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Vorrichtung zum Anzeigen des Gehaltes eines Gases an einem schädlichen
Bestandteil Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Anzeigen des Gehaltes
eines Gases an einem schädlichen Bestandteil, die auf dem Vergleich des zu untersuchenden
Gases mit einem als Normalgas dienenden Gase beruht, und besteht darin, daß ein
Normalgas solcher Zusammensetzung Verwendung findet, daß für den gerade noch zugelassenen
Gehalt des betreffenden Gases, z. B. der Luft, an schädlichen Bestandteilen die
Anzeigevorrichtung in der Nullage bleibt.
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Die Erfindung mag zunächst an einem auf Vergleichsmessung beruhenden
Diffusionsgasanzeiger, insbesondere einem Diffusionsschlagwetteranzeiger, erläutert
werden.
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Die Prüfung eines Gasgemenges auf bestimmte Bestandteile, wie Methan,
kann in absolute und vergleichende Verfahren getrennt werden. Erstere beruhen beispielsweise
auf irgendwelchen Veränderungen, die durch chemische Reaktionen hervorgerufen werden,
letztere vergleichen die Eigenschaften des zu untersuchenden Gases mit denen eines
Normalgases, insbesondere die physikalischen Eigenschaften, die sich stetig mit
der Konzentration der Komponenten ändern. Hierzu gehören die Diffusionsschlagwetteranzeiger,
bei denen eine poröse Wand Frischluft und zu prüfende Luft so voneinander trennt,
daß durch Diffusion ein allmählicher Ausgleich zwischen dem Inhalt der einander
benachbarten Gasräume erfolgt. Durch die 'verschiedene Diffusionsgeschwindigkeit
der einzelnen Gase kann zwischen den -beiden Räumen eine in beliebiger Weise zu
messende Druckdifferenz entstehen, nämlich eine Druckverminderung in dem mit leichtem
Gas gefüllten Raum, weil die kleineren Moleküle eines leichteren Gases in größerer
Anzahl durch eine poröse Wand hindurchtreten als die größeren Moleküle eines schwereren
Gases. Die bekannten Apparate zur Messung des Gehaltes der Luft an irgendwelchen
Beimengungen enthalten als Vergleichsgas (Normalgas) im allgemeinen. frische Luft,
so daß keine Anzeige erfolgt (Nullage des Manometers), wenn die Luft die zu bestimmenden
Bestandteile nicht enthält.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, bei wissenschaftlichen Untersuchungen
über Wärmeleitfähigkeitverfahren zur Gasanalyse zum Zweck der Erzielung größter
Genauigkeit als Vergleichsgas eine Mischung zu verwenden, deren Leitfähigkeit nahe
der mittleren Leitfähigkeit der zu analysierenden Mischung liegt. Dieses Verfahren
wurde vorgeschlagen zur Analyse von solchen Gasgemischen, deren Bestandteile im
allgemeinen unbekannt sein können und unbekannt sein werden, bei denen jedoch bekannt
ist, daß ein bestimmter- gesuchter Bestandteil eine weit von der Leitfähigkeit der
anderen Bestandteile verschiedene Leitfähigkeit besitzt, während man von allen diesen
anderen Bestandteilen weiß, daß ihre Leitfähigkeit etwa gleich groß ist. Bei dem
bekannten Verfahren handelt es sich jedoch nicht um. eine Grenzwertbestimmung wie
beim .Erfindungsgegenstand.
Mit Hilfe der Vorrichtung nach der Erfindung
läßt sich bei großer Meßgenauigkeit eine schnelle Anzeige der Überschreitung eines
solchen Grenzweites erreichen.
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Wenn nämlich die Nullage bei einem Anzeigeinstrument der größten Empfindlichkeit
und größten Meßgenauigkeit entspricht, so ist es unerwünscht, daß die Anzeigevorrichtung
dann in der Nullage bleibt, wenn von einem als schädlich erkannten Gase keine Spuren
vorhanden sind. Sobald nur geringe, noch unschädliche Mengen dieses quantitativ
zu bestimmenden Gases (wie Methan bei Schlagwetteranzeigern) auftreten, zeigt das
Instrument einen deutlichen Ausschlag, der mit einem relativ kleinen Fehler behaftet
ist. In dem kritischen Augenblick jedoch, in dein der gefährliche Stoff die zulässige
Menge überschreitet, ist der Ausschlag bereits beträchtlich und daher mit einem
relativ großen Fehler behaftet, der eine besondere Genauigkeit in der Überwachung
gerade des kritischen Punktes nicht zuläßt. Demgegenüber besteht das Wesentliche
der Erfindung in der Verringerung des Meßfehlers in der Nähe eines hinsichtlich
der Zusammensetzung des Gases kritischen Punktes. In Fällen, in denen eine Abhängigkeit
des Fehlers von der Größe des Ausschlages des Meßinstrumentes vorliegt, nutzt die
Erfindung diese Abhängigkeit aus durch derartige Vorkehrungen, daß an der kritischsten
Stelle das Minimum des Fehlers auftritt.
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Die Erfindung werde zunächst an einem einfachen Beispiel erläutert:
Es sei mittels eines an sich bekannten Diffusionsschlagwetteranzeigers (etwa in
Bergwerken) der Gehalt der Luft an Methan festzustellen. Bisher pflegte man hierzu
die zu untersuchende Grubenluft durch eine poröse Wand von in einem Behälter vorhandener
Frischluft zu trennen. Unter dem Einfluß etwa vorhandenen Methans hat die Grubenluft
bei gleichem Gesamtdruck beider Gase ein geringeres mittleres Molekulargewicht als
die Frischluft. Es strömen daher durch die poröse Wand mehr Methanmoleküle in den
Frischluftbehälter, als aus diesem Gasmoleküle heraustreten. Daher entsteht in dem
Frischluftbehälter ein Überdruck, der mit Hilfe eines Manometers gemessen werden
kann. Es ist nun vorgeschlagen worden, die Frischluft bei Prüfungen auf das leichte
Methan durch ein schwereres Gas zu ersetzen. In diesem Falle ist der eintretende
Überdruck größer. Man hoffte hierdurch eine Verbesserung der Meßergebnisse zu erzielen,
jedoch beruht dieser Vorschlag auf einem Trugschluß, nämlich auf der Verwechslung
der Größe des Ausschlages eines Meßinstruments und der Meßgenauigkeit eines solchen
Instruments. Denn bei Verwendung eines Vergleichsgases, das einen größeren Ausschlag
gibt, z. B. an einem Wassermanometer, das vor der Messung in beiden Schenkeln gleich
hohen Flüssigkeitsstand aufweist, wird unter sonst gleichen Verhältnissen die durch
Fehlerquellen verursachte Schwankung etwa proportional dem Ausschlag wachsen. Zur
Erläuterung möge angenommen werden, daß bei einem bestimmten Meßinstrument und bei
Verwendung von Frischluft als Vergleichsgas pro Prozent Methan in dem zu untersuchenden
Grubengas am Meßinstrument ein Ausschlag von i mm auftrete, daß also beispielsweise
das Manometer des Diffusionsgasanzeigers einen Überdruck von 2 bzw. ,. mm auf der
Frischluftseite zeigt, sobald die Methanmenge 2 bzw. 4 % beträgt. Diese Anzeigen
sind jedoch mit gewissen Fehlern behaftet, die beispielsweise 1/1o der Gesamtanzeigehöhe
ausmachen können. Wenn man nun nach dem oben angedeuteten Vorschlag die Frischluft
durch ein schwereres Gas ersetzen würde, so daß selbst bei einer Methankonzentration
von o l/, im Grubengas bereits ein Ausschlag z. B. von io mm auftreten würde, so
würden diese io mm ihrerseits auch mit einem Fehler von io %, d. h. von i mm, behaftet
sein. Da dieser Fehler in beiden Richtungen vorliegen kann (eine zu große bzw. eine
zu kleine Anzeige um j e i mm), beträgt bei Verwendung dieses schweren Gases allein
die Meßunsicherheit 2 mm, so daß es völlig unmöglich ist, einen Unterschied von
2 % in der Methankonzentration des Grubengases festzustellen. Falls eine
Methankonzentration von 3 °% im Grubengas angezeigt wird, ist man demnach nicht
imstande, zu unterscheiden, ob tatsächlich die bereits äußerst gefährliche Konzentration
von 4,4'76 vorliegt oder ob der Methangehalt nur harmlos ist und vielleicht nicht
mehr als 1,9 °11o beträgt.
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Aber auch, wenn man Frischluft als Vergleichsgas nimmt, kann die Ableseunsicherheit
bei 4'/" Methan z. B. 0,40/, betragen. Dagegen wird durch die Erfindung bei gleichbleibender
relativer Ablesegenauigkeit des Instrumentes die absolute Ablesegenauigkeit in der
Gegend der kritischen Konzentration vergrößert.
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Nach der Erfindung wird zu diesem Zweck im. Falle des vorliegenden
Beispiels als Normalgas nicht ein Gas schwerer als Luft, sondern ein Gas, das seinerseits
ebenfalls leichter ist als Luft, verwendet, und zwar auf Grund der folgenden Gesichtspunkte:
Bei der Messung des Gehaltes der Grubenluft an Methan ist es im allgemeinen belanglos,
ob i oder 2 % Methan in der Grubenluft enthalten sind; erst bei einer größeren Konzentration
des
Methans beginnt die Gefahr. Es sei, beispielsweise . die Konzentration von 4
% diejenige, bei der man auf besonders genaue Anzeige des Instruments Wert
legt (bei 5 bis 6 °/o beginnt die Explosionsgefahr). Dann wird nach der Erfindung
vorteilhaft ein solches Normalgas genommen, dessen mittleres Molekulargewicht gleich
dem mittleren Molekulargewicht von Luft mit 4 °% Methan ist. In diesem Falle tritt
also bei dem kritischen Punkt von 4 °% Methan kein Ausschlag des Manometers auf
(Punkt größter Meßgenauigkeit). Nur bei einer höheren Konzentration des Methans
tritt ein Überdruck auf der Seite des Normalgases auf, so daß dieser Überdruck das
Anzeichen großer Gefahr ist. Sofern dagegen der Methangehalt unter dem kritischen
Wert von 4 °/o liegt, tritt auf der Seite des Normalgases- ein Unterdruck auf. Wie
oben ausgeführt, wird die absolute Größe des angezeigten Druckunterschiedes mit
einem dieser Größe proportionalen Fehler behaftet sein. Wenn es jedoch darauf ankommt,
genau festzustellen, wann eine Konzentration von 4 °/o erreicht ist, kann man eine
gewisse Unsicherheit der Anzeige bei der ungefährlichen Konzentration zwischen o
und i % gern in Kauf nehmen, sofern dafür die Anzeige an der Stelle der kritischen
Konzentration genauer wird.
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Der an dem Anzeigeinstrument angezeigte Gberdruck ist nicht allein
durch die Zusammensetzung der miteinander verglichenen Gase bestimmt, sondern hängt
auch von der Behandlung dieser Gase ab. Wenn beispielsweise das Normalgas aus dem
Vorratsbehälter in den Diffusionsraum durch eine enge Düse strömt, erwärmt es sich.
Wenn es vorher unter hohem Druck stand, wird es sich bei der Ausdehnung abkühlen.
Diese Temperaturverschiedenheiten gegenüber dem zu prüfenden Gase bedingen weitere
Unterschiede in dem vom Meßinstrument angezeigten Druck. Durch die Wahl des Normalgases
gemäß der Erfindung und die dadurch hervorgerufenen geringen Druckunterschiede im
kritischen Gebiet werden auch diese Fehlerquellen verkleinert, und zwar in der Weise,
daß bei dem oben gegebenen Beispiel unter Zugrundelegung der gegebenen Temperaturusw.
-verhältnisse die Anzeige (der Ausschlag) des Meßinstrumentes für diejenige Konzentration
des zu untersuchenden Gases möglichst klein ist, für die eine möglichst große Meßgenauigkeit
gewünscht wird.
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Zur Erläuterung wurde vorübergehend eine Proportionalität zwischen
Fehler und Ausschlag am Meßinstrument vorausgesetzt. Eine solche Proportionalität
ist nicht unbedingt erforderlich, damit der Gegenstand der Erfindung sich als zweckmäßig
erweist. Im allgemeinen werden eine oder mehrere der die Anzeige eines Meßinstrumentes
störenden Fehlerquellen um so größer sein, je größer der Ausschlag des Instrumentes
ist. Dies gilt sowohl für einzelne Fehler, systematische und nichtsystematische
Fehler, als auch für Fehlerguppen und Fehlerfunktionen: für den mittleren Fehler
und den wahrscheinlichsten Fehler. Auch dann treten die Vorteile der Erfindung auf.
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Angenäherte Proportionalität zwischen Fehler und Ausschlag wird .übrigens
tatsächlich in vielen Fällen vorliegen. Wenn beispielsweise irgendwelche Eigenschaften
von Gasen (etwa die mittleren Molekulargewichte) durch eine Meß- oder Anzeigevorrichtung
in Druckunterschiede umgesetzt werden, so werden diese Druckunterschiede ihrerseits
dem Druck proportional sein, unter dem sich das Gas befand. Dies gilt beispielsweise
für die erläuterten Schlagwetteranzeiger. Schwankungen des äußeren Luftdruckes z.
B. zwischen 700 mm und 770 mm, also von der Größenordnung io °/o,
sind keine Seltenheit; solche würden aber bereits in der Anzeige des Druckunterschiedes
einen Fehler von derselben Größenordnung - von io °/o - hervorrufen. Auf diese Weise
können schon leicht nicht vorauszusehende Einzelfehler von io °/o bei der Anzeige
auftreten. Ein Druckausgleich erfolgt bei den meisten Diffusionsschlagwetteranzeigern
nicht, da sich bei diesen das Vergleichsgas in einem abgeschlossenen Raum befindet,
der nur nach der porösen Wand, die ihn von dem zu untersuchenden Gas trennt, eine
teilweise Druckausgleichsmöglichkeit besitzt. Auf Grund der bei der Messung auftretenden
Diffusionserscheinungen wird aber an dieser Stelle vielfach gerade kein Druckausgleich,
sondern ein Druckunterschied, entsprechend den verschiedenen Diffusionsgeschwindigkeiten,
erzeugt.
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Auch Temperaturschwankungen rufen bei Gasen proportionale Schwankungen
des angezeigten Luftdruckes hervor, für j e 30' C Temperaturunterschied etwa
io °%. Dies gilt z. B., wenn die Temperatur sich mit der Umgebung ausgleichen kann,
so daß unter dem Einfluß des Temperaturausgleichs die abgeschlossene Luftmenge eine
Druckänderung erfährt. Ein mittlerer Fehler von io °/o, wie zur Erläuterung beispielsweise
angenommen, kann also schon auf Grund einer Fehlerquelle auftreten und muß beim
Zusammentreffen verschiedener Fehlerquellen durchaus als wahrscheinlich angesehen
werden.
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Der Luftdruck in Bergwerken ist größer als der Luftdruck in Höhe der
Erdoberfläche: In Tiefen von 6oo in beträgt dieser Druckunterschied bereits etwa
io °/o. Auf diese Weise entsteht ein einseitiger systematischer
Fehler,
wiederum von derselben Größenordnung. Man wird diesen, nachdem er erkannt ist, vermeiden
können. Man hat also zu berücksichtigen, daß die Schlagwetteranzeiger nicht in Höhe
der Erdoberfläche zu prüfen und zu eichen sind, sondern unter dem Druck, der im
Bergwerk voraussichtlich herrschen wird, oder man muß den zu erwartenden systematischen
Fehler bei der Prüfung berücksichtigen. Sowohl die Berücksichtigung des zu erwartenden
Fehlers als auch seine Vermeidung durch Vornahme der Eichung unter der Erde verursachen
neue Fehlerquellen oder Nachteile, die bei Verwendung eines Normalgases gemäß der
Erfindung vermieden werden.
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Die Diffusionsgeschwindigkeit v eines reinen Gases ist im wesentlichen
umgekehrt proportional der Wurzel aus dem Molekulargewicht m dieses Gases:
wo c bei gegebenem Druck und gegebener Temperatur eine Konstante ist. Es gilt daher
für alle reinen Gase:
Es sei v nun die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gasgemisches bei der Temperatur
und dem Druck, für den B gilt. Dann ist analog
das mittlere Molekulargewicht dieses Gasgemisches.
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Durch diese Definition ergibt sich auch für Gemische, für die an sich
nur die Molekulargewichte der Komponenten feststehen, ein ,wohl bestimmtes mittleres
Molekulargewicht.
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Unter Benutzung dieses Begriffes muß man zur Durchführung des Erfindungsgedankens
bei Prüfung der Luft auf Beimengungen, die leichter sind als diese, ein solches
Normalgas verwenden, dessen mittleres Molekulargewicht einen entsprechend geringeren
Wert hat als dasjenige der Luft, deren mittleres Molekulargewicht bei 29 liegt.
Dies geschieht entweder durch Beseitigung schwererer Bestandteile, wie Kohlensäure,
eines Teiles des Sauerstoffes usw. (beides Vorgänge, die durch bekannte Absorptionsmittel
leicht erreichbar sind) aus der Luft, oder durch Beifügung eines leichteren Zusatzgases,
wie Wasserstoff, Helium, Methan, Wasserdampf usw. Für genaue Messungen kommt als
Normalgas reiner . Stickstoff, der evtl. Edelgase enthalten kann, in Frage.
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.Bei.. Untersuchung. auf -Gase schwerer als Luft können schwerere
Gase, wie Sauerstoff, Kohlensäure usw., hinzugefügt, leichtere Gase, wie Wasserdampf,
aus der Luft absorbiert werden. Als reines Normalgas kommt beispielsweise Sauerstoff
in Frage. Wegen ihrer Unlust zu Reaktionen und daraus folgender gefahrloser Verwendbarkeit
können vorteilhaft auch Edelgase Verwendung finden, z. B. Argon bei Untersuchung
auf Gase schwerer als Luft, Helium bei Untersuchung auf Gase leichter als Luft.
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Nachdem es durch die Erfindung möglich geworden ist, die Meßgenauigkeit
zu erhöhen, wird nach dem weiteren Gegenstand der Erfindung gleichzeitig eine Fehlerquelle
ausgeschaltet, die bisher unberücksichtigt geblieben ist; da die Meßgenauigkeit
ohnehin so gering war, daß der Einfluß dieser Fehlerquelle zurücktrat. Um zuverlässige
Messungen zu erhalten, ist es nämlich erforderlich, daß das Normalgas eine absolut
konstante Zusammensetzung hat. Diese Bedingung ist nicht erfüllt, wenn man als Normalgas
Luft verwendet, die in ihrer Zusammensetzung -teils infolge räumlicher, teils infolge
besonderer zeitlicher Verhältnisse - schwankt. Selbst wenn man von dem wechselnden
Wasserdampf- und Kohlensäuregehalt der Luft absieht; der verhältnismäßig am leichtesten
beseitigt werden kann, so wird doch auch der Sauerstoffgehalt der Luft nicht konstant
sein, wenn diese z. B. in der Nähe von Ofen oder anderen Orten des Sauerstoffverbrauches
entnommen wird. Deshalb ist es weiterhin angezeigt, für genaue Messungen ein Gas
zu verwenden, dessen mittleres Molekulargewicht einmal den nach dem oben ausgeführten
Gesichtspunkte erhaltenen Wert hat, so daß der Ausschlag des Meßinstrumentes bei
den für die Messung besonders wichtigen Konzentrationen möglichst klein ist, das
sich jedoch überdies in möglichst gleichmäßiger und konstanter Zusammensetzung erhalten
läßt. ' , Die in bezug auf Diffusionsschlagwetteranzeiger erläuterte Erfindung läßt
sich allgemein auf jeden Vergleich eines Gases mit einem Normalgas anwenden, insbesondere
auch auf solche Schlagwetteranzeiger, bei denen ein ständiger Verbrauch an Normalgas
nicht stattfindet, sondern bei denen dieselbe Füllung für mehrere Messungen Verwendung
findet. Beispielsweise gilt dies für solche Schlagwetteranzeiger, die auf dem Vergleich
des Wärmeleitverrnögens verschiedener Gase beruhen. Dabei beschränkt sich die Erfindung
nicht auf Vorrichtungen zur Messung bestimmter Beimengungen zu bestimmten Gasen,
sie läßt sich vielmehr zur Erzielung höherer Meßgenauigkeit für jede Vorrichtung
- zum Vergleich zweier Gase anwenden. . ; , ...