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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.
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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.
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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.
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Jedoch liegen hier die Hitzdrähte in zwei Kammern, deren eine in dem
zu messenden Gasgemisch und deren andere von einem Vergleichsgas, z.B.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine solche senkrechte Kammer zeigt die Fig. 2.
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Hier sind die Wirbel mit 5 und 6, der Hitzdraht mit 7 und die Kammer
mit 8 bezeichnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Bau der Meßkammer kann sich weitgehend an die Konstruktion des
Wärmeleitmessers anlehnen.
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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.
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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.
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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.