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Die Erfindung betrifft eine Meßzelle für einen Analysator
zum Nachweis von gasförmigen
oder flüssigen
Medien durch Messen der Wärmeleitfähigkeit mit
einem durch eine regelbare Wärmequelle
thermostatisierbaren Gehäuse,
das voneinander getrennt einen Probenkanal und einen Vergleichskanal enthält, wobei
der Probenkanal eine Einlaßöffnung zum
Zuführen
einer Probe und eine Auslaßöffnung zum
Abführen
der Probe hat, der Probenkanal und der Vergleichskanal jeweils mit
wenigstens einer einen Thermofühler
enthaltenden Meßkammer
in Verbindung stehen und die Meßkammern
in Bezug auf eine Mittelebene des Gehäuses symmetrisch angeordnet
sind.
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Analysatoren, die nach dem Prinzip
der Wärmeleitfähigkeitsmessung
arbeiten, werden in vielen Bereichen zur Analyse von Gasen eingesetzt,
da sie robust, vielseitig, empfindlich und über einen weiten Bereich relativ
linear sind und die Probe nicht zerstören. Ein Anwendungsschwerpunkt
ist hierbei die Messung der Wasserstoffkonzentration in Gasgemischen
in der chemischen und metallurgischen Industrie. Zur Erfassung der
Wärmeleitfähigkeit
wird bei diesen Analysatoren die Abkühlung einerseits der in der
Meßzelle
befindlichen, elektrisch beheizten Thermofühler durch die Probe und ein
Vergleichsmedium als Änderung
des elektrischen Widerstandes der Thermofühler gemessen oder andererseits
die Leistung, die nötig
ist, die Temperatur der Meßfühler konstant
zu halten.
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Meßzellen der angegebenen Art
unterliegen zahlreichen Anforderungen. Probenseite und Vergleichsseite
der Meßzelle
müssen
weitgehend symmetrisch aufgebaut sein, damit vergleichbare Werte gemessen
werden können.
Die Meßzelle
muß aus wärmeleitfähigem Material
herstellbar sein, damit eine gleichmäßige Thermostatisierung möglich ist. Zudem
muß das
Material der Meßzelle
resistent gegen ein möglichst
weites Feld von Probestoffen sein. In der Praxis ist diese Anforderung
nur mit mehreren unterschiedlichen Materialien erreichbar. Die Meßzelle muß daher
eine Formgestalt haben, die mit den verschiedenen in Frage kommenden
Materialien einfach und wirtschaftlich herstellbar ist. Weiterhin
besteht das Bedürfnis
nach einer Meßzellengestaltung, die
mit geringem Aufwand und ohne nennenswerte bauliche Änderungen
an unterschiedliche Meßaufgaben
angepaßt
werden kann.
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Bei einer aus
DE 40 05 131 C2 bekannten Meßzelle der
angegebenen Art sind die Meßkammern
und die Kanäle
von Vergleichs- und Probenseite symmetrisch zur Wärmequelle
angeordnet und die Strömungsrichtung
in beiden Kanälen
ist entgegengesetzt, wobei in Strömungsrichtung jeweils vor der angeschlossenen
Meßkammer
liegende Teilbereich der Kanäle
einen geringen Abstand voneinander haben und unterhalb der Meßkammern
verlaufen. Die Meßkammern
liegen hierbei von der Einlaßöffnung eines
Kanals aus gesehen hintereinander und die Kanäle sind jeweils an die von
ihrer Einlaßöffnung entferntere
Meßkammer
angeschlossen. Diese Gestaltung einer Meßzelle eignet sich nicht für Anordnungen
mit vier Meßkammern
und reagiert empfindlich auf Temperaturunterschiede zwischen Probe
und Vergleichsmedium.
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Aus
DE 35 17 240 C2 ist eine Vorrichtung zur Messung
der Wärmeleitfähigkeit
von Gasströmungen
bekannt, bei der die Meßfühler in
einem Strömungskanal
angeordnet sind, der diametral zu einem in einem Gehäuse angeordneten
Ringkanal verläuft und
an beiden Enden in den Ringkanal einmündet. Der Ringkanal ist auf
diametral gegenüberliegenden Seiten
mit je einem Einlaß-
und einem Auslaßkanal versehen
und der diametrale Strömungskanal
ist in einem relativ zum Gehäuse
drehbaren Block angeordnet, dessen Oberfläche eine kreisförmige Wand des
Ringkanals bildet. Durch Verdrehen des Blocks gegenüber dem
Gehäuse
kann das Verhältnis
von Meßgenauigkeit
und Ansprechgeschwindigkeit variiert werden. Asymmetrie in der Kanalführung zwischen
Proben- und Vergleichsseite kann hierbei jedoch zu einer störenden Nullpunktverschiebung
führen.
Zudem ist der Bauaufwand recht hoch.
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Eine Meßzelle zur Messung der Wärmeleitfähigkeit
von Gasen mit vier symmetrisch angeordneten Meßkammern, die jeweils einen
Thermofühler enthalten,
ist aus
US 4,215,564 bekannt.
Die Meßzelle
hat hierbei die Form eines sechseckigen Prismas, welches auf zwei
entgegengesetzten Prismenflächen jeweils
eine Einlaßöffnung und
eine Auslaßöffnung hat,
die über
Verbindungskanäle
mit zwei benachbarten Meßzellen
derart verbunden sind, daß das
zugeführte
Gas von der Einlaßöffnung durch
die Meßzellen
zu der Auslaßöffnung gelangt.
Die hierdurch bedingte direkte Anströmung der Meßfühler und die kurzen Strömungswege
zwischen Einlaßöffnung und Meßkammer
führen
hierbei zu einer starken Abhängigkeit
von der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit
des Probengases.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Meßzelle
der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch ein günstiges
Verhältnis
von Meßgenauigkeit
zu Ansprechzeit auszeichnet, für
einen großen
Meßbereich
geeignet ist und kostengünstig aus
unterschiedlichen Materialien hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die in Patentanspruch
1 angegebene Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der Meßzelle nach der Erfindung weist der
Probenkanal zwei parallele Hauptbohrungen und wenigstens eine zu
diesen parallele Nebenbohrung auf, wobei die Hauptbohrungen und
die Nebenbohrung das Gehäuse
durchdringen und mit ihren Enden auf entgegengesetzten Seiten des
Gehäuses
jeweils in eine gemeinsame Kammer münden, die in dem Gehäuse ausgebildet
und durch einen Deckel nach außen
verschlossen ist, wobei in einem der Deckel die Einlaßöffnung und
die Auslaßöffnung angeordnet sind
und wobei eine Hauptbohrung unmittelbar an die Einlaßöffnung angeschlossen
ist und die andere Hauptbohrung durch eine von dieser abzweigende Abzweigbohrung
mit der wenigstens einen Meßkammer
verbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung der Meßzelle bildet
einen günstigen
Kompromiß zur
Erfüllung der
genannten Anforderungen. Der durch die Nebenbohrung gebildete Bypass
ermöglicht
einen ausreichend großen
Strömungsquerschnitt
innerhalb der Meßzelle
und sorgt für
kurze Ansprechzeiten bei geringer Strömungsempfindlichkeit. Die Probe
muß auf ihrem
Weg zur Meßkammer
die Meßzelle
einmal vollständig
queren, wodurch eine wirksame Thermostatisierung erreicht und der
Einfluß der
Probentemperatur auf die Messung kleingehalten wird. Durch die Anordnung
von Einlaß-
und Auslaßöffnung auf
der gleichen Seite der Meßkammer
ist es außerdem
mit einfachen Mitteln möglich,
der Meßzelle
einen Gegenstrom-Wärmetauscher
vorzuschalten. Hierdurch kann die Temperaturbelastung bei großen Temperaturwechseln
der zugeführten
Probe ohne zusätzlichen
Energiebedarf verringert werden.
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Der vorgeschaltete Gegenstrom-Wärmetauscher
kann in einer einfachen Ausführung
aus zwei parallel geführten
Rohrleitungen aus wärmeleitendem
Material bestehen, die wärmeleitend
miteinander verbunden sind, wobei das eine Rohr mit der Einlaßöffnung und
das andere Rohr mit der Auslaßöffnung der
Meßzelle
verbunden ist.
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Die Vergleichsseite der Meßzelle ist
vorzugsweise spiegelbildlich zur Probenseite ausgebildet und der
Vergleichskanal weist dementsprechend ebenfalls zwei parallele Hauptbohrungen
und wenigstens eine zu diesen parallele Nebenbohrung auf, die das
Gehäuse
durchdringen und deren Enden auf entgegengesetzten Seiten des Gehäuses jeweils
in eine gemeinsame, in dem Gehäuse
ausgebildete Kammer münden,
die jeweils durch einen Deckel verschlossen ist, wobei in einem
Deckel eine Einlaßöffnung und
eine Auslaßöffnung angeordnet
sind und eine Hauptbohrung an die Einlaßöffnung angeschlossen ist und
von der anderen Hauptbohrung wenigstens eine Abzweigbohrung zu einer
Meßkammer führt. Durch
diesen symmetrischen Aufbau der Meßzelle wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen
Probenseite und Vergleichsseite erreicht und die Verstimmung einer
an die Thermofühler
angeschlossenen Meßbrücke minimiert.
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Nach einem weiteren Vorschlag der
Erfindung kann der Vergleichskanal auch dicht verschlossen und mit
einem für
die Meßaufgabe
geeigneten Gas gefüllt
sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung kann in dem Eintrittsende der Hauptbohrung,
von der die Meßkammer
abzweigt, eine Diffusordüse
angeordnet sein. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit in der
Hauptbohrung zusätzlich
reduziert und ein vorwiegend laminares Strömungsverhalten erzeugt, welches
zu einer Homogenisierung des Strömungsfeldes
im Bereich der Meßkammern
führt.
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Vorzugsweise sind in beiden Enden
der Hauptbohrung sich in Richtung der Hauptbohrung erweiternde Diffusordüsen angeordnet.
Um die Erzeugung einer Strömung
innerhalb der Meßkammer weitgehend
zu vermeiden, kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen
sein, daß die Diffusordüse die Öffnung der
zu der Meßkammer
führenden
Abzweigbohrung ganz oder teilweise überdeckt. Hierdurch wird die
Strömung
im wesentlichen an der Abzweigöffnung
vorbeigelenkt, so daß die
Füllung
der Meßkammern
hauptsächlich
auf Diffusionseffekten beruht. Die Strömungsabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeitsmessung
wird auf ein Minimum reduziert.
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Die Deckel zum Verschließen der
Kammern können
durch Schweißen,
beispielsweise Wolfram-Inertgas-(WIG)-Schweißen, gasdicht mit dem Gehäuse verbunden
sein. Ist Schweißen
aufgrund der gewählten
Werkstoffe nicht möglich,
so kann eine mechanische Befestigung der Deckel vorgesehen sein,
wobei die Deckel gegenüber
dem Gehäuse
mit Hilfe eines Dichtrings abgedichtet sind.
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Die Meßfühler sind bei der Meßzelle an
einer Gehäuseseite
in die Meßkammern
eingesetzt, die als sich nach außen erweiternde Stufenbohrung
ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Meßfühler vollständig in Glas gekapselt und
mittels einer gasdichten Glas-Metallverbindung mit einer Metallmembran verbunden,
die gasdicht in dem Gehäuse
befestigt ist. Die gasdichte Befestigung der Metallmembran kann
erfindungsgemäß durch
Schweißen,
insbesondere WIG-Schweißen,
oder durch mechanisches Klemmen erfolgen, wobei mit Hilfe von vorgespannten
Federn eine definierte Klemmkraft erzeugt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert, die
in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen
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1 die
Ansicht einer Meßzelle
von oben,
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2 einen
Schnitt in der Ebene II-II der Meßzelle gemäß 1,
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3 einen
Schnitt in der Ebene III-III der Meßzelle gemäß 1,
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4 einen
Schnitt in der Ebene IV-IV der Meßzelle gemäß 3,
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5 einen
Längsschnitt
der Vergleichsseite einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßzelle.
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Die in den 1 bis 7 dargestellte
Meßzelle 1 hat
ein quaderförmiges
Gehäuse 2,
das aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit,
beispielsweise Aluminium, besteht. Die Meßzelle 1 ist in Bezug
auf die Längsmittelebene
in zwei symmetrische Abschnitte unterteilt, von denen der eine Abschnitt 3 die Probenseite
und der andere Abschnitt 4 die Vergleichsseite der Meßzelle bildet.
Beide Abschnitte 3, 4 weisen zwei Meßkammern 5 bzw. 6 mit
jeweils einem Thermofühler 7 auf.
Die Meßkammern 5 des
Abschnitts 3 stehen mit einem Probenkanal 8 und
die Meßkammern 6 des
Abschnitts 4 mit einem Vergleichskanal 9 in Verbindung.
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Zur Bildung des Probenkanals 8 und
des Vergleichskanals 9 weist das Gehäuse 2 in jedem der Abschnitte 3, 4 zwei
Hauptbohrungen 80, 81 bzw. 90, 91 und
zwei Nebenbohrungen 82, 83 bzw. 92, 93 auf, die
parallel zur Symmetrieebene und zueinander ausgerichtet sind und
das Gehäuse 2 in
Längsrichtung
vollständig
durchdringen. Die Enden der Hauptbohrungen 80, 81 bzw. 90, 91 und
der Nebenbohrungen 82, 83 bzw. 92, 93 sind
jeweils durch eine Kammer 84, 85 bzw. 94, 95 miteinander
verbunden. Die Kammern 84, 85 bzw. 94, 95 sind
durch gestufte Einsenkungen im Gehäuse 2 gebildet und
nach außen jeweils
durch einen Deckel 16 bzw. 17 dicht verschlossen.
Jeder Deckel 16, 17 ist hierbei mit Hilfe eines
Dichtringes 18 gegenüber
dem Gehäuse 2 abgedichtet
und wird von einer Andruckplatte 19 gehalten, die mittels
Zylinderschrauben 20 an dem Gehäuse 2 befestigt ist.
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Die auf der selben Seite des Gehäuses 2 angeordneten
Deckel 17 haben jeweils zwei Durchgangsbohrungen, die eine
Einlaßöffnung 21, 21' und eine Auslaßöffnung 22, 22' bilden. In
die Durchgangsbohrungen sind Anschlußrohre 23, 24,
bzw. 23', 24' eingesetzt
und durch Schweißen
gasdicht mit den Deckeln 17 verbunden. Das der jeweiligen
Auslaßöffnung 22, 22' zugeordnete
Anschlußrohr 24, 24' endet innerhalb
der Durchgangsbohrung der Deckel 17. Die Einlaßöffnungen 21, 21' werden durch
Verlängerungen
der ihnen zugeordneten Anschlußrohre 23, 23' gebildet, die
sich durch die Durchgangsbohrungen in den Deckeln 17 hindurch
erstrecken und mit ihren Enden in die Hauptbohrungen 80, 90 hinein ragen,
wobei sie mit ihrer Rohrwand im wesentlichen spielfrei an der Bohrungswand
anliegen.
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Von den Hauptbohrungen 81, 91 zweigen
jeweils im gleichen Abstand von den Enden derselben rechtwinklig
Abzweigbohrungen 25, 26 ab, die jeweils in eine
Meßkammer 5 bzw. 6 münden. Die
Meßkammern 5, 6 sind
oberhalb der Hauptbohrungen 81, 91 angeordnet
und bestehen jeweils aus einer sich in mehrere Stufen nach außen erweiternden
Stufenbohrung. In die Enden der Hauptbohrungen 81, 91 sind
Diffusordüsen 27 eingesetzt,
die sich zur Bohrungsmitte hin erweitern. Die Diffusordüsen 27 haben einen
Abschnitt, dessen Außendurchmesser
kleiner ist als der Innendurchmesser der Hauptbohrungen 81, 91 und
der die Mündungen
der Abzweigbohrungen 25 bzw. 26 überdeckt.
Hierdurch wird ein direk tes Anströmen der Abzweigbohrungen 25, 26 und
der an diese angeschlossenen Meßkammern 5, 6 durch
das die Hauptbohrungen 81, 91 durchströmende Gas vermieden.
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Die in die Meßkammern 5, 6 eingesetzten Thermofühler 7 sind
vollständig
eingeglast und haben einen kreisringförmigen Befestigungsflansch 28 aus
einem geeigneten Metall. Bei dem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel
besteht der Befestigungsflansch 28 aus einer temperaturbedingte
Dehnungsunterschiede ausgleichenden Goldmembran, die mit Hilfe eines
metallischen Dichtringes 29 an eine durch die Stufenbohrung
der Meßkammer
gebildete Ringfläche
gasdicht angedrückt wird.
Zur Anpressung des Dichtringes 29 sind Tellerfedern 30 vorgesehen,
die an einer mit dem Gehäuse 2 fest
verschraubten Andruckplatte 31 abgestützt sind. Die beschriebene
Gestaltung zur Befestigung der Thermofühler 7 ist für Gehäuse aus
Werkstoffen bestimmt, die nicht geschweißt werden können. Für Gehäuse aus schweißbaren Werkstoffen
erhalten die Thermofühler 7 einen
Flansch aus dem gleichen Material, der dann durch Schweißen gasdicht
mit dem Gehäuse 2 verbunden
wird. Die elektrischen Anschlüsse 32 der
Thermofühler 7 ragen
oben aus dem Gehäuse 2 heraus
und sind an einer elektrischen Meßbrücke 33 angeschlossen,
die auf einer mit dem Gehäuse 2 verbundenen
Leiterplatte 34 angeordnet ist.
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Zur Thermostatisierung der Meßzelle 1 sind an
beiden Längsseiten
des Gehäuses 2 Heizelemente 35 angebracht.
Weiterhin befindet sich an der Unterseite des Gehäuses 2 eine
Temperaturbegrenzer 36, der bei Überschreiten einer Maximaltemperatur die
Heizelemente 35 ausgeschaltet. In einer in der Symmetrieebene
liegenden Gehäusebohrung 37 ist weiterhin
ein Meßfühler 38 zur
Messung der Temperatur des Gehäuses 2 angeordnet.
Die elektrischen Anschlüsse 39 der
Heizelemente 35 und die Anschlüsse 40 des Meßfühlers 38 sind
an einer an der Unterseite des Gehäuses 2 ange brachten
Leiterplatte 41 mit nicht dargestellten Schaltungselementen verbunden.
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Bei der beschriebenen Meßzelle 1 wird
das Gasgemisch, das eine durch Messung der Wärmeleitfähigkeit quantitativ zu bestimmende
Gaskomponente, z.B. Wasserstoff, enthält, über das Anschlußrohr 23 in
die Hauptbohrung 80 des Probenkanals 8 geleitet.
Gleichzeitig wird über
das andere Anschlußrohr 23' ein Vergleichsgas
in die Hauptbohrung 90 des Vergleichskanals 9 geleitet.
Die zugeführten Gase
durchströmen
die jeweilige Hauptbohrung 80 bzw. 90, wobei ihre
Temperatur an die Temperatur des Gehäuses 2 angeglichen
wird. Die Gase gelangen dann in die Kammern 84, 94.
Dort teilt sich der jeweilige Gasstrom. Ein Teilstrom verläßt die Kammer 84 bzw. 94 durch
die Nebenbohrungen 82, 83 bzw. 92, 93 gelangt
durch diese zu der Kammer 85 bzw. 95 und von dort
in das an die Auslaßöffnung 22 bzw. 22' angeschlossenen
Rohr 24 bzw. 24'.
Der andere Teilstrom dringt durch die Diffusordüse 27 in die Hauptbohrung 81 bzw. 91,
wobei sich seine Strömungsgeschwindigkeit
reduziert, durchströmt
diese und gelangt durch die andere Diffusordüse 27 wieder beschleunigt
ebenfalls in die Kammer 85 bzw. 95 und das Rohr 24 bzw. 24'. Durch diese
Aufteilung der Gasströme
in Proben- und Vergleichskanal wird eine vorteilhaft niedrige Strömungsgeschwindigkeit
in den Hauptbohrungen 81, 91 erreicht, an die
die Meßkammern 5, 6 angeschlossen
sind. Die Gase können
daher mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit
der Meßzelle 1 zugeführt werden,
ohne hierdurch eine nennenswerte Strömung in den Meßkammern 5, 6 hervorzurufen,
durch die die Wärmeleitfähigkeitsmessung
beeinträchtigt
werden könnte.
Die Meßzelle ermöglicht somit
vorteilhaft niedrige Ansprechzeiten bei minimaler Strömungsempfindlichkeit.
Weiterhin wird durch den vergleichsweise langen Strömungsweg
des Gases bis zur Erreichung der Meßkammern eine gute Temperaturangleichung
erreicht und die Beeinträchtigung
der Messung durch Tempe raturschwankungen bei der Gaszuführung wirksam
vermindert. Da die Anschlußrohre
auf derselben Gehäuseseite
angeordnet sind, können
sie außerdem
auf einfache Weise zur Bildung eines Wärmetauschers miteinander verbunden
werden, wodurch der Einfluß von
Temperaturschwankungen noch stärker
reduziert werden kann. Auch andere Gestaltungen von Wärmetauschern
können
der Meßzelle
leicht vorgeschaltet werden.
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Die beschriebene Meßzelle eignet
sich auch für
Anwendungen, bei denen während
des Meßvorgangs
der Vergleichsseite der Meßzelle
das Vergleichsgas nicht kontinuierlich zugeführt wird, sondern statt dessen
die Vergleichsseite nach Füllung mit
einem für
den vorgesehenen Anwendungsfall geeigneten Vergleichsgas dicht verschlossen
wird. In einem solchen Fall ist es allerdings nicht erforderlich, den
Vergleichskanal vollkommen symmetrisch zum Probenkanal auszuführen, da
die Notwendigkeit der Unterdrückung
von Strömungseinflüssen entfällt. Die Vergleichsseite
einer solchen in 5 gezeigten Meßzelle benötigt daher
keine Nebenbohrungen und lediglich eine Hauptbohrung 91,
von der die Abzweigbohrungen 26 und die beiden Meßkammern 6 abzweigen.
Die Bohrung 91 ist hierbei als Sackbohrung ausgeführt und
an ihrem offenen Ende mit einem kurzen Rohrstutzen 42 versehen,
der nach dem Einbringen der Gasfüllung
dicht verschlossen und mit einer Kappe 43 abgedeckt wird.
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Die geschlossene Ausführung des
Vergleichskanals 9 weicht in ihrem Meßverhalten geringfügig von
dem Meßverhalten
des kontinuierlich angeströmten
Probenkanals ab. Die Größe der Abweichung
kann aber mit der erforderlichen Genauigkeit ermittelt und durch
eine geeignete Verstimmung der an die Thermofühler angeschlossenen Meßbrücke ausgeglichen
werden. Meßzellen
mit geschlossener Vergleichsseite sind zwar in ihrer Verwendungsbreite eingeschränkt, da
das Vergleichsgas bei Meßbedingungen
der einen Komponente des Probengases hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit
entsprechen muß. Derartige
Meßzellen
verringern aber deutlich den meßtechnischen
Aufwand, da keine Aufbereitung und Zuführung von Vergleichsgas benötigt wird.
Für zahlreiche
Anwendungsfälle
ermöglichen
daher derartige Meßzellen
eine deutliche Kostenreduzierung.