DE2058633C3 - 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 angeord neten, 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 hervor- rufen, daß von inneren Widerständen Wärme abgeführt und den äußeren Widerständen zugeführt wird, mit Ein- 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 Polstuckenden 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 Widerstandselenien ten umgeben, so daß diese Art des Aufbaus von Widerständen auch die axialer, Durcvjisse erforderlich macht. Das durch die axialen Durchlässe einströmende Gas verteilt sich im Luftspalt und strömt nach allen Seiten in einen die Polstücke außen umgebenden Ringraum. Da das strömende Gas sich von der engen Begrenzung der axialen Durchlässe in dem gesamten Luftspalt nach allen Seiten ausbreiten kann, ergibt sich eine merkliche Reduzierung sowohl der Strömungsgeschwindigkeit als auch der verfügbaren Masse des magnetischen Windes, so daß die spiralige Widerstandskonfiguration im Luftspalt nur schwach beeinflußbar ist. Es fehlt jede gerichtete Bewegung oder Bündelung des magnetischen Windes; hinzu kommt dann noch der erhebliche Reibungswiderstand, den das aus dem Luftspalt in den Ringraum und aus diesem durch radiale Bohrungen in den Polstücken zu den axialen Durchlässen rückfließende Gas erleidet. Herabgesetzt wird die Einwirkung des ohnehin nur sehr schwachen magnetischen Windes weiterhin durch die körperliche Verbin- dung und Einlagerung der spiralig^n Widerstände in ein den Polstücken zugeordnetes Material. Abgesehen von der geringeren Empfindlichkeit bei der bekannten Anordnung ergeben sich erhebliche Kosten auch für die Bearbeitung der Polstücke und die Einarbeitung der verschiedenen Durchlässe für die Gasströmung, die verhältnismäßig genau gearbeitet werden müssen, damit Ungleichgewichte und entsprechende Nichtlinearitäten, 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 erstrekken. Dabei sind jeweils ein innerer und ein äußerer Widerstand b,, as parallel hintereinander längs einer einem Durchmesser parallelen Linie angeordnet Bei einer solchen Ausbildung der Widerstände sind zusätzlich zu deu 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 is 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. Ober 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 -O 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 Testkammer durch Anordnung einer Vielzahl magnetischer Polstücke ein kreisförmig oder umfangsmäßig umlaufender Gasfluß erzeugt wird, wobei sich benachbarte Paare von einer Wheatstone-Briicke zugeordneten Widerständen radial in den Luftspalt erstrecken und durch den erzeugten magnetischen Wine? 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.

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 eiinem Durchmesser des Luftspaltes entsprechenden Unie 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 P'olstück 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 vorgehen, 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 Elehindemng 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 vergröße/ten Längsschnitt entlang der Linie .'i-Hder Fig. 1,

F i g. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2,

Fig.4 zeigt ausschnittsweise einen Längsschnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 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 Abschlußteilen 2 und 3 erstrecken sich aufeinander zu runde Polteile 4 und ^ 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 Hohlzylipders 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 Polteiies 5 kann einstückig mit dem angrenzenden Abschlußteil 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 auBere 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 F i g. 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 Pclstücken 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 <n den Röhren so angebracht, daß die Anschlußdrähte sämtlicher Widerstände in paralleler Beziehung zueinander verlaufen, wenn sie mit den vorspringenden inneren Endstücken der steifen Drähte 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 Polstücken 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 F i g. 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 i4i pro Stunde in die Eingangsoffnung 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 ι lagnetische 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 paramagnetischen 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, daß nur eine »Linie« von Widerständen vorgesehen ist, es versteht sich jedoch, daß, falls gewünscht, weitere ähnliche Linien solcher Widerstände auf verschiedenen Durchmessern des Magnete» über den Luftspalt verteilt sein können.

Die Büchsen 10 an den sich verjüngenden Polteilen weisen größere innere Endflächen auf, auf denen Widerstände angebracht werden können. Ohne diese Büchsen würde die Wärmeabführung der inneren Widerstände 11 größer als die Wärmeabführung der äußeren Widerstände 12 sein.

Aufgrund der kleinen verwendeten Widerstände kann die gesamte Anordnung sehr klein und transporta- bei bzw. tragbar gehalten werden. Weiterhin kann die Temperatur der Widerstände, verglichen mit den Temperaturen, die bei bis jetzt bekannten Sauerstoffmessern verwendet wurden, sehr hoch gehalten werden.

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 wi'-d. Weiterhin macht die hohe
Temperatur der Widerstände die Anordnung insgesamt
weniger von Schwankungen der Umgebungstemperatur
abhängig, da solche Schwankungen relativ klein im
Vergleich ""it 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 üblichen Aufwärm/eiten und macht ihn für den Betrieb in l'orm eines batteriegespeisten tragbaren Anzeigegerätes geeignet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. 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 Ein- und Auslaßöffnungen für das zu analysierende Gas, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet als ein die gesamte Anordnung umgebenden Hohlzylinder (1) ausgebildet ist, an dessen Stirnflächen die Polstücke (4, 5) tragende Abschlußteile (2, 3) angeordnet sind, und daß jeweils ein innerer und äußerer Widerstand (11,12) parallel nebeneinander auf jeder Seite des Luftspaltes angeordnet sind und sämtliche Widerstände (11, 12) auf einer einem Durchmesser des Luftspaltes entsprechenden Linie liegen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände («1,12) lediglich von ihren Anschlußdrähten (13) getragen sind, die ihrerseits wieder mit den Enden von sich durch das Innere des Hohlzylinders (1) erstreckenden steifen Drähten (14) verbunden sind.

3. Anordnur j nach Anspruch 1 oder 2, wobei die sich in Richtung aufeinander zu verjüngenden Polstücke von einer zylindrischen Buchse umgeben und zur Wand des umgebenden Hohlzylinders im Abstand gehalten sind, dadurch geicennzeichnet, daß eine der aus Polstück (4) und Büchse (10) gebildeten Einheiten zur Auffüllung des Raumes bis zur Wand des Hohlzylinders (1) von einem nichtmagnetischen, ringförmigen Füllteil (22) umgeben ist

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Polstücke (4, 5) umgebende Büchse (10) eine zylindrische Außenfläche aufweist.

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) erstrecken und durch das zugeordnete Abschlußteil (2) nach außen geführt sind und daß die Einlaß- (20) und die Auslaßöffnung (21) für das zu analysierende Gas in dem anderen Abschlußteil (3) angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Durchlässen (15) für die festen Drähte (14) Dichtungsteile (16) angeordnet sind, innerhalb welcher die festen Drähte verlaufen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsteile (16) röhrenförmig ausgebildet und mit einer geeigneten Vergußmasse (17) angefüllt sind.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (15) des Polstückes (4) sich in der zugeordneten Büchse (10) bis zur Erreichung des zwischen den Polstücken gebildeten Luftspalts fortsetzen.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Abschlußteile (2) 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