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Einrichtung zur Messung der Mengen der Bestandteile eines
Gemisches aus unter Volumenverminderung reagierenden Gasen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Mengen der Bestandteile eines Ge- misches aus unter Volumenverminderung reagierenden Gasen. Einrichtungen dieser Art können so ausge- bildet werden, dass sie auf Grund der fallweise ermittelten Messergebnisse automatisch anzeigen, ob bei
Gemischen aus explosiv reagierenden Gasen die Explosionsgrenze erreicht oder nahegerückt ist.
Diese automatische Anzeige erweist sich besonders vorteilhaft bei der Messung des Gehaltes von Was- serstoff in Chlor, beispielsweise in-inem Chlorgas, das bei der Elektrolyse wässriger Lösungen von Alkali- metallchlorid in Zellen mit beweglicher Quecksilberkathode entwickelt wird, und ist von besonderer Be- deutung für die Überwachung der einwandfreien Funktion von Elektrolysezellen.
In Elektrolysezellen mit beweglicher Quecksilberkathode kann bekanntlich infolge örtlicher Zersetzung des Alkalimetallamalgans an der Oberfläche der Kathode eine heftige Wasserstoffentwicklung auftreten.
Durch diese Wasserstoffentwicklung wird nicht nur die Elektrolyseleistung herabgesetzt, sondern es kann hiedurch überdies das Gemisch des entwickelten Wasserstoffes mit dem an denAnoden entwickeltenChlor- gas rasch explosiv werden. Um das Auftreten einer anomalen Funktion der Elektrolysezellen möglichst frühzeitig erkennen zu können, ist es zweckmässig, die erforderlichen Messungen möglichst oft in sehr kurzen Zeitabständen wiederholt durchzuführen und abzulesen bzw. zur automatischen Anzeige der An- näherung an eine vorbestimmte Gefahrengrenze auszuwerten.
Zur Messung kann, wie bekannt, eine Reaktion zwischen zwei Gasen, z. B. durch Verbrennen des einen Gases im andern, bewirkt werden, bevor der Gehalt des einen der Bestandteile jenen Grenzwert des
Mischungsverhältnisses erreicht, bei dem das Gemisch explosiv wird. Es wurden auch bereits Verfahren zur kontinuierlichen Messung der verschiedenen Anteile von Gasgemischen vorgeschlagen, welche auf einer Absorption oder auf einer Reaktion durch chemische Verbindung oder Verbrennung der Gase beruhen.
Die zur Durchführung dieser Verfahren erforderlichen Einrichtungen sind jedoch im Aufbau verhältnis- mässig kompliziert, kostspielig und schwierig instandzuhalten.
In der belg. Patentschrift Nr. 509023 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Anzeige des Vor- handenseins von explosiven Gasgemischen beschrieben, welche auf dem an sich bekannten Prinzipbe- ruhen, periodisch eine photochemische Vereinigung der Gase hervorzurufen und die bei dieser Vereinigung auftretenden physikalischen Zustände auszuwerten. Dabei wirkt die entstehende Druckänderung auf eine manometrische Einrichtung, die, wenn die Änderung einen vorbestimmten Wert überschreitet, einen elek- trischen Stromkreis schliesst, wodurch ein Anzeigerelais betätigt wird. Mittels dieser Einrichtung kann wohl eine anomale Funktion der Elektrolysezellen vorangezeigt werden, jedoch ist eine genaue Anzeige des
Wasserstoffgehaltes im Chlor und somit eins kontinuierliche Überwachung der Funktion der Elektrolyse- zellen nicht möglich.
Eine Verbesserung der Messung bietet eine in der deutschen Patentschrift Nr. 1007562 beschriebene
Vorrichtung zum Nachweis explosibler Gasgemische.
Diese bekannte Vorrichtung eignet sich gut zur Verwendung als Einrichtung zur Messung der Mengen der Bestandteile eines Gemisches aus unter Volumenverminderung reagierenden Gasen, insbesondere der
Menge von Wasserstoff in Chlor, und besteht im wesentlichen aus (a) einer für aktinische Strahlung durch- lässigen Reaktionskammer, die mit einer mit einem Ventil versehenen Rohrleitung für die Zufuhr einer
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bei allen Messungen konstanten Volumenmenge des zu analysierenden Gasgemisches verbunden und über eine ebenfalls mit einem Ventil versehene Rohrleitung für die Abfuhr der bei der Reaktion entstehenden
Produkte an eine in der Reaktionskammer einen Unterdruck erzeugende Saugpumpe angeschlossen ist, (b) einem eine elektrisch leitende Manometerflüssigkeit enthaltenden Druckmessgerät,
an das ein mit einer
Skaleneinteilung versehenes Ableserohr und gegebenenfalls eine Registriereinrichtung angeschlossen ist und das mit einem akustischen Warngerät mittels eines Stromkreises verbunden ist, der durch die leitende Ma- nometerflüssigkeit geschlossen wird, wenn die gemessene Menge der zu bestimmenden Bestandteile im
Gemisch einen vorausbestimmten, unter der Explosionsgrenze liegenden Wert erreicht, und (c) einer
Lichtquelle zur periodischen Belichtung der Reaktionskammer mit aktinischer Strahlung.
Bei dieser bekannten Einrichtung wird durch eine Bedienungsperson in regelmässigen Abständen die
Zuführung einer Gasprobe in die Reaktionskammer vorgenommen, wonach die Belichtung der Reaktions- kammer ein-und ausgeschaltet wird. Solange das Gemisch eine ungefährliche Zusammensetzung hat, bleibt eine Anzeige aus. Erst bei Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes wird das Warnsignal betätigt.
Diese bekannte Einrichtung ermöglicht wohl wiederholte Messungen von Gasprobe, doch können in- nerhalb der Pausen zwischen den willkürlich vorgenommenen Messungen noch ohne weiteres gefährliche
Betriebssituationen auftreten, die durch die sporadischen Messungen nicht erfasst werden.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Einrichtung der oben erläuterten Art so auszubilden, dass auto- matisch in regelmässigen, relativ kurzen Zeitabständen fortlaufend vergleichbare und genaue Messungen der Menge eines bestimmten Bestandteiles eines gasförmigen Gemisches, insbesondere des in Zellen für die Elektrolyse von wässerigen Lösungen von Natriumchlorid entwickeltem Chlor vorhandenen Wasserstof- fes durchgeführt werden können.
Dieses Ziel wird gemäss der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass bei einer Einrichtung der beschriebenen Art die Ventile in den mit der Reaktionskammer verbundenen Zufuhr- und Abfuhrrohrleitungen als elektromagnetisch betätigbare Ventile ausgebildet sind und dass ein Programmiergerät vorgesehen ist, welches automatisch in zyklisch aufeinanderfolgenden Perioden konstanter Dauer zuerst durch Betätigung der beiden elektromagnetischen Ventile die Füllung der Reaktionskammer mit dem zu analysierenden Gasgemisch, hierauf die Belichtung der Reaktionskammer mit aktinischer Strahlung zur Auslösung der unter Volumenverminderung erfolgenden Reaktion zwischen den Bestandteilen des Gasgemisches,
sodann die Abschaltung oder Abdeckung der Lichtquelle bewirkt und abschliessend den Ablesezeitpunkt für das Ergebnis der Messung der Volumsverminderung am Ableserohr der Druckmesseinrichtung anzeigt.
Die gemäss der Erfindung ausgebildete Einrichtung hat einfachen Aufbau, erfordert wenig Raum, benötigt keine umständlichen Massnahmen und Handhabungen und gewährleistet eine wesentlich erhöhte Sicherheit des Personals von Elektrolyseanlagen, insbesondere dort, wo explosive Gemische gebildet werden können. Sie ermöglicht die Wiederholungen der Messungen in zyklischer Folge, wobei ausserdem vergleichbare genaue Ablesungen ausgeführt werden können, so dass gleichsam eine Daueranzeige erhalten wird, die praktisch einer kontinuierlichen Überwachung gleichkommt.
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der unter Bezunahme auf die Zeichnungen einige Ausführungsbeispiele der Einrichtung näher erläutert sind.
Die Fig. 1-3 zeigen verschiedene Ausführungsformen der gesamten Einrichtung, und Fig. 4 stellt eine Abänderung eines Details dieser Einrichtungen dar.
Das Arbeitsprinzip der Einrichtung besteht, wie bereits oben erwähnt worden ist, darin, dass durch aktinische Strahlung eine Vereinigung von Wasserstoff mit Chlor hervorgerufen wird, wobei die Messung des Wasserstoffgehaltes auf der Volumsveränderung beruht, die infolge der Absorption des bei der Vereinigung des Chlors mit dem Wasserstoff gebildeten Chlorwasserstoffes stattfindet.
Bei der Messung wird ein bestimmtes Volumen von Chlor entnommen, welches Wasserstoff und gegebenenfalls andere, gegenüber Chlor inerte Gase enthält. Hierauf wird die Vereinigung des Chlors mit dem Wasserstoff veranlasst. Der gebildete Chlorwasserstoff wird dann in mit Chlor gesättigtem Wasser oder einer mit Chlor gesättigten Salzlösung absorbiert. Schliesslich wird die infolge der Absorption des Chlorwasserstoffes erfolgende Volumenverringerung gemessen.
Als Lösungsmittel kann wegen der geringen Löslichkeit des Chlors und der hohen Löslichkeit des Chlorwasserstoffes Wasser verwendet werden, von dem der Chlorwasserstoff sofort absorbiert wird, u. zw. in solchem Masse, dass das Vorhandensein von Wassertropfen oder einer dünnen Flüssigkeitsschicht an der Wand der Reaktionskammer ausreicht, um den Chlorwasserstoff vollständig zu absorbieren. Die Löslichkeit des Chlors im Wasser kann durch Lösen eines Salzes noch weiter herabgesetzt werden. Die Anwesenheit dieses Salzes beeinträchtigt die Absorption des Chlorwasserstoffes nicht merkbar.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Einrichtung in einem Gehäuse 1 eingebaut und
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Reflektor 3Ventile 6 und 11 durch die geschlossenen Stromkreise 38 und 39 offen gehalten werden, wird die Reaktionskammer 2 mit Chlor durchspült und hiedurch wirksam gereinigt. In der dreissigsten Sekunde unterbricht der Kontaktgeber 33 den Stromkreis 38, und das Ventil 6 schliesst sich daher. In der 33. Sekunde unterbricht der Kontaktgeber 34 den Stromkreis 39, wodurch das Ventil 11 schliesst. In der Reaktionskammer 2 ist nunmehr ein bestimmtes, bei jeder Messung gleich grosses Volumen des zu analysierenden Gases eingeschlossen.
Der in der Kammer herrschende konstante Druck, der am Rohr 17 des Manometers abgelesen werden kann, ist der Ausgangsdruck, auf Grund dessen die spätere Messung des Wasserstoffgehaltes im Chlor vorgenommen wird. In der 35. Sekunde schliesst der Kontaktgeber 35 den Stromkreis 40, wodurch der Drehelektromagnet 31 erregt wird, der den Abblendschirm 29 gegen die Wirkung einer Federso verschwenkt, dass er die Fensteröffnung 30 freigibt, wodurch das Gasgemisch in der Reaktionskammer 2 der Wirkung der von der Lampe 26 ausgesandten aktinischen Strahlung unterworfen wird. Diese Strahlung bewirkt die sofortige Vereinigung des Chlors mit dem Wasserstoff, und da diese Reaktion exotherm verläuft, wird zunächst Manometerflüssigkeit aus dem Rohr 17 in den Rezipienten 15 hinein verdrängt, wobei die Glocke 16 als hydraulische Sicherung wirkt.
Nach einer bestimmten, relativ kurzen Zeit geht die Temperatur auf ihren Ausgangswert zurück und die Manometerflüssigkeit steigt im Rohr 17 wieder auf, u. zw. bis zu einer Höhe, die grösser ist als die dem anfänglichen Druck entsprechende Höhe, wobei der Höhenunterschied von der infolge der Absorption des gebildeten Chlorwasserstoffs auftretenden Volumsverminderung, d. h. vom Wasserstoffgehalt im Chlor, abhängt. Eine einfache, am Rohr 17 angeordnete Gradenteilung ermöglicht es ; diese Ablesung der Druckänderung mit dem Wasserstoffgehalt in Beziehung zu setzen.
In der 123. Sekunde unterbricht der Kontaktgeber 35 den Stromkreis 40, wodurch der Drehelektro- magnet 31 stromlos wird und die Rückholfeder den Abblendschirm 29 vor die Fensteröffnung 30 schwenkt. In der 150. Sekunde hat die Temperatur in der Reaktionskammer wieder ihren Ausgangswert erreicht. Der Kontaktgeber 36 schliesst den Stromkreis 41, wodurch die Signallampe 37 aufleuchtet und anzeigt, dass die durch das manometrische System gemessene Druckänderung abgelassen werden kann. Nach 180 sec ist der Ausgangszustand erreicht und die Folge der verschiedenen Vorgänge beginnt von neuem.
Das Rohr 17 ist mit einer Gradeinteilung versehen ; die Elektrode 22 ist in diesem Rohr in einer Höhe angeordnet, welche einem vorbestimmten Grenzwert des Gehaltes von Wasserstoff im Chlor entspricht. Wenn die leitende Manometerflüssigkeit im Rohr 17 bis zu dieser Höhe steigt, dann kommt sie mit der Elektrode 22 in Berührung und schliesst den Stromkreis 24, wodurch der akustische Signalgeber 25 betätigt wird.
Im Rahmen der Erfindung können auch noch andere Anzeige- und Messsysteme verwendet werden. In
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beschriebenen Ableserohr 17 ein Anzeigerohr 70, an dem in einer Höhe, die einem vorbestimmten Grenzwert des Gehaltes von Wasserstoff im Chlor entspricht, ein Anzeigesystem angeordnet ist. Dieses System besteht aus einer Lichtquelle 71, deren Strahlung auf eine lichtelektrische Zelle 72 fokusiert wird. Der Strom der lichtelektrischen Zelle wird durch den Verstärker A verstärkt und betätigt das Relais R, das den Stromkreis 24 des Signalgebers 25 offen hält, solange die lichtelektrische Zelle 72 belichtet wird. Bei Anwendung eines solchen Systems wird zweckmässig eine stark gefärbte Manometerflüssigkeit verwendet.
Wenn der Gehalt von Wasserstoff im Chlor den vorbestimmten Grenzwert erreicht hat, dann steigt nach der Vereinigung dieser beiden Gase infolge der durch die Absorption des gebildeten Chlorwasserstoffs bewirkten Volumsverminderung die Manometerflüssigkeit in den Rohren 17 und 70 und verdeckt im Rohr 70
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infolgedessen beträchtlich weniger stark belichtet, so dass das Relais R stromlos wird und abfällt, wodurch der Stromkreis 24 geschlossen und der akustische Signalgeber 25 betätigt wird.
An Stelle einer visuellen Ableseeinrichtung kann gegebenenfalls im oder am Rohr 17 auch irgendein an sich bekanntes, automatisches Registrierungssystem angeordnet werden, welches die Funktion der Elektrolysezellen fortlaufend registriert.
Die Einrichtung kann mit zahlreichen, Abwandlungen ausgeführt werden. So ist beispielsweise in Fig. 2
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Einrichtung ausgebildet ist, bei der aber die periodische Belichtung der Reaktionskammer 2 nicht durch einen Abblendschirm gesteuert wird, der zwischen der Reaktionskammer 2 und der Lampe 26 ein-und ausschwenkbar ist, sondern durch periodische Ein- und Ausschaltung der Lampe 26 erfolgt. Zu diesem Zweck ist an Stelle des in Fig. 1 gezeigten Kontaktgebers 35 ein gleichartiger Kontaktgeber 51 vorgesehen, der einen Stromkreis 27 für die Speisung der Lampe 26 im gleichen Zeitpunkt schliesst, in welchem bei der Einrichtung nach Fig. 1 der Stromkreis 40 zur Betätigung des Drehelektromagnetes 31 für den Abblend-
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schirm durch den Kontaktgeber 35 geschlossen wird. Von der 35. bis zur 123.
Sekunde nach dem Beginn eines jeden Arbeitszyklus bleibt hiebei die Lampe 26 eingeschaltet, und während dieser Zeit wird das
Gasgemisch in der Reaktionskammer 2 der Einwirkung der aktinischen Strahlung ausgesetzt.
Eine andere abgeänderte Ausführungsform der Einrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Einrichtung ist bis auf das manometrische System identisch mit der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Bei der Ein- richtung nach Fig. 3 erfolgt gemäss der Erfindung die Ablesung an einem Ableserohr 61, welches vom
Rohr 14 abgezweigt und über ein elektromagnetisch betätigbares Ventil 62 mit einem Rohr 60 verbunden ist, das an den Rezipienten 15 angeschlossen ist. Das Ventil 62 wird über einen Stromkreis 64 betätigt, der durch einen dem Kontaktgeber 36 nach Fig. 1 entsprechenden Kontaktgeber 63 geschlossen wird. Das
Anzeigesystem umfasst wie bei der in Fig. 1 veranschaulichten Einrichtung eine Elektrode 22, die in dem hier als Anzeigerohr dienenden Rohr 17 angeordnet ist, ferner eine Elektrode 23, einen elektrischen Strom- kreis 24 und einen akustischen Signalgeber 25.
'Bei dieser in Fig. 3 dargestellten Einrichtung ist der Ablauf der aufeinanderfolgenden Vorgänge wäh- rend der ersten 150 sec eines jeden Arbeitszyklus der gleiche wie bei der Einrichtung nach Fig. 1. In der
150. Sekunde ist die Temperatur in der Reaktionskammer 2 wieder auf ihren Ausgangswert zurückgegan- gen, und nun schliesst der Kontaktgeber 63 den Stromkreis 64, wodurch das Ventil 62 geöffnet wird und hiedurch das Ableserohr 61 mit dem manometrischen System verbindet. Nun stellt sich die Manometer- flüssigkeit im Rohr 61 auf eine dem Gehalt von Wasserstoff im Chlor entsprechende Höhe ein. Nach
180 sec hat die Programmiereinrichtung wieder ihre Ausgangsstellung erreicht, bei welcher der Kontakt- geber 63 den Stromkreis 64 unterbricht, wodurch sich das Ventil 62 wieder schliesst.
Die Manometerflüs- sigkeit bleibt daher im Ableserohr 61 auf jener Höhe stehen, welche bei dem zuletzt gemessenen Gehalt von Wasserstoff im Chlor erreicht worden ist. Bei der Einrichtung nach Fig. 3 können somit die bei auf- einanderfolgenden Messungen ermittelten Werte miteinander verglichen werden, weil während der Dauer der von der Zeit Null bis zur 150. Sekunde des Arbeitszyklus stattfindenden Vorgänge die Höhe der Ma- nometerflüssigkeit in dem während dieser Zeitspanne durch das Ventil 62 vom übrigen manometrischen
System abgetrennten Ableserohr 61 konstant bleibt und noch den beim vorhergegangenen Arbeitszyklus festgestellten Gehalt von Wasserstoff im Chlor angibt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Messung der Mengen der Bestandteile eines Gemisches aus unter Volumenverminderung reagierenden Gasen, insbesondere der Menge von Wasserstoff in Chlor, bestehend aus (a) einer für aktinische Strahlung durchlässigen Reaktionskammer, die mit einer mit einem Ventil versehenen Rohrleitung für die Zufuhr einer bei allen Messungen konstanten Volumenmenge des zu analysierenden Gasgemisches verbunden und über eine ebenfalls mit einem Ventil versehene Rohrleitung für die Abfuhr der bei der Reaktion entstehenden Produkte an eine in der Reaktionskammer einen Unterdruck erzeugende Saugpumpe angeschlossen ist, (b) einem eine elektrisch leitende Manometerflüssigkeit enthaltenden Druckmessgerät,
an das ein mit einer Skaleneinteilung versehenes Ableserohr und gegebenenfalls eine Registrereinrichtung angeschlossen ist und das mit einem akustischen Warngerät mittels eines Stromkreises verbunden ist, der durch die leitende Manometerflüssigkeit geschlossen wird, wenn die gemessene Menge der zu bestimmenden Bestandteile im Gemisch einen vorausbestimmten, unter der Explosionsgrenze liegenden Wert erreicht, und (c) einer Lichtquelle zur periodischen Belichtung der Reaktionskammer mit aktinischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (6 bzw. 11) in den mit der Reaktionskammer (2) verbundenen Zufuhr- und Abfuhrrohrleitungen (7,4 bzw. 5,12) als elektromagnetisch betätigbare Ventile ausgebildet sind und dass ein Programmiergerät (33-36 ;
51,63) vorgesehen ist, welches automatisch in zyklisch aufeinanderfolgenden Perioden konstanter Dauer zuerst durch Betätigung der beiden elektromagnetischen Ventile (6 und 11) die Füllung der Reaktionskammer mit dem zu analysierenden Gasgemisch, hierauf die Belichtung der Reaktionskammer mit aktinischer Strahlung zur Auslösung der unter Volumenverminderung erfolgendenReaktion zwischen den Bestandteilen des Gasgemisches, sodann die Abschaltung oder Abdeckung der Lichtquelle bewirkt und abschliessend den Ablesezeitpunkt für das Ergebnis der Messung der Volumsverminderung am Ableserohr der Druckmesseinrichtung anzeigt.