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Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung eines Bestandteiles
in Gasgemischen Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Nachweis und zur Registrierung
von Gasspuren, insbesondere Schwefelwasserstoff.
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Solche Geräte zur kontinuierlichen Bestimmung eines Bestandteiles
in Gasgemischen, wie Schwefelwasserstoff, wobei die durch den Gasstrom bewirkte
Verfärbung eines Indikatorpapiers lichtelektrisch abgetastet und in Meßwerte umgeformt
wird, sind bekannt.
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Alle bekannten Geräte schließen den direkt reflektierten Lichtstrahl
nicht aus, so daß Fehlmessungen aus folgenden Gründen nicht zu vermeiden sind.
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Bei etwa auftretenden Glanzbildungen auf dem Indikatorpapier, die
durch Auskristallisieren des Tränksalzes oder durch das zu messende Spurengas, z.
B. bei hohem H2S-Gehalt durch einen glänzenden Sulfldbelag auf dem Reagenzpapier,
verursacht sein können, wirkt das Papier wie ein Spiegel, dessen direkt reflektiertes
Licht das zur Schwärzungsmessung dienende Photoelement trifft, so daß dieses eine
zu große, der tatsächlichen Schwärzung keinesfalls entsprechende Lichtmenge erhält
und das Registrierinstrument infolgedessen einen falschen Wert anzeigt.
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Außer den angeführten Glanzbildungen kann auch die Rauhigkeit des
Indikatorpapiers bei den erwähnten Geräten zu Fehlmessungen führen. Die mehr oder
weniger glatte Oberfläche des Papiers hat naturgemäß auch eine unterschiedliche
Lichtreflektion zur Folge, so daß, wenn auch nicht ganz so stark wie bei einer Glanzbildung,
direkt reflektiertes Licht die Messung verfälscht. Vor allem können bei der angewendeten
D ifferenzmeßmethode bei ungefärbtem Reagenzpapierstreifen starke Nullpunktschwankungen
auftreten, indem z. B. auf die Meßzelle fallendes direkt reflektiertes Licht von
einem glatten Stück des Papierbandes, das die Vergleichszelle treffende Licht hingegen
von einem rauhen Teil des Bandes zurückgeworfen wird.
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Um eine genaue Messung eines Gasbestandteiles, z. B. H2 S zu ermöglichen,
muß das Meßgas den imprägnierten Papierstreifen passieren. Das bei älteren Geräten
vielfach übliche Aufblasen des Gases auf das Reagenzpapier ist unzweckmäßig, da
hierbei nicht die gesamte dem Gerät zugeführte Gasmenge mit dem im Papier enthaltenen
Reagenz in Berührung kommt.
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Daher kann diese Methode keine genauen Meßergebnisse liefern. Aus
diesem Grunde wird jetzt bei allen Geräten das Meßgas durch das Papierband hindurchgedrückt,
wobei darauf geachtet werden muß, daß auf dem Band ein randscharf begrenzter Farbfleck
entsteht, da Färbungen, die außerhalb des beleuchteten Feldes auftreten, nicht mehr
von dem Photoelement erfaßt und daher nicht registriert werden oder gegebenenfalls
eine unerwünschte Verfärbung
des Papiers, welches die Meßkammer noch durchlaufen
soll, verursacht. Bei Anwendung eines kontinuierlichen Transportes des Reagenzstreifens,
wie bei bekannten Geräten, wird keine scharfe Abgrenzung des Farbfleckes erreicht,
da zur Erreichung dieses Zweckes das Band fest gegen die Gaskammeröffnung gedrückt
werden muß. Ein für z. B. H2S-Messungen notwendigerweise feuchtes Papierband besitzt
aber eine geringe Festigkeit und neigt daher leicht zum Reißen, so daß bei kontinuierlichem
Transport der Andruck des Papiers nicht genügend stark sein kann, um einen scharf
abgegrenzten Rand des Meßfeldes zu gewährleisten. Weiterhin muß mit einer schwankenden
Papierdicke gerechnet werden, die ebenfalls bei nur leichtem Andruck zu Meßfehlern
führt, da z. B. direkt vor und hinter der Meßkammeröffnung zwei dickere Stellen
liegen können, so daß in der Üffnungsmitte das Gas durch einen schmalen Spalt austritt
und die unbeleuchteten Teile des Bandes färbt, die damit der Messung entzogen werden.
Der Vorteil des kontinuierlichen Transports: geringe Totzeit und infolgedessen.
schnellere Anzeige von z. B. H2 S-Durchbrüchen, wird mit einer ungenaueren Meßwertanzeige
erkauft.
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Bei anderen bekannten Geräten wird das Reagenzpapierband diskontinuierlich
nach jeder Messung um eine ganze Meßkammerbreite weitertransportiert und anschließend
fest gegen die Meßkammeröftnung gepreßt. Hier wird zwar eine scharfe Abgrenzung
des Meßfeldes erreicht, andererseits nimmt man eine längere Totzeit in Kauf, da
sich das unter der Meßkammer befindliche Reagenzpapier erst vollkommen neu anfärben
muß, so daß insbesondere bei H,S-Durchbrüchen die Anzeige verspätet erfolgt. Hinzu
kommt,
daß bei dieser Transportmethode die Schwärzung eine reine e-Funktion in bezug auf
ihre Abhängigkeit von der 112 S-Konzentration ist.
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Bei kontinuierlichem Transport wird jedoch durch einen nicht näher
zu erläuternden Mittlungsvorgang die Schwärzung als Funktion der H2S-Konzentration
weitgehend in den linearen Bereich »gebogen« (Zylinderfunktion). Hierdurch wird
erreicht, daß der auswertbare Meßbereich größer als im Falle der s-Funktion wird.
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Diese Nachteile werden durch die Erfindung überwunden.
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Das Gerät nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Beleuchtung der Meß- und Vergleichskammer durch eine Lichtquelle erfolgt, deren
ausgesandtes Licht mit Hilfe einer Linse parallel unter einem Winkel von vorzugsweise
450 auf das Papier geworfen wird, wobei der Anteil an direkt reflektiertem Licht
unter gleichem Winkel vom Papierband zurückgestrahlt und von einer mattschwarzen
Wandung völlig absorbiert wird und die Photoelemente sich senkrecht über und parallel
zu dem vom Licht getroffenen Teil des Papierbandes und daher nicht im Strahlengang
des direkt reflektierten Lichtes befinden.
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Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß der Transport
des Indikatorpapiers in kleinen Schritten von beispielsweise 1 mm erfolgt und das
Papierband während seines Stillstandes fest gegen die Kammerwände gepreßt wird.
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Die mit der Erfindung erzielten wesentlichen Vorteile sind: Durch
die erfindungsgemäße Ausleuchtung der Meß- und Vergleichskammer werden die Photoelemente
also ausschließlich von diffusem Licht nur einer Lichtquelle getroffen, dessen Helligkeit
sich lediglich durch die Schwärzung des Papiers, nicht aber durch dessen unterschiedlichen
Glanz ändert.
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Es handelt sich bei diesem Gerät demnach um die Auswertung einer
echten Helligkeitsmessung, die von direkt reflektiertem Licht nicht beeinflußt wird
und daher äußerst genaue Ergebnisse liefert, die bei Vorhandensein selbst eines
kleinen Anteiles direkt reflektierten Lichtes nicht erreicht werden können. Es fallen
ferner alle Meßfehler fort, die sich durch Benutzung von zwei Lampen, insbesondere
durch deren verschieden schnelle Alterung, ergeben. Durch ausschließliche Ausnutzung
der diffusen Streuung des Lichtes zur Messung der Oberflächeuschwärzung werden Fehlmessungen
durch Glanzbildung bei höherem 112 S-Gehalt oder auf Grund unterschiedlicher Papierrauhigkeit
vermieden. Im Gegensatz zu den bekannten Geräten ist die Messung hier also völlig
unabhängig von Veränderungen der Papieroberfläche in bezug auf Glanzbildung und
Rauhigkeit.
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Der erfindungsgemäße schrittweise Transport um den Bruchteil einer
Meßfeldbreite führt zu einer voll befriedigenden Lösung. Denn nur mit dieser Methode
ist es möglich, die Vorteile des kontinuierlichen Transportes in bezug auf kleine
Totzeiten und damit schnellere Anzeige sowie den besseren Meßbereich auszunutzen,
gleichzeitig aber auch ein scharf begrenztes Meßfeld, d. h. genaue Meßwerte, zu
erhalten.
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Die Anzeige erfolgt daher mit geringer Zeitkonstante, da der Streifen
praktisch kontinuierlich Meß- und Vergleichskammer durchläuft und durch das Andrücken
des Papierbandes an die Ränder von Meß-und Vergleichskammer eine bisher nicht erreichte
Meßgenauigkeit gewährleistet wird. 112 S-Durchbrüche sind daher schnell zu erkennen,
wodurch die
praktische Brauchbarkeit des Gerätes im Industrieeinsatz erheblich verbessert
wird.
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Die Erfindung soll noch befspielsweise an der Zeichnung weitererläutert
werden, welche einen Schnitt durch ein Gerät nach der Erfindung in schematischer
Weise darstellt.
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Mit Hilfe einer Gaspumpe wird das Meßgas zum Gerät gefördert und
mittels eines Differenzdruckreglers 1 auf konstanter Menge gehalten. Nach Durchlaufen
eines Regulierventils 2 durchströmt das Meßgas eine Kapillare3. Der hierbei auftretende
Differenzdruck wird mit Hilfe des Manometers 3 gemessen und gibt die Gasdurchflußmenge
an den Meßmarken 5 mittels der Manometerflüssigkeit 6 an. Oberhalb des Volumens
7 befindet sich eine Kapillare 8. Mit Hilfe des Dreiwegehahnes 9 kann das vom Regler
kommende Gas direkt in die Meßkammer 10 geleitet werden.
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In der Meßkammer 10 wird die gesamte Gasmenge durch ein Reagenzpapierband
11 gedrückt und verläßt danach das Gerät über die Abgasleitung. Zur Messung ausgenutzt
wird die farbliche Veränderung des Reagenzpapierbandes, die mit Hilfe von lichtempfindlichen
Meßfühlern gemessen wird. Das präparierte Papierband wird dabei über eine Vergleichskammer
12 und die Meßkammer 10 geführt, wobei es vom Gasstrom nur in der Meßkammer durchsetzt
wird. Die Meßkammer selbst wird durch ein Fenster 13 in zwei gasdicht voneinander
getrennte Räume geteilt, so daß die Optik 14 und das Photoelement 15 durch das Meßgas
unbeeinflußt bleibt.
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Die photoelektrische Meßeinrichtung besteht aus einer Beleuchtungslampe
16, Optik 14, Vergleichskammer 12, Meßkammer 10 und zwei Photodementen 15 in Differenzschaltung.
Die Beleuchtungslampe 16 erhält ihre Speisespannung über einen Spannungskonstanthalter
17.
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Das Licht der Beleuchtungslampe wird durch zwei Linsen 14 in parallelem
Strahlengang unter einem Winkel von 450 in die Vergleichskammer 12 und in die Meßkammer
10 geleitet. Die Verfärhung des Bandes in der Meßkammer 10 gegenüber der Vergleichskammer
12 wird durch diffuse Reflexionen mittels der senkrecht über dem Papierband befindlichen
Photoelemente 15 aufgenommen. Es könnten an Stelle der Photoelemente in entsprechend
anderer Schaltung auch andere lichtempfindliche Meßfühler verwendet werden. Diese
erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß ausschließlich die diffuse Streuung
des Lichtes durch das Registrierband zur Messung ausgewertet wird.
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Das auf die Photo elemente einfallende Licht vom Registrierband wird
in einen elektrischen Strom verwandelt, der je nach Schalterstellung 19 mittels
Meßinstrument 18 gemessen bzw. einem Fallbügelschreiher zugeleitet wird. Zwei abgleichbare
Widerstände 20 erlauben, die richtige Anpassung vorzunehmen.
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Färbt sich nun in der Meßkammer das Reagenzpapierband unter Einwirkung
von H,S, dann entsteht entsprechend der Färbung ein Differenzstrom, der einen Ausschlag
des Meßinstrumentes bewirkt und ein genaues Maß der H2 S-Konzentration darstellt.
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Die Färbung des Registrierbandes ist bei der von vornherein eingestellten
konstanten Durchflußmenge sowohl eine Funktion der H2 S-Konzentration des Meßgases
als auch eine Funktion der Durchflußzeit.
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Die Durchflußzeit aber wird mit Hilfe eines Synchronmotors 21 dadurch
konstant gehalten, daß der Synchronmotor das Papierband erfindungsgemäß
schrittweise
transportiert. Der Transport des Papierbandes 11 erfolgt im einzelnen durch das
Klinkenrad22, welches von dem Synchronmotor 21 über Schaltnocken und Hebel angetrieben
wird. Gleichzeitig treibt der Synchronmotor über eine Rutschkupplung 23 die Aufwickelrolle
24 des Papierbandes an. Erfindungsgemäß wird das Papierband bei jedem Schritt nur
Bruchteile der Meßfeldbreite vorzugsweise 1 rnm vorwärts gezogen, wobei die Schritte
beispielsweise in einem zeitlichen Abstand von einer Minute erfolgen. Das Band braucht
also nach jedem Schritt nicht vollkommen neu angefärbt zu werden, so daß 112 S-Durchbrüche
im Meßgas, die unmittelbar angezeigt werden sollen, auf diese Weise auch wirklich
schnellstens erfaßt werden.
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Nach jedem Transportvorgang wird das Papierband durch zwei mit Federn
25 und mit einer Dichtung versehene Kolben 26 fest gegen die kreisförmige Vergleichs-
und Meßkammeröffnung gedrückt. Die beiden Kolben 26 werden mittels der Hebel 27
erst kurz vor dem Weitertransport abgehoben. Hierdurch wird eine randscharfe Abgrenzung
der gefärbten Fläche bewirkt, wodurch Fehlmessungen vermieden werden. Zur Erreichung
völliger Symmetrie sind Vergleichs- und Meßkammerkolben in ihrer Andrückfläche gleich
ausgebildet und die Optik in einem gemeinsamen Klotz 28 untergebracht.
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Das Papierband wird in einem so schmalen Schlitz 29 geführt, daß
während der kurzen Abhubzeit des Kolbens keine praktisch störenden Gasmengen eine
Vorfärbung des Papiers bewirken und ein besonderes Ventil zur Unterbrechung des
Gasstromes sich im allgemeinen erübrigt.
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Die Wände der Kammern 10 und 12 sowie der Slrahlwege sind absolut
schwarz, so daß keine unkontrollierten Reflexionen den Meßwert verfälschen können.
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Die Reagenzpapierrolle 30 wird mit der Reagenzlösung getränkt und
in der Kassette31 aufbewahrt.
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Das Fallbügel-Registriergerät liegt parallel zum Meßinstrument 18
und wird durch Umschalter 19 angeschaltet. Der Schreibvorgang wird mit Hilfe des
Fallbügels in einem dem Meßvorgang angepaßten günstigen Zeitpunkt ausgelöst, der
wie folgt gewählt wird:
Das Meßgas durchströmt ununterbrochen die Meßkammer. Nach
einem Papiervorschub sind die Kolben 1 Minute lang angedrückt und werden dann nur
für einen kurzen Augenblick für den nächstfolgenden Weitertransport des Papierbandes
abgehoben. Als Meßwert dient die Schwärzung des Papierbandes im Augenblick kurz
vor dem Weitertransport. In diesem Moment aber betätigt nun erfindungsgemäß der
Synchronmotor 21 den Schaltkontakt 32, der den Bügel des angeschlossenen Punktschreihers
freigibt, so daß der Schreibvorgang im richtigen Zeitpunkt vorgenommen wird. Danach
springen alle Teile in ihre Ausgangslage zurück bis zum nächsten Papiervorschub.
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Meßbereichänderungen können durch verstellbare Geschwindigkeit des
Bandvorschubes oder durch äquivalente Änderung der Gasdurchflußmenge erreicht werden.
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PATENTANSPPSOCHE 1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung eines
Bestandteiles, vorzugsweise Schwefelwasserstoff, in Gasgemischen, wobei die durch
den Gas strom bewirkte Verfärbung eines Indikatorpapiers lichtelektrisch abgetastet
und in Meßwerte umgeformt wird und die Beleuchtung der Meß-und Vergleichskammer
durch eine Lichtquelle erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen der Lichtquelle
unter einem Winkel von 450 auf das Papier gerichtet sind und die Photoelemente senkrecht
über und parallel zu dem Papierband angeordnet sind, so daß die Photoelemente ausschließlich
von diffus reflektiertem Licht getroffen werden.