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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hierdurch lassen sich aber nur für eine einzige Stelle der Anzeigeskala
des Meßgeräts eine genaue Kompensation und somit genaue Meßergebnisse erreichen.
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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.
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Die Erfindung ist nachstehend beispielshalber unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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Diese beiden Bündel werden vorzugsweise in gewissen Abständen durch
einen von einem Motor 5 in Umdrehung versetzten Drehsektor 4 abgeblendet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die oben angegebenen Zahlen sind natürlich nur beispielshalber angegeben
und sollen keine Beschränkung der Erfindung bilden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die von dem Verstärker empfangenen Impulse werden nach ihrer Verstärkung
z. B. durch ein Millivoltmeter 32 angezeigt.
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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.
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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.
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Die Steuerung des Umschalters C erfolgt zweckmäßig durch ein Relais,
welches schematisch bei R angegeben ist und mittels eines Schalters 33 betätigt
wird.
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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.
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Der Analysierapparat wird zweckmäßig noch mit Mitteln zum Ausgleich
der Schwankungen der Dichte des Gases, dessen Komponenten zu analysieren sind, versehen.
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Hierzu ist noch zu bemerken, daß die Dichte schwankungen, welche
das Meßergebnis beeinflussen können, insbesondere von Druck- oder Temperaturschwankungen
herrühren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel liegt der veränderliche
Widerstand Rv in dem Zweig IOI-I03.
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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.
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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.
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Die Brücke hat somit zwei Aufgaben, nämlich erstens eine Ausgleichsspannung
zu erzeugen und zweitens den Gesamtwiderstand des Stromkreises C, zu verändern.
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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.
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Lediglich beispielshalber sind nachstehend einige Zahlenwerte angegeben,
welche bei einem Ausführungsbeispiel der Brücke P den verschiedenen obigen Widerständen
gegeben wurden.
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Rv (normaler oder mittlerer Wert) = 20 d Rv (für eine Dichteschwankung
von 1010) = 0,9 Q, R,= roQ, R2= 30Q, R3 = R4 = 300 Q.
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Ferner hatte das Millivoltmeter 32 in diesem Beispiel einen Widerstand
Ri von Ion0.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.