DE2156752C3

DE2156752C3 - Detector measuring cell for gas analyzers to determine the thermal conductivity of gases

Info

Publication number: DE2156752C3
Application number: DE19712156752
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr .-Ing. Schaffhausen Feichtinger (Schweiz)
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1970-11-25
Filing date: 1971-11-16
Publication date: 1976-07-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektormeßzel-Ie für Gasanalysengeräte zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen, bestehend aus einem Metallblock, mindestens einer darin befindlichen Meßfühlerbohrung für die Unterbringung eines Wärmefühlers, sowie aus Zu- und Ableitungsbohrungen kleineren Durchmessers, welche senkrecht zur Achse der Meßfühlerbohrung und tangential schne'dend zu deren Wandung verlaufen.The invention relates to a detector measuring cell for gas analyzers for determining the thermal conductivity of gases, consisting of a metal block, at least one probe bore located therein for the accommodation of a heat sensor, as well as inlet and outlet bores of smaller diameter, which perpendicular to the axis of the probe bore and tangentially cutting to its wall get lost.

Bei verschiedenen bekannten Untersuchungsverfahren, wo die Wärmeleitfähigkeit von Gasen und Gasgemischen als Maß für die Zusammensetzung der Gase dient, z. B. in der Gaschromatographie, werden die zu untersuchenden Gase über einen erhitzten Temperaturfühler geleitet, der entsprechend der Gaszusammensetzung mehr oder weniger gekühlt wird, dadurch eine andere Temperatur annimmt und seinen Widerstand ändert. Die Änderung des Widerstandes dient als Maß seiner Temperaturänderung und somit als Maß der Änderung der Gaszusammensetzung.In various known investigation methods, where the thermal conductivity of gases and gas mixtures serves as a measure of the composition of the gases, e.g. B. in gas chromatography, the to investigating gases passed through a heated temperature sensor, which corresponds to the gas composition is more or less cooled, thereby assumes a different temperature and its resistance changes. The change in resistance serves as a measure of its temperature change and thus as a measure of the change the gas composition.

Bei Verfahren der vorstehend genannten Art werden 5» die Gase beispielsweise direkt über den erhitzten Meßleiter geführt, wie dies aus Fig.4 hervorgeht. Solche Zellen haben den Vorteil, daß sie sehr rasch und besonders empfindlich auf eine Änderung der Gaszusammensetzung ansprechen, haben aber den großen Nachteil, SS daß sie auch auf jede geringste Änderung der Geschwindigkeit der Gasströmung ansprechen, wodurch Fehlmessungen entstehen.In methods of the type mentioned above, the gases are, for example, passed directly over the heated measuring conductor, as can be seen from FIG. Such cells have the advantage that they respond very rapidly and especially sensitive to a change in the gas composition, but have the great disadvantage that they SS also respond to any slightest change in the velocity of the gas flow caused thereby incorrect measurements.

Diesen Fehler versuchte man bei einer weiteren bekannten Vorrichtung dadurch zu beheben, daß man ge- &> maß F i g. 5 den Gasstrom über eine Querverbindung an eine im übrigen geschlossene Kammer anschließt, in welche die Gase aus der Strömung dann nur durch Diffusion hineingelangen. Eine solche Zelle ist zwar gegen Änderung der Gasströmung unempfindlich, sie ist je- ⁶S doch so träge, daß sie zur Messung schnell sich ändernder Gaszusammensetzungen ungeeignet ist.Attempts were made to correct this error in a further known device by measuring F i g. 5 connects the gas flow via a cross connection to an otherwise closed chamber, into which the gases from the flow then only enter by diffusion. Such a cell is insensitive namely against change in the gas flow, it is JE ⁶ S but so slow that it is unsuitable for measuring fast changing gas compositions.

Einen weiteren, bekannten Versuch der Abhilfe zeigt Figo gemäß welcher man vom Hauptgasstrom nur einen Teilgasstrom über Kanäle über die eigentliche Meßzelle leitet. Diese Anordnung ist auch unter der Bezeichnung »Teilstromzelle« bekannt. Die Wirkung ist folgende: Je größer der Teilgasstrom ist, desto mehr zeigen sich die Nachteile der Durchflußmeßzelle und je kleiner der Teilgasstrom ist, desto mehr nähert man sich den Bedingungen der Diffusionszelle, d. h„ die Zelle wird träge und unempfindlich.Another known attempt to remedy the situation is shown in FIG directs a partial gas flow through channels over the actual measuring cell. This arrangement is also under the Designation "partial flow cell" known. The effect is as follows: the larger the partial gas flow, the more the disadvantages of the flow cell become apparent and the smaller the partial gas flow, the closer one approaches the conditions of the diffusion cell, d. h "the cell becomes sluggish and insensitive.

Durch die GB-PS 7 85 074 und die US-PS 34 74 660 sind ferner Wärmeleitfähigkeitsmeßzellen für Gasanalysengeräte bekanntgeworden, die aus einer größeren zylindrischen Bohrung bestehen, in welche eine kleinere Einlaßbohrung in einer im wesentlichen tangentialen Weise eingeführt ist Eine ebenfalls tangential angeordnete Ausführungsbohrung ist in der Nähe des entgegengesetzten Endes der zylindrischen Hauptbohrung angeordnet Zwar soll auf diese Weise der Nachteil eines Strömungseinflusses auf den Meßfühler vermieden werden, jedoch führt die Gasströmung bei der bekannten Lösung unvermeidbar eine schraubenlinienförmige Bewegung aus, die notwendigerweise eine axiale Strömungskomponente besitzt. Diese beeinflußt den Meßfühler und damit das Meßergebnis nachteilig.GB-PS 7 85 074 and US-PS 34 74 660 also provide thermal conductivity measuring cells for gas analyzers become known, which consist of a larger cylindrical bore in which a smaller one Inlet bore introduced in a substantially tangential manner is also arranged tangentially Execution bore is near the opposite end of the main cylindrical bore arranged Admittedly, the disadvantage of a flow influence on the sensor is to be avoided in this way are, however, the gas flow in the known solution inevitably leads a helical one Movement, which necessarily has an axial flow component. This affects the Sensor and thus the measurement result disadvantageous.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die den bekannten Vorrichtungen anhaftenden Nachteile zu vermeiden und eine Detektormeßzelle anzugeben, bei der der Einfluß der Strömungsgeschwindigkeit des zu untersuchenden Gases aufgehoben bzw. unterdrückt wird, wobei gleichzeitig eine hohe Ansprechgeschwindigkeit erzielt wird.The invention is based on the object of addressing the disadvantages inherent in the known devices avoid and specify a detector measuring cell in which the influence of the flow rate of the to investigating gas is canceled or suppressed, while at the same time a high response speed is achieved.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung dadurch, daß die Zu- und Ableitungsbohrungen über eine gemeinsame öffnung mit der Meßfühlerbohrung in Verbindung stehen, wobei mehrere Zu- und Ableitungsbohrungen symmetrisch an der oberen Hälfte und an der unteren Hälfte der Meßfühlerbohrung angeordnet sind, und daß die Zuleitung und Ableitung symmetrisch zu den Zu- und Ableitungsbohrungen liegen. The object set is achieved according to the invention with the device described at the beginning in that the inlet and outlet bores have a common opening with the sensor bore are in connection, with several inlet and outlet bores symmetrically on the upper half and are arranged on the lower half of the sensor bore, and that the supply line and drainage line are symmetrical to the inlet and outlet bores.

Dadurch entsteht innerhalb der Meßfühlerbohrung gewissermaßen ein Wirbel, welcher der äußeren Wand entlang eine Strömung mit großer Geschwindigkeit erzeugt, während in der Innenzone, in welcher sich der Meßfühler befindet, praktisch keine Strömung vorhanden ist. Es entstehen dadurch ideale Verhältnisse, indem gewissermaßen die sich ändernde Gaszusammensetzung in rascher, sich dauernd austauschender Bewegung ist, wobei sie eine maximale Fläche einnimmt, während die Zone, in der sich der Meßfühler befindet, verhältnismäßig ruhig und klein ist. Eine axiale Strömungskomponente, die auch den Mittenbereich der Meßfühlerbohrung erfassen würde, wird hierbei vollständig vermieden.This creates a kind of vortex within the sensor bore, which is the outer wall along a high velocity flow, while in the inner zone in which the Sensor is located, there is practically no flow. This creates ideal conditions by as it were, the changing gas composition in rapid, constantly exchanging movement where it occupies a maximum area, while the zone in which the sensor is located, is relatively quiet and small. An axial flow component, which would also cover the central area of the probe bore becomes complete here avoided.

Die Strömung z. B. des Trägergases kann bei solchen Zellen sehr hoch gehalten werden, ohne daß der Meßfühler kalt geblasen wird. Er ist gegen eine Änderung der Gaszusammensetzung sehr empfindlich und spricht fast genauso schnell und empfindlich an, wie bei einer Durchströmungszelle.The flow z. B. the carrier gas can be kept very high in such cells without the sensor is blown cold. He is very sensitive to a change in the gas composition and speaks almost as quickly and sensitively as with a flow cell.

Gemäß einer Ausbildung der Erfindung werden die Zu- und Ableitungsbohrungen paarweise an der oberen Hälfte und der unteren Hälfte der Meßfühlerbohrung angeordnet.According to one embodiment of the invention, the inlet and outlet bores are paired on the upper Half and the lower half of the probe bore arranged.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und ein Vergleich mit dem Stande der Technik seien nachfolgend an Hand der F i g. 1 bis 6 gegeben. Es zeigtEmbodiments of the subject matter of the invention and a comparison with the prior art are below with reference to FIG. 1 to 6 given. It shows

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht der Meßfühlerbohrung und ihrer Zu- und Ableitungsbohrungen.F i g. 1 is a perspective view of the sensor bore and its inlet and outlet bores.

F i g. 2 einen Querschnitt durch einen Metallblock mit einem Bohrungssystem gemäß Fig. 1, wobei die Schnittebene senkrecht zur Achse der Meßfühlerbohrung verläuft.F i g. 2 shows a cross section through a metal block with a drilling system according to FIG. 1, the Section plane runs perpendicular to the axis of the probe bore.

Fig.3 einen Querschnitt durch eine Variante der Meßzelle nach Fig. 1, wobei die Schnittebene in der Achse des Wärmefühlers und senkrecht zu den Achsen der Zu* und Ableitungsbohrungen liegt,3 shows a cross section through a variant of the Measuring cell according to FIG. 1, the sectional plane in the Axis of the heat sensor and perpendicular to the axes of the inlet and outlet bores,

F i g, 4, 5 und 6 Längsschnitte durch Metallblöcke in den Ebenen der Wärmefühler bei den verschiedenen, bekannten Meßzellen.F i g, 4, 5 and 6 longitudinal sections through metal blocks in the planes of the heat sensors at the different, known measuring cells.

In F i g. 1 ist mit 1 ein Wärmefühler bezeichnet, der in der Achse einer Meßfühlerbohrung 2 angeordnet ist. Die Meßfühlerbohrung weist einen Durchmesser von 8 bis 15 mm bei einer Länge von 10 bis 20 mm auf. Senk- ;echt zur Achse der Bohrung sind vier Zu- bzw. Ableitungsbohrungen 3 kleineren Durchmessers, beispielsweise zwischen J.8 und 3,0 mm angeordnet, deren Achsen tangential schneidend zur Wandung der Meßfühlerbohrung 2 verlaufen. Die Überschneidung ist so bemessen, daß die Zu- und Abführungsbohrungen im Randbereich in die Meßfühlerbohrung 2 münden. Die gemeinsame öffnung ist mit 4 bezeichnet.In Fig. 1, 1 denotes a heat sensor which is arranged in the axis of a measuring sensor bore 2. The probe bore has a diameter of 8 to 15 mm and a length of 10 to 20 mm. Four inlet and outlet bores 3 of smaller diameter, for example between J.8 and 3.0 mm, are arranged perpendicular to the axis of the bore, the axes of which run tangentially cutting to the wall of the measuring sensor bore 2. The overlap is dimensioned so that the inlet and outlet bores open into the sensor bore 2 in the edge area. The common opening is denoted by 4.

Die Bohrungen 3 stehen auf der Einlaß- und Auslaßseite über eine Querbohrung 5 von 2 bis 4 mm Durchmesser und eine Auffangbohrung 6 von 3 bis 6 mm Durchmesser miteinander in Verbindung, die die Funktion von Sammelleitungen besitzen. In die Querbohrung 5 mündet eine Zuleitung 7, aus der Auffangbohrung 6 führt eine Gasableitung 8 heraus. Das Bohrungssystem 3, 5 und 6 sowie die Leitungen 7 und 8 sind symmetrisch zu einer Symmetrieachse II angeordnet, die mit den Achsen der Leitungen 7 und 8 zusammenfällt. Die Symmetrieachse teilt die Meßfühlerbohrung 2 sinngemäß in eine obere Hälfte 9 und eine untere Hälfte IO auf. Dadurch liegt die Hälfte der paarweise angeordneten Bohrungen 3 am oberen Teil und die andere Hälfte am unteren Teil der Meßfühlerbohrung. Es ist srsichtlich, daß hierdurch eine gleichmäßige Verteilung des zu untersuchenden Gases über die gesamte Länge der Meßfühlerbohrung 2 erreicht wird.The holes 3 are on the inlet and outlet side via a transverse bore 5 of 2 to 4 mm in diameter and a receiving bore 6 of 3 to 6 mm Diameter in connection with each other, which have the function of collecting lines. In the cross hole A feed line 7 opens out in 5, and a gas discharge line 8 leads out of the collecting bore 6. The drilling system 3, 5 and 6 and the lines 7 and 8 are arranged symmetrically to an axis of symmetry II which coincides with the axes of the lines 7 and 8. The axis of symmetry divides the sensor bore 2 accordingly into an upper half 9 and a lower half IO on. As a result, half of the holes 3 arranged in pairs lies on the upper part and the other half Half on the lower part of the probe bore. It is obvious that this will result in an even distribution of the gas to be examined is reached over the entire length of the sensor bore 2.

Aus F i g. 2, die einen Querschnitt durch einen Metallblock 12 mit Bohrungen gemäß F i g. 1 zeigt, ist die tangentiale geometrische Zuordnung von Zu- und Ableitungsbohrungen 3 zur Meßfühlerbohrung 2 zu entnehmen. Die Bezugszeichen sind die gleichen.From Fig. 2, which shows a cross section through a metal block 12 with bores according to FIG. 1 shows is the tangential geometric assignment of inlet and outlet bores 3 to be taken from the sensor bore 2. The reference numbers are the same.

F i g. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Variante der Anordnung gemäß Fig. 1, wobei der Unterschied darin besteht, daß an Stelle der vier Bohrungen 3 deren sechs vorgesehen sind, von denen je drei oberhalb und unterhalb der Symmetrieachse 11 liegen. Die wesentlichsten Abmessungen einer solchen Zelle sind: Durchmesser der Meßfühlerbohrung 2 = 5 bis 6 mm; Länge = 18 bis 30 mm; Zu- und Abfeitungsbohrungen 3 = 1,2 bis 2,2 mm.F i g. 3 shows a longitudinal section through a variant of the arrangement according to FIG. 1, the difference being that instead of the four bores 3, six are provided, three of which are above and below the axis of symmetry 11. The most important dimensions of such a cell are: diameter of the sensor bore 2 = 5 to 6 mm; Length = 18 to 30 mm; Inlet and outlet bores 3 = 1.2 to 2.2 mm.

F i g. 4 zeigt eine der eingangs beschriebenen, zum Stande der Technik gehörenden Meßzellen mit zentraler Durchströmung der Meßfühlerbohrung 2, eine sogenannte Durchflußmeßzelle.F i g. 4 shows one of the prior art measuring cells described at the outset with a central Flow through the sensor bore 2, a so-called Flow cell.

F i g. 5 gibt in analoger Weise eine Anordnung wieder, bei der das zu untersuchende Gas nur durch Diffusion über den Kanal 13 in die Meßfühlerbohrung 2 gelangt. Es handelt sich hier um eine sogenannte Diffusionsmeßzelle. F i g. 5 shows an arrangement in an analogous manner in which the gas to be examined is only diffused reaches the sensor bore 2 via channel 13. It is a so-called diffusion measuring cell.

F i g. 6 schließlich offenbart eine »Teilstromzelle« mit einer Meßfühlerbohrung 2, der über die beidseitigen Kanäle 14 und 15 ein Teilstrom des durch die Zuleitung 7 und Ableitung 8 strömenden Gases zugeführt wird.F i g. 6 finally discloses a "partial flow cell" with a measuring sensor bore 2, which extends over the two-sided Channels 14 and 15 are supplied with a partial flow of the gas flowing through the supply line 7 and discharge line 8 will.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Detector measuring cell for gas analyzers to determine the thermal conductivity of gases, consisting from a metal block, at least one probe bore located therein for accommodation a heat sensor, as well as inlet and outlet bores of smaller diameter, which run perpendicular to the axis of the probe bore and »o cut tangentially to its wall, characterized in that the inlet and outlet bores (3) have a common Opening (4) with the measuring sensor bore (2) are in connection, with several inlet and outlet bores (3) symmetrically on the upper half (9) and the lower half (10) of the measuring probe bore (2) are arranged, and that the supply line (7) and the outlet (8) are symmetrical to the inlet and outlet bores. »

2. Detector measuring cell according to claim 1, characterized in that the inlet and outlet bores (3) are arranged in pairs on the upper half (9) and the lower half (10) of the sensor bore (2). ² pp