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Vorrichtung zur selbsttätigen Durchführung analytischer Verfahren
zur Bestirnrnung von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Halogen und Schwefel
(z. B. nach Pregl oder Ter Meulen) Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur selbsttätigen Durchführung quantitativer analytischer Verfahren zur Bestimmung
von Sohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Halogen und Schwefel, z. B. nach P r e
gl oder Ter Meulen. Bei derartigen Bestimmungen wird eine kleine Menge des zu untersuchenden
Stoffes (je nach der Größe dieser Menge unterscheidet man Mikro-, Halbmikro-und
Makroverfahren) in einem von einem Gas, vornehmlich Sauerstoff, durchströmten Rohr
aus unverbrennbarem Material, z. B.
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Glas, vergast. Die Dämpfe werden über Katalysatoren geleitet, wo sie
sich zu einheitlichen Substanzen umsetzen, z. B. zu CO2, HO, N2 usw., und die aus
dem Rohrende herausstrb menden Gase werden in geeigneten Vorlagen aufgefangen. Diese
Bestimmungsverfahren erfordern eine sefif- gleichmäßige und langsame Erhitzung des
zu verdampfenden Stoffes. Um sicher zu sein, daß tatsächlich der gesamte zu untersuchende
Stoff völlig verbrennt, insbesondere bei solchen Stoffen, die Koks oder Glanzkohle
als Rückstand hinterlassen, ist es notwendig, vor Schluß der Verbrennung besonders
stark zu erhitzen. Außerdem müssen etwa sich bildende Niederschläge von zurücksublimierter
Substanz durch besonderes Erhitzen des Anfangstieiles des Verbrennungsrobres wieder
verdampft werden. Der bewegliche Brenner muß also je nach dem Ablauf der Verbrennung
schneller oder langsamer vorgeschoben, unter Umständen auch wieder an den Anfang
des Verbrennungsrohres zurückgenommen und zum Schluß längere Zeit an einer Stelle
gehalten werdlen. Er führt also eine sehr ungleichmäßige Bewegung aus.
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Für alle diese Maßnahmen sind viele Handgriffe und eine dauernde Überwachung
erforderlich, so daß eine derartige Untersuchung den Arbeitenden längere Zeit vollständig
in Anspruch nimmt.
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Es ist schon bekanntgeworden; die brewegliche Wärmequelle auf einem
Wagen anzuordnen und diesen durch ein Uhrwerk, welches auf verschledene Geschwindigkeiten
eingestellt werden kann, zu bewegen. Auch bei dieser bekannten Vorrichtung ist noch
eine wesentliche Überwachung durch den die Analyse Ausführenden erforderlich. Die
durch diese Vorrichtung bewirkte Beheizullg muß für die verschiedenen zu analysierenden
Stoffe auf verschiedene Geschwindigkeiten eingestellt werden. Doch auch dann ist
noch keine Sicherheit dafür gegeben, daß wirklich eine vollständige und einwandfreie
Verbrennung erzielt ist. Deshalb ist es blei der bekannten Vorrichtung unter Umständen
notwendig, die Gaszufuhr von Hand zu regeln und die Beheizung nach Zurückschieben
des Brenners
von Hand zu wiederholen. Das Arbeiten mit dieser Vorrichtung
erfordert daher viele Kenntnisse und große Aufmerksamkeit. Auch braucht jede Verbrennung
eine lange Zeit.
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Durch die Erfindung sollen alle diese Nachteile beseitigt und es
soll eine Vorrichtung geschaffen werden, die nach Inbetriebsetzung ohne Überwachung
im emmaligen Lauf innerhalb kürzester Frist eine gleichmäßige und vollständige Vergasung
ohne Rücksublimierung gewährleistet und unabhängig von dem jeweils zu verbrennenden
Stoff stets mit gleicher Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit arbeitet, ohne jedesmal
besonders eingestellt werden zu müssen.
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Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß für die verschiedensten
Stoffe zuverlässige Ergebnisse erzielt werden können, wenn man nach anfänglichem
langsamerem Aufheizen den Stoff plötzlich eine Zeitlang sehr viel stärker erhitzt.
Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß bei einer Vorrichtung zur selbsttätigen
Durchführung analytischer Verfahren zur Bestimmung von Kohlenstoff, Wasserstoff,
Stickstoff, Halogen und Schwefel (z.B. nach Pregl oder Ter Meulen) durch Vergasen
des Stoffes in seiner von einem Gas, vornehmlich Sauerstoff, durchströmten Vergasungsröhre,
die von einer beweglich angeordneten, durch ein Uhrwerk bewegten Wärmequelle (Gasbrenner,
elektrische Heizvorrichtung) beheizt wird, ein Schalter oder ein Ventil zur Erhöhung
der Heizkraft der Wärmequelle während oder am Schluß der Bewegimg vorgesehen ist,
das durch eine aufgespeicherte Kraft (Federkraft, Gev. icht) plötzlich eingeschaltet
wird, indem eine Sperrung durch die bewegte Wärmequelle oder ihren Antrieb ausgelöst
wird. Diese Vorrichtung ermöglicht es, die Verbrennung der Hauptmlenge sehr langsam
und bei sehr niedrigen Temperaturen durchzuführen, so daß alle-Sicherheit gegeben
ist, daß die Verbrennung auf keinen Fall tu rasch vor sich geht, was eine Unsicherheit
im Ergebnis zur Folge haben könnte. Andererseits gewährleistet die Endbeheizung
unter allen Umständen und bei allen zu untersuchenden Stoffen die vollkommeine Verbrennung.
Dadurch ist es möglich, für die Kohlenstoff-, Wasserstoff-lmd Stickstoffbestimmtung
unabhängig von der Art des zu analysierenden Stoffes mit einer einzigen Geschwindigkeit
auszukommen, die zudem noch so gewählt werden kann, daß die ganze Verbrennung in
25 Minuten durchgeführt ist.
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Umständliche Voreinstellungen für jeden einzelnen Stoff werden also
im Gegensatz iu den bekannten Vorrichtungen vermieden.
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Eine Änderung der Geschwindigkeit kommt nur dann in Betracht, wenn
Serienanalysen bestimmter schwer oder nicht flüchtiger Stoffc, z. B. Koksproben,
oder Halogen- und Schwefelbestimmungen ausgeführt werden sollen. Dann kann im ersten
Fall mit mehr Sauerstoff, heißerer Flamme und entsprechend größerer Geschwindigkeit
verbrannt werden, so daß die Gesamtdauer der Analyse, abgesehen von den Wägungen,
auf die erstaunlich kurze Zeit von 15 Minuten herabgesetzt lverden kann. Im zweiten
Fall ist die Vorlaufszeit des Brenners auf 50 Minuten einzustellen.
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Eine besonders einfache Form des Antriebes ergibt sich dadurch, daß
als Triebkraft für den die Wärmequelle tragenden Tagen o. dgl. ein Gewichts- oder
Federzug vorgesehen ist und ein Uhrwerk nur die Geschwindigkeit des Vorschubes regelt
bzlv. begrenzt. Das hat den Vorteil, daß das Uhrverk viel schwächer gewählt werden
kann, als wenn es die Antriebskraft selbst aufbringen müßte, und daß sich auch vorhandene
Uhr verke, wie sie z. B. als Wecker bei Röntgenbestrahlungen benutzt werden, dafür
verwenden lassen.
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Der Schalter oder das Ventil zur Erhöhung der Heizkraft der Wärmequelle
kann so gebaut sein, daß er zur Zuführung der anfänglich geringeren Wärmemenge zunächst
nur wenig und erst gegen Ende der Heizzeit ganz geöffnet ist. Eine besonders große
Sicherheit dagegen, daß die Schalter oder Ventile falsch eingestellt werden, ist
aber dann gegeben, wenn der Schalter oder das Ventil zur Erhöhung der Heizkraft
derWärmequelle zunächst abgeschaltet oder geschlossen ist und der anfänglich notwendige
elektrische oder Gasheizstrom dem Vergasmlgsbrenner durch eine besondere, beliebig
zu drossellide Umgehungsleitung zufließt.
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Die neue Vorrichtung macht in den meisten Fällen besondere Maßnahmen
zur Beseitigung der Niederschläge von zurücksublimierter Substanz unntig. Bei gleichmäßig
verb rennenden Substanzen treten bei Ver vendung der Vorrichtung derartige Niederschläge
überhaupt nicht auf, und auch bei ungleichmäßig verbrennenden Stoffen spielen sie
kaum eine Rolle. Um sie aber unter allen Umständen zu vermeiden und damit die Zuverlässigkeit
der Untersuchungen für jeden Fall sicherzustellen, kann vor der Vergastungsstrscke
im Vergasungsrohr eine verengte Sperrzone vorgesehen sein, die einen katalytisch
wirkenden Körper enthält und durch eine feststehende Wärmequelle besonders beheizt
werden kann.
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Die Wärmequelle für die Sperrzone kann auch gemeinsam mit dem beweglichen
Brenner auf dem Wagen montiert werden und sich so mit dem Vergasungsbrenner bewegen.
Sie kann ausgeschaltet werden, sobald die verstärkte Endbeheizung einsetzt. Das
Ventil für die Verstärkung der Lndbeheizung kann deshalb auch
so
ausgebildet werden, daß es gleichzeitig die verstärkte Gaszufuhr für den Vergasungsbrenner
einschaltet und die Gaszufuhr für den Sperrzonenbrenner ausschaltet. Das Ventil
wirkt hier also wie eine Weiche für den Gasstrom.
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Der katalytisch wirkende Körper kann aus einem wenigstens einseitig
geschlossenen Zylinder aus Platin oder aus einem mir Platindraht oder -blech umwickelten
Körper aus unverbrennbarem Material, z. B. Glas, Porzellan o. dgl., bestehen.
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Die mit Katalysatoren gefüllten und ständig beheizten Teile des Verbrennungsrohres
werden zweckmäßig mit Metallblöcken, -rohren o. dgl. umgeben. Dadurch wird das Verbrennungsrohr
vor jeder unmittelbaren Berührung mit den Heizgasen und vor schroffen Temperaturwechseln
geschützt. Die Temperatur über die ganze Ofenlänge wird nahezu vollständig konstant,
und infolge der thermischen Trägheit der verhältnismäßig großen Afetallmasse können
vorübergehende Schwankungen des Gasdruckes die Temperatur des Ofens nur wenig beeinflussen;
das Rohr selbst wird geschont. Man verwendet zweckmäßig dicke Blöclie aus Metallen
von hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Alurninium oder Kupfer, wenn die Temperatur unter
5000 bleiben soll. Für höhere Temperaturen ist die Verwendung dünner Rohre aus Eisen
oder einer nicht zundernden Legierung vorzuziehen. Zum Zweck der leichten Verstellbarkeit
aller Einzelteil, können alle tragenden Teile auf einer Längsschiene festgeschraubt
werden. Diese Schiene ist auf der der Uhr abgekehrten Seite etwas länger als der
eigentliche Apparat, um einen weiteren Brenner oder ein Gestell für die Adsorptionsapparate
tragen zu können.
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Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt: Fig. I die Seitenansicht, Fig. 2 die
Draufsicht im Schnitt nach der Linie 1-1 der Fig. I, Fig. 3 einen Schnitt nach der
Linie II-II der Fig. I, Fig. 4 bis 8 Einzelheiten.
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Die T-förmige Grundschiene I, die den bei einfachen optischen Bänken
gebräuchlichen entspricht, ist mittels der Querschienen 2 unu 3 auf dem Tisch 4
o. dgl. aufgestellt. Auf ihr sind die beiden Ständer 5 und 6 festgeschraubt, in
denen das aus schwer schmelzbarem Glas bestehende Verbrennungsrohr 7 gelagert ist.
An den beiden Ständern 5 und 6 sind außerdem die durchbohrten Schutzbleche 5' und
6', an diesen die beiden Stäbe 8 und 8' befestigt, an denen je ein Blech g und g'
hängt, um die Flammen vor Zugluft zu schützen. Der Träger 5 endigt in einer Rohrschelle
7', mit der das Verbrennungsrohr festgehalten werden kann. Die zweite Hälfte des
Rohres 7 ist von den beiden Metallblöcken (Öfen) 10 und 11 umgeben, die z.B. aus
Aluminium oder Kupfer bestehen. Sie werden in der Mitte von einem Band 13 getragen,
das in die Stäbe 9 und 9' eingehängt werden kann.
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An den Seiten werden sie unterstützt durch den Träger 1 2 bzw. den
am Träger 6 befestigten Haken 14. Im Bereich der beiden Blöcke 10 und 11 ist das
Verbrennungsrohr 7 mit Katalysatoren gehüllt. Zur dauernden Beheizung der Blöcke
10 und ii dienen die Gasbrenner 15 und 17, die auf der Schiene I beweglich befestigt
sind. Brenner 16 dient zum raschen Aufheizen der beiden Blöcke 10 und ii. Zwischen
den beiden Ständern 5 und 12 sind in geeigneter Höhe die beiden Fahrschienen 18
und 19 befestigt, auf denen der den Vergasungsbrenner 20 tragende Wagen 21 läuft.
Von ihm gehen die Schnüre 22 und 22' über die am Ständer 6 befestigten Rollen 23
und 23' zu den Zuggewichten 24 und 24', die die Vorwärtsbewegung des Wagens 21 bewirken.
Nach der anderen Seite hin steht der Wagen durch die Schnur 25 mit dem Uhr'verk
26 in Verbindung, durch das die Geschwindigkeit des Wagenlaufes geregelt wird.
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Das dargestellte Uhrwerk ist von der Art, daß durch Drehung des Zeigers
im Sinne des Uhrzeigers die Ablaufzeit eingestellt wird und der Zeiger beim Ablauf
entgegen dem Uhrzeigersinn zur Ausgangsstelle zurückkehrt.
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Auf der Zeigenvelle sitzt die auswechselbare Schnurscheibe 27, an
der die Schnur 25 befestigt ist.
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Eine normale Verbrennung dauert z. B.
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30 Minuten. Davon fallen zo Minuten auf den Vorschub und 10 Minuten
auf volle Beheizung bei ruhendem Brenner. Die Uhr wird also auf 30 gestellt. Bei
langsamer Verbrennung wird die kleine Schnurscheibe 28 benutzt und die Uhr auf 50
gestellt. Der Vorschub dauert also 40 Minuten. Die Uhr läuft noch 10 Minuten weiter
und gibt dann ein Signal, das die Beendigung der Analyse anzeigt. Die Uhr besitzt
ferner eine Abstellvorrichtung, die es ermöglicht, den Ablauf zu unterbrechen.
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Es ist selbstverständlich möglich, durch andere Abmessungen der Schnurscheiben
andere Wege und Laufzeiten zu erreichen.
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Ebenso kann natürlich eine andere Art von Regelungsuhr verwendet xverden.
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An dem Brenner 20 sind mittels der Tragdrähte 29 und 30 das zylindrische
Drahtgewebe 31, welches das Vergasungsrohr 7 umgibt, und das Dach 32 befestigt.
Das Drahtgewebe 31 wird vom Brenner 20 unmittelbar beheizt und überträgt die Wärme
auf das Rohr 7.
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Am Beginn der Wagenlaufbahn ist noch ein
Brenner
33 vorgesehen, der das Rohr 7 unmittelbar er wärmt An der von ihm beheizten Stelle
liegt im Rohr der einseitig geschlossene Platinzylinder 34, so daß nur ein enger
Durchgangsquerschnitt frei ist.
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Die Gasbrenner 15 und I7 erhalten ihr Gas aus der Zuleitung 35. Diese
wird zrveclimäßig über einen Gasdruckregler an das Gasnetz angeschlossen. Der Brenner
33 wird von der Leitung 36 gespeist, die direkt an dem Netz angeschlossen ist. Dem
Vergasungsbrenner 20 wird das Gas aus einer Abzweigung 37 der Leitung 36 über den
beliebig einzustellenden Hahn 38 zugeführt. Außerdem steht der Brenner 20 noch über
das Ventil 39 unmittelbar mit der Leitung 36 in Verbindung, so daß er bei geöffnetem
Ventil 39, ungeachtet der Drosseleinstellung des Hahnes 38, die volle Gasmenge erhält.
Das Ventil 39 besteht aus einem Glaskolben 40 mit zwei Ansatzstutzen 41 und i2 der
in Fig. 4 bis 6 gezeichneten Form und ist teilweise mit Quecksilber gefüllt. Die
Enden der beiden Ansätze 41 und 42 liegen in der gleichen Achse und sind in einem
U-förmigen Lager 43 gelagert, das am Ständer 5 befestigt ist. An dem Stutzen 41
ist die Abznveigleitung, z. B. Gummischlauch, der Leitung 36 (Fig. 3), am Stutzen
42 die Weiterleitung45, z. B. Gummischlauch, zum Brenner 20 angeschlossen. Der Glaskolben
40 (Fig. 4, 5 und 6) ist mittels der Verbindung 46 mit dem Hebelarm 47 verbunden,
der fest auf der Achse 48 sitzt, die in t dem am Ständer 5 befestigten U-förmigen
Lager 49 drehbar gelagert ist. Der andere Arm 50-des Hebels liegt parallel zu den
Fahrschienen I8 und 19.
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Ist der Hebel 47, 50 frei drehbar, so zieht ihn das Gewicht des Ventils
39 in die in Fig. 4 (Ansicht von hinten) gezeichnete Stellung, in der das Ventil
offen ist. Im Gegensatz dazu ist das Ventil in der in Fig. 6 (Ansicht von hinten)
gezeichneten Stellung, in der der Hebelarm 50 durch den Anschlag 51 niedergehalten
wird, geschlossen. Dies ist der Fall, solange der Anschlag-sI des Wagens 21 auf
dem Hebelarm 50 entlang gleitet, und der Brenner 20 erhält nur wenig Gas über die
gedrosselte Zuleittmg 37. Gleitet bei weiterer Bewegung des Wagens der Anschlag
51 vom Hebelarm 50 herunter, so zieht das Gewicht des Ventils 39 dieses in die geöffnete
Stellung (Fig. 4), wodurch der Brenner 20 die volle Gasmenge erhält.
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Das Ventil kann während des Versuches durch den Griff 52, der auf
der Achse 48 sitzt, willkürlich geschlossen werden, z. B. um ein Zuriickzichen des
Wagens 21 zu ermöglichcn und so das Eierbren lungsschiffchen der Betrachtung zugänglich
zu machen. Beim Zurückziehen des Wagens 21 aus der Endstellung wird das Ventil 39
selbsttätig gespannt. indem der Hebelarm 50 sclbsttätig heruntcrgedrückt wird, so
daß der Apparat durch eine einfache Drehung des Uhrzeigers und Abstellen der Heizung
der Gasleitung 36 für die nächste Verbrennung bereit ist. 53 bedeutet ein Platinschiffchen,
in dem die zu vergasende Substanz in der üblichen Weise in das Verbrennungsrohr
eingeführt wird.
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Die Spannung des Ventils 39 beim Zurückziehen des Wagens 2I erfolgt
durch folgende in den Fig. 4 bis 8 dargestellte Vorrichtung, die der besseren Übersicht
halber in den Fig. I und 2 weggelassen ist.
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Über den Anschlag 51 des Wagens 21 ist ein Rohrstück 54 geschoben,
an dem sich ein kleiner Zahn 55 und gegenüber ein leicht gebogenes Blech 56 befinden
(Fig 4). Außerdem trägt das Rohrstück 54 einen einarmigen Hebel 57, auf dem ein
Fallbammer 58, an dem ein Anschlag 66 angebracht ist, verschiebbar befestigt ist:
An der Gleitschiene 19 ist eine Sperrvorrichtung 59 (Fig. 4 und 6) angebracht, die
den Zahn 55 in einer Richtung durchgleiten läßt, in entgegengesetzter Richtung aber
nach oben drückt, so daß der Fallhammer 58 mit dem Anschlag 66 auf den Hebelarm
50 des Ventils 39 geworfen wird (Fig. 6). Das Ventil wird also geschlossen, wenn
der Fallhammer waagerecht liegt (Fig. 6), während bei senkrechter Stellung des Fallhammers
(Fig. 4) der Hebelarm 50 freigegeben ist und damit das Ventil kippen kann.
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Die Sperrvorrichtung 59 für den Zahl 55 besteht aus einem kleinen
Pendel 60, das oberhalb seines Drehpunktes 61 eine Verlängerung 62 besitzt, die
die Vorbeibewegung des Zahnes 55 in einer Richtung hemmt und ihn in der anderen
Richtung durchgleiten läßt.
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Dies wird dadurch erreicht, daß das Pendel 60 wegen des Anschlages
63 nur nach einer Richtung ausschlagen kann (Fig. 4 und 6).
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Beim Zurückziehen des Wagens 21 bis zur Anfangsstellung schiebt sich
das Blech 56 (Fig. 7 Seitenansicht von hinten, Fig. 8 Draufsicht) auf einen an der
Schiene 19 mittelt Stellringes 64 befestigten Anschlag 65. Das Blech 56 wird infolge
seiner Krümmung aufgerichtet und damit der Fallhammer 58 in seine ursprüngliche
Lage gebracht.
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Um ein Überkippen des Fallhammers nach rückwärts zu vermeiden, hat
der Wagen den Anschlag 67 (Fig. 4 und 6). Zur Verhinderung des Durchschlagens des
Fallhammers nach unten dient der Anschlag 68 am Blech 56, der sich auf die Schiene
19 legt. Diese Begrenzungsanschläge könnten natürlich auch an anderen Stellen und
Teilen angebracht sein.
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Die angegebene Vorrichtung zum selbsttätigen Spannen des Ventils
39 kann auch fehlen.
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Dann wird beim Zurückziehen des Wagens 21 der Hebel 47, 50 mittels
des Griffes 52 in die waagerechte Lage gedreht, so daß der Anschlag 51 auf den Hebel
50 gleiten kann.