DE1212747B - Tragbares Messgeraet zur Anzeige des Sauerstoffgehaltes eines Gases, insbesondere von Wettergemischen im Bergbau - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIn

Deutsche Kl.: 421-4/16

Nummer:

Aktenzeichen: B 67927IX b/421

Anmeldetag: 5. Juli 1962

Auslegetag:

17, März 1966

Die Erfindung betrifft ein tragbares Meßgerät zur Anzeige des Sauerstoffgehaltes eines Gases, insbesondere von Wettergemischen im Bergbau, beruhend auf der Messung der zwischen zwei Gasen unterschiedlichen Sauerstoffgehaltes in einem inhomogenen Magnetfeld auftretenden Strömung.

Geräte zur Messung des Sauerstoffgehaltes von Gasgemischen unter Ausnutzung des Paramagnetismus des Sauerstoffs werden bereits in großer Zahl benutzt. Diese Geräte beruhen in der Regel darauf, daß in dem zu analysierenden Gasgemisch im inhomogenen Feld eines starken Magneten durch Erwärmung eine Suszeptibilitätsdifferenz erzeugt und der dadurch entstehende Differenzdruck bzw. die infolge des Differenzdruckes auftretende Strömung gemessen wird. In diesen Geräten dienen in das Magnetfeld eingebrachte Sonden sowohl zur Erwärmung des Gases wie auch zur Messung der thermomagnetischen Strömungseffekte.

Die genannten Geräte haben sich für den Zweck einer leichten und überall durchzuführenden, insbesondere aber in den beengten Untertageräumen auszuführenden Messung als unbrauchbar erwiesen, obwohl die Praxis des Bergbaus nach solchen Geräten verlangt, weil die Überprüfung der Atembarkeit der Luft die Feststellung der jeweiligen Sauerstoffkonzentration erforderlich macht. Die bekannten Geräte der eingangs beschriebenen Art sind außerordentlich unhandlich und daher nicht für beengte Verhältnisse geeignet. Der Grund für diese unerwünschte Eigenschaft liegt darin, daß der Einbau der Sonden in das Magnetfeld einen großen Luftspalt bedingt, so daß zur Schaffung eines genügend starken Magnetfeldes ein verhältnismäßig großer, schwerer Magnet benötigt wird. Zudem ist die Heizleistung für die Sonden infolge der Wärmeableitung an die sich in ihrer unmittelbaren Nähe befindenden Armaturen so groß, daß die Energieversorgung aus einer Batterie entweder überhaupt nicht möglich oder aber erheblich erschwert ist. Ferner sind die bekannten Geräte neigungsabhängig durch die wegen der räumlichen Anordnung der Sonden im Magnetfeld auftretende Thermokonvektion.

. Es ist bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der diese Schwierigkeiten durch Verwendung zweier Gase, nämlich des zu messenden und eines Vergleichsgases, wenigstens teilweise vermieden werden können. Bei dieser bekannten Vorrichtung strömt das Vergleichsgas in das Magnetfeld, und der dabei auftretende Staudruck wird gemessen. Da sich hierbei die zur Messung des Druckes erforderliche Einrichtung außerhalb des Magnetfeldes anbringen läßt, kann mit Tragbares Meßgerät zur Anzeige

des Sauerstoffgehaltes eines Gases, insbesondere

von Wettergemischen im Bergbau

Anmelder:

Bergwerksverband G. m. b. H.,
Essen-Kray, Dortmunder Str. 151

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. Karl Friedrich Luft,

Essen-Haarzopf

vergleichsweise engerem Luftspalt des Magneten gearbeitet werden.

Trotz der hierdurch erreichten Vorteile hat sich die bekannte Vorrichtung bisher nicht durchsetzen können. Diese Tatsache dürfte vor allem in der Schwierigkeit der Messung der sehr kleinen Differenzdrücke mit den für ein Gerät, das sich leicht transportieren läßt, erforderlichen Mitteln begründet sein, wofür es bisher keine Lösungsmöglichkeit gab. Ein weiteres Hindernis für die Anwendung der zum Stand der Technik gehörenden Vorrichtung im praktischen Betrieb ist die Ungenauigkeit der mit ihr erzielbaren Meßergebnisse, denn es muß bei diesen Geräten so vorgegangen werden, daß das Vergleichsgas aus einem in die Polmitte mündenden Kanal in den sich allmählich erweiternden Luftspalt des Magneten strömt, so daß das zu messende Gas diesen Luftspalt umspült. Deshalb bildet sich im Bereich des inhomogenen Magnetfeldes, in dem bekanntlich allein eine Druckeinwirkung entstehen kann, eine Vennischungszone, deren Lage und Konzentrationsprofil von den Strömungsgeschwindigkeiten der beiden Gase abhängen. Dadurch ist der für die Messung entscheidende Differenzdruck infolge der Veränderlichkeit der Volumensuszeptibilität weitgehend unbestimmt.

Die Erfindung beruht ebenfalls auf dem bekannten Prinzip, den Sauerstoffgehalt eines Gasgemisches dadurch zu bestimmen, daß die Differenz der Strömung zweier Gase unterschiedlichen Sauerstoffgehalts gemessen wird. Sie weist die eingangs erwähnten Fehler und Nachteile der bekannten Geräte und Meßverfahren nicht auf und läßt sich deshalb in engen Grubenräumen und unter den erschwerenden Bedingungen der Grubenwetter auch von ungelern-

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ten Arbeitskräften benutzen. Ihre Herstellung ist wenig aufwendig; sie arbeitet nahezu-wartungsfrei.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die infolge des magnetischen Druckes auftretende Strömung mit Hilfe einer sich außerhalb des Magnetfeldes befindenden, aus zwei gleichen, aus elektrischen Widerständen bestehenden thermischen Gasströmungsmessern gebildeten, symmetrischen Wheatstonschen Brücke meßbar ist, wobei der eine der beiden Widerstände unmittelbar der durch den magnetischen Druck bewirkten Strömung eines Vergleichsgases ausgesetzt ist, während der andere in einem mit Hilfe von Kapillaren parallel hierzu angeschlossenen, in sich geschlossenen, ebenfalls Vergleichsgas führenden Strömungsweg liegt, dessen Strömungswiderstand so eingestellt, ist, daß der Einfluß von Auftriebsund Beschleunigungseffekten auf die Messung ausgeschaltet ist.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung, die speziell für die Messung der Differenz des Sauerstoffgehaltes zwischen dem Vergleichsgas und der atmosphärischen Luft bestimmt ist, ist das Vergleichsgas mittels Kapillaren in zwei annähernd gleiche Teilströme aufgespalten, von denen der eine durch den Luftspalt des Magneten hindurch und der andere durch einen symmetrisch um den Luftspalt im praktisch feldfreien Raum gelegenen Ringspalt in das Meßgas, tritt, und daß ein mit den Strömungsmessern ausgerüstetes Rohrsystem beide Ausströmöffnungen verbindet. Ist der Sauerstoffgehalt von Vergleichsgas und atmosphärischer Luft ver- .--· schieden, so bewirkt auch-hier der infolgedessen entstehende magnetische Druck eine Querströmung durch;-das Rohrsystem^und- eine· der Größerdes Querstromes entsprechende Zu- bzw. Abnahme· der ■Teilströme des Vergleichsgases- durch'"die'-Rinspalte. - ■ Sind jedoch die Teilströme · so ^"eingestellt;.¹, .daß sie erheblich größer als die bei maximaler.· SauerstdfE-dffleiermögliche: maximale <3ü'erslfömungisind;' so strömt'aus den Ringspalten immer Vergleichsgas aus, und ein Eindringen des Meßgäses.m das Rohrsystem", .-.-in diesem;Fall der atmosphärischen* Luft,-wird mit ."Sicherheit vermieden, so daß. die im Meßsystem gegebenen Eigenschaften, wie Viskosität; Wärmeleitung usw.,' ausschließlich; durch das VergleicKsgas' be-•stimmt werden,. · ■ . Λ ■'·.··■ ■■ ' «·■- '.' ·..

Den dem Meßgas- zugewandte Teil der Magnetpole enthält dabei eine solche Form und Ausbildung, daß der Übergang vo'm-homogenen- maximalen Feld in· das Gebiet kleinerer Feldstärke möglichst schnell erfelgt. ''■■" '" - * .- '

-" Praktisch läßt sich das am- einfachsten dadurch ■erreichen, daß die äußeren Pblflächen in einer Ebene liegen,· so daß' die engste Stelle des Luftspaltes ohne ■besonders ausgebildeten Übergang in das Meßgas mündet. " ' - · ' ' ·

Es ist besonders vorteilhaft, wenn mit Hilfe an sich bekannter Mittel die Strömung des Vergleichsgases auf einen minimalen Wert eingestellt wird, der nach dem bereits oben Ausgeführten so gewählt ist, daß ■er gerade ausreicht, um für alle Werte von zu mes- ■ senden Sauerstoffkonzentrationen ein Eindringen des Meßgases, d. h. in diesem Fall der äußeren Atmosphäre, in das vom Vergleichsgas erfüllte Rohrsystem, zu verhindern. Damit wird erreicht, daß die geringe, aus dem Magnetspalt austretende Vergleichsgäsmenge durch Diffusion und Konvektion sehr rasch abgeführt wird, so daß in dem nach außen-gerichteten Magnetfeld praktisch die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre herrscht, und damit das in seinem Sauerstoffgehalt schwankende Übergangsgebiet zwischen Meßgas und Vergleichsgas keinen wesentlichen Einfluß auf die Messung hat.

Es erweist sich als sehr zweckmäßig, äußere Druckeinwirkungen vom Meßsystem fernzuhalten, da die Ausströmöffnungen in die freie Atmosphäre münden. Da das Meßgerät auch in bewegter Luft verwendet werden soll, beispielsweise in Untertagestrecken mit Wettergeschwindigkeiten von mehreren Metern in der Sekunde, darf durch die Anströmung der Austrittsöffnungen kein Druckunterschied entstehen, der ebenfalls zu einer Strömung durch das Rohrsystem Anlaß geben würde.

Derartige Anströmeffekte werden gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch vermieden, daß der praktisch in feldfreien Räumen gelegene Austritt des Vergleichsgases aus zwei symmetrisch um den Magnetspalt gelegenen Ringspalten erfolgt. Dadurch heben sich die infolge der Ausströmung zwischen den Spalten entstehenden Druckgefälle in ihrer Wirkung auf das Rohrsystem weitgehend auf.

. Eine weitere Steigerung dieser Wirkung, d'. h, Verminderung äußerer Störungen, läßt sich dadurch erreichen, daß Magnet und Ringspalt durch eine gemeinsame Haube geschützt werden, deren Gasdurchlässigkeit so bemessen- ist, daß das aus dem Magnetspalt austretende Vergleiehsgas genügend schnell durch- Konvektion und Diffusion, in den Äußenraum übertritt: ■ . '.-.>■■· \ ■ . \ — ■
- Die Verwendung als tragbares:Gerät,.insbesondere als trägbares Sauerstoffmangelwarngerät^untef Tage, bedingt die ■· Mitführung eines hinreichend großen VergleichsgasvorratesrMan kann dabei gemäß einer weiteren- Ausbildung, des- erftndüngsgemäßen Meßgerätes so vorgehen? das da& Vergleichsgas in einem jm~-wesentlichen aus ■ einem Wellrohr bestehenden .Vorrätsbehälter „enthalten vist. Der dadurch geschaffene. Metallbalg,- in- ■weletiem'idas unter.'Überdruck stehende VorratsgäS: gespeiehert.ist, zieht sich im- Zuge der Abgabe von Vergleiehsgas zusammen und ermöglicht' dadurch, eine jederzeit .,erkennbare Anzeige des noch.zur· Verfügimg stehenden Vorrates.

■ Von besonderem Wert -ist die" Anwendungsmöglichkeit des Gerätes n'ach- der= Erfindung- als Meßanordnung in' Verbindung mit den bekannten Freßluftatmungsgeräten, in denen die zum Atmen dienende Preßluft gleichzeitig als Vergleichsgas dient.

■ ■■ Die'Erfindung wird'an Hand der Zeichnung weiter beschrieben, welche -eine "bevorzugte Ausführungs-■förm des Erfindungsgegenstandes beispielsweise und schematis'ch darstellt. Es;zeigt ^s'-r · -

■ · Abb.-1 schematisch den Aufbau eines Meßgerätes nach der Erfindung, 'welches sich für die Messung des Sauerstöffgehältes der Atmosphäre eignet und

A b b."2 eine Einzelheit der A b'b; 1 im Schnitt von der Seite'gesehen: ; ■ ■:/.:. ·-.'" .

In den Abbildungen ist ein tragbares Meßgerät zur -Anzeige des Satierstoffgehaltes-der Atmosphäre, die nachfolgend als Meßgas bezeichnet wird,' dargestellt. Dabei handelt es sich beispielsweise um ein Wettergemisch, wie es im Bergbau auftritt;

Das Meßgerät nach den Abbildungen beruht auf dem Differenzdruck, der zwischen zwei Gasen unterschiedlichen Sauerstoffgehaltes in einem inhomogenen Magnetfeld auftritt. Dazu dienen neben dem erwähnten Meßgas ein Vergleichsgas, das, wie darge-

stellt, in das Meßgerät unter Überdruck von rechts in Abb. 1 gesehen, eintritt und das, z. B. aus Luft, mit normalem Sauerstoffgehalt von 21 % besteht.

Das Vergleichsgas gelangt durch ein Rohrsystem, nämlich zunächst über eine Kapillare 13 α und eine Leitung 14 in einen Luftspalt 16 des aus Polen 18 und 19 und einem ringförmigen Joch 20 bestehenden Magneten nach außen und zum anderen parallel hierzu über eine Kapillare 13 & und eine Leitung 15 in zentrisch um den Luftspalt im praktisch feldfreien Raum angeordnete Ringspalte 17.

Das Meßgas, das wie erwähnt gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel von der umgebenden Luft gebildet wird, deren Sauerstoffdefizit gemessen werden soll, dringt von außen durch die gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehene gasdurchlässige Schutzhaube 21 ein und erfüllt, da die Zuströmung des Vergleichsgases im Verhältnis zu der sehr rasch erfolgenden Diffusion nur sehr gering ist, praktisch den gesamten, über den Ringspalten 17 gelegenen Raum. Mit Hilfe der Kapillaren 13 α und 13 b ist die Vergleichsgasströmung so bemessen, daß bei Gleichheit des Sauerstoffgehaltes im Meß- und Vergleichsgas keine Querströmung in dem die Rohre 14, 15 des Rohrsystems verbindenden Rohr 5 auftritt.

Enthält aber das Meßgas, d. h. also die atmosphärische Luft, weniger Sauerstoff als das Vergleichsgas, so besteht längs des Magnetspaltes 16 ein\ ,· Gefalle der magnetischen Suszeptibilität, welches einen nach außen gerichteten magnetischen Druck zur Folge hat. Dieser magnetische Druck bewirkt eine Störung der vorher bei Gleichheit der Sauerstoffgehalte vorhandenen Strömungsverteilung in dem Sinn, daß ein Teil der durch die Kapillare 13 & fließenden Vergleichsgasmenge nach Durchgang durch das Verbindungsrohr 5 zusätzlich durch den Magnetspalt 16 nach außen tritt und die durch die Ringspalte 17 austretende Vergleichsgasströmung entsprechend vermindert wird.

Die im Rohr 5 infolge der Sauerstoffdifferenz auftretende Strömung wird mit gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem aus einem elektrischen Widerstand 6 bestehenden thermischen Strömungsmesser gemessen, der z. B. aus einer im freien Rohr 5 aufgehängten Spirale aus feinem Nickel- oder Platindraht besteht. Parallel zu dem Rohr 5 liegt ein in sich geschlossener, ebenfalls Vergleichsgas führender Strömungsweg 7 mit einem entsprechenden elektrischen Widerstand 8, der seinerseits einen Strömungsmesser darstellt.

Die Verbindung zwischen den beiden Strömungswegen 5 und 7 ist mit Hilfe von Kapillaren 9 hergestellt, deren Weite so gewählt ist, daß zwar eine stetige Erneuerung des Inhaltes an Vergleichsgas im Strömungsweg 7 erfolgt, der Strömungswiderstand dieser Kapillaren jedoch so hoch ist, daß die im Rohr 5 gemessene Strömung praktisch keine Einwirkung auf den Widerstand 8 hat.

Die beiden mit Mittelanzapfungen versehenen Widerstände 6 und 8 sind zu einer Wheatstonschen Brücke zusammengeschaltet, die aus einer Batterie 10 gespeist wird.

Die infolge des unterschiedlichen Sauerstoffgehaltes von Meß- und Vergleichsgas im Rohr 5 auftretende Strömung des Vergleichsgases führt zu einer Verschiebung des Temperaturgleichgewichtes der beiden Hälften des Widerstandes 6 und damit zu einer der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Änderung des Brückengleichgewichtes, die von einem Instrument 11 angezeigt wird.

Störungen, wie sie z. B. durch Strömungseffekte infolge thermischen Auftriebs an den Spiralen oder durch Beschleunigungen bei tragbaren Geräten vorkommen, wirken auf beide Widerstände im gleichen Sinn und führen daher zu keinen Änderungen des Brückengleichgewichtes. Das setzt voraus, daß der Strömungswiderstand des Vergleichsgas führenden Strömungsweges 7 gleich dem des an das Rohr 5 angeschlossenen Rohrsystems ist, was durch Einstellung einer Schraube 12 erfolgen kann.

Die Erprobung der in den Abb. 1 und 2 dargestellten und vorstehend im einzelnen beschriebenen Anordnung hat ergeben, daß mit einem Magnetgewicht von wenigen 100 g und einer elektrischen Leistung für die Speisung der Brücke von nur 0,4 Watt Abweichungen vom normalen Sauerstoffgehalt in der Größenordnung von Vio % mit Sicherheit angezeigt werden. Dabei beträgt der Verbrauch an Vergleichsgas etwa 1 l/h. Ein solcher Vorrat ermöglicht zusammen mit dem geringen Magnetgewicht den Bau eines tragbaren Gerätes, das über hinreichend lange Zeiträume betrieben werden kann.

Dabei reicht die von der Meßbrücke abgegebene Leistung aus, um mit einem kleinen Drehspulrelais unmittelbar oder nach Verstärkung mit Hilfe eines kleinen Transistor-Zerhacker-Verstärkers bei Unterschreitung eines bestimmten, für die Atmung erforderlichen Sauerstoffgehaltes einen optischen oder akustischen Alarm zu betätigen.

Bei Anwendung des Gerätes gemäß der Erfindung in Verbindung mit den bekannten Preßluftatemgeräten erweist sich eine solche Warneinrichtung bei der Begehung von durch Sauerstoffmangel geführten Räumen als außerordentlich nützlich, weil sie eine rationelle Ausnutzung der zuf Verfügung stehenden und in aller Regel knappen Atemluft ermöglicht.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Anzeige Sauerstoffmangel beschränkt, sondern sie kann mit Vorteil überall dort angewendet werden, wo entweder die Differenz des Sauerstoffgehaltes zweier Gase gemessen werden soll oder wo ein Vergleichsgas mit gegebenem Sauerstoffgehalt zur Verfügung steht. Da das Rohrsystem aus den Rohren 14,15 und 5, 7 nur vom Vergleichsgas, wie vorstehend im einzelnen beschrieben, durchströmt wird, ergibt sich gegenüber den bekannten thermomagnetischen Meßverfahren der besondere Vorteil der Unabhängigkeit des Meßergebnisses von den nichtmagnetischen Eigenschaften des zu messenden Gasgemisches, also einer etwa seiner jeweils vorhandenen Wärmeleitfähigkeit, seiner spezifischen Wärme oder Viskosität.

Patentansprüche:

1. Tragbares Meßgerät zur Anzeige des Sauerstoffgehaltes eines Gases, insbesondere von Wettergemischen im Bergbau, beruhend auf der Messung der zwischen zwei Gasen unterschiedlichen Sauerstoffgehaltes in einem inhomogenen Magnetfeld auftretenden Strömung, dadurch gekennzeichnet, daß die infolge des magnetischen Druckes auftretende Strömung mit Hilfe einer sich außerhalb des Magnetfeldes befindenden, aus zwei gleichen, aus elektrischen Widerständen (6, 8) bestehenden thermischen Gasströmungsmessern gebildeten, symmetrischen

Claims (8)

1. Wheatstohschen Brücke meßbar ist, wobei der eine der beiden Widerstände (6) unmittelbar der durch den magnetischen Druck bewirkten Strömungen eines Vergleichsgases ausgesetzt ist, während der andere (8) in einem mit Hilfe von Kapillaren (9) parallel hierzu angeschlossenen, in sich geschlossenen, ebenfalls Vergleichsgas führenden Strömungsweg (7) liegt, dessen Strömungswiderstand so eingestellt ist, daß der Einfluß von Auftriebs- und Beschleunigungseffekten auf die Messung ausgeschaltet ist.
2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsgas mittels Kapillaren (13 a, 13 b) in zwei annähernd gleiche Teilströme aufgespalten ist, von denen der eine durch den Luftspalt (16) des Magneten (18, 19, 20) hindurch und der andere durch einen symmetrisch um den Luftspalt im praktisch feldfreien Raum gelegenen Ringspalt (17) in das Meßgas tritt, und daß ein mit den Strömungsmessern ausgerüstetes Rohrsystem (5, 7) beide Ausströmöffnungen verbindet.
3. 3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßgas zugewandte Begrenzungsflächen des Magnetspaltes (16) solche Form aufweisen, daß das den magnetischen Drück be-

   wirkende inhomogene Feld im wesentlichen im Meßgas verläuft.
4. 4. Gerät nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Polflächen in einer Ebene liegen und die engste Stelle des Luftspaltes (16) ohne Übergang in das Meßgas mündet.
5. 5. Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß' die Menge des Vergleichsgases so eingestellt ist, daß sie bei der maximal vorkommenden Differenz des Sauerstoffgehaltes das Eindringen des Meßgases in das vom Vergleichsgas ,erfüllte Rohrsystem (5, 7) verhindert.
6. 6. Gerät nach Ansprach 5, gekennzeichnet durch eine den Magnet- und Ringspalt abdeckende gasdurchlässige Haube (21).
7. 7. Gerät nach den Ansprüchen 5 und 6, gekennzeichnet durch einen Vorratsbehälter für das Vergleichsgas, der aus einem balgenförmigen Wellrohr besteht.
8. 8. Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftvorrat eines Preßluftatemgerätes als Vergleichsgas dient.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 1 023 610.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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