DE1281722B

DE1281722B - Geraet zur Messung der Konzentration brennbarer Gase und Daempfe

Info

Publication number: DE1281722B
Application number: DEA48448A
Authority: DE
Inventors: Hans Peter Neubert
Original assignee: Auergesellschaft GmbH
Current assignee: Auergesellschaft GmbH
Priority date: 1965-02-19
Filing date: 1965-02-19
Publication date: 1968-10-31
Also published as: GB1129128A; US3497323A; NL6602089A; BE676696A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIn

Deutsche Kl.: 421-4/08

Nummer: 1281722

Aktenzeichen: P 12 81 722.0-52 (A 48448)

Anmeldetag: 19. Februar 1965

Auslegetag: 31. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Unterdrückung des durch unvollständige Oxydation bedingten Anzeigerückganges bei hohen Konzentrationen bei einem Gerät zur Anzeige der Konzentration eines in Luft enthaltenen oxydierbaren Gases, beruhend auf der Messung der bei der Oxydation auftretenden Wärmetönung mittels einer Wheatstoneschen Brücke.

Das in einem bisher üblichen Methanometer angewendete Meßprinzip basiert auf der Ausnutzung der bei einer katalytischen Verbrennung auftretenden Wärmetönung an einer elektrisch vorgeheizten Detektorwendel. Die Messung erfolgt indirekt über die Messung der Änderung des elektrischen Widerstandes der Detektorwendel in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung (s. Fig. 1). Die Detektorwendel (eine Wendel mit katalytisch wirkenden Eigenschaften) ist mit D bezeichnet. K ist eine sogenannte Kompensationswendel, die in ihren elektrischen Werten etwa der Detektorwendel entspricht. Sie ist ebenfalls der Gasprobe ausgesetzt, so daß alle Einflüsse auf die Detektorwendel (z. B. derjenige der Wärmeleitung) — außer dem der Wärmetönung — sich auch auf die Kompensationswendel auswirken und insofern nicht zu einer Verstimmung der Brücke und damit nicht zu einer Anzeige am Meßinstrument führen können.

Wenn man bei einem Gerät gemäß Fig. 1 die Konzentration von Methan in der zu messenden Probe variiert und die Anzeige des Meßinstruments über die Konzentration aufträgt, so erhält man eine Kurve, wie sie die F i g. 2 zeigt. Auf der Abszisse ist die Konzentration von CH₄ (Methan) in Luft aufgetragen, die von 0°/o (überhaupt kein Methan in der Probe) bis 100 %> (reines Methan als Probe) reicht. Die Ordinate weist den Zeigerausschlag des Meßinstruments in beliebigen Einheiten auf.

Der Kurve ist zu entnehmen, daß jedem am Meßinstrument angezeigten Wert zwei Konzentrationswerte zugeordnet sind (abgesehen von dem Wert, der zu dem Maximum der Kurve gehört). Die Anzeige ist also doppeldeutig; man kann, anders ausgedrückt, nicht sagen, ob bei einem angezeigten Wert »α« die Probe etwa 5% oder etwa 70% Methan enthält. Die Theorie läßt diese Doppeldeutigkeit auch erwarten: Eine durch Verbrennung auftretende Wärmetönung hängt naturgemäß nicht nur von der Konzentration des Methans, sondern auch von der Konzentration des Sauerstoffs ab. Je mehr Methan die Probe enthält, um so weniger Sauerstoff enthält sie demgemäß. In dem ersten Bereich, der in Fig. 2 vom Wert 0 bis zum Maximum der Kurve reicht, verbrennt

Gerät zur Messung der Konzentration brennbarer Gase und Dämpfe

Anmelder:

Auergesellschaft m. b. H.,

1000 Berlin 65, Friedrich-Krause-Ufer 24

Als Erfinder benannt:

Hans Peter Neubert, 1000 Berlin

sämtliches Methan, das die katalytisch aktive Wendeloberfläche erreicht, da in diesem Bereich ein stöchiometrischer Sauerstoffüberschuß vorliegt; bei Überschreiten des Methankonzentrationswertes, der zu diesem Maximum der Kurve gehört, reicht der Sauerstoffgehalt nicht mehr aus, um sämtliches Methan zu verbrennen. Die auftretende Wärmetönung muß demnach notgedrungen wieder geringer werden. Ist in der Probe nur noch Methan vorhanden, ist also die Konzentration des Methans 100%, so findet überhaupt keine Verbrennung mehr statt; die Wärmetönung und damit die Anzeige sind Null.

Die Doppeldeutigkeit, die oben erläutert wurde und die den bisherigen Geräten eigentümlich ist, konnte früher ohne weiteres in Kauf genommen werden, da die Geräte nur bei geringen Konzentrationen an brennbaren Bestandteilen in der Atmosphäre zum Einsatz kamen. Da, wie man inzwischen weiß, im Bergbau in gewissen Fällen auch hohe Konzentrationen auftreten, stellt die Doppeldeutigkeit einen gewissen Nachteil dar, denn die Bedienungsperson des Gerätes weiß nicht, ob sie sich in einer Atmosphäre mit niedrigem oder mit hohem Methangehalt befindet. (Die bisher bekannten Geräte der beschriebenen Art lassen zwar nicht eine Anzeige für alle Konzentrationen zu; die Skala des Meßinstruments reicht vielmehr nur bis zu einem Wert, der z. B. 2% Methangehalt bzw. nach Umschaltung des Meßbereichs 5 % Methangehalt entspricht. Liegt der Methangehalt oberhalb dieser Werte, so zeigt der Zeiger mit Ausnähme des erwähnten Bereichs der Doppeldeutigkeit bei hoher Konzentration an Brennbarem Vollausschlag an. Die Anzeige bei Vollausschlag ist an sich

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vieldeutig, da ihm unendlich viele Konzentrations- In F i g. 3 ist eine Meßkammer mit 5 bezeichnet, in werte zugeordnet sind; diese theoretische Vieldeutig- welche das zu messende Luft-Gas-Gemisch eingeleikeit spielt jedoch in der Praxis keine Rolle, da für die tet wird. In dieser befinden sich zwei Widerstände 6 Bedienungsperson Vollausschlag in jedem Falle »Ge- und 7 einer Wheatstoneschen Brücke 8, von denen fahr« bedeutet und es dann gleichgültig ist, ob der 5 der Widerstand 6 der Kompensationswiderstand und Methangehalt ζ. B. 20, 40 oder 60 % beträgt.) der Widerstand 7 der Detektorwiderstand ist. In dem Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die Diagonalzweig der Wheatstoneschen Brücke 8 liegt erwähnte Doppeldeutigkeit zu beseitigen, die Anzeige ein Anzeigeinstrument 9. Zwei Punkte 10 und 11 innerhalb des Meßbereichs also eindeutig zu machen. sind über einen Schalter 12 mit einer Stromquelle U_B Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch io verbindbar. Parallel zu der Brücke 8 liegen zwei weieinen dem Luft-Gas-Gemisch ausgesetzten, nicht in tere Widerstände 13, 14, von denen der Widerstand der Wheatstoneschen Brücke liegenden Widerstand, 13 der Probe ausgesetzt ist und der Widerstands dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von den sich in einem geschlossenen, mit Luft gefüllten Raum Wärmeleitungseigenschaften des Luft-Gas-Gemisches befindet. Der Widerstand 14 wird von einem Potenändert, und durch einen elektronischen Schalter, auf 15 tiometer 15 überbrückt, dessen Mittelabgriff mit der den eine der Widerstandsänderung des Widerstandes Basis 16 eines Schalttransistors (z. B. npn-Tranproportionale Strom- bzw. Spannungsänderung als sistors) 17 verbunden ist. Der Emitter 18 des Tran-Steuergröße einwirkt und der einen Strom oberhalb sistors 17 ist mit dem negativen Pol der Stromquelle einer Konzentration einschaltet, die höher als die U_B, und der Kollektor 19 des Transistors 17 über dem Meßbereich des Meßinstruments zugeordneten 20 einen Widerstand 20 mit dem negativen Pol 21 des Konzentrationen liegt, wobei dieser Strom das Meß- Anzeigeinstrumentes 9 verbunden, instrument beaufschlagt und dieses auf Vollausschlag Das Gerät funktioniert folgendermaßen: Ist die hält. Konzentration des Methans in der Kammer 5 Null, Die Erfindung macht sich also die Tatsache zu- befindet sich also überhaupt kein Methan in der nutze, daß sich der Widerstandswert eines der Probe 25 Probe, so zeigt bei eingeschaltetem Schalter 12 das ausgesetzten Widerstands mit der Konzentration des Anzeigeinstrument 9 Null an. Bei steigender Konzen-Brennbaren infolge der Wärmeleitung ändert. Bei tration der Probe verstimmt sich die Brücke 8, und Methan erniedrigt er sich, wenn die Methankonzen- das Instrument 9 zeigt entsprechende Werte an. Zutration zunimmt, weil Methan die Wärme besser leitet gleich wird der Widerstandswert des Widerstandes 13 als Luft. Andere Gase, die schlechtere Wärmeleiter 30 geringer, da Methan die Wärme des Widerstandes 13 als Luft sind, führen bei Konzentrationserhöhung zu besser abführt als Luft. Infolgedessen wird die Basis einer Widerstandserhöhung. Dieser von der Konzen- 16 des Transistors 17 positiver, was schließlich dazu tration abhängige Widerstandswert des Zusatzwider- führt, daß der Transistor 17 bei Konzentrationen Standes wird erfindungsgemäß als Steuergröße be- oberhalb des Meßbereichs stromführend wird. Der nutzt, um das am Meßinstrument anliegende Potential 35 negative Pol der Stromquelle U_B ist somit über den bei hohen Konzentrationen an Brennbarem nicht Transistor 17 und den Widerstand 20 mit dem negakleiner werden zu lassen als das Potential, das bei tiven Pol 21 des Anzeigeinstruments 9 verbunden, so Vollausschlag herrscht. Dann nämlich taucht die daß auch bei hohen Konzentrationen (bei denen ohne Kurve gemäß F i g. 2 nach Durchlaufen ihres Maxi- die dargestellte Schaltung der Zeigerausschlag wieder mums nicht wieder in den Anzeigebereich ein, son- 40 in den Meßbereich zurückgehen kann) ein Strom dem verläuft bis einschließlich 100% oberhalb des durch das Instrument 9 fließt. Der Kreis muß so ab-Wertes a, wenn α den Vollausschlag dokumentiert. geglichen sein, daß, bevor der Zeiger des Meßinstru-Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, wenn ein mentes wieder in den Meßbereich eintaucht, der Transistor vorgesehen ist, dessen Kollektorstrom Transistor schaltet und der Vollausschlag somit bis durch die Spannungsänderung an dem zusätzlichen 45 zur Konzentration von 100 °/o Methan erhalten bleibt. Widerstand gesteuert wird und über den ein Pol der Das Öffnen des Transistors 17 braucht nicht an Stromquelle mit einem Pol des Anzeigeinstruments einem definierten Konzentrationspunkt zu erfolgen, vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Wider- sondern kann in dem Bereich stattfinden, in dem sich Standes verbunden ist. Der auf die Wärmeleitungs- die Konzentrationskurve gemäß F i g. 2 oberhalb des eigenschaften der Probe ansprechende Zusatzwider- 5° Anzeigebereichs befindet.

stand kann über einen weiteren Widerstand, der nicht In Fig. 4 ist eine etwas andere Schaltung dargeder Probe ausgesetzt ist und sich vorzugsweise in stellt. Der wesentliche Unterschied gegenüber der einem geschlossenen gas-, z. B. luftgefüllten Raum Schaltung gemäß Fig. 3 besteht darin, daß zwei befindet, mit der Stromquelle verbunden sein, wobei Widerstände 23 und 24, die den Widerständen 13, 14 diese beiden Widerstände in Potentiometerschaltung 55 in der Schaltung gemäß F i g. 3 entsprechen, und von zur Steuerung des Kollektorstroms des Transistors denen der Widerstand 23 der Probe ausgesetzt ist, der dienen. Die beiden Widerstände können mit der Widerstand 24 sich aber in einem geschlossenen Luft-Wheatstoneschen Brücke entweder in Reihe oder raum befindet, nicht parallel zur Wheatstoneschen parallel zu dieser geschaltet sein. Vorzugsweise liegt Brücke 8, sondern in Reihe zu dieser liegen. Die parallel zu dem nicht der Probe ausgesetzten Wider- 60 Funktion der Schaltung ist im Prinzip die gleiche wie stand ein Potentiometer, dessen Mittelabgriff mit der bei der Schaltung nach Fig. 3. Basis eines Schalttransistors verbunden ist. Ist für die Schaltungen keine konstante Brücken-Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele spannung vorhanden, so kann mit bekannten elektrider Erfindung, mit denen eindeutige Messungen der sehen oder elektronischen Mitteln eine Stabilisierung Konzentration von brennbaren Gasen und Dämpfen 65 des Transistorschaltpunktes erreicht werden. Darüber möglich sind, deren Wärmeleitwert größer als der hinaus ist durch Anordnung mehrerer Transistor-Wärmeleitwert der begleitenden Atmosphäre ist, z. B. stufen ein besonders steiler Anstieg der Schaltcharakvon Methan in Luft. teristik zu erzielen.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Unterdrückung des durch unvollständige Oxydation bedingten Anzeigerückganges bei hohen Konzentrationen bei einem Gerät zur Anzeige der Konzentration eines in Luft enthaltenen oxydierbaren Gases, beruhend auf der Messung der bei der Oxydation auftretenden Wärmetönung mittels einer Wheatstoneschen Brücke, gekennzeichnetdurch einen dem Luft-Gas-Gemisch ausgesetzten, nicht in der Wheatstoneschen Brücke liegenden Widerstand (13 bzw. 23), dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von den Wärmeleitungseigenschaften des Luft-Gas-Gemisches ändert, und durch einen elektronischen Schalter (17), auf den eine der Widerstandsänderung des Widerstandes (13 bzw. 23) proportionale Strom- bzw. Spannungsänderung als Steuergröße einwirkt und der einen Strom oberhalb einer Konzentration einschaltet, die höher als die dem Meßbereich des Meßinstrumentes (9) zugeordneten Konzentrationen liegt, wobei dieser Strom das Meßinstrument (9) beaufschlagt und dieses auf Vollausschlag hält.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor (17) vorgesehen ist, dessen Kollektorstrom durch die Spannungsänderung an dem zusätzlichen Widerstand (13, 23) gesteuert wird und über den ein Pol der Stromquelle (Uß) mit einem Pol (21) des Anzeigeinstrumentes (9), vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Widerstands (20), verbunden ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Widerstand (13, 23) über einen weiteren Widerstand (14,24), der nicht der Probe ausgesetzt ist und sich vorzugsweise in einem geschlossenen gas-, z. B. luftgefüllten Raum befindet, mit der Stromquelle (U_B) verbunden ist und daß diese beiden Widerstände (13, 14; 23, 24) in Potentiometerschaltung zur Steuerung des Kollektorstroms des Transistors (17) dienen.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Widerstände (13, 14) parallel zur Wheatstoneschen Brücke (8) liegen.

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Widerstände (23, 24) in Reihe mit der Wheatstoneschen Brücke (8) liegen.

6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem nicht der Probe ausgesetzten Widerstand (14, 24) ein Potentiometer (15) liegt, dessen Mittelabgriff mit der Basis (16) eines Schalttransistors (17) verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen