, però, ha evidenziato gravi problemi, quali la deriva del voltaggio che controlla la corrente del filamento metallico e la forte imprecisione dei risultati quando intervengono anche piccole variazioni nella temperatura della miscela da analizzare o nella temperatura delle pareti del condotto.

Un dispositivo di semplice realizzazione e largamente impiegato per far fronte ai problemi citati, comprende un ponte elettrico di misura, quale ad esempio un ponte di Wheatstone, in cui le due coppie di elementi resistivi termosensibili, contrapposti rispetto alla diagonale di alimentazione e a quella di rilevazione, sono poste in due rispettivi condotti. In uno dei condotti viene fatto scorrere il solo gas di trasporto (carrier), mentre nell'altro è fatta scorrere la miscela gas di trasporto e campione da analizzare, in modo tale che la conducibilità del solo gas di trasporto costituisca il valore di riferimento per misurare la conducibilità della miscela gas di trasporto e campione.

Se si considera, ad esempio, come valore di riferimento la tensione elettrica presente ai morsetti della diagonale di rilevazione del ponte qualora si faccia scorrere solamente gas di trasporto nei condotti, ogni variazione della tensione rispetto a tale valore di riferimento, osservabile in corrispondenza dell'afflusso ad uno dei condotti della miscela da analizzare, dipenderà solamente da specie e concentrazione delle sostanze presenti nella miscela.

Infatti, eventuali variazioni della temperatura del gas di trasporto, che si verificano in entrambi i condotti, non influenzano la rilevazione. E neppure incidono su quest'ultimo variazioni della temperatura dei condotti, poiché questi, non isolati termicamente tra loro, sono posti su un unico supporto, definito nel seguito anche come corpo del rivelatore, che è mantenuto a temperatura costante.

Tuttavia, un inconveniente non eliminabile di simili realizzazioni consiste nella scarsa vita utile dei filamenti resistivi posti a contatto con il flusso dei gas, dovuta alla loro rapida ossidazione e al contatto con composti corrosivi eventualmente presenti nella miscela gassosa. Ciò comporta la necessità di frequenti sostituzioni dei filamenti che, a causa delle caratteristiche richieste di bassa reattività e di linearità della relazione tensione - temperatura, risultano notevolmente costosi. In particolare, la realizzazione nota sopra descritta prevede la frequente e contemporanea sostituzione di quattro filamenti.

Inoltre, il corpo del rivelatore, che deve supportare due condotti e quattro filamenti e deve comprendere mezzi per la termoregolazione, presenta dimensioni poco contenute che non favoriscono un agevole impiego in spazi ridotti e neppure il mantenimento del supporto a temperatura costante.

È uno scopo della presente invenzione quello di realizzare un dispositivo per la misurazione della conducibilità termica di un fluido, che presenti un basso costo di utilizzo e che richieda una bassa potenza per il funzionamento.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo per la misurazione della conducibilità termica di un fluido che sia compatto e di dimensioni contenute.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo per la misurazione della conducibilità termica di un fluido che sia di semplice ed immediata realizzazione.

Questi scopi sono raggiunti da un dispositivo secondo la rivendicazione 1 e da un metodo secondo la rivendicazione 16. Ulteriori caratteristiche peculiari della presente invenzione sono indicate nelle rivendicazioni dipendenti.

Il dispositivo secondo l’invenzione comprende una prima sezione che presenta almeno un condotto per lo scorrimento di un fluido di cui si voglia misurare la conducibilità termica ed almeno un elemento resistivo termosensibile posto entro il condotto, ed una seconda sezione per la rilevazione di una grandezza elettrica dipendente dall'elemento resistivo termosensibile. Sono presenti primi mezzi di termoregolazione atti a mantenere ad una temperatura costante TI la prima sezione e secondi mezzi di termoregolazione, atti a mantenere la seconda sezione ad una temperatura costante T2, indipendente dalla temperatura TI della prima sezione.

Secondo una realizzazione preferita dell'invenzione, il dispositivo comprende una prima sezione avente due condotti in cui sono posti rispettivamente due elementi resistivi termosensibili ed una seconda sezione che forma con gli elementi resistivi presenti nella prima sezione un ponte elettrico di misura. Nei due condotti vengono fatti scorrere rispettivamente un fluido di cui effettuare la misura di conducibilità termica ed un fluido di riferimento. Inoltre, le due sezioni vengono mantenute, da rispettivi mezzi di termoregolazione, a temperature reciprocamente indipendenti TI e T2.

Una forma di realizzazione preferita dell'invenzione verrà mostrata, a titolo esemplificativo e non limitativo, nelle figure allegate, in cui:

la figura 1 è una rappresentazione schematica di una realizzazione preferita del dispositivo secondo l'invenzione;

la figura 2 è uno schema elettrico parziale del dispositivo di figura 1 ;

la figura 3 è una vista prospettica della seconda sezione della realizzazione preferita del dispositivo, secondo l’invenzione;

la figura 4 è una vista prospettica schematica della seconda sezione di figura 3, in cui non è presente l'involucro di protezione.

Con riferimento alle figure 1 e 2, la realizzazione preferita del dispositivo di misura della conducibilità termica di un fluido secondo l'invenzione, comprende una prima sezione 1 , che costituisce il corpo del rivelatore, ed una seconda sezione 2 elettricamente collegate.

La prima sezione 1 comprende un supporto 7 che è mantenuto ad una temperatura TI da mezzi di termoregolazione (non rappresentati). Sul supporto 7 sono disposti due condotti 5 e 6 per lo scorrimento rispettivamente di un fluido di riferimento e di un fluido di cui si voglia misurare la conducibilità termica. Nell'impiego in apparecchiature gascromatografiche, in particolare, il fluido di riferimento è costituito da un gas di trasporto, mentre il fluido di cui si vuole misurare la conducibilità termica è costituito da una miscela di gas di trasporto e di un campione allo stato aeriforme.

Entro i condotti 5 e 6 sono inoltre posti due elementi resistivi termosensibili 3 e 4, per brevità definiti nel seguito con il termine filamenti, i cui valori di resistenza elettrica cambiano proporzionalmente alla temperatura da loro assunta.

La seconda sezione 2 de! dispositivo comprende un supporto 10 avente due elementi resistivi 8 e 9, un elemento di rilevazione di una grandezza elettrica 11 , di cui fa parte l’amplificatore (differenziale) 14 di figura 2, ed un alimentatore 12. In particolare, il supporto 10 è dotato di mezzi di termoregolazione 16, 17 e 18, rappresentati in figura 4, atti a mantenere il supporto 10 ad una temperatura T2, indipendente dalla temperatura TI della prima sezione 1.

Si osservi che i filamenti 3 e 4, gli elementi resistivi 8 e 9, l'alimentatore 12 collegato ai morsetti C e D e l'elemento di rilevazione 11, collegato ai morsetti A e B, sono tra loro uniti per formare un ponte elettrico di misura. Se l’elemento di rilevazione 11 è tale da misurare la differenza di potenziale elettrico del ponte, rilevata ai capi dei morsetti A e B, allora si può porre come valore di riferimento (zero) la differenza di potenziale del ponte quando non è fatto scorrere alcun fluido entro i condotti, oppure quando è fatto scorrere il solo gas di trasporto in entrambi i condotti. Ogni deviazione della differenza di potenziale rispetto al valore zero, sarà quindi dipendente dalla variazione di conducibilità termica del fluido di cui effettuare la misura rispetto alla conducibilità termica del fluido di riferimento, ammesso che la temperatura dei condotti 5 e 6 venga mantenuta costante e che i filamenti presentino identiche caratteristiche.

Tuttavia, eventuali variazioni nella temperatura degli elementi resistivi 8 e 9, possono influenzare la rilevazione della variazione della differenza di potenziale ai morsetti A e B. Infatti, anche limitate variazioni della temperatura deH’ambiente circostante possono modificare la resistenza degli elementi 8 e 9 e condurre ad uno squilibrio indesiderato del ponte elettrico di misura.

Mantenendo allora gli elementi resistivi 8 e 9 ad una temperatura T2 superiore alla temperatura deH'ambiente circostante, in modo tale che eventuali mutamenti della temperatura esterna non influenzino le condizioni termiche degli elementi 8 e 9, si ottiene il risultato di impedire variazioni della differenza di potenziale ai morsetti A e B dipendenti dagli elementi 8 e 9. Si noti che la temperatura T2 è comunque diversa e nettamente inferiore alla temperatura TI .

Come illustrato nelle figure 3 e 4, è possibile integrare gli elementi caratteristici della seconda sezione 2 su una basetta 13, che può comprendere circuiti e componenti elettronici atti a permetterne l'interfacciamento con un elaboratore.

La basetta 13 comprende il supporto 10, che può essere l’allumina di un circuito ibrido, su cui trovano alloggiamento gli elementi resistivi 8 e 9. Il supporto 10 è mantenuto ad una temperatura T2 da mezzi di termoregolazione ed è posto entro un involucro 15 che può essere eventualmente coibentato. I mezzi di termoregolazione del supporto 10 possono comprendere una sonda di misurazione della temperatura locale 17, un controllore automatico 16 ed un elemento riscaldante 18, quest’ultimo essendo preferibilmente realizzato con tecnologia MOS. Tali mezzi di termoregolazione del supporto 10 risultano essere componenti miniaturizzati a basso costo, facilmente reperibili sul mercato.

L'impiego di due soli filamenti 3 e 4 soggetti al flusso di fluidi comporta, rispetto a realizzazioni con quattro filamenti, una riduzione dei costi di sostituzione dei filamenti stessi ed una limitazione dei costi associati alla potenza elettrica assorbita dal dispositivo. Infatti, i mezzi di termoregolazione presenti nella seconda sezione assorbono meno potenza elettrica, a causa delle ridotte dimensioni della sezione da scaldare, e la presenza di due soli filamenti dimezza il fabbisogno di corrente elettrica per il loro riscaldamento.

Le ridotte dimensioni della prima sezione 1, inoltre, ne favoriscono l’impiego in spazi limitati.

Claims

Rivendicazioni 1. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido, del tipo comprendente una prima sezione avente almeno un condotto in cui scorre detto fluido ed almeno un elemento resistivo termosensibile posto in detto condotto, ed una seconda sezione per la rilevazione di una grandezza elettrica dipendente da variazioni della resistenza elettrica di detto almeno un elemento resistivo termosensibile, caratterizzato dal fatto di comprendere primi mezzi di termoregolazione per mantenere detta prima sezione di rivelazione ad una prima temperatura costante (Tl ) e secondi mezzi di termoregolazione per mantenere almeno parte di detta seconda sezione ad una seconda temperatura (T2) indipendente da detta prima temperatura (Tl).
2. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta seconda sezione comprende componenti elettrici collegati assieme a detto almeno un elemento resistivo termosensibile in un ponte elettrico di misura.
3. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti componenti elettrici di detta seconda sezione comprendono almeno due elementi resistivi.
4. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta prima sezione comprende un primo condotto in cui scorre detto fluido, almeno un primo elemento resistivo termosensibile posto in detto primo condoto, un secondo condoto in cui scorre un fluido di riferimento ed almeno un secondo elemento resistivo termosensibile posto in deto secondo condoto.
5. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo la rivendicazione 4, caraterizzato dal fato che detta seconda sezione comprende componenti eletrici collegati assieme a deti primo e secondo elemento resistivo termosensibile in un ponte eletrico di misura.
6. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo la rivendicazione 5, caraterizzato dal fato che deti componenti elettrici di deta seconda sezione comprendono almeno due elementi resistivi.
7. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caraterizzato dal fato che detta prima sezione e deta seconda sezione sono disposte rispetivamente su supporti differenti.
8. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caraterizzato dal fato che deta seconda sezione e deti secondi mezzi di termoregolazione sono disposti su una basetta amovibile.
9. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caraterizzato dal fato che almeno parte di deta seconda sezione e deti secondi mezzi di termoregolazione sono posti entro un involucro a tenuta rispeto aH’ambiente esterno.
10. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto involucro comprende un rivestimento in materiale termoisolante.
11. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti secondi mezzi di termoregolazione comprendono almeno un elemento per il riscaldamento realizzato con tecnologia MOS.
12. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta seconda temperatura (T2) è superiore alla temperatura deH’ambiente esterno e diversa da detta prima temperatura (Tl).
13. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta seconda temperatura (T2) è inferiore a detta prima temperatura (Tl).
14. Dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 13, caratterizzato dal fatto che detto fluido di cui misurare la conducibilità termica è una miscela composta da un gas di trasporto e da uno o più sostanze allo stato aeriforme e che detto fluido di riferimento è costituito da detto gas di trasporto.
15. Apparecchiatura per la analisi della composizione chimica di sostanze mediante gascromatografia, caratterizzata dal fatto di comprendere almeno un dispositivo per la misura della conducibilità termica di un fluido secondo le rivendicazioni da 1 a 14.
16. Metodo per misurare la conducibilità termica di un fluido, in cui detto fluido scorre in un condotto di una prima sezione dove è presente un elemento resistivo termosensibile ed in cui una grandezza elettrica dipendente da variazioni della resistenza elettrica di detto elemento resistivo termosensibile viene rilevata in una seconda sezione, caratterizzato dal fatto che detta prima sezione è mantenuta ad una prima temperatura TI e detta seconda sezione è mantenuta ad una seconda temperatura T2 indipendente da detta prima temperatura TI .
17. Metodo per misurare la conducibilità termica di un fluido secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che un fluido di riferimento scorre in un secondo condotto di detta prima sezione dove è presente un elemento resistivo termosensibile.
18. Metodo per misurare la conducibilità termica di un fluido secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dai fatto che detto fluido di cui misurare la conducibilità termica è una miscela composta da un gas di trasporto e da uno o più sostanze allo stato aeriforme e che detto fluido di riferimento è costituito da detto gas di trasporto.
19. Metodo per misurare la conducibilità termica di un fluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 16 a 18, caratterizzato dal tatto che detta seconda temperatura (T2) è superiore alla temperatura dell’ambiente esterno e diversa da detta prima temperatura (Tl).
20. Metodo per misurare la conducibilità termica di un fluido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 16 a 19, caratterizzato dal fatto che detta seconda temperatura (T2) è inferiore a detta prima temperatura (Tl ).