Stand der Technik
-
Konzentrationsmessungen von Gasen in Bereichen oberhalb von 500°C werden bisher derart gelöst,
daß die Gase mittels geeigneter Vorrichtungen aus dem Prozeß entnommen werden und nach
entsprechender Aufbereitung wie Kühlung und Trocknung geeigneten Meß- und Analysenanlagen
zugeführt werden. (vgl. DE 195 08 916 A1)
-
Die Nachteile solcher Verfahren liegen in der zeitverzögerten Darstellung der Meßwerte und darin,
daß die Meßgase durch das vorgeschaltete Verfahren verändert werden können.
-
Meßverfahren zur in-situ-Messung beschränken sich zur Zeit auf die Bestimmung von Komponenten
mittels Festelektrolytsonden, bei denen die Nernst-Spannung an Meßelektroden bestimmt wird,
welche direkt in das Meßgut eintauchen. Derartige Messungen beschränken sich auf solche
Meßwerte, die innerhalb bestimmter Grenzen Sauerstoff beinhalten oder auf die Ausnutzung
bestimmter katalytischer Effekte. (vgl. DE 43 01 831 A1, DE 44 31 291 A1)
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Bestimmung von Gaskomponenten bei hohen Temperaturen
besteht in der Ausnutzung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen.
-
Das Wärmeleitvermögen eines Stoffes besteht in dem Bestreben zum Temperaturausgleich
zwischen Punkten nicht gleicher Temperatur im inneren eines Stoffes allein durch unmittelbare
Energieübertragung von Molekül zu Molekül.
-
Die Wärmeleitfähigkeit eines beliebigen Stoffes ist definiert durch die Gleichung
Q = -WLF A(DT/Dn).t
-
Dabei ist Q die Wärmemenge, die in der Zeit t des Temperaturgefälles durch Fläche A strömt, wobei
der Wärmestrom A senkrecht durchfließt.
Geräteausführung beim Stand der Technik
-
Zwei in einer Wheatstone-Brücke gegenüber liegende Meßküvetten werden von dem zu
analysierenden Gasgemisch umströmt. Um einen direkten Einfluß der Gasströmung auf die
Fühlertemperaturen zu vermeiden, werden die Fühler von einer Diffusionsbarriere bedeckt.
Bei Konzentrationsschwankungen des Meßgases ändert sich dessen Wärmeleitfähigkeit und damit
auch der elektrische Widerstandswert der beiden vom Meßgas umspülten Meßfühler
-
Dies führt zu einer Änderung der Brückenausgangsspannung.
Einsatz des erfindungsgemäßen Sensors
-
Wärmeleitgeräte sind in der Industrie bekannt und bei niedrigen Temperaturen bis ca. 60°C Gas-
bzw. Umgebungstemperatur seit vielen Jahren im Einsatz.
-
Die direkte Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen hoher Temperatur ist bisher nicht
möglich.
-
Ein geeigneter Sensor muß die Bedingungen im Prozeß wiedergeben können, das heißt unter
Prozeßbedingungen Meßsignale liefern.
-
Der erfindungsgemäße Sensor ist speziell dafür konzipiert, in Prozessen zum Einsatz zu kommen,
welche durch hohe Temperaturen bis ca. 650°C gekennzeichnet sind.
-
Insbesondere kann der Sensor in der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung von stark
korrosiven Gasen eingesetzt werden.
-
Bei stark verschmutzten oder abbrasiven Meßbedingungen kann der Sensor durch eine geeignete
Diffusionsschicht vom Meßmedium getrennt werden. Der Gasaustausch erfolgt dann über das
Diffusionsgleichgewicht der Partialdrücke der Einzelkomponenten. Die Diffusionsbarriere kann aus
einer für die Meßkomponente durchlässigen Membran bestehen.
-
Für die Messung von Wasserstoffkonzentrationen eignet sich besonders Palladium-Material als
Membran. Für andere Gaskomponenten können ebenfalls Teflon - oder Silikonverbindungen
eingesetzt werden.
Einsatzbedingungen
-
Der Sensor wird vorzugsweise In-Situ betrieben. Auch ein Einsatz außerhalb des Meßmediums ist
möglich, wenn der Sensor auf Temperaturen aufgeheitzt wird, die ein Erreichen des Taupunktes
verhindern oder wenn auch hier eine geeignete Gasaufbereitungseinrichtung vorgeschaltet wird.
-
Der Einsatz des Sensors erfolgt vorzugsweise in Härtereianlagen zur Überwachung der
Nitrieratmosphäre, aber auch in allen Industriezweigen, bei denen geringere Temperaturen und
Verschmutzungen auftreten.
Wirkungsweise des Sensors
-
Die prinzipielle Wirkungsweise beruht auf der Abhängigkeit der Temperatur eines elektrisch beheizten
Widerstandsdrahtes von der Wärmeleitfähigkeit und damit von der Zusammensetzung des
umgebenden Gases.
-
Zwei in einer Wheatstone-Brücke gegenüber liegende Meßfühler werden von dem zu analysierenden
Gasgemisch umströmt. Um einen direkten Einfluß der Gasströmung auf die Fühlertemperaturen zu
vermeiden, werden die Fühler von einer Diffusionsbarriere bedeckt.
-
Die beiden anderen gegenüber liegenden Meßwiderstände werden zum Zwecke der
Fehlerkompensation (Speisespannungs- und Temperaturschwankungen)vorzugsweise von einem
fest eingeschlossenen Referenzgas umgeben.
-
Das Referenzgas kann aus Gasen oder Gasgemischen bestehen. Die Gasart ist so zu wählen, daß
die Meßsignale bei Konzentrationsänderungen der Meßkomponente möglichst groß sind.
-
So kann für die Bestimmung von Wasserstoff in Stickstoff zum Beispiel Luft als Referenzgas
verwendet werden.
-
Für bestimmte Einsatzfälle kann der Fühler mit geeigneten Vergleichsgasen bespült werden.
Aufbau des Sensors
-
Der prinzipielle Aufbau eins Hochtemperatur-Wärmeleitfähigkeitsensors ist in Fig. I dargestellt.
Die elektrische Widerstandsschicht kann entweder aus Draht oder einer elekrisch definiert leitenden
Masse gebildet werden.
-
Das Widerstandsmaterial besteht aus einem geeigneten Material, vorzugsweise aus Platin und ist so
angeordnet, daß Induktionsströme vermieden werden. Das Widerstandsmaterial kann abhängig vom
Meßmedium variieren
-
Der Grundkörper, auf den das Widerstandsmaterial aufgebracht wird besteht aus einem elektrisch
isoliertem Material, vorzugsweise Keramik.
-
Das Keramikmaterial ist so ausgeführt, daß die spezifische Wärmekapazität auf das Sensorsignal
ohne Einfluß bleibt.
-
Auch eine Anordnung eines Widerstandsdrahtes ohne Trägerkörper ist möglich.
-
Die Schicht des Widerstandsmaterials wird mit einem Überzug versehen, welcher den direkten
Kontakt des Widerstandsmaterials mit der umgebenden Gasphase verhindert, gleichzeitig aber keinen
thermischen Widerstand darstellt.
-
Der Überzug besteht vorzugsweise aus einer aufgeschmolzenen Glaskapillare,. Zur Erhöhung der
Meßsicherheit ist das Aufbringen geeigneter Diffusionsschichten möglich.
-
Der Sensor kann zum Schutz in einem Glas-Metall- oder Keramikschutzrohr untergebracht werden.
-
Die Ableitungen des Widerstandsmaterials betragen vorzugsweise den 10-fachen Durchmesser des
Widerstandsdrahtes. Dadurch wird ein Einfluß von äußeren Änderungen auf das Meßergebnis
vermieden.
-
Bei Konzentrationsschwankungen des Meßgases ändert sich dessen Wärmeleitfähigkeit und damit
auch der elektrische Widerstandswert der beiden vom Meßgas berührten Meßfühler
-
Dies führt zu einer Änderung der Brückenausgangsspannung. Diese Änderung der Wärmeleitfähigkeit
ist auch bei hohen Mediumstemperaturen gegeben.
-
Die Einklebung und Abdichtung des Sensorelementes erfolgt mit einem geeigneten Klebstoff, zum
Beispiel einer gasundurchlässigen Keramikmasse.
-
Als besonders geeignet haben sich Hochtemperatur-Keramikkleber der Fa. Polytec in Verbindung mit
geeigneten Dichtmassen erwiesen.
-
Die Erfindung betrifft den Aufbau des Sensors aus 2, 4 oder mehreren beliebigen Widerstandsfühlern,
die aus einem Material bestehen, welches einen Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen bis
650°C erlaubt.
-
Die Meßfühler werden in ein geeignetes Trägermaterial eingeklebt. Das Trägermaterial muß aus
einem Stoff bestehen, welcher sehr gute Wärmeleiteigenschaften aufweist und bei hohen
Temperaturen beständig ist. Als geeignet hat sich Kupfer erwiesen, andere Materialien sind möglich.
Der Kontakt zu den elektrischen Anschlüssen im Anschlußkopf kann über an die Fühlerableitungen
angeschweißte Drähte erfolgen oder über Platindrahte vom gleichen Durchmesser.
-
Die Thermospannungen bei Verwendung unterschiedlicher Materialien heben sich in der Schaltung
auf.
-
Die Spannungsversorgung kann variabel zwischen 2 und 25 V betragen.
-
Die Meßsignale variieren je nach Einsatztemperatur und Meßkomponente. Für weitere
Auswertungen kann das Meßsignal direkt im Sensorkopf verstärkt und normiert werden.
Das Sensorsignal kann direkt oder verstärkt einer Auswertung zugeführt werden.