DE1279973B

DE1279973B - Messgeraet zur Anzeige der Differenz des Sauerstoffgehaltes zweier Gase

Info

Publication number: DE1279973B
Application number: DEB87556A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Karl-Friedri Luft
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1966-06-15
Filing date: 1966-06-15
Publication date: 1968-10-10
Also published as: US3479860A; GB1130416A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Q.:

GOIn

Deutsche KL: 421-4/16

Nummer: 1279 973

Aktenzeichen: P 12 79 973.4-52 (B 87556)

Anmeldetag: 15. Juni 1966

Auslegetag: 10. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Anzeige der Differenz des Sauerstoffgehaltes zweier Gase, von denen eines als Meßgas und das andere als Vergleichsgas dient, beruhend auf der Messung der zwischen zwei Gasen unterschiedlicher magnetischer Suszeptibilität in einem homogenen Magnetfeld auftretenden Strömung mit Hilfe einer sich außerhalb des Magnetfeldes befindenden, aus elektrischen Widerständen bestehenden, als thermischer Gasströmungsmesser ausgebildeten, vorzugsweise symmetrischen Wheatstoneschen Brücke, die der Strömung des Vergleichsgases ausgesetzt ist.

Bei einem solchen, insbesondere als tragbares Meßgerät zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Wettergemischen im Bergbau bestimmten Gerät ist vorgesehen, einen der beiden Widerstände unmittelbar der durch den magnetischen Druck bewirkten Strömung des Vergleichsgases auszusetzen, 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 Auftriebs- und Beschleunigungseffekten auf die Messung ausgeschaltet ist.

Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit eines derartigen Gerätes und der Erhaltung seiner Vorteile gegenüber anderen vorbekannten Meßgeräten dieser Art dient ein noch nicht zum Stande der Technik gehöriger Vorschlag, der vorsieht, beide zur Messung der Strömung dienende Widerstände der durch den magnetischen Druck bewirkten Strömung des Vergleichsgases in den Schenkeln eines U-förmig ausgebildeten Strömungsweges auszusetzen und so zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammenzuschalten, daß sich die Meßeffekte der Widerstände addieren und der Einfluß von Auftriebs- und Beschleunigungseffekten ausgeschaltet wird.

Bei der praktischen Durchführung dieses Gedankens hat sich aber gezeigt, daß sich zwar die Verdoppelung der Meßempfindlichkeit und die Ausschaltung von Auftriebseffekten erreichen läßt, daß jedoch die Ausschaltung von Beschleunigungseffekten nur bei geradliniger Bewegung möglich ist. Erfolgt mit anderen Worten eine Drehbewegung des Meßgerätes um eine senkrecht zum U-förmigen Strömungsweg gelegene Achse, so wird die Störwirkung der durch die auf das Gas einwirkenden Trägheitskräfte verursachten Strömung nicht ausgeschaltet. Das erweist sich deshalb als störend, weil bei beliebigen Bewegungen des Gerätes immer Komponenten einer derartigen Drehbewegung vorhanden sind, so Meßgerät zur Anzeige der Differenz
des Sauerstoffgehaltes zweier Gase

Anmelder:

Bergwerksverband G. m. b. H.,

4300 Essen-Kray, Frillendorfer Str. 351

ίο Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. Karl-Friedrich Luft, 4300 Essen

daß sich eine verhältnismäßig starke Erschütterungsempfindlichkeit des Gerätes ergibt.

Die beschriebenen Meßgeräte sind für die Messung verhältnismäßig geringfügiger Differenzen des Sauer-

ao stoffgehaltes zweier grundsätzlich beliebiger Gase geeignet und bestimmt. Dabei erfolgt die Zufuhr des Meßgases, also beispielsweise die von atmosphärischer Luft zum Magneten im wesentlichen durch Diffusion durch eine gasdurchlässige Schutzhaube.

as Wenn es sich bei dem Meßgas selbst um ein strömendes Gas handelt, so müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um den störenden Einfluß der Meßgasströmung auf die zur Messung dei Sauerstoffdifferenz dienende, durch den magnetischen Druck erzeugte Strömung auszuschalten. Daher ist der Anwendungsbereich der vorgenannten Geräte insoweit auch begrenzt.

Die verschiedenen aufgeführten Störeffekte zu beseitigen, ist Aufgabe der Erfindung.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Grundgedanken der Erfindung dadurch gelöst, daß die beiden dem Vergleichsgas ausgesetzten Widerstände des thermischen Gasströmungsmessers je in einem von zwei untereinander gleichen Vergleichsgaskanalsystemen untergebracht sind, die spiegelbildlich zur Achse eines Meßgas führenden Kanals angeordnet sind.

Ein solches Meßgerät ist gegen Drehbewegungen um die Achse des das Meßgas führenden Kanals völlig unempfindlich und schaltet daher auch die

Erschütterungsempfindlichkeit der bisherigen Geräte aus. -

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird so vorgegangen, daß jedes Vergleichsgaskanalsystem drei im wesentlichen parallele, jeweils

an ihrem einen Ende durch einen Verbindungskanal untereinander verbundene Einzelkanäle aufweist, die sämtlich mit ihren anderen Enden in den Meßgas

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führenden Kanal münden, wobei die Mündungen der führt mithin zu einer Verschiebung des Temperaturbeiden äußeren Einzelkanäle außerhalb des Magnet- gleichgewichtes der mit α und b bezeichneten Hälften feldes liegen und Mittel zur Einstellung des Strö- dieser Widerstände und der nach F i g. 3 aus ihnen mungswiderstandes der äußeren Einzelkanäle vor- zusammengeschalteten, als thermischer Strömungsgesehen sind. 5 messer verwendeten Wheatstoneschen Brücke und

Jedes Kanalsystem ist daher grundsätzlich E-förmig damit zu einer entsprechenden ÄndeMng des ausgebildet, wobei die Mittelschenkel über Magnet- Brückengleichgewichtes, die von einem Instrument spalte, die Außenschenkel aber über außerhalb des 18 angezeigt wird. Da bei der dargestellten Schal-Magnetfeldes liegende Spalte in den Meßgaskanal rung die vorwiegend der abkühlenden Wirkung der einmünden. Dadurch werden die störenden Einflüsse io Strömung unterworfenen Widerstandshälften 16 b der Meßgasströmung ausgeschaltet. und 17 b diagonal gegenüberliegende Brückenzweige

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand mehrerer bilden, addieren sich die an jedem Widerstand auf-

Ausführungsbeispiele schematisch unter Fortlassung tretenden Meßeffekte. Tritt dagegen durch Neigung

aller für das Verständnis der Erfindung nicht des Meßkörpers 2 eine thermische Konvektion an

erforderlichen Einzelheiten in den Zeichnungen 15 den Widerständen 16 und 17 auf, beispielsweise von

erläutert. Es zeigt , links nach rechts in der Zeichenebene gerichtet, so

Fig. 1 den Gerätekörper im Schnitt in einer werden vorwiegend die Widerstandshälften Ι6ά und

Ebene, 17 b abgekühlt, d. h., die Brücke bleibt nach'wie vor

Fig. 2 einen zu dem Schnitt in Fig, I recht- im Gleichgewicht,

winkligen Schnitt durch den Gerätekörper, 20 Das gleiche gilt für Störströmungen, die durch

F i g. 3 ein Schaltbild und ' Trägheitskräfte bei beliebigen Bewegungen des Meß-

Fig.4 eine andere Ausführungsform der Schal- gerätes entstehen,

tang nach F ig. 3. Eine andere Möglichkeit der Zusammenschaltung

In den F i g. 1 und 2 ist ein Gerätekörper 2 dar- der Widerstände 16 und 17 zeigt F i g. 4, die in Vergestellt, der einen Meßgas führenden Kanal 1 besitzt, as bindung mit zwei Festwiderständen 19 und 20 eine Ein- und Ausgang des Meßgas führenden Kanals 1 bessere Anpassung art Meßinstrumente 18 mit gesind durch feine Drahtnetze oder Metallfritten 3 ringerem Innenwiderstand erlaubt. Auch in dieser geschützt. Das Vergleichsgas wird über einen Schaltung lassen sich die durch thermische Konvek-Anschlußstutzen 4 und vier gleiche Kapillaren 5 zwei tion und Trägheitskräfte bedingten Störwirkungen grundsätzlich E-förmig ausgebildeten, spiegelbildlich 30 ausschalten.

zum Kanal 1 angeordneten Vergleichsgaskanal- Schließlich wird die störende Wirkung der Meßsystemen 6 und 7 zugeführt. Der Mittelschenkel jedes gasströmung durch die Symmetrie der Anordnung dieser beiden Systeme mündet über Spalte U und 12 vollständig vermieden. Das durch die Meßgasin den Meßgas führenden Kanal 1. Die Spalte 11 und strömung längs das Kanals 1 auftretende Druck-12 liegen zwischen Polkörpern 8 und 9 eines Magne- 35 gefalle wirkt sich nicht aus, weil die zwischen den ten 10. Die äußeren Schenkel der Vergleichsgas- Magnetspalten 11 bzw. 12 und den Spalten 13 und kanalsysteme führen über Spalte 13 und 14 ebenfalls 14 herrschenden Druckunterschiede entgegengesetzt in den Meßgas führenden Kanal 1. gerichtet sind und infolgedessen sich in ihrer Wir-

Die beiden Vergleichsgaskanalsysteme 6 und 7, kung auf die Vergleichsgasströmung aufheben,
insbesondere die Austrittsspalte 11 bis 14, sind so 40 Zu dem durch die Erfindung erzielbaren Vorteil bemessen, daß nach dem Abgleich von Mitteln zur sollen zunächst einige Angaben über ein Versuchs-Einstellung des Strömungswiderstandes in Gestalt von gerät mitgeteilt werden, die die Leistungsfähigkeit Schraubkörpern 15 das aus den Öffnungen der Ka- des neuen Meßgerätes erkennen lassen,
pillaren S austretende Vergleichsgas auf seinem Weg Bei dem Versuchsgerät betrug die Feldstärke in über die Magnetspalte 11 und 12 bzw. die Spalte 13 45 den Magnetspalten 11 und 12 mit den Abmessungen und 14 gleiche Strömungswiderstände zu überwin- 10 X10 X1 mm etwa 19 000 Oe. Pro Minute traten den hat. aus den vier Kapillaren 5 je 5 cm³ Vergleichsgas aus,

Damit sind die aus den Kapillaren 5 austretenden d. h., insgesamt strömten 20 cm^s/min Vergleichsgas

Vergleichsgasmengen untereinander gleich. Wenn die in den durch 1 fließenden Meßgasstrom, der auf etwa

Sauerstoffgehalte oder, genauer gesagt, die Volumen- 50 300 cm^s/min eingestellt war. Die Widerstände 16

suszeptibilitäten von Meßgas und Vergleichsgas die und 17 bestanden aus Nickeldraht und wurden mit

gleichen Größen besitzen, tritt keine Querströmung Hilfe einer elektrischen Leistung von 0,5 W auf eine

im Mittelschenkel, also auch keine abkühlende Wir- Übertemperatur von 100° C gebracht,

kung auf in ihnen angeordneten elektrischen Wider- Bei einer Differenz des Sauerstoffgehaltes zwischen

ständen 16 und 17 auf. 55 Meß- und Vergleichsgas von 1% O₂ entstand in der

Ist jedoch beispielsweise der Sauerstoffgehalt des Brückendiagonalen eine Spannung von rund 20 mV.

im Kanal 1 fließenden Meßgases höher als derjenige Mit einem Kompensationsschreiber, der einen Meß-

des in den Kanalsystemen 6 und 7 fließenden Ver- bereich von 0 bis 2 mV besaß, konnten noch Unter-

gleichsgases, so bewirkt der infolge der Suszeptibili- schiede von 0,001% O₂ sicher gemessen werden,

tätsdifferenz an den Spalten 11 und 12 entstehende 60 Dabei ließen sich die Strömungswiderstände mit

magnetische Druck eine Störung der StrÖmungs- Hilfe der Schraubkörper 15 so einstellen, daß der

Verteilung in dem Sinne, daß weniger Vergleichsgas Nullpunkt in weiten Grenzen unabhängig von der

aus den Magnetspalten 11 und 12 und mehr Ver- Größe der Meß- und Vergleichsgasströmung bleibt,

gleichsgas aus den Spalten 13 und 14 in den Meß- Die Anzeige der Sauerstoffdifferenz war allerdings

gasstrom austritt. Es fließt daher ein entsprechender 65 strömungsabhängig, und zwar machte sich bei kleiner

Teil des aus den beiden magnetwarts gelegenen Ka- Vergleichsgasströmung der Einfluß der Diffusion des

pillaren 5 austretenden Vergleichsgases über die Meßgases in die Vergleichsgas-Kanalsysteme, bei

elektrischen Widerstände 16 und 17. Diese Strömung starker Vergleichsgasströmung der Einfluß von

Mischeffekten bemerkbar. Da jedoch diese Einflüsse gegenläufig wirken, ließen sich optimale, im beschriebenen Fall etwa die oben angegebenen Durchflußbedingungen einstellen, so daß bei einer Änderung der Meß- und Vergleichsgasströmungen von ±10°/o diejenige der Anzeige weniger als 1 % betrug. Dabei handelt es sich um Bedingungen, die sich ohne wesentlichen zusätzlichen meßtechnischen Aufwand erfüllen ließen.

Ein besonderer Vorteil der Anordnung ist neben der hohen Meßempfindlichkeit, die das obige Beispiel zeigt, die Unabhängigkeit der Meßergebnisse von nichtmagnetischen Eigenschaften des Meßgases, wie Wärmeleitvermögen, spezifische Wärme und Viskosität, da diese Eigenschaften nur beim Vergleichsgas in die Messung eingehen. Verwendet man z.B. als Vergleichsgas Stickstoff und besteht das Meßgas im wesentlichen aus einem N₂-CO₂-Gemisch, so mißt man beim Übergang von N₂ zu O₂ eine Nullpunktsverschiebung, die dem Unterschied der ao diamagnetischen Suszeptibilität der beiden Gase entspricht.

Andererseits ist es möglich, auch die Abhängigkeit der Messung von den nichtmagnetischen Eigenschaften des Vergleichsgases in nützlicher Weise zu verwenden. Will man z. B. geringe Sauerstoffgehalte in Abgasen messen, so kann man mit Vorteil das Vergleichsgas CO₂ statt N₂ verwenden, mit dem infolge seiner höheren spezifischen Wärme und seiner geringeren Viskosität und Wärmeleitung eine um den Faktor 1,7 gesteigerte Meßempfindlichkeit erreicht wird.

Im ganzen wird durch das erfindungsgemäße Meßgerät eine genaue und störungsfreie Messung von Unterschieden des Sauerstoffgehaltes von Gasen möglich, die einen sehr breiten technischen und wissenschaftlichen Anwendungsbereich erschließt. Bei zahlreichen Problemen ist die dabei erforderliche Verwendung eines Vergleichsgases überhaupt kein Erschwernis der Messung, da nur Veränderungen des O₂-Gehaltes ein und desselben Gases, z. B. die der atmosphärischen Luft, gemessen werden müssen. Das gilt beispielsweise für die Untersuchung von Oxydationen oder von biologischen Vorgängen bei der Assimilation oder Atmung.

Claims

Patentansprüche:

1. Meßgerät zur Anzeige der Differenz des Sauerstoffgehaltes zweier Gase, von denen eines als Meßgas und das andere als Vergleichsgas dient, beruhend auf der Messung der zwischen zwei Gasen unterschiedlicher magnetischer Suszeptibilität in einem homogenen Magnetfeld auftretenden Strömung mit Hilfe einer sich außerhalb des Magnetfeldes befindenden, aus elektrischen Widerständen bestehenden, als thermischer Gasströmungsmesser ausgebildeten, vorzugsweise symmetrischen Wheatstoneschen Brücke, die der Strömung des Vergleichsgases ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden dem Vergleichsgas ausgesetzten Widerstände (16, 17) des thermischen Gasströmungsmessers je in einem von zwei untereinander gleichen Vergleichsgaskanalsystemen (6, 7) untergebracht sind, die spiegelbildlich zur Achse eines Meßgas führenden Kanals (1) angeordnet sind.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Vergleichsgaskanalsystem (6, 7) drei im wesentlichen parallele, jeweils an ihrem einen Ende durch einen Verbindungskanal untereinander verbundene Einzelkanäle aufweist, die sämtlich mit ihren anderen Enden (11, 12,13, 14) in den Meßgas führenden Kanal (1) münden, wobei die Mündungen (13, 14) der beiden äußeren Einzelkanäle außerhalb des Magnetfeldes liegen und Mittel (15) zur Einstellung des Strömungswiderstandes der äußeren Einzelkanäle vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 620/522 9.6SQ Bundesdruckerei Berlin