DE1149187B

DE1149187B - Device for analyzing gases for components with paramagnetic susceptibility

Info

Publication number: DE1149187B
Application number: DEH36651A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Heinz Hummel
Original assignee: DR RER NAT HEINZ HUMMEL
Current assignee: DR RER NAT HEINZ HUMMEL
Priority date: 1959-06-13
Filing date: 1959-06-13
Publication date: 1963-05-22

Description

Gerät zur Analyse von Gasen auf Komponenten mit paramagnetischer Suszeptibilität Es sind Verfahren und Vorrichtungen zur Untersuchung von Stoffgemischen mittels magnetischer Meßverfahren bekannt. Eine besonders große Bedeutung haben diese Verfahren bei der registrierenden Messung von Sauerstoff in Gasgemischen gefunden. Device for analyzing gases for components with paramagnetic Susceptibility There are methods and devices for the investigation of mixtures of substances known by means of magnetic measurement methods. Have a particularly great importance this method found in the recording measurement of oxygen in gas mixtures.

Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß Sauerstoff eine hohe paramagnetische und fast alle anderen technischen Gase - außer Stickoxyd und Stickstoffdioxyd - eine vergleichsweise diamagnetische Suszeptibilität besitzen.It is made use of the fact that oxygen is a high paramagnetic and almost all other technical gases - except nitrogen oxide and Nitrogen dioxide - have a comparatively diamagnetic susceptibility.

Das häufig angewendete thermomagnetische Verfahren zeigt bei der praktischen Anwendung Nachteile. Sowohl die Nullpunkts anzeige als auch die Empfindlichkeit hängen stark vom Trägergas ab. Das stört in der Praxis bei Gasmischungen mit stark wechselnder Trägergaszusammensetzung und macht in manchen Fällen, z. B. bei stark schwankendem Wasserstoffgehalt, eine Messung praktisch unmöglich. The frequently used thermomagnetic process shows in the practical application disadvantages. Both the zero point display and the sensitivity strongly depend on the carrier gas. In practice, this is very annoying with gas mixtures changing carrier gas composition and in some cases, e.g. B. at strong fluctuating hydrogen content, a measurement is practically impossible.

Zwar läßt sich dieser Mangel in vielen Fällen durch Hilfsmaßnahmen auf ein erträgliches Maß herabmindern, doch ist dies nur in einzelnen Fällen, nicht aber allgemein möglich. Man kann beispielsweise einen solchen Apparat in der Nullpunktsanzeige für CO und N2 vom Trägergas unabhängig machen, doch gilt diese Trägergasunabhängigkeit dann nicht für H2, C2H4 oder ein sonstiges Gas. Außerdem gibt es wohl keine direkte Maßnahme, um die Empfindlichkeitsänderung bei wechselndem Trägergas zu korrigieren. Insofern sind die thermomagnetischen Sauerstoffmesser auch nicht als selektive Analysatoren im eigentlichen Sinne anzusprechen, denn Zähigkeit, Dichte und spezifische Wärme des Trägergases haben auf die Messung Einfluß.It is true that in many cases this deficiency can be remedied by means of relief measures reduce to a tolerable level, but this is only in individual cases, not but generally possible. One can, for example, such an apparatus in the zero point display make for CO and N2 independent of the carrier gas, but this carrier gas independence applies then not for H2, C2H4 or any other gas. Besides, there is probably no direct one Measure to correct the change in sensitivity when the carrier gas changes. In this respect, the thermomagnetic oxygen meters are also not considered to be selective analyzers to address in the real sense, because toughness, density and specific heat of the carrier gas have an influence on the measurement.

Ein weiterer Nachteil der thermomagnetischen Geräte zeigt sich in der Abhängigkeit der Anzeige von der Temperatur und von dem Barometerstand. Während der reine paramagnetische Effekt, wenn man sich auf den O.,-Partialdruck bezieht, in eindeutiger Weise, und zwar proportional dem reziproken Wert der absoluten Temperatur, von der Temperatur abhängt und von der Dichte unabhängig ist, ist diese Abhängigkeit bei den verschiedenen Typen von thermomagnetischen 02-Messern oft recht kompliziert und kann nicht allgemein für alle Trägergase berücksichtigt werden. Bei einigen Gerätetypen werden diese Schwierigkeiten durch elektrische Hiifsschaltungen, die bei einigen Typen sogar individuell, d. h. von Gerät zu Gerät, in einem mehrere Tage dauernden Eichvorgang abgeglichen werden müssen, und bei anderen Geräten durch Einbau der Meßkammer in einen Thermostat beseitigt. Doch sind diese Maßnahmen im allgemeinen nur Korrekturen, welche die auftreten- den Temperatur- und Druckfehler nicht vollständig beseitigen. Another disadvantage of thermomagnetic devices is shown in the dependence of the display on the temperature and on the barometer reading. While the pure paramagnetic effect when referring to the O, partial pressure, in an unambiguous way, proportional to the reciprocal value of the absolute temperature, depends on the temperature and is independent of the density, this dependence is Often quite complicated with the different types of thermomagnetic 02 knives and cannot be taken into account in general for all carrier gases. With some Device types address these difficulties through electrical auxiliary circuits that with some types even individually, i. H. from device to device, in one several Calibration process that takes days must be calibrated, and for other devices Installation of the measuring chamber in a thermostat eliminated. But these measures are in general only corrections that occur- the temperature and printing errors do not eliminate completely.

Schließlich ist ein weiterer Nachteil der thermomagnetischen Anordnungen der große Aufwand, den eine Justierung und Eichung bei der Fertigung erfordert. Dies hängt damit zusammen, daß das Temperaturfeld der verwendeten Hitzdrahtsysteme in stets gleicher Weise mit dem Magnetfeld verkoppelt sein muß. Finally, there is another disadvantage of the thermomagnetic arrangements the great effort required for adjustment and calibration during manufacture. This is due to the fact that the temperature field of the hot wire systems used must always be coupled to the magnetic field in the same way.

Die bekannten magneto-mechanischen Verfahren haben ebenfalls Nachteile. Sie fordern einen hohen Aufwand an feinmechanischer Präzision und an elektronischen Mitteln und sind zudem empfindlich gegen mechanische Erschütterungen. Die gewünschte Unabhängigkeit von Nullpunkt und Empfindlichkeit vom Trägergas ist auch nicht gegeben. The known magneto-mechanical processes also have disadvantages. They demand a great deal of effort in terms of fine mechanical precision and electronics Medium and are also sensitive to mechanical shocks. The desired There is also no independence from the zero point and sensitivity from the carrier gas.

Bei einem bekannten auf dem magneto-mechanischen Prinzip beruhenden Gerät beträgt der Meßeffekt nach den Angaben des Erfinders etwa 3 10-4 mm WS bei einer Sauerstoffkonzentration von 0,10/o. Der Betrag von 0,10/0 ist etwa die untere Nachweisempfindlichkeit, die von technischen Sauerstoffmessern in der Meß- und Regeltechnik verlangt wird. Mit technischen statischen Differenzdrucktnessern dürfte eine solche Meßgenauigkeit bei hinreichender Dauerbetriebskonstanz wohl kaum zu erzielen sein. Abgesehen davon ist der bei Beströmung der Meßanordnung mit dem zu untersuchenden Gas bzw. dem Vergleichsgas infolge stets vorhandener Unsymmetrien unvermeidbare Differenzdruck sicher von derselben Größenanordnung wie der Meßeffekt selbst. In a known one based on the magneto-mechanical principle According to the inventor, the measuring effect is about 3 10-4 mm WS at an oxygen concentration of 0.10 / o. The amount of 0.10 / 0 is roughly the lower Detection sensitivity that of technical oxygen meters in measurement and control technology is required. With technical static differential pressure meters, such a Measuring accuracy can hardly be achieved with sufficient constant operation. Apart from that, when the flow is flowing through the measuring arrangement with the one to be examined Gas or the reference gas are unavoidable due to asymmetries that are always present Differential pressure certainly of the same order of magnitude as the measuring effect itself.

Es wird nun ein Gerät zur Analyse von Gasen auf Komponenten mit paramagnetischer Suszeptibilität vorgeschlagen, das es gestattet, die aufgezeigten Nachteile der bekannten Arbeitsweisen zu vermeiden, und mit dessen Hilfe es gelingt, die Analyse von Stoffgemischen, wie insbesondere die Sauerstoffanalyse in Gasgemischen, mittels magnetischer Messung in einer den Anforderungen der Praxis Genüge leistenden Weise durchzuführen. There is now a device for analyzing gases for components with paramagnetic Proposed susceptibility that allows the disadvantages of the to avoid known working methods, and with the help of which the analysis succeeds of mixtures of substances, in particular oxygen analysis in gas mixtures, by means of magnetic measurement in a way that meets the requirements of practice perform.

Die Erfindung geht aus von einem Gerät zur Analyse von Gasen auf Komponenten mit paramagnetischer Suszeptibilität mit einem Magnetkreis wechselnder Polarität, bestehend aus einem ferromagnetischen Joch und einem zwischen den Polschuhen des Joches befindlichen Luftspalt und mit einer kapazitiven Differenzdruckmeßeinrichtung. Sie besteht darin, daß sich im Luftspalt ein gasdichtes Gefäß mit je einer Zuleitung und Ableitung für das Analysengas befindet und daß außerhalb des Magnetkreises auch noch die Zuleitung mit der einen Kammer des Differenzdruckempfängers gasleitend verbunden ist. The invention is based on a device for analyzing gases Components with paramagnetic susceptibility with a magnetic circuit alternating Polarity, consisting of a ferromagnetic yoke and one between the pole pieces of the yoke located air gap and with a capacitive differential pressure measuring device. It consists in the fact that in the air gap there is a gas-tight vessel, each with a supply line and discharge for the analysis gas is located and that outside of the magnetic circuit as well the supply line with one chamber of the differential pressure receiver is still gas-conducting connected is.

Abb. 1 zeigt ein Gerät, bei dem der magnetische Kreis als Topfmagnet 1 aus Weicheisen besteht. Der im Magnetkern befindliche Spalt wird von der Küvette 2 durchsetzt. Die Stromquelle 4 erzeugt in Verbindung mit der Spule 3 einen magnetischen Wechselfluß in der Küvette 2. Die Küvette 2 ist über die Verbindungen 5 und 6 mit dem Wechseldruckempfänger 11, beispielsweise einem Kondensatormikrophon, verbunden. Über die Drosseln 8 bzw. 9 strömt das Meßgas bzw. das Vergleichsgas der Küvette zu. Über die Leitung 7 und die Drossel 10 strömen Meß- und Vergleichsgas gemeinsam ab. Die im Wechseldruckempfänger auftretenden Wechselspannungen werden vom Verstärker 12 verstärkt und nach Gleichrichtung vom Schreiber 13 registriert. Fig. 1 shows a device in which the magnetic circuit acts as a pot magnet 1 consists of soft iron. The gap in the magnetic core is made by the cuvette 2 interspersed. In connection with the coil 3, the power source 4 generates a magnetic one Alternating flow in the cuvette 2. The cuvette 2 is via the connections 5 and 6 with the alternating pressure receiver 11, for example a condenser microphone, connected. The measuring gas or the reference gas of the cuvette flows through the throttles 8 and 9, respectively to. Measurement gas and reference gas flow together via line 7 and throttle 10 away. The alternating voltages occurring in the alternating pressure receiver are generated by the amplifier 12 amplified and registered by the recorder 13 after rectification.

Sind Meß- und Vergleichsgas in ihrem Sauerstoffgehalt verschieden, so tritt zwischen Küvetteninnen-und -außenraum ein Wechseldruck auf, welcher ein Maß für den Konzentrationsunterschied an Sauerstoff zwischen Meß- und Vergleichsgas ist.If the oxygen content of the measuring gas and the reference gas are different, an alternating pressure occurs between the interior and exterior of the cuvette Measure of the difference in concentration of oxygen between measurement and reference gas is.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Vorschlages der Erfindung wird das folgende Beispiel angeführt: Zur Messung von Sauerstoff in Atemluft, Meßbereich 16 bis 21 216/o Sauerstoff, wird ein Gerät gemäß Abb. 1 verwendet. Die zu analysierende Raumluft wird angesaugt und mit einem Vordruck von etwa 50 mm WS der Drossel 8 zugeleitet. Der Drossel 10 wird Vergleichsluft aus einer Stahlflasche ebenfalls mit 50 mm WS Vordruck zugeleitet. Der Spaltraum hat eine Länge von 0,5 mm und einen Durchmesser von 30 mm. Der Spule 3 wird ein Wechselstrom von einer Frequenz von 5 Hertz und einer solchen Stärke zugeleitet, daß die in der Spule 3 be- wirkte Amperewindungszahl 100 beträgt. Das als Wechseldruckempfänger verwendete Kondensatormikrophon wird mit 100 V Gleichspannung betrieben und besitzt bei 0,1 mm Plattenabstand eine Kapazität von 50 Picofarad. Bei dieser Anordnung entsteht am Eingangswiderstand des Verstärkers eine Wechselspannung von etwa 5 mV bei 5% Konzentrationsunterschied zwischen Meß- und Vergleichsgas. To explain the mode of operation of the proposal of the invention the following example is given: For measuring oxygen in breathing air, measuring range 16 to 21 216 / o oxygen, a device according to Fig. 1 is used. The one to be analyzed Room air is sucked in and fed to the throttle 8 with a pre-pressure of about 50 mm water column. The throttle 10 is comparison air from a steel bottle also with 50 mm water column Form forwarded. The gap has a length of 0.5 mm and a diameter of 30 mm. The coil 3 is an alternating current of a frequency of 5 Hertz and fed to such a strength that the loads in the coil 3 acted ampere-turns 100 is. The condenser microphone used as an alternating pressure receiver is operated with 100 V DC voltage and has a capacity at 0.1 mm plate spacing of 50 picofarads. With this arrangement, the input resistance of the amplifier arises an alternating voltage of about 5 mV with a 5% concentration difference between measuring and reference gas.

Eine Messung des Sauerstoffgehaltes im Meßgas ohne Verwendung eines Vergieichsgases ist ebenfalls möglich. In diesem Falle ist in der Außenzone des Spaltraumes ein Heizdraht anzubringen. Abb. 2 zeigt eine solche Anordnung. Sie entspricht im wesentlichen der Abb. 1. Der ringförmige Heizdraht ist mit 16 bezeichnet. Die Bedeutung der übrigen Ziffern ist wie folgt: Topfmagnetl4, Küvette 15, Spulel7, Wechselstromquelle 18, Verbindungsleitungen Küvette - Wechseldruckempfänger 19 und 20, Drosseln 21 und 22, Wechseldruckempfänger 23, Verstärker 24, Schreiber25. Bei dieser Gerätearttkann das zu analysierende Gas über die vorzugsweise zentral in den einen Polschuh gebohrte Gasleitung dem gasdichten Gefäß zugeführt werden. A measurement of the oxygen content in the measuring gas without using a Vergieichsgases is also possible. In this case, in the outer zone of the To attach a heating wire to the gap. Fig. 2 shows such an arrangement. She corresponds essentially of Fig. 1. The ring-shaped heating wire is denoted by 16. the The meaning of the other digits is as follows: Pot magnet4, cuvette 15, Spulel7, AC power source 18, connecting lines cuvette - alternating pressure receiver 19 and 20, throttles 21 and 22, alternating pressure receiver 23, amplifier 24, recorder 25. at This type of device can read the gas to be analyzed via the preferably centrally located in the gas line drilled in a pole piece can be fed to the gas-tight vessel.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Device for analyzing gases for components with paramagnetic susceptibility with a magnetic circuit of alternating polarity, consisting from a ferromagnetic yoke and one located between the pole pieces of the yoke Air gap and with a capacitive differential pressure measuring device, characterized in that that in the air gap there is a gas-tight vessel with one inlet and one outlet each for the analysis gas and that outside the magnetic circuit also the supply line with one chamber and the discharge with the other chamber of the differential pressure receiver is gas-connected.

2. Device for analyzing gases according to claim 1, characterized in that that a heating device is provided in the gap of the magnetic circuit.

3. Device for analyzing gases according to claim 1 or 2, characterized in that that one of the pole pieces of the magnetic circuit has a central one in a manner known per se Contains bore for the supply of the gas to be analyzed.

Considered publications: German Patent Specifications No. 859,387,882,317,858,030; Swiss Patent No. 280228; U.S. Patent No. 2,625,584; Control engineering, 1956, pp. 117 to 123.