-
-
Verfahren zur quantitativen Bestimmung des Gehaltes von Gasgemischen
an paramagnetischen Gasen1 insbesondere an Sauerstoff Zur quantitativen Bestimmung
von Sauerstoft in Gasgemischen dient unter anderem die spezifisch paramagnetische
Eigenschaft des molekularen Sauerstoffs im Magnetfeld. Obwohl die magnetische Suszeptibilität
des Sauerstoffs die der meisten anderen Gase, mit Ausnahme z. B. des Sticltoxyds,
um Größenordnungen übertrifft, ist die unmittelbare Messung der Suszeptibilität
zum Zweck der quantitativen Sauerstoffanalyse nicht vorteilhaft, da die bislang
bekannten Absolutbestimmungen der magnetischen Suszeptibilität nicht einfach genug
sind, um brauchbare Analysenmethoden darauf aufzubauen.
-
Es wurde auch vorgeschlagen, die Änderung der Wärmeleitfähigkeit
des Sauerstoffs im Magnetfeld zur quantitativen Sauerstoffbestimmung heranzuziehen.
Dieses Verfahren arbeitet mit Hilfe eines im homogenen Magnetfeld ausgespannten
Heizdrahtes, der von dem zu analysierenden Gasgemisch umspült wird und dessen Temperatur
sich infolge der verminderten Wärmeleitfähigkeit des Sauerstoffs -im Magnetfeld
erhöht. Die Temperatur-
erhöhung wird durch Messung des Widerstandes
des Heizdrahtes in einer Wheatstoneschen Brücke bestimmt und daraus auf den Sauerstoffgehalt
des den Heizdraht umspülenden Gasgemisches geschlossen.
-
Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in der geringen Größe des zur
Analyse herangezogenen - Effektes und der damit verbundenen Störmöglichkeit durch
Gase, deren Wärmeleitfähigkeit die des Sauerstoffs übertrifft. Wasserstoff und die
Edelgase z. B. erhöhen die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches so stark, daß der
geringe Effekt der Wärmeleitfähigkeitsänderung des Sauerstoffs im Magnetfeld verdeckt
wird. Es besteht zwar die Möglichkeit, durch Verwendung eines zweiten Heizdrahtes,
der sich außerhalb des Magnetfeldes befindet und vom gleichen Gasgemisch umspült
wird, die dadurch entstehenden Fehler zu kompensieren. Die Herstellung zweier vollkommen
abgeglichener Meßstellen bietet aber ganz erhebliche technische Schwierigkeiten.
-
Ein weiteres bekanntes Verfahren benutzt die Entstehung eines thermomagnetischen
Windes in der Nähe eines Heizdrahtes, der sich in einem inhomogenen Magnetfeld befindet,
zur Sauerstoffanalyse. Dieser magnetische Wind entsteht dadurch, daß der erhitzte
Sauerstoff in der Nähe des Heizdrahtes eine geringere Suszeptibilität und eine geringere
Dichte als der kohle Sauerstoff außerhalb des Wirkungsbereiches des Heizdrahtes
besitzt und daher zufolge der sich ergebenden geringeren Volumsuszeptibilität aus
dem Magnetfeld herausgeblasen wird. Dieser so entstehende thermomagnetische Wind
bewirkt naturgemäß eine Abkühlung des Heizdrahtes, die man durch Messung der Widerstandsänderung
desselben verfolgen und zur Sauerstoffanalyse ausnutzen kann.
-
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der Heizdraht zur
Vermeidung einer mechanischen Beschädigung nicht mit Gleichstrom oder technischem
Wechselstrom, sondern nur mit hochfrequentem Wechselstrom geheizt werden kann. Bei
der Heizung - mit - Gieiclr- -oder - nie-derfrequentem Wechselstrom würde nämlich
der Draht zufolge elektromagnetischer Kräfte ausudem. Magnetfeld herausgedrängt
und dadurch einer unzulässigen mechanischen Beanspruchung unterzogen werden.
-
Die Notwendigkeit, mit Hochfrequenzstrom zu heizen, bedingt naturgemäß
einen komplizierteren Apparateaufwand. Der Hauptnachteil des Verfahrens ist der,
daß es nicht für die kontinuierliche Analyse eines Gasstromes geeignet ist, da bereits
geringe Strömungsgeschwindigkeiten eine Störung des Temperaturgleichgewichtes des
Heizdrahtes bewirken. Analysengeräte nach diesem Prinzip haben ferner den Nachteils
daß sie lageempfindlich sind.
-
Die Strömung; die die Abkühlung des Heizdrahtes bewirkt, setzt sich
nämlich aus zwei Komponenten zusammen: einer, die ihre Ursache in dem bei schriebenen
thermomagnetischen Wind hat, und einer anderen, die als Schwereströmung wirkt, da
das durch den Heizdraht erwärmte Gas seine 13icktez ändert. Lageänderungen des Heizdrahtes
gegen das Schwerefeld ergeben eine Änderung dieser thermischen Schwereströrnung
und daher eine Fälschung des Analysenergebnisses.
-
EDs ist noch ein weiteres Verfahren bekannt, daß die paramagnetische
Eigenschaft des Sauerstoffs zu dessen Bestimmung ausnutzt. Bei diesem Verfahren
wird das Gasgemisch in das Innere einer Hochfrequenzspule eingeleitet und wirkt
gleichsam als Spulenkern. Entsprechend dem Anteil an paramagnetischen Bestandteilen
wird hierdurch die Selbstinduktion der Spule geändert. Diese Änderung der Induktion
der Spule bewirkt eine Verstimmung eines Hochfrequenzkreises, aus deren Größe man
den Anteil an paramagnetischen Substanzen bestimmen kann. Der Nachteil dieses Verfahrens
besteht in der geringen Größe des verwendeten Effektes und den damit verbundenen
meßtechnischen Schwierigkeiten.
-
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Sie betrifft allgemein ein
Verfahren zur quantitativen Bestimmung des Gehaltes von Gasgemischen an paramagnetischen
Gasen, das insbesondere zur Bestimmung von Sauerstoff dient. Das Verfahren besteht
darin, daß die Dielektrizitätskonstante des Gasgemisches in Magnetfeldern unterschiedlicher
Feldstärke gemessen wird. Aus der Größe der zu unterschiedlichen Werten bestimmten
Dielektrizitätskonstanten kann auf den verhältnismäßigen Anteil des paramagnetischen
Gases im Gasgemisch geschlossen werden, da nur jenes seine Dielektrizitätskonstante
mit dem Magnetfeld ändert.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt werden, daß das
zu analysierende Gasgemisch in einen Gaskondensator geleitet und die Änderung der
Kapazität beim Anlegen eines Magnetfeldes in an sich bekannter Art und Weise bestimmt
wird. Da sich die Kapazität mit der Dielektrizitätskonstanten ändert, ergibt die
gemessene Kapazitätsänderung unmittelbar den Gehalt an paramagnetischen Gasen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch so durchgeführt werden,
daß der zu analysierende, vorzugsweise geteilte Gasstrom- zwei Kondensatoren durchströmt,
von denen sich nur einer in einem Magnet£eldhefindet, und daß die Kapazitätsdifferenz
zwischen den beiden Kondensatoren bestimmt wird. Aus der gemessenen Kapazitätsdifferenz
läßt sich der Anteil beispielsweise des Sauerstoffs am Gemisch entweder rechnerisch
oder empirisch durch Eichung ermitteln.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet vollkommen trägheitslos und
ist daher hervorragend für eine Sofortanalyse geeignet. Mit Hilfe des neuen Verfahrens
können auch strömende Gase analysiert werden. Eine mehr oder minder lange Wartezeit
bis zur Betriebsbereitschaft, wie sie alle thermischen Analysengeräte zur Einstellung
des thermischen Gleichgewichtes benötigen, entfällt bei dem neuen Verfahren. Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die vollkommene Lageunempfindlichkeit,
da bei ihm keine Vorgänge auftreten, die durch das Schwerefeld irgendwie beeinflußt
werden. Das neue Verfahren ist demnach für den Flugzeugbau besonders geeignet. Es
kann
beispielsweise zur Steuerung des Atemlufthaushaltes im Flugzeug
dienen. Da sich Kapazitätsmessungen bekanntlich mit sehr großer Genauigkeit durchführen
lassen, kommt dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hohe Meßgenauigkeit zu.