DE1017384B

DE1017384B - Verfahren und Vorrichtung zur Mengenbestimmung eines brennbaren Gases

Info

Publication number: DE1017384B
Application number: DEE11496A
Authority: DE
Inventors: Charles Eyraud
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1954-11-19
Filing date: 1955-11-02
Publication date: 1957-10-10
Also published as: FR1154413A; US2899282A; GB801320A

Description

DEUTSCHES

Die Bestimmung des Anteils eines brennbaren Bestandteils in einem Gasgemisch durch katalytische Verbrennung an einem Platinglühfaden bei hoher Temperatur ist bereits auf verschiedene Weise ausgeführt worden. Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, daß man eine wenig Platz beanspruchende Apparatur erhält, welche schnelle Messungen gestattet.

Das Prinzip fast aller auf dieser Methode beruhenden Meßvorrichtungen ist folgendes: Das zu analysierende, im allgemeinen aus einem brennbaren Gas und Luft bestehende Gemisch wird in eine Kammer gebracht, welche einen Platinglühfaden enthält, welcher durch einen elektrischen Strom auf eine so hohe Temperatur gebracht wird, daß eine katalytische Verbrennung erfolgt. Dieser Glühfaden bildet einen der vier Arme einer Wheatstoneschen ,Brücke. Die Widerstandsänderung, welche von der Temperaturerhöhung des Glühfadens durch die Verbrennung herrührt, kann so mit einer sehr großen Empfindlichkeit festgestellt werden. Das die Gleichgewichtsstörung der Wheatstoneschen Brücke messende Milliamperemeter ist unmittelbar in Prozenten des brennbaren Gases geeicht.

Leider stößt diese Methode, welche darin besteht, die Temperaturänderung eines Metalldrahtes durch eine Differentialmessung des elekrischen Widerstands in einer Wheatstoneschen Brücke festzustellen, auf große Nachteile. Das Gleichgewicht der Brücke ändert sich nämlich zeitlich infolge der vereinten Einwirkung der Verdampfung, der thermischen Verformung, der kristallinen Umformung und der mechanischen Verformung der Platinglühfäden, welche übermäßigen thermischen, chemischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. In technischer Ausdrucksweise sagt man, daß der Nullpunkt des Meßgeräts wandert.

Ganz allgemein kann gesagt werden, daß bei allen bisher vorgeschlagenen Differentialmethoden unabhängig von der Art der Feststellung der bei der Verbrennung an der betreffenden katalytischen Oberfläche entwickelten Wärme (mit der Brücke gemessene Widerstandsänderung, mit der Photozelle gemessene Änderung der Lichtemission, mit einem Differentialthermoelement gemessene Temperaturänderung des Katalysators usw.) die Möglichkeit einer verschiedenen physikalischen Veränderung des Katalysators und des Bezugskörpers stets die Genauigkeit der Mengenbestimmung durch die Wanderung des Nullpunkts begrenzt.

Um diesem Nachteil abzuhelfen, sehen gewisse Apparate die Abgleichung der Brücke vor jeder Messung vor. Dieser Kunstgriff, welcher den Aufbau eines tragbaren Apparats nicht übermäßig kompliziert, kann bei einem ortsfesten Apparat zur kontinuierlichen Mengenbestimmung nicht benutzt werden.

Verfahren und Vorrichtung
zur Mengenbestimmung
eines brennbaren Gases

Anmelder:
Charles Eyraud, Lyon (Frankreich)

Vertreter: Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 46

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 19. November 1954

Charles Eyraud, Lyon (Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden

Nach der vorliegenden Erfindung wird nun die Differentialmessung im Raum, die an zwei verschiedenen katalytischen Massen vorgenommen wird, wie dies bisher bei den Apparaten zur Mengenbestimmung eines brennbaren gasförmigen Bestandteils durch katalytische Verbrennung an einem Platinglühfaden oder einem anderen Katalysator der Fall war, durch eine Differentialmessung in der Zeit an einer einzigen katalytischen Masse ersetzt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß abwechselnd über den Katalysator das zu analysierende Gas und hierauf ein Gas mit keinem oder einem geringeren Gehalt an dem brennbaren Bestandteil, insbesondere das von der vorhergehenden Reaktionsperiode stammende Analysengas, geleitet wird, und zwar mit einer solchen Frequenz, daß die periodische Temperaturschwankung des Katalysators in eine kontinuierliche stabile differentiale Angabe des Gehalts an gasförmigem Brennstoff umgewandelt wird. Wenn bestimmte Frequenzbedingungen eingehalten werden, haben die langsamen physikalischen Änderungen der katalytischen Masse keinen Einfluß auf die Stabilität des Nullpunkts.

Wenn es sich darum handelt, kleine Mengen eines brennbaren gasförmigen Bestandteils zu dosieren, so ist es eine der wesentlichen Bedingungen, daß die Nullpunktabweichung des Apparats keinen erheblichen Meßfehler verursacht. Alle bisherigen Apparate, die mit katalytischer Verbrennung an einem Platinglühfaden arbeiten, weisen jedoch eine solche Nullpunktabweichnung auf, daß es nicht möglich ist, Gas-

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gemische mit schwachem Gehalt an brennbaren Gasen zu analysieren, wenn der Nullpunkt des Apparats während der Messung nicht ständig neu eingestellt wird. Dieser Nachteil, der für ein tragbares Gerät nicht sehr schwerwiegend ist, kann für einen ständig beschickten und fortlaufend arbeitenden Apparat aber nicht in Kauf genommen werden.

Die besondere Maßnahme nach der vorliegenden Erfindung, die darauf beruht, einen einzigen und gleichen Platinglühfaden abwechselnd zur Verbrennung und zum Vergleich in sehr kurzen Zeitintervallen zu benutzen, vermeidet unabhängig von der Abnutzung oder der Verformung des Platinglühfadens jegliche Nullpunktveränderung.

Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung *5 wird als einzige Masse ein einziger katalytisch wirksamer Platinglühfaden in Kombination mit einer zeitlichen Differentialmessung benutzt, wobei der Glühfaden abwechselnd als Verbrennungsmasse und als Vergleichsmasse arbeitet und das Meßgerät eine kon- ao tinuierliche Angabe über den Gehalt an brennbarem Gas liefert.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform;

Fig. 2 zeigt eine andere Ausfuhrungsform; Fig. 3 ist das Schaltbild einer Brückenschaltung; Fig. 4 ist ein Schaltbild mit Transformator; Fig. 5 ist ein vollständiges Schaltbild des Geräts; Fig. 6 zeigt im einzelnen die Kontakte des Verteilungssystems.

Fig. 7 zeigt in einem Axialschnitt der Linie 7-7 der Fig. 8 die durch die Verbrennungskammer und den Pumpenkörper gebildete Anordnung;

Fig. 8 ist ein Querschnitt längs der Linie 8-8 der Fig. 7;

Fig. 9 zeigt in einem Axialschnitt längs der Linie 9-9 der Fig. 10 den herausnehmbaren Einbau des spiraligen Glühfadens in größerem Maßstab;

Fig. 10 ist ein Querschnitt längs der Linie 10-10 der Fig. 9.

Wie in Fig. 1 dargestellt, handelt es sich darum, abwechselnd über einen Platinglühfaden 1 zunächst das von außerhalb einer Kammer 2 kommende brennbare Gasgemisch und hierauf das in der gleichen Kammer enthaltene teilweise oder vollständig verbrannte Gemisch zu leiten. Die abwechselnde Strömung der Gase in den beiden Richtungen wird durch einen exzentrischen Nocken 3 erzeugt, welcher auf eine elastische Membran 4 drückt, welche z. B. durch eine gewellte Metallwand gebildet wird. Zur Verhinderung des Niederschlags von Wasserdämpfen an den inneren Wänden der Kammer 2 kann in der Kammer eine Patrone 5 mit einem Absorptionsmittel angeordnet werden, z. B. Kieselerdegel oder aktiviertes Aluminiumoxyd, oder die Ausbildung kann auch so getroffen werden, daß an keiner Stelle der Wand die Temperatur unter dem Taupunkt des durch die Verbrennung erzeugten Wasserdampfes liegt. Die Temperatur des durch ein Element oder einen elektrischen Akkumulator 6 gespeisten Platinglühfadens 1 schwankt zeitlich zwischen einem Höchstwert (Verbrennungsperiode) und einem Kleinstwert (Umspülung des Glühfadens von den Verbrennungsgasen). Der Widerstand des Glühfadens sowie die ihn durchfließende elektrische Stromstärke schwanken somit periodisch. Die Größe dieser periodischen Schwankung hängt von dem Gehalt des zu analysierenden Gemisches an brennbarem Gas außerhalb der Kammer 2 ab.

Zur kontinuierlichen Messung dieser Widerstandsoder Stromstärkenschwankung wird z. B. ein Widerstand 7 in den Heizstromkreis des Glühfadens 1 eingeschaltet. Zwischen den Enden A und B des Widerstands (oder zwischen den Enden C und D des Glühfadens) tritt eine Wechselspannungskomponente auf, welche der durch den elektrischen Heizstrom erzeugten Gleichpotentialdifferenz überlagert ist.

Die einfachste Methode zur Feststellung dieser Wechselspannungskomponente besteht darin, einen Kondensator 8 im Augenblick der kleinsten Spannung zwischen A und B und hierauf einen anderen Kondensator 9 im Augenblick der nächsten größten Spannung zu laden. Der Unterschied der Potentialdifferenz zwischen den Punkten E und F wird dann durch ein mit einem sehr großen Widerstand in Reihe geschaltetes Galvanometer 10 oder auch durch ein potentiometrisches Registriergerät gemessen. Diese beiden Geräte werden unmittelbar in Prozenten von brennbarem Gas geeicht. Die Ladung der Kondensatoren 8 und 9 erfolgt zu den zweckmäßigen Zeitpunkten mittels eines Verteilers mit zwei Kontakten U, welcher durch einen Nocken 12 gesteuert wird, welcher auf der gleichen Welle 12 α wie der Nocken 3 zur Steuerung der Strömung des Gasstromes über den Glühfaden 1 sitzt.

Die obige Ausführungsform ist nur ein nicht beschränkendes Beispiel, und es sind noch zahlreiche andere Ausführungsformen möglich.

Für den elektrischen Stromkreis können noch andere Ausführungsformen zur Messung der periodischen Widerstandsänderung des Platinglühfadens benutzt werden. So erscheint z. B. bei der Brückenschaltung der Fig. 3 mit dem Glühfaden 1 und den drei Widerständen r_v r_%, r₃ zwischen den Punkten A und B die Wechselspannung (unter Fortfall oder fast vollständigem Fortfall einer Gleichspannungskomponente), deren Wert den Gehalt des zu analysierenden Gases an Brennstoff mißt.

Man kann auch die Wechselspannungskomponente unter Unterdrückung der Gleichspannungskomponente mittels eines Transformators t erhalten, dessen Primärwicklung in der auf Fig. 4 angegebenen Weise mit dem Glühfaden 1 in Reihe geschaltet ist.

Man kann ferner die Potentialdifferenz zwischen den Punkten A und B der Fig. 1, 2, 3 und 4 nach Verstärkung mittels einer geeigneten elektronischen Vorrichtung messen.

Man kann noch die periodische Temperaturschwankung des Glühfadens 1 mittels einer Photozelle oder eines Thermoelements in Wechselstrom umwandeln, welche einen elektronischen Verstärker zur Verstärkung der Wechselkomponente des Photozellenstroms oder des Thermoelementstroms beaufschlagen.

Zur Vornahme der abwechselnden Leitung der Gase über den Glühfaden 1 sind ebenfalls zahlreiche Lösungen möglich. So kann z. B., wie in Fig. 2 angegeben, die abwechselnde Strömung der Gase über dem Glühfaden durch einen zweiten Glühfaden 13 erzeugt werden, dessen elektrische Speisung periodisch durch einen Nocken 14 unterbrochen wird, welcher die gleiche Rolle wie der Nocken 3 der Fig. 1 spielt. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil der Vereinfachung des mechanischen Teils durch Fortfall der elastischen Membran oder eines diese ersetzenden Kolbens.

Natürlich kann man auch, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, so vorgehen, daß man abwechselnd über den katalytisch wirksamen Platinglühfaden einerseits das zu analysierende Gas und andererseits das Gas leitet, welches keinen brennbaren

Bestandteil enthält und z. B. aus einem unter Druck stehenden Gasvorrat stammt.

Fig. 5, 6, 7 und 8 zeigen die Ausführungseinzelheiten eines Apparats zur Mengenbestimmung des Methans in Luft oder des Acetons in Luft.

Die elektrische Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Ein potentiometrisches Registriergerät ist an die Klemmen E und F angeschlossen und besitzt mehrere Meßbereiche von 1 bis 2,5 bis 5 bis 10 bis 25 mV. Die beiden Kondensatoren 8 und 9, deren jeder 6000 Mikrofarad hat, sind Elektrolytkondensatoren. Der Widerstand 7 hat einen Wert von etwa 0,4 Ohm. Das Element oder der Akkumulator ist an A und D angeschlossen.

Fig. 6 zeigt das System mit den Kontakten des Verteilers 11. Diese Kontakte 20 sind aus Platin. Sie sind an Achsen 21 angebracht und werden durch eine Feder 22 gehalten. Die abwechselnde Gasströmung wird durch einen Kolben 23 erzeugt, welcher in einem Pumpenkörper 24 durch ein Gestänge 25 verstellt wird, welches dem Nocken 3 der schematischen Ausführungsform der Fig. 1 entspricht. Über dem Pumpenkörper liegt eine Verbrennungskammer 26., in welcher sich der Glühfaden 1 befindet. Der Pumpenkörper 24 muß ein möglichst kleines totes Volumen haben (obere Stellung des Kolbens), um die Zeitkonstante des Mengenbestimmungsapparats zu verringern. Das durch eine Leitung 27 zugeführte zu analysierende Gas strömt kontinuierlich in der Richtung der Pfeile über der Verbrennungskammer 26.

Die Einzelheiten der durch den Umlauf des zu analysierenden Gases, die Verbrennungskammer und den Pumpenkörper gebildeten Anordnung sind in Fig. 7 und 8 dargestellt.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform bildet diese Anordnung einen einzigen Block und ist so ausgebildet, daß sie leicht entfernt werden kann, d. h. daß sie schnell ersetzt werden kann, wenn der Glühfaden 1 betriebsunfähig geworden ist. Hierfür ist die Anordnung mit zwei Steckern 28 versehen.

Ferner kann bei dieser Ausführungsform der Glühfaden selbst ebenfalls leicht ersetzt werden. Er ist hierfür an einem Isolierstöpsel 29 (Fig. 9 und 10) angebracht, welcher Zuführungselektroden 30 aufweist und entfernbar in eine Bohrung in der Wand der Verbrennungskammer 26 eingesetzt ist.

Man sieht außerdem in Fig. 7 bis 10, daß bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Glühfaden 1 außerhalb des Gasstroms liegt, so daß er von dem brennbaren Gas nur durch die kombinierte natürliche Konvektion und Gasdiffusion erreicht wird. Hierfür tritt der Gasstrom in die Verbrennungskammer 26 durch Umfangsöffnungen 31 ein und tritt auch durch diese wieder aus.

Die obige neue Ausbildung eines Geräts zur Messung eines brennbaren gasförmigen Bestandteils bietet gegenüber den bisher benutzten Anordnungen folgende Vorteile: Die von der physikalischen Veränderung des Katalysators herrührende Wanderung des Nullpunkts fällt fort; der Ersatz eines zerstörten Platinglühfadens erfordert keine andere Abgleicharbeit als die von dem Hersteller vorgenommene, so daß er leicht an Ort und Stelle durch Auswechslung des in Fig. 7 dargestellten, mit Steckern versehenen Blocks vorgenommen werden kann.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit besonders günstig für die Herstellung von Apparaten zur kontinuierlichen Mengenbestimmung in Verbindung mit der Registrierung oder einer Alarmvorrichtung an besonders gefährlichen Stellen (Kohlenbergwerke, Vorkommen von natürlichen Gasen, Fabrikwerkstätten). Ein potentiometrisches Registriergerät, welches mit einem elektronischen Verstärker kombiniert ist oder nicht, gestattet z. B. die kontinuierliche Überwachung der Wetterführung eines Minenschachtes. Ferner kann eine an einer geeigneten Stelle auf dem Weg eines Galvanometerlichtflecks angeordnete Photozelle ein Alarmsystem bei einem vorausbestimmten kritischen Gehalt an brennbarem Gas auslösen.

Die Drehgeschwindigkeit der Nocken oder des Gestänges, d. h. die Frequenz der Umsteuerung des Gasstroms an dem Glühfaden wird einerseits durch die Abkühlgeschwindigkeit des von den Verbrennungsgasen umspülten Glühfadens und andererseits durch die räumliche Menge bestimmt, welche je nachdem einer fast vollständigen oder nur teilweisen Verbrennung entspricht.

So können z. B. für die Ausführungsform der Fig. 5 bis 10, bei welcher die Verbrennung nur teilweise erfolgt, folgende Abmessungen benutzt werden: Glühfaden aus Platin mit Rhodium mit 10% Rhodium; Querschnitt des Glühfadens: ¹V₁₀₀ ^mm > der Glühfaden ist mit 16 Windungen auf eine Seele von V₁₀ mm gewickelt ; Drehgeschwindigkeit des Gestänges: 33 U/min.

Claims

PATENTANSPRLCHE:

1. Verfahren zur Mengenbestimmung eines brennbaren gasförmigen Bestandteils durch katalytische Verbrennung an einem Platinglühfaden oder einem anderen Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd über den Katalysator das zu analysierende Gas und hierauf ein Gas mit keinem oder einem geringeren Gehalt an dem brennbaren Bestandteil, insbesondere das von der vorhergehenden Reaktionsperiode stammende Analysengas, geleitet wird, und zwar mit einer solchen Frequenz, daß die periodische Temperaturschwankung des Katalysators in eine kontinuierliche stabile differentiale Angabe des Gehalts an gasförmigem Brennstoff umgewandelt wird.

2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Platinglühfaden (1) oder einen anderen Katalysator, welcher abwechselnd von dem zu analysierenden Gas und von dessen Verbrennungsgasen umspült wird, daß diese abwechselnde Gasbewegung ein Saug- und Drucksystem mit einer geeigneten Frequenz erzeugt und die periodischen Temperaturschwankungen des Katalysators in eine mittels eines entsprechenden Meßgeräts meßbare kontinuierliche stabile Spannung umwandelbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Platinglühfaden (1) eine geringe Wärmekapazität hat und in der Einlaßöffnung einer Kammer (2) angeordnet ist, in welcher das periodisch arbeitende Saug- und Drucksystem wirksam ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Saug- und Drucksystem eine periodisch arbeitende Pumpe ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Saug- und Drucksystem durch periodische thermische Ausdehnung und Zusammenziehung des in der Kammer enthaltenen Gases verwirklicht ist (Fig. 2).

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine elektrische Vorrichtung zur Umwandlung der periodischen Temperaturschwankungen des Katalysators in einen dieser Schwankung proportionalen Gleich- oder Wechselstrom.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, gekennzeichnet durch eine angeschlossene Registriervorrichtung und/oder eine Alarmvorrichtung für

vorausbestimmten Gehalt an brennbarem

einen
Gas.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator auswechselbar ist (Fig. 7).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator außerhalb des direkten Gasstroms angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen