DE1176399B - Verfahren zum Messen eines dem Sauerstoff-gehalt einer natuerlichen oder kuenstlichen Atmosphaere proportionalen Waermemengen-Messwertes und Vorrichtung zur Anzeige desSauerstoffgehaltes solcher Atmosphaeren - Google Patents

Verfahren zum Messen eines dem Sauerstoff-gehalt einer natuerlichen oder kuenstlichen Atmosphaere proportionalen Waermemengen-Messwertes und Vorrichtung zur Anzeige desSauerstoffgehaltes solcher Atmosphaeren

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DE1176399B DEB64211A DEB0064211A DE1176399B DE 1176399 B DE1176399 B DE 1176399B DE B64211 A DEB64211 A DE B64211A DE B0064211 A DEB0064211 A DE B0064211A DE 1176399 B DE1176399 B DE 1176399B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: G Ol η
Nummer: Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Deutsche KL: 421-4/08
B 64211 IXb/421
30. September 1961
20. August 1964
Es ist bekannt, die Konzentration eines gasförmigen Bestandteils einer Gasmischung durch eine unter Katalysatoreinfluß erfolgende exotherme Reaktion dieses Bestandteils mit einem Reagenzgas und Messen der durch die Reaktion frei werdenden Wärme zu bestimmen. Mit diesem Verfahren sind jedoch bisher nur brennbare Gasbestandteile einer Gasmischung bestimmt worden, und zwar insbesondere Kohlenmonoxyd oder Wasserstoff oder andere brennbare Gase oder Dämpfe. Hierbei wurde meistens als Reagenzgas der Sauerstoffanteil der normalen Umgebungsatmosphäre verwendet. Dieser ist ausreichend, da die zu verbrennenden Mengen des zu bestimmenden Gasbestandteils im Verhältnis zur Menge des in der Atmosphäre vorhandenen Sauerstoffes ausreichend klein sind.
Der Erfindung lag demgegenüber die Aufgabe zugrunde, den Sauerstoffanteil einer Gasmischung, d. h. eines unbrennbaren Bestandteils, zu bestimmen; eine Bestimmung des Sauerstoffanteils eines solchen Gasgemisches, und zwar eines Sauerstoffanteils in einer solchen Größenordnung, wie er in einer natürlichen oder künstlichen Atmungsatmosphäre vorhanden ist, ist mit den bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen nicht möglich, weil bei ihnen keine Mittel vorhanden sind, den gesamten Sauerstoffanteil des Gasgemisches zu verbinden bzw. eine solche vollständige Bindung mit Sicherheit zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wurde gemäß der Erfindung bei einem Verfahren zum Messen eines dem Sauerstoffgehalt einer natürlichen oder künstlichen Atmosphäre — wie z. B. der künstlichen Atmungsatmosphäre in einem Flugzeug — proportionalen Wärmemengen-Meßwertes dadurch gelöst, daß aus dieser Atmosphäre ein kontinuierlicher Strom geringer Strömungsmenge abgesaugt und mit einem kontinuierlichen Strom Wasserstoff enthaltenden Gas vorbestimmter Strömungsmenge ständig vermischt wird, wobei diese vorbestimmte Strömungsmenge mindestens so groß gewählt wird, daß der vorhandene Sauerstoffanteil der aus der Atmosphäre entnommenen geringen Strömungsmenge mit Sicherheit durch den Wasserstoff gebunden wird, worauf der erhaltene Mischungsstrom über einen Wasserstoff/Sauerstoff-Reaktions-Katalysator geleitet wird und die durch die unter der Katalysatorwirkung erfolgenden exothermen Reaktionen freiwerdenden Wärmemengen gemessen werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich auch zum Messen des Wasserstoffanteiles der natürlichen Atmosphäre verwenden; als Reagenzgas dient dabei Sauerstoff. Bekanntlich steigt der Wasserstoffanteil der Atmosphäre mit steigender Höhe, so daß sich Verfahren zum Messen eines dem Sauerstoffgehalt einer natürlichen oder künstlichen
Atmosphäre proportionalen Wärmemengen-Meßwertes und Vorrichtungen zur Anzeige des
Sauerstoffgehaltes solcher Atmosphären
Anmelder:
The Bendix Corporation,
Detroit, Mich. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 43
Als Erfinder benannt:
Paul Martin Boatman, Davenport, Ia. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 3. Oktober 1960 (60 128)
durch seine Messung die Höhe bei großen Werten sehr genau bestimmen läßt.
Weitere Merkmale des Erfindungskomplexes, auch eine Vorrichtung zur Anzeige des Sauerstoffgehaltes einer natürlichen oder künstlichen Atmosphäre, beruhend auf dem Verfahren gemäß der Erfindung betreffend, sind in den Patentansprüchen definiert.
Die Vorrichtung kann dabei eines oder mehrere der folgenden Kennzeichen aufweisen:
a) die Ansaugkammer steht über eine Venturiöffnung mit einer zwischen der Ansaugkammer und der Reaktionszone gelegenen Druckaufbaukammer in Verbindung;
b) die Reaktionszone enthält ein Gitter mit einer katalytischen Oberfläche (vorzugsweise Platin oder Palladium) zu dem die Gasmischung durch einen Diffusor (eine poröse Platte oder ein Gitter) geführt wird,
c) die Meßzone umfaßt eine wärmeisolierende Kammer, durch welche die reagierte Gasmischung hindurchtritt und welche die auf die Reaktionswärme ansprechenden Mittel enthält,
d) die auf die Reaktionswärme ansprechenden Mittel umfassen einen Flüssigkeitskörper, der vorzugsweise aus einer bei der Reaktionstemperatur verdampfenden Flüssigkeit besteht und dessen Druckänderungen über einen deformierbaren
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Körper oder ein entsprechendes abgeschlossenes deformierbares Glied auf ein Anzeiger- und/oder Steuerelement wirken,
e) die auf Reaktionswärme ansprechenden Mittel umfassen ein Thermopaar.
f) die mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden Öffnungen des Gehäuses sind durch ein Filter geschützt.
Die Erfindungen können auch aeronautischen und astronautischen Zwecken dienen.
Ein Ausführungsbeispiel der erfundenen Vorrichtungen wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 16 und einem mit *5 einem Außengewinde 25 versehenen in das Gehäuse eingeschraubten Verschlußglied 17. Im Gehäuse befindet sich eine zylindrische Ansaugkammer 26, die über zwei oder mehrere von einem Filter 28 bedeckte radiale Bohrungen 29 mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung steht. Eine axiale Bohrung 20 des Verschlußstückes ist über ein Anschlußstück und eine Rohrleitung 19 über einen Druckregler 12 mit einem Behälter 11 für das Reagenzgas verbunden. Wird die Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Überwachung der Atmosphäre in einem Luftfahrzeug verwendet, so ist das Reagenzgas im Behälter 11 Wasserstoff oder eine Mischung aus Wasserstoff und einem schweren nicht reagierenden Gas wie etwa Stickstoff.
In der der Bohrung 20 und der Kammer 26 gemeinsamen Achse ist in einer den Eingang der Kammer verschließenden Scheibe 22 ein Einspritzrohr 27 montiert, das weiter von einem Ring 21 gehalten wird. Dieser Ring kann mit Hilfe (von z. B. drei) Schrauben, die in einem Ansatz des Verschlußgliedes 17 geführt sind, und an dem Umfang des Ringes 21 anliegen, zentriert werden. Das abströmseitig gelegene Ende der Kammer 26 ist mit einer Scheibe 31 verschlossen, in deren Mitte dem Mundstück des Einspritzrohres gegenüberliegend sich eine düsenförmige Öffnung 32 (Venturidüse) befindet.
Der soeben beschriebene Teil der Vorrichtung stellt eine an sich bekannte Ansaugvorrichtung dar. Der aus dem Einspritzrohr mit großer Geschwindigkeit austretende Wasserstoffstrahl reißt einen gewissen Teil der durch die Öffnungen 29 eintretenden Atmosphäre mit sich und vermischt sich mit ihr. Der Anteil des so angesaugten Gases hängt im Prinzip vielmehr vom Druck des Ansaugstrahles z. B. Wasserstoff als vom Druck des angesaugten Gases ab. Das sich ergebende Mischungsverhältnis bleibt also unabhängig vom Druck der Atmosphäre, in welche die Vorrichtung eingebracht wird, konstant. Die von dem Einspritzrohr abgegebene Gasmenge ist so bemessen, daß sie ausreicht, um mit der Gesamtmenge des in der angesaugten Mischung enthaltenen Sauerstoffes zu reagieren.
Die sich ergebende Gasmischung tritt durch die Öffnung 32 der Scheibe 31 in eine Druckaufbaukammer 34 ein, in der die kinetische Energie der Mischung zum großen Teil in statische Druckenergie umgewandelt wird. Dies ist wünschenswert wegen des starken Druckabfalles, den die Mischung abströmseitig erleidet. Das abströmseitig gelegene Ende der Kammer
34 ist durch eine als Diffusor dienende poröse Platte
35 (oder ein Gitter) verschlossen. Hinter dieser Platte liegt ein Gitter 36, dessen Oberfläche durch einen Katalysator für die Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion, wie etwa Platin oder Palladium, bedeckt ist. Beim Durchtritt durch dieses Gitter verbrennt der in der angesaugten Atmosphäre vorhandene Sauerstoff vollständig, und das verbleibende Gas nimmt eine Temperatur an, die von dem Sauerstoffanteil in der angesaugten Atmosphärenmischling abhängt. Dieses Gas tritt in eine Meßkammer 38 ein. deren Seitenwände durch eine Muffe 40 wärmeisoliert sind. Diese Kammer 38 enthält einen Wärmetauscher 41 mit längsverlaufenden Durchlässen, durch die die heiße Gasmischung zu einer Auslaßöffnung 39 strömt, und auf diesem Wege eine schlangenförmige Kapillare 42 erwärmt, die in einer eine geeignete Flüssigkeit enthaltende Erweiterung endet, und deren anderes Ende über ein Rohr 44 mit einer deformierbaren Kapsel 14 verbunden ist. Entsprechend dem Sauerstoffanteil in der angesaugten Mischung ändert sich die Reaktionswärme, und der im Rohr 44 enthaltene Flüssigkeitskörper nimmt eine sich entsprechend verändernde Wärmemenge auf. Die sich daraus ergebenden Druckänderungen im Flüssigkeitskörper — der vorzugsweise aus einer verdampfbaren Flüssigkeit besteht — verändert die Länge der Kapsel 14 und wirkt entsprechend über eine schematisch bei 45 angedeutete mechanische oder elektrische Verbindung auf ein Steuerglied 15 ein. Dieses Steuerglied 15 ist beispielsweise ein Ventil, welches in der Sauerstoff-Zuführungsleitung für den Raum, in dem die Vorrichtung sich befindet, angeordnet ist.
Das auf die entwickelte Reaktionswärme ansprechende Element braucht nicht eine mit einer Flüssigkeit gefüllte Kapillarschlange zu sein, sondern kann auch aus einem Thermopaar bestehen. Das Meßergebnis ergibt sich dann in Form eines elektrischen Signals.
Zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes braucht das Reaktionsgas nicht notwendigerweise reiner Wasserstoff zu sein, sondern es kann auch ein anderes brennbares Gas verwendet werden. Befindet sich die Austrittsöffnung 39 für das Gas im Inneren des Raumes, so ist es zweckmäßig, alle giftigen Verbrennungsprodukte zu vermeiden. Es ist mitunter nützlich, das brennbare Gas, insbesondere Wasserstoff, mit einem schweren, nicht reagierenden Gas, wie Stickstoff, zu mischen, um die kinetische Energie des Strahles zu erhöhen, so daß der Druckabfall, dem er unterworfen ist, leichter überwunden wird.
Falls es zweckmäßig ist, können alle bekannten Mittel angewendet werden, um das erhaltene Meßergebnis als Funktion der Temperatur und/oder dem Druck der Umgebung zu verändern. Andere Mittel können vorgesehen werden, um den Einspritzdruck des Reaktionsgases als Funktion der äußeren Bedingungen zu verändern.
In der Mehrzahl der Fälle sind solche Korrekturmittel jedoch nicht erforderlich, und es kann angenommen werden, daß der Gasstrahl mit konstanter Geschwindigkeit die umgebende Atmosphäre so ansaugt, daß sich unabhängig von den äußeren Bedingungen ein konstantes Mischungsverhältnis ergibt.

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Messen eines dem Sauerstoffgehalt einer natürlichen oder künstlichen Atmosphäre — wie z. B. der künstlichen Atmungsatmosphäre in einem Flugzeug — proportionalen
Wärmemengen - Meßwertes, dadurch gekennzeichnet, daß aus dieser Atmosphäre ein kontinuierlicher Strom geringer Strömungsmenge abgesaugt und mit einem kontinuierlichen Strom Wasserstoff enthaltenden Gas vorbestimmter Strömungsmenge ständig vermischt wird, wobei diese vorbestimmte Strömungsmenge mindestens so groß gewählt wird, daß der vorhandene Sauerstoffanteil der aus der Atmosphäre entnommenen geringen Strömungsmenge mit Sicherheit durch den Wasserstoff gebunden wird, worauf der erhaltene Mischungsstrom über einen Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktionskatalysator geleitet wird und die durch die unter der Katalysatorwirkung erfolgenden exothermen Reaktionen frei werdenden Wärmemengen gemessen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Sauerstoffgehalt zu untersuchende geringe Strömungsmenge derart an den Strom des Wasserstoffgases herangeführt wird, daß sie nach dem Prinzip der Strahlpumpe durch diesen angesaugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoffgas vor dem Vermischen mit der auf den Sauerstoffgehalt zu untersuchenden Strömungsmenge mit einem schweren, unter der folgenden Katalysatoreinwirkung nicht mit dem Sauerstoff reagierenden Gas, wie z. B. Stickstoff, gemischt wird.
4. Vorrichtung zur Anzeige des Sauerstoffgehaltes einer natürlichen oder künstlichen Atmosphäre — wie z. B. der künstlichen Atmungsatmosphäre in einem Flugzeug — beruhend auf den Verfahren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (16) mit einer ersten Kammer (26), die an ihrem Umfang über eine oder mehrere öffnungen (29) mit der zu untersuchenden Atmosphäre in Verbindung steht und in der axial eine an eine von außen heranführende, zur Zufuhr von Wasserstoffgas vorgesehene Leitung (19) angeschlossene Strahldüse (21) angeordnet ist und eine mit der ersten Kammer (26) in Verbindung stehende zweite Kammer (38), die einen Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktionskatalysator, vorzugsweise Pt oder Pd, und eine dahinter angeordnete Wärmemeßeinrichtung enthält, nach außen wärmeisoliert ist und — in Richtung der Ausbildung einer Strömung von der ersten zur zweiten Kammer gesehen — hinter der Wärmemeßeinrichtung einen Auslaß (39) besitzt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Kammer (26) und der zweiten Kammer (38) eine dritte Kammer (34) angeordnet ist, die über eine in Verlängerung der Strahldüse (21) angeordnete Venturiöffnung (32) mit der ersten Kammer (26) in Verbindung steht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktionskatalysator die Form eines Überzuges eines Gitters (36) besitzt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Kammer (26) bzw. gegebenenfalls der dritten Kammer (34) und dem Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktionskatalysator der zweiten Kammer (38) eine als Diffusor wirkende Schicht, z. B. eine poröse Platte (35) oder ein Gitter, angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmemeßeinrichtung aus einem Gefäß besteht, das eine Flüssigkeitsmenge, vorzugsweise einer bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktionstemperatur verdampf enden Flüssigkeit, enthält und über eine Leitung (44) mit einem deformierbaren Element (Kapsel 14) derart in Verbindung steht, daß durch den Druck der verdampfenden Flüssigkeit das Element (Kapsel 14) deformiert wird, wobei dieses deformierbare Element (Kapsel 14) mit einem seine Deformationen anzeigenden Glied (14) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmemeßeinrichtung aus einem Thermopaar besteht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (29) der ersten Kammer (26) mit einem Filterkörper (28) bedeckt sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der zur Zufuhr von Wasserstoffgas vorgesehenen Leitung (19) ein Druckregler (12) eingeschaltet ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
französische Patentschrift Nr. 1147 190;
britische Patentschriften Nr. 802281, 507 219;
USA.-Patentschrift Nr. 2 916 358.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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