DE1498778C - Vorrichtung zur Messung des Gehaltes an paramagnetischen Gasen in Gasgemischen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Gehaltes an paramagnetischen Gasen in Gasgemischen. Besondere Bedeutung hat eine solche Vorrichtung für die Messung des Sauerstoffgehaltes, da der Sauerstoff ein Gas ist, welches sich gegenüber fast allen anderen technischen Gasen durch besonders starken Paramagnetismus auszeichnet. Je nach dem Gehalt an paramagnetischen Gasen, also z.B. nach dem Sauerstoffgehalt der Gasmischungen ändert sich deren magnetische Suszeptibilität. Diese ist außerdem dem Druck und dem reziproken Wert der Temperatur proportional. Da man Temperatur und Druck in bekannter Weise bestimmen kann, läßt sich aus der Messung der magnetischen Suszeptibilität der Sauerstoffgehalt des Gases bestimmen.

Es ist eine Anordnung zur Messung des Gehaltes an paramagnetischen Gasen in Gasgemischen bekannt, bei der eine rohrförmige Meßkammer zwischen den Polen eines Magneten angeordnet und das Gasgemisch in der Meßkammer periodischen Druckänderungen unterworfen ist und die im Magnetkreis auftretenden Flußänderungen bestimmt werden. Die in den Beispielen angegebenen Druckänderungen erfolgen mit einer Frequenz von etwa 10 Hz. Als Wechseldruckgeneratoren sind periodisch bewegte Kolben oder Membranen, Gasfiußzerhacker und rotierende Exzenterscheiben aufgeführt. Die niedrige Frequenz der mit diesen Geräten erzielbaren Druckänderungen bringt für den Meßvorgang eine Reihe von Nachteilen mit sich. Für die Verstärkung der niederfrequenten Meßspannung sind aufwendige Spezialverstärker notwendig. Außerdem ist es unbedingt erforderlich, die Meßgeräte gegen niederfrequente Störfelder (50 Hz) völlig abzuschirmen, was große Schwierigkeiten bereitet. Des weiteren hat die niedrige Frequenz eine entsprechend große Ansprechzeit der Meßgeräte zur Folge. Bei größeren Strömungsgeschwindigkeiten des Meßgases ist dann eine kontinuierliche Überwachung des Sauerstoffgehaltes des Meßgases nicht möglich. Schließlich ist der mit den angegebenen Mitteln erreichbare Wechseldruck begrenzt.

Es wurde nun gefunden, daß die Nachteile der bekannten Anordnung weitgehend vermieden werden, wenn die rohrförmige Meßkammer an den Stirnseiten von den Abstrahlflächen elektromechanischer Schallsender begrenzt ist, die in der Meßkammer stehende Schallwellen derart erzeugen, daß ein Druckbauch zwischen den Magnetpolen im Gebiet des stärksten Magnetflusses liegt. Auf diesem Wege ist es mit relativ einfachen technischen Hilfsmitteln möglich, Druckschwankungen hoher Frequenz und Amplitude gerade im Bereiche der größten Feldstärke zu erzeugen und damit einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Unter elektromechanischen Schallsendern sind dabei Sender zu verstehen, die zwar elektrisch erregt werden, die Druckwirkung aber mechanisch auf das Gas übertragen. Andere bereits genutzte Schallsender, die vom Sauerstoffgehalt des Meßgases abhängige Druckänderungen erzeugen, sind für den vorliegenden Zweck nicht geeignet. Bei der Verwendung von Ultraschall ergeben sich insbesondere für die Meßkammer sehr kleine Abmessungen, woraus eine kurze Ansprechzeit resultiert. Mit der Vorrichtung nach der Erfindung läßt sich auch die Forderung, einen stetigen Gasaustausch in der Meßkammer durchzuführen, leicht ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer rohrförmigen Meßkammer, deren Durchmesser von beiden Enden aus symmetrisch zur Mitte hin abnimmt und bei der die offenen Enden durch zwei piezoelektrische Ultraschallgeber abgedeckt sind und das Gasgemisch an den Nahtstellen zwischen Meßkammer und Ultraschallgeber zu- bzw. abgeführt wird und die Ultraschallgeber so erregt werden, daß sich zwischen den Polschenkeln des magnetischen Kreises in der Meßkammer eine stehende Welle ausbildet. Zwischen der Wellenlänge ?. ίο des abgestrahlten Schalls und der Meßkammerlänge I besteht die Beziehung

wobei η eine ganze positive Zahl ist und zwischen den Ultraschallgebern eine Phasenverschiebung von φ = η ■ 180° herrscht. Für ungerade η liegt ein Druckbauch genau in der Mitte der Meßkammer.

An Hand der Abbildung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Ein Keramikrohr 1, das sich von den Enden symmetrisch zur Mitte hin stark verjüngt, umschließt eine Meßkammer. Ihre Länge I ist ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge λ des die Meßkammer durchsetzenden Ultraschalls. Auf die Enden des Keramikrohres sind Halter 2 und 3 für piezoelektrische Ultraschallgeber 4 und 5 aufgesetzt. Die Schallgeber bilden die Enden der Meßkammer und decken die Öffnungen vollkommen ab, ohne jedoch die Wandung des Keramikrohres 1 direkt zu berühren. Durch den verbleibenden Spalt strömt das Gasgemisch hindurch. Dieses wird durch eine Leitung 6 dem linken Halter 2 zugeleitet und durch eine Leitung 7 in dem rechten Halter 3 mittels einer Pumpe 8 abgesaugt. Der Schallgeber 4 ist in einem Schneidenring 9 gelagert, der sich an einer Kehle 10 im Halter 2 abstützt. Durch die an der aufschraubbaren Halterückwand 11 isoliert befestigten Kontaktfedern 12, die an dem Schallgeber anliegen, wird der Schneidenring gegen die Kehle 10 gedrückt. Der Schallgeber 5 ist auf der anderen Seite entsprechend gelagert.

Die Umgebung des kleinsten Querschnittes der Meßkammer 1 liegt zwischen den Polschuhen eines Dauermagneten 13. Zwischen den Polschuhen und

der Meßkammer liegen für die Erzeugung der Meßspannung Induktionsspulen 14. Die Induktionsspulen sind über einen Verstärker 16 an ein Anzeigeinstrument 17 angeschlossen.

Die piezoelektrischen Schallgeber werden mit einem 8,5-kV-Wechselspannungsgenerator 18 so betrieben, daß die Wellenlänge des abgestrahlten Schalles der Beziehung

genügt, dabei muß zwischen den beiden Schallgebern eine Phasenverschiebung bestehen, die bei einem Schallgeberabstand von (2n —1) halben Schallwellenlängen 180°, bei η Schallwellenlängen 0° beträgt. Das Magnetsystem muß so beschaffen bzw. angeordnet sein, daß ein Bauch der Druckschwankungen im Gebiet des stärksten Magnetflusses liegt. Für ungerade η entsteht ein Druckbauch genau in der Mitte der Meßkammer. Die Meßkammer befindet sich zusammen mit dem Magnetsystem in einem Thermostaten 15, mit dem sich die Temperatur als eine die Meßspannung beeinflussende Größe ausschalten läßt.

Während des Betriebes ist der Thermostat 15 auf eine feste Temperatur eingeregelt. Das dem linken Halter 2 über die Leitung 6 zugeführte Gasgemisch strömt durch den Spalt zwischen dem Ultraschallgeber 4 und dem Keramikrohr 1 in die Meßkammer hinein, verläßt sie durch den Spalt zwischen dem Keramikrohr 1 und dem Ultraschallgeber 5 und wird durch die Pumpe 8 über den Halter 3 und die Leitung 7 abgesaugt. In der Meßkammer wird das Gasgemisch von beiden Enden durch die piezoelektrisehen Schallgeber beschallt.

Änderungen in der Zusammensetzung des Gasgemisches beeinflussen die Geschwindigkeit des Schalles in dem Gasgemisch. Damit würde sich auch bei konstanter Frequenz der Schallgeber die Schallwellenlänge ändern und die Abstimmung der Meßkammer aus der Resonanz herauswandern. Dies kann man durch eine akustische Rückkopplung verhindern. Dazu ist an der engsten Stelle der Meßkammer ein piezoelektrischer Empfänger 19 vorgesehen, der über einen Phasenschieber 20 den Generator 18 steuert. Erregt man die Schallgeber so, daß das Produkt von Schallfrequenz und Schalldruckamplitude konstant bleibt, so sind die in der Spule 14 induzierten Wechselspannungen proportional dem Partialdruck des Sauerstoffs, wenn man die Suszeptibilität des Trägergases vernachlässigen kann. Die Änderungen der Meßspannung sind dann eindeutig auf eine Änderung des Sauerstoffanteils zurückzuführen.

Ist die Suszeptibilität des Trägergases nicht vernachlässigbar, so kann der Sauerstoffgehalt durch Anwendung der Additivitätsregel der Suszeptibilitäten ermittelt werden.

Claims (5)

Patentansprüche: OJ

1. Gerät zur Messung des Gehaltes an paramagnetischen Gasen in Gasgemischen, beruhend auf der Bestimmung der von periodischen Gasdruckänderungen ausgelösten magnetischen Flußänderungen, mit einer zwischen den Polen eines Magneten angeordneten, vom Gasgemisch durchströmten rohrförmigen Meßkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Meßkammer (1) an den Stirnseiten von den Abstrahlflächen elektromechanischer Schallsender (4, 5) begrenzt ist, die in der Meßkammer stehende Schallwellen derart erzeugen, daß ein Druckbauch zwischen den Magnetpolen im Gebiet des stärksten Magnetflusses liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallsender (4, 5) Ultraschallsender sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Meßkammer (1) von beiden Enden aus symmetrisch zur Mitte hin abnimmt und die Meßgaszu- und -abführung sich an den Nahtstellen zwischen Meßkammer und Schallsender befindet.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zwei die Meßkammer an ihren Enden abdeckenden Schallsendern, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallsender derart erregbar sind, daß zwischen der Wellenlänge λ des abgestrahlten Schalles und der Meßkammerlänge / die Beziehung

I = η ■ —

besteht, wobei η eine ganze positive Zahl ist, und zwischen den Ultraschallgebern eine Phasenverschiebung von φ = η-180° herrscht.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammerwandung der Meßkammer (1) im Gebiet der maximalen Druckschwankung ein elektroakustischer Empfänger (19) eingebaut und dieser über einen Phasenschieber (20) mit dem Schallgenerator (18) elektrisch verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen