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DE9416564U1 - Device for determining the composition of gas mixtures - Google Patents

Device for determining the composition of gas mixtures

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DE9416564U1
DE9416564U1 DE9416564U DE9416564U DE9416564U1 DE 9416564 U1 DE9416564 U1 DE 9416564U1 DE 9416564 U DE9416564 U DE 9416564U DE 9416564 U DE9416564 U DE 9416564U DE 9416564 U1 DE9416564 U1 DE 9416564U1
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sensor
resonator
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chamber
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PECTOR GmbH
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Description

Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung von GasmischungenDevice for determining the composition of gas mixtures

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Gasmischung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for determining the composition of a gas mixture according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Vorrichtung wird beispielsweise zur Ermittlung, insbesondere zur qualitativen Bestimmung, der Zusammensetzung von Luft (Feutigkeitsmessung), Generatorgas, Mischgas, Wassergas, Stadtgas, Verbrennungsgassen, Explosionsgasen, Grubengas, usw. oder bei physiologischen Untersuchungen (Atmung, Assimilation) eingesetzt.Such a device is used, for example, to determine, in particular to qualitatively determine, the composition of air (humidity measurement), generator gas, mixed gas, water gas, town gas, combustion gases, explosion gases, mine gas, etc. or in physiological examinations (breathing, assimilation).

Ebenso kann eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasmischungen beispielsweise in einer Gasbefüllungsanlage eingesetzt werden, bei der in einem gegebenen Volumen beispielsweise Luft durch geeignete Einströmung eines andersartigen Gases von bekannter Art verdrängt wird. Zur Steuerung des Befüllungsvorgangs mit der Gasbefüllungsanlage wird ein Sensor benötigt, der die Zusammensetzung des verdrängten Gases erkennen und darauf reagieren kann.Likewise, a device for determining the composition of gas mixtures can be used, for example, in a gas filling system, in which, for example, air is displaced in a given volume by the appropriate inflow of a different gas of a known type. To control the filling process with the gas filling system, a sensor is required that can detect the composition of the displaced gas and react to it.

Hierfür kommen mechanische Resonator-Sensoren grundsätzlich in Frage, insbesondere weil sie hinreichend schnell auf Änderungen der Zusammensetzung des Gasgemisches reagieren.Mechanical resonator sensors are generally suitable for this purpose, especially because they react sufficiently quickly to changes in the composition of the gas mixture.

Es ist beispielsweise aus dem GM 91 00 101.3 und der Veröffentlichung auf der 7. GMA/ITG-Fachtagung "Sensoren-Technologie und Anwendung", Bad Nauheim, 16.-18.3.1994 der Autoren "A.Bartels, W. Halder, H. Müller und G. Lindner bekannt, Biegeschwinger als Resonator-Sensoren einzusetzen. Das in den Veröffentlichungen beschriebene Verfahren benötigt zur Messung der Zusammensetzung einer Gasmischung ein schwingfähiges System in Form eines mechanischen Biegebai-For example, it is known from GM 91 00 101.3 and the publication at the 7th GMA/ITG conference "Sensor technology and application", Bad Nauheim, 16-18 March 1994 by the authors "A. Bartels, W. Halder, H. Müller and G. Lindner" to use flexural oscillators as resonator sensors. The method described in the publications requires an oscillating system in the form of a mechanical flexural oscillator to measure the composition of a gas mixture.

[File:ANM\PE2903B1 .doc] Beschreibung, 26.08.94 Gassensorik Peotor GmbH[File:ANM\PE2903B1 .doc] Description, 26.08.94 Gassensorik Peotor GmbH

kens, bei dem der Biegebalken in das zu bestimmende Gasgemisch eingebracht wird und über die dämpfungsabhängige Resonanzfrequenz des Systems eine Bestimmung der qualitativen Zusammensetzung ermöglicht. Die Dämpfung der Resonanzfrequenz ist ein Maß für Druck, Viskosität, Strömungsgeschwindigkeit und Art des den Resonator-Sensor umgebenden Gases, Ursache für diesen physikalischen Dämpfungs-Effekt ist die träge Masse der vom bewegten Resonator beschleunigten Gasmoleküle. Eine Änderung der physikalischen Gasparameter führt aufgrung der Dämpfung zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz, d. h. die Resonanzfrequenz sinkt mit zunehmender Dichte nahezu linear ab. Zur Bestimmung dieser Verschiebung bzw. Absenkung muß deshalb die Erregerfrequenz sowie die Schwingfrequenz des Systems gemessen werden. Die Dichte des zu messenden Gases hängt wiederum bei gegebener Temperatur vom Gasdruck und von der Masse der Gasatome bzw. Gasmoleküle ab.kens, in which the bending beam is introduced into the gas mixture to be determined and the qualitative composition can be determined via the damping-dependent resonance frequency of the system. The damping of the resonance frequency is a measure of the pressure, viscosity, flow rate and type of gas surrounding the resonator sensor. The cause of this physical damping effect is the inert mass of the gas molecules accelerated by the moving resonator. A change in the physical gas parameters leads to a shift in the resonance frequency due to the damping, i.e. the resonance frequency drops almost linearly with increasing density. To determine this shift or decrease, the excitation frequency and the oscillation frequency of the system must therefore be measured. The density of the gas to be measured depends on the gas pressure and the mass of the gas atoms or gas molecules at a given temperature.

Wird die Bestimmung der Zusammensetzung von Gasmischungen bei konstantem Druck und konstanter Temperatur durchgeführt, so können mit den mechanischen Resonator-Sensoren Änderungen der Atom- bzw. Molekülmasse der in der Gasmischung befindlichen Gaskomponenten gemessen werden. Wenn die beteiligten Gaskomponenten bekannt sind und sich in ihren Atom- bzw. Molekülmassen unterscheiden, kann auf diese Weise die qualitative Zusammensetzung eines Gasgemisches bestimmt werden.If the composition of gas mixtures is determined at constant pressure and constant temperature, the mechanical resonator sensors can be used to measure changes in the atomic or molecular mass of the gas components in the gas mixture. If the gas components involved are known and differ in their atomic or molecular masses, the qualitative composition of a gas mixture can be determined in this way.

Der in den oben genannten Veröffentlichungen beschriebene Resonator-Sensor ist in Form eines einseitig eingespannten Biegebalkens ausgeführt, der durch ein dünnes Glasplättchen dargestellt wird. Dieses Glasplättchen ist mit einer piezoelektrischen, zur Kontaktierung metallisch beschichteten Polyvinylidenfluorid-Folie (PVDF-Folie) beklebt, die jeweils als Aktuator und Auslenkungssensor für die Biegeschwingung wirkt. Mit einer geeigneten Regelungsschaltung wird der Resonator jeweils auf die Resonanzfrequenz einesThe resonator sensor described in the above-mentioned publications is designed in the form of a bending beam clamped on one side, which is represented by a thin glass plate. This glass plate is covered with a piezoelectric polyvinylidene fluoride film (PVDF film) that is metallically coated for contact, which acts as an actuator and deflection sensor for the bending vibration. Using a suitable control circuit, the resonator is adjusted to the resonance frequency of a

[File:ANM\PE290381 .doc] Beschrabunjj.j[File:ANM\PE290381 .doc] Description.j

Gassensorik Pector GmbHGas Sensorik Pector GmbH

ausgewählten Schwingungszustandes abgeglichen. Neben den physikalischen Parametern des Gases ist zu beachten, daß eine Temperaturänderung des Resonators an sich ebenfalls Einfluß auf die Resonanzfrequenz nimmt.
5
selected vibration state. In addition to the physical parameters of the gas, it should be noted that a change in the temperature of the resonator itself also influences the resonance frequency.
5

Für eine meßtechnische Anwendung dieser bekannten Vorrichtung ist es daher erforderlich, den Einfluß der das Meßergebnis hinsichtlich der Gaszusammensetzung verfälschenden Parameter, wie z.B. gleichzeitige Änderung von Druck und Temperatur, zu minimieren oder zu kompensieren, um eine nachträgliche Korrektur der Meßergebnisse anhand von aufwendigen Korrektur- bzw. Kompensationsschaltungen oder von unabhängigen Messungen für eine Eichkurvenbestimmung zu vermeiden.For a metrological application of this known device, it is therefore necessary to minimize or compensate for the influence of parameters that distort the measurement result with regard to the gas composition, such as simultaneous changes in pressure and temperature, in order to avoid subsequent correction of the measurement results using complex correction or compensation circuits or independent measurements for determining a calibration curve.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasmischungen unter Zuhilfenahme der Resonatoren der vorstehenden Art bereitzustellen, die eine von Druck und Temperatur unabhängige Messung der Zusammensetzung von Gasmischungen ermöglichen.It is therefore an object of the invention to provide a device for determining the composition of gas mixtures using resonators of the above type, which enable the composition of gas mixtures to be measured independently of pressure and temperature.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved with a device according to claim 1.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Meßkammer, eine Referenzkammer und eine Ausgleichseinrichtung zum Einstellen von gleicher Temperatur und gleichem Druck in der Meßkammer und in der Referenzkammer auf. Die Meßkammer ist mit der zu bestimmenden Gasmischung und die Referenzkammer mit einem Referenzgas befüllbar. Ein zweiter, vorzugsweise baugleicher Resonator-Sensor wird in die hermetisch verschließbare Referenzkammer eingebaut, die mit der Meßkammer über die Ausgleichseinrichtung zur Kompensation von Druck- und Temperaturänderungen miteinander wechselwirken und thermisch gekoppelt sind.According to the invention, the device has a measuring chamber, a reference chamber and a compensation device for setting the same temperature and pressure in the measuring chamber and in the reference chamber. The measuring chamber can be filled with the gas mixture to be determined and the reference chamber with a reference gas. A second, preferably identically constructed resonator sensor is installed in the hermetically sealable reference chamber, which interact with the measuring chamber via the compensation device to compensate for pressure and temperature changes and are thermally coupled.

{File:ANM\PE2903B1.doc] Beschreibung, 26.08.94{File:ANM\PE2903B1.doc] Description, 26.08.94

GassensorikGas sensors

Pector GmbHPector GmbH

Dadurch, daß mit der Ausgleichseinrichtung sichergestellt wird, daß in beiden Kammern stets der gleiche Druck herrscht und die Temperatur der beiden Resonatoren mit der Gasbefüllung übereinstimmt, ist die Differenz der Resonanzfrequenzen der beiden Resonatoren dann lediglich von der Gaszusammensetzung in der Meßkammer, nicht aber von Druck- und Temperaturschwankungen abhängig. Durch Erhalt der Meßgröße aus der Differenzfrequenz der Resonatoren können die kosten- bzw. zeitaufwendigen Druck- und Temperaturkompensationen, die üblicherweise bei der Bestimmung der Gaszusammensetzung herangezogen werden mußten, erfindungsgemäß entfallen. Zusätzlich muß die gesamte Vorrichtung lediglich bei der erstmaligen Inbetriebnahme kalibriert werden.Because the compensation device ensures that the same pressure always prevails in both chambers and that the temperature of the two resonators corresponds to the gas filling, the difference in the resonance frequencies of the two resonators is then only dependent on the gas composition in the measuring chamber, but not on pressure and temperature fluctuations. By obtaining the measured variable from the difference frequency of the resonators, the costly and time-consuming pressure and temperature compensations that usually had to be used to determine the gas composition can be omitted according to the invention. In addition, the entire device only needs to be calibrated when it is first put into operation.

Neben dem Wegfall von zusätzlichen Kompensationseinrichtungen besteht ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin, daß bereits im Handel erhältliche PVDF-Resonator-Sensoren, die einfach und kostengünstig herstellbar sind, angewendet werden.In addition to the elimination of additional compensation devices, a further advantage of the device according to the invention is that commercially available PVDF resonator sensors, which are easy and inexpensive to manufacture, can be used.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

Ist die Gasmischung lediglich aus einer ersten und einer zweiten Komponente gemäß Anspruch 2 zusammengesetzt, wobei insbesondere die zweite Komponente beispielsweise gemäß Anspruch 3 aus mehreren qualitativ bekannten Gasen zusammengesetzt ist, so können die Anteile der ersten Komponente der Gasmischung bestimmt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit in der Lage, die Anteile einer unbekannten Komponente im Verhältnis zu einer Komponente, die gemäß Anspruch 3 aus mehreren Gasen zusammengesetzt ist, qualitativ aus der Differenzfrequenz der beiden Resonatoren zu bestimmen. Ist insbesondere gemäß Anspruch 4 das in der Referenzkammer eingefüllte Referenzgas gleich mit der zweiten Komponente der Gasmischung, so ist vorteilhafterweise eineIf the gas mixture is composed of only a first and a second component according to claim 2, whereby in particular the second component is composed of several qualitatively known gases according to claim 3, for example, the proportions of the first component of the gas mixture can be determined. The device according to the invention is thus able to qualitatively determine the proportions of an unknown component in relation to a component which is composed of several gases according to claim 3 from the difference frequency of the two resonators. In particular, if the reference gas filled in the reference chamber is equal to the second component of the gas mixture according to claim 4, then advantageously a

[File:ANM\PE2903B1 .doc] Beschreibung, 26.08.94 Gassensorik Pector GmbH[File:ANM\PE2903B1 .doc] Description, 26.08.94 Gassensorik Pector GmbH

einfache Beziehung, beispielsweise Linearität, zwischen der Differenzfrequenz und der Konzentration der zu untersuchenden Gaskomponente gegeben.A simple relationship, such as linearity, exists between the difference frequency and the concentration of the gas component to be investigated.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann gemäß Anspruch 5 vorteilhafterweise auch die Zusammensetzung einer strömmenden Gasmischung bestimmt werden, ohne dabei das Verfahren zur Bestimmung der Komponenten der Gasmischung abändern zu müssen. Lediglich die Meßkammer wird als Strömungskanal ausgebildet, wobei der zweite Resonator-Sensor in den Strömungskanal hineinragt. Neben der Bestimmung der Gaszusammensetzung ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich, ohne Kenntnis der einzelnen Gaskomponenten Gasströmungsänderungen zu messen, insbesondere bei frontaler Anströmung des Resonator-Sensors auf seine großflächige Oberfläche. Zusätzlich kann auch bei Kenntnis der einzelnen Gaskomponenten eine Absolutbestimmung der Gasströmung nach vorhergehender Eichung durchgeführt werden.According to claim 5, the device according to the invention can also advantageously determine the composition of a flowing gas mixture without having to change the method for determining the components of the gas mixture. Only the measuring chamber is designed as a flow channel, with the second resonator sensor protruding into the flow channel. In addition to determining the gas composition, the device according to the invention also makes it possible to measure gas flow changes without knowing the individual gas components, particularly when the resonator sensor is flowing from the front onto its large surface. In addition, even if the individual gas components are known, an absolute determination of the gas flow can be carried out after prior calibration.

Vorzugsweise ist der Strömungskanal der Meßkammer gemäß Anspruch 6 so ausgebildet, daß eine laminare Strömung den zweiten Resonator-Sensor umströmmt, um ein eindeutiges Meßergebnis zu erhalten, welches bei Vorliegen von Turbulenzen im Bereich des Resonator-Sensors ansonsten zu einem verfälschten Ergebnis führen würde.Preferably, the flow channel of the measuring chamber according to claim 6 is designed so that a laminar flow flows around the second resonator sensor in order to obtain a clear measurement result, which would otherwise lead to a falsified result if there were turbulence in the area of the resonator sensor.

Der erste und/oder zweite mechanische Resonator-Sensor weist gemäß Anspruch 7 vorteilhafterweise eine Grundplatte auf, auf die zumindest auf einer Oberfläche ein Material aufgebracht ist, welches die Grundplatte zu Schwingungen anregt. Werden die Resonator-Sensoren über Sensorhalterungen in den Kammern gehalten, so können aufgrund der speziell ausgebildeten Sensorhalterungen weitere Dämpfungen auf die Resonator-Sensoren vermindert werden.According to claim 7, the first and/or second mechanical resonator sensor advantageously has a base plate, on which a material is applied to at least one surface, which causes the base plate to vibrate. If the resonator sensors are held in the chambers via sensor holders, further damping of the resonator sensors can be reduced due to the specially designed sensor holders.

Durch Herstellung der Grundplatte aus Glas gemäß Anspruch 8 wird zum einen ein kostengünstiges Material verwendet, wo-By manufacturing the base plate from glass according to claim 8, a cost-effective material is used, where

[File:ANM\PE2903B1 .doc] Beschreibung, 26.08.94 Gassensorik Pector GmbH[File:ANM\PE2903B1 .doc] Description, 26.08.94 Gassensorik Pector GmbH

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mit für die Bestimmung der Gaszusammensetzung der Resonator-Sensor eine ausreichende Güte (Q) erzielbar ist. Wird gemäß Anspruch 9 die Grundplatte aus kristallinem Silizium hergestellt, so wird die Güte um das dreifache gegenüber einer Glas-Grundplatte erhöht. Um die Bruchfestigkeit des Resonator-Sensors zu erhöhen, können beispielsweise auch Federstahl, Aluminium oder Kupfer-Berillium-Bronze als Material für die Grundplatte herangezogen werden, womit dennoch eine zur Bestimmung der Differenzfrequenz der Resonator-Sensoren ausreichende Güte erhalten wird. Damit die Resonator-Sensoren zu Schwingungen angeregt werden, wird gemäß Anspruch 10' die Grundplatte mit einem Piezo-Material überzogen/ welches wiederum von einer Kontaktschicht überdeckt ist. Mit diesem Piezo-Material ist ein einfach handhabbarer elektrischer Anregungsmechanismus erzielbar.with a sufficient quality (Q) for determining the gas composition of the resonator sensor. If the base plate is made of crystalline silicon according to claim 9, the quality is increased three times compared to a glass base plate. In order to increase the breaking strength of the resonator sensor, spring steel, aluminum or copper-beryllium bronze can also be used as a material for the base plate, whereby a quality sufficient for determining the difference frequency of the resonator sensors is still obtained. In order to excite the resonator sensors to oscillate, according to claim 10' the base plate is coated with a piezo material/ which in turn is covered by a contact layer. With this piezo material, an easy-to-use electrical excitation mechanism can be achieved.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn gemäß Anspruch 11 das Piezo-Material eine piezoelektrische Polyvinylidenfluorid-Folie (PVDF-Folie) ist. Diese Folie ist im Handel erhältlieh und kann auf die Grundplatte aufgeklebt werden.In particular, it is advantageous if, according to claim 11, the piezo material is a piezoelectric polyvinylidene fluoride film (PVDF film). This film is commercially available and can be glued to the base plate.

Durch Auswahl geeigneter Schwingungsmoden der resonator-Sensoren wird die Empfindlichkeit optimiert. Vorzugsweise werden gemäß Anspruch 12 die mechanischen Resonator-Sensoren so dimensioniert, daß bevorzugt eine 2/0-Mode angeregt wird. Bei Anregung dieser Mode, wurde mit der als Glas ausgebildeten Grundplatte die höchste Güte des Resonators erzielt. Die in dem GM 91 00 101.3 und in der Veröffentlichung auf der 7. GMA/ITG-Fachtagung "Sensoren-Technologie und Anwendung", Bad Nauheim, 16.-18.3.1994 der Autoren "A.Bartels, W. Halder, H. Müller und G. Lindner beschriebenen Biegeschwinger als Resonator-Sensoren werden ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt die Anmeldung aufgenommen.The sensitivity is optimized by selecting suitable vibration modes of the resonator sensors. Preferably, according to claim 12, the mechanical resonator sensors are dimensioned so that a 2/0 mode is preferably excited. When this mode is excited, the highest quality of the resonator was achieved with the base plate made of glass. The bending oscillators described as resonator sensors in GM 91 00 101.3 and in the publication at the 7th GMA/ITG conference "Sensor technology and application", Bad Nauheim, March 16-18, 1994 by the authors "A. Bartels, W. Halder, H. Müller and G. Lindner" are expressly included in the disclosure content of the application.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von strömenden Gasmischungen herangezogen, so ist es von Vorteil, daß der sich in der Strömung befindliche Resonator-If the device according to the invention is used to determine flowing gas mixtures, it is advantageous that the resonator located in the flow

[Fi!e:ANM\PE29O3B1.docj Beschreibung, 26.08,94 Gassensorik Pector GmbH[Fi!e:ANM\PE29O3B1.docj Description, 26.08.94 Gassensorik Pector GmbH

Sensor mit seiner großflächigen Oberfläche parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Dadurch wird gewährleistet, daß die Beeinflussung des Meßsignals durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten während des Meßvorganges vernachlässigbar ist.The sensor has a large surface area that is aligned parallel to the flow direction. This ensures that the influence of different flow velocities on the measurement signal during the measurement process is negligible.

Werden die Meßkaituner und die Referenzkammer von der Ausgleicheinrichtung getrennt, und ist die Ausgleichseinrichtung gemäß Anspruch 14 als eine flexible gasundurchlässige Membran ausgebildet, so kann auf einfache Weise der Druckausgleich hergestellt werden. Weist die Membran gemäß Anspruch 15 einen hohen Wärmedurchgangswert auf, so findet ein effektiver Wärmeaustausch zwischen der Referenz- bzw. der Meßkammer statt, wobei der Wärmeausgleich zwischen den beiden in der Meß- bzw. Referenzkammer befindlichen Gase sich derart kurzfristig vollzieht, daß das Meßsignal nicht erheblich beeinflußt wird.If the measuring chambers and the reference chamber are separated from the equalization device and the equalization device is designed as a flexible, gas-impermeable membrane according to claim 14, pressure equalization can be achieved in a simple manner. If the membrane according to claim 15 has a high heat transfer value, an effective heat exchange takes place between the reference and measuring chambers, whereby the heat equalization between the two gases in the measuring and reference chambers takes place in such a short time that the measurement signal is not significantly influenced.

Ist das Material der Membran gemäß Anspruch 16 unelastisch, so muß beim Druckausgleich keine weitere Kraft zur Dehnung der Membran aufgebracht werden, wodurch ein Druckausgleich unverfälscht zwischen der Referenz- und Meßkammer gewährleistet ist und die Beziehung zwischen der Konzentrationsabhängigkeit und der Verschiebung der Resonanzfrequenz nicht ungünstig ist.If the material of the membrane according to claim 16 is inelastic, no further force has to be applied to stretch the membrane during pressure equalization, whereby pressure equalization is guaranteed unadulterated between the reference and measuring chambers and the relationship between the concentration dependence and the shift in the resonance frequency is not unfavorable.

Vorteilhafterweise wird die Membran gemäß Anspruch 17 aus einer Polyethylenterephtalad-Folie (PETP-Folie) gebildet, die unter dem Handelsnamen "Mylar" der Firma DuPont erhältlich ist.Advantageously, the membrane according to claim 17 is formed from a polyethylene terephthalate film (PETP film), which is available under the trade name "Mylar" from DuPont.

Die Meßkammer und die Referenzkammer können gemäß Anspruch 19 ein gemeinsames Gehäuse, beispielsweise in Form eines Doppelkammersystems, aufweisen,, wodurch eine kompakte Bauweise ermöglicht wird. Die Meßkammer und die Referenzkammer können in dem Gehäuse platzsparend dicht nebeneinander angeordnet werden. Diese Referenz- und Meßkammern können dannThe measuring chamber and the reference chamber can have a common housing, for example in the form of a double chamber system, according to claim 19, which enables a compact design. The measuring chamber and the reference chamber can be arranged close to one another in the housing to save space. These reference and measuring chambers can then

[File:ANM\PE2903B1.doo] Beschreibung, 26.08.94 Gassensorik Pector GmbH[File:ANM\PE2903B1.doo] Description, 26.08.94 Gassensorik Pector GmbH

♦ • ·♦• ·

I. * II. * I

durch die Ausgleichseinrichtung voneinander getrennt sein. Wird darauf geachtet, daß das Gehäuse gemäß Anspruch 20 wärmeleitend ist, so kann der Wärmeaustausch zwischen den beiden Resonator-Sensoren an sich vollzogen werden. Eine Temperaturänderung eines der beiden Resonator-Sensoren wird dementsprechend auf den anderen Resonator-Sensor übertragen, wodurch das Meßsignal, d. h. die Differenzfrequenz zwischen den beiden Resonator-Sensoren, von den Temperaturschwankungen der Resonator-Sensoren unabhängig ist.be separated from each other by the compensation device. If care is taken to ensure that the housing is heat-conductive according to claim 20, the heat exchange between the two resonator sensors can take place. A temperature change of one of the two resonator sensors is transferred accordingly to the other resonator sensor, whereby the measurement signal, i.e. the difference frequency between the two resonator sensors, is independent of the temperature fluctuations of the resonator sensors.

Das bei der Vorrichtung angewendete Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung der Gasmischung weist den Vorteil auf, daß die Bestimmung der einzelnen Komponenten von Gasmischungen unabhängig von den absoluten Werten der Eigenfrequenzen bzw. der verschobenen Eigenfrequenzen des Resonator-Sensors durchgeführt werden kann. Bei entsprechender Eichung kann aus der Differenzfrequenz zwischen der ersten und der zweiten Resonatorfrequenz der beiden Resonator-Sensoren die Zusammensetzung der Gasmischung angegeben werden. Vorteilhafterweise muß die Eichung lediglich zu Beginn der Inbetriebnahme nach dem Einbau oder einem Umbau vorgenommen werden. Mit diesem Verfahren ist es somit möglich, daß die Eigenfrequenzen der Resonator-Sensoren auf die zu erwartende Differenzfrequenz abgestimmt werden kann und somit auf Eigenfrequenzen der Resonatoren-Sensoren abgestellt werden können, bei der die Resonator-Sensoren eine ausreichende bzw. zum Erfassen der Meßsignale ausreichende Güte aufweisen.The method used in the device to determine the composition of the gas mixture has the advantage that the individual components of gas mixtures can be determined independently of the absolute values of the natural frequencies or the shifted natural frequencies of the resonator sensor. With appropriate calibration, the composition of the gas mixture can be determined from the difference frequency between the first and second resonator frequencies of the two resonator sensors. Calibration advantageously only needs to be carried out at the beginning of commissioning after installation or conversion. This method therefore makes it possible for the natural frequencies of the resonator sensors to be tuned to the expected difference frequency and thus to be set to natural frequencies of the resonator sensors at which the resonator sensors have sufficient quality or sufficient quality to record the measurement signals.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.Further advantageous embodiments are the subject of the remaining subclaims.

Nachstehend wird anhand schematischer Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigenAn embodiment of the invention is explained in more detail below using schematic drawings. They show

Fig. 1 eine Schnittzeichnung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;Fig. 1 is a sectional drawing of an embodiment of the device according to the invention;

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Fig. 2 ein Blockschaltbild der Resonator-Sensoren-Steuerung; Fig. 2 is a block diagram of the resonator sensor control;

Fig. 3 Diagramm zum Temperaturverhalten beider Resonator-Sensoren; Fig. 3 Diagram of the temperature behavior of both resonator sensors;

Fig. 4 Diagramm zum Druckverhalten beider Resonator-Sensoren ; undFig. 4 Diagram of the pressure behavior of both resonator sensors; and

Fig. 5 Diagramm der Abhängigkeit der Differenzfrequenz von einem Anteil der Gasmischung.Fig. 5 Diagram of the dependence of the difference frequency on a proportion of the gas mixture.

In einer als Schnittdarstellung ausgeführten Figur 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer bevorzugten Ausgestaltung gezeigt, die im wesentlichen ein zweigeteiltes Gehäuse 1 aufweist, wobei in dem einen Teil 3 die Meßkammer 5 und in dem anderen Teil 7 die Referenzkammer 9 enthalten sind. In der Meßkammer 5 und der Referenzkammer 9 sind Sensorhalterungen 11 eingebaut. In der Meßkammer 5 ist an der Sensorhalterung 11 eine erster Resonator-Sensor 13 und an der Sensorhalterung 11 in der Referenzkammer 9 ist ein zweiter Resonator-Sensor 14 montiert. Die beiden Resonator-Sensoren 13 bzw. 14 sind über elektrische Zuführungen mit entsprechenden Regelungen außerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden. Dichtungen 17 an den Sensorhalterungen 11 schließen die Meßkammer 5 und die Referenzkammer 9 gasdicht ab. Die Meßkammer 5 ist über einen Durchgang 19 mit einer erweiterten Meßkammer 21 verbunden, deren Ausgestaltung auf die Referenzkammer 9 abgestimmt ist. Zwischen der erweiterten Meßkammer 21 und der Referenzkammer 9 ist eine Ausgleichseinrichtung in Form einer Ausgleichsmembran 2 3 angeordnet, die über einen Spannring 25 fixiert wird. Der Innendurchmesser des Spannrings 25 ist auf die Ausgestaltung der erweiterten Meßkammer 21 und der Referenzkammer 9 abgestimmt. Die Referenzkammern 9, der Spannring 2 5 und die erweiterte Meßkammer 21 bilden einen zylindrischenIn a sectional view in Figure 1, the device according to the invention is shown in a preferred embodiment, which essentially has a two-part housing 1, with the measuring chamber 5 being contained in one part 3 and the reference chamber 9 in the other part 7. Sensor holders 11 are installed in the measuring chamber 5 and the reference chamber 9. A first resonator sensor 13 is mounted on the sensor holder 11 in the measuring chamber 5 and a second resonator sensor 14 is mounted on the sensor holder 11 in the reference chamber 9. The two resonator sensors 13 and 14 are connected via electrical leads to corresponding controls outside the device according to the invention. Seals 17 on the sensor holders 11 seal the measuring chamber 5 and the reference chamber 9 in a gas-tight manner. The measuring chamber 5 is connected via a passage 19 to an extended measuring chamber 21, the design of which is coordinated with the reference chamber 9. Between the extended measuring chamber 21 and the reference chamber 9, a compensation device in the form of a compensation membrane 2 3 is arranged, which is fixed by a clamping ring 25. The inner diameter of the clamping ring 25 is matched to the design of the extended measuring chamber 21 and the reference chamber 9. The reference chambers 9, the clamping ring 2 5 and the extended measuring chamber 21 form a cylindrical

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Raum, der von der Ausgleichsmembran 23 durchtrennt wird. Die Ausgleichsmembran 23 kann zum Druckausgleich in die erweiterte Meßkammer 21 eindringen. Wird das zweigeteilte Gehäuse 1 zusammengefügt, so ist ein Dichtring 27 vorgesehen, der eine Abdichtung nach außen ermöglicht. Beide Teile 3 und 7 des Gehäuses 1 werden vorzugsweise durch eine Schraubverbindung lösbar zusammengefügt. In der Anfangsstellung ragt die Ausgleichsmembran 23 in die Referenzkammer 9 halbkugelförmig hinein. Treten beispielsweise Druck-Schwankungen auf, bei denen ein niedriges Druckniveau in der Meßkammer 5 gegenüber der Referenzkammer 9 entsteht, bewegt sich die Ausgleichsmembran 23 entsprechend der Druckdifferenz mehr oder weniger in die erweiterte Meßkammer 21. Anhand des Ausgleichmembrandurchmessers kann im Rahmen der konstruktiven Gegebenheiten der Vorrrichtung die Größe des ausgleichbaren Druckunterschiedes eingestellt werden. Der Druckbereich ist sowohl über die Geometrie der Referenz- bzw. Meßkammer als auch über die Materialeigenschaften der Ausgleichsmembran, vorzugsweise im Bereich von 300 mbar, einstellbar. Wie in Figur 1 dargestellt, ist die Meßkammer 5 mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt, der aber lediglich im Hinblick auf eine einfache Herstellungsweise vorgenommen wurde.Space that is cut through by the compensating membrane 23. The compensating membrane 23 can penetrate into the expanded measuring chamber 21 to equalize the pressure. If the two-part housing 1 is joined together, a sealing ring 27 is provided that enables sealing to the outside. Both parts 3 and 7 of the housing 1 are preferably joined together detachably using a screw connection. In the initial position, the compensating membrane 23 protrudes into the reference chamber 9 in a hemispherical shape. If, for example, pressure fluctuations occur that result in a low pressure level in the measuring chamber 5 compared to the reference chamber 9, the compensating membrane 23 moves more or less into the expanded measuring chamber 21 depending on the pressure difference. The size of the compensable pressure difference can be set using the compensating membrane diameter within the framework of the design conditions of the device. The pressure range can be adjusted both via the geometry of the reference or measuring chamber and via the material properties of the compensating membrane, preferably in the range of 300 mbar. As shown in Figure 1, the measuring chamber 5 is shown with a circular cross-section, which was only made with a view to a simple manufacturing method.

Um den Strömmungswiderstand des in der Meßkammer eingebrachten Resonator-Sensors gegenüber einer strömmenden Gasmischung auf einen Minimalwert zu reduzieren, wird die großflächige Oberfläche des Resonator-Sensors parallel zur Strömmungsrichtung ausgerichtet.In order to reduce the flow resistance of the resonator sensor installed in the measuring chamber to a minimum value compared to a flowing gas mixture, the large surface of the resonator sensor is aligned parallel to the flow direction.

In Figur 2 ist ein Blockschaltbild der zur Messung benötigten Komponenten gezeigt. Jeder Resonator-Sensor wird seperat durch vorzugsweise gleichaufgebaute Regelschaltungen bzw. Regelungen 31, 41 angesteuert. Durch die jeweilige Regelung 31, 41 wird anfangs die Aktuatorseite der Resonator-Sensoren über die Leitung 15a angeregt, wodurch ein Signal von der Sensorseite des Resonator-Sensors der jeweiligenFigure 2 shows a block diagram of the components required for the measurement. Each resonator sensor is controlled separately by preferably identically constructed control circuits or regulators 31, 41. The respective regulator 31, 41 initially excites the actuator side of the resonator sensors via line 15a, whereby a signal from the sensor side of the resonator sensor of the respective

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Gassensorik Pector GmbHGas Sensorik Pector GmbH

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Regelung über die Leitung 15b zugeführt wird. Aufgabe der Regelungen 31, 41 ist es, den Resonator-Sensor in Resonanz zu halten und nachzuführen. Die jeweils an den Punkten Al bzw. A2 aus der Regelung 31, 41 abgegriffenen Resonanzfrequenzen des Resonator-Sensors in der Referenz- und in der Meßkammer werden in einem Rechner 51 substrahiert und daraus der Meßwert gewonnen, welcher über ein Ausgabegerät 53 angezeigt wird. Die Regelung der Resonator-Sensoren in der Resonanzfrequenz zu schwingen, wird dadurch ermöglicht, daß eine phasengesperrte Regelschleife (PLL-Baustein) 33, 43 einen spannungsgesteuerten Oszillator 35, 45 aufweist, dessen Ausgangssignal über einen Verstärker 37, 47 mittels der Leitung 15a den Resonator-Sensor zu Schwingungen anregt. Die Schwingungsfrequenz des Resonator-Sensors wird von der Sensorseite des Resonator-Sensors 13 erfaßt, wobei die Schwingungsfrequenz in Form eines elektrisches Signals an einen Komperator 39, 49 weitergegeben wird, der über einen Phasenschieber 34, 44 das Signal an einen in der phasengesperrten Regelschleife 33, 43 integrierten Phasen-Detektor 36, 46 weiterleitet. Das Signal wird dann von dem Phasen-Detektor 36, 46 über einen Tiefpass an den spannungsgesteuerten Oszillator 35, 45 zurückgeführt. Die gesamte Regelung beruht somit darauf, daß die Phasenverschiebung zwischen der erzwungenen Schwingung des Resonator-Sensors gegenüber der erregende Kraft des Oszillators 35, 45 als Funktion von deren Frequenz ermittelt wird, wobei die Phase auf 90° Phasenverschiebung zurückgeregelt wird.Control is supplied via line 15b. The task of the controls 31, 41 is to keep the resonator sensor in resonance and to track it. The resonance frequencies of the resonator sensor in the reference and measuring chambers, which are tapped from the controls 31, 41 at points Al and A2 respectively, are subtracted in a computer 51 and the measured value is obtained from this, which is displayed via an output device 53. The control of the resonator sensors to oscillate at the resonance frequency is made possible by the fact that a phase-locked control loop (PLL module) 33, 43 has a voltage-controlled oscillator 35, 45, the output signal of which excites the resonator sensor to oscillate via an amplifier 37, 47 using line 15a. The oscillation frequency of the resonator sensor is detected by the sensor side of the resonator sensor 13, whereby the oscillation frequency is passed on in the form of an electrical signal to a comparator 39, 49, which forwards the signal via a phase shifter 34, 44 to a phase detector 36, 46 integrated in the phase-locked control loop 33, 43. The signal is then fed back from the phase detector 36, 46 via a low-pass filter to the voltage-controlled oscillator 35, 45. The entire control is therefore based on the fact that the phase shift between the forced oscillation of the resonator sensor compared to the exciting force of the oscillator 35, 45 is determined as a function of their frequency, whereby the phase is regulated back to a 90° phase shift.

In Figur 3 ist das Temperaturverhalten der Resonator-Sensoren der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Es ist erkennbar, daß die Resonanzfrequenzen der Resonator-Sensoren bei steigender Temperatur gleiches Verhalten zeigen. Die Differenz aus beiden Frequenzen bleibt bei sich ändernder Temperatur konstant, hat also keinen Einfluß auf den Meßwert. Figure 3 shows the temperature behavior of the resonator sensors of the device according to the invention. It can be seen that the resonance frequencies of the resonator sensors show the same behavior as the temperature increases. The difference between the two frequencies remains constant as the temperature changes and therefore has no influence on the measured value.

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In Figur 4 ist die Druckausgleichswirkung der Membran gezeigt. Es ist zu erkennen, daß bei einer Druckänderung ein sofortiger Druckausgleich in beiden Kammern vorgenommen wird. Die Resonanzfrequenzen der Resonator-Sensoren ändern sich sowohl bei Druckanstieg als auch bei Druckabfall in gleicher Größe und in gleicher Weise. Damit ist gewährleistet, daß die Druckschwankungen die Meßgrößen, d. h. die Differenzfrequenz der Resonanzfrequenzen nicht beeinflussen werden.Figure 4 shows the pressure equalization effect of the membrane. It can be seen that when the pressure changes, an immediate pressure equalization takes place in both chambers. The resonance frequencies of the resonator sensors change to the same extent and in the same way when the pressure increases and when the pressure drops. This ensures that the pressure fluctuations do not influence the measured variables, i.e. the difference frequency of the resonance frequencies.

In Figur 5 ist die Differenzfrequenz der Resonator-Sensoren in Abhängigkeit eines Anteils, in diesem Fall von SFg , welches in Luft gelöst ist, dargestellt. Da vorzugsweise in der Referenzkammer ebenfalls Luft eingefüllt worden ist, wird die lineare Abhängigkeit der Meßgröße von der Zusammensetzung des Glasgemisches dokumentiert.Figure 5 shows the difference frequency of the resonator sensors as a function of a proportion, in this case SFg, which is dissolved in air. Since air has also been filled into the reference chamber, the linear dependence of the measured variable on the composition of the glass mixture is documented.

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung ist in kompakter Bauweise ausgebildet, wobei es darüberhinaus von Vorteil sein kann, die Meßkammer 5 und die Referenzkammer 9 voneinander zu trennen. In diesem Fall muß lediglich darauf geachtet werden, daß möglicherweise eine zusätzliche Ausgleichseinrichtung geschaffen werden muß, die einen Druckbzw. Temperaturausgleich bewerkstelligen kann.The device shown in Figure 1 is designed in a compact manner, whereby it may also be advantageous to separate the measuring chamber 5 and the reference chamber 9 from one another. In this case, it is only necessary to take into account that an additional compensation device may have to be created which can achieve pressure or temperature compensation.

Claims (1)

IFile:ANM\PE2903A1 .doc] Ansprüche· · 8§.9ftt994IFile:ANM\PE2903A1 .doc] Claims· · 8§.9ftt994 GassensorikGas sensors Pector GmbHPector GmbH SchutzansprücheProtection claims 1. Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Gasmischung mit:1. Device for determining the composition of a gas mixture with: einer mit der Gasmischung befüllbaren Meßkammer, die einen ersten mechanischen Resonator-Sensor aufweist,a measuring chamber which can be filled with the gas mixture and which has a first mechanical resonator sensor, einer mit einem Referenzgas befüllbaren Referenzkamraer, die einen zweiten mechanischen Resonator-Sensor aufweist, unda reference chamber that can be filled with a reference gas, which has a second mechanical resonator sensor, and einer Ausgleichseinrichtung zum Einstellen von gleicher Temperatur und gleichem Druck in der Meßkammer und in der Referenzkammer.a compensation device for setting the same temperature and pressure in the measuring chamber and in the reference chamber. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung aus einer ersten und einer zweiten Komponente zusammengesetzt ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the gas mixture is composed of a first and a second component. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Komponente aus mehreren Gasen zusammengesetzt ist, die qualitativ bekannt sind.Device according to claim 2, characterized in that the second component is composed of several gases which are qualitatively known. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzgas gleich mit der zweiten Komponente der Gasmischung ist.Device according to claim 2 or 3, characterized in that the reference gas is equal to the second component of the gas mixture. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer als Srömmungskanal ausgebildet ist und der zweite Resonator-Sensor in den Strömmungskanal hineinragt.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the measuring chamber is designed as a flow channel and the second resonator sensor projects into the flow channel. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal zur Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung ausgebildet ist.Device according to claim 5, characterized in that the flow channel is designed to maintain a laminar flow. . '..Saufe",.T- :. '..Drink",.T- : [File:ANM\PE2903A1,doc] Anspruch^[File:ANM\PE2903A1,doc] Claim^ GassensorikGas sensors Peotor GmbHPeotor GmbH 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite mechanische Resonator-Sensor eine Grundplatte aufweist, auf die zumindest auf einer Oberfläche ein Material aufgebracht ist, durch welches die Grundplatte zu Schwingungen anregt wird, wobei die Resonator-Sensoren über Sensor-Halterungen in den Kammern gehalten werden.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first and/or the second mechanical resonator sensor has a base plate to which at least one surface has been applied a material by which the base plate is excited to oscillate, the resonator sensors being held in the chambers via sensor holders. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte aus Glas hergestellt ist.8. Device according to claim 7, characterized in that the base plate is made of glass. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte aus kristallinem Sillizium, Federstahl, Aluminium oder Kupfer-Beryllium-Bronze besteht.9. Device according to claim 7, characterized in that the base plate consists of crystalline silicon, spring steel, aluminum or copper-beryllium bronze. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Grundplatte aufgebrachte Material ein piezoelektrisches Material ist, das mit einer elektrisch leitenden Kontaktschicht überzogen ist.10. Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the material applied to the base plate is a piezoelectric material which is coated with an electrically conductive contact layer. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material eine Polyvinylidenfluorid-Folie (PVDF-Folie) ist, die mit einer metallischen Kontaktschicht überzogen ist.11. Device according to claim 10, characterized in that the piezoelectric material is a polyvinylidene fluoride film (PVDF film) which is coated with a metallic contact layer. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Resonator-Sensoren so dimensioniert sind, daß bevorzugt eine 2/0-Mode anregbar ist.12. Device according to one of claims 7 to 11, characterized in that the mechanical resonator sensors are dimensioned such that preferably a 2/0 mode can be excited. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die großflächige Oberfläche des Resonator-Sensors parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist.13. Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the large surface of the resonator sensor is aligned parallel to the flow direction. [File:ANM\PE2903A2 ] Ansprüche, Gassensorik PeotorGmbH[File:ANM\PE2903A2 ] Claims, gas sensors PeotorGmbH 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, die die Ausgleichseinrichtung eine bewegliche gasundurchlässige Membran umfaßt, das die Meßkammer von der Referenzkammer trennt.14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the compensating device comprises a movable gas-impermeable membrane which separates the measuring chamber from the reference chamber. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran einen hohen Wärmedurchgangswert (k) aufweist.15. Device according to claim 14, characterized in that the membrane has a high heat transfer value (k). 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran so dimensioniert wird, daß durch ihre Verformung infolge einer Druckdifferenz zwischen Meß- und Referenzkammer keine elastischen Rückstellkräfte in der Membran entstehen.16. Device according to one of claims 14 or 15, characterized in that the membrane is dimensioned so that its deformation as a result of a pressure difference between the measuring and reference chambers does not result in elastic restoring forces in the membrane. 17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine Polyethylenterephtalat-Folie (PETP-Folie) ist.17. Device according to claim 15, characterized in that the membrane is a polyethylene terephthalate film (PETP film). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Bilden der Differenzfrequenz zwischen einer ersten Resonanzfrequenz des ersten mechanischen Resonator-Sensors und einer zweiten Resonanzfrequenz des zweiten mechanischen Resonator-Sensors .Device according to one of claims 1 to 17 , characterized by a device for forming the difference frequency between a first resonance frequency of the first mechanical resonator sensor and a second resonance frequency of the second mechanical resonator sensor. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer und die Referenzkammer ein gemeinsames Gehäuse aufweist.19. Device according to one of claims 1 to 18, characterized in that the measuring chamber and the reference chamber have a common housing. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wärmeleitend ist.20. Device according to claim 19, characterized in that the housing is heat-conducting.
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