DE3303122A1

DE3303122A1 - Vorrichtung zum messen des gehaltes von in geschmolzenem metall geloestem wasserstoff

Info

Publication number: DE3303122A1
Application number: DE19833303122
Authority: DE
Inventors: Masaya Imai; Susumu Inumaru; Sakae Kato; Shiro Sato; Shiro Terai; Masahiro Nagoya Aichi Yoshida
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1982-07-14
Filing date: 1983-01-31
Publication date: 1984-01-19
Also published as: DE3303122C2; GB2123957B; GB2123957A; JPS5912348A; GB8300562D0; JPH0237984B2

Description

Vorrichtung zum Messen des Gehaltes von in geschmolzenem Metall gelöstem Wasserstoff

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Gehaltes oder der Konzentration von in geschmolzenem Metall gelöstem Wasserstoff. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen einer Vorrichtung zur direkten Messung des Gehaltes von gelöstem Wasserstoff von flüssigen Metallen, und zwar vor allem von geschmolzenem Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

Es ist bekannt, daß Wasserstoff, der in geschmolzenem Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder anderen geschmolzenen Metallen gelöst ist, Hohlräume oder Poren verursacht, welche sich innerhalb eines Körpers oder einer Charge von derartigen geschmolzenen Metallen während deren Abbindeprozeß entwickeln. Derartige Poren verursachen verschiedenartige Nachteile oder Defekte der Endprodukte. Obgleich diese Defekte infolge der Poren nicht als ernsthaftes Problem betrachtet worden sind, wurde in den letzten Jahren vermehrt gefordert, daß eine sogenannte "Dehydrierung" durchgeführt wird, d. h., daß der in dem geschmolzenen Teil gelöste Wasserstoff als wichtige Stufe eines Metallgießverfahrens entfernt wurde. Eine derartige Forderung wurde verstärkt erhoben infolge einer verstärkten Nachfrage nach Produkten hoher Qualität, beispielsweise nach Bauplatten aus Aluminium mit Oberflächenbearbeitung wie Eloxieren. Beim Eloxieren derartiger Paneele verursachen feine "Blasen" auf der Oberfläche der Aluminiumplatten während des Heißpressens Defekte in Form von Narben oder Vertiefungen auf der endbearbeiteten Oberfläche der Paneele, wodurch die

Qualität der Endprodukte vermindert wird.

Im allgemeinen erfordert die Stufe der Dehydrierung einen beträchtlichen Zeitraum, aber wenn die Dehydrierung für einen längeren Zeitraum als erforderlich durchgeführt wird, führt das zu gesteigerten Herstellungskosten der Endprodukte. In Anbetracht dieser Tatsachen wurde es als herkömmliche Praxis erachtet und empfohlen, den Gehalt oder die Konzentration des in dem geschmolzenen Metall gelösten Wasserstoffs zu messen und die Messungen zu benutzen, um die Länge der Dehydrierung auf einem notwendigen Minimum zu halten.

Angesichts der vorstehend geschilderten Forderung nach einer Minimierung der Dehydrierungszeit und der damit verbundenen Forderung nach Reduzierung der Zeit, die zur Messung des Wasserstoffgehalts in dem geschmolzenen Metall nötig ist, ist vorgeschlagen worden, das sog. "Telegas"-Verfahren anzuwenden, in dem eine Messung durch eine Vorrichtung durchgeführt ist, wie sie aus der GB-PS 684 865 und der US-PS 2 861 450 bekannt ist. Auf die dortige Offenbarung wird ausdrücklich Bezug genommen.

Eine Vorrichtung zur Messung des Wasserstoffgasgehaltes, die in der Praxis in einem "Telegas"-Verfahren verwendet wird, nämlich eine "Telegas"-Vorrichtung, besteht aus einem System, das derart angewendet wird, daß Stickstoff oder ein anderes inertes Gas in Kontakt mit der Menge des geschmolzenen Metalls gebracht wird, indem das inerte Gas durch eine von zwei Bohrungen eines in das geschmolzene Metall eingetauchten Tauchkopfes zugeführt wird,.während das inerte Gas in dem geschmolzenen Metall durch die andere Bohrung gesammelt wird.

Das Gas zirkuliert dann durch eine Pumpe, einen Detek-

tor zur Messung des Wasserstoffgehalts, einem sog. Katharometer, und den Tauchkopf zurück, in das geschmolzene Metall. Diese Zirkulierung des inerten Gases wird wiederholt, bis der Druck des Wasserstoffgases, das von dem geschmolzenen Metall durch das inerte Gas aufgenommen worden ist, im Gleichgewicht ist mit dem Gehalt des Wasserstoffs, der in dem geschmolzenen Metall gelöst ist. Dann wird die Wärmeleitfähigkeit der Gasmischung, die das durch wiederholte Zirkulierung des inerten Gases aufgenommene und enthaltene Wasserstoffgas enthält, gemessen, indem die Veränderungen des elektri-

des sehen Widerstands eines Detektorelements/Hitzdrahttypus gemessen wird (elektrischer Widerstandsdraht), welches in einer von zwei Meßzellen angeordnet ist, die an dem vorstehend beschriebenen Detektor zur Messung des Wasserstoffgehaltes vorgesehen sind. In der Zwischenzeit wird die andere Meßzelle oder Vergleichszelle gleichmäßig mit einer Atmosphäre versorgt, deren Wärmeleitfähigkeit im wesentlichen gleich ist der des inerten Gases (Stickstoff bei dieser speziellen Ausführungsform), das in dieser einen Meßzelle strömt, wodurch der elektrische Widerstand des anderen Detektorelementes vom Hitzdrahttypus auf einem festen Wert gehalten wird, welcher als Vergleichswert verwendet wird, mit welchem der elektrische Widerstand des einen Detektorelementes durch eine elektrische Brückenschaltung verglichen wird. Genauer gesagt wird die Differenz zwischen den zwei Widerstandswerten verwendet, um Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit des inerten Gases entsprechend der Größe des Partialdruckes des Wasserstoffs in dem zirkulierenden inerten Gas, das das eine Detektorelement umgibt, zu erhalten. Mit anderen Worten, die elektrische Brückenschaltung verwendet die elektrischen Widerstandsdifferenzwerte, um einen ungleichgewichtxgen Strom zu erhalten, der die Größe des Gleichgewichtsdruckes des moleku-

-δι laren Wasserstoffes repräsentiert. Dieser ungleichgewichtige Strom wird in einen Wert für den Wasserstoffgasgehalt umgewandelt unter Bezugnahme auf eine Eichkurve/ welche eine Beziehung zwischen ungleichgewichtigen Stromwerten repräsentiert, welche entsprechend der Temperatur des geschmolzenen Metalls und der Werte des Wasserstoffgasgehaltes vorbestimmt ist. Der erhaltene Wert des Wasserstoffgasgehaltes wird mit einer Kompensationskonstanten multipliziert, welche in Abhängigkeit von spezifischen Metallen ausgewählt wird, um einen Zielwert des Gehaltes des Wasserstoffs, der in dem geschmolzenen Metall gelöst ist, zu erhalten.

Obgleich die vorstehende, herkömmliche Telegas-Vorrichtung geeignet ist zur direkten Messung des Gehaltes von Wasserstoff (Konzentration von Wasserstoffgas), der in dem geschmolzenen Metall gelöst ist, in einem kürzeren Zeitraum als mit anderen Verfahren, bei welchen die Konzentration des Wasserstoffgases gemessen wird durch Verwendung einer Probe des fraglichen-verfestigten Metalls, sind derartige Telegasvorrichtungen nicht völlig zufriedenstellend in ihrer Leistungsfähigkeit, was aus den nachstehend geschilderten Gründen hervorgeht.

Die bekannte Telegas-Vorrichtung verwendet einen Detektor zur Bestimmung des Wasserstoffgehaltes, dessen Meßzellen direkt in Bohrungen, die in einem Gehäuseblock aus Messing oder anderen ähnlichen Metallen ausgebildet sind,vorgesehen sind. Bei einem derartigen Aufbau ist ein beträchtlicher langer Zeitraum erforderlich, bevor ein thermisches Gleichgewicht zwischen zwei Detektorelementen des Hitzdrahttyps einer elektrischen Brükkenschaltung, dem Metallblock, der die Elemente aufnimmt, und der den Metallblock umgebenden Atmosphäre erreicht wird. Daraus ergibt sich, daß ein vergleichbar

langer Zeitraum erforderlich ist, bevor die Anzeige

eines mit der Brückenschaltung verbundenen Ampermeters stabilisiert ist, so daß der Wasserstoffgehalt in dem geschmolzenen Metall erhalten wird. 5

Die Telegas-Vorrichtung ist auch deshalb nachteilig, da Temperaturunterschiede der den Metallblock umgebenden Atmosphäre das thermische Gleichgewicht des Metallblocks mit den Detektorelementen des Hitzdrahttyps, die in dem Block aufgenommen sind, zerstört, wodurch graduelle Unterschiede beim Ablesen des Ampermeters, das mit der Brückenschaltung verbunden ist, verursacht werden. Dieses Phänomen erfordert nicht nur eine beträchtliche Zeitdauer, um zu gewährleisten, daß die Ampermeteranzeige auf einen beständigen Wert gebracht worden ist, sondern sie erfordert eine Rekalibrierung oder eine Nulleichung des Ampermeters jedesmal, wenn das thermische Gleichgewicht infolge der Temperaturunterschiede der Atmosphäre verloren gegangen ist.

Die vorstehende Erfindung wurde im Hinblick auf den vorstehend geschilderten Hintergrund gemacht. Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Messung des Wasserstoffgehaltes von geschmolzenen Metallen zu schaffen, welche eine kürzere Meßzeit, einen hohen Widerstand oder einen Schutz gegen Temperaturunterschiede der umgebenden Atmosphäre und damit verbundener minimaler Veränderung der Zeigeranzeige, und eine geringere Nacheichung der Meßvorrichtung gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung zur Messung des Gehaltes von in geschmolzenem Metall gelöstem Wasserstoff erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen in eine Charge des geschmolzenen Metalls einge-

tauchten Tauchkopf mit einer Einrichtung zum Inkontaktbringen eines inerten Gases mit dem geschmolzenen Metalldurch eine Zirkuliereinrichtung, die mit dem Tauchkopf verbunden ist und einen Gasdurchgang aufweist, der mit dem Tauchkopf zur Bildung eines geschlossenen Pfades zusammenwirkt, um das inerte Gas mehrere Male durch den Gasdurchgang zu und von dem Tauchkopf zu zirkulieren und

durch eine Erfassungseinrichtung (Detektoreinrichtung) ^2Ur Bestimmung des Wasserstoffgehalts des durch den Gasdurchgang strömenden inerten Gases, wobei die Detektoreinrichtung eine erste Meßzelle aufweist, welche mit dem Gasdurchgang verbunden ist und in welcher ein elektrischer Widerstandsdraht angeordnet ist, der dem zir-

IQ kulierenden, Wasserstoff enthaltenden inerten Gas ausgesetzt ist, und eine zweite Meßzelle, die mit einer Atmosphäre (einem Gas) gefüllt ist, deren thermische Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit) im wesentlichen gleich ist der des inerten Gases, und in welcher ein anderer elektrischer Widerstandsdraht angeordnet ist, und wobei die Detektoreinrichtung weiterhin eine Einrichtung aufweist, die einen Vakuumraum bestimmt, der jede der ersten und zweiten Meßzelle umgibt.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Anordnung eines ersten und eines zweiten Vakuumraumes oder einer Vakuumkammer, welche die entsprechenden Meßzellen, in denen elektrische Widerstandsdrähte, welche jeweils dem Wasserstoff enthaltenden inerten Gas und der Atmosphäre oder einem inerten Gas mit im wesentlichen gleicher Wärmeleitfähigkeit wie das den Wasserstoff enthaltende inerte Gas ausgesetzt sind, wirksam die thermische Kapazität der Zellen reduziert,sowie eine thermische Trennung der Zellen von der die Detektoreinrichtung umgebenden Atmosphäre erreicht, wodurch

die Meßzellen Temperaturveranderungen der umgebenden Atmosphäre nicht wesentlich unterworfen sind, wodurch innerhalb einer kurzen Zeit eine gleichmäßige Temperatur erreicht werden kann. Deshalb ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung praktisch keine Rekalibrierung oder Nulleichung der Meßvorrichtung erforderlich, wodurch eine beträchtliche Reduzierung der Meßzeit möglich ist, welche in einer verbesserten Leistungsfähigkeit und verringerten Herstellkosten des erhaltenen Produkts resultiert.

Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.

Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen des Gehaltes von in geschmolzenem Metall gelöstem Wasserstoff,

Fig. 2 einen Querschnitt durch wesentliche Teile einer Ausführungsform eines in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Detektors für den Wasserstoff gehalt,

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines exzentrischen

Spannungsausgangs (^), der sich in der Zeit verändert und der bei der Messung des Wasserstoffs in geschmolzenem Metall mit Hilfe des Detektors nach Fig. 2 erhalten wird,im Vergleich zu dem mit Hilfe einer herkömmlichen Telegas-Vorrich-

-12-tung erhaltenen und die

Fig. 4 und 5 Querschnitte wesentlicher Teile anderer Ausführungsformen von Wasserstoffgehaltdetektoren, die in der vorliegenden Vorrichtung Verwen

dung finden.

Damit die vorliegende Erfindung klarer verständlich wird, werden nachstehend einige Ausführungsformen im einzelnen beispielshaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen des Wasserstoffgehalts. Gezeigt ist eine Sonde mit Doppelbohrung (Tauchkopf) 2, welche innerhalb einer Charge geschmolzenen Metalls 4 wie beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eingetaucht ist. Die Sonde 2 mit Doppelbohrung weist eine erste Bohrung 6 auf, welche sich tief in die Charge geschmolzenen Metalls hineinerstreckt; eine Einfassung 8, die oberhalb des eingetauchten Endes der ersten Bohrung 6 angeordnet und ausgebildet ist zum Sammeln von Blasen von Stickstoff, Argon oder eines anderen inerten Gases, das aus der ersten Bohrung 6 ausgestoßen wird; eine zweite Bohrung 10, welche sich in den oberen Teil eines Raumes öffnet, der innerhalb der Einfassung 8 gebildet ist; und ein Trennfilter 11 aus einem Keramikmaterial, welches undurchlässig ist für das geschmolzene Metall und den oberen Teil des Raumes innerhalb der Einfassung 8 von dem unteren Teil dieser Einfassung abtrennt. Dieser Trennfilter 11 entfernt das geschmolzene Metall von den Blasen des inerten Gases, welche in die zweite Bohrung 10 eingeführt werden. Die Bohrungen 6 und 10 der Sonde 2 mit Doppelbohrung, welche über Rohre 12 bzw.

14 mit einer Membranpumpe 16 verbunden sind, wirken mit einer Zirkuliereinrichtung ", welche die Membranpumpe 16 und die Rohre 12 und 14 beinhaltet und mit dem geschmolzenen Metall 4 zusammen, um einen geschlossenen Pfad für den Zirkulierstrom des inerten Gases zu bilden.

Die Rohre 12 und 14 weisen Rückschlagventile 18 bzw. 20 auf, welche die Strömungsrichtung des inerten Gases in dem geschlossenen Pfad regeln, so daß das inerte Gas aus der ersten Bohrung 6 der Sonde 2 mit Doppelbohrung in das geschmolzene Metall 4 ausgestoßen wird. Das inerte Gas zirkuliert wiederholt in dieser Richtung durch den geschlossenen Pfad infolge der Betätigung der Membranpumpe 16, welche durch einen Antriebsmotor 22 angetrieben wird.

Während der Zirkulierung in dem geschlossenen Pfad erreicht das aus der ersten Bohrung 6 der Sonde 2 in das geschmolzene Metall 4 ausgestoßene inerte Gas die Einfassung 8 in Form von Blasen, welche durch da's geschmolzene Metall 4 strömen. Unterdessen diffundiert der in dem geschmolzene Metall 4 gelöste Wasserstoff in die vorstehend erwähnten Blasen während der wiederholten Zirkulierung des inerten Gases durch den geschlossenen Pfad,und der Partialdruck des Wasserstoffs, der in den Blasen des inerten Gases enthalten ist, steigt allmählich an, bis er schließlich im Gleichgewicht ist mit dem Gehalt des in dem geschmolzenen Metall 4 gelösten Wasserstoffs. Es ist hier zu bemerken, daß der Wasserstoff nicht in das inerte Gas diffundiert, wenn der Gleichgewichtsdruck einmal erreicht ist.

Da das inerte Gas, das das Wasserstoffgas enthält, eine ansteigende Wärmeleitfähigkeit aufweist, wenn das Was-

serstoffgas, das darin enthalten ist, zunimmt, wird die Größe der Wärmeleitfähigkeit des inerten Gases gemessen, wenn das Wasserstoffgas seinen Gleichgewichtsdruck erreicht hat. Die Messung erfolgt durch einen Detektor 24 zur Bestimmung des Wasserstoffgehaltes, der mit dem Rohr 14 verbunden ist.

Der Detektor 24 zur Bestimmung des Wasserstoffgehaltes, ein sogenannter Katharometer, welcher beispielshaft IQ in Fig. 2 gezeigt ist, besteht aus einem Gehäuseblock

26 aus Aluminium, Messing oder einem ähnlichen Material. In dem Gehäuseblock 26 ist ein Paar Detektorbereiche oder -einheiten 27 zur Messung der Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoff enthaltenden inerten Gases bzw. der At-

j^g mosphäre angeordnet. Jeder der Detektorbereiche 27 weist einen Zylinder 28 auf, der in dem Gehäuseblock 26 ausgebildet ist, und eine Meßzelle 30, welche in dem ^ Zylinder 28 angeordnet ist, wobei der Detektorbereich

27 als Doppelzylinderanordnung ausgebildet ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist jeder der Zylinder 28 gasdicht mit einem ersten zylindrischen Dichtteil 32 verschlossen. Das Teil 32 besteht aus wärmeisolierendem Material und weist eine öffnung auf. Jede der Meßzellen 30 weist einen zylindrischen Behälter 34 aus rostfreiem oder anderem metallischen Material auf. Der offene Endbereich des Behälters ist im unteren Abschnitt der öffnung des Dichtteils 32 eingesetzt und verklebt. Im oberen Abschnitt der öffnung des ersten

QQ Dichtteils 32 ist gasdicht ein zweites Dichtteil 36 ebenfalls aus wärmeisolierendem Material eingesetzt. Damit ist das in dem offenen Endbereich des Zylinders

28 befestigte erste Dichtteil 32 angepaßt, um eine Gasdiffusionskammer 38 innerhalb des Behälters 34 und eine Vakuumkammer außerhalb des Behälters 34 zu bilden.

Die Gasdiffusionskammer 38 des ersten Detektorbereichs 27 ist durch Durchgänge 42 (42a, 42b), welche innerhalb des ersten Dichtteils 32 ausgebildet sind, mit Rohren 14 (14a, 14b) verbunden, welche als Durchgang dienen, um einen Strom von Wasserstoff enthaltendem inerten Gas zu und aus der Kammer 38 zu leiten. Genauer gesagt wird das durch das Rohr 14a strömende inerte Gas durch den Durchgang 42a in den oberen Teil der Gasdiffusionskammer 38 zugeführt, während das inerte Gas innerhalb der Kammer 38 durch den Durchgang 42b in das andere Rohr 14b abgegeben wird. Andererseits wird die Gasdiffusionskammer 38 des anderen oder zweiten Detektorbereichs 27 durch Rohre 44 (44a, 44b) in Verbindung mit der Atmosphäre gehalten, so daß die zweite Zelle 30 mit Luft versorgt wird, deren Wärmeleitfähigkeit im wesentlichen gleich ist der des inerten Gases innerhalb der ersten Zelle.

Diese zwei Diffusionskammern 38, d. h. die Meßzellen 30.sind jede mit einem Detektorelement des Heißdrahttypus (elektrischer Widerstandsdraht) 46 aus Platin oder einem ähnlichen Material, welches sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändert, d.h. in ihrem elektrischen Widerstand, wenn die Wärmeleitfähigkeit des in die Kammer diffundierten Gases sich verändert, versehen. Somit werden die Werte der Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoff enthaltenden inerten Gases und der Atmosphäre durch Messung der Werte des elektrischen Widerstands des Detektorelements 46 des Heißdrahttypus ermittelt. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß, wenn der Druck des Wasserstoffs in dem inerten Gas höher wird, die Wärmeleitfähigkeit des inerten Gases größer wird, das Detektorelement 4 6 des Heißdrahttypus gekühlt wird und daß sein elektrischer Widerstand herabgesetzt wird, um eine später beschriebene Brückenschal-

tung (bridge network) aus dem Gleichgewicht zu bringen, wodurch ein aus dem Gleichgewicht "gebrachter Strom durch die Brücke ansteigt.

In der vorliegenden Ausführungsform wird jedes der Detektorelemente 46 des Heiß- oder Hitzdrahttypus durch ein hohles Rohr 48 (Träger) aus Tonerde, Keramik oder einem anderen nicht-leitenden Material gehalten, welches von dem zweiten Dichtteil 36 nach unten in den Zellbehälter 34 ragt. Das Detektorelement 46 ist am unteren Ende des hohlen Rohres 48 in zwei Hälften gebogen. Eine Hälfte ist durch das Innere des hohlen Rohres 48 hindurchgeführt und die andere Hälfte ist spiralförmig am äußeren Umfang des hohlen Rohres 48 gewickelt. Beide Hälften verlaufen gegen das obere Ende des Rohres 48 hin, so daß die Enden der beiden Hälften mit Drahtstielen 46a, 46b aus Platin verbunden sind, welche durch das zweite Dichtteil 36 hindurchgeführt sind. Die Drahtstiele 46a, 46b aus Platin sind außerdem verbunden mit nach außen führenden Drähten 51a, 51b (51c, 51d) einer Wheatstone-Brückenschaltung oder«Anordnung 5 0.

Die elektrischen Widerstandsdrähte 46 , welche auf dem Träger 48 spiralförmig gehalten werden, können in ihrem Zwischenbereich zwischen verschiedenen Teilen keinen Kurzschluß hervorrufen. Sie können die Wand der Meßzellen nicht berühren oder mit der Wand zusammenstoßen, oder andere Störungen, die Beschädigungen hervorrufen infolge von Vibrationen der Meßzellen 30 können nicht auftreten, so daß eine verlängerte Lebensdauer und eine Verringerung der Detektor- oder Meßfehler der Meßzelle 30 gegeben ist.

Die Vakuumkammern 40 in dem Paar der Detektorbereiche 27 sind innerhalb des Gehäuseblocks 26 miteinander verbunden und über ein Evakuierrohr 52 mit einer Vakuum-

- Μ Ι pumpe 53, so daß die Kammern 40 durch Betätigung der Vakuumpumpe 53 evakuiert werden. Die Vakuumkammern 40, welche evakuiert worden sind, können durch Verstopfen des Evakuierrohres 52 mit druckfesten Befestigungselementen (nicht gezeigt), durch Zulöten oder andere geeignete bekannte Mittel verschlossen werden.

Die Werte der Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoff enthaltenden inerten Gases und der Atmosphäre (Luft), welche durch den Detektor 24 zur Bestimmung des Wasserstoffgehaltes in elektrische Widerstandswerte umgewandelt werden, werden durch die in Fig. 1 gezeigte Wheatstone-Brückenschaltung 50 miteinander verglichen. Die Schaltung 50 erzeugt einen Ausgang in Form eines nicht im Gleichgewicht befindlichen Stromes entsprechend der enthaltenen Differenz zwischen den zwei Werten der Wärmeleitfähigkeit (elektrischer Widerstand) . Dieser Nicht-im-Gleichgewicht-Strom wird zu einer mit der Wheatstone-Brückenschaltung 50 verbundenen arithmetischen Schaltung 54 geleitet. Die arithmetische Schaltung 54 verarbeitet den eingegebenen Nicht-im-Gleichgewicht-Strom entsprechend der vorherbestimmten Formel, um den Wasserstoffgehalt in dem untersuchten geschmolzenen Metall (gelösten Wasserstoffgehalt) zu berechnen und anzuzeigen. Mit 56 ist ein Thermoelement bezeichnet, welches in das geschmolzene Metall 4 eingetaucht ist, um die arithmetische Schaltung 54 mit den Temperaturwerten des geschmolzenen Metails 4 zu versehen. Mit 58 ist ein Gleichspannungs-(Gleichstrom)-Stromkreis bezeichnet, welcher einen Gleichstrom an die arithmetische Schaltung 54 und die Brückenschaltung 50 liefert.

Das Bezugszeichen 60 in Fig. 1 bezeichnet einen Zylinder mit einem inerten Gas, welcher über ein Rohr 62 mit dem Rohr 14 zwischen dem Detektor 24 zur Bestimmung des Wasserstoffgehaltes und dem Absperrventil 24 verbunden ist, um ein geeignetes inertes Gas, d. h. Stickstoffgas, in den geschlossenen Pfad einzuleiten. Die Versorgung des inerten Gases aus dem Zylinder 60 wird über ein Absperrventil 64 geregelt, das abtrennend in dem Rohr 62 vorgesehen ist.

Zur Durchführung einer Messung des Wasserstoffgehalts des geschmolzenen Metalls 4 mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtung wird das Absperrventil 64 geöffnet, nachdem der Stromkreis 58 eingeschaltet worden ist, um den geschlossenen Pfad mit dem inerten Gas aus dem Zylinder 60 zu versorgen. Dann wird die Sonde 2 mit Doppelbohrung langsam und ruhig in das geschmolzene Metall 4 eingetaucht und das Absperrventil 64 wird verschlossen, um die Versorgung des inerten Gases in den geschlossenen Pfad zu beenden. Inzwischen wird das Thermoelement 56 ebenfalls in das geschmolzene Metall 4 eingetaucht und der Indikator (das Anzeigegerät) der arithmetischen Schaltung 54 wird überprüft, um zu gewährleisten, daß die Zeigerablesung Null ist. Nach der Bestätigung des auf Null gesetzten Indikators wird der Motor 22 eingeschaltet, um die Membranpumpe 16 zu betätigen, so daß das inerte Gas mehrere Male innerhalb des geschlossenen Pfades zirkuliert, bis die Zeigerablesung der arithmetischen Schaltung 54 einen unveränderliehen Wert erreicht hat. Dieser unveränderliche Wert, der schließlich erhalten wird, ist die Messung.

Wie vorstehend beschrieben, ist die vorliegende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer 40, die so ausgebil-

det ist, daß sie die Meßzelle 30 umgibt, derartig wirkt, daß sie den Zellbehälter 34 thermisch trennt von der Außenluft und daß die Wärmekapazität des Zellbehälters 34 selbst kleingehalten wird, so daß die gemessenen Werte in kurzer Zeit stabilisiert werden, wodurch die Zeit zum Messen des Wasserstoffgehalts reduziert wird.

In Fig. 3 sind Versuchsergebnisse gezeigt, die mit der herkömmlichen Telegas-Vorrichtung und mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung für den Wasserstoffgehalt durchgeführt worden sind. Die unterbrochene Linie zeigt den Aus-dem-Gleichgewicht-Spannungsausgang ψ (mV) in Abhängigkeit von der Zeit an, der mit der Telegas-Vorrichtung erhalten wird und die ausgezogene Linie den mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltenen. Wie deutlich aus Fig. 3 zu ersehen ist, ist die Messung oder die Zeigeranzeige der Telegas-Vorrichtung auch nach einem Zeitpunkt von 24 min. nach Beginn der Messung (nach Einschalten des Detektors und eines Schalters des zugeordneten Stromkreises) noch nicht stabilisiert, während andererseits die Zeigeranzeige der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen stetigen Wert erreicht hat (welcher die thermische Gleichgewichtsbedingung anzeigt) nach etwa 10 min. nach Beginn der Messung. Die Figur zeigt, daß die zur Messung des Wasserstof fgehalts eines geschmolzenen Metalls erforderliche Zeit mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu der herkömmlichen Vorrichtung stark vermindert wird.

Der vorstehende Ungleichgewichtsspannungsausgang wird erhalten oder ausgedrückt durch folgende Gleichung, vorausgesetzt, daß Wärmestrahlung und Konvektion vernachlässigt werden:

CP _B 1 I. Rf. ^a<^t£ - ^tc) . δ . 'T

T 2 ^L ^Kr 1 + atf ° 1 + γ

mit I = an die Wheatstone-Brückenschaltung angelegter Gleichstrom,
Rf = elektrischer Widerstand des elektrischen

Widerstandsdrahtes, der dem Wasserstoff enthaltenden inerten Gas ausgesetzt ist, Oi. = Temperaturkoeffizient des elektrischen Wi

derstandsdrahtes ,

t_f = Temperatur des elektrischen Widerstandsdrahtes

t = Temperatur der inneren Wandoberfläche der Meßzelle,

= Verhältnis der Wärmeleitfähigkeitsveränderung ΑΧ. (infolge des Eintritts des Wasserstoffs) zur Wärmeleitfähigkeit Λ des inerten Gases allein,bei einer mittleren Temperatur innerhalb der Meßzelle,

Y = Verhältnis des elektrischen Widerstands R des elektrischen Widerstandsdrahtes, der der Atmosphäre ausgesetzt ist, zu dem elektrischen Widerstand Rf und

R = Eingangsimpedanz des Meßgeräts, wobei folgende Beziehung besteht:

2Rr °fr Rf + R

Der wie in Figur 2 aufgebaute Detektor 24 zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts als nicht-einschränkendes Beispiel in der oben dargestellten Ausführungsform kann wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, abgewandelt werden.

Jede Meßzelle 67 eines Detektors 66 zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts wie in Fig. 4 gezeigt kann derart

aufgebaut werden, daß die Enden der Rohre 14a, 14b und der Rohre 72a, 72b fest und gasdicht in Durchgängen 70 eingesetzt sind, welche in einem ersten Dichtteil 68 ausgebildet sind, so daß andererseits das Innere des Zylinders 28 mit der Atmosphäre verbunden ist und derart, daß die Enden der Rohre 72a, 72b entfernt von den eingeführten Enden liegen und mit einem unteren Endabschnitt des Zellbehälters 67 verbunden sind, so daß das inerte Gas, das in die Diffusionskammer 38 eingebracht ist, ^aus dem unteren Teil der Kammer 38 gegen deren oberen Teil diffundiert. Andere Teile des Detektors 66 sind identisch denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und auf eine genauere Beschreibung wird verzichtet, da gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Jede der in Fig. 5 gezeigten Meßzellen ist in dem Zylinder 28 angeordnet, welcher durch einen äußeren zylindrischen Aufbau bestimmt ist, der aus einem Metallrohr 76 besteht und durch Schweißen mit dem Evakuierrohr 52 verbunden ist. Jedes der Rohre 14a, 14b ist mit einem oberen Teil der Diffusionskammer 38 derart verbunden, daß die Enden der Rohre 14a, 14b durch Öffnungen verlaufen, die in der Umfangswandung des Metallrohres 76 ausgebildet sind, und durch Durchgänge 80, die in dem ersten Dichtteil 78 angeordnet sind. Das hohle Rohr 48 ist an seinem oberen Ende in die Atmosphäre verlängert, aber die innere öffnung ist gasdicht mit geeignetem Dichtmaterial abgedichtet.

Der Detektor 82 zur Messung des Wasserstoffgehalts nach Fig. 5 kann kompakt gebaut sein, da das Metallrohr 76 als Zylinder 28 wirkt oder kann wirksam verwendet werden, wenn er innerhalb eines Thermostaten angeordnet ist.

Während die vorstehende Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit einem Detektor zur Anzeige des Wasserstoff gehalts des Diffusionstyps, in welcher der elektrische Widerstandsdraht nicht in dem Strom des Wasserstoff enthaltenden inerten Gases angeordnet ist, erfolgt ist, kann die Erfindung bei Detektoren mit Semidiffusion angewendet werden oder bei Detektoren des Durchstromtypus, in welchen der elektrische Widerstandsdraht innerhalb des Stroms des Wasserstoff enthaltenden inerten Gases angeordnet ist.

Es ist klar, daß andere Abwandlungen und Veränderungen der Meßvorrichtung nach der Erfindung vorgenommen werden können, ohne aus dem Erfindungsbereich, der in den Ansprüchen festgelegt ist, zu gelangen. Beispielsweise kann die arithmetische Schaltung 54 ersetzt werden durch eine herkömmliche von Hand auszuführende Berechnung des Wasserstoffgehaltes des geschmolzenen Metalls durch Umformung des gemessenen Ungleichgewichtsstroms mit Hilfe einer vorbestimmten Eichkurve. Als anderes Beispiel kann der Motor 22 zum Antrieb der Membranpumpe 16 ersetzt werden durch einen Ventilmechanismus zur Regelung des Stroms des inerten Gases.

Claims

Patentansprüche

( 1.)Vorrichtung zum Messen des Gehaltes von in geschmolzenem Metall gelöstem Wasserstoff, gekennzeichnet durch einen in eine Charge des geschmolzenen Metalls eingetauchten Tauchkopf mit einer Einrichtung zum Inkontaktbringen eines inerten Gases mit dem geschmolzenen Metall,

durch eine Zirkuliereinrichtung, die mit dem Tauchkopf verbunden ist und einen Gasdurchgang aufweist, der mit dem Tauchkopf zur Bildung eines geschlossenen Pfades zusammenwirkt, um das inerte Gas mehrere Male durch den Gasdurchgang zu und von dem Tauchkopf zu zirkulieren,

D-8000 München 86, Siebertstraße 4 · POB 860 720 · Kabel: Muebobat · Telefon (089) 474005 Telecopier Infoiec 6400 B - (089) 4740 08 · Telex 5-24285

und durch eine Erfassungseinrichtung (Detektoreinrichtung) zur Bestimmung des Wasserstoffgehaltes des durch den Gasdurchgang strömenden inerten Gases, wobei die Detektoreinrichtung eine erste Meßzelle aufweist, welche mit dem Gasdurchgang verbunden ist und in welcher ein elektrischer Widerstandsdraht angeordnet ist, der dem zirkulierenden, Wasserstoff enthaltenden inerten Gas ausgesetzt ist, und eine zweite Meßzelle, die mit einer Atmosphäre (einem Gas) gefüllt ist, deren thermische Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit) im wesentlichen gleich ist der des inerten Gases, und in welcher ein anderer elektrischer Widerstandsdraht angeordnet ist, und wobei die Detektoreinrichtung weiterhin eine Einrichtung aufweist, die einen Vakuumraum bestimmt, der jede der ersten und zweiten Meßzelle umgibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstandsdraht auf ein Trägerteil gewickelt ist, das sich innerhalb der Meßzelle erstreckt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung einen Gehäuseblock mit Bohrungen aufweist, in welchem die Meßzellen untergebracht sind, daß der Vakuumraum gebildet wird durch eine die Bohrungen bestimmende Innenwandoberfläche und durch die äußere Umfangsoberfläche der Meßzelle, und daß der Vakuumraum verbunden ist mit und evakuiert wird durch eine Vakuumquelle, um den Vakuumraum luftleer zu halten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumraum, der die erste Meßzelle umgibt und der Vakuumraum, der die zweite Meßzelle umgibt, miteinander

verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumraum evakuiert und luftleer gehalten wird mit druckdichten Dichteinrichtungen.
6. Vorrichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung eine Einrichtung aufweist zur Bestimmung äußerer Zylinderteile radial

IQ außerhalb von den Meßzellen, welche als innere zylindrische Teile wirken, daß die äußeren und inneren zylindrischen Teile zusammenwirken zur Bildung von Doppelzylinderanordnungen zur Aufnahme der jeweiligen elektrischen Widerstandsdrähte und daß der Vakuumraum zwisehen den inneren und den äußeren zy^iifiirischen Teilen ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile zur Bestimmung der äußeren zylindrischen Teile Abschnitte eines Gehäuseblocks aufweisen, welcher Bohrungen zur Aufnahme der Meßzellen aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile zur Bestimmung der äußeren zylindrischen Teile Metallrohre aufweisen, in welchen die Meßzellen

angeordnet sind, und daß jedes der Metallrohre mit einer >. Vakuumquelle verbunden ist, um den Vakuumraum luftleer zu halten,
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die in der zweiten Meßzelle eingefüllte Atmosphäre Luft ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der zweiten Meßzelle eingefüllte Atmosphäre ein inertes Gas ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall Aluminium öder eine Aluminiumlegierung ist.