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Verfahren zur selbsttätigen Anzeige von brennbaren Gasbeimengungen
Es ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem einem bestimmten Volumen zu untersuchender
Grubenluft der Dampf einer abgemessenen Menge Benzin, Li.groin oder Alkohol zugesetzt
wird. Weist nun die Grubenluft eine gewisse Grenzkonzentration an brennbaren Bestandteilen
auf, die zusammen mit der abgemessenen Menge Benzin- oder Alkoholdampf die Explosionsgrenze
erreicht, so löst eine Zündung,die Explosion und diese ein Signal aus.
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Dieses Verfahren weist verschiedene schwerwiegende iNTachteile auf,
.so daß es für den angegebenen Zweck zur Sicherung von Menschenleben und Sachwerten
wenig geeignet ist.
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Das Luftvolumen wird nämlich durch einen Kolben mit festbegrenztem
Hub angesaugt. Die angesaugte Menge ist also sowohl druckals auch temperaturabhängig
und demzufolge nie gleichbleibend. Die Menge .des zugesetzten Brennstoffes ist ebenfalls
verschieden, da die Viskosität des betreffenden Stoffes gleichfalls temperaturabhängig
ist. Die Anzeige wird also je nach den äußeren Verhältnissen verschieden ausfallen,
und eine genaue überwachung ,des brennbaren Bestandteiles der Grubenluft ist ausgeschlossen.
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Alle diese Nachteile werden bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
dadurch vermieden, daß das Gasgemisch unter selbsttätigerRegelung derVerdampfungstemperatur
mit dem in Vorrat :gehaltenen Brennstoff bis zum Erreichen des Sättigungsdruckes
angereichert wird, wobei mit einem luftdruckabhängigen Temperaturregler die Abhängigkeit
der geregelten Dampfkonzentration vom Luftdruck durch den Einfluß des Luftdruckes
auf die geregelte Temperatur kompensiert wird, derart, daß ein bestimmter Gehalt
des brennbaren Gases durch Aufsättigung unabhängig von den äußeren Einflüssen explosibel
gemacht wird.
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Als zusätzlicher Brennstoff gelangt hierbei vorteilhaft ein fester
Körper zur Verwendung, und es hat sich Naphthalin als für :diesen Zweck ganz besonders
geeignet gezeigt. Zur Erhöhung des Schmelzpunktes des Naphthalins wird diesem zweckmäßig
ß-Naphthol beigemischt.
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Zwar ist es an sich bereits bekannt, bestimmte Mischungsverhältnisse
bzw. Partialdrucke von Gasen und Dämpfen durch Verdampfung entsprechender Flüssigkeiten
bei bestimmten Temperaturen einzustellen, doch wird im vorliegenden Falle durch
die oben angegebenen Maßnahmen eine wesentliche Verbesserung der bekannten Gasanzeiger
erreicht. Das Verfahren -gemäß der Erfindung zeichnet sich
durch
eine bisher unerreichte Zuverlässigkeit aus und ist daher insbesondere auch zur
fortlaufenden genauen Feststellung des Methangehaltes in Grubenluft geeignet. Auch
bei. Mischungen von brennbaren Gasen oder Dämpfen, z. B. bei Leuchtgas, wird gemäß
dem Le Chatelierschen Gesetz der Ansprechpunkt in Bruchteilen der Explosionsgrenzkonzentration
der Mischung angegeben. Ferner ist :das Eintreten oder Nichteintreten einer gemäß
dem Verfahren erzeugten Explosion eine scharfe Reaktionsgrenze, welche größtmögliche
Genauigkeit verbürgt und weitgehend unabhängig von Begleitumständen, wie Zündspannung,
Temperatur usw., ist. Weiterhin zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß hohe
Arbeitstemperaturen vermieden werden und daher :die Beanspruchung von Meßwerkteilen
nur äußerst gering ist.
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Die Verwendung von zusätzlichen verdampfenden Stoffen, also Flüssigkeiten
oder festen Körpern, ist deshalb besonders zweckmäg, weil bei ihnen nur die eine
Bedingung zu erfüllen ist, daß eine bestimmte Temperatur des verdampfenden Stoffes
gewährleistet ist. Hierzu kann man bei Flüssigkeiten, um eine weitgehende Konstanz
des Flüssigkeitsspiegels unabhängig von der Speicherfüllung zu erreichen, beispielsweise
einen überlauf anordnen. Zur Vergrößerung der Oberfläche der verdampfenden Flüssigkeit
kann ein Docht benutzt werden, der an dem die Temperatur auf einen konstanten Wert
regelnden Organ angebracht ist.
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Als besonders zweckmäßig und einfach hat sich aber die Verwendung
fester brennbarer Stoffe. mit genügendem Dampfdruck gezeigt, die sich bequem und
einfach handhaben lasen und eine Gewähr für die Konstanz der Aufsätti.gungseinrichtung
bieten. Es hat sich nämlich ergeben, daß bei den notwendigen nur kleinen Gasgeschwindigkeiten
wenige Kubikzentimeter von lose geschüttetem, festem Stoff, beispielsweise Naphthalin,
unabhängig s-on der Geschwindigkeit für eine volle Rufsättigung mit Naphthalindampf
ausreichen. So wurden Versuche durchgeführt, bei denen der Stoff in einem Vorratsbehälter
untergebracht war und von .dort aus selbsttätig in den wesentlich kleineren Aufsättigungsraum
nach Maßgabe der Verdampfung herunterrieselte. Hierbei ist es nur. notwendig, diesen
kleinen Raum auf konstante Temperatur zu halten, während die im Gasstrom folgenden
Räume mindestens die Temperatur des Aussättigungsraumes haben müssen. Beispielsweise
hat sich bei Verwendung von Naphthalin ergeben, :daß 1,8 % Methangehalt mit
bei 77° C gesättigtem Naphthalindampf ihre Explosionsgrenze erreichen, 2,7
°/o Methangehalt dagegen schon bei 7i° C. Hieraus folgt, daß ein Unterschied von
6° C einer Methangehaltdifferenz von o,9 °jo entspricht. Da es aber keine Schwierigkeiten
bereitet, die "Temperatur auf + i° C konstant zu regeln, entspricht dies einer Anzeigegenauigkeit
von -'- ö, i 5 °lo Methangehalt, die für alle praktischen Zwecke völlig ausreichend
ist.
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Die Verwendung von lose geschüttetem Naphthalin zeigt aber insofern
einen Nachteil, als bei der nahe am Schmelzpunkt .des Naphthalins (8o,5°) liegenden
Arbeitstemperatur ein Sintern des festen Stoffes sich schwer vermeiden läßt und
dadurch Schwierigkeiten in der Ergänzung des Naphthalins eintreten. Diese Erschwerung
kann aber erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, daß der Stoff in Form einer
Kerze, z. B. in Form eines gegossenen Zylinders, angewandt wird, die genau in den
Verdampfungsraum paßt und sich beim Verbrauch durch Hineinschieben in den Raum,
am einfachsten mit Hilfe einer Federkraft, ergänzt. Dadurch ist ein völlig gleichmäßiger
Verbrauch des festen Stoffes erreicht und jeder tote Raum an der Stirnfläche des
festen Stoffes wird vermieden, so @daß sich eine Anzeigeverzögerung nicht einstellen
kann, die dadurch entstehen würde, daß durch den allmählichen Verbrauch des festen
Stoffes der Verdampfun:gsraum und damit ;die zu untersuchende Gasmenge vergrößert
werden würde.
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Das zu untersuchende Gas wird zweckmäßig mit möglichst kleiner Geschwindigkeit
in den Verdampfungsraum eingeleitet, um einerseits die Abmessungen des Gerätes und
andererseits den Verbrauch an zusätzlichem festem Stoff möglichst klein zu halten.
Eine derart geringe Gasgeschwindigkeit hat außer-,dem den Vorteil, daß die Flächen,
an denen sich der Gasstrom mit dem Dampf des festen Stoffes aufsättigt, sehr klein
sein können. Zur Einleitung des zu untersuchenden Gases wird eine Membranpumpe verwendet,
die sich für diesen Zweck als ganz besonders geeignet erwiesen hat.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich ergeben,
daß der Explosionsdruck sowie die Zündgrenzen weitgehend unabhängig von der Größe
des Explosionsraumes sowie der Energie und der Spannung des Zündfunkens sind. Beachtlich
dagegen ist der Einfluß des äußeren Luftdruckes auf den Explosionsdruck. Das verdampfende
Naphthalin gibt in dem Gemisch einen konstanten Partialdruck unabhängig vom Barometerstand.
Die Explosionsgrenze eines Naphthalin-Luft-Gemisches ist jedoch ziemlich unabhängig
vom Druck durch eine konstante Konzentration des Naphthalindampfes dargestellt.
Das gilt auch bei Anwesenheit eines konstanten Gehaltes an brennbaren
Gasen,
z.. B. von Methan. Die dadurch entstehende Abhängigkeit der zugemischten Naphthalinkonzentration
vom Luftdruck, die insbesondere im Grubenbetrieb eine beachtliche Rolle spielt,
ist jedoch sehr leicht zu beseitigen. Benutzt man nämlich für die Regelung der Heizung
des verdampfenden Stoffes eine mit einer Flüssigkeit von hohem Dampfdruck gefüllte
Membrandose, so ist der Temperaturpunkt, bei dem diese Dose infolge des Dampfdruckes
schaltet, luftdruckabhängig, und zwar nach dem gleichen Gesetz, mit .dem der Prozentsatz
eines bei konstanter Temperatur in Luft verdampfenden Stoffes vom Barometerstand
abhängt. Man regelt daher praktisch den Verdampfungsraum nicht auf konstante Temperatur,
sondern auf eine solche, die einen konstanten Dampfdruckunterschied der Ausdehnungsflüssigkeit
gegen den herrschenden Atmosphärendruck ergibt. Damit der Prozentsatz des beigemischten
Dampfes unabhängig vorn äußeren Luftdruck bleibt, sind folgende Bedingungen zu erfüllen:
«-ober p den Dampfdruck der die Temperatur regelnden Flüssigkeit, b .den jeweiligen
Barometerstand und P den Dampfdruck des verdampfenden Brennstoffes jeweils bei den
Temperaturen i bzw. 2 bedeuten. Die bei Benutzung von Naphthalin als verdampfenden
Stoff richtige Steilheit der Dampfdruckkurve des für die Temperaturregelung benutzten
Stoffes weist z. B. ein Gemisch von Penthan und Hexan auf.
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Im folgenden soll nun an Hand der Fig. i bis 3 ein Gerät beschrieben
werden, da,s für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet
ist. Die Fig. i stellt eine Draufsicht dar, während die Fig. 2 und 3 Schnitte nach
den Linien A-B bzw. C-D der Fig. i wiedergeben.
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In einem Metallblock i ist ein zylindrischer Hohlraum für die Naphthalinkerze
2 vorgesehen, die durch eine Feder 3 und ein Führungsrohr zentrisch auf den Boden
des Verdampfungsraumes 4. gedrückt wird. Daneben liegt der Explosionsraum 5, der
mit dem Aufsättigungsraum .4 durch einen Kanal 6 verbunden ist. Eine in den Raum
5 ragende Zündkerze 7 dient zur Zündung des Gemisches. Der beim Überschreiten eines
bestimmten einstellbaren Methangehalts auftretende Explosionsdruck wird durch ein
Meinbranmanoineter 8 auf einen Kontakt 9 übertragen. Damit dieser Kontakt, der in
beliebigen Schaltungen Warneinrichtungen oder ähnliche Geräte betätigen kann, nicht
allzu kurzzeitig entsprechend dem Zeitverlauf einer Explosion geschlossen ist, wird
dem Manometer zweckmäßig :durch Einsetzen einer einseitig wirkenden Klappe io eine
Verzögerung von einigen Sekunden gegeben. Die Spannung für den Zündfunken wird in
dem Transformator i i erzeugt, der an den Metallblock i fest angebaut ist. Hierbei
dient ein Synchronmotor 12 und ein Zeitgeber 13 zum kurzzeitigen Schließen des Zündfunkens,
und es läßt sich je nach Ausbildung der Kontaktscheibe 13 die Funkenfolge und -dauer
an der Zündkerze beliebig einstellen.
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Die Untersuchungen haben ergeben, daß der Naphthalindampf, wenn er
länger andauernden elektrischen Entladungen ausgesetzt wird, zu Phthalsäure verbrennt,
die sich auf den Wandungen des Explosionsraumes 5 niederschlägt. Verwendet man jedoch
mit Hilfe des Zeitgebers 13 Entladungen von wenigen hundertstel Sekunden, so bleibt
die sich bildende Phthalsäure infolge ihrer geringen Konzentration gasförmig. Außerdem
darf die Entladung nur so selten stattfinden, daß in der Zwischenzeit das Gasgemisch
wieder völlig ersetzt werden kann, da sonst die Möglichkeit auftritt, daß ein an
sich explosibles Gemisch unter Umständen nur selten eine Explosion ergibt.
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Zur Vervollständigung des Gerätes ist in den Block i in eine Bohrung
14. eine Heizpatrone eingeführt, die durch den Temperaturregler 15 gesteuert wird.
Durch Verstellen der Schraube 18 läßt sich der gewünschte Temperaturwert, der einem
bestimmten Gehalt an brennbarem Gas entspricht, einstellen. Man kann den Temperaturregler
mit einer Skala versehen, die verschiedene Konzentrationen des brennbaren Gases
durch Verdrehen der Schraube 18 einzustellen gestattet.
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Der Spannungswandler i i wird außer zur Erzeugung des Zündfunkens
noch dazu verwendet, die Membran 16 der Membranpumpe in Schwingung zu versetzen,
die das zu untersuchende Gasgemisch in den Aufsättigungsraum q. hineinpumpt. Die
Schwingung der Membran bewirkt hierbei in .den beiden Düsen 17 das Auftreten eines
Luftstromes, der in der zweiten Düse durch Ejektorwirkung so verstärkt wird, daß
er die erforderliche Geschwindigkeit erreicht.
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Das Gerät ist noch mit einem Gehäuse und einer Gaseintritts- und einer
Gasaustrittsöffnung versehen sowie mit engen Kapillaren oder Schlitzen für den Gasweg
zwischen der äußeren Atmosphäre und dem Explosionsraum, die in bekannter Weise eine
Ausbreitung der Explosion nach außen verhindern.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sicke bei Vernachlässigung
der oft nicht störenden
Luftdruckabhängigkeit außer auf die beschriebene
Weise auch noch so durchführen, daß die Heiztemperatur auf einen konstanten Wert
eingeregelt wird, derart, daß bei Überschreiten eines bestimmten Gehaltes an brennbarem
Gas die Explosion und damit die Anzeige erfolgt. Auch hierbei kann man die Höhe
der auf dem konstanten Wert zu haltenden Temperatur je nach der jeweils gewünschten
zulässigen Grenze des Gehaltes an brennbarem Gas wählen.
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Das beschriebene Gerät löst die Aufgabe, das Über- bzw. Unterschreiten
eines bestimmten Gehaltes an brennbarem Gas oder Dampf nach Art eines Relais selbsttätig
zu melden.
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Falls dagegen .die Aufgabe vorliegt, den oft schwankenden Gehalt an
brennbarem Gas ständig festzustellen oder aufzuzeichnen, so kann man die zur Verdampfung
des zusätzlichen Brennstoffes dienende Heizung durch eine erfolgte Explosion selbsttätig
abstellen und so lange außer Betrieb lassen, bis eine Zündung ohne Explosion eintritt,
wodurch die Heizung wieder einsgeschaltet wird. Die Temperatur -des Apparates wird
dadurch um einen Wert pendeln, der einen bestimmten Gehalt an brennbarem Gas entspricht.
Durch Kenntlichmachung der Temperatur kann man damit den jeweiligen Gehalt des brennenden
Gases fortlaufend zur Anzeige bringen.
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Unter Umständen ist es vorteilhaft, den Zündvorgang auf eine andere
Weise als beschrieben auszulösen. Insbesondere hat es sich bei Vereinigung des Membranpumpenantriebes
mit dem Stromwandler, der die Zündspannung erzeugt, bewährt, mit einer geringen
Leistung zu arbeiten, die nicht fortlaufend zu einer Entladung des sekundären Stromkreises
über die Zündkerze führt, sondern nur, wenn von Zeit zu Zeit, z. B. durch Kurzschließen
eines Vorwiderstandes, die an den Wandler gelegte Spannung stark vergrößert wird.
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Man kann auch die Zündung durch mechanische Bewegung des einen stromführenden
Teiles der Kerze herbeiführen, die durch den Motor 12 veranlaßt wird, und gewinnt
dadurch den Vorteil, mit viel geringeren Spannungen eine sichere Zündung zu gewährleisten.