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Bezeichnung: Meßgerät zum quantitativen Nachweis eines
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reaktiven Gases, insbesondere Ozon Die Erfindung bezieht sich auf
ein Meßgerät zum quantitativen Nachweis eines reaktiven Gases, insbesondere Ozon,
mit einer Meßkammer, in der ein die Reaktion auslösender Stoff, insbesondere ein
Katalysator und ein die Reaktionswärme erfassender Temperaturfühler angeordnet sind,
sowie auf ein mit diesem Meßgerät durchführbares Meßverfahren.
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Viele reaktive Gase, wie insbesondere Ozon; haben nur eine kurze Halbwertzeit,
bis sie unter Wärmeaufnahme oder -abgabe in ihre Bestandteile zerfallen. Aus diesem
Grund ist man bestrebt, das erzeugte Ozon in möglichst kurzer Zeitspanne nach der
Erzeugung für die gewünschte Reaktion einzusetzen, um möglichst wenig Ozon durch
andere7 unerwünschte Reaktionen, insbesondere durch Zerfall, vor der eigentlichen
Reaktion zu verlieren. Eine zeitweise Aufbewahrung des erzeugten Ozons ist zwar
möglich, jedoch mit hohem Aufwand verbunden, z.B.
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Stabilisierung durch starke Basen oder Einleiten in kaltes Freon.
Man ist daher stets bestrebt, momentan nur so viel Ozon zu erzeugen, wie tatsächlich
für die gewünschte Reaktion, z.B. Entkeimen von Wasser, Desinfektion in Brauhäusern
usw.
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benötigt wird.
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Die bekannten Meßgeräte zur Bestimmung des Ozongehalts in Luft oder
anderen Medien nutzen die Zerfallswärme von Ozon aus, als endotherme Verbindung
hat Ozon große Neigung, unter Bildung von Sauerstoff zu zerfallen, wobei pro zwei
Mol drei Mol Sauerstoff gebildet und 68 Kcal erzeugt werden. Die Reaktion wird dabei
durch einen Katalysator ausgelöst, dessen Temperatur direkt, z.B. mittels eines
Thermoelements, oder indirekt, z.B. mittels eines IR-Detektors ermittelt wird. Dabei
hat jedoch der Katalysator selbst eine sehr große Wärmekapazität, wodurch die Anzeige
der bekannten Meßgeräte sehr träge ist. Dies aber widerspricht der Forderung nach
einer möglichst schnellen Erfassung der momentan erzeugten Ozonmenge. Zudem wird
bei den
bekannten Meßgeräten relativ viel Ozon für die Messung verbraucht.
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Weiterhin ist ihre Anzeige abhängig von der Gastemperatur, also insbesondere
der Lufttemperatur bei einem Ozon-Luftgemisch. Da aber bei der Ozonerzeugung häufig
so viel Wärme anfällt, daß das austretende Ozon-Luftgemisch gekühlt werden muß,
ist eine konstante Gastemperatur praktisch nur bei zeitlich konstant bleibender
Ozonerzeugung zu erreichen. Schließlich erweist sich die Eichung der bekannten Meßzellen
als schwierig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Meßgeräte
zu vermeiden und ein Meßgerät zu schaffen, das eine rasche und präzise, quantitative
Messung ermöglicht und das einfach aufgebaut ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Meßkammer zwei voneinander
thermisch getrennte, möglichst gleichartig aufgebaute Temperaturfühler angeordnet
sind, und daß nur dem einen der beiden Temperaturfühler ein Katalysator zugeordnet
ist.
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Beide Temperatur fühler werden von dem zu messenden Gas-Luftgemisch
umströmt und erfassen die Temperatur dieses Gemischs.
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Zusätzlich hat einer1 und nur einer, der beiden Temperaturfühler einen
Katalysator, der einen Zerfall von Ozon zu Sauerstoff auslöst. Die dabei frei werdende
Wärmeenergie (Reaktionswärme) wird von dem zugehörigen Temperaturfühler erfaßt.
Die Meßsignale der beiden Temperaturfühler werden miteinander verglichen, insbesondere
einem Differentialverstärker zugeführt, die Differenz ergibt den Ozongehalt. Diese
Differenz ist unabhängig von der Gastemperatur, da der andere Temperaturfühler als
Referenz dient. Damit aber wird die Eichung des erfindungsgemäßen Meßgeräts sehr
einfach, weil die Umgebungstemperatur eliminiert ist.
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Die Temperaturfühler können sehr klein ausgebildet sein, so daß sie
eine äußerst geringe thermische Masse haben. Dadurch wird eine sehr rasche Anzeige
erreicht. Insbesondere können die
Temperaturfühler als Thermoelemente
oder als kleine, als Widerstand dienende Halbleiterstückchen ausgebildet sein, wobei
der Katalysator zweckmäßigerweise direkt auf jeweils einen derartigen Temperaturfühler
aufgebracht ist, z.B. als kleiner Platinschwammfleck.
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Obwohl die beiden Temperaturfühler des erfindungsgemäßen Meßgerätes
auch hintereinander, in ausreichendem Abstand in einer Rohrleitung angeordnet sein
können, die von dem zu messenden Ozon-Luftgemisch durchströmt wird, wobei der bei
dem Katalysator ausgerüstete Temperaturfühler stromabwärts angeordnet ist, wird
es vorgezogen, den zu messenden Gasstrom in zwei1 gleich große Teilströme aufzuteilen
und in jedem der beiden Teilströme einen Temperaturfühler anzuordnen. Hierzu wird
vorgeschlagen, die Meßkammer durch eine thermisch isolierende Trennwand in zwei
parallel geschaltete Einzelkammern zu unterteilen und jeweils einen Temperaturfühler
in einer Einzelkammer anzuordnen. Durch die thermisch isolierende Trennwand wird
eine Wechselwirkung zwischen den beiden Temperaturfühlern unterdrückt. Die beschriebene
Anordnung ermöglicht eine, für eine Differenzmessung erforderliche, exakte Symmetrie
hinsichtlich der beiden Teilströme und der beiden Einzelkammern.
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Um diese Symmetrie zu erreichen, sind auch die beiden Temperaturfühler
jedes Meßgerätes möglichst gleichartig aufgebaut, der Katalysator ist so klein gehalten,
daß er zur Wärmekapazität des Temperaturfühlers praktisch nichts beiträgt oder ist
vom Temperaturfühler getrennt.
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Das erfindungsgemäße Meßgerät eignet sich insbesondere für rasch steuerbare
Ozonerzeugungsanlagen, z.B. den aus der DE-OS 30 43 176 bekannten Ozonisator. Bei
diesem ist - im Gegensatz zu bekannten Ozonerzeugungsanlagen - die Ozonerzeugung
praktisch trägheitslos in weiten Bereichen veränderbar.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Meßgerätes läßt sich also insofern
Energie einsparen, als mittels dieses Meßgerätes eine Ozonerzeugungsanlage trägheitslos
auf den momentanen Bedarf eingeregelt werden kann.
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Die Ausbildung der Temperaturfühler und der Einzelkammern ist grundsätzlich
beliebig, vorteilhaft ist aber eine thermische Isolierung jeder Einzelkammer, um
Störeinflüsse von außen abzuschirmen. Dadurch wiederum können die Temperaturfühler
vorteilhafterweise sehr klein ausgebildet sein.
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Als Katalysatoren kommen neben Platinschwamm beispielsweise noch infrage:
Mangandioxid, Bleidioxid, Natronkalk. Anstelle von feinen Thermoelementen oder kleinen
Halbleiterwiderständen können beliebige andere Temperaturfühler verwendet werden,
beispielsweise IR-Meßzellen, pneumatische Detektoren usw.
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Bei der seriellen Anordnung zweier Temperaturfühler in einer Meßkammer
ist es zweckmäßig, am Ausgang der Meßkammer das gesamte, noch vorhandene Ozon zu
vernichten. Ebenso ist es bei den Meßgeräten mit zwei Einzelkammern zu empfehlen,
am Ausgang der als Meßkammer dienenden Einzelkammer einen großen Katalysator, einen
getränkten Wattebausch oder dergleichen zur Vernichtung des Restozons anzuordnen.
Diese Wärmequellen dürfen aber nicht auf die Temperaturfühler rückwirken können.
Dagegen kann der aus der als Referenzkammer dienenden Einzelkammer austretende Ozon-Luftstrom
weiterverwendet werden1 da seine Ozonkonzentration durch die Messung nicht verringert
wurde.
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Das erfindungsgemäße Meßgerät zeichnet sich dadurch aus, daß das Ausgangssignal
jedes einzelnen Temperaturfühlers wesentlich kleiner sein kann als bei dem Temperaturfühler
nach dem Stand der Technik, weil die elektrische Verstärkung wesentlich höher getrieben
werden kann. Dies ist durch die beschriebene Differenzschaltung möglich.
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Die Nachweisempfindlichkeit des erfindungsgemäen Meßgerätes kann dadurch
noch gesteigert werden, daß der eigentliche Temperaturfühler im Brennpunkt eines
konkaven Körpers angeordnet wird, der
insbesondere die Form einer
Kugelschale hat. Die Kugelschale der Referenz-Meßkammer ist ebenso wie die Kugel
schale der eigentlichen Meßkammer aus einem Material gefertigt, das keine Zerfallsreaktion
bei Ozon auslöst. Zusätzlich ist die Kugelschale der eigentlichen Meßkammer innen
mit einem Katalysator belegt, zum Beispiel ist dort Platinschwamm aufgebracht. Die
entstehende Wärmestrahlung konzentriert sich durch die kugelige Gestalt auf den
im Brennpunkt befindlichen Temperaturfühler, Insgesamt wird also Reaktionswärme
auf dem Temperaturfühler der eigentlichen Meßzelle konzentriert, dieser Temperaturfühler
weist zudem eine sehr geringe Masse auf 1 90 daß eine Anzeige relativ schnell ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher erläutert
und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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In dieser zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer teilweise
aufgeschnittenen Meßzelle eines erfindungsgemäßen Meßgerätes, Fig. 2 eine perspektivische
Seitenansicht, ebenfalls teilweise aufgeschnitten, einer Meßzelle mit Kugelschalen-Katalysator,
Fig. 3 eine perspektivische Draufsicht auf eine frontseitig offene Meßzelle mit
Halbleiter-Widerständen und Fig. 4 eine perspektivische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen
Meßgerätes mit einer Meßzelle, in der die beiden Temperaturfühler hintereinander
angeordnet sind.
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In den Figuren sind lediglich die für das Verständnis der Erfindung
notwendigen Teile des gattungsgemäßen Meßgerätes gezeigt, die weiteren Teile des
erfindungsgemäßen Meßgerätes entsprechen dem Stand der Technik, so sind z.B. bei
den Meßzellen eingangs- und ausgangsseitig Ringflansche zur Verschraubung der Meßzelle,
einlötbare oder einschweißbare Flansche oder dergleichen für die Verbindung mit
anderen Rohren vorgesehen.
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Die Meßzelle nach Fig. 1 wird außen durch ein Metallrohr 20 mschlossen,
das zugleich die hermetische Abdichtung der Meßzelle bewirkt. Es umschließt einen
ebenfalls zylindrischen Wärmeschutzmantel 21 aus einem gegenüber dem zu messenden
Gas beständigen Material, z.B. Steinwolle. Innen ist dieser Wärmeschutzmantel 21
durch eine rohrförmige Metallfolie 22 bedeckt, die eine Meßkammer 23 radial begrenzt.
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Erfindungsgemäß befinden sich in der Meßkammer 23 zwei Temperaturfühler
24, 25, die beide möglichst gleichartig aufgebaut sind.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind diese Temperatur fühler 24,
25 Thermoelemente, sie bestehen aus einem, ein Thermopaar bildenden Satz von zwei
Metalldrähten 26, 27, die in ihrem Verbindungspunkt eine Scheibe 28 tragen. Diese
bringt aufgrund ihrer Masse die gewünschte thermische Trägheit, entsprechend sind
ihre Abmessungen gewählt.
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Wie Fig. 1 zeigt, ist die Scheibe 28 des rechten Temperaturfühlers
25 - im Gegensatz zur Scheibe 28 des linken Temperaturfühlers 24 - mit einem Katalysator
29 belegt. Hierin besteht der einzige Unterschied zwischen den beiden Temperaturfühlern
24, 25. Der Katalysator 29 ist ein hauchdünner Film, der auf die Scheibe 28 des
rechten Temperaturfühlers 25 aufgebracht ist. Dadurch trägt er praktisch nicht zur
Wärmekapazität bei.
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Andererseits kann bei dickeren Katalysatorschichten oder -körpern
die Dicke der Scheibe 28 des rechten Temperatur fühlers 25 entsprechend verringert
werden.
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Die beiden Temperaturfühler 24, 25 sind durch eine mittige, auf einem
Durchmesser des Metallrohrs 20 liegende Trennwand 30 voneinander thermisch getrennt.
Diese Trennwand 30 ist für das erfindungsgemäße Meßgerät nicht notwendigerweise
erforderlich, verbessert aber dessen Meßeigenschaften. Zum einen verhindert sie,
daß die am Katalysator 29 des rechten Temperaturfühlers 25 entstehende Reaktionswärme
zum linken, als Referenz dienenden Temperatur fühler 24 gelangt und dadurch das
Meßergebnis verfälscht.
Zum anderen bewirkt sie eine Aufteilung
der Meßkammer 23 in zwei deckungsgleiche und gleichartig durchströmte Einzelkammern
31, 32, so daß eine Wechselwirkung zwischen den beiden Temperaturfühlern 24, 25
zusätzlich verringert und ein weitgehend symmetrischer, mechanischer Aufbau erreicht
wird, der sich in einem symmetrischen, elektrischen Aufbau widerspiegelt.
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Oberhalb der Trennwand 30 befindet sich eine Substanz 33, z.B.
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ein Katalysator der oben genannten, chemischen Zusammensetzung, der
eine vollständige Reaktion des reaktiven1 nachzuweisenden Gases ermöglicht. Dadurch
wird vermieden, daß reaktives Gas oberhalb der Meßzelle austreten kann. Die Substanz
33 ist so weit von den beiden Temperaturfühlern 24, 25 entfernt, daß die in der
Substanz 33 anfallende Reaktionswärme nicht auf die beiden Temperaturfühler 24,
25 zurückwirkt. Die Substanz 33 entfällt, wenn eine vollständige Reaktion des zu
messenden Gases nicht erwünscht oder nicht erforderlich ist.
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Das untere, in Strömungsrichtung vorn liegende Ende der Trennwand
30 ist zugespitzt. Beide Einzelkammern 31, 32 werden dadurch möglichst gleichartig
durchströmt. Der Gesamtstrom wird in zwei gleichgroße Teilströme aufgespalten. Die
Durchströmung ist anhand der Strömungspfeile erkenntlich.
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Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist bei der Meßzelle
nach Fig. 2 der Katalysator 29 vom eigentlichen Temperaturfühler 24, 25 getrennt.
Hierzu ist in beiden Einzelkammern 31, 32 jeweils eine Kugelschale 34 vorgesehen,
in deren Brennpunkt stich jeweils ein wiederum als Thermoelement ausgebildeter Temperaturfühler
24,bzw. 25 befindet. Die Kugelschale 34 der rechten Einzelkammer 32 ist auf ihrer
konkaven Innenfläche mit einem Katalysator 29 belegt.
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Diese Konstruktion ermöglicht erstens eine Verringerung der Wärmekapazität
der beiden Temperaturfühler 24, 25. Zweitens ergibt sie einen Sammellinseneffekt
aufgrund der besonderen
Ausbildung des Katalysators 29 auf einer
Kugelschale 34 und damit eine Vorverstärkung auf optischem Wege, was zu höheren
elektrischen Ausgangssignalen führt. Schließlich lassen sich drittens abgenutzte
Katalysatoren 29 besonders einfach austauschen.
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Während bei den Meßzellen nach den Figuren 1 und 2 praktisch der gesamte,
durch einen Einlaß 35 einströmende Gasstrom, in dem sich das reaktive Gas befindet,
zur Messung herangezogen wird, ist die Meßzelle nach Fig. 3 frontseitig offen, so
daß sie nur einen Teilstrom, beispielsweise den randseitigen Teilstrom, eines größeren
Stromes erfaßt, bzw. sogar in ruhenden Gasen, z.B. Gasen in Behältern, herangezogen
werden kann.
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Wiederum sind beide Einzelkammern 31, 32 möglichst gleichartig aufgebaut,
wodurch sich das symmetrische Aussehen ergibt.
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Ebenfalls ist eine Trennwand 30 mittig angeordnet. Seitlich schirmen
zwei Endwände 36, 37 unerwünschte Störeinflüsse ab.
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Darüber hinaus sind die Temperaturfühler 24, 25 im Gegensatz zu den
Thermoelementen der vorangegangenen Ausführungsbeispiele nunmehr als Halbleiter-Widerstände
ausgebildet. Aus Gründen der Einheitlichkeit ist wiederum der rechte Temperaturfühler
25 mit einem Katalysator 29 versehen, während der linke Temperaturfühler 24 keinen
Katalysator aufweist. Der Katalysator 29 ist als kreisrunder Platinschwammfleck
ausgebildet. Als Halbleiter eignen sich Silizium, Verbindungshalbleiter oder dergleichen.
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Ausgenutzt wird die starke Temperaturabhängigkeit des elektrischen
Widerstandes eines Halbleiters.
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In Fig. 4 ist ein vollständiges, erfindungsgemäßes Meßgerät gezeigt.
Die beiden Temperaturfühler 24, 25 sind in Serie angeordnet. Da sie wiederum als
Thermoelemente ausgebildet sind, muß zusätzlich noch die Polung beachtet werden,
bei der Serienschaltung sind zwei gleichnamige Pole, die Metalldrähte 27, miteinander
verbunden. Die Metalldrähte 26 werden jeweils den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers
38 zugeführt, dessen Ausgangssignal mittels eines Anzeigeelementes 39 angezeigt
wird.
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Befinden sich beide Temperaturfühler 24, 25 auf exakt dergleichen
Temperatur, so ist die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 38 gleich null.
Tritt an dem dem Katalysator 29 zugeordneten Temperaturfühler 25 eine Reaktionstemperatur
auf, so wird diese vom Anzeigeelement 39 angezeigt.
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Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen gemäß Figuren 1 bis 3 sind
die beiden Temperaturfühler 24, 25 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 hintereinander
angeordnet und befinden sich in derselben Meßkammer 23, die nicht in zwei Einzelkammern
unterteilt ist. Dadurch ergibt sich ein vereinfachter Aufbau gegenüber den anderen
Ausführungsbeispielen. Der in Strömungsrichtung hinten liegende (in Fig. 4 ist es
der obere) Temperaturfühler 25 trägt den Katalysator 29. Dadurch führt die Gasströmung
die entstehende Reaktionswärme von dem als Referenz dienenden, unteren Temperaturfühler
24 weg.
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Da der Nachweis des reaktiven Gases bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät
über die Reaktion dieses Gases erfolgt, ist der Anteil des reaktiven Gases hinter
dem den Katalysator 29 aufweisenden Temperaturfühler 25 kleiner als vor diesem Temperaturfühler
25.
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Der gemessene Teilstrom hat also einen zu niedrigen Anteil am gemessenen,
reaktiven Gas. Deshalb ist es zweckmäßig, eine Meßzelle entsprechend Fig. 1 oder
2 in einer Bypass-Leitung anzuordnen, durch die nur ein Teil des gesamten Gasstromes
strömt, in dem sich das reaktive Gas befindet. Dadurch sind die Meßverluste gering.
Zudem kann der Teilstrom, der durch die als Referenz dienende Einzelkammer 31 geströmt
ist, anschließend dem Hauptstrom wieder zugeführt werden1 da seine Konzentration
durch die Messung nicht geändert wurde.