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Verfahren und Einrichtungen zur Bestimmung der Bestandteile eines
Gasgemisches von mindestens drei Gasen unter Ausnutzung der verschiedenen Temperaturabhängigkeiten:
irgendeiner physikalischen Eigenschaft der Gase des Gemisches. Zur Bestimmung eines
Bestandteiles in einem im wesentlichen aus zwei Bestandteilen bestehenden Gasgemisch
benutzt man den Vergleich einer physikalischen Eigenschaft dieses Gemisches mit
derselben Eigenschaft des nicht zu bestimmenden Bestandteiles oder eines gleichwertigen
Ersatzes für denselben. Beispielsweise wird die Wärmeleitfähigkeit zum Gegenstand
des Vergleichs gemacht. Ein Gemisch mit mehr als zwei Komponenten wird, um die gleiche
Methode anzuwenden, durch Absorption auf ein solches von zwei Komponenten reduziert.
Die Absorption hat aber außerdem, daß man nicht immer ein geeignetes Absorptionsmittel
findet und daß sie in jedem Falle eine besondere Apparatur erfordert, den Nachteil,
daß sie die prozentische Zusammensetzung des
Prüfgases ändert, während
der gesuchte Wert meist prozentisch angegeben werden soll.
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Die Erfindung beschreitet für die Bestiiiimung der Bestandteile eines
Gasgemisches von mindestens drei Gasen einen Weg, der darin besteht, daß sie die
verschiedene Temperaturabhängigkeit irgendeiner physikalischen Eigenschaft der Gase
des Gemisches ausnutzt.
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Gemäß der Erfindung wird das Gasgemisch auf eine solche Temperatur
gebracht, bei welcher die der Messung unterliegende Eigenschaft z. B. die Wärmeleitfähigkeit
oder innere Reibung des Gemisches sämtlicher Komponenten mit Ausnahme der zu bestimmenden
mit derselben Eigenschaft eines Vergleichsgases oder der Vergleichsluft übereinstimmt
und dann der Unterschied zwischen dem Restgas des Gasgemisches und dem Vergleichsgas
in an sich bekannter Weise z. B. durch eine Wheatstonesche Brücke zur Anzeige gebracht
wird. Gegenüber dem bekannten Absorptionsverfahren wird bei dem neuen Verfahren
insbesondere der wesentliche Vorteil erzielt, daß die Menge des zu messenden Bestandteiles
auch prozentisch unverändert bleibt.
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Als Beispiel diene . die Analyse eines Gemisches von Stickstoff, Wasserstoff
und Kohlensäure auf Grund der Wärmeleitfähigkeit. Man kann z. B. den Wasserstoff
in diesem Gemisch, dessen drei Bestandteile bei gewöhnlicher Temperatur drei stark
verschiedene Wärmeleitfähigkeiten besitzen, dadurch bestimmen, daß man das Gemisch
auf eine solche Temperatur erhitzt, daß die Leitfähigkeiten der beiden anderen Bestandteile,
Stickstoff und Kohlensäure, gleich werden. Diese Temperatur liegt bei ungefähr 300°
C. Als Vergleichsgas kann man in diesem Falle Luft benutzen, die die gleiche Wärmeleitfähigkeit
wie das Gemisch von Stickstoff und Kohlensäure bei der genannten Temperatur besitzt.
Bedient man sich zur Anzeige des Gehaltes von Wasserstoff in bekannter Weise der
Wheatstoneschen Brücke, so hat man nur durch geeignete Dimensionierung der Widerstände
dafür Sorge zu tragen, daß die von den Gasen beeinflußten Widerstände sich auf der
kritischen Temperatur befinden; dann wird das Brü ckenmeßgerät bei Abw esenheit
von-Wasserstoff «fegen der gleichen Leitfähigkeit von Luft, Stickstoff und Kohlensäure
auf Null stehen, und die Größe des Ausschlages wird die Menge vorhandenen Wasserstoffs
angeben. In gleicher Weise, wie der Grundgedanke der Erfindung in dem eben angeführten
Beispiel auf einen Vergleich` von Wärmeleitfähigkeiten angewendet wurde, läßt es
sich auch auf andere physikalische Eigenschaften, die mit der Temperatur veränderlich
sind, z. B. innere Reibung oder Dielektrizitätskonstante, anwenden. Es ist dann
eine Temperatur zu ermitteln, für die die fragliche, bei der Messung benutzte Eigenschaft
für zwei Komponenten eines Geinisches von Gasen (n >:2) gleich wird.
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Der Grundgedanke der Erfindung, die Ausnutzung der Verschiedenheit
in dem Temperaturkoeffizienten zur Anwendung zu bringen, kann auch in der Weise
verwirklicht werden, daß man jedes der zu vergleichenden Gase in zwei verschiedenen
Temperaturlagen wirken läßt, wobei die Meßv orrichtung derartig eingerichtet ist,
daß die Wirkungen der Gase auf die Anzeigevorrichtung sich auf-' heben, wenn die
zu vergleichenden Gase in der maßgebenden Eigenschaft in ähnlicher Weise von der
Temperatur abhängen, daß dagegen die Anzeigevorrichtung in Tätigkeit gesetzt wird,
sobald dem Prüfgas ein Gasbestandteil beigemischt ist, für den die zur Messung benutzte
Eigenschaft von der Temperatur in wesentlich anderer Weise abhängt als bei den beiden
andern. Dies möge erläutert werden aus dem bereits erwähnten Beispiel eines Gemisches
von Stickstoff, Wasserstoff und Kohlensäure. Es wird hierzu eine Brückenschaltung
benutzt, von deren vier Seitenwiderständen zwei von dem Prüfgas und zwei von dem
Vergleichsgas, als welches z. B. wiederum Luft genommen werden kann, umspült werden.
Die Dimensionen der Widerstände sind so bemessen, daß für jede Gasart der eine Widerstand
eine wesentlich höhere Temperatur erhält als der andere. Die neue Brücke ist also
wesentlich verschieden von einer Brücke bekannter Anordnung, bei der zwar auch alle
vier Seitenwiderstände in Gas liegen, wobei aber im Gegensatz zu der neuen Anordnung
die gegenüberliegenden Seiten in gleicher Weise ausgebildet sind, so daß die Brücke
lediglich eine Verdopplung der mit zwei Gaskammern darstellt.
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Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Von den
vier Widerständen i bis 4 einer Wheatstoneschen Brücke, die in vier Gaskammern 5
bis 8 liegen, werden je zwei benachbarte von dem gleichen Gas umspült, z. B. die
beiden oberen i und 2 von dem Prüfgas, das bei 9 in die Kammer des heißeren--der
beiden Drähte eintritt, über den- Verbindungskanal io in die des kälteren übergeht-und
bei i i austritt, während das -Vergleichsgas, z. B. Luft, bei i2 an dem heißeren
Draht. 3 eintritt, über die Verbindung i3 zu dem kälteren Draht 4 übergeht und bei
14 austritt. Die von beiden Gasarten urnspfilten_ kälteren Widerstände sind zweckmäßig,-unter
sich- gleich und .ebenso die beiden heißerenWiderstände. In der Abbildung ist der
Unterschied- der Temperaturen der - Widerstände durch dickere und
dünnere
Striche in der Darstellung der Widerstände angedeutet. Der Brückenspeisestrom, der
von der Batterie 15 geliefert wird, tritt bei 16 in die Widerstandsschaltung ein
und bei 17 aus, so daß ein Stromteil die beiden kälteren Widerstände und der andere
die beiden heißeren Widerstände durchfließt. Das Galvanometer 18 liegt zwischen
den anderen Eckpunkten der Brücke ig und 2o. Benutzt man nun als Vergleichsgas Luft
und enthält das Prüfgas Wasserstoff, so kann man auf Grund des Umstandes, daß das
Wärmeleitvermögen von Luft und Wasserstoff sich mit der Temperatur in ähnlicher
Weise ändert; durch geeignete Wahl des Drahtmaterialsund der Dimensionen die Brücke
so ausführen, daß sie innerhalb des jeweiligen Prozentgehaltes, der für die Feststellung
von Wasserstoff z. B. in Mischung mit Sauerstoff praktisch in Frage kommt, auf die
Anwesenheit des Wasserstoffes nicht anspricht, weil das Verhältnis der heißeren
Widerstände gleich dem der kalten bleibt. Enthält nun das Prüfgas neben dem Wasserstoff
noch z. B. Kohlensäure, dessen Wärmeleitfähigkeit eine wesentlich andere Abhängigkeit
von der Temperatur besitzt als Wasserstoff, so wird das Verhältnis der Widerstände
der heißen Drähte nicht dasselbe wie das der kalten Drähte, und das Galvanometer
gibt einen Ausschlag, der auf die Menge der anwesenden Kohlensäure schließen läßt.
Die beiden erläuterten Anwendungen des Erfindungsgedankens ließen also in dem angeführten
Beispiel eines Gemisches von Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlensäure je einen Bestandteil,
das eine Mal Wasserstoff, das andere Mal Kohlensäure messen, wonach der dritte Bestandteil
zur Vervollständigung der Analyse als Rest berechnet werden kann.
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Für die Einstellung der Brücke in solcher Weise, daß der Einfluß des
Wasserstoffes auf den Galvanometerausschlag verschwindet, benutzt man zweckmäßig,
um eine Regelung an den gasumspülten Drähten selbst zu vermeiden, zusätzliche Regelwiderstände,.
die zwei einander entsprechenden Widerstnden im Prüf- und Vergleichsgas vor- oder
parallelgeschaltet werden: Die Regelwiderstände werden bei Gleichheit der gasumspülten
Drähte zweckmäßig auch stets gleichzeitig auf den gleichen Wert geregelt, um den
Ausschlag des Brückenmeßgerätes bei Anwesenheit von Wasserstoff allein auf Null
zu bringen. Die Einstellung des Galvanometers auf :Null durch Regelung an einer
einzigen Brükkenseite würde keinen Sinn haben, da bei einer Änderung des Wasserstoffgehaltes
das durch eine solche Regelung hergestellte Gleichgewicht sofort gestört würde.-
Däß aber durch gleichzeitige Regelung an zwei Widerständen in der geschilderten
Weise die Brücke auf Null gebracht werden kann, zeigt folgende einfache Rechnung.
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Es seien die Werte der Widerstände i bis .4 mit w und ihren Nummern
als Indizes gekennzeichnet, der Wert der Regelwiderstände, die stets gleich bleiben
mögen, mit x. Dann hat man für die Nullstellung des Galvanometers die =Bedingung:
Wi : w3 - (W2 + X): (W4 + x),
hieraus ergibt sich
Der physikalische Inhalt dieser Formel ist der folgende: Über dem Bruchstrich steht
in der letzten Formel der Unterschied der Widerstandsverhältnisse in beiden Gasen,
unter dem Bruchstrich der Unterschied der Leitfähigkeit, und zwar für die gemachte
Annahme, daß die Regelwiderstände an den dünn gezeichneten Widerständen liegen,
die Differenz der Leitvermögen der dick gezeichneten Widerstände. In der Abbildung
sind die Regelwiderstände bei 2I und 2a eingezeichnet. Sie können je nach Bedarf
an die Seite der heißeren oder kälteren Drähte gelegt werden. Durch geeignete Wahl
der Temperaturkoeffizienten dieser Regelwiderstände kann man, wie der Versuch lehrt,
auch erzielen, daß der Einfluß der vorhandenen Temperatur auf das zu kompensierende
Gas und damit die Lage des Nullpunktes für die Messung der dritten Komponente ausgeglichen
wird.
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Da in der Brücke gemäß "der Erfindung höhere Temperaturen benutzt
werden, bei denen das sonst zu solchen Widerständen verwendete Material, wie Platin,
katalytisch wirken kann, so ist dafür Sorge zu tragen, daß diese Wirkung durch entsprechende
Behandlung der Oberfläche, z. B. durch Vergolden des Drahtes, vermieden wird.
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In den Abb. z und 3 ist eine weitere Anvvendung der Erfindung veranschaulicht,
bei der die innere Reibung als Meßgröße benutzt wird. Das Gasgemisch soll beispielsweise
aus Kohlensäure, Wasserstoff und Luft bestehen. Es soll der Kohlensäuregehalt ermittelt
werden.
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Der Strom des Prüfgases und der des Vergleichsgases werden in Abb.
a wiederum wie in Abb. i durch einen kalten und einen heißen Raum geleitet. Die
beiden zu vergleichenden Gase bzw. Gasgemische strömen durch zwei Kapillarrohre
a, b, die der Deutlichkeit halber in vergrößertem Maßstabe dargestellt sind.
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Jede Kapillare besitzt einen heißen, z. B. durch eine Stromspule c
erwärmten Teil d bzw. e und einen kalten f bzw. g. Die Teile d,
e,
f, g entsprechen den vier Teilen der Wheatstoneschen Brücke in der Abb. i. 'Um
die innere Reibung zur Einwirkung auf das Meßergebnis zu bringen, wird zur Messung
der Druckabfall in den Kapillarrohren benutzt. Am Anfang der Kapillarrohre, bei
h und i., wird der Druck gleichgehalten und ebenso am Ende der Kapillarrohre, bei
k und 1. Der Druckabfall in beiden Rohren ist also der gleiche. In Abb. 3 ist die
Druckverteilung in den beiden Kapillarrohren a, b dargestellt. p, bezeichnet den
Druck in den beiden Rohren an der Stelle h, i, und p" den Druck an der Stelle
k, 1. Die Mitten beider Kapillarrohre seien mit in und n. bezeichnet. Sie
sind verbunden durch einen Differentialdruckmesser, der durch das Differentialquecksilbermanometer
e angedeutet ist. Solange die Spulen c stromlos sind, verteilt sich der Druckabfall
gleichmäßig über die ganze Länge beider Rohre nach der in der Abb. 3 punktiert gezeichneten
Linie q". Werden dagegen die rechten Hälften d, e der Kapillaren
a, b in gleicher Weise erwärmt, so wird die Druckverteilung eine andere,
weil die innere Reibung bei steigender Temperatur abnimmt. Der Druckunterschied
beispielsweise zwischen in und k wird also bei überall gleichem Querschnitt des
Kapillarrohres bei Erwärmung des zwischen m. und k liegenden Teiles d geringer sein
als der Druckunterschied zwischen 1i und in in dem kalten Teile f desselben
Kapillarrohrea. Beispielsweise wird die Druckverteilung für Wasserstoff durch die
ausgezogene Linie q, dargestellt. Ändert sich die innere Reibung in dem Vergleichsgas
der Kapillare 1>, als welches Luft angenommen sein möge, und in dem Gas der Kapillare
a, als welches Wasserstoff genommen sein möge, mit der Temperatur in gleichartiger
Weise, so wird 'auch die Druckverteilung für beide Gase die gleiche sein. Die Linie
q, stellt somit die Druckverteilung sowohl für Luft als auch für Wasserstoff dar.
\ imnit man aber ein Gas, wie Kohlensäure, (]essen innere Reibung sich mit der Temperatur
nicht in der gleichen Weise ändert, wie die von Luft und Wasserstoff, so wird in
diesem Gase eine andere Druckverteilung stattfinden, entsprechend der gestrichelten
Linie q - Haben wir nun als Prüfgas ein Gemisch von Wasserstoff, Luft
und Kohle:is:itire, so wird der Druck einer nicht gezeichneten (.iiiie qa folgen,
die zwischen q, tind (1_ liegt. Die Abweichung der Linie d, von der nicht gezeichneten
Linie q, gibt (tann das Maß für den Kohlensäuregehalt. Sie wird gemessen durch den
Druckunterschied zwischen dem Wert von q,. am Punkt in und dem Wert von q1 am Punkt
7t..