DE965171C - Verfahren zur Analyse von Gasmischungen - Google Patents

Verfahren zur Analyse von Gasmischungen

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DE965171C
DE965171C DE1948P0012130 DEP0012130D DE965171C DE 965171 C DE965171 C DE 965171C DE 1948P0012130 DE1948P0012130 DE 1948P0012130 DE P0012130 D DEP0012130 D DE P0012130D DE 965171 C DE965171 C DE 965171C
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DE1948P0012130
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Dr Phil Heinz Gruess
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested
    • G01N27/185Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested using a catharometer

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Description

  • Verfahren zur Analyse von Gasmischungen Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Analyse von Gasmischungen auf einen sich von den anderen Gasbestandteilen in der Anzahl seiner Atome unterscheidenden Gasbestandteil, z. B. CO.2 in Rauchgasen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gasmischungen zu analysieren, die komplizierter zusammengesetzt sind als binäre NIischungen. Bekanntlich sind die sogenannten unspezifischen physikalischen Analysenverfahren, z. B. das Wärmeleitverfahren, prinzipiell auf binäre Mischungen beschränkt. Dies fiihrt z. B. dazu, daß die C O2-Anzeige von solchen Rauchgasprüfern beim Auftreten von Spuren von Wasserstoff im Rauchgas fehlerhaft wird, da Wasserstoff sich vom Stickstoff in seinen Eigenschaften noch stärker unterscheidet als Kohlendioxyd.
  • Es ist zwar bekannt, zur Untersuchung des Sauerstoffgehaltes von Gasgemischen eine Meßanordnung mit zwei Hitzdrähten zu verwenden und die Temperaturdifferenz der Hitzdrähte infolge der rein thermischen Konvektion zu messen.
  • Jedoch liegen hier die Hitzdrähte in zwei Kammern, deren eine in dem zu messenden Gasgemisch und deren andere von einem Vergleichsgas, z.B.
  • Luft, durchströmt wird. Bei derartigen Messungen werden also zwei verschiedene Gase miteinander verglichen. Weiterhin ist es bekannt, bei der magnetischen Sauerstoffmessung zwei Hitzdrähte in einer Kammer anzuordnen, wohei der eine Draht innerhalb eines inhomogenen magnetischen Feldes liegt. Bei Anwesenheit von Sauerstoff in der Kammer bildet sich infolge der paramagnetischen Eigenschaften desselben an dem im Magnetfeld liegenden Hitzdraht eine andere Luftzirkulation aus als an dem im magnetfeldfreien Raum liegenden Draht. Ursache für die Verschiedenheit der Luftzirkulation und die unterschiedliche Temperatur der Hitzdrähte ist also das auf den paramagnetischen Sauerstoff einwirkende magnetische Feld.
  • Gemäß der Erfindung werden die in der Temperatur zu vergleichenden Hitzdrähte in getrennten Kammern, die sich jedoch in ihren Abmessungen bzw. ihrer Lage im Schwerefeld unterscheiden, angeordnet, und es wird die infolge der rein thermisch bedingten Unterschiede in den Konvektionsströmungen an den Hitzdrähten auftretende Temperaturdifferenz als Maß für den Anteil eines sich in der Anzahl der Atome von den übrigen Gasen des zu untersuchenden Gemisches unterscheidenden Gasbestandteiles bestimmt.
  • Zweckmäßig wird dabei der eine Hitzdraht in einer verhältnismäßig engen waagerechten und der andere Hitzdraht in einer verhältnismäßig engen senkrechten Meßkammer angeordnet. Ferner wird zweckmäßig einer der Meßdrähte mittels exzentrischer Haltebuchsen verstellbar in dem zugehörigen Zylinder angebracht, so daß er sich stufenlos in seiner Temperatur verändern läßt.
  • Die von einem Hitzdraht abgegebene Wärmemenge bzw. die sich an ihm einstellende Übertemperatur, die man als die vorzugsweise zu benutzende Nleßgröße anzusehen hat, ist eine äußerst komplizierte Funktion der verschiedenen physikalischen Eigenschaften des den Hitzdraht umgebenden Mediums. In erster Linie bestimmt naturgemäß das Wärmeleitvermögen die sich einstellende Übertemperatur. Bei der Wärmeleitmessung wird durch Anordnung enger senkrechter Nleßkammern sogar erreicht, daß außer der Strahlung die Wärmeleitfähigkeit praktisch ohne jeden Einfluß der Konvektion die Meßdraht-tSbertemperatur bestimmt. Wählt man jedoch weitere Nießkammerquerschnitte und insbesondere eine waagerechte Lage des Nleßdrahtes so können sich Konvektionsströme ungehindert ausbilden, indem nach Fig. I halbkreisförmige Wirbel entstehen, die unter Erwärmung senkrecht von unten nach oben an dem Draht vorbeiströmen. ihn kühlen und an den Kammerwänden sich abkühlend zurückfließen.
  • In Fig. I sind diese Wirbel mit I und 2, der Draht mit 3 und die Kammer mit 4 bezeichnet. Im Gegensatz dazu wird in senkrecht gelagerten. insbesondere engen zylindrischen Kammern der Meßdraht nur am untersten Ende durch einen Konvektionsstrom gekühlt, während seine weitere Oberfläche durch den an ihn aufsteigenden warmen Konvektionsstrom in Form eines Zylindermantels völlig gegen diese Wärmeverluste geschützt ist.
  • Diese Schutzwirkung ergibt sich z. B. aus der sehr geringen Druckabhängigkeit der Wärmeleitmessung in senkrechter Lage im Vergleich mit der Druckabhängigkeit dieser Messung in waagerechter Lage der Kammer. Der Druckeinfluß ist im letzteren Fall allein auf Konvektionsverluste zurückzuführen, da die Wärmeleitfähigkeit der Gase nach der kinetischen Gastheorie völlig u'alihängig vom Druck ist. Aus dem tnterschied der Empfindlichkeiten der Meßkammern in senkrechter und waagerechter Lage folgt im übrigen, daß in beiden Fällen für Kammerdurchmesser von z. B.
  • 7 mm die Konvektionsverluste 1,5 bzw. 10% der insgesamt transportierten Wärme betragen. Um das der Wärmeleitmessung entgegengesetzte Extrem, die Messung eines durch Wärmeleitung in erster Näherung nicht beeinflußten Konvektionstransportes zu verwirklichen, kann man daher den Temperaturunterschied zweier Meßdrähte benutzen, von denen der eine waagerecht und der andere senkrecht in zylindrischen Kammern angeordnet ist.
  • Eine solche senkrechte Kammer zeigt die Fig. 2.
  • Hier sind die Wirbel mit 5 und 6, der Hitzdraht mit 7 und die Kammer mit 8 bezeichnet.
  • Man kann die beiden Meßdrähte auch in verschieden weiten Rohren anordnen. Natürlich ist auch eine Kombination beider Anordnungen möglich. Der als Differenz der Meßdrahttemperaturen gemessene reine Konvddionsanteil ist in erster Näherung unabhängig von der Wärmeleitung, weil die einschränkende Bedingung der Benutzung eines Vergleichsgases, wie sie beim Wärmeleitmesser nötig ist, fortfällt, d. h. weil beide unterschiedlichen Meßkammern mit einem und demselben Gas gefüllt sein können. Damit erhält man einen Freiheitsgrad mehr und kann daher an Stelle binärer Gassysteme auch kompliziert zusammengesetzte erfolgreich analysieren.
  • In Ausführung des Erfindungsgedankens sind die Meßgeräte zweckmäßig mit zwei senkrechten und mit zwei waagerechten Meßkammern auszurüsten, die in dem gleichen Gasstrom angeordnet sind und deren Meßdrähte in eine Wheatstonel)rücke geschaltet sind. Der auftretende Diagonalstrom der Brücke ist ein Maß für den Unterschied des \Värmeüberganges. Es läßt sich nun theoretisch nachweisen, daß seine Größe charakteristisch ist für die Anzahl der Atome im Molekül des die Meßdrähte umgehenden Gases. Bei Mischungen von l>eliebig viel zweiatomigen Gasen mit einem dreiatomigen ist er daher ein eindeutiges Maß der Konzentration dieses Gases.
  • Eine für Luft abgestimmte Wheatstonehrücke mit zwei waagerechten und mit zwei senkrechten Ilitzdrähten behält für jede Hitzdraht- und jede Kammerwandungstemperatur und für jedes belieloige zweiatomige Gasgemisch seinen Nullpunkt.
  • Die Abstimmung des Nullpunktes mit Luft müßte etwa in der Weise geschehen, daß die senkrecht gelagerte Meßkammer einen etwas größeren Durchmesser erhält als die waagerechte. oder daß die Länge oder Exzentrizität der Lage des Meßdrahtes oder die Querschnittsform der Kammer so gewählt wird, daß die Übertemperaturen der beiden Drähte identisch werden.
  • Um den Nullpunkt herbeizuführen, sind die Abmessungen der einen Kammer zu variieren. Da im allgemeinen die genannten Baudaten nicht stufenlos variiert werden können, derart, daß der Nullpunkt tatsächlich genau erreicht wird, insbesondere da gleiche Meßdrahttemperaturen von vornherein nicht mit genauem Nullpunkt übereinzustimmen brauchen, kann man das Erreichen eines absolut genauen Nullpunktes von vornherein nicht gewährleisten. Erniidungsgemäfi wird nun so vorgegangen: Gemäß Fig. 3 besteht die Buchse 9 für die Meßdrahthalterung 10 aus einem drehbaren exzentrischen Einsatz, in welchem der Draht 10 ebenfalls exzentrisch gelagert ist. Durch Verdrehen des Einsatzes 9 kann die Exzentrizität des Drahtes gegenüber der Kammerwandung in genügend weiten Grenzen stufenlos variiert werden. Der Nullpunkt der Brücke kann daher mit Sicherheit eingestellt werden. Damit ist die praktische Realisierbarkeit der Invariaiiz des Nullpunktes durch die Gasart gesichert.
  • Es kommt darauf an, daß sich in der senkrechten und der mit ihr verglichenen waagerechten Nleßkammer tatsächlich ein Gas von genau gleicher Zusammensetzung befindet. Bei ständigem Gaswechsel ist zur Erfüllung dieser Bedingung notwendig, daß die Ausspülverzögerung für die senkrechte und die waagerechte Meßkammer genau gleich ist. Dies ist jedoch infolge der verschiedenen Konvektion in leiden Kammern nicht der Fall. Um trotzdem im Mittel gleiche Verzögerung für die Ausspülung der Kamnler zu erhalten und damit keinen Einfluß des zeitlichen Wechsels der Wärmeverhältuisse für das Prüfgas, schaltet man zweckmäßig eine senkrechte Kammer im Gasstrom vor eine der beiden waagerechten und die zweite senkrechte hinter die zweite waagerechte Kammer, so daß die senkrechten Kammern im Mittel die gleiche Verzögerung wie die beiden waagerechten Kammern haben.
  • Beim praktischen Versuch mit einer Wheatstonel>riicke mit je zwei senkrechten und zwei waagerechten normalen CO2-Meßkammern ergab sich für Brückenstromstärken um 400 mA entsprechend 150° Meßdraht-Übertemperatur eine weitgehende Unabhängigkeit der gemessenen Temperaturdifferenz vom Wasserstoffgehalt des benutzten Gases in den Grenzen von 0 bis 10 % Wasserstoff. Für CO2 ergab sich eine Temperaturdifferenz, die etwa der des Wärmeleit-CO2-Messers entspricht. Die CO2-Empfindlichkeit kann durch die Vergrößerung der Meßkammerquerschnitte noch erbeblich gesteigert w crden, da der Konvektionseinfluß etwa quadratisch mit dem Kammerquerschnitt ansteigt. Es zeigte sich ferner, daß in ternären Gemischen von Luft. Kohlensäure und Wasserstoff der Effekt sich additiv aus den Empfindlichkeiten für Wasserstoff und Kohlendioxyd errechnen ließ, d. h., daß ein bestimmter C O2-Gehalt unabhängig von der Höhe des Wasserstoffgehaltes einem hestimmten Brückenstrom entspricht. Der Verlauf der Kurve zwischen Diagonalstrom und der Heizstromstärke der für Luft nicht abgeglichenen Brücke wies nur sehr geringe Steilheit auf, verglichen mit der Kurve für 20 % CO2-haltige Luft.
  • Der Bau der Meßkammer kann sich weitgehend an die Konstruktion des Wärmeleitmessers anlehnen.
  • In n Fig. 4 ist ein System mit quer zur Kammer achse durch Diffusion belüfteten Meßkammern dargestellt, von denen zwei senkrechte 11 und 12 und zwei waagerechte 13 in einem gemeinsamen Gußblock 14 untergebracht sind. Der in der Mitte des Gußl)lockes ausgesparte rechteckige Raum I5 dient zur Unterbringung eines Membrandruckreglers I6, der die Aufgabe hat, das angesaugte Prüfgas im Geber unabhängig vom Barometerstand ständig auf konstantem, absolutem Druck zu halten, indem in bekannter Weise mit zunehmendem Atmosphärendruck der Eintrittsquerschnitt der Düse 17 verkleinert und der Austrittsquerschnitt der Düse 18 vergrößert wird.
  • Für die Anwendung der Erfindung kommt in erster Linie die Rauchgasprüfung in Frage. In Rauchgasen kommt neben Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenoxyd gelegentlich Wasserstoff vor, der im Wärmeleitmesser in geringer Konzentration einen Fehler von 8 % CO2-Anzeige je 1 % H2 verursacht. Diese Störung wird erfindungsgemäß auch vermieden. Man behalf sich früher mit sogenannten Wasserstoffverbrennungsvorrichtungen, die jedoch nicht selektiv wirken, sondern auch CO zu C 0.2 oxydieren. Ferner war bei Luftmangel eine Verbrennung des Wasserstoffs natürlich ausgeschlossen und in dem besonders wichtigen Bereich kleiner Luftüberschüsse auch nicht restlos möglich. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es ferner möglich, Generator-Frischgas, Gichtgas usw. zu untersuchen.
  • PATENTANspliLcnF: I. Verfahren zur Analyse von Gasgemischen mittels eines Vergleichs von Hitzdrahtwiderständen unter Benutzung der durch die Konvektion erzeugten Temperaturunterschiede der Hitzdrähte, die dem gleichen Gasgemisch ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergleichenden Hitzdrähte in getrennten, sich in ihren Abmessungen und bzw. oder in ihrer Lage im Schwerefeld unterscheidenden Kammern angeordnet sind, so daß die rein thermisch bedingten Konvektionsströmungen in den Kammern einen verschiedenen Verlauf nehmen und die dadurch hervorgerufene Temperaturdifferenz an den Hitzdrähten als Maß für den Anteil eines sich in der Anzahl der Atome von den übrigen Gasen des Gemisches unterscheidenden Gasbestandteils bestimmt wird.

Claims (1)

  1. 2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Hitzdraht in einer zu seiner Länge verhältnismäßig engen waagerechten und der andere Hitzdraht in einer verhältnismäßig engen senkrechten Meßkammer angeordnet ist.
    3. Verfahren nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Meßdrähte in an sich bekannter Weise in seinem Abstand gegenüber der Meßkammerwandung stufenlos verstellbar angeordnet ist.
    4. Verfahren zur Gasanalyse mit Hilfe der Konvektionswirkung auf die Hitzdrähte nacl Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des durch die Meßkammer strömenden Gasgemisches in an sich bekannter Weise mittels eines Membrandruckreglers konstant gehalten ist.
    5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von vier Meßkammern jeweils eine senkrechte und eine waagerechte Meßkammer im Gasstrom hintereinandergeschaltet sind, wobei die eine senkrechte vor einer waagerechten Kammer und die andere senkrechte hinter der zweiten waagerechten Meßkammer angeordnet ist.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 674989, 722037; schweizerische Patentschrift Nr. 229 882; »The Review of Scientific Instruments«, Vol. 18 (I947), S. 696 bis 702; Eucken-Jakob, »Der Chemie-Ingenieur«.
    Bd. II, 4. Teil, S. 88, 89; D. P. E c k m a n n, »Principles of Industrial Process Controll«, 1954, 5. 21 und 175.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE674989C (de) * 1933-02-14 1939-04-28 Hermann Rein Dr Vorrichtung zur Anzeige und Registrierung kleiner Schwankungen des Sauerstoffgehaltes der Luft
DE722037C (de) * 1937-03-05 1942-07-13 Aeg Geraet zur Messung der Waermeleitfaehigkeit von Gasen mittels in Messkammern angeordneter Heizdraehte
CH229882A (de) * 1941-06-17 1943-11-30 Auergesellschaft Ag Verfahren zur Analyse eines fluiden Stoffgemisches auf magnetischem Wege.

Patent Citations (3)

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