DE967633C - Vielfachanalysiervorrichtung, insbesondere fuer Gasgemische - Google Patents

Vielfachanalysiervorrichtung, insbesondere fuer Gasgemische

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DE967633C
DE967633C DEO2007A DEO0002007A DE967633C DE 967633 C DE967633 C DE 967633C DE O2007 A DEO2007 A DE O2007A DE O0002007 A DEO0002007 A DE O0002007A DE 967633 C DE967633 C DE 967633C
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DE
Germany
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gas
mixture
analyzed
containers
bundle
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DEO2007A
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Inventor
Karl Luft
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Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
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Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

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Description

  • Vielfachanalysiervorrichtung, insbesondere für Gasgemische Die Erfindung bezieht sich auf eine Vielfachanalysiervorrichtung, die mit zwei insbesondere aus Infrarotstrahlen bestehenden Strahlenbündeln arbeitet, welche wenigstens annähernd gleiche Stärke und hinsichtlich ihrer Wellenlängen gleiche Zusammensetzung haben und von denen das eine Bündel, nachstehend Meßbündel genannt, das zu analysierende, gasförmige oder sonstige Gemisch und nacheinander so viele Aufnahmekammern durchdringt, wie verschiedene Gase festzustellen sind, wobei jede Aufnahmekammer praktisch vollständig die Strahlen absorbiert, deren Wellenlänge einem der festzustellenden Gase entspricht. Das andere Strahlenbündel, nachstehend Vergleichsbündel genannt, durchdringt entsprechende Aufnahmekammern, nicht aber das zu analysierende Gasgemisch. Der Unterschied der physikalischen Vorgänge (Erwärmung, Druckunterschied), der in den beiden zur Feststellung desselben Gases dienenden und in das Meß- bzw. das Vergleichsbündel eingeschalteten Aufnahmekammern auftritt, dient dann dazu, den Gehalt zu bestimmen, den das zu analysierende Gemisch an diesem Gase aufweist.
  • Derartige Vielfachanalysiervorrichtungen mit mehreren hintereinandergeschalteten, zur gleichzeitigen Bestimmung verschiedener, in dem zu analysierenden Gemisch enthaltener Komponenten dienenden Aufnahmekammern sind an sich bekannt. Bei den bekannten Vorrichtungen findet jedoch nur eine einzige das zu analysierende Gemisch enthaltende Analysekammer Anwendung. Bekanntlich ist aber zur Erzielung günstiger Meßergebnisse darauf zu achten, der Absorptionsstrecke in dem zu analysierenden Gasgemisch eine bestimmte, von der festzustellenden Komponente abhängige Länge zu geben. Diese Bedingung konnte bisher bei den bekannten Vielfachanalysiergeräten nicht für sämtliche Komponenten verwirklicht werden, da ja nur eine einzige Analysekammer vorgesehen war, deren Länge bestenfalls den günstigsten Absorptionsbedingungen für eine der Komponenten entsprechen konnte.
  • Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil der bekannten Geräte dadurch vermieden, daß auch die Analysekammer in mehrere Abschnitte aufgeteilt wird, derart, daß die vor jeder Aufnahmekammer liegende Gemischabsorptionsstrecke bzw. die Summe der vor jeder der Aufnahmekammern liegenden Gemischabsorptionsstrecken möglichst dem Restwert nahe kommt, den die Gemischabsorptionsstrecke für die in der betreffenden Aufnahmekammer vollständig zu absorbierende Komponente haben soll.
  • Gemäß der Erfindung wechseln die Abschnitte der Analysekammer auf dem Wege des Meßbündels mit den die verschiedenen zu bestimmenden Gase getrennt enthaltenden Aufnahmekammern ab, und zwar derart, daß die erste Aufnahmekammer dasjenige Gas des Gemisches enthält, das zu seiner Bestimmung die kleinste Schichtdicke des Gemisches erfordert, wobei diese Dicke diejenige des dieser ersten Aufnahmekammer vorangehenden Gemischbehälters ist, während die andere Aufnahmekammer oder die anderen Aufnahmekammern in der Reihe wachsender Gemischdicken folgen, welche für jedes Gas, wenigstens angenähert, die günstigste Absorption ergeben, wobei die auf den ersten Gemischbehälter folgenden Gemischbehälter solche Dicken haben, daß ihre Dicke die Dicke des vorhergehenden Behälters oder der vorhergehenden Behälter zu wenigstens angenähert der günstigsten Dicke für die Gemischabsorption der Strahlen vervollständigt, welche dem anderen zu bestimmenden Gas oder den anderen zu bestimmenden Gasen entspricht.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein und derselbe Verstärker für die von mehreren Differentialvorrichtungen gelieferten Angaben benutzt, welche insbesondere durch Membrankondensatoren gebildet werden und von denen jede zur Messung einer bestimmten Komponente des Gemisches dient, wobei ein Umschalter zwischen diese Differentialvorrichtungen und den gemeinsamen Verstärker eingeschaltet ist, um die Differentialvorrichtungen abwechselnd an den Verstärker anzuschalten, wobei dieser Umschalter bei Benutzung von Membrankondensatoren die eine Elektrode eines jeden dieser Kondensatoren entweder an die Speisung des Verstärkers oder an die Masse legt, während die andere Elektrode eines jeden Kondensators, welche das Signal überträgt, beständig mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist.
  • Zum Ausgleich der Dichteschwankungen des zu analysierenden Gasgemisches wird eine Wheatstonesche Brücke, die in einem ihrer Zweige einen in Abhängigkeit von der Dichte des zu analysierenden Gasgemisches veränderlichen Widerstand enthält, mit den Enden ihrer einen Diagonale an den Stromkreis eines elektrischen, die Gaskonzentration anzeigenden Instruments vor und hinter demselben angeschlossen, während an die Enden ihrer anderen Diagonale in an sich bekannter Weise eine Hilfsspannung angelegt ist.
  • Es sei hierbei darauf hingewiesen, daß es schon vorgeschlagen worden ist, bei Gasanalysegeräten zum Ausgleich von Dichteschwankungen des zu analysierenden Gasgemisches einen in Abhängigkeit von der Dichte dieses Gemisches veränderlichen Widerstand einfach parallel zu dem elektrischen, die Gaskonzentration anzeigenden Instrument zu schalten.
  • Eine derartige einfache tberbrückung des Meßinstruments durch einen in Abhängigkeit von der Gasdichte veränderlichen Widerstand führt aber nur dann zu brauchbaren Ergebnissen, wenn der Nullpunkt des Anzeigeinstrumentes mit der Konzentration Null der zu messenden Gaskomponente zusammenfällt. Diese Bedingung ist jedoch in der Regel bei Gasanalysegeräten nicht erfüllt. Weiterhin ist auch schon vorgeschlagen worden, bei gleichzeitiger Anwendung einer Brückenschaltung den in Abhängigkeit von Dichteschwankungen veränderlichen Widerstand mit dem Meßinstrument in Reihe zu schalten.
  • Hierdurch lassen sich aber nur für eine einzige Stelle der Anzeigeskala des Meßgeräts eine genaue Kompensation und somit genaue Meßergebnisse erreichen.
  • Durch die vorstehend genannte Ausgleichsschaltung gemäß der Erfindung werden Änderungen in der Dichte des zu analysierenden Gasgemisches nicht nur über den ganzen Skalenbereich des Anzeigeinstruments ausgeglichen, sondern der Anfangspunkt der Skala kann auch in beliebiger Weise von Null verschieden sein.
  • Die Erfindung ist nachstehend beispielshalber unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. I zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Analysator; Fig. 2 zeigt ein Diagramm, welches die Arbeitsweise eines derartigen Analysators erläutert; Fig. 3 zeigt schematisch die Einschaltung der erfindungsgemäßen Ausgleichsmittel in den die elektrische Anzeigevorrichtung enthaltenden Stromkreis eines Analysators der in Fig. I dargestellten Art; Fig. 4 zeigt schließlich eine Vorrichtung mit einem in Abhängigkeit von der Dichte des zu analysierenden Gases veränderlichen Widerstand, welche einen Teil der in Fig. 3 dargestellten Ausgleichsmittel bildet und ebenfalls erfindungsgemäß ausgebildet ist.
  • Der in Fig. I dargestellte Analysator arbeitet mit der Absorption von infraroten Strahlen und kann mehrere, z. B. zwei Komponenten eines Gasgemisches feststellen und messen.
  • Ein derartiger Apparat wird mit einer Quelle für eine infrarote Strahlung ausgerüstet, welche zwei Strahlenbündel liefern kann, welche wenigstens angenähert hinsichtlich der Wellenlängen ihrer Strahlungen die gleiche Zusammensetzung und die gleiche Stärke haben. Diese Quelle wird z. B. durch zwei durch eine schematisch bei 3 dargestellte Stromquelle gespeiste Strahler I und 2 gebildet, welche so angeordnet sind, daß sie zwei Bündel infraroter Strahlen aussenden, von denen das durch den Strahler I erzeugte Bündel das Meßbündel ist, während das durch den Strahler 2 erzeugte Bündel das Vergleichsbündel ist.
  • Diese beiden Bündel werden vorzugsweise in gewissen Abständen durch einen von einem Motor 5 in Umdrehung versetzten Drehsektor 4 abgeblendet.
  • Gemäß dem Hauptkennzeichen der Erfindung durchdringt das Meßbündel, wenn es sich um die Messung von zwei Komponenten des zu analysierenden Gemisches handelt, nacheinander einen ersten, dieses Gemisch enthaltenden Behälter 6, hierauf eine Aufnahmekammer 7, welche ein erstes wirksames Gas enthält, dessen Anwesenheit in diesem Gemisch man feststellen und dessen Konzentration man messen will, hierauf einen zweiten, ebenfalls das zu analysierende Gemisch enthaltenden Behälter 8 und schließlich eine zweite Aufnahmekammer 9, welche ein zweites wirksames Gas enthält, dessen Anwesenheit in dem Gemisch man feststellen und dessen Konzentration man messen will. Falls es sich noch um die Feststellung der Anwesenheit und die Messung der Konzentration einer dritten und vierten Komponente des zu messenden Gemisches handelt, läßt man das Meßbündel noch durch eine dritte und vierte Anordnung gehen, deren jede einen Behälter aufweist, welcher stets das gleiche zu analysierende, sich in den anderen Behältern 6 und 8 befindende Gemisch enthält, sowie eine Aufnahmekammer, welche als wirksames Gas das dritte bzw. vierte in dem Gemisch festzustellende und zu messende Gas enthält.
  • Die das zu analysierende Gemisch enthaltenden Behälter 6, 8 usw. können miteinander verbunden werden, damit sie hintereinander von dem zu analysierenden Gemisch durchströmt werden, wie dies in Fig. I dargestellt ist, auf welcher das zu analysierende Gemisch in den Behälter 8 durch den Anschlußstutzen 10 eintritt und aus diesem durch den Anschlußstutzen II austritt, worauf es in den Behälter 6 durch den Anschlußstutzen I2 eintritt und aus diesem bei I3 austritt.
  • Das von dem Strahler 2 gelieferte Vergleichsbündel wird ohne Durchdringung von mit dem zu analysierenden Gemisch gefüllten Behältern durch Aufnahmekammern 14 und 15 geschickt, welche die gleichen wirksamen Gase enthalten und praktisch die gleichen Abmessungen haben wie die Aufnahmekammern 7 bzw. 9.
  • In Fig. I sind noch Behälter I6 und I7 dargestellt, welche auf dem Weg des Vergleichsbündels an Stellen liegen, welche denen der Behälter 6 und 8 entsprechen und deren Abmessungen den Abmessungen dieser Behälter entsprechen. Diese Behälter I6 und I7 sind jedoch nur aus Symmetriegründen vorgesehen und sind mit einem Gas gefüllt, welches keine absorbierenden Eigenschaften für die Strahlungen hat, welche von den Gasen absorbiert werden, deren Anwesenheit in dem zu analysierenden, die Behälter 6 und 8 durchströmenden Gemisch man feststellen und deren Konzentration man messen will.
  • Die Wahl der Dicken oder Höhen der Behälter 6 und 8, d. h. die Wahl der Längen der Wege, auf welchen diese Behälter von der Meßstrahlung durchdrungen werden, beruht auf folgenden Überlegungen: Die Absorption von infraroten Strahlen durch ein Gas wird angenähert durch die Beersche Formel wiedergegeben: In dieser Formel bedeutet: 1o die in den das Gemisch enthaltenden Behälter eintretende Strahlung, I die aus dem Behälter austretende Strahlung, k den Absorptionskoeffizient des zu messendes Gases, c die Konzentration dieses Gases, d die Dicke der absorbierenden Schicht, e bezeichnet, wie üblich, die Basis der natürlichen Logarithmen.
  • Für jedes zu messende und festzustellende Gas gibt es eine Dicke d der absorbierenden Schicht, welche für die auf der Absorption einer Infrarotstrahlung durch dieses Gas beruhende Analyse die günstigste ist. Wenn die Dicke erheblich kleiner als dieser günstigste Wert ist, wird der Meßeffekt zu schwach, und wenn man sie zu groß wählt, gelangt man in das Sättigungsgebiet des Exponentialgesetzes, wo die scharfe Trennung der verschiedenen Meßresultate schwierig wird.
  • Es ist daher wichtig, für jede festzustellende Komponente eine Gemischdicke vorzusehen, welche der für die Erzielung leicht zu trennender Meßergebnisse günstigsten Dicke so nahe wie möglich kommt.
  • Von diesen Überlegungen ausgehend, bringt man in die ersten Aufnahmekammern 7 und 14 diejenige festzustellende und zu messende Komponente, für welche die Dicke d des der Aufnahmekammer vorausgehenden Behälters die kleinste sein kann. Man gibt also dem Behälter 6 diese kleinste Dicke, welche in Fig. I mit d, bezeichnet ist.
  • Der Behälter 8 erhält eine solche Dicke d2, daß sie die Ergänzung der Dicke dl bildet, welche erforderlich ist, um wenigstens angenähert eine Gesamtdicke zu erhalten, welche die günstigste für die zweite festzustellende, die Aufnahmekammer g erfüllende Komponente ist.
  • Bei der Messung von zwei Komponenten richtet man es vorzugsweise so ein, daß die Produkte kl c1 d1 und k2 c2. (d1 . d2) angenähert gleich sind, wobei kl und k2 die Absorptionskoeffizienten der beiden zu messenden, sich in den Aufnahmekammern 7 bzw. 9 befindenden Komponenten sind, während c1 und c2 die größten Konzentrationen dieser beiden Komponenten in dem Gasgemisch sind, welche mit einem gegebenen Apparat analysiert werden können.
  • In diesem Fall ist die Reihenfolge, in welcher die verschiedenen Aufnahmekammern, deren jede ein bestimmtes wirksames Gas (oder Aufnahmegas) enthält, aufeinanderfolgen, durch den abnehmenden Wert des Produkts k c der durch dieses selbe Gas gebildeten Komponente des Gemisches gegeben.
  • Wenn z. B. das zu analysierende Gas CO zwischen o und 50 0in und C O2 zwischen o und 20/o enthält, wird die Aufnahmekammer 7 mit CO und die Aufnahmekammer g mit C02 gefüllt, wobei d, I mm und d2 = 10 mm gewählt werden kann, so daß die Gemischdicke, welche das Meßbündel vor seinem Eintritt in die mit C O2 gefüllte Aufnahmekammer g durchdringen muß, elfmal größer als die Gemischdicke ist, welche das gleiche Bündel vor seinem Eintritt in die mit CO gefüllte Aufnahmekammer 7 durchdringen muß. Man erhält so sowohl für die Messung von CO wie von C O2 genaue und scharf getrennte Werte, welche den Gehalt des Gemisches an jedem dieser Gase für den ganzen Bereich der zu messenden Konzentrationen angeben.
  • Die oben angegebenen Zahlen sind natürlich nur beispielshalber angegeben und sollen keine Beschränkung der Erfindung bilden.
  • Fig. 2 zeigt für dieses Beispiel die Eichkurve, d. h. die Kurve, welche die in Millivolt (mV) ausgedrückte Größe des von einer Absorption gewisser Bänder der infraroten Strahlung durch den CO- bzw. CO2-Gehalt des zu untersuchenden Gemisches herrührenden physikalischen Vorgangs in Abhängigkeit von dem CO2- oder CO-Gehalt darstellt. Diese Kurve hat für die beiden Komponenten die gleiche Form, da kl cl dl ungefähr gleich k2 . c2 (d, + d2) gewählt wurde.
  • Die Behälter I6 und 17, welche in den Weg des Vergleichsbündels eingeschaltet und mit einem Gas gefüllt sind, welches wenigstens für die Absorptionsbänder der die Aufnahmekammern erfüllenden wirksamen Gase kein Absorptionsvermögen hat, haben aus Symmetriegründen die gleiche Dicke (oder Höhe) wie die Behälter 6 und 8.
  • Zur Messung des Unterschieds der in den entsprechenden Aufnahmekammern 7 und 14 bzw. 9 und I5 erhaltenen physikalischen Vorgänge, welcher die Bestimmung der Konzentration des zu messenden Gases gestattet, kann man sich eines beliebigen geeigneten Mittels bedienen. Es ist jedoch besonders günstig, hierfür, wie an sich bekannt, Membrankondensatoren zu benutzen. Man setzt daher eine jede Aufnahmekammer 7 und 14 mit einer der Abteilungen I8 und 19 in Verbindung, welche durch eine Membran 20 voneinander getrennt sind, welche eine Elektrode eines Kondensators bildet, dessen andere Elektrode durch eine durchlochte Wand 21 gebildet wird, welche in einer dieser Abteilungen, z. B. der Abteilung I9, der Membran 20 gegenüberliegt.
  • Durch den Unterschied der in den beiden Kammern 7 und I4 herrschenden Drücke erfährt diese Membran periodische Verformungen, deren Amplitude eine Funktion des Gehalts des zu untersuchenden Gemisches an der Komponente ist, welche mit dem sich in den Kammern 7 und 14 befindenden wirksamen Gas identisch ist. Die Periodizität der Bewegung der Membran 20 entspricht der Drehgeschwindigkeit des Abblendsektors 4. Der Membrankondensator 20-21 erzeugt somit periodische Potentialdifferenzen, deren Größe den Amplituden der Membran 20 entspricht und infolgedessen die Messung des Gehalts an der betrachteten Komponente gestattet.
  • Zwischen die Aufnahmekammern g und 15 wird ein entsprechender Membrankondensator geschaltet, der eine zwei Abteilungen, 23 und 24, voneinander trennende Membran 22 enthält, wobei jede dieser Abteilungen mit einer der Kammern g und 15 in Verbindung steht. Die Membran 22 bildet eine Elektrode des Kondensators, während die gegenüber der Membran 20 im Innern der Abteilung 24 angeordnete durchlochte Wand 25 die andere Elektrode bildet.
  • Zur Messung der periodischen Potentialschwankungen eines jeden dieser beiden Membrankondensatoren kann man natürlich zwei getrennte Meßvorrichtungen benutzen, deren jede durch einen der beiden Membrankondensatoren betätigt wird.
  • Es ist jedoch besonders zweckmäßig, die beiden Membrankondensatoren 20-2I und 22-25 an ein und denselben, eine Anzeigevorrichtung betätigenden Ve1 stärker anzuschließen, indem man zwischen diese Membrankondensatoren und den Verstärker einen geeigneten Umschalter einschaltet, welcher die Membrankondensatoren abwechselnd mit dem Verstärker verbindet.
  • Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird die Umschaltvorrichtung zwischen die Speisespannung und eine Elektrode eines jeden Kondensators geschaltet, während die andere Elektrode aller Kondensatoren mit dem Eingang des Verstärkers, d. h. mit dem Gitter der Eingangsröhre desselben, verbunden wird. Eine derartige Anordnung des Umschalters vermeidet die Notwendigkeit, die Verbindungen zwischen den das Signal erzeugenden Elektroden der Kondensatoren und dem Eingang des Verstärkers wechseln zu müssen, was infolge der für diese Verbindungen erforderlichen tadellosen Isolierung schwierig ist.
  • In Fig. I ist daher der Umschalter C einerseits mittels eines Leiters 25a mit der Speisespannung des in Fig. I schematisch durch ein Rechteck dargestellten Verstärkers A verbunden sowie andererseits durch einen Leiter 26 mit der Masse und ferner durch einen Leiter 27 bzw. 28 mit den Elektroden 20 bzw. 22 der Membrankondensatoren. Ferner werden die Elektroden 21 und 25 dieser selben Kondensatoren dauernd durch Leiter 29 bzw. 30 mit einem Leiter 3I verbunden, welcher die Verbindung mit dem Eingang des Verstärkers A, d. h. mit dem Gitter der nicht dargestellten Eingangsröhre desselben, herstellt.
  • Die von dem Verstärker empfangenen Impulse werden nach ihrer Verstärkung z. B. durch ein Millivoltmeter 32 angezeigt.
  • Bei der in Fig. I dargestellten Stellung des Umschalters C ist die Elektrode 20 durch den Leiter 25a mit der Speisespannung verbunden, so daß der Verstärker die Signale des Kondensators 20-2I verstärkt und auf das Millivoltmeter 32 überträgt, während die Signale des Kondensators 22-25 unterdrückt werden, da die Elektrode 22 desselben durch den Leiter 26 mit der Masse verbunden ist und da seine Speisespannung gleich Null ist.
  • Wenn die beweglichen Teile des Umschalters C die gestrichelt angegebene Stellung einnehmen, ist die Elektrode 22 des zweiten Kondensators mit der Speisespannung und die Elektrode 20 der ersten Kondensators mit der Masse verbunden. Dann werden also von dem Millivoltmeter 32 die von dem zweiten Kondensator mit den Elektroden 22-25 gelieferten Signale angezeigt.
  • Die Steuerung des Umschalters C erfolgt zweckmäßig durch ein Relais, welches schematisch bei R angegeben ist und mittels eines Schalters 33 betätigt wird.
  • Wenn es sich um die fortlaufende Aufzeichnung der Konzentrationen der beiden zu messenden Komponenten handelt, kann ein nicht dargestelltes Registrierinstrument benutzt werden, welches zwei Kurven ergibt und bei jedem in dem Registrierinstrument erfolgenden Kurvenwechsel einen dem Schalter 33 entsprechenden Schalter steuert.
  • Der Analysierapparat wird zweckmäßig noch mit Mitteln zum Ausgleich der Schwankungen der Dichte des Gases, dessen Komponenten zu analysieren sind, versehen.
  • Hierzu ist noch zu bemerken, daß die Dichte schwankungen, welche das Meßergebnis beeinflussen können, insbesondere von Druck- oder Temperaturschwankungen herrühren.
  • Diese Ausgleichsmittel weisen einen Nebenschluß auf, welcher das Anzeigeinstrument 32 überbrückt und in den den Ausgang des Verstärkers A mit diesem Instrument verbindenden Stromkreis C1 eingeschaltet ist (s. Fig. 3). Infolge des Vorhandenseins dieses Nebenschlusses setzt sich der Gesamtwiderstand E des Stromkreises C, hauptsächlich aus dem Widerstand Ri des Instruments 32 und dem Widerstand R3 des zu diesem Instrument parallel geschalteten Nebenschlusses zusammen.
  • Man richtet es nun so ein, daß bei einem bestimmten Wert des Widerstands Rs des Nebenschlusses und bei einer bestimmten Dichte des zu analysierenden Gases, welche z. B. diejenige ist, welche das Gas bei einer Temperatur von 200 C und einem Druck von 760 mm Hg besitzt, die Angaben des Instruments 32 genau den zu messenden Konzentrationen entsprechen. Der bestimmte Wert des Widerstandes des Nebenschlusses, welcher der obigen, als normale Dichte angesehenen Dichte entspricht, ist nachstehend der Normalwiderstand des Nebenschlusses genannt.
  • Die Veränderung des Widerstandes R, des Nebenschlusses muß der Veränderung der Dichte von ihrem Normalwert aus umgekehrt proportional sein, d. h., wenn die Dichte unter ihren Normalwert sinkt, muß der Widerstand des Nebenschlusses über seinen Normalwert steigen, wobei die Vergrößerung dieses Widerstandes eine Vergrößerung des Gesamtwiderstandes des Stromkreises C1 und infolgedessen eine Vergrößerung der von dem Instrument 32 angezeigten Meßspannung zur Folge hat. Wenn umgekehrt die Dichte des zu analysierenden Gases über ihren Normalwert steigt, muß der Widerstand des Nebenschlusses unter seinen normalen Wert gesenkt werden, was eine Verkleinerung des Wertes des Gesamtwiderstandes des Stromkreises C1 und eine Verkleinerung der von dem Instrument 32 angezeigten Meßspannung zur Folge hat.
  • Das mit einem einfachen Nebenschluß erhaltene Abgleichergebnis ist jedoch nur richtig, falls der Nullpunkt des elektrischen Meßinstruments 32 der Konzentration Null des zu messenden Gasbestandteils entspricht; ein gewöhnlicher Nebenschluß gibt jedoch keine richtigen Ergebnisse mehr, wenn der Nullpunkt des Instruments 32 einer von Null verschiedenen Konzentration entspricht. Anders ausgedrückt, ein einfacher Nebenschluß ergibt richtige Ergebnisse, wenn die verschiedenen Stellungen des Zeigers des Instruments 32 zwischen Null und dem Teilstrich 20 Konzentrationen von z. B. o bis 20010 entsprechen, sind aber nicht mehr richtig, wenn die Angaben des gleichen Instruments Konzentrationen zwischen IO und wo01, entsprechen. In dem ersteren Fall hat man für eine relative Dichteschwankung von z. B. IO/, einen Fehler Null am Anfang der Teilung und einen Fehler von z. B. 1 01o der Gesamtausdehnung der Teilung, wenn sich der Zeiger am Ende der Teilung befindet. In dem zweiten Fall schwanken dagegen die von der Dichteschwankung von I°/o herrührenden Fehler zwischen I und 20/, der Gesamtausdehnung der Teilung. Ein einfacher Nebenschluß ist nun nicht imstande, diesen letzteren Fehlerbereich zu berichtigen. Der Fehler der gewöhnlichen Nebenschlüsse wird um so störender, je stärker der von dem gleichen Instrument mit einer bestimmten Teilung angezeigte Konzentrationsbereich zusammengedrängt ist, z. B. wenn die von dem Instrument zwischen der niedrigsten und der höchsten Zeigerstellung anzuzeigenden Konzentrationswerte zwischen 30 und 400/, liegen. Die von einer Dichteschwankung von 10/, herrührenden Fehler liegen dann angenähert zwischen 3 und 4 01, der Gesamtausdehnung der Teilung.
  • Dieser Fehler der gewöhnlichen Nebenschlüsse wird erfindungsgemäß durch eine Hilfsspannung beseitigt, welche man, je nachdem, zu der auf das Meßinstrument 32 einwirkenden Hauptspannung i R hinzufügt oder von dieser abzieht.
  • Hierfür wird gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der Nebenschluß durch eine Art Wheatstonesche Brücke P gebildet, deren einer Schenkel einen in Abhängigkeit von der Dichte des zu messenden Gases veränderlichen Widerstand R, enthält, wobei die Enden IOI und 102 der einen Diagonalen der Brücke P an den Stromkreis C vor und hinter dem Instrument 32 angeschlossen sind, während die beiden anderen diagonalen Enden 103 und 104 mit einer Hilfsstromquelle S verbunden sind, welche an diese Enden 103 und 104 eine Hilfsspannung V2 anlegt. Mit S wird zweckmäßig ein Widerstand R5 in Reihe geschaltet, um den von der Hilfsspannung erzeugten Strom sehr klein zu halten.
  • Bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel liegt der veränderliche Widerstand Rv in dem Zweig IOI-I03.
  • Dieser Widerstand kann den einzigen Widerstand dieses Zweiges darstellen oder zu einem in denselben Zweig eingeschalteten und mit Rv in Reihe geschalteten konstanten Widerstand R1 hinzutreten. Die Widerstände der drei anderen Zweige Io2-Io3, Io2-Io4 und Io4-IOI haben konstante Werte und sind mit R2, R4 und R2 bezeichnet. Man gibt dem Widerstand R, für eine Dichte des Gases gleich der Normaldichte (Temperatur 200 C, Druck 760 mm Hg) einen solchen Wert, daß (R1 + Rv) = R2. Schließlich hat die Gesamtheit des durch die Brücke P gebildeten Nebenschlusses für den Normalwert von Rv einen derartigen Widerstand Rs, daß die Spannung V, = I R ohne Berichtigung den zu messenden Konzentrationen entspricht.
  • Die Angaben des Instruments 32 sind somit richtig, ohne daß eine Hilfsspannung zu dem Wert IR hinzutritt oder von diesem abgezogen wird. Wenn die Gasdichte von der Normaldichte abweicht, wird der Widerstand R, für eine kleinere Dichte größer oder für eine größere Dichte kleiner.
  • Die Brücke hat somit zwei Aufgaben, nämlich erstens eine Ausgleichsspannung zu erzeugen und zweitens den Gesamtwiderstand des Stromkreises C, zu verändern.
  • Es sei nun angenommen, daß die Anzeige O des Instruments 32 einer Konzentration von 30 01o und die höchste Anzeige von 32 einer Konzentration von 40 01, entspricht. In diesem Fall hätte eine Dichteschwankung von IO/o einen Fehler von 3 0/, für die niedrigsten Angaben des Instruments 32 und einen Fehler von 4 0lo für die höchsten Angaben desselben zu Folge. Die Hilfsspannung V2 muß dann so bemessen sein, daß sie eine Kompensationsspannung erzeugt, welche T 3 O/o der Gesamtteilung des Instruments 32 für eine Dichteschwankung von i 10lo beträgt, während sich der Widerstand R3 des Nebenschlusses so verändern muß, daß sich der GesamtwiderstandR des Stromkreises C1 um hF 10/o ändert. Man erhält so die Berichtigung von 3 01o für den Anfang der Anzeigen des Instruments (Konzentration = 30 01o) und von 4 01o für das Ende der Anzeigen des Instruments (Konzentration = 40 0wo), wobei diese Berichtigungen stets den richtigen Sinn haben.
  • Lediglich beispielshalber sind nachstehend einige Zahlenwerte angegeben, welche bei einem Ausführungsbeispiel der Brücke P den verschiedenen obigen Widerständen gegeben wurden.
  • Rv (normaler oder mittlerer Wert) = 20 d Rv (für eine Dichteschwankung von 1010) = 0,9 Q, R,= roQ, R2= 30Q, R3 = R4 = 300 Q.
  • Ferner hatte das Millivoltmeter 32 in diesem Beispiel einen Widerstand Ri von Ion0.
  • Schließlich ist für eine Konzentrationsmessung zwischen 30 und 40 01o (für eine Dichteschwankung von 10/, ist ein Fehler zwischen 3 und 4 01o zu korrigieren) V2 in diesem Beispiel = 2,5 Volt, während R5=2000Q ist.
  • Der Wert der an die Punkte 103 und 104 anzulegenden Hilfsspannung ist in Abhängigkeit von dem Ausgangspunkt der Meßreihe, welche das Instrument 32 zwischen seiner Nullstellung und seiner höchsten Stellung vornehmen soll, veränderlich. Diese Spannung ist somit kleiner, wenn diese Meßreihe zwischen 10 und 200/0 liegt, und größer, wenn diese zwischen 20 und 30 0wo oder 30 und 40 0wo liegt.
  • Damit mit demselben Meßinstrument 32 Messungen in mehreren Bereichen mit verschiedenen Ausgangspunkten vorgenommen werden können, braucht nur entweder die Spannung der Spannungsquelle S oder der Wert des Widerstands R5 verändert zu werden, um das Arbeiten der Brücke P diesen verschiedenen Bereichen anzupassen.
  • Die Mittel zur Regelung entweder der Spannungsquelle S oder des Widerstands R5 werden zweckmäßig mit den Mitteln kombiniert, welche die Veränderung der Meßbereiche vornehmen, damit diese Anpassung selbsttätig erfolgt.
  • Hierzu ist zu bemerken, daß bei einem Analysator der betrachteten Art die Veränderung des Bereichs, in welchem die Messungen stattfinden, durch eine Regelung der Meßstrahlungen und/oder der Vergleichsstrahlungen dieses Instruments erfolgt.
  • Der veränderliche Widerstand R, kann in beliebiger geeigneter Weise in Abhängigkeit von der Dichte des zu messenden Gases gesteuert werden. Man benutzt jedoch hierfür zweckmäßig eine Vorrichtung mit zwei ineinander angeordneten Behältern 105 und 106.
  • Einer dieser Behälter, z. B. der äußere Behälter 105, wird von dem zu messenden Gas durchströmt, welches in diesen Behälter bei 107 eintritt und ihn bei 108 verläßt. Der im Innern dieses Behälters herrschende Druck ist somit gleich dem des zu messenden Gases.
  • Der andere Behälter I06 ist nach außen hin geschlossen, das in ihm enthaltene Gas, z. B. Luft, hat jedoch eine Temperatur, welche der des zu messenden Gases entspricht. Infolgedessen gibt der Druck des Gases im Innern des Behälters Io6 die Temperatur des zu messenden Gases an.
  • Man läßt nun die im Innern des Behälters 105 bzw. im Innern des Behälters 106 herrschenden Drücke auf ein Differentialmanometer einwirken, dessen Stellungen die Dichte des zu messenden Gases angeben, da diese Stellungen von dem Druck und der Temperatur desselben abhängen.
  • Dieses Differentialmanometer kann durch eine Quecksilbermasse 109 gebildet werden, welche ein U-förmiges Rohr 110 erfüllt, dessen Enden durch Leitungen III und 112 mit dem Behälter 105 bzw. dem Behälter I06 verbunden sind.
  • Zur Betätigung des Widerstandes RV durch das Manometer I09-IIO wird dieser Widerstand zweckmäßig durch einen Platiniridiumdraht gebildet, welcher sich im Innern des einen der beiden Schenkel des Rohres IIO erstreckt. Je höher die Quecksilbersäule in dem Schenkel, in welchem sich der Draht R, befindet, ansteigt, um so mehr nimmt der durch diesen Draht gebildete Widerstand ab, und umgekehrt. Der Widerstand von R, ist somit in Abhängigkeit von der Dichte des zu messenden Gases veränderlich.
  • In die die beiden Schenkel des Rohres IIO mit den Behältern 105 und 106 verbindenden Leitungen III und 112 werden zweckmäßig Platten aus gesintertem Glas 113 und 114 eingesetzt, welche für das Gas durchlässig, aber für das Quecksilber undurchlässig sind. Das Quecksilber kann daher nicht bei Stößen, insbesondere beim Transport des Apparats, in die Behälter 105 und Io6 eintreten.
  • Die Erfindung ist auch für Flüssigkeitsgemische anwendbar sowie auch für Gemische, bei welchen die Zahl der zu bestimmenden Komponenten größer als Zwei ist, z. B. gleich Drei oder Vier. Wenn hierbei ebenfalls ein einziger Verstärker benutzt wird, welcher nacheinander die Signale von Membrankondensatoren empfangen soll, deren Zahl gleich der Zahl der zu bestimmenden Komponenten ist, wird der Umschalter so ausgebildet, daß er in jeder Stellung eine der Elektroden eines einzigen Membrankondensators mit der Speisespannung und die entsprechende Elektrode aller anderen Kondensatoren mit der Masse verbindet.

Claims (8)

  1. PATENTANSPRÜCHE I. Vielfachanalysiervorrichtung mit zwei Strahlenbündeln, insbesondere von Infrarotstrahlen, welche wenigstens angenähert hinsichtlich der Wellenlängen die gleiche Zusammensetzung und die gleiche Stärke haben, von denen das eine (Meßbündel) das zu analysierende gasförmige oder andersartige Gemisch und nacheinander so viele Aufnahmekammern durchdringt, wie verschiedene Gase festzustellen sind, wobei jede Kammer praktisch vollständig die Strahlen absorbiert, deren Wellenlänge einem der festzustellenden Gase entspricht, während das andere Bündel (Vergleichsbündel) entsprechende Aufnahmekammern durchdringt, ohne das zu analysierende Gas zu durchdringen, wobei der Unterschied der in den beiden zur Feststellung desselben Gases dienenden und in das Meßbündel bzw. das Vergleichsbündel eingeschalteten Aufnahmekammern auftretenden physikalischen Vorgänge dazu dient, den Gehalt des zu analysierenden Gemisches an diesem Gas zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Weg des Meßbündels mit dem zu analysierenden Gemisch gefüllte Behälter (6, 8) mit getrennt die verschiedenen zu bestimmenden Gase enthaltenden Aufnahmekammern (7, 9) abwechseln und daß die erste Aufnahmekammer dasjenige Gas des Gemisches enthält, welches zu seiner Bestimmung die kleinste Schichtdicke des Gemisches erfordert, wobei diese Dicke die des dieser ersten Aufnahmekammer vorausgehenden Behälters des Gemisches ist, während die andere Aufnahmekammer oder die anderen Aufnahmekammern in der Reihenfolge wachsender Gemischdicken folgen, welche für jedes Gas wenigstens angenähert die günstigste Absorption ergeben, wobei die auf den ersten folgenden Gemischbehälter solche Dicken haben, daß ihre Dicke die Dicke des vorhergehenden Behälters oder der vorhergehenden Behälter zu wenigstens angenähert der günstigsten Dicke für die Absorption der Strahlen vervollständigt, welche dem anderen zu bestimmenden Gas oder den anderen zu bestimmenden Gasen entspricht.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Behälter (6, 8) des zu analysierenden Gemisches in Reihe in den zu analysierenden Gasstrom eingeschaltet sind, welcher diese Behälter nacheinander durchströmt.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken (dl, d2 usw.) der aufeinanderfolgenden, das zu analysierende Gemisch enthaltenden Behälter so bemessen sind, daß die Produkte kl - c,. d,, k2. c2. (d1 t d2) usw. annähernd einander gleich sind, wobei kl, k2 usw. die Absorptionskoeffizienten der zu bestimmenden Gase und cl, c2 usw. die größten Konzentrationen dieser Gase in dem Gasgemisch sind.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch I mit Differentialanzeigeapparaten, insbesondere in Form von Membrankondensatoren, für jedes Paar von mit demselben zu bestimmenden Gas gefüllten und in das Meßbündel bzw. in das Vergleichsbündel eingeschalteten Aufnahmekammern, dadurch gekennzeichnet, daß diese Differentialapparate mittels eines Umschalters auf ein und denselben Verstärker geschaltet werden.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Signal übermittelnde Elektrode eines jeden Membrankondensators beständig mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist, während die andere Elektrode eines jeden Kondensators mittels des Umschalters entweder an die Speisung des Verstärkers oder an die Masse gelegt wird.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch I, bei der zum Ausgleich von Dichteschwankungen des zu untersuchenden Gasgemisches ein in Abhängigkeit von der Dichte dieses Gasgemisches veränderlicher Widerstand parallel zu einem elektrischen, die Gaskonzentration anzeigenden Instrument geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Nebenschluß bildende Wheatstonesche Brücke, die in einem ihrer Zweige den in Abhängigkeit von der Dichte des zu analysierenden Gasgemisches veränderlichen Widerstand enthält, mit den Enden ihrer einen Diagonale an den elektrischen Stromkreis des Anzeigeinstrumentes vor und hinter demselben angeschlossen ist, während an die Enden ihrer anderen Diagonale in an sich bekannter Weise eine Hilfsspannung angelegt ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R5) mit der die Hilfsspannung liefernden Hilfsspannungsquelle (S) in Reihe geschaltet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand (Rv) des Nebenschlusses mit Hilfe einer Betätigungsvorrichtung gesteuert wird, welche zwei ineinander angeordnete Behälter (IO5 und IO6) aufweist, wobei der eine (wo5) dieser Behälter von dem zu analysierenden Gas durchströmt wird, so daß der Druck in diesem Behälter gleich dem dieses Gases ist, während der andere Behälter geschlossen ist, so daß der Druck im Innern dieses zweiten Behälters von der Temperatur der Gase abhängt, wobei die Anordnung so ausgebildet ist, daß die Drücke in den beiden Behältern auf ein gemeinsames Organ oder einen gemeinsamen Teil ein- wirken, z. B. eine Quecksilbersäule (109), deren durch diese beiden Drücke bestimmte Stellung die Dichte des zu analysierenden Gases angibt.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 877 966; britische Patentschrift Nr. 645 576; USA.-Patentschrift Nr. 2 431 OI9; The Rev. of Scientific Instr., I9, I948, S. I77; P. Wulff, Taschenbuch für chemische Laboratorien und chemisch technische Betriebe, I936, S. I39 und I40; Zeitschrift für techn. Physik, 24, I943, S.IO2; Anhang zur Gebrauchsanweisung »Zusatzeinrich tung zur Kompensation von Gasdichteschwankungen v. 14. 12. 1942.
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