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Verfahren zur Bestimmung eines Bestandteiles in einem Gemisch, insbesondere
von Gasen
Es ist bekannt, Gase in Gemischen mit anderen Gasen dadurch zu bestimmen,
daß die zu untersuchenden Gase von der Strahlung eines erwärmten Körpers durchsetzt
und die durch den zu bestimmenden Bestandteil bedingte Strahlungsabsorption der
Gemische beispielsweise mit Hilfe von Thermoelementen gemessen wird. Derartige Verfahren
sind insbesondere zum Bestimmen von Kohlensäure und Methan vorgeschlagen worden.
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Die Messung der Strahlungsabsorption beruht bei dem bekannten Verfahren
darauf, daß die Strahlungsabsorption des zu untersuchenden Gemisches mit derjenigen
eines anderen Gemisches verglichen wird, in dem der zu bestimmende Bestandteil nicht
oder in einer bekannten Konzentration enthalten ist.
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Es werden bei den bekannten Verfahren also zwei Strahlungsintensitäten
miteinander verglichen. Die Messungen der Intensitäten erfolgen vorzugsweise mit
Bolometern oder Thermoelementen. Diese Verfahren haben jedoch Nachteile. Selbst
wenn die beiden Vergleichsstrahlen aus der gleichen Energiequelle stammen, läßt
sich nicht vermeiden, daß sie bei ihrem Gang von der Energiequelle bis zu dem Meßinstrument
unterschiedlichen Einflüssen ausgesetzt sind. So genügen schon Stäubehen an den
Luftkammern oder geringfügige Verunreinigungen an den Fenstern bzw. Schlitzen, durch
die die Strahlen hindurchtreten, um unterschiedliche Streuungen und Wärmeabstrahlungen
hervorzurufen.
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Diese Fehlerquellen fallen um so mehr ins Gewicht, als es sich bei
den Messungen um sehr geringfügige Abweichungen von den Normalwerten handelt.
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Es ist bereits ein Verfahren zur Bestimmung, insbesondere von Kohlensäure,
bekannt geworden, das diese Nachteile vermeidet und das darin besteht, daß in den
Strahlengang eine Kalkpatplatte eingeschaltet und der Unterschied der Intensitäten
des ordentlichen und des außerordentlichen Strahles gemessen wird. Dies geschieht
beispielsweise dadurch, daß man den ordentlichen Strahl auf die eine Lötstelle eines
Thermoelementes, den außerordentlichen auf die andere wirken läßt, wobei die entsprechenden
Thermoströme ein Maß für den Kohlensäuregehalt der Luft bilden. Der doppelbrechende
Kalkspat ist nämlich ein Material, das in seiner ordentlichen Strahlrichtung selektiv
den Bereich von 4 Mikron absorbiert, während es in seiner außerordentlichen Strahlrichtung
beinahe ungeschwächt durchläßt. Die Kohlensäure besitzt in dem gleichen Wellenlängengehiet
eine starke Absorbtionsbande, und nur der außerordentliche Strahl enthält den durch
die Kohlensäure absorvierten Wellenbereich.
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Es ist weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung von Bestandteilen in
Stoffgemischen mittels selektiver Absorption von Wärmestrahlung bekannt geworden,
bei dem die Wärmestrahlung, nachdem sie das zu untersuchende Stoffgemisch passierte,
in eine Empfängerschicht eintritt, die dieselbe Wellenlänge wie der zu bestimmende
Bestandteil absori) iert und mit den anderen Bestandteilen des zu untersuchenden
Stoffgemisches keine oder relativ unwesentlich gemeinsam absorbierte Banden besitzt.
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Bei diesem Verfahren wird die durch die Strahlungsabsorptlon eingetretene
Temperatur-, Druck-oder Volumänderung der Empfängerschicht zur Bestimmung des zu
untersuchenden Stoffes verwendet. Um bei diesem Verfahren Schwankungen in der Energie
des Strahlers auszuschalten, ist vorgeschlagen worden, zwei Absorptionsschichten
zu verwenden, von denen Idie eine den zu bestimmenden Bestandteil nicht enthält,
wobei hinter beide unter sich, gleiche Empfängerschichten geschaltet sind, deren
Energiedifferenz gemessen wird. Dieses Verfahren bzw. die entsprechende Kompensationsmethode
haben den Nachteil eines umständlichen und kostspieligen aufbaues.
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Die Erfindung, die ein Verfahren zur Bestimmung eines Bestandteiles
in einem Gemisch. insbesondere von Gasen, betrifft, vermeidet die Nachteile der
bekannten Verfahren. Sie geht von dem zuleztzt beschrielenen Verfahren aus. Das
zu untersuchende Gemisch wird von einer Strahlung durchsetzt und die durch den zu
bestimmenden Bestandteil bedingte Strahlungsabsorption durch die Absorption der
Strahlung in einer Empfängerschicht gemessen, die dieselbe wellenlänge wie die des
zu bestiummenden Stoffes absorbiert und mit den anderen Stoffen des zu untersuchenden
Gasgemisches keine oder nur relativ schwache gemeinsame bsorptionsbanden hat. las
Wesen der Erfindung ist darin zu erblicken, daß auch die in der Empfängerschicht
nicht absorbierte Strahlungsenergie gemessen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise so durchgeführt
werden, daß die beiden Energiequellen im Kompensationsweg durchgeführt werden, und
zwar beispielsweise in der Weise, daß die in der Empfängerschicht nicht absorbierte
Strahlungsentgie von einem weiteren Stoff aufgefangen und daß die Temperaturdifferenz
zwischen diesem und der Empfängerschicht gemessen wird.
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Zur Durchführung des NTerfahrens. z. B. bei der Bestimmung von Kohlensäure.
kann hinter der Empfängerschicht eine weitere Gas oder sonstige Bestandteile enthaltende
Kammer angeordnet sein. die von Ider ersten beispielsweise durch ein Glimmer-oder
Steinsalzfenster getrennt ist. Die Empfänger schicht wird zweckmäßig mit Kohlensäure
gefüllt.
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Die von der Kohlensäure in der Empfängerschicht nicht absorbierte
Strahlung wird auch nicht bzw. nur unbedeutend von dem Fenster absorbiert und gelangt
in den zweiten Stoff. dessen absorbierte Energie gemessen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch derart durchgeführt werden.
daß die in der Empfängerschicht nicht absorbierte Strahlungsenergie von einem Körper
aufgefangen und von diesem vorzugsweise gleichmäßig auf die Empfängerschicht und
eine weitere Schicht verteilt wird, wobei die Temperaturdifferenz zwischen diesen
beiden gemessen wird. Bei diesem Verfahren werden die beiden Schichten in gleichem
Maße oder in gleichem Verhältnis von der Strahlung erwärmt. die außerhalb der Absorptionsbanden
des zu bestimmenden Stoffes liegen. Darüberhinaus wird die zunächst von der Strahlung
durchsetzte und hinter dem zu untersuchenden Gemisch angeordnete Schicht noch zusätzlich
erwärmt, da sie die Strahlung der Absorptionsbanden. z. b. von Kohlensäure, vollständig
oder teilweise absorbiert. Die Stärke der Strahlung der Absorptionsbande, die auf
die erste Schicht fällt, ist aller abhängig von dem Anteil des zu bestimmenden Stoffes
iii dem zu untersuchenden Gemisch.
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Zur Durchführung des Verfahrens kann eine Vorrichtung dienen, bei
der die Strahlung durch einen mit dem zu bestimmenden S toff. z.lJ. Kohlensäure,
gefüllten Behälter geführt und von einem vorzugsweise gut wärmeleitenden. strahlungsundurchlässigen
Körper z. 14. der Bebälterwand. aufgefangen wird. Bei dieser Vorrichtung kann die
Temperaturdifferenz beispielsweise zwischen der die Strahlung auffangenden Wand
und dem Inneren des den zu bvestimmenden Stoff enthaltenden Behälters gemessen werdne.
Vorzugsweise bei einer gut wärmeleitenden. die Strahlung aufnehmenden Wand des Behälters
wird von der außerhalb de@ Absorptionsbanden liegenden Strahlung eine gleichmäßige
Erwärmung der Wand und des Behälterinneren gewährleistet.
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Derartige Behälter können zur Bestimmung von gasförmigen, flüssigen
und festen Beimischungen in Gasen und Flässigkeiten dienen. Insbesondere ist diese
Vorrichtung zur lestiminung von Kohlensäure in Luft geeignet.
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Der den zu lestimmenlen Stoff enthaltende Behälter kann von einem
zweiten, allseitig ge-
schlossenen Behälter umgeben sein. Dieser
kann vorteilhaft ebenfalls mit dem zu bestimmenden Stoff gefüllt sei. Bei einer
derartigen Vorrichtung ist eine gleichmäßige Erwärmung des inneren und äußeren Behälters
gewährleistet, da die Wärmeleitfähigkeit der Füllung der beiden Behälter die gleiche
ist. So können z. B. bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von
Kohlensäure in Luft der innere und äußere Behälter mit Kohlensäure gefüllt sein.
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Im Interesse des Wärmeaustausches kann vorteilhaft eine metallene
Trennwand verwendet werden.
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Außerdem kann die von der Strahlung getroffene Wand zwischen den Behältern
kegelförmig ausgebildet und koaxial zur Strahlungsachse angeordnet sein. Die Temperaturdiferenz
zwischen den beiden erwärmten Stoffen kann auf jede mögliche Art und Weise bestimmt
werden; sie kann z. B. mit lSolometern, Thermometern o. dgl. gemessen werden.
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Eine besonders einfache Ausführungsform ist insbesondere bei Meßvorrichtungen
für Gase gegeben. wenn zur Bestimmung der Temperaturdifferenz ein zwischen beiden
Behältern eingeschaltetes Gasthermometer dient.
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Um die Strahlungsschwankungen des Strahlers auszuschalten. können
in und außerhalb des Strahlers je ein oder mehrere Thermoelemente angeordnet sein,
die über einen in dem äußeren Behälter befindlichen Widerstand m miteinander verbunden
sind. Bei geeigneter Wahl des Widerstandes und der Temperatur der zweiten Leitstelle
können über ein verhältnismäßig großes Gehiet Schwankungen der Strahlertemperatur
in einer den Anforderungen genügenden Genauigkeit eliminiert werden. Eine einfache
Ausführungsform hesteht darin, daß das hzw. die außerhalb des Strahlers angeordneten
Thermoelemente in dem äußeren Behälter liegen und vorzugsweise den Widerstand bilden.
l)ie Strahlung kann auf alle möglichen Arten erzeugt werden. Ntorteilhaft dient
zur Erzeugung der Strahlung ein Strahler, der auf diejenige Temperatur gebracht
wird, daß das nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz in an sich bekannter Weise
zu berechnende Maximum der Strahlung mit der günstigsten Alsorptionsbande des zu
bestimmenden Bestandteiles zusammenfällt.
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Soll die Vorrichtung zur Bestimmung von Kohlensäure dienen. dann
kann als Strahler eine Kohlensäure bildende bzw. enthaltende Flamme verwendet werden.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
schematisch im Schnitt dargestellt, die zur Bestimmung von Kohlensäure in Luft dient.
l)er topfförmige Strahler 1 ist von einer nicht gezeichneten Heizspirale umgeben,
mit der er auf etwa 6000 erhitzt wird. In Richtung des Strahlers I und unter ihm
befindet sich das Meßrohr 2, durch tlas die zu untersuchende Luft geleitet wird.
An diesem Meßrohr 2 ist gleichartig der Empfänger 3 lsefestigt. Dieser wird im wesentlichen
aus zwei geschlossenen Metallgefäßen gebildet, und zwar der mit Kohlensäure angefüllten
und kegelförmigen Meßkammer 4, die in die äußere zylindrische, ebenfalls mit Kohlensäure
angefüllte Kammer 5 ineinragt. Der Kegelmantel kann beispielsweise aus 0,2 mm Kupferblechen
gebildet sien. Die beiden Gefäße sind gegeneinander und nach außen luftdicht abgeschlossen
und kommunizieren nur durch das als Gasthermometer dienende U-Rhr 6, das mit einer
Speerrflüssigkeit, beispielsweise Xylol 7, gefüllt ist. Der eine Meniskus der Sperrflüssigkeit
kann mit einem in der Höhe verstellbaren Mikroskop mit Okularskala, das mit 8 angedeutet
ist, abgelesen werden. In der Verlängerung des Meßrohres 2 ist die Meßkammer 4 mit
einem aus Steinsalz hestehenden Fenster 9 versehen. Das Fenster kann zum Schutz
gegen Feuchtigkeit mit einem Glimmerplättchen versehen sein; dies hat allerdings
den Nachteil, daß das Glimmerplättchen einen Teil der wirksamen Strahlung absorbiert.
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Jede der beiden Kammern 4 und 5 besitzt noch je ein Paar Zuleitungsrohre
10, die zum Füllen der Kammer mit Kohlensäure dienen und bei einwandfreier Füllung
abgeschlossen werden.
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In das Meßrohr kann ein Sperrschieber 1 1 eingebaut sein, um die
Strahlung vom Strahler I zum Empfänger 3 zu unterbrechen. Die beiden Kammern 4 und
5 sind mit Hilfe von Bändern 12 an dem den Empfänger umhüllenden Kasten 13 befestigt.
Die Bänder I2 regeln gleichzeitig die Wärmeschwankungen der Außenluft und greifen
derart an die Kammern 4 und 5 an, daß Temperaturschwankungen sich beiden Kammern
gleichmäßig mitteilen.
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Die aus dem Ofen I kommende Wärmestrahlung wird durch mehrfache Reflektion
an der Wand des Meßrohres 2 zusammengehalten und gelangt durch das Fenster 9 in
die Kammer 4. Sie wird, soweit es sich um Strah!ungen innerhalb der Kohlensäurehande
handelt, innerhalb der Meßkammer 4 absorbiert. Der Strahlungsrest gelangt auf die
beiden Kammern 4 und 5 gemeinsame Kegelwand, deren Erwärmung sich den beiden Kammern
genügend gleichmäßig mitteilt. Ein verhältnismäßig kleiner Überschuß, den die Meßkammer
4 erhält, bewirkt, wie die Versuche gezeigt haben, keine Störungen.
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Eine meßbare und eindeutige Erwärmung des Inhaltes der Kammer 4 hewirkt
nur derjenige Teil der Gesamtstrahlung, der innerhalb der Kohlensäureabsorptionsbande
liegt. Dieser Anteil ist um so kleiner, je größer die Kohlensäurekonzentration der
zu untersuchenden Luft in dem Meßrohr 2 ist. Das Maß der stärkeren Erwärmung der
Kammer 4 im Verhältnis zur Kammer 5 ist also ein Maß für den Kohlensäuregehalt der
zu untersuchenden Luft.
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Die Temperaturdifferenz kann mit Hilfe des Ablesemikroskopes am Sperrflüssigkeitsmeniskus
abgelesen werden.
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An Stelle des elektrisch geheizten Strahlers kann auch eine nicht
leuchtende, vorzugsweise in Form einer Zentralflamme ausgebildete Gasflamme verwendet
werden.
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Bei der Verwendung eines elektrischen Ofens können, um von Temperaturschwankungen
unabhängig zu sein, einmal in dem Ofen ein Thermo-
element aus dickem
Konstantankupfer und zum anderen eine zweite Lötstelle außerhalb des Ofens angeordnet
sein. Die Leitungen von der einen zur anderen Lötstelle können in die Kompensationskammer
5 eingeführt und dort an einen Widerstand gelegt werden. Die zweite Lötstelle kann
sich aber auch selbst in der Kompensationskammer 5 befinden.