DE1038311B - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von paramagnetischen Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung des Gehaltes von Gasmischungen an paramagnetischen Gasen, wie Sauerstoff, auf magnetischem Wege.

In folgendem wird als Beispiel für paramagnetisches Gas ausschließlich Sauerstoff erwähnt. Selbstverständlieh ist aber die Erfindung ebenso gut auf andere Gase mit gleichen Eigenschaften, insbesondere auf Stickoxyd, anwendbar.

Es ist bekannt, für die Messung des Gehaltes von Gasmischungen an solchen paramagnetischen Gasen die paramagnetischen Eigenschaften dieser Gase heranzuziehen. Man arbeitet dabei nach folgendem Prinzip:

Der Meßstrom, dessen Gehalt an Sauerstoff bestimmt werden soll, wird durch ein magnetisches Feld geführt. Ein Teil des in -der Mischung enthaltenen Sauerstoffs wird durch das Feld als sekundärer Gasstrom abgelenkt, der unter Benutzung verschiedener Kunstgriffe über zwei elektrisch beheizte Fäden streicht und dabei den ersten Faden abkühlt, während er den zweiten Faden erhitzt.

Durch Messung in einer Wheatstoneschen Brücke wird der Widerstand der Fäden und damit auch ihre Temperatur festgestellt.

Die bisher bekannten Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens weisen nur eine mäßige Empfindlichkeit und eine geringe Stabilität auf.

Ziel der Erfindung ist die Verbesserung dieser Verfahren, die dadurch erreicht wird, daß der die Wheatstonesche Brücke speisende Meßstrom und der Heizstrom voneinander getrennt werden.

Vorzugsweise leitet man den Heizstrom durch einen besonderen Widerstand, der von den Teile der Meßbrücke bildenden Widerständen getrennt ist.

Man kann aber auch sowohl den Heiz- als auch den Meßstrom durch die gleichen Teile der die Meßbrücke bildenden Widerstände leiten, wobei der Heizstrom aus einem Gleichstrom oder einem niedrigfrequenten Wechselstrom, vorzugsweise Netzstrom, besteht, während der Meßstrom eine erheblich höhere Frequenz, vorzugsweise in der Größenordnung von 800 bis 1000 Hz, aufweist, so daß sich Heizstrom und Meßstrom infolge ihres Frequenzunterschiedes durch den Verstärker weitgehend trennen lassen.

Die Zeichnungen zeigen Schaltungen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, und zwar in

Fig. 1 das Schaltprinzip einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Einzeldarstellung der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 3 eine andere Anordnung des Detektors,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Apparatur, in der das zu messende Gas durch das magnetische Feld strömt,

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von paramagnetisdien Gasen

Anmelder:

Societe Anonyme des Manufactures

des Glaces et Produits Chimiques

de Saint-Gobain, Chauny & Cirey,

Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. R. H. Bahr, Patentanwalt,
Herne (Westf.), Schaeferstr. 60

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 4. Januar 1951

Claude-Michel Cherrier,
Saint-Mande, Seine (Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung.

Vom elektrotechnischen Gesichtspunkt aus besteht

das wesentliche Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltung darin, daß die Wheatstonesche Brücke mit Frequenzen im Hörbereich, vorzugsweise in der Größenordnung von 800 bis 1000 Hz, betrieben wird.

Die erfindungsgemäße Schaltung enthält deshalb im wesentlichen folgende Elemente:

einen Oszillator zur Erzeugung der gewünschten Frequenz;

eine an den Schwingungserzeuger angeschlossene

Wheatstonesche Brücke, in deren Zweigen elektrische Widerstände angeordnet sind, deren thermisches Gleichgewicht durch den Strom paramagnetischer Gase gestört wird;

einen Verstärker;

einen Detektor, an den die Meßvorrichtungen, nämlich ein Voltmeter, die Registriervorrichtung und gegebenenfalls ein Alarmrelais, das bei Erreichen eines bestimmten Sauerstoffgehaltes in der Mischung anspricht, angeschlossen sind.

In Fig. 1 ist mit 1 der Oszillator, mit 2 eine Triode zum Ausgleich der Impedanzen zwischen Oszillator und der Wheatstoneschen Brücke 3, mit 4 ein Trans-

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formator, der die Wheatstonesche Brücke mit dem Verstärker 5 verbindet, mit 6 ein Detektor und mit 7 eine der Meßvorrichtungen sowie gegebenenfalls das Relais bezeichnet.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 nur schematisch angedeuteten Elemente der elektrischen Schaltung im einzelnen.

In Fig. 2 ist mit 10 der Ausgangstransformator bezeichnet, dessen Primärwicklung über einen Spannungsregler 9 an einer Wechselstromquelle liegt, während an der Sekundärwicklung eine Gleichrichterröhre 11 angeschlossen ist, an die sich eine aus Selbstinduktion, und Kapazität bestehende Drossel 12 anschließt. Die Teile 10 bis 13 bilden eine stabilisierte Energiequelle für den Oszillator. Dieser Oszillator weist eine Pentode 14 und einen Abstimmkreis 15 ohne Induktanz auf, wodurch eine leichte Regelbarkeit erzielt wird. Das veränderliche Potentiometer P1 ermöglicht die Einstellung der Frequenz des Oszillators auf den gewünschten Wert.

Am Oszillator sitzt ferner eine Spannungsregelstufe in Form einer Triode 16 mit einem Potentiometer P2. Die Triode ermöglicht die Anpassung der Impedanzen zwischen Oszillator und Meßbrücke. Das Potentiometer dient zur Einstellung der Schwingungsamplitude der durch den Oszillator erzeugten ungedämpften Schwingungen.

Die Anodenspannung der Triode 16 liegt an der Primärwicklung des Transformators 17, dessen Sekundärwicklung an die Wheatstonesche Brücke 18 angeschaltet ist.

In dieser Brücke liegen vier Widerstände El, £2, Rl und R2. Die Widerstände El und £2 liegen im Analysenrohr, durch welches das zu messende Gas strömt. Ein Potentiometer P 3 ermöglicht die Abgleichung der Brücke.

An der Wheatstoneschen Brücke liegt ferner die Primärwicklung eines Transformators 19, dessen Sekundärwicklung an den Eingang eines Verstärkers angeschaltet ist. Dieser Verstärker ist ein Wider-Standsverstärker. Er besteht aus einer Verstärkerpentode 20 und einer Gruppe von Widerständen 21. Ein Teil des an der Anode der Pentode liegenden, verstärkten Wechselpotentials wird auf das Gitter einer Triode 22 mit Kathodenableitung gelegt, dessen Anode in den Kreis der Röhre 16 und des Transformators 17 eingeschaltet ist.

Die Kathode der Röhre 22 überträgt die Schwankungen der Wechselspannungen über eine kapazitive Kopplung 23 auf eine Siebkette 24 und von dort zum Eingang des Verstärkers. Mit Hilfe der Röhre 22 ist es möglich, die Siebkette über eine schwache Impedanz zu speisen.

Die Siebkette 24 besteht aus einer Gruppe von Widerständen und Kapazitäten in Doppel-T-Anordnung. Ein Teil der am Ausgang des Verstärkers abgenommenen Wechselspannung wird wieder an den Eingang in Reihe mit den von der Wheatstoneschen Brücke kommenden Impulsen zurückgeleitet. Der Kreis dient dazu, die Grundfrequenz des Oszillators von beispielsweise 1000 Hz auszusieben und die anderen Frequenzen durchzulassen. Es erfolgt also praktisch eine Sperrwirkung über den ganzen Frequenzbereich mit Ausnahme der auf diese Weise allein verstärkten Grundfrequenz. Die Breite des passierenden Frequenzbandes liegt praktisch bei etwa 10 Hz.

Am Ausgange des Verstärkers sitzt ein ausgleichender Detektor aus zwei Trioden 25. Das Gitter der ersten Triode liegt kapazitiv am Ausgang des Verstärkers. Die Gitter beider Trioden sind über einen großen Widerstand geerdet. Die Anoden des Detektors sind über ein Potentiometer P4 an die Spannung im Schwingkreis angeschlossen.

Die Meßvorrichtungen, beispielsweise das Voltmeter 26, die Registriervorrichtung 27 und das Alarmrelais 28, die zueinander parallel liegen, sind in den Anodenkreis des Detektors eingeschaltet und messen den Potentialunterschied der beiden Anoden.

Mit Hilfe des Potentiometers P4 kann das Meßvoltmeter auf 0 eingeregelt werden, wenn kein Impuls auf den Detektor übertragen wird.

Nach Fig. 3 läßt sich die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch ein Frequenzsieb verbessern, das mit dem Detektor verbunden wird. In dieser Figur ist mit 25 der Detektor bezeichnet, dessen Kathoden nicht wie nach Fig. 2 unmittelbar geerdet, sondern an die Sekundärwicklung eines Niederfrequenztransformators Γ4 angeschlossen sind, an dessen Primärwicklung eine bestimmte, dem Oszillator entnommene Spannung liegt.

Die Meßvorrichtung, in der die Messung der Gaszusammensetzung erfolgt, besteht aus mehreren zusammengebauten Röhren, in denen der erzeugte Sekundärgasstrom das Gleichgewicht der Widerstände El und £2 der Wheatstoneschen Brücke verändert. Diese Vorrichtung ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Sie weist einen Eintrittsstutzen 30 für das zu messende Gas auf, der sich in die beiden Arme 31 und 32 gabelt, die sich schließlich wieder in dem Austrittsrohr 33 vereinigen. Zwischen den Punkten A und B der beiden Arme 31 und 32 liegt ein horizontales Rohr 34. Dieses horizontale Rohr ist in einem magnetischen Feld angeordnet, das durch die punktierte Linie 35 angedeutet ist. Das magnetische Feld liegt asymmetrisch zur Mitte des Rohres 34. Um den mittleren Teil des Rohres 34 liegt ein elektrischer Heizwiderstand 36. Ins Innere des Rohres 34 erstrecken sich zwei Sonden 37 und 37a, die elektrische Widerstände tragen. Diese Widerstände sind mit den in Fig. 2 mit El und E2 bezeichneten Widerständen identisch und liegen in Zweigen der Wheatstoneschen Brücke.

Bei der in Fig. 5 dargestellten abgeänderten Ausführungsform fehlt der Heizwiderstand 36, und die Heizung erfolgt statt dessen wie folgt:

Dem durch die Sonden 37 und 37a fließenden Meßstrom wird ein Heizstrom niedriger Frequenz in der Größenordnung von 50 Hz überlagert. Dieser beide Sonden in gleicher Weise beheizende Strom hat eine Entmagnetisierung des Sauerstoffes zur Folge und ersetzt die äußere Beheizung durch den Widerstand 36. Durch diese Schaltung läßt sich die Stabilität der Vorrichtung verbessern und die erhaltene Temperatur vergleichmäßigen. Zweckmäßig verwendet man bei dieser Anordnung die in Fig. 5 dargestellte Schaltung. In dieser Figur ist mit 17 ein Transformator, mit 18 die Wheatstonesche Brücke mit ihren Widerständen Rl, R2, El und £2 und mit 19 ein Transformator bezeichnet, der dem Transformator 19 nach Fig. 2 entspricht.

Bei der in Fig. 5 dargestellten abgeänderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Wheatstonesche Brücke an die Sekundärwicklung eines Transformators 40 angeschaltet, dessen Primärwicklung am Netz liegt und beispielsweise mit einem Wechselstrom von 50 Hz und HOV gespeist wird. Damit dieser Heizwechselstrom die Meßbrücke nicht stört, sind Kondensatoren 41 und 42 vorgesehen, die den Übergang des Heizstromes zum Oszillator verhindern. Ferner wird durch die Drosselspule 43 und 44 der Übergang des Stromes mit Frequenzen im

Claims (15)

Hörbereich zum Transformator 40 verhindert und derart die Arbeitsweise der Vorrichtung verbessert. Die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Schaltung kann dadurch wesentlich gesteigert werden, daß man die Meßsonden El und £2 nach Fig. 2 oder 37 und 37a nach Fig. 4 durch Thermistoren, d. h. Widerstände ersetzt, deren Leitfähigkeit sehr schnell mit der Temperatur ansteigt. Da es nicht möglich ist, in solchen Thermistoren dem Meßstrom einen Heizstrom zu überlagern, dient xo zur Beheizung eine um das Rohr 34 gelegte Wicklung 36, wie aus Fig. 4 ersichtlich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt: Enthält die zu messende Gasmischung Sauerstoff, so wird dieser durch das magnetische Feld zum Teil von der Stelle A zur Stelle B in der Vorrichtung nach Fig. 4 abgelenkt. Der Sauerstoff tritt dabei in das Rohr 34 ein und verliert unter dem Einfluß der Beheizung durch den Widerstand 36 seinen Magnetismus und fließt bei B ab. Durch das Rohr 34 strömt also ständig Gas. Durch diese Gasströmung wird das thermische Gleichgewicht zwischen den beiden Widerständen 37 und 37a gestört, weil die Temperatur bei 37 niedriger als bei 37 a ist. Diese Störung des thermischen Gleichgewichts ist von der in der Gasmischung enthaltenen Sauerstoff menge abhängig und wird durch eine Störung des elektrischen Gleichgewichtes in der Wheatstoneschen Brücke angezeigt. Durch die beschriebene elektrische Schaltung wird diese Abgleichstörung der Wheatstoneschen Brücke verstärkt und angezeigt bzw. registriert. Vor jeder Messung muß das Rohr 34 horizontal ausgerichtet und die Brücke abgeglichen werden. Sobald in dem zu untersuchenden Gasstrom Sauerstoff auftritt, schlägt das Meßvoltmeter aus, bzw. das Alarmrelais spricht bei einem bestimmten Sauerstoffgehalt an. Durch die Registriervorrichtung läßt sich der Sauerstoffgehalt des Gasstromes darüber hinaus ständig aufzeichnen. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung hängt von der Stärke des erzeugten magnetischen Feldes ab, und es kann beispielsweise mit einem magnetischen Feld von 4000 Gauß und bei Verwendung eines Verstärkers mit lOOOfacher Verstärkung bei einem Gasstrom von 1000 Hz und einem Anteil von 4°/o Sauerstoff ein Ausschlag von 26 V erzielt werden. Der Sauerstoffgehaltbereich, innerhalb dessen mit der beschriebenen Vorrichtung der Sauerstoff leicht festgestellt werden kann, liegt zwischen 0,3 und 5°/o. Zur Messung geringerer Mengen zwischen 0,1 und 1% wählt man zweckmäßig ein stärkeres magnetisches Feld, beispielsbis zu 10 000 Gauß, auch kann man zusätzliche Verstärkerstufen einschalten und derart die Empfindlichkeit steigern. 55 Pa tentansp ηvcη ε:

1. Verfahren zur Messung des Gehaltes von Gasmischungen an paramagnetischen Gasen, wie Sauerstoff, durch Erzeugung eines sekundären Gasstromes durch ein Magnetfeld, wobei der sekundäre Gasstrom derart auf elektrisch geheizte Widerstände einwirkt, daß er die Temperatur des Widerstandes, auf den er zuerst auftrifft, gegenüber der eines folgenden Widerstandes herabsetzt, wobei die Messung der Widerstandswerte durch eine Wheatstonesche Brücke erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der die Wheatstonesche Brücke

(3) speisende Meßstrom und der Heizstrom voneinander getrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstrom durch einen besonderen Widerstand (36) geleitet wird, der von den Teile der Meßbrücke bildenden Widerständen (37, 37a) getrennt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Heiz- als auch der Meßstrom durch die gleichen Teile der die Meßbrücke bildenden Widerstände geleitet wird, wobei dei Heizstrom aus einem Gleichstrom oder einem niederfrequenten Wechselstrom, vorzugsweise Netzstrom, besteht, während der Meßstrom eine erheblich höhere Frequenz, vorzugsweise in der Größenordnung von 800 bis 1000 Hz, aufweist, so daß Heizstrom und Meßstrom infolge ihres Frequenzunterschiedes durch den Verstärker (5) weitgehend getrennt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Meßvorrichtung aus einem die gewählte Meßstromfrequenz erzeugenden Schwingungserzeuger (1), einer W'heatstoneschen Brücke (3), einem Verstärker (5) und einem Detektor (6) besteht, welcher die Meßvorrichtungen, z. B. ein Voltmeter (7), eine Registriervorrichtung und gegebenenfalls ein Alarmrelais, speist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger ein Induktivität-Kapazität-Oszillator ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch ein im Stromkreis des Schwingungserzeugers (1) liegendes Potentiometer (P 1) zur Regelung der Frequenz des Schwingungserzeugers.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schwingungserzeuger und Wheatstonesche Brücke eine aus einer Triode (16) und einem Potentiometer bestehende Stufe eingeschaltet ist, deren Triode zur Impedanzregelung zwischen Schwingungserzeuger und Wheatstonescher Brücke und deren Potentiometer zur Amplitudenregelung der Frequenz des Schwingungserzeugers dient.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Widerstandsverstärker ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine Verstärkerröhre (20) aufweist und ein Teil der durch diese \'erstärkten Wechselspannung auf das Gitter einer Triode (22) mit kathodenseitigem Abgang gelegt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der Triode (22) an einer Siebkette (24) liegt, die ihrerseits mit der Zuleitung des Verstärkers verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebkette (24) die Grundfrequenz des Schwingungserzeugers zurückhält und dadurch auf dem gesamten Frequenzbereich mit Ausnahme der Grundfrequenz des Schwingungserzeugers eine Gegenwirkung erzeugt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebkette aus einer Gruppe von Widerständen und Kapazitäten in Doppel-T-Schaltung besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (5) zwei Trioden (25) aufweist, von denen das Gitter der

einen kapazitiv am Ausgang des Verstärkers liegt und deren beide Anoden über ein Potentiometer (P 4) mit der gleichen Anodenspannung versorgt werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Detektor ein Frequenzfilter verbunden ist, wobei die Kathoden der beiden Trioden (25) des Detektors über einen Niederfrequenztransformator (T 4) geerdet sind, an dessen Primärwicklung eine bestimmte, vom Schwingungserzeuger abgenommene Bezugsspannung liegt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 14, gekennzeichnet durch ein rhombenförmiges Rohrnetz für die Gase, die in den unteren oder oberen

Scheitelpunkt dieses Rohrnetzes eintreten und aus dem gegenüberliegenden Scheitel austreten, wobei die in der Horizontalen Hegenden Scheitel miteinander verbunden sind durch eine Rohrverbindung (34), die einen Heizwiderstand (36) trägt und unter der Wirkung eines zur Mitte des Rhombus asymmetrischen Magnetfeldes (35) steht, wobei die beiden zur Messung in derWheatstoneschen Brücke dienenden elektrischen Widerstände (37, 37a) in diesem Verbindungsrohr angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 746 050;
britische Patentschrift Nr. 642 156;
schweizerische Patentschrift Nr. 227 177.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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