DE465899C - Einrichtung zur Bestimmung eines Bestandteils in einem Gemisch insbesondere von Gasen mit Hilfe der Absorption der vorzugsweise ultraroten Gesamtstrahlung - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Bestimmung eines Bestandteils in einem Gemisch insbesondere von Gasen mit Hilfe der Absorption der vorzugsweise ultraroten Gesamtstrahlung Es ist bekannt, die Absorption vorzugsweise ultraroter Strahlung durch ein Gasgemisch zur Bestimmung eines Bestandteiles des Gases zu benutzen. Man läßt zu diesem Zwecke zwei Bolometerwiderstände, deren Größe etwa in der Wheatstoneschen Brücke verglichen wird, von derselben Quelle aus bestrahlen. In den Strahlenweg zu dem einen Widerstand schaltet man eine Kammer mit der zu prüfenden Substanz. Ist nun das zu bestimmende Gas mit anderen Gasen vermischt, so kann man den Einfluß der anderen Gase auf die Absorption dadurch verhindern, daß man in den Strahlengang zu beiden Widerständen die beigemischten Gase in solcher Menge einsetzt, daß die von ihnen absorbierten Wellenlängen praktisch völlig ausgelöscht sind, so daß zur Erzeugung einer Differenz in der Bestrahlung der beiden Widerstände nur noch das zu bestimmende Gas in dem Prüfgemisch, das dem einen Widerstand vorgeschaltet ist, in Frage kommt. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, eine selektiveStrahlungsquellezu benutzen, theoretisch am besten eine glühende Menge des zu bestimmenden Gases selbst. Auf diese Weise werden Strahlen von Wellenlängen, die von anderen, dem zu bestimmenden Gas beigemischten Gasen absorbiert werden, überhaupt nicht erzeugt. Abgesehen sei bei dieser allgemeinen Betrachtung von dem besonderen Fall, daß die Banden mancher Gase des Gemisches sich überschneiden.-- Die beiden betrachteten Verfahren sind praktisch nicht immer vollkommen auszuführen. Befindet sich das zu bestimmende Gas, z. B. Kohlensäure, in einer Mischung von einer ä oßen Zahl von Gasen, so müßte man bei Anwendung des ersten Verfahrens jedes der Restgase in genügender Menge für eine vollständige Absorption der Strahlen in den Strahlenweg einbauen. Andererseits bietet es bei dem zweiten Verfahren praktisch Schwierigkeiten, etwa für die Kohlensäurebestimmung glühendes Kohlensäuregas als Strahlungsquelle zu nehmen. Beide Verfahren lassen sich also im allgemeinen praktisch nur annähernd verwirklichen.
• Diese Mängel werden durch die Anordnung gemäß der Erfindung behoben, die gestattet, bei Mischung des zu bestimmenden Gases mit einer beliebigen Anzahl fremder Gase die Apparatur genau so einfach zu halten wie bei der Bestimmung des unvermischten Gases. Der Leitgedanke der Ausführung gemäß der Erfindung ist der folgende: Setzt man vor die zwei bestrahlten Bolometerwiderstände je eine Kammer, von denen die eine hinsichtlich ihres Einflusses auf die Strahlung theoretisch als gasfrei angenommen werden kann, also beispielsweise mit einem praktisch nicht absorbierenden Gas, wie Luft, gefüllt sein mag, während die andere mit dem zu bestimmenden Gase, beispielsweise Kohlensäure, in solcher Dichte gefüllt ist, daß praktisch vollständige Absorption der entsprechenden Wellenlängen eintritt, so wird zunächst eine erhebliche Ungleichheit der Bestrahlung beider Bolometerwiderstände eintreten, die sich in einem Ausschlage des Anzeigegeräts kundtut. Dieser Ausschlag möge künstlich auf Null zurückgebracht werden. Das kann durch Verstellung am Meßgerüt geschehen, aber auch durch eine etwas unsymmetrische Stellung des Strahlers. Wird jetzt in den Strahlenweg nach beiden Widerständen eine Kammer mit dem zu untersuchenden Gasgemisch eingesetzt, beispielsweise einem kohlensäurehaltigen Gemisch, so wird der Bolometerwider stand, dem die Kammer mit der zu bestimmenden Kohlensäure vorgeschaltet war, nur von den beigemischten Gasen, nicht von dem zu bestimmenden Gase selbst mehr beeinflußt werden, da ja die Absorption der zugehörigen Strahlung, also der Kohlensäurestrahlung im Beispiel, für diesen Widerstand schon praktisch vollkommen war. Der andere Bolometerwiderstand wird aber durch die Absorption der Strahlungen sämtlicher Gase betroffen werden, die sich aus zwei Komponenten zusammensetzt. Erstens: aus der Strahlung der beigemischten Gase in demselben Maße wie der erste Widerstand. Die Wirkung der beigemischten Gase ist aber auf beide Widerstände gleich, so daß ihre Differenz keinen Ausschlag des Anzeigegerätes verursacht. Zweitens: aus der Absorption der Strahlung durch das in dem Gemisch enthaltene zu bestimmende Gas, also die Kohlensäure. In dem die Differenz der Wirkungen auf beide Widerstände anzeigenden Meßgerät gelangt somit allein die zweite Komponente zur Anzeige.
• Die Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel der Anordnung in schematischer Darstellung, wobei die einzelnen Teile der Deutlichkeit halber etwas auseinandergezogen sind. Der Strahler i sei eine Porzellanplatte. Diese wird elektrisch geheizt mittels eines auf die Platte gewickelten Drahtes 2, der von einer Stromquelle 3 über einen Regelwiderstand q. gespeist wird. Die Strahlung trifft nach Passieren der Absorptionsgefäße 5, 6, 7 die beiden Bolometerwiderstände 8 und 9, die mit den Widerständen io und ii eine Wheatstonesche Brücke bilden. Die Stromquelle für diese Brücke ist bei i2 angegeben, das Brückengalvanometer bei 13. Von den drei Kammern 5, 6, 7 wird gemäß der Erfindung die Kammer 6 mit dem zu bestimmenden Bestandteil des zu untersuchenden Gasgemisches, der der Einfachheit wegen im folgenden als »gesuchtes Gas« bezeichnet sein mag, also etwa der Kohlensäure gefüllt, die Kammer 7 mit einem Vergleichsgas schwächster Absorption, etwa Luft, und die Kaminer 5 mit dem zu untersuchenden Gasgemisch. Die Anordnung der Kammer 7, die praktisch nicht absorbierend wirkt, findet ihre Begründung darin, daß durch die @Tachbarschaft der Kammern'6 und 7 die Temperatur der Bolometerwiderstände 8 und 9 beeinflußt wird, und daß in dieser Hinsicht eine die Messung störende Unsymmetrie eintreten könnte, wenn man eine einseitige Kammerordnung wählte. Die Kammern können beispielsweise ganz oder nur an den von der Strahlung getroffenen Teilen aus Quarz, das die praktisch wirksamen Wellenlängen, in Betracht kommen hauptsächlich ultrarote, weitgehend durchläßt, bestehen. Die Kammer 5 ist zweckmäßig nicht geschlossen, sondern mit Zu- und Ableitungen 1q., 15 versehen, damit man dieselbe Kammer für beliebig viele Messungen benutzen und das zu untersuchende Gasgemisch, während es durch die Kammer 5 strömt, dauernd analysieren kann.
• Um die Wirkungsweise der Anordnung anschaulicher zu machen, ist eine Absorptionskurve c der Kohlensäure in Abb. 2 beigegeben. Die Abszissen bedeuten die Schichtdicken der Kohlensäure, auf eine bestimmte Dichte bezogen, die Ordinaten die Absorption. Für die Kammer 6 gilt die Abszisse a, und die Ordinate o6, die in der Nähe des Maximums der Kurve liegt. Für das in die Kammer 5 eingeführte »gesuchteGas« gilt die Abszisse afi und die zugehörige Ordinäte o". Die Gesamtabsorption an dem Bolometerwiderstand 8 ist also entsprechend einer Schichtdicke a8, wenn a8 - a" -i-- a" gemacht wird. Die Absorption o8 in dem Strahlengang für den Widerstand 8, die bei Einführung des zu untersuchenden Gasgemisches in die Kammer 5 auftritt, unterscheidet sich von der Absorption o, bei leerer Prüfkammer um einen praktisch zu vernachlässigenden Betrag. Dagegen ist die Absorption der Strahlung für den Widerstand 9 bei leerer Prüfkammer 5 gleich o, während sie bei gefüllter Prüfkammer 5 gleich o5 ist. Diesem Betrag o., entsprechend schlägt das Galvanometer 13 aus.
• Die Anordnung der Kammer 5 mit dem züi prüfenden Gasgemisch in dem Strahlenweg für beide Widerstände 8, 9 hat den Vorzug, daß Änderungen der Absorption durch Verschmutzung der Kammer wegen der gleichartigen Wirkung auf beide Widerstände Nullpunktsfehler nicht hervorrufen können. Ein Meßfehler könnte aber entstehen durch die Beeinflussung der Temperatur der Kammern 6 und 7 durch die Leitfähigkeit der in ihnen enthaltenen Gase. Wasserstoff beispielsweise würde infolge seiner erheblichen Leitfähigkeit abkühlend wirken. Um diesen Mangel zu beseitigen, kann man die Kammer ; statt mit dem nicht absorbierenden %'ergleichsgas nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zweckmäßig mit dem »gesuchten Gas« selbst füllen, aber in solcher Verdünnung, daß- eine praktisch merkliche Absorption nicht stattfindet. Die Wärmeleitfähigkeit der Gase beider Kammern ist dann praktisch dieselbe, da sie in weiten Grenzen von der Dichte des Gases unabhängig ist. Man kann auch irgendein anderes Gas von gleicher Wärmeleitfähigkeit mit dem »gesuchtenGas« in dieKammer7 einbringen, wobei nur darauf zu sehen ist, daß die Absorptionsbanden dieses Gases sich mit denen des »gesuchtenGases« oder der übrigen Bestandteile des zu untersuchenden Gasgemisches nicht störend überdecken. Temperaturschwankungen des Strahlers würden im allgemeinen eine Verschiebung des Nullpunktes am Galvanometer hervorrufen, da die Absorption in der Kammer 6 nicht nach demselben Gesetz. wächst wie die Strahlung. Man kann aber die Temperatur des Strahlers so wählen, daß auch die von der Kammer 6 durchgelassene Strahlung sich ebenso wie die von der Kammer ;7 durchgelassene Strahlung mit der viertenPotenz derStrahlertemperatur ändert. Für Kohlensäure z. B. ist dies der Fall, wenn die Strahlertemperatur zwischen -.oo und 8oo° beträgt. Am besten ist ein mittlerer Wert zwischen diesen Grenzen. Bei einer Temperatur von ungefähr 6oo° liegt die Kohlensäurebande von 4,5 yu nahe dem Maximum der Energie im Emissionsspektrum. Das Maximum selbst wächst bekanntermaßen mit der fünften Potenz der Strahlertemperatur. EineWellenlänge in geeignetem geringen Abstand von dem Maximum wird dann ungefähr eine Änderung nach der vierten Potenz zeigen.
• Als Beispiel für das ;.gesuchteGas« ist oben Kohlensäure benutzt. Das Verfahren kann indessen allgemein angewendet werden. Als weitere Gase, deren Bestimmung in Gemischen praktische Wichtigkeit besitzt, seien z. B. Kohlenoxyd und Methan genannt. Auch zur Messung der Absorption von Flüssigkeiten und festen Körpern kann die Methode benutzt werden.

Claims (7)

1. PATE`TANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur Bestimmung eines Bestandteils in einem Gemisch insbesondere von Gasen mit Hilfe der Absorption der vorzugsweise ultraroten Gesamt-Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß in (lern einen Strahlenweg (2, 8) zwischen dem Strahler (2) und den Bolometerwiderständen (8, 9), deren Bestrahlungsunterschied in an sich bekannter Weise als Maß für den zu bestimmenden Bestandteil des Gemisches dient, Absorptionskammern (5, 6) eingefügt sind, von denen die eine (6) mit dem zu bestimmenden Bestandteil des Gemisches gefüllt ist, während die andere, in beiden Strahlenwegen (2, 8 und 2, 9) liegende Kammer (5) das zu untersuchende Gemisch enthält.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere gleichgeformte Kammer (7), die mit einem praktisch nicht absorbierenden Gas gefüllt ist, in dem zweiten Strahlenweg (2, 9) angeordnet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den einzelnen Bolometerwiderständen (8, 9) vorgelegten Kammern (6, 7) mit Gasen von mindestens annäherndgleicher Wärmeleitfähigkeit gefüllt sind. q..
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (7) mit dem gleichen Gase gefüllt ist wie die die Strahlung dieses Gases absorbierende Kammer (6), aber in solcher Verdünnung, daß seine Absorption nicht in Betracht kommt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dieKammer (7) ein Gas gefüllt ist, dessen Absorptionsbanden sich weder mit denen des aus dem Gasgemisch zu bestimmenden Bestandteiles noch denen der Beimischungen störend überschneiden.
6. 6. Verfahren zur Anwendung der Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatur des Strahlers (i) gewählt wird, bei der die von der Kammer (6) durchgelassene Wärmemenge sich mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur des Strahlers (i) ändert.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskamrnern aus Ouarz bestehen. B. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem zu bestimmenden Bestandteil des Gemisches gefüllte Absorptionskammer (6) diesen in solcher Schichtdicke und Dichte enthält, daß praktisch vollkommene Absorption der nutzbaren Wellenlänge eintritt.