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Vorrichtung zur Anzeige und Registrierung kleiner Schwankungen des
Sauerstoffgehaltes der Luft Für viele biologische und medizinische Zwecke ergibt
sich die Notwendigkeit, fortlaufend feinste Änderungen im 02 Gehalt der Luft zu
messen und bestimmten anderen Geschehnissen zeitlich zuzuordnen. Große Empfindlichkeit,
fortlaufende Messung und entsprechende Einstellungsgeschwindigkeit sind für die
hier einzusetzenden Methoden zu fordern.
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Für technische Zwecke sind verschiedene Verfahren bekannt, bei denen
die Veränderung der Zusammensetzung von Gasgemischen mit Hilfe von Hitzdrahteinrichtungen
quantitativ fortlaufend bestimmt wird. Die Grundlage aller dieser Anordnungen ist
die, d'aß ein elektrisch geheizter feiner Draht, meistens in Brückenschaltung, gegen
einen zweiten gleicher Abmessung und Beheizung in dem zu prüfenden Gasgemisch angeordnet
wird, während der Vergleichsdraht in einem Vergleichsgas sich befindet. Häufig wird
dabei so vorgegangen, daß das zu untersuchende Gasgemisch, dem einen Hitzdraht direkt
zugeleitet wird, während es vor dem zweiten Hitzdraht eine Absorptionsvorrichtung
passieren muß, in welcher der jeweils interessierende Gasbestandteil chemisch gebunden
wird. Hierdurch ergibt sich eine Verschiedenheit der Wärmeleitfähigkeit für das
unveränderte und das veränderte Gasgemisch, welche zu verschiedenen Kühleffekten
an den beiden Hitzdrahten und damit zu Unterschieden in deren elektrischem Widerstand
führt. Das Galvanometer der Brückenschaltung macht Ausschläge, welche direkte quantitative
Schlüsse auf die Konzentration des zu prüfenden Gasbestandteiles zulassen. Der ausschlaggebende
Faktor ist in allen diesen Anordnungen die Wärmeleitfähigkeit des Gases. Die Empfindlichkeit
der Messung wurde in den letzten Jahren besonders dadurch gesteigert, daß die störenden
Strömungeffekte nach Möglichkeit ausgeschaltet wurden. Es wurde zu diesem Zwecke
der Gasstrom während der eigentlichen Messung unterbrochen oder -aber die Rohrleitung
um den Hitzdraht herum zur Meßkammer erweitert, so daß dort die Strömung auf ein
Minimum herabgedrückt wird. Die Anordnung der Hitzdrähte wurde meistens so getroffen,
daß die Wärmekonvektion eine möglichst geringe Rolle spielt, d. h. die Drähte lagen
in der Strömungsachse des Gasstromes ausgespannt.
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Für die obengenannten Zwecke kam ein Prinzip, das allein auf der Messung
der Wärmeleitfähigkeit fußt, nicht in Frage. Ist doch die relative Wärmeleitzahl
des reinen Sauerstoffes gleich 1,032, die des reinen Stickstoffes gleich o,998.
Die zu messenden Sauerstoffverarmungen der Luft aber bewegen sich in der Größenordnung
von o,o1-6°Jo. Die bei solch geringer
Sauerstoffverarmung auftretende
Minderung der Wärmeleitfähigkeit gestattet mit den oben erörterten Methoden keine
befriedigende Messung mehr, was im Experiment sehr bald festgestellt wurde.
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Im Gegensatz zu anderen Veränderungen der Luft, etwa Zusatz von C02,
werden durch die 02-Verarmung der Luft aber auch noch andere physikalische Konstanten
so verändert, daß die Hitzdrahtabkühlung durch Wärmekonvektion im gleichen Sinne
beeinflußt werden muß wie durch die Veränderung der Wärmeleitfähigkeit, nämlich
im Sinne einer Verringerung. Vorauszusagen war das (s. Handb. d. Experimental-Physik
von Wien-Harms IVl, S. 639 ff .) für die spezifische Wärme (N2= 0,249; 02 =o,218)
sowie für das spezifische Gewicht (Gewicht des Normalliters N2=1,2507; 02=1,q.290)
(Zahlenangaben nach Kohlrausch, Praktische Physik, 193o). Im Gegensatz hierzu wird
z. B. bei C02 Anreicherung in der Luft wohl auch die Wärmeleitfähigkeit der Luft
geringer, während die spezifische Wärme gleichfalls abnimmt und das spezifische
Gewicht ansteigt. Für die C02 Messung in Luft würde also die oben gekennzeichnete,
heute allgemein befolgte Regel gelten, daß die Wärmekonvektion am Hitzdraht tunlichst
zu vermeiden wäre, da sie dem Effekt der Wärmeleitung entgegenwirkt, während für
die Bestimmung der 02 Verarmung im Gegenteil der Effekt der Wärmeleitung durch die
Ausnützung der Wärmekonvektion unterstützt werden muß.
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Das Experiment bestätigte diese Grundlage: im strömenden Gas kam die
02 Verarmung quantitativ mit 5- bis 8facher Empfindlichkeit zur Anzeige als wie
bei stehendem Gas. OZ Verarmungen der Luft einer Größenordnung von o,oi °/o wurden
so überhaupt erst sauber meßbar.
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Im Gegensatz zu den auf der reinen Veränderung der Wärmeleitfähigkeit
fußenden Verfahren mußte also für die Messung der Sauerstoffverarmung in Luft die
Strömung des Gases statt zu einer Störungsquelle zu einem Grundsatz werden. Die
Anordnung der Hitzdrähte war demzufolge nach geradezu entgegengesetzten Regeln vorzunehmen
i. Die Drähte mußten, um die beste Wirksamkeit zu haben, senkrecht (also nicht in
der Längsrichtung) vom Gasstrom getroffen werden.
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2. Die Hitzdrahtdüse mußte zur Vermeidung einer Stromverlangsamung
und Veränderung der Gasdichte am Hitzdraht tunlichst die gleiche geringe Weite haben
wie die zuführenden Röhren (gewählt wurden Kapillaren von i mm lichter Weite, um
den Totraum so klein wie möglich zu halten).
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Die Verringerung des spezifischen Gewichtes durch 02 Verarmung ließ
sich weiterhin dadurch in gleichfalls fördernder Weise ausnützen, daß die zu den
Hitzdrähten führenden Röhren senkrecht angeordnet und. zu einem U-Rohr vereinigt
wurden. In einem senkrecht stehenden U-Rohr gelten bei Füllung der Schenkel mit
zwei spezifisch verschieden schweren Gasen die gleichen Verteilungsgesetze wie für
Flüssigkeiten. Bei Jängsamem Absaugen am untersten Punkte des ,°1-Rohres wird in
der Zeiteinheit mehr von dem spezifisch schwereren Gas durch den einen Rohrschenkel
fließen als von dem leichteren Gas durch den anderen Schenkel. Die Differenz ist
verschwindend klein, aber sie genügt bei der bekannten großen Rolle, welche die
Gasgeschwindigkeit bei der Abkühlung der Hitzdrähte in einer Differentialanordnung
spielt, um die Abnahme der Drahtkühlung bei 02 Verarmung der Luft durch Wärmeleitung
und Wärmekonvektion meßbar zu unterstützen.
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Dementsprechend sind bei der neuen Vorrichtung zur Sauerstoffmessung
erfindungsgemäß zwei senkrecht stehende, unten zu einem U-Rohr vereinigte Kapillaren
gleicher Weite vorgesehen, in welchen je einer der Hitzdrähte horizontal angeordnet
ist und welche unter der Wirkung eines geringen konstanten Soges von oben nach unten
durchströmt werden.
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Die Abb. i der Zeichnung zeigt schematisch die neue Anordnung: Bei
A Einblasung der zu analysierenden Luft (10o bis Zoo ccm/Min.) und Durchgang durch
eine Vorrichtung zur Absorption von C02 und H2 0: Aus der weiteren Röhre C wird
(durch .den Hahn i regulierbar) kontinuierlich eine sehr kleine Luftmenge (2 bis
3 ccm/Min.) durch eine i mm weite senkrechte Röhre abgesaugt. Parallel zur letzteren
ist eine genau gleiche Röhre angeordnet. Bei D Eintritt unveränderter Frischluft
in diese nach vorheriger Absorption von C02 und H2 0. Beide Kapillaren stehen senkrecht
in einem gemeinsamen Wasserbad und sind unten 7u einem U-Rohr ergänzt. Am tiefsten
Punkt erfolgt die kontinuierliche Absaugung an dem Stutzen E. In den beiden senkrechten
Rohrschenkeln liegen die beiden Hitzdrahtdüsen von nur 2 mm lichter Weite mit je
drei zueinander parallelen Platiniridiumdrähten von o,oz mm Dicke. Die Drähte werden
senkrecht von dem von oben nach unten gerichteten Luftstrom getroffen. Die Hitzdrähte
sind, wie in der Zeichnung angedeutet, in bekannter Weise in Brückenschaltung angeordnet.
Wird sowohl durch A wie durch D unveränderte Frischluft eingelassen,
so wird nach Abgleichung des Luftstromes in den beiden Rohrschenkeln mittels der
Hähne i und 2 das Brückengalvanometer in Ruhe verharren. Enthält aber die durch
A eintretende Luft weniger 02 (etwa Atemluft), so wird, entsprechend den oben angegebenen
physikalischen Grundlagen, der Hitzdraht durch Wärmeleitung und Wärmekonvektion
weniger gekühlt. Durch Abnahme des spezifischen Gewichtes der Gassäule in einem
Schenkel wird zugleich auf der betroffenen Seite der Durchstrom durch die Hitzdrahtdüse
verringert.
Das ist aber gleichbedeutend mit einer Unterstützung
der vorher erwähnten Wirkung von Wärmeleitfähigkeit und Wärmekonvektion.
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Die Abb. 2 zeigt die Wiedergabe einer photographisch registrierten
Eichkurve. Die Null-
linie entspricht einem Durchgang von Frischluft durch
beide Düsen. Zuerst wurde ein Eichgemisch von 4,85°/o C02 Gehalt in der Luft und
mit einer 02 Verarmung gegen Frischluft von - 6,290/, eingelassen. Die C02
Analyse wurde mit einer anderen Vorrichtung gleichzeitig mitregistriert. Etwas später
(die Zeitsignale bedeuten jeweils zo Sek.) wurde die eingelassene Luftprobe mit
Frischluft verdünnt. Der so sich einstellende neue Wert betrug für 02 eine Verminderung
von nur noch 4,2o °/o (-4,200/, 02 verglichen mit Frischluft). Schließlich wurde
durch Einlassen von Frischluft in beide Rohrschenkel wieder die Nullinie festgestellt.
Die Anordnung zeigt also direkt die 02 Verarmung der Luft in linearen Ausschlägen
an. Nullinie ist der 02 Gehalt der Frischluft.