DE19808681A1

DE19808681A1 - Wärmeleitgasanalysator mit kurzer Einstellzeit

Info

Publication number: DE19808681A1
Application number: DE1998108681
Authority: DE
Inventors: Mayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 1999-09-09

Description

Die Erfindung betrifft die vorteilhafte Weiterentwicklung von Wärme leit-Gasanalysatoren. Diese Gasanalysatoren sind an sich bekannt und werden von zahlreichen Analysegeräteherstellern gefertigt. Dabei wird von der Erscheinung Gebrauch gemacht, daß sich Gase erheblich in ihrer Wärmeleitfähigkeit unterscheiden und die Wärmeleitfähigkeit eines Gasgemischs von den Gasanteilen abhängt, so daß durch Mes sung der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemischs bei bekannten Kompo nenten auf die Zusammensetzung des Gemischs geschlossen werden kann. Zwar ist die Methode nicht spezifisch und i.a. nur bei binären bzw. quasibinären Gemischen anwendbar, doch ist sie sehr zuverläs sig, preiswert und erlaubt eine kontinuierliche Messung. Diese Analyse methode ist deshalb in der Prozeßmeßtechnik und bei der Rauchgas analyse weit verbreitet, zudem können Wärmeleit-Gasanalysatoren in Verbindung mit stofftrennenden Verfahren, wie der Gaschromato grafie, für vielfältige Analysenaufgaben verwendet werden.

Kernstück des Analysators ist die Wärmeleitzelle, die üblicherweise aus einem zylindrischen Hohlraum besteht, in dem sich ein koaxial aufgespannter Draht, der elektrisch geheizt wird befindet. Anstelle des linearen Drahtes sind Drahtwendeln gebräuchlich, die ebenfalls ko axial zum umgebenden Zylinder angeordnet werden. Der elektrisch geheizte Draht dient als Wärmequelle und befindet sich auf einer merklich höheren Temperatur als die Zylinderwand, deren Temperatur konstant gehalten wird. Der Hitzdraht ist vom Meßgas umgeben, so daß die freigesetzte Wärme vom Draht über das Gas zur Zylinder wand transportiert wird. Der schematische Aufbau der Wärmeleit zelle ist in Abb. 1 dargestellt.

Betreibt man den Hitzdraht mit konstantem Strom, so ist die Tempe ratur, auf die sich der Hitzdraht einstellt, um so höher, je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases ist und umgekehrt. Die bisher bekannten Meßanordnungen arbeiten so, daß die Tempera tur des Drahtes über die Messung des Drahtwiderstandes bestimmt wird. Hierzu wird i.a. eine Wheatstonebrücke mit einer oder zwei Zellen benutzt, die das Meßgas enthalten. Dabei ist es zweckmäßig, eine weitere Zelle - bzw. zwei weitere Zellen - mit einem Vergleichs gas zu füllen, wodurch sich Temperaturschwankungen der Zylinderwän de kompensieren.

Die Drähte werden zur Vermeidung von Korrosion und katalytischer Effekte häufig mit einem Glasüberzug versehen. Da die Drahtwider stände bei linearen Drähten sehr gering sind, was hinsichtlich des Meßfehlers nachteilhaft ist, werden die Drähte oftmals gewendelt. Durch die Wendelung läßt sich ferner der Druckeinfluß vermindern, was mit der Reduktion der Entmischung aufgrund von Thermodiffu sion erklärt wurde. Bei größeren Durchmessern der Drahtwendel kann diese aus Stabilitätsgründen nicht mehr freitragend sein, sondern muß auf einen Wickelkörper aus geeigneten Material, z. B. Keramik, aufgebracht werden.

Die Ummantelung der Drähte mit einen schlecht wärmeleitenden Ma terial wie Glas sowie das Aufbringen auf einen Wickelkörper und die damit verbundene Massenerhöhung des beheizten Teils wirken sich nachteilig hinsichtlich des dynamischen Verhaltens des Gasanalysa tors aus. Die Einstellzeiten werden z. T. drastisch erhöht, so daß sich 90%-Zeiten von ca. 20 s bis zu mehreren Minuten ergeben kön nen. Zu Erfassung schneller Konzentrationsänderungen sind solche Analysatoren deshalb nicht geeignet. Zahlreiche Regelungsaufgaben, Überwachungsaufgaben mit Sicherheitsfunktion sowie Messungen bei Gasen, deren Zusammensetzung sich rasch ändert, wie z. B. Rauchgase, erfordern Gasanalysatoren mit entsprechend kurzen Einstellzeiten.

Der der Erfindung zugrunde liegende Gasanalysator arbeitet nicht mit einem konstanten Heizstrom und variabler Drahttemperatur, son dern hat eine konstante Drahttemperatur bei variablem Heizstrom. Um eine Konstanz der Drahttemperatur und damit des Drahtwiderstan des zu erreichen, muß der Heizstrom bei Änderung der Gaszusammen setzung und dadurch bedingter Änderung der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemischs entsprechend geregelt werden. Z.B. würde die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit bei konstantem Heizstrom zu einer Erniedri gung der Drahttemperatur führen. Bei der hier beschriebenen Meß anordnung wird jedoch durch ein Regelkreis der Heizstrom derart erhöht, daß die Temperatur des Drahtes konstant bleibt.

Der herausragende Vorteil der erfindungsmäßigen Meßanordnung be steht darin, daß die Zeiten für das Einstellen des thermischen Gleich gewichts weitgehend entfallen und die Einstellzeit des Analysators verglichen mit Einstellzeiten bei variabler Drahttemperatur drastisch verkürzt wird. Ein solcher Analysator kann deshalb wesentlich weiter reichende Meßaufgaben erfüllen als ein herkömmlicher.

In Abb. 2 ist der Meßaufbau schematisch unter Verwendung einer einzelnen Meßzelle dargestellt. Die drei Festwiderstände werden so festgelegt, daß ihr Widerstandswert mit dem des Hitzdrahtes bei der maximal auftretenden Wärmeleitfähigkeit des Analysegases überein stimmt, wobei hier der maximale Heizstrom I_H,max fließt. Die Brüc ke ist abgeglichen, und die Brückenausgangsspannung ist U_D=0. Ändert sich die Gaszusammensetzung und verringert sich hierdurch die Wärmeleitfähigkeit des Analysegases, so hat der Hitzdraht die Tendenz sich zu erwärmen und seinen Widerstand zu erhöhen. Dies verursacht eine (geringfügige) Verstimmung der Brücke, so daß jetzt die Brückenausgangsspannung ungleich null wird. Die Brückenausgangs spannung gelangt auf den Eingang eines Reglers, der den Heizstrom so weit reduziert, daß sich die ursprüngliche Temperatur und der ursprüngliche Drahtwiderstand wieder einstellen, so daß die Brücke jetzt erneut abgeglichen ist. Bei der minimalen Wärmeleitfähigkeit fließt schließlich der minimale Heizstrom I_H,min.

Der Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit und Heizstrom ist zwar nicht linear, doch besteht ein streng monotoner Zusammenhang, so daß durch Messung des Heizstromes die Wärmeleitfähigkeit eindeu tig ermittelt werden kann. Da im übrigen auch der Zusammenhang zwischen der Gaskonzentration und der Wärmeleitfähigkeit i.a. nicht linear ist, empfiehlt sich eine empirische Kalibrierung des Gasanaly sators, wie sie auch bei herkömmlichen Geräten durchgeführt wird. Mit einer Recheneinheit (analog oder digital) erfolgt die Umsetzung des Stromsignals in ein Konzentrationssignal für das jeweilige Analysen problem.

Eine Verdoppelung der Empfindlichkeit läßt sich erreichen, wenn statt nur einer Meßzelle zwei Meßzellen verwendet werden, wie in Abb. 3 gezeigt. Die Verwendung von zwei Hitzdrähten in einer Halbbrücke hat nämlich die Verdoppelung der Brückenausgangsspannung zufolge, so daß entsprechend kleinere Konzentrationsunterschiede detektierbar werden. Allerdings ist die Zunahme der Empfindlich keit wie bisher mit einem apparativen Mehraufwand verbunden.

Besondere Bedeutung hat die Schwankung der Temperatur der Meß zellenwand T_W. Da die Meßzelle(n) in einem thermostatisierten Block eingearbeitet sind, ist T_W näherungsweise konstant. Geringe Tempera turschwankungen lassen sich jedoch mit einfachen Thermostaten nicht vermeiden. Diese Temperaturschwankungen werden bei der herkömmli chen Technik meist dadurch kompensiert, daß man den Zellen, die mit Analysegas gefüllt sind, eine gleiche Anzahl Zellen beifügt, die mit einem sog. Vergleichsgas gefüllt sind. Alle Zellenwände müssen in gutem thermischen Kontakt stehen, so daß sich eine Kompensation von Temperaturschwankungen der Wände ergibt. Bei der erfindungs mäßigen Meßanordnung ist diese Kompensation nicht ohne weiteres möglich, da Schwankungen der Wandtemperatur durch die Regelung des Heizstromes mit berücksichtigt werden; d. h. sie machen sich als Fehler bemerkbar. Zudem sind Kompensationsmaßnahmen durch Ver gleichsgaszellen wegen der Nichtlinearität nicht zweckmäßig. Hier wurde das Problem dadurch gelöst, daß ein Widerstandstemperatur fühler Pt100 zur Erfassung der Temperatur des Blocks, in den die Wärmeleitzellen eingearbeitet sind und der die Wände der Zellen bildet, benutzt wird. Da dieser Block thermostatisiert ist, sind die auftretenden Temperaturschwankungen gering, würden jedoch unkom pensiert Meßfehler verursachen.

Sinkt z. B. die Blocktemperatur ab, so würde tendenziell auch die Hitzdrahttemperatur sinken, und die Temperaturregelungseinrichtung würde einen höheren Heizstrom liefern, um die Drahttemperatur konstant zu halten. Dies würde allerdings eine höhere Wärmeleitfähig keit des Analysegases vortäuschen, d. h. die Konzentrationsanzeige wäre fehlerhaft. Zur Korrektur läßt sich das Signal der Blocktempera tur heranziehen. In einer Recheneinheit wird die Abweichung der Blocktemperatur berücksichtigt, und das Konzentrationssignal wird entsprechend korrigiert. Die Korrekturwerte werden empirisch ermit telt. Das Blockschema ist in den Abb. 2 und 3 dargestellt.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die erfindungsmäßige Konfigu ration bei etwa gleichem apparativen Aufwand wie herkömmliche Wärmeleit-Gasanalysatoren eine erheblich kürzere Einstellzeit hat und damit für Meßaufgaben verwendet werden kann, bei denen es auf schnellen Zugriff zu den Analysedaten ankommt.

Fundstelle:
D. Plesch, Dissertation, Karlsruhe 1973.

Bezugszeichenliste

Abb. 1 Schematische Darstellung der Wärmeleitzelle 1 Hitzdraht
2 Isolierkörper
3 Block
4 Analysegas
5 Elektrische Zuleitungen
6 Analysegaseingang
7 Analysegasausgang
8 Temperaturfühler Pt100
9 Durchführung (Isolator)

Abb. 2 Blockschaltbild des Wärmeleit-Gasanalysator mit Viertelbrücke 1 Hitzdraht d. Wärmeleitzelle
8 Temperaturfühler Pt100 (T_W)
10 Wärmeleitzelle
11-13 Festwiderstände
14 Regler für Heizstrom I_H
15 Temperaturmeßbrücke (U(T_W))
16 Amperemeter (Ausgang: U(I_H)
17 Recheneinheit
18 Konzentrationsanzeige
19 Thermostat (T_W)
U_D Ausgangsspannung der Viertelbrücke
I_H Heizstrom (I_H,min, . . ., I_H,max)
T_W Wandtemperatur der Wärmeleitzelle
U(T_W) Spannungssignal von T_W
U(I_H) Spannungssignal von I_H

Abb. 3 Blockschaltbild (teilweise) des Wärmeleit-Gasanalysators mit Halbbrücke; d. h. mit zwei Wärmeleitzellen 8 Temperaturfühler Pt100
10 Wärmeleitzelle 1
11 Festwiderstand
13 Festwiderstand
16 Amperemeter mit Signalausgang
19 Thermostat (für beide Wärmeleitzellen)
20 Wärmeleitzelle 2

Claims

1. Wärmeleit-Gasanalysator, der kontinuierlich die Zusammensetzung binärer oder quasibinärer Gasgemische von der Art nach bekannten Komponenten mißt, wobei ein elektrisch geheizter Draht, der auch gewendelt oder mit einem isolierenden Überzug versehen sein kann, innerhalb eines Hohlraumes angeordnet ist, wobei sich zwischen Draht und Hohlraumwand das Analysegas befindet und die vom Draht freigesetzte Wärme über die Gasstrecke zur vergleichsweise kühlen Wand des Hohlraumes strömt, dadurch gekennzeichnet (die Zahlen beziehen sich auf die Abb. 1 bis 3),

- daß der Hitzdraht (1) auf einer konstanten Tem peratur gehalten wird, unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches,
- daß zur Aufrechterhaltung der Temperaturkonstanz des Hitzdrahtes ein Regler (14) benutzt wird, der den Heizstrom I_H derart beeinflußt, daß eine zunehmende (bzw. abnehmende) Wärmeleitfähigkeit des Analysegases eine entsprechende Er höhung (bzw. Verminderung) des Heizstromes bewirkt, so daß die Temperatur des Hitzdrahtes konstant bleibt,
- daß der Hitzdraht (1) zusammen mit den Festwiderstän den (11), (12) und (13) eine Wheatstonesche Viertelbrücke bildet, die aufgrund der Temperatur- und Widerstands-Kon stanz stets abgeglichen ist, wobei die Brückenausgangsspan nung U_D als Regeldifferenz auf den Regler (14) wirkt und die Regelung so erfolgt, daß U_D verschwindet.

2. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß anstelle einer einzelnen Wärmeleitzelle zwei Zellen (10) bzw. (20) Verwendung finden, die sich in einem gemeinsamen Thermostaten befinden und zusammen mit den Festwiderständen (11) und (13) eine Wheatstonesche Halbbrüc ke bilden, wodurch sich gegenüber der Anordnung nach 1 eine Verdoppelung der Empfindlichkeit ergibt.

3. Wärmeleit-Gasanalysator nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekenn zeichnet,

- daß die geringfügigen Schwankungen der an sich durch einen Thermostaten nahezu konstant gehaltenen Wandtempe ratur T_W durch eine Temperaturmeßeinrichtung (8) und (15) ermittelt werden und das Temperatursignal einer Rechenein heit (17) zugeleitet und zur Korrektur des Konzentrations signals herangezogen wird.