DE2058633B2 - Anordnung zur bestimmung der konzentration eines paramagnetischen gases in einer gasmischung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases in einer Gasmischung, mit einem Dauermagneten, von dem zwei axial zueinander ausgerichtete Polstücke ausgehen, die zwischen sich einen Luftspalt bilden, sowie mit im Luftspalt angeordneten, geheizten, inneren und äußeren Widerständen, die über Anschlüsse mit einer äußeren Schaltung verbunden sind, und die bei Vorhandensein eines paramagnetischen Gases einen derart über die Widerstände hinwegstreichenden magnetischen Wind hervorrufen, daß von inneren Widerständen Wärme abgeführt und den äußeren Widerständen zugeführt wird, mit Hin- und Auslaßöffnungen für das zu analysierende Gas.

Eine solche Anordnung ist bekannt aus der US-PS 29 03 883. Bei dieser bekannten Anordnung sind sich konusförmig verjüngende Polstücke aufeinander zu gerichtet und bilden einen Luftspalt, in welchem die mit einer äußeren Schaltung verbundenen Widerstände angeordnet sind. Die Widerstände liegen dabei kreisförmigen Halteplatten auf, die mit den Polstückenden und die Polstücke umgebenden, einen Innenkonus aufweisenden Flanschen verbunden sind. Um das zu analysierende Gas in den Luftspalt zu leiten, weisen die Polstücke zentrale axiale Durchlässe auf, durch welche das frische Gas in den Luftspalt einströmt, sich in diesem verteilt und seitlich wieder ausfließt. Die bekannte Anordnung weist zwei verschiedene Widerstandssysteme auf; bei dem ersten System werden die in den Luftspalt mündenden Enden der axialen Durchlässe von spiralig um diesen herumlaufenden Widerstandselementen umgeben, so daß diese Art des Aufbaus vor Widerständen auch die axialen Durchlässe erforderlich macht. Das durch die axialen Durchlässe einströmende Gas verteilt sich im Luftspalt und strömt nach aller Seiten in einen die Polstücke außen umgebender Ringraum. Da das strömende Gas sich von der enger Begrenzung der axialen Durchlässe in dem gesamter Luftspalt nach allen Seiten ausbreiten kann, ergibt siel· eine merkliche Reduzierung sowohl der Strömungsge schwindigkeit als auch der verfügbaren Masse de: magnetischen Windes, so daß die spiralige Widerstands konfiguration im Luftspalt nur schwach beeinflußbar ist Es fehlt jede gerichtete Bewegung oder Bündelung dei magnetischen Windes; hinzu kommt dann noch dei erhebliche Reibungswiderstand, den das aus den Luftspalt in den Ringraum und aus diesem durch radiah Bohrungen in den Polstücken zu den axialen Durchlas sen rückfließende Gas erleidet. Herabgesetzt wird di< Einwirkung des ohnehin nur sehr schwachen magneti sehen Windes weiterhin durch die körperliche Verbin dung und Einlagerung der spiraligen Widerstände in eil den Polstücken zugeordnetes Material. Abgesehen voi der geringeren Empfindlichkeit bei der bekannte! Anordnung ergeben sich erhebliche Kosten auch für dii Bearbeitung der Polstücke und die Einarbeitung de verschiedenen Durchlässe für die Gasströmung, dii verhältnismäßig genau gearbeitet werden müsser damit Ungleichgewichte und entsprechende Nichtlinea ritäten. die sich aus unterschiedlichen Strömungsver

hältnissen ergeben, vermieden werden.

Bei dem anderen Widerstandssystem dieser bekannten Anordnung sind die Widerstände von geradlinig laufenden Drähten gebildet, die sich ausgehend von den Einmündungen der Durchlässe in den Luftspalt, auf gegenüberliegenden Seiten der Einmündungen erstrek- *_en. Dabei sind jeweils ein innerer und ein Süßerer Widerstand K a, parallel hintereinander längs einer einem Durchmesser parallelen Linie angeordnet. Bei einer solchen Ausbildung der Widerstände sind zusätzlich zu den bisherigen, die Gasströmung leitenden Kanäle, Durchlässe und Ringräume auch noch radiale Abteilungen im Luftspalt erforderlich, um den Gasfluß _zu regulieren, wobei auch hier das Gas durch die zentralen axialen Durchlässe in den Polstücken in den Luftspalt eintritt.

Wegen des nur sehr schwachen magnetischen Windes, der von einer solchen Anordnung entwickelt werden kann, muß, um eine einigermaßen akzeptable Empfindlichkeit zu erzielen, ein sehr starker Magnet verwendet werden. Auch die Durchbohrung der Polstücke im Bereich starker magnetischer Durchflutung ist nachteilig und führt zu einer inhomogenen Feldgestaltung. Über Art und Aufbau des bei dieser bekannten Anordnung verwendeten Magnetes fehlen weitere Angaben.

Bekannt ist weiterhin bei der US-PS 30 49 665 die Verwendung eines topfförmigen Permanentmagneten mit innenliegender, einen elektromagnetischen Fluß erzeugenden Wicklung mit Eisenkern, wobei die Arbeitsweise des aus dieser US-PS bekanntgewordenen Gasanalysators jedoch darin besteht, daß durch abwechselndes Einleiten des zu analysierenden Gases und eines Vergleichsgases in den Luftspalt dessen magnetischer Widerstand so beeinflußt wird, daß sich eine über eine andere Spule abtastbare Modulation ergibt, die ein Maß für das paramagnetische Verhalten des zu analysierenden Gases ist.

Ein weiterer Gasanalysator für paramagnetisches Gas läßt sich der US-PS 32 92 421 entnehmen, bei der eine Mehrkammer vorgesehen ist, in welche von oben Polstücke hineinragen, die mit einem halbkreisförmigen Ringmagnet verbunden sind; die Widerstandselemente sind bei diesem Gasanalysator parallel nebeneinander angeordnet. Das aus dieser Patentschrift bekannte System ist kompliziert und weist keine weiteren Berührungspunkte mit der Erfindung auf.

Aus der US-PS 34 35 662 ist ein weiterer, die Gegenwart eines paramagnetischen Gases abtastender Analysator bekannt, bei dem in einer Tesikammer durch Anordnung einer Vielzahl magnetischer Polstücke ein kreisförmig oder umfangsmäßig umlaufender Gasfluß erzeugt wird, wobei sich benachbarte Paare von einer Wheatstone-Brücke zugeordneten Widerständen radial in den Luftspalt erstrecken und durch den erzeugten magnetischen Wind eine unterschiedliche Abkühlung erfahren, die ausgewertet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen auf die Gegenwart eines paramagnetischen Gases ansprechenden Gasanalysator zu schaffen, der einen einfachen Aufbau aufweist, wirtschaftlich arbeitet und so klein ist, daß er gegebenenfalls in tragbaren Geräten eingesetzt werden kann und der trotzdem über eine, verglichen mit bekannten Geräten, beträchtlich höhere Empfindlichkeit verfügt. ^&5

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs als bekannt vorausgesetzten Anordnung und besteht erfindungsgemäß darin, daß der Dauermagnet als ein die gesamte Anordnung umgebender Hohlzylinder ausgebildet ist, an dessen Stirnflächen die Polstücke tragende Abschlußteile angeordnet sind, und daß jeweils ein innerer und äußerer Widerstand parallel nebeneinander auf jeder Seite des Luftspaltes angeordnet sind und sämtliche Widerstände auf einer einem Durchmesser des Luf'spaltes entsprechenden Linie liegen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist eines der jeweils von zylindrischen Büchsen umgebenden Polstücke zu der Wandung des Hohlzylinders im Abstand gehalten, so daß ein ringförmiger Hohlraum gebildet wird, der mit dem Luftspalt in Verbindung steht. Das diesem Polstück zugeordnete Abschlußteil weist dann an seinem unteren Ende die Einlaß- und Auslaßöffnungen für das zu analysierende Gas auf, während vom anderen Abschlußteil her und durch das zugeordnete Polstück und die dieses umgebende Büchse die Halteanordnungen, nämlich die Drähte für die Lagerung der Widerstände im Luftspalt geführt sind. In diesem Sinne sind keine engen, genau definierten Zuführungskanäle für das Gas vorgesehen, die einen Reibungseinfluß ausüben könnten. Das zu analysierende Gas umgibt das im Abstand zu dem umgebenden Hohlzylinder gehaltene Polstück mit Büchse an allen Seiten und dringt auch in den Luftspalt ein bzw. wird aufgrund seiner paramagnetischen Eigenschaft in diesen gezogen, wo es im Bereich der geheizten Widerstände erhitzt wird und daher einen Teil seiner paramagnetischen Eigenschaften verliert. Dadurch übt der Luftspalt auf dieses erhitzte Gas keine Haltewirkung mehr aus, so daß das Gas quer zu den Widerständen im Luftspalt von nachströmendem kühlerem Gas weggedrückt wird. Es ergibt sich dann eine Gasströmung bzw. ein magnetischer Wind in der Weise, daß dieser parallel zu den nebeneinander angeordneten Widerständen in den Luftspalt eindringt und in Querrichtung hierzu nach außen fließt.

Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung, daß der erzeugte magnetische Wind ohne Behinderung frei in den Luftspalt strömen kann und eine gebündelte Richtungswirkung erhält, die eine maximale Einwirkung auf die freistehenden Widerstandselemente ermöglicht. Die Magnetkraft kann ohne Schwächung auf die Gestaltung des magnetischen Windes einwirken, die Reibung des fließenden Gases an den umgebenden Wänden ist denkbar gering.

Weite Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht der Anordnung,

Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt entlang der Linie 11-11 der F ig. 1,

Fig. 3 ist ein Querschritt entlang der Linie Ill-Ill der Fig. 2,

Fig.4 zeigt ausschnittsweise einen Längsschnitt entlang der Linie IV-IV der F i g. 1,

F i g. 5 stellt ein elektrisches Schaltdiagramm dar.

Die Anordnung besteht aus einem hohlen zylindrischen Magneten mit einer Länge von mehreren Zentimetern, dessen Endteile mit einem Paar Abschlußteile 2 und 3 verkittet sind. Zentral zu diesen Abschlußteiien 2 und 3 erstrecken sich aufeinander zu runde Polteile 4 und 5, deren innere Enden voneinander im Abstand gehalten sind und so einen Luftspalt zwischen sich bilden. Die Polteile sind weiterhin nach

innen von der umgebenden Wand des magnetischen Hohlzylinders 1 im Abstand gehalten und verjüngen sich in ihren inneren Teilen zur Erzielung besserer Ergebnisse in Richtung auf das jeweils andere Polteil. Die Polteile bestehen aus Weicheisen oder einem äquivalenten Material. Das äußere Endstück des Polteiles 5 kann einstückig mit dem angrenzenden Abschiußteil ausgebildet sein, das andere Polstück erstreckt sich jedoch vorzugsweise durch eine ringförmige Öffnung in dem Abdeckteil 2 und ist an seinem äußeren Ende mit einem Flansch 6 versehen, welcher die äußere Oberfläche dieses Abschlußteiles 2 übergreift. In Position wird der Flansch von Schrauben 7 gehalten. Schließlich kann auch die innere Wand der öffnung in dem Abschlußteil mit einer ringförmigen Nut ausgestattet sein, in welcher ein Abdichtring 8 so montiert ist, daß er das innere Polteil festdichtend umfaßt.

Die sich verjüngenden Teilstücke jedes Polteiles sind von nichtmagnetischen Büchsen 10 umgeben, die eine äußere zylindrische Oberfläche aufweisen, die vorzugsweise mit dem zylindrischen Teil der Polstücke abschließt. Die Innenseiten der Büchsen verlaufen ebenfalls konisch und passen sich so den Polstücken an. Zwischen den Endteilen der beiden Büchsen und Polstücke befinden sich vier elektrische Widerstände 11 und 12, wie in Fig.3 dargestellt. Die Widerstände sind geheizt und entlang einer Linie im Abstand zueinander gehalten, wobei sich die Linie im wesentlichen diametral über den Hohlmagneten etwa in der Mitte zwischen den Polstücken erstreckt, d. h. entlang eines beliebigen Durchmessers des Luftspaltes. Jeweils ein Paar der Widerstände ist auf jeder Seite des Luftspaltes zwischen den Polstücken angeordnet und befindet sich dabei im Bereich zwischen den verdickten Endteilen der Büchsen 10. Die Widerstände können auf verschiedene Weise gelagert sein, werden jedoch vorzugsweise von ihren Anschlußdrähten 13 gehalten, die wiederum mit den inneren Endteilen von schweren steifen Drähten 14 verbunden sind, die sich aus dem Hohlzylinder nach außen erstrecken (siehe auch F i g. 4). Um die steifen Drähte anzubringen und zu halten, wird vorzugsweise das entfernbare Polstück 4 mit einer Mehrzahl von länglichen Durchlässen 15 versehen, vorzugsweise vier Stück, die gleichmäßig um die Achse des Polstückes verteilt sind. Die acht steifen Drähte erstrecken sich in Paaren durch diese öffnungen. Um die Drähte zu lagern und zu tragen und gleichzeitig die Durchlässe abzudichten und zu versiegeln, können abdichtende, vorzugsweise röhrenförmige Dichtungsteile 16, die die Drähte enthalten, in die Durchlässe eingepaßt und mit einem geeigneten Vergußmaterial 17 angefüllt werden. Die Drähte sind in den Röhren so angebracht, daß die Anschlußdrähte sämtlicher Widerstände in paralleler Beziehung zueinander verlaufen, wenn sie mit den vorspringenden inneren Endstücken der steifen Drahte verbunden sind. Weiterhin weisen die Widerstände einen keramischen Überzug auf, um jeden katalytischen Effekt zu vermeiden.

Die Gesamtanordnung ist an geeigneten Stellen mit einem Einlaß und einem Auslaß für eine gasförmige Mischung ausgestattet, welche analysiert werden soll. Vorzugsweise befinden sich der Einlaß 20 und der Auslaß 21 in dem Abdeckteil 3. Weiterhin kann es erwünscht sein, die Größe des zwischen Buchsen und Polslückcn einerseits und Hohlzylinder andererseits gebildeten Raumes innerhalb des Magneten und die sich daraus ergebende Ausspülzeit für das Gas zu verringern, zu diesem Zweck kann ein aus nichtmagnetischem Material bestehender Ring vorgesehen sein, der das entfernbare Polstück 4 und seine Büchse umgibt, um den Raum zwischen diesen und dem umgebenden Magneten auszufüllen.

Zum Betrieb werden die äußeren Enden der steifen Drähte in Form einer elektrischen Schaltung miteinander verbunden in der Art, daß sie eine in der Fig.5 dargestellte Wheatstone-Brücke bilden. Die beiden inneren Widerstände 11 befinden sich in entgegengesetzten Armen der Brückenschaltung, während die äußeren Elemente 12 in den beiden anderen Armen angeordnet sind. Durch eine Batterie 25 in der Schaltung werden die Elemente auf eine hohe Temperatur aufgeheizt. Ein Meßinstrument 26 ist weiterhin mit der Schaltung verbunden und wird mittels eines Potentiometers 27 auf Null einreguliert, wenn sich kein paramagnetisches Gas in dem Analysator befindet. Das zu analysierende Gasgemisch wird mit einer sehr geringen Durchflußgeschwindigkeit, beispielsweise mit etwa 14 1 pro Stunde in die Eingangsöffnung der Anordnung eingeführt. Das Meßinstrument zeigt keinen Ausschlag, solange sich kein paramagnetisches Gas in der Mischung befindet; befindet sich jedoch ein paramagnetisches Gas in der Mischung, dann wird dieses in der Gegend des Luftspaltes, wie schon erwähnt, von den Widerständen erhitzt, wodurch seine magnetische Suszeptibilität verringert wird. Dadurch wird ein magnetischer Wind hervorgerufen, weil das angrenzende kühlere Gas magnetisch in den Luftspalt gezogen wird und das wärmere Gas verdrängt. Der magnetische Wind bewegt die Gasmischung in den Luftspalt von entgegengesetzten Richtungen aus über Wege, die zwischen den beiden Widerstandspaaren liegen. Abgeführt wird die Gasmischung von dem magnetischen Wind aus dem Luftspalt ebenfalls in entgegengesetzten Richtungen quer über die Widerstände, wodurch von den innen gelegenen Widerständen Wärme entfernt bzw. mitgenommen und auf die beiden äußeren Widerstände übertragen wird. Die to Flußgeschwindigkeit ist proportional zu der Konzentration des paramagnetisch Gases in der Gasmischung innerhalb der Kammer. Durch das Abkühlen der inneren Widerstände und das Überhitzen der äußeren wird die Brücke aus dem Gleichgewicht gebracht. Die Temperaturdifferenz ist dem Betrag der Gasströmung proportional und damit auch der Konzentration des paramagnetischen Gases, welches diese Gasströmung hervorruft; es ergibt sich somit letztlich an dem Anzeigeinstrument 26 ein Maß für die Konzentration des paramagnetischen Gases in der Gasmischung.

Im vorhergehenden wurde darauf abgestellt, dau nui eine »Linie« von Widerständen vorgesehen ist, ei versteht sich jedoch, daß, falls gewünscht, weite" ähnliche Linien solcher Widerstände auf verschiedener « Durchmessern des Magnetes über den Luftspalt verteil sein können.

Die Büchsen 10 an den sich verjüngenden Polteilei weisen größere innere Endflächen auf, auf denei Widerstände angebracht werden können. Ohne diesi ho Büchsen würde die Wärmeabführung der Innerei Widerstände 11 größer als die Wärmeabführung de äußeren Widerstände 12 sein. . ,

Aufgrund der kleinen verwendeten Widerstand kann die gesamte Anordnung sehr klein und transpoMJ b^r> bei bzw. tragbar gehalten werden. Weiterhin kann Oi Temperatur der Widerstände, verglichen nut de Temperaturen, die bei bis jetzt bekannten •^S;!ll(TsUl! messern verwendet wurden, sehr hoch gehalten wen ι

Diese hohe Temperatur und die geringen Abmessungen der Widerstände bewirken einen sehr scharfen Temperaturgradienten, wodurch die Meßgenauigkeit und Wirksamkeit des Analysators bzw. Fühlers entscheidend verbessert wird. Weiterhin macht die hohe Temperatur der Widerstände die Anordnung insgesamt weniger von Schwankungen der Umgebungstemperatur abhängig, da solche Schwankungen relativ klein im Vergleich mit der Temperatur der Heizelemente sind.

Da die Widerstände sehr klein sind, ist auch die elektrische Verlustleistung im Inneren der Gesamtanordnung so gering, daß ihre Temperatur von dieser Verlustleistung nicht wesentlich beeinflußt wird. Das wiederum befreit den Analysator von den üblicher Aufwärmzeiten und macht ihn für den Betrieb in Forrr eines batteriegespeisten tragbaren Anzeigegeräte! geeignet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. fatenianspriiche:

   I Anordnung zur Bestimmung der Konzentration «rillen pararnaKfietisdieri Gases in einer Gasmisdiiing, (nil einem Dauermagneten, von denn zwei axial zueinander ausgerichtete Polstücke ausgehen, die /wischen sich einen Luftspalt bilden, sowie mit im Luftspalt angeordneten, geheizten, inneren und äußeren Widerstünden, die über Anschlüsse mit einer alitieren Schaltung verbunden sind, und die bei Vorhandensein eines paraina^netischen (jases einen derail über die Widerstände hinwegstreichenden magnetischen Wind hervorrufen, dab von inneren Widerstanden Wärme abgeführt und den äußeren Widerstünden zugeführt wird, mit IJn- und Auslaßftlfnungen für das zu analysierende Cias, dadurch K c k e η η ζ e i c Ii η e 1, daß der Dauermagnet als ein die gesamte Anordnung umgebenden Hohlzylindcr (I) ausgebildet ist. an dessen Stirnflächen die Polstück!- (4, 5) tragende Abschlußteile (2, 3) angeordnet sind, und daß jeweils ein innerer und äußerer Widerstand (I J, 12) parallel nebeneinander auf jeder Seite ties Luftspaltes angeordnet sind und siimiliche Widerstünde (II, 12) auf einer einem Durchmesser des Luftspaltes entsprechenden Linie liegen.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, cliili die Widerstände (11, 12) lediglich von ihren Aiischlußdrilhten (13) gelragen sind, die ihrerseits wieder mit den linden von sich durch das -⁵⁰ Innere des I lohl/.ylinders (1) erstreckenden steifen Drähten (14) verbunden sind.
3. i. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die sich in Richtung' aufeinander zu verjüngenden l'olslücke von einer zylindrischen Büchse umgeben und zur Wand des umgebenden Hohlzylinders im Abstand gehallen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine der uns Polstück (4) und Büchse (10) gebildeten l'.inheilen zur Auffüllung des Raumes bis zur Wand des I lohlzylitulers (1) von einem nichtmagnetischen, *° ringförmigen Füllteil (22) umgeben ist.
4. •1, Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Polstücke (4, 5) umgebende Büchse (10) eine zylindrische Außenfläche aufweist.
5. 5, Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Drähte (14) sich durch längliche Durchlässe (15) in einem der Polstücke (4) iTstrceken und durch das zugeordnete Abschlußteil (2) nach außen geführt sind und daß die liinlaß- (20) und die Auslaßöffnung (21) für das zu analysierende Gas in dem anderen Abschlußteil (3) angeordnet sind.
6. ti. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Durchlässen (15) für die festen Drahte (14) Dichtt.ngsieile (16) angeordnet sind, innerhalb welcher die festen Drahte verlaufen.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsteile (16) röhrenförmig ausgebildet und mit einer geeigneten Vergußmasse (17) ungefüllt sind.

   S. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (15) des Polstückes (4) sich in der zugeordneten Büchse (10) bis zur l-Yrcichunj; dt-s zwischen den Polstücken eebildcten luftspalt* fortsetzen. ^

   >V Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß eines der AbschluUteile [I) mit einer zentralen Öffnung versehen ist. in welcher der äußere Endteil eines der Polstücke (4) eingepaßt ist, und daß dieser Endteil mit einem, die äußere Oberfläche des Abschlußteils (2) übergreifenden Flansch (6) versehen ist.