Verfahren zur quantitativen Messung bestimmter Komponenten einer Gasmischung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur quantitativen Messung bestimmter Komponenten einer Gasmischung, insbesondere der Feuchtigkeitskonzentration und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es sind chromatographische Messverfahren für die Bestimmung von Gaszusammensetzungen bekannt, denen die Sorption des zu analysierenden Gases durch ein Sorptionsmittel und anschliessende Desorption durch Durchführung eines Neutralgases durch das Sorptionsmittel zugrunde liegt. Über die Zusammensetzung des zu analysierenden Gases urteilt man nach dem Gehalt seiner Komponenten in dem Neutralgas, das man zu diesem Zweck durch einen Detektor durchlässt. Durch dieses Verfahren gelingt es, viele komplizierte Gaszusammensetzungen zu analysieren.
Als Hauptnachteil ist bei diesen Verfahren zu bezeichnen, dass es unmöglich ist, sie mit einfachen Mitteln zu realisieren. Die Gasanalysatoren zur Durchführung dieser Verfahren sind komplizierte Aggregate, die Pumpen, Gasflaschen, Programmeinrichtungen, Thermostate und Detektoren von komplizierter Konstruktion enthalten. Wegen ihrer Kompliziertheit finden diese Verfahren nur in den Fällen praktische Anwendung, wo eine volle Analyse komplizierter Zusammensetzungen erforderlich ist.
Ein weiterer Nachteil bei den erwähnten Verfahren ist die zur Benutzung in automatischen Einrichtungen ungünstige Form des Ausgangssignals. Das gewonnene Chromatogramm bedarf einer Analyse und einer Auswertung.
Bekannt sind auch Gasanalysatoren, die wenigstens eine Messbrücke enthalten, deren Zweige durch Widerstände und durch wenigstens einen Thermistor, den man in dem zu untersuchenden Gas unterbringt, gebildet sind (siehe zum Beispiel deutsches Patent Nr. 306 397, Kl. 421, 1914).
Je nach der Wärmeleitung des zu überwachenden Gases wird der Thermistor, der durch den ihn durchfliessenden Strom erhitzt wird, mehr oder weniger gekühlt, so dass seine Temperatur entsprechend verändert wird. Die Spannung an der Brückenmessdiagonale, die als Ausgangssignal des Gasanalysators gilt, ist der Wärmeleitung des zu überwachenden Gases proportional.
Mit diesen Gasanalysatoren lassen sich nur einfache Zweikomponentengasgemische analysieren, da die Wärmeleitung komplizierter Gemische durch die Wärmeleitung aller Komponenten bestimmt wird.
Als weitere Nachteile sind bei den erwähnten Gasanalysatoren die relativ hohe Stromaufnahme und das zur Einführung in eine Zifferneinrichtung ungünstige Ausgangssignal (Gleichstromspannung geringer Höhe) zu bezeichnen.
Zweck der Erfindung ist ein Verfahren zur quantitativen Messung bestimmter Komponenten einer Gasmischung, insbesondere der Feuchtigkeitskonzentration zu entwickeln, das eine erhöhte Analysenselektivität bei der Ermittlung von Komponenten komplizierter Gasgemische sichert.
Zweck der Erfindung ist es auch, einen Gasanalysator zur Messung der Gaszusammensetzung nach diesem Verfahren zu schaffen, der bei relativ einfacher Konstruktion die Ermittlung verschiedener Gasgemischkomponenten ermöglicht und ein zur Eingabe in Zifferngeräte bequemes Ausgangssignal liefert.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur quantitativen Messung bestimmter Komponenten einer Gasmischung durch Sorption des zu untersuchenden Gases durch Sorptionsmittel mit nachfolgender Desorption zeichnet sich dadurch aus, dass die Gasdesorption durch Erhitzung wenigstens eines Sorptionsmittels bis zu einer bestimmten Temperatur erfolgt, wobei die zuzuführende Wärmemenge die Menge des desorbierten Gases be stimmt, und die Zeit vom Beginn der Erhitzung bis zum Erreichen der bestimmten Endtemperatur gemessen wird, um daraus die Konzentration der sorbierten Gaskomponente zu bestimmen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens enthält wenigstens eine Messbrücke, deren Zweige durch Widerstände und wenigstens einen, in dem zu untersuchenden Gas untergebrachten Thermistor gebildet sind, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Thermistor mit einem Sorptionsmittel, das die zu bestimmende Gaskomponente sorbiert, überzogen ist, und dass in die Messdiagonale der Brücke ein Nullorgan geschaltet ist, das ein Signal liefert, welches das Erreichen der bestimmten Endtemperatur durch den Thermistor meldet, während in der Speiseleitung der Brücke ein Schalter liegt, bei dessen Schliessung die Speisespannung an die Brücke und an einen Heizbeginnüberwachungskreis des Thermistors gelegt wird.
Der Schalter kann durch das Nullorgan steuerbar sein und als Regelelement zusammen mit einem Mittel zur Einstellung der Thermistortemperatur einen Thermistortemperaturstabilisator bilden.
An den Schalter kann auch ein Einschaltmittel mit Zeitverzögerung zum selbsttätigen Einschalten desselben angeschlossen sein.
Als Temperatureinstellmittel kann einer der Widerstände, die mit dem Thermistor die Messbrücke bilden, dienen.
Zweckmässigerweise wird das Temperatureinstellmittel für den Thermistor als Hilfsthermistor ausgeführt, der das zu überwachende Gas neben dem mit einem Sorptionsmittel bedeckten Thermistor vorwärmt und der in die Messbrücke an Stelle des letzteren für die der Gaszusammensetzungsmessung vorangehende Zeit geschaltet wird.
Eine günstige Lösung der Aufgabe kann erreicht werden, wenn man in den Kreis zur Kontrolle des Thermistorheizbeginns wenigstens einen Schalter einfügt, durch den die Gewinnung eines Signals, dessen Dauer der Heizdauer des Thermistors gleich ist, sichergestellt ist.
Im Folgenden soll nun die Erfindung durch die Beschreibung von konkreten Ausführungsbeispielen und anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 die elektrische Schaltung eines erfindungsgemässen Gasanalysators;
Fig. 2 die elektrische Schaltung einer zweiten Ausführungsvariante des Gasanalysators mit zwei Messbrücken;
Fig. 3 die elektrische Schaltung einer dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Gasanalysators mit einem Temperaturstabilisator für den mit einem Sorptionsmittel bedeckten Thermistor;
Fig. 4 die elektrische Schaltung einer vierten Ausführungsvariante des Gasanalysators mit einem Hilfsthermistor;
Fig. 5 die elektrische Schaltung einer fünften Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Gasanalysators mit zwei Messbrücken und einem Hilfsthermistor;
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Fig. 6 zeitliche Temperaturänderungskurven für den mit einem Sorptionsmittel bedeckten Thermistor des Gasanalysators gemäss Fig. 3.
Der erfindungsgemässe Gasanalysator enthält eine Messbrücke und eine Speisequelle 1 (Fig. 1) für diese.
Die Zweige der Messbrücke enthalten Widerstände 2, 3, 4 und einen Thermistor 5, der in einer Kammer 6 mit dem zu untersuchenden Gas untergebracht und mit einem Sorptionsmittel 7 bedeckt ist. An Stelle des Widerstandes 4 kann man auch einen Thermistor verwenden, der so gewählt ist, dass er praktisch nicht von dem ihn durchfliessenden Strom erhitzt wird.
In der einen Messdiagonale der Messbrücke liegt ein Nullorgan 8, welches ein einen Schaltkreis 9 entnehmbares Meldesignal liefert, wenn vom Thermistor 5 die Solltemperatur erreicht ist.
In der anderen Brückendiagonale liegt ein über einen Fremdbefehlskreis 11 steuerbarer Schalter 10, bei dessen Schliessung die Speisequelle 1 an die Messbrükke und an einen Heizbeginnüberwachungskreis 12 des Thermistors 5 gelegt wird. In der Zeichnung sind von den Schaltkreisen 9, 11, 12 für das Ausgangssignal, das Fremdbefehlssignal und das Thermistor-Heizbeginnsignal nur deren Anschlussleitungen dargestellt.
In Fällen, wo sich die Wärmeleitung des zu untersuchenden Gases in weiten Grenzen ändert und in diesem eine Komponente enthalten ist, deren Sorption durch das Sorptionsmittel einen grossen Fehler bedingt, wird, wie Fig. 2 zeigt, der Gasanalysator gemäss der zweiten Ausführungsvariante mit einer zweiten Messbrücke ausgestattet. Die Zweige der zweiten Messbrücke sind durch einen zweiten Thermistor 13 und Widerstände 14, 3 und 4 gebildet. Der zweite Thermistor 13 ist mit einem Sorptionsmittel 15, das sich in seinen Eigenschaften von dem Sorptionsmittel 7 des ersten Thermistors 5 unterscheidet, bedeckt und in der zu untersuchenden Gasmischung untergebracht.
In der Messdiagonale der zweiten Brücke liegt ein Nullorgan 16, das ein einem zweiten Ausgangskreis 17, von dem in der Zeichnung nur die Anschlussleitung dargestellt ist, entnehmbares Meldesignal liefert, wenn durch den zweiten Thermistor 13 die Solltemperatur erreicht ist.
In Fällen, wo sich die Temperatur des zu untersuchenden Gases in weiten Grenzen ändert und die Analyse mehrerer Gaskomponenten erforderlich ist, die sich durch die Desorptionstemperaturwerte wesentlich unterscheiden, sowie auch in Fällen, wo eine Umstellung des Gasanalysators auf verschiedene Messgrenzen er erforderlich ist, enthält, wie Fig. 3 zeigt, gemäss der dritten Ausführungsvariante der Gasanalysator einen Schalter 10, der durch das Nullorgan 8 steuerbar ist und ein Regelelement für einen Thermistor-Temperaturstabili - sator bildet, als dessen Fühlelement der Thermistor 5 dient. Der Temperaturstabilisator des Thermistors 5 enthält ein Temperatureinstellmittel. In dieser Ausführung sind die Zweige der Messbrücke durch den Thermistor 5 und die Widerstände 2, 4 und 18, 19, 20 gebildet.
An den Schalter 10 ist ein Einschaltmittel 21 mit Zeitverzögerung angeschlossen, das beispielsweise eine Triggerschaltung mit einem stabilen Zustand ist, und den Schalter 10 nach einer gewissen Zeit jeweils selbsttätig einschaltet.
Bei der beschriebenen Ausführungsvariante des Gasanalysators dienen als Temperatureinstellmittel für den Thermistor 5 die durch Schalter 22 und 23 überbrückten Widerstände 19 und 20.
Im Heizbeginnüberwachungskreis 12 für den Thermistor 5 liegen Schalter 24 und 25, welche die Gewinnung von Signalen sichern, deren Dauer der Heizdauer des Thermistors 5 gleich ist.
Die Schalter 23 und 24 sind durch einen Fremdkommandosignalkreis 26 und die Schalter 22 und 27 durch einen Fremdkommandosignalkreis 27 (von denen in der Zeichnung wiederum nur die Anschlussleitungen dargestellt sind) gesteuert.
An die Messbrücke ist ein Integrierglied 28 angeschlossen, das einen Widerstand 29 und einen Kondensator 30 enthält und dessen Signal der Temperaturdifferenz des Thermistors 5 und des zu untersuchenden Gases proportional ist.
Die Einführung des Integriergliedes 28 in die Gasanalysatorschaltung ermöglicht die kontinuierliche Funktionskontrolle dieser Schaltung und die Gewinnung von zusätzlicher Information über die Temperatur des zu überwachenden Gases.
Bei der in Fig. 4 gezeigten vierten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Gasanalysators ist es zum Unterschied von der dritten Ausführungsvariante zweckmässig, einen Hilfsthermistor 31 einzuführen, der das zu überwachende Gas neben dem Thermistor 5 vorwärmt. Der Thermistor 31 besteht aus einer in der Kammer 6 untergebrachten Wicklung, die man während der der Messung vorangehenden Zeit in die Messbrücke an Stelle des Thermistors 5 einschaltet und die zusammen mit dem Thermistor 5 an einem Schalter 32 angeschlossen ist. Letzterer ist mit der Messbrücke verbunden und zusammen mit dem in den Heizbeginnüberwachungskreis 12 liegenden Schalter 24 durch einen Fremdkommandosignalkreis 33 gesteuert.
In Fällen, wo eine erhöhte Wirkungsgeschwindigkeit des Gasanalysators erforderlich ist und wo sich die Temperatur und die Wärmeleitung des zu untersuchenden Gases in weiten Grenzen ändern, ist es zweckmässig, eine fünfte Ausführungsvariante zu benutzen, die eine Kombination der zweiten und der vierten Variante darstellt und in Fig. 5 gezeigt ist.
Bei dieser Ausführungsvariante sind zwei Messbrükken vorgesehen, deren Zweige jeweils durch die Thermistoren 5 und 13 und die Widerstände 2, 3, 4 und 14, 3, 4 gebildet sind.
Der Thermistor 13 ist mit dem Sorptionsmittel 15, das sich nach seinen Eigenschaften vom Sorptionsmittel 7 unterscheidet, bedeckt, und in dem zu untersuchenden Gas untergebracht.
Das Temperatureinstellmittel für den Thermistor 5 bildet bei diesem Gasanalysator der Thermistor 31, dessen Bestimmung und Anordnung vorstehend eingehend beschrieben wurde.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Gasanalysators nach der ersten Ausführungsvariante (Fig. 1) besteht in folgendem.
In den Zeitabschnitten zwischen den Messungen ist der Schalter 10 offen, so dass die Messbrücke keine Speisung erhält. Das Sorptionsmittel 7, das den Thermistor 5 bedeckt, absorbiert aus dem zu überwachenden Gas die zu analysierende Komponente (zum Beispiel die Feuchte) in einer ihrem Partialdruck proportionalen Menge.
Bei der Messung der Komponente trifft von dem Fremdkommandosignalkreis 11 ein Kommandosignal ein, so dass der Schalter 10 geschlossen und die Speisung von der Quelle 1 an die Messbrücke gelegt wird. Der Thermistor 5 beginnt sich zu erhitzen, wobei eine Desorption der von dem Sorptionsmittel 7 absorbierten Gaskomponente erfolgt. Der Wärmeaufwand für die Desorption verzögert die Erhitzung des Thermistors 5.
Sobald der Thermistor 5 die Solltemperatur, die durch das Verhältnis der Widerstandswerte des Thermistors 5 und der Widerstände 2, 3 und 4 bestimmt wird, erreicht hat, fällt die Spannung an der Brükkenmessdiagonale auf einen solchen Wert ab, bei dem das Nullorgan 8 anspricht. Der Schalter 10 liefert beim Schliessen über den Kreis 12 ein Heizbeginnsignal für den Thermistor 5, während das Nullorgan 8 bei Erreichen des Brückenabgleiches über den Kreis 9 ein Heizbeendigungssignal liefert. Nach dem Zeitabstand zwischen diesen Signalen urteilt man über die Konzentration der absorbierten Gaskomponente.
Die Wirkungsweise des Gasanalysators beruht somit darauf, dass man das Sorptionsmittel 7 bis auf den die Menge des desorbierten Gases charakterisierenden Sollwärmezustand erwärmt, und auf der Messung der Einstellzeit für diesen Zustand. Als Sollwärmezustand gilt die Temperatur, bei der das Nullorgan 8 anspricht.
Diese Temperatur wird derart gewählt, dass beim Erreichen derselben eine maximale Desorption der absorbierten Komponente stattfindet.
Die Arbeitsweise des Gasanalysators nach der zweiten Ausführungsvariante (Fig. 2) ist der des Gasanalysators nach der ersten Variante ähnlich, mit dem Unterschied, dass in den Zeitabschnitten zwischen den Messungen eine Sorption zweier Komponente bzw.
einer Kompcnentenkombination des zu untersuchenden Gases die auf die Thermistoren 5 und 13 aufgetragene Sorptionsmittel 7 und 15 erfolgt. Nach dem Ansprechen des Schalters 10 beginnt sich gleichzeitig mit dem Thermistor 5 der Thermistor 13 zu erwärmen und beim Erreichen der Solltemperatur, die durch das Verhältnis der Widerstandswerte der aus den Widerständen 3, 4, 14 und dem Thermistor 13 bestehenden Messbrückenzweigen bestimmt wird, spricht das Nullorgan 16 an, das über den Kreis 17 ein Signal liefert. Über die Konzentration der sorbierten Gaskomponenten urteilt man nach der Heizdauer jedes der beiden Thermistoren 5 und 13, die durch die Signale in den Kreisen 12, 9 und 12, 17 bestimmt wird, oder nach der Heizdauerdifferenz dieser Thermistoren, die durch die Signale in den Kreisen 9 und 17 bestimmt wird.
Im letzteren Falle wird die Empfindlichkeit beträchtlich erhöht und der Einfluss von Gaswärmeleitungsänderungen kompensiert.
Die Arbeitsweise des Gasanalysators nach der dritten Ausführungsvariante (Fig. 3) ist wie folgt:
In den Zeitabständen zwischen den Messungen sind die Schalter 22, 23, 24 und 25 offen. Hierbei ist das Verhältnis der Widerstandswerte der aus den Widerständen 2, 18, 20 und 4 sowie dem Thermistor 5 bestehenden Messbrückenzweige derart gewählt, dass die Brücke bei einer der gewählten Stabilisierungstemperatur entsprechenden Temperatur des Thermistors 5 abgeglichen wird, die etwas höher als die maximale Temperatur des zu überwachenden Gases liegt. Der Gasanalysator arbeitet als Zweistellungstemperaturstabilisator des Thermistors 5.
Bei der Erhitzung des Thermistors 5, der als Fühlelement des Stabilisators gilt, auf die Stabilisierungstemperatur spricht das Nullorgan 8 an, welches ein Abschaltsignal für den Schalter 10 liefert, der als Regelelement des Stabilisators gilt, so dass der Thermistor 5 sich abzukühlen beginnt. Nach einer gewissen Zeit, die durch das Einschaltmittel 21 bestimmt wird, schliesst der Schalter 10 den Stromkreis.
Dieser Vorgang wiederholt sich fortlaufend bis zum Messbeginn, der durch das Eintreffen eines Fremdkom mandosignals über den Kreis 26 auf die Schalter 23 und 24 bestimmt wird.
Der Schalter 23 schaltet den Widerstand 20 aus (bzw. ein), wodurch das Verhältnis der Widerstands werte der Messbrückenzweige verändert wird. Es beginnt die Erhitzung des Thermistors 5 von der Stabilisierungstemperatur auf die neue Temperatur, die durch das Widerstandsverhältnis der aus dem Thermistor 5 und den Widerständen 2, 4, 18 und 19 bestehenden Messbräckenzweige bestimmt wird.
Im Laufe der Erhitzung erfolgt eine Desorption der absorbierten Gaskomponente. Das Zeitintervall von dem Schliessungsmoment des Schalters 24 bis zum öffnungsmoment des Schalters 10 gilt als Ausgangssignal des Gasanalysators. Wird nach Beendigung dieses Vorgangs ein Fremdkommandosignal an den Kreis 27 gelegt, so sprechen die Schalter 22 und 25 an und aus dem Messbrückenkreis wird der Widerstand 19 ausgeschaltet (bzw. in diesen eingeschaltet), so dass der Thermistor 5 wie oben beschrieben, auf die neue Temperatur unter Abgabe eines entsprechenden Signals über den Schalter 25 für den Kreis 12 nacherhitzt wird.
Die Arbeitsweise dieser Gasanalysatorvariante wird anhand des in Fig. 6 dargestellten Temperaturänderungsdiagramms des mit dem Sorptionsmittel 7 bedeckten Thermistors 5 erläutert, wo an der Abszissenachse die Zeit (t) und an der Ordinatenachse - die Temperatur (T) des Thermistors 5 aufgetragen ist.
Auf dem Diagramm bedeutet Ts - die Stabilisierungstemperatur des Thermistors 5, Ti und T2 die Temperatur, auf welche der Thermistor 5 im Laufe von zwei aufeinanderfolgenden Messetappen erhitzt wird, ti und t2 - die Zeitintervalle, aus denen man die Konzentration der in den entsprechenden Zeitintervallen desorbierenden Gaskomponenten bestimmen kann.
In den Zeitabschnitten zwischen den Messungen wird die pulsierende Speisespannung der Messbrücke dem Integrierglied 28 zugeführt (Fig. 5), an dessen Ausgang ein der Temperaturdifferenz des Thermistors 5 und des zu überwachenden Gases proportionales Gleichstromsignal erscheint. Nach diesem Signal urteilt man sowohl über die Temperatur des zu überwachenden Gases, als auch über den Zustand des Stromkreises des Gasanalysators.
Die Arbeitsweise des Gasanalysators nach der vierten Ausführungsvariante (Fig. 4) ist der des Gasanalysators nach der dritten Ausführungsvariante (Fig. 3) ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass in den Zeitabschnitten vor dem Messbeginn in den Messbrükkenzweig an Stelle des Thermistors 5 der Hilfsthermistor 31 geschaltet wird.
Sein Widerstandswert ist derart gewählt, dass die Brücke bei Solltemperatur abgeglichen ist. Der Hilfsthermistor 31 erhitzt auf diese Temperatur den Thermistor 5 und das diesen umgebende, zu untersuchende Gas. Bei der Messung wird an den Kreis 33 ein Fremdkommandosignal gelegt, wodurch der Schalter 24 geschlossen wird, während der Schalter 32 den Hilfsthermistor 31 aus dem Messbrückenzweig abschaltet und den Thermistor 5 an seine Stelle einschaltet. Der Widerstandswert des letzteren ist derart gewählt, dass die Messbrücke bei der neuen Solltemperatur abgeglichen wird. Die Erhitzungsdauer des Thermistors 5 auf diese Temperatur gilt als Gasanalysatorausgangssignal, das dem Ausgang des Schalters 24 im Kreis 12 entnommen wird.
Die Arbeitsweise des Gasanalysators nach der fünften Ausführungsvariante (Fig. 5) ist der des Gasanalysators nach der vierten Ausführungsvariante ähnlich.
Der Unterschied besteht darin, dass beim Anlegen des Fremdkommandosignals an den Kreis 33 gleichzeitig mit dem Ersetzen des Thermistors 31 durch den Thermistor 5 an den Speisekreis ein weiterer Thermistor 13 und ein Widerstand 14 gelegt werden, die zusammen mit den Widerständen 3 und 4 eine zweite Messbrücke bilden.
Die Thermistoren 5 und 13 sind, wie bereits oben beschrieben, mit den Sorptionsmitteln 7 und 15 bedeckt und werden in verschiedenen Zeitabständen erhitzt. Die Solltemperatursignale der Thermistoren 5 und 13 werden über die Kreise 9 und 17 den Ausgängen der Nullorgane 8 und 16 entnommen.
Die Realisierung des erfindungsgemässen Verfahrens in den beschriebenen Gasanalysatoren gestattet es, Geräte zu schaffen, die einfachen Aufbau, geringe Abmessungen, geringe Stromaufnahme, Wirkungsselektivität, Änderungsmöglichkeit der Einstellung auf die Messung einer neuen Komponente durch Umschalten des Fühlelementes aufweisen.
Darüber hinaus gestatten es diese Gasanalysatoren, neben der Gasanalyse die Gastemperatur zu messen und fortlaufend die Zuverlässigkeit der Schaltung zu kontrollieren.
Method for the quantitative measurement of certain components of a gas mixture and device for carrying out the method
The present invention relates to a method for the quantitative measurement of certain components of a gas mixture, in particular the moisture concentration, and a device for carrying out the method.
There are known chromatographic measuring methods for the determination of gas compositions, which are based on the sorption of the gas to be analyzed by a sorbent and subsequent desorption by passing a neutral gas through the sorbent. The composition of the gas to be analyzed is judged by the content of its components in the neutral gas that is passed through a detector for this purpose. This method makes it possible to analyze many complicated gas compositions.
The main disadvantage of these methods is that they are impossible to implement with simple means. The gas analyzers for performing these procedures are complex assemblies that include pumps, gas cylinders, programming devices, thermostats, and detectors of complex construction. Because of their complexity, these methods find practical application only in cases where a full analysis of complex compositions is required.
Another disadvantage of the methods mentioned is the form of the output signal which is unfavorable for use in automatic devices. The chromatogram obtained requires analysis and evaluation.
Gas analyzers are also known which contain at least one measuring bridge, the branches of which are formed by resistors and by at least one thermistor which is placed in the gas to be examined (see, for example, German Patent No. 306 397, class 421, 1914).
Depending on the thermal conductivity of the gas to be monitored, the thermistor, which is heated by the current flowing through it, is more or less cooled, so that its temperature is changed accordingly. The voltage on the bridge measuring diagonal, which is the output signal of the gas analyzer, is proportional to the heat conduction of the gas to be monitored.
These gas analyzers can only be used to analyze simple two-component gas mixtures, as the heat conduction of complicated mixtures is determined by the heat conduction of all components.
Further disadvantages of the gas analyzers mentioned are the relatively high power consumption and the output signal (low direct current voltage) which is unfavorable for introduction into a numeric device.
The purpose of the invention is to develop a method for the quantitative measurement of certain components of a gas mixture, in particular the moisture concentration, which ensures an increased analytical selectivity in the determination of components of complicated gas mixtures.
The purpose of the invention is also to create a gas analyzer for measuring the gas composition according to this method, which with a relatively simple construction enables the determination of various gas mixture components and provides an output signal which is convenient for input into numeric devices.
The method according to the invention for the quantitative measurement of certain components of a gas mixture by sorption of the gas to be examined by sorbents with subsequent desorption is characterized in that the gas desorption takes place by heating at least one sorbent to a certain temperature, the amount of heat to be supplied being the amount of desorbed gas determined, and the time from the start of heating to reaching the specific end temperature is measured in order to determine the concentration of the sorbed gas component.
The inventive device for performing this method contains at least one measuring bridge, the branches of which are formed by resistors and at least one thermistor housed in the gas to be examined, and is characterized in that the thermistor is coated with a sorbent that sorbs the gas component to be determined is, and that in the measuring diagonal of the bridge, a zero organ is connected, which delivers a signal that reports the reaching of the certain final temperature by the thermistor, while in the supply line of the bridge there is a switch, when it closes the supply voltage to the bridge and on a start of heating monitoring circuit of the thermistor is placed.
The switch can be controlled by the zero element and, as a control element, together with a means for setting the thermistor temperature, can form a thermistor temperature stabilizer.
A switch-on means with a time delay for automatically switching it on can also be connected to the switch.
One of the resistors that form the measuring bridge with the thermistor can serve as a temperature setting means.
The temperature setting means for the thermistor is expediently designed as an auxiliary thermistor, which preheats the gas to be monitored next to the thermistor covered with a sorbent and which is switched into the measuring bridge in place of the latter for the time preceding the gas composition measurement.
A favorable solution to the problem can be achieved if at least one switch is added to the circuit for controlling the start of thermistor heating, which ensures that a signal is obtained whose duration is the same as the heating duration of the thermistor.
The invention will now be explained in more detail below through the description of specific exemplary embodiments and with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 shows the electrical circuit of a gas analyzer according to the invention;
2 shows the electrical circuit of a second variant of the gas analyzer with two measuring bridges;
3 shows the electrical circuit of a third variant embodiment of the gas analyzer according to the invention with a temperature stabilizer for the thermistor covered with a sorbent;
4 shows the electrical circuit of a fourth variant embodiment of the gas analyzer with an auxiliary thermistor;
5 shows the electrical circuit of a fifth variant of the gas analyzer according to the invention with two measuring bridges and an auxiliary thermistor;
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6 shows temperature change curves over time for the thermistor of the gas analyzer according to FIG. 3 covered with a sorbent.
The gas analyzer according to the invention contains a measuring bridge and a supply source 1 (FIG. 1) for this.
The branches of the measuring bridge contain resistors 2, 3, 4 and a thermistor 5, which is accommodated in a chamber 6 with the gas to be examined and covered with a sorbent 7. Instead of the resistor 4, a thermistor can also be used which is selected so that it is practically not heated by the current flowing through it.
In one measuring diagonal of the measuring bridge there is a zero element 8, which supplies a signaling signal that can be taken from a circuit 9 when the desired temperature is reached by the thermistor 5.
In the other bridge diagonal there is a switch 10 which can be controlled via an external command circuit 11, and when it closes the supply source 1 is connected to the measuring bridge and to a heating start monitoring circuit 12 of the thermistor 5. In the drawing, only the connection lines of the circuits 9, 11, 12 for the output signal, the external command signal and the thermistor heating start signal are shown.
In cases where the heat conduction of the gas to be examined changes within wide limits and this contains a component whose sorption by the sorbent causes a large error, the gas analyzer according to the second variant is, as FIG. 2 shows, with a second Measuring bridge equipped. The branches of the second measuring bridge are formed by a second thermistor 13 and resistors 14, 3 and 4. The second thermistor 13 is covered with a sorbent 15, which differs in its properties from the sorbent 7 of the first thermistor 5, and is accommodated in the gas mixture to be examined.
In the measuring diagonal of the second bridge there is a zero element 16, which delivers a signal signal that can be taken from a second output circuit 17, of which only the connection line is shown in the drawing, when the setpoint temperature is reached by the second thermistor 13.
In cases where the temperature of the gas to be examined changes within wide limits and the analysis of several gas components is required, which differ significantly in terms of the desorption temperature values, as well as in cases where the gas analyzer has to be converted to different measurement limits, As FIG. 3 shows, according to the third variant of the gas analyzer, a switch 10 which can be controlled by the zero element 8 and which forms a control element for a thermistor temperature stabilizer, the thermistor 5 of which is used as its sensing element. The temperature stabilizer of the thermistor 5 includes temperature adjusting means. In this embodiment, the branches of the measuring bridge are formed by the thermistor 5 and the resistors 2, 4 and 18, 19, 20.
A switch-on means 21 with a time delay is connected to the switch 10 and is, for example, a trigger circuit with a stable state and switches the switch 10 on automatically after a certain time.
In the described variant of the gas analyzer, the resistors 19 and 20 bridged by switches 22 and 23 serve as temperature setting means for the thermistor 5.
In the start of heating monitoring circuit 12 for the thermistor 5 there are switches 24 and 25 which ensure that signals are obtained whose duration is the same as the heating duration of the thermistor 5.
The switches 23 and 24 are controlled by an external command signal circuit 26 and the switches 22 and 27 by an external command signal circuit 27 (of which only the connecting lines are shown in the drawing).
An integrating element 28, which contains a resistor 29 and a capacitor 30 and whose signal is proportional to the temperature difference between the thermistor 5 and the gas to be examined, is connected to the measuring bridge.
The introduction of the integrator 28 in the gas analyzer circuit enables the continuous functional control of this circuit and the acquisition of additional information about the temperature of the gas to be monitored.
In the fourth variant of the gas analyzer according to the invention shown in FIG. 4, it is expedient, in contrast to the third variant, to introduce an auxiliary thermistor 31 which preheats the gas to be monitored next to the thermistor 5. The thermistor 31 consists of a winding accommodated in the chamber 6, which is switched on in the measuring bridge in place of the thermistor 5 during the time preceding the measurement and which is connected to a switch 32 together with the thermistor 5. The latter is connected to the measuring bridge and, together with the switch 24 located in the heating start monitoring circuit 12, is controlled by an external command signal circuit 33.
In cases where an increased operating speed of the gas analyzer is required and where the temperature and heat conduction of the gas to be examined change within wide limits, it is advisable to use a fifth variant, which is a combination of the second and fourth variant and in Fig. 5 is shown.
In this embodiment, two measuring bridges are provided, the branches of which are each formed by the thermistors 5 and 13 and the resistors 2, 3, 4 and 14, 3, 4.
The thermistor 13 is covered with the sorbent 15, which differs from the sorbent 7 in terms of its properties, and is accommodated in the gas to be examined.
The temperature setting means for the thermistor 5 in this gas analyzer is the thermistor 31, the definition and arrangement of which has been described in detail above.
The mode of operation of the gas analyzer according to the invention according to the first variant embodiment (FIG. 1) consists in the following.
In the time segments between the measurements, the switch 10 is open so that the measuring bridge does not receive any power. The sorbent 7, which covers the thermistor 5, absorbs the component to be analyzed (for example the moisture) from the gas to be monitored in an amount proportional to its partial pressure.
When the component is measured, a command signal arrives from the external command signal circuit 11, so that the switch 10 is closed and the supply from the source 1 is applied to the measuring bridge. The thermistor 5 begins to heat up, with a desorption of the gas component absorbed by the sorbent 7 taking place. The heat required for desorption delays the heating of the thermistor 5.
As soon as the thermistor 5 has reached the target temperature, which is determined by the ratio of the resistance values of the thermistor 5 and the resistors 2, 3 and 4, the voltage at the bridge measuring diagonal drops to a value at which the zero element 8 responds. When the circuit 12 closes, the switch 10 supplies a heating start signal for the thermistor 5, while the zero element 8 supplies a heating termination signal via the circuit 9 when the bridge adjustment is reached. The time interval between these signals is used to judge the concentration of the absorbed gas component.
The mode of operation of the gas analyzer is based on the fact that the sorbent 7 is heated up to the setpoint heat state characterizing the amount of desorbed gas, and on the measurement of the response time for this state. The target heat state is the temperature at which the zero organ 8 responds.
This temperature is chosen such that when it is reached, maximum desorption of the absorbed component takes place.
The mode of operation of the gas analyzer according to the second variant (FIG. 2) is similar to that of the gas analyzer according to the first variant, with the difference that in the time segments between the measurements, two components or
a component combination of the gas to be examined, the sorbents 7 and 15 applied to the thermistors 5 and 13. After the switch 10 has responded, the thermistor 13 begins to heat up at the same time as the thermistor 5 and when the target temperature is reached, which is determined by the ratio of the resistance values of the measuring bridge branches consisting of the resistors 3, 4, 14 and the thermistor 13, this speaks Zero organ 16, which supplies a signal via the circuit 17. The concentration of the sorbed gas components is judged on the heating duration of each of the two thermistors 5 and 13, which is determined by the signals in the circles 12, 9 and 12, 17, or on the heating duration difference of these thermistors, which is determined by the signals in the circles 9 and 17 is determined.
In the latter case, the sensitivity is increased considerably and the influence of gas heat conduction changes is compensated.
The mode of operation of the gas analyzer according to the third variant (Fig. 3) is as follows:
Switches 22, 23, 24 and 25 are open in the time intervals between measurements. The ratio of the resistance values of the measuring bridge branches consisting of the resistors 2, 18, 20 and 4 as well as the thermistor 5 is selected such that the bridge is adjusted at a temperature of the thermistor 5 corresponding to the selected stabilization temperature, which is slightly higher than the maximum temperature of the monitored gas lies. The gas analyzer works as a two-position temperature stabilizer of the thermistor 5.
When the thermistor 5, which is used as the sensing element of the stabilizer, is heated to the stabilization temperature, the zero element 8 responds, which supplies a switch-off signal for the switch 10, which is used as the control element of the stabilizer, so that the thermistor 5 begins to cool down. After a certain time, which is determined by the switch-on means 21, the switch 10 closes the circuit.
This process is repeated continuously until the start of measurement, which is determined by the arrival of a foreign command signal via the circle 26 on the switches 23 and 24.
The switch 23 switches the resistor 20 off (or on), whereby the ratio of the resistance values of the measuring bridge branches is changed. The heating of the thermistor 5 begins from the stabilization temperature to the new temperature, which is determined by the resistance ratio of the measuring bridge branches consisting of the thermistor 5 and the resistors 2, 4, 18 and 19.
In the course of heating, the absorbed gas component is desorbed. The time interval from the moment the switch 24 closes until the switch 10 opens is the output signal of the gas analyzer. If, after completion of this process, an external command signal is applied to the circuit 27, the switches 22 and 25 respond and the resistor 19 is switched off from the measuring bridge circuit (or switched on in this), so that the thermistor 5, as described above, switches to the new one Temperature is reheated with the output of a corresponding signal via the switch 25 for the circuit 12.
The mode of operation of this gas analyzer variant is explained with reference to the temperature change diagram of the thermistor 5 covered with the sorbent 7, where the time (t) is plotted on the abscissa axis and the temperature (T) of the thermistor 5 is plotted on the ordinate axis.
On the diagram, Ts - the stabilization temperature of the thermistor 5, Ti and T2 the temperature to which the thermistor 5 is heated in the course of two successive measuring stages, ti and t2 - the time intervals from which one can determine the concentration of the desorbing in the corresponding time intervals Can determine gas components.
In the time segments between the measurements, the pulsating supply voltage of the measuring bridge is fed to the integrating element 28 (FIG. 5), at the output of which a direct current signal proportional to the temperature difference of the thermistor 5 and the gas to be monitored appears. This signal is used to judge both the temperature of the gas to be monitored and the state of the gas analyzer circuit.
The mode of operation of the gas analyzer according to the fourth variant (FIG. 4) is similar to that of the gas analyzer according to the third variant (FIG. 3). The difference is that in the time segments before the start of the measurement, the auxiliary thermistor 31 is switched into the measuring bridge branch instead of the thermistor 5.
Its resistance value is chosen in such a way that the bridge is calibrated at the target temperature. The auxiliary thermistor 31 heats the thermistor 5 and the surrounding gas to be examined to this temperature. During the measurement, an external command signal is applied to the circuit 33, whereby the switch 24 is closed, while the switch 32 switches off the auxiliary thermistor 31 from the measuring bridge branch and switches on the thermistor 5 in its place. The resistance value of the latter is selected in such a way that the measuring bridge is adjusted at the new target temperature. The heating time of the thermistor 5 to this temperature is considered to be the gas analyzer output signal which is taken from the output of the switch 24 in the circuit 12.
The mode of operation of the gas analyzer according to the fifth variant (FIG. 5) is similar to that of the gas analyzer according to the fourth variant.
The difference is that when the external command signal is applied to the circuit 33, at the same time as the thermistor 31 is replaced by the thermistor 5 to the supply circuit, a further thermistor 13 and a resistor 14 are placed, which together with the resistors 3 and 4 form a second measuring bridge form.
The thermistors 5 and 13 are, as already described above, covered with the sorbents 7 and 15 and are heated at different time intervals. The setpoint temperature signals of the thermistors 5 and 13 are taken from the outputs of the zero organs 8 and 16 via the circles 9 and 17.
The implementation of the method according to the invention in the gas analyzers described makes it possible to create devices which have a simple structure, small dimensions, low power consumption, selectivity, possibility of changing the setting to measure a new component by switching the sensing element.
In addition, these gas analyzers make it possible to measure the gas temperature in addition to the gas analysis and to continuously check the reliability of the circuit.