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Schaltungsanordnung für die magnetische Sauerstoffkonzentrations-Messung
nach dem Hitzdrahtprinzip Es ist bereits bekannt, in beliebigen Gasgemischen die
Konzentration des Sauerstoffs mittels einer Hitzdrahtanordnung zu messen, die sich
in einem magnetischen Feld befindet. Das Verfahren beruht darauf, daß infolge der
hohen Suszeptibilität des Sauerstoffs an dem Hitzdraht ein Konvektionsstrom entsteht,
dessen Größe von dem Sauerstoffgehalt des Gases abhängt. Der wesentliche Fortschritt
gegenüber anderen Hitzdrahtverfahren für gasanalytische Zwecke ist bei diesem hier
als bekannt angegebenem Verfahren darin zu erblicken, daß der Konvektionsstrom nur
bei paramagnetischen Gasen auftritt und daher alleiii vom Sauerstoffpartialdruck
abhängt. Es ist damit ein für diese Gasart spezifisches Meßverfahren geschaffen.
Nun hängt die Temperatur eines im magnetischen Feld angeordneten Hitzdrahtes naturgemäß
nicht nur vom Sauerstoffl)artial druck ab. sondern infolge von Konvektion im Schwerefeld
und infolge der reinen Wärmeleitung auch von anderen, nicht spezifisch dem Sauerstoff
eigentümlichen physikalischen Eigenschaften des umgebenden Gases. Ordnet man zur
Messung der Temperatur des Hitzdrahtes einen zweiten gleichen, jedoch ohne magnetisches
Feld, an und umgiht ihn mit dem gleichen zu analysierenden Gas, so ist wenigstens
für den Sauerstoffgehalt O die Temperaturdifferenz zwischen heiden Meßdrähten völlig
unabhängig von der weiteren Zusammensetzung des Gases gleich null. Die technisch
wichtige Aufgabe, kompliziert zusammengesetzte Gasgemische auf geringe Sauerstoffkonzentrationen
zu prüfen, ist demnach auf diese Weise gut zu lösen.
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Trägt man die an einer derartigen Anordnung gemessenen Temperaturdifferenzen
des Meß- und Vergleichshitzdrahtes für verschiedene Konzen-
trationene
an Sauerstoff mit einer beliebigen zweiten Komponente auf, so erhält man Empfindlichkeitskurven
für das Meßgeräts, die für die meisten Gasarten sehr nahe beieinander liegen. Nur
für Gase mit extrem abweichenden physikalischen Konstantcn, wie \\'ärmeleitung und
Zähigkeit, ergibt sich eine starke Abweichung des Kurvenlaufs.
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Wasserstoff z.B. bei geringem O2-Gehalt eine sehr starke Verringerung
der Empfindlichkeit, weil die Meßdrahttemperaturen hei konstant gehaltener Heizstromstärke
infolge des hohen Leitvermögens sehr stark herabgesetzt sind. Für die Sauerstoffkonzentration
100% ergeben naturgemäß alle Gasarten die gleiche Meßempfindlichkeit, so daß sidh
die Kurven in diesem zweiten Punkt ebenfalls schneiden.
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Es ist vorgeschlagen worden, den Eiiifluß des Wärmeleitvermögens
der Gasmischung auf die Meßdrahttemperaturen ulrd damit auf die Größe des magnetischen
Konvektionsstromes dadurch auszuschließen, daß der magnetische Konvektionsstrom
innerhalb eines rohrförmigen Tempraturmeßelementes erzeugt wird, welches das zu
untersuchende Gas enthält. Außen ist das Rohr von einem Gas konstanter Eigenschaften,
praktisch beispielsweise von Luft, umgeben und weist daher eine konstante Übertemperatur
auf, unabhängig von der in Innern hefindlichen Gasart. Man verwirklicht diese als
isotherm bezeichnete Anordnung dadurch, daß die für die Messung benutztem Hitzdrähte
um cin dünnes Isolierröhren, beispielsweise aus Glas, gewickelt werden. Der Meß-
und der Vergleichszweig einer Wheatstonebrücke liegen in dem Gasstrom. der durch
einseitiges Anordnen eines starken magnetischen Feldes erzeugt wird, entweder hintereinander
oder nebeneinander. Tritt infolge eines Sauerstoffgehaltes eion magnetischer Konvektionsstrom
auf, so wird das Nteßelement durch gekühlt. während das im Gasstrom dahintergeschaltete,
sonst gleiche Vergleichselement die fühlbare Wärme des aufgeheizten Gasstromes erhält
und daher mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit erwärmt wird. Die auftretende
Temperaturdifferenz ist weitgehend unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Gases.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß beispielsweise wasserstoffhalrige Gase infolge geringerer
Zähigkeit und Dichte im Gegeiisatz zu der zuerst heschrielienen Meßanordnung in
dieser zweiten isothermen Anordnung eine höhere Empfindlichkeit besitzen als Gasmischungen.
die hei gleicher Sauerstoffkonzentration beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxyd
enthalten.
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Erfindungsgemäß wird nun die unterschiedliche Empfindlichkeit für
verschiedene Gasarten in der N lessung dadurch kompensiert, daß das zu messende
Gas einem durch den Hitzdraht verursachten Temperaturgefälle in einem Magnetfeld
ausgesetzt wird und gleichzeitig von einem weiteren, unter dem i'influß eines Magnetfeldes
stehenden elektrisch lieheizteii hohen Meßsystem in der ganzen Ausdehnung seines
Hohlraumes auf dessen Wandtemperatur gebracht wird, wobei die Beeinflussung der
Temperaturen beiden Meßsysteme durch die sich ausbildenden magnetischen Konvektionsströme
als Aleßgröße dient. l)ie Summe der lx'ideii Effekte v wirkt dann aul das Galvanometer
im Diagonalzweig der aus den beiden Arten von Meßelementen gebildeten Brücke ein.
Entweder schaltet man beide Einrichtungen neben- oder hindurcheinander in en gleichen
Zweigder Brücke oder in gegenüberliegende Zweige.
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Durch Dimensionierung der Meßelemente kani man erreichen, daß mindestens
für eine beliebig wählbare mittlere Sauerstoffkonzentration die Empfindlichkeit
unabhängig von der zweiten Gasart avird, so daß für Gasmischungen mit l'elieliig
vielen Komponenten eine exakte Sauerstoffmessung unabhängig von der sonstigeil Zusammensetzung
ermöglicht wird. Exakt wird diese Unabhängig keit zwar nur für eine liestimmte Sauerstoffkonzentration
erreicht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Kompensation in genügend großen Bereichen
ausreichend genau arheitet.
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In der Zeichnung sind in Fig. t und Fig. 2 zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. In Fig. 1 sind die heiden einem magnetischen Fel(l ausgesetzten
verschiedenartigen Meßelemente in gegenüberliegenden Zweigen der Wheatstonebrücke
angeordnet, während nach Fig. 2 ein isothermes Meßsystem das andere. Temperaturgefälle
erzeugende Meßdrahtsystem konzentrisch umgibt.
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In Fig. 1 ist das isotherme Meßdrahtsystem mit 1 bezeichnet, der
dazu gehörende Vergleichsdraht mit 2. Das andere, Temperaturgefälle erzeugende System
führt die Bezeichnung 3 und der dazu gehörende Vergleichsdraht ist mit 4 bezeichnet.
In der Diagonale der Brücke liegt das Galvanometer 5. Die Speisung der Brücke erfolgt
über die Spannungsteiler 6 Unt 7. Durch diese Anordnung der Systeme und ihrer Vergleichssysteme
ist eine völlige Symmetrie gewährleistet. Zur Feinabstimmung der Empfindlichkeit
beider Hälften derart, daß die Sauerstoffempfindlichkeit unabhängig von der Zusammensetzung
des Gasgemisches wird. kann man die Stärke des einen Magnetfeldes verändern, während
das andere konstant gehalten wird. Vorzutiehen ist jedoch eine Methode, nach der
die Temperatur der Hitzdrahtelemente derart variiert wird, daß sich die Überempfindlichkeit,
beispielsweise für Wasserstoff, an der einen Art Nleßelemeiit durch die Unterempfindlichkeit
an dem anderen kompensiert. Zu diesem Zweck dienen die Widerstande 6 und 7, die
eiiieii verstellbaren Mittelabgriff für <lie Stromzuführung aufweisen.
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In der Fig. 2 umgibt jeweils ein isothermes System ein ein Temperaturgefälle
erzeugen des System, also ein System 1 cin System 1 a und das entsprechende Vergleichssystem
2 den Vergleichsdraht 2a. Entweder werden beide Systeme parallel geschaltet, was
jedoch die Stromstärke der Einrichtung unnötig vergrößert. oder sie werden hintereinander
in einen Zweig der Brücke geschaltet. Diese Anordnungen haben vor der erstgenannten
den Vorzug, daß für beide Hitzdraht-
systeme nur ein einziges Magnetfeld
gebraucht wird. Auch hier kann die Abstimung der beiden Arten von Hitzdrahtsystemen
auf gleiche Empfindlichkeit durch Veränderung der Spannungsteiler 6 und 7 durchgeführt
werden. Es genügt, in diesem Fall auch nur einen dieser Widerstände vorzusehen;
denn in der dargestellten Anordnung mit insgesamt 4 isothermen Systemen und 4 llitzdrähten
bleibt die Symmetrie der Brücke bei Verstellung nur eines der beide Spannungsteiler
6 oder 7 erhalten.
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In einer Ausführung bei der die Systeme 3, 3n, 4 und Aa durch unveränderliche
Widerstände ersetzt wären und die den Vorteil der Einfachheit mit dem Nachteil geingerer
Empfindlichkeit verbinden, würde, müßten dagegen, wie in der Einrichtung gemäß Fig.
t, die beiden Spannungsteiler gleichmäßig verstellt werden, damit der Nullpunkt
unverändert erhalten bleiht. In allen Fällen gehen Übergangswiderstände an dem Mittelabgriff
der Spanitungsteiler nicht in die äußerst empfindliche Brückenmessung ein.