DE1926510A1

DE1926510A1 - Vorrichtung zur Analyse von Gasen auf Komponenten mit paramagnetischer Suszeptibilitaet

Info

Publication number: DE1926510A1
Application number: DE19691926510
Authority: DE
Inventors: Eckhard Aidam; Ralph Kanneberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-05-23
Filing date: 1969-05-23
Publication date: 1971-04-01
Also published as: FR2048630A5; BE750830A; DE1926510B2; LU60958A1; JPS4910280B1

Description

Vorrichtung zur Analyse von Gasen auf Komponenten mit paramagnetischer Suszeptibilität

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse von Gasen auf Komponenten rait paramagnetischer Suszeptibilität unter Beseitigung eines pneumatischen Störpegels mit einem Magnetkreis wechselnder Flußstärke, mit einer im Luftspalt eines den Magnetkreis erzeugenden Joches angeordneten !.Ießkammer mit Zuleitungen und einer Ableitung für Meß- und Vergleichsgase und einem Strömungsmeßfühler in einer Verbindungsleitung zwischen zwei Zuleitungen für das Vergleichsgas.

Die Messung der paramagnetischen Suszeptibilität erfolgt grundsätzlich derart, daß ein Magnetfeld mit paramagnetischem Gas, z. B. Sauerstoff, erfüllt ist, wobei im inhomogenen Teil des Magnetfeldes Kräfte in Richtung höherer Feldstärke auf das paramagnetische Gas wirken. Man erhält einen maximalen Druck, der proportional der Volumensuszeptibilität und dem Quadrat der maximalen Magnetfeldstärke (der Magnetfeidstärke im homogenen Feld) ist. Im Bereich des homogenen Magnetfeldes ist dieser maximale Druck konstant und "baut sich im inhomogenen I.Iagnetfeld auf bzw. bis auf Null ab. Wird über einen Kanal nichtparamagnetisches Gas (Vergleichsgas, z. B. Stickstoff) in das homogene Magnetfeld geleitet und befindet sich im restlichen Llagnetfeldbereich paramagnetisches Gas (Meßgas, z. B. ein Sauerstoff enthaltendes Gas)j so wirkt dem nichtparamagnetischen Gas der volle vom paramagnetischen Anteil des lleßgases aufgebaute Druck entgegen. Dieser Druck kann in der Vergleichsgaszuleitung gemessen werden. Enthält das Vergleichsgas in dieser Lei-

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tung ebenfalls einen Sauerstoffanteil, so wird ein Druck entsprechend der Differenz der Sauerstoffgehalte beider Gase gemessen. Allgemeingültig viird auf diese Weise die Differenz der Voluinensuszeptibilitäten "beiüer Gase gemessen.

Daß zur Messung der paramagnetischen Suszeptibilität der Druck, der sich aus der Differenz der Sauerstoffgehalte von UeB-- und Vergleichsgas in einen Magnetfeld aufbaut, als Messung dient, ist bekannt. Bei einen derartigen Gerät, das ebenfalls mit der Messung des magnetischen Drukkes arbeitet, der von der Differenz der Sauerstoffgehalte zwischen Meß- und Vergleichsgas bestimmt wird, wird jedoch außerhalb des Magnetfeldes eine von magnetischen Druck abhängige Gasströmung mit einen thermischen Strömungsmesser genessen. Der Strömungsmesser befindet sich in.einem Strömungskanal, der zwei Vergleichsgasleitungen verbindet. Die Vergleichsgaszuleitung wird in zwei Teilströme aufgespalten, von denen der eine durch einen Luftspalt eines Permanentmagneten hindurch in das Ileßgas eintritt und der andere im feldfreien Raun in Meßgas mündet. Zur Konpensation von Auftriebseffekten befindet sich eine zweite Strömungssonde in einem mit Hilfe von Kapillaren parallel zu den Verbindung s-

" kanal angeschlossenen, in sich geschlossenen, ebenfalls Vergleichsgas führenden Strömungsweg. Die Strömungsmesser bestehen aus elektrischen Widerständen, die in Zweigen einer Wheatston'sehen Brücke liegen.

Nachteilig für den praktischen Einsatz dieses Gerätes ist, daß die zu kompensierenden Auftriebswirkungen bei lieigung des Gerätes nicht nur von der thermischen Wirkung am Strömungsmesser, sondern auch von der Restgaszusammensetzung des CU-haltigen Meßgases abhängen. Daraus resultiert ein komplizierter Abgleichvorgang, der für jeden Anwendungsfall gesondert durchgeführt werden muS. Für Ilehrkomponen-

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tengemische dürfte schließlich nur eine geringe Neigung zulässig sein.

Auch bei einer weiteren an anderer Stelle bereits beschriebenen Vorrichtung sind die Grenzen der Empfindlichkeit der paramagnetischen Gase messenden Vorrichtung vorwiegend durch einen pneumatischen Störpegel gegeben. Die Vorrichtung arbeitet nach den Prinzip der Techseldruckmessung und hat eine extrem geringe Anzeigeverzögerung (0,1 see), so daß besonders hohe Anforderungen an die Störpegelunterdrückung gestellt werden. Bei ihr sind die Pole des das wechselnde IJagnetfeld erzeugenden Joches derart über Teilen der lleßkamner und einer in die Ileßkanmer mündenden Öffnung, sowie Teilen einer ersten Zuleitung für Vergleichsgas angeordnet, daß die Ilisciizone für I.Ießgas und aus der Öffnung der ersten Zuleitung austretendes Vergleichsgas in homogenen Ilagnetfeldbereich liegt. Die erste Zuleitung ist über eine einzige eine Strünungsneßvorrichtung enthaltende Verbindungsleitung mit einer zweiten, zu der Lleßkammer führenden Zuleitung für das Vergleichsgas gasleitend verbunden. Die Strönungsmeßvorrichtung ist ein weitgehend zerstörungsfreier und verzögerungsfreier I'ikroströmungsfühler.

Störungen der Messung werden hervorgerufen durch Druckpulse in der Lleßkammer, die z. B. bei schnellen Änderungen der MeßgasStrömung auftreten. Sie übertragen sich zwar symmetrisch auf die vergleichsgasbeströnten Zuleitungen (Differenzdruckleitung) , erzeugen aber infolge der Dichtelinderung im Vergleichsgas störende Strömungseffekte, wenn der Strömungsmeßfühler nicht streng in Syimetriepunkt der Vergleichsgasleitungen angeordnet ist. Beiderseits des Strömungsfühlers entstehen zwei pneumatische Zeitglieder, die gleichen zeitlichen Verlauf haben müssen. Weiterhin werden durch turbulente Ileßgasströmungen in der lleßkammer un-

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symmetrische Druckiinpulse auf die Differenzdruckleitungen und somit wiederum auf den Ströraungsmeßfühler übertragen. Auch bilden die Differenzdruckleitungen nit der Verbindungsleitung über die Öffnungen zur l-'eßkarsmer einen geschlossenen Gaskreislauf, so daß bei Drehungen der Vorrichtung auf die eingeschlossene Gassäule Trägheitskräfte wirken, die von keiner Wandflache aufgefangen werden.und ebenfalls störende Strömungen im Strömungsmeßfühler erzeugen. Weiterhin ist das Anbringen von Strömungsgleichrichtern am Ausgang und Eingang einer Ließkammer zur Erzeugung einer laminaren Strömung innerhalb der Meßkammer begrenzt von der Strömungsgeschwindigkeit der die Meßkammer durchströmenden Gase. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist turbulenzfreie Führung dieser Gase auch bei besten Strömungsgleichrichtern nicht mehr gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist diese Nachteile nicht auf. Sie ist gekennzeichnet durch eine nur mittels geometrischer Formgebung eine laminare Strömung für Meß- und Vergleichsgas erzeugende Meßkammer, durch eine gekreuzte Leitungsführung der den Strömungsmeßfühler enthaltenden Verbindungsleitung und durch eine Anordnung des Strömungsmeßfühlers im Symmetriepunkt der Zuleitungen für das Vergleichsgas und der Verbindungsleitung. Das einseitig im Gaskreislauf von Differenzdruckleitungen und Verbindungsleitung liegende im Verhältnis zum Volumen dieser Zuleitungen große Meßkaramervolumen erzeugt keine wesentliche Erhöhung des erschütterungsabhängigen Störpegels. Durch eine geeignet lange Einlaufstrecke von der Meßgaszuführung zur Meßgasableitung der Meßkammer ist in der zur Messung dienenden Magnetzone immer ein laminares Strömungsprofil im Meßgas, zumindest an der Einmündungsstelle der Vergleichsgase in die Ließkammer, zu erreichen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren 1 und 2 in folgenden näher erläutert.

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Figur 1 stellt einen Block M dar, der aus nichtmagnetischem Metall, z. B. Aluminium, oder aus Kunststoff hergestellt sein kann. Innerhalb dieses Blockes M sind alle Gasleitungen, die Meßkammer MK, Drosseln D 1 und D 2 in den Vergleichsgaszuleitungen -V 1 und V 2, welche über eine gemeinsame Zuleitung Z mit Vergleichsgas beaufschlagt sind, angeordnet. In der Zuleitung Z ist eine Blende B eingebaut, mit der sich die erforderliche geringe Strömungsgeschwindigkeit des Vergleichsgases V in den Vergleichsgaszuleitungen V 1 und V 2 einstellt. Hinter den Drosseln D und D 2 sind die Vergleichsgaszuleitungen V 1. und V 2 als Differenzdruckkanäle DP 1 und DP 2 ausgebildet, die in die Meßkamraer MK münden. Beide Differenzdruckkanäle DP 1 und DP 2 sind über eine Verbindungsleitung VL, die ebenfalls vollständig innerhalb de? Blockes M liegt, miteinander verbunden. Diese Verbindungsleitung VL ist gekreuzt geführt und im Symmetriopunkt A der Verbindungsleitung VL und der Differenzdruckleitungen DP 1 und DP 2 ist der Ströciungsmeßfühler SM angebracht. Es können auch mehrere Strömungsfühler in pneumatischer Parallelschaltung und elektrischer Reihenschaltung eingesetzt werden.

Wird der Block M in Drehbewegungen versetzt, z. B. um seinen Schwerpunkt, so würde sich bei einer nicht gekreuzten Verbindungsleitung VL eine auf das Gas innerhalb der Ver-' bindungeleitung VL wirkende Trägheitskraft bemerkbar machen. Diese Trägheitskraft würde das Gas innerhalb der Verbindungsleitung VL bewegen, so daß der Strömmgemeßfühler SM eine nicht auf den Meßeffekt in der Meßkammer MK beruhende Strömung nachweisen würde. Durch die gekreuzte Führung der Verbindungsleitung VL entsteht aber bei einer Drehbewegung des Blockes M in den beiden Teilen der Verbindungsleitung VL vom Strömungsmeßfühler SM zu den Differenzdruckleitungen DP 1 und DP 2 eine sich aufhebende gegenläufige Bewegung der Gasmengen. Ss ist aber auch möglich, die Verbindungsleitung VL derart auszubilden, daß sie aus zwei nebeneinander

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liegenden, an einem Ende miteinander verbundenen Teilleitungen "besteht. An den der Verbindungsstelle gegenüberliegenden Ende einer der Teilleitungen nuß dann der StrÖnungsmeßfühler StI angeordnet werden.

Der geschlossene Gaskreislauf von Verbindungsleitung VL, durch die Differenzdruckleitungen DP 1 und DP 2 und die Meßkammer MK wird durch das einseitig liegende große Meßkammervolumen etwas gestört. Praktische Messungen haben jedoch ergeben, daß die Vorrichtung dennoch, eine Verringerung des erschütterungsabhängigen Störpegels von mindestens 70 i* aufweist. Durch die Anbringung des Strömungsmeßfühlers SM in Syraraetriepunkt der Differenzdruekleitungen DP 1 und DP 2 und der Verbindungsleitung VL können sich die von Druckpulsen in der lleßkammer IiK verursachten Dichteänderungen in der Verbindungsleitung VL nicht mehr ,als störende Ströiaungsänderungen inr Strömungemeßfühler SM auswirken.

Der Strömungsmeßfühler SM selbst besteht aus zwei nahe beieinander liegenden, elektrisch beheizten Gittern G 1 und G 2. Beide Gitter G 1 und G 2 bilden wiederum veränderliche elektrische Widerstände einer Brückenschaltung (nicht näher dargestellt). Bei. Beströmung der Gitter G 1 bzw. G 2 von einer Seite werden beide Gitter G 1 und G 2 unterschiedlich thermisch beeinflußt. Darauf beruht eine elektrische Widerstandsänderung der beiden Gitter G 1 und G 2, so daß die Brückenverstimmung ein Maß für die Strömung in der Verbindungsleitung VL ist.

In zwei Ausnehmungen N 1 und N 2 des Blockes II sind oberhalb der Meßkammer MK und der Differenzdruekleitung DP 1 die Pole N und S eines MagnetJoches J angeordnet, das mittels einer an es angelegten Wechselspannung innerhalb des von ihm überdeckten Teiles der Meßkamraer VX und der Differenzdruckleitung DP 1 ein Magnetfeld wechselnder Ilagnetfeldstärke erzeugt. Die &f4Äf|| ^PVh^^S^ ^{S des} ^S^etJoches J PA 9/522/109 ■ BAD ORIGINAL ^? "

sind von der Meßkammer MK und der Differenzdruckleitung DP 1 über eine schmale Metall- bzw. Kunststoffwandung getrennt. Weiterhin sind die beiden Teile des LIagnetJoches J derart angeordnet, daß die durch das Y.^r _echselmagnetfeld bedingte Kontraktion, d. h. Veränderung des Abstandes zwischen den beiden Teilen Ii und S des MagnetJoches J, sich nicht nachteilig auf das Meßkammervolumcn und das Volumen der Differenzdruckleitung DP 1 auswirkt.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch den Block Π im Bereich der Meßkammer MK und der Differenzdruckleitungen DP 1 und DP 2. Die Meßkammer MK besteht aus einer langgestreckten Kammer in Form eines Quaders mit einer Längs νοη<-^100 an, Die Höhe (r* 1 mm) der Meßkammer LIK ist dabei gering. Die Breite ist abhängig von der Größe des Magnetjoches J und strömungstechnischen Bedingungen. Am einen linde der Ueßkammer LIK strömt über eine Meßgas zuleitung LIG Ileßgas LIA in die Meßkammer MK ein. Weiterhin münden, ungefähr in der Mitte der Längsausdehnung der Meßkammer LIK, die beiden Differenzdruckleitungen DP 1 und DP 2 für das Vergleichsgas V in sie ein. Das Vergleichsgas V und das Lleßgas UA, welchen durch die Meßgas zuleitung ICG in die Lleßkammer IiK einströmt, strömen gemeinsam über die Gaeableitung GA ab, die am der Meßgaszuleitung KG gegenüberliegenden Ende der lleßkammer HK angeordnet ist. Die Lage des Magnetjoches J über der Differenzdruckleitung DP 1 und der Meßkammer MK ist gestrichelt eingezeichnet. Das aus der Differenzdruckleitung DP in die Meßkammer MK einströmende Vergleichsgas V und das Meßgas MA mischen sich in dem Bereich der Lleßkammer MK, in dem das vom Magnetjoch J erzeugte Magnetfeld homogen ist, wodurch die Messung in weiten Grenzen von den Strömungsgeschwindigkeiten beider Gase unabhängig wird.

Zur Erhaltung eines turbulenaiTreien Raumes in der Meßkammer MK, zumindest im Bereich der Einmündung der Differenz-

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druckleitungen D? 1, DP 2 unterhalb der Pole N, S des Magnetjoches J, ist die Meßkamraer MK langgestreckt ausgebildet. Durch diese geometrische Formgebung wird innerhalb der Meßkamner LIK eine laminare Strömung erzeugt, die auch bei größtmöglichen vorkommenden Strömungsgeschwindigkeiten gewahrleistet ist. Dabei wird die Einlaufstrecke von der Meßgaszuführung MG bzw. von der Heßgasableitung GA bis zur Mischzone unterhalb der Pole Ή, S des Magnetjoches J derart bemessen, daß in jedem Fall ein laminares Strömungsprofil im Meßgas ΜΛ an den Einmündungssteilen des Vergleichsgases V durch die Differenzdrüokleitungen DP 1 und DP 2 in die Meßkammer MK erreicht ist.

3 Patentansprüche 2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Μ ./Vorrichtung zur Analyse von Gasen auf Komponenten nit paramagnetischer Suszeptibilität unter Beseitigung eines pneumatischen Störpegels nit einen Magnetkreis wechselnder Flußstärke, mit einer in luftspalt eines den Magnetkreis erzeugenden Joches angeordneten Meßkammer mit Zuleitungen und einer Ableitung für Meß- und Vergleichsgase und einem Strömungsneßfühler in einer Verbindungsleitung zwischen zwei Zuleitungen für das Vergleichsgas, gekennzeichnet durch eine nur mittels geometrischer Formgebung eine laminare Strömung für Meß- und Vergleichsgase (MA und V) erzeugende Meßkammer (MK), durch eine gekreuzte Leitungsführung der den Strömungsmeßfühler (SM) enthaltenden Verbindungsleitung (VL) und durch eine Anordnung des Strömungsmeßfühlers ·(SM) im Symnetriepunkt (A) der Zuleitungen (D? 1 und DP 2) für das Vergleichsgas (V) und der Verbindungsleitung (VL).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (MK) die Form eines Quaders großer Länge und geringer Höhe aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsfüher (SM) aus zwei elektrisch beheizten Gittern (G 1 und G 2) besteht, die nahe beieinander stehen und wärmegekoppelt sind und elektrische Widerstände in einer elektrischen ließschaltung bilden.

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