DE1064255B

DE1064255B - Akustischer Gasanalysator

Info

Publication number: DE1064255B
Application number: DEG18390A
Authority: DE
Inventors: Albert Edward Martin; Donald Mounfield
Original assignee: Sir Howard Grubb Parsons and Co Ltd
Current assignee: Sir Howard Grubb Parsons and Co Ltd
Priority date: 1954-11-17
Filing date: 1955-11-16
Publication date: 1959-08-27
Also published as: US2874564A; GB792986A

Description

DEUTSCHES

Die Wirkungsweise akustischer Gasanalysatoren beruht darauf, daß die Schallgeschwindigkeit in Gasen je nach deren Zusammensetzung schwankt. Nacheinem bekannten Verfahren wird eine Schallquelle mit einer konstanten Frequenz / von mehreren tausend Hertz elektrisch erregt, und ein im Abstand d von der Schallquelle angeordnetes Mikrophon nimmt einen Teil der akustischen Energie auf. Ist die Schallgeschwindigkeit in dem die Schallquelle und den Empfänger umgebenden Gase V_v dann verursacht die endliche Zeit, welche die Schallwellen zum Durchlaufen des Abstandes d gebrauchen, einen Zeitverzug von -^- bzw. eine Winkelverschiebung von am Mikrophon.

* 1

Wechselt man auf ein Gas der Schallgeschwindigkeit V₂, dann ändert sich die Phase der Spannung am Mikrophon um

0 = 2-n-d-f-

Akustischer Gasanalysator

'vi

_1_
V,

(1)

Dabei ist nicht notwendig, die absolute Phasenverschiebung der Spannung am Mikrophon gegenüber derjenigen an der Schallquelle zu messen, sondern lediglich die relative Phasenverschiebung am Mikrophon je nach Änderung des Gasgemisches.

Zur Messung der Phasenänderung verwendet man bekannte Schaltungen, mit deren Hilfe die an den Sender gelegten und vom Mikrophon aufgenommenen .Sinuswellen zuerst quadriert und dann differenziert w-erden, so daß man gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Schaubild scharfe Spitzen erhält wie bei den Schallkurven hoher Töne.

Infolge der Größe und Schärfe dieser Spitzen ist die Anzeige des Meßinstruments genau proportional der Phasenverschiebung Θ und hängt lediglich in einem unbedeutenden Grade von der absoluten Größe dieser Kurvenspitzen ab. Es werden nur Kurvenspitzen einer Polarität verwendet, um den Gleichstrom zu- oder abzuschalten, so daß die Frequenz der Schaltintervalle gleich / ist. Die Art der Messung von Θ ist hier nur als Beispiel angegeben; irgendein anderes beliebiges verfügbares Verfahren kann ebensogut verwendet werden.

Die Gleichung (1) ist aber nur bei Abwesenheit stehender Wellen richtig, da diese eine Rückwirkung auf den Sender ausüben und die Phasenbeziehung zwischen der Bewegung der Membran und der an den Sender gelegten Wechselspannung ändern.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann diese Rückwirkung sehr groß sein.

Um die Nachteile zu beheben, sind schon verschiedene Methoden ersonnen und versucht worden, z. B. die Rohrenden mit einem Schallreflexionen ver-

Anmelder:
Sir Howard Grubb Parsons & Company
Limited,

Newcastle - upon -Tyne, Northumberland
(Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. C.-H. Huß, Patentanwalt,
Garmisch-Partenkirchen, Rathausstr. 14

Beanspruchte Priorität;
Großbritannien vom 17. November 1954
und 25. Oktober 1955

Albert Edward Martin und Donald Mounfield₁
Newcastle-upon-Tyne, Northumberland
(Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

hindernden Belag aus Filz, Watte od. dgl. zu versehen oder die Endwand pyramidenförmig auszubilden. Die Verwendung eines weichen Werkstoffs innerhalb des Rohres ist jedoch bei vielen akustischen Gasanalysatoren sehr unbefriedigend, da man bei der Reinigung des Musterrohres und dem Einfüllen eines frischen Musters auf Schwierigkeiten stößt. Außerdem neigt der zum Ausfüttern verwendete Werkstoff zur Aufnahme von Wasser oder organischen Dämpfen. Pyramidenförmig gestaltete Abschlußwände führen bei ganz bestimmter Ausbildung für eine ganz bestimmte Wellenlänge zum Erfolg, aber die normalerweise verwendeten Frequenzen von z. B. 3000 Hz mit Wellenlängen in einer Größenordnung von etwa 10 cm würden zu anomal großen Analysenröhren führen.

Durch die Erfindung wird es möglich, die Wirkung der stehenden Wellen wesentlich herabzusetzen, ohne daß man seine Zuflucht zu weichen, schallschluckenden Werkstoffen nehmen muß. Gegenüber bekannten Analysatoren zeichnet sich der nach der Erfindung vor allem durch seine einfache Bauweise unter Berücksichtigung der Bedürfnisse der Praxis aus, indem er stehende Wellen so weitgehend zu verhindern gestattet, daß er allen in der Praxis auftretenden Anforderungen genügt.

909 609/222

Claims

Demnach besteht die Erfindung in einem akustischen Gasanalysator, bei dem der Schall eines Senders zwei getrennte, eingeschlossene Wege zur Erregung zweier Mikrophone durchläuft, wobei der eine Weg durch ein Kontrollgas und der andere durch ein Testgas, z. B. CO2-Ireie Luft, geht. Neu und erfinderisch ist, daß beide Schallwege sich beieinander- und gegenüberliegend erstreckende bogenförmige Teile eines kontinuierlichen Ringraumes bilden. Bei einer bevorzugten, schematisch in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist S ein Schallsender, in dem eine Membran mit einer ihr auferlegten Frequenz zum Schwingen gebracht wird. Eine zweckmäßige Form eines Senders ist von der Bauart, wie sie bei Hilfsgeräten für Schwerhörige verwendet wird. Er kann elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigt werden. Der Gasanalysator ist als fortlaufender Ringraum 7? ausgebildet und mit dem Sender S verbunden. M1 und M2 sind zwei hier im gleichen Abstand voneinander und vom Sender angeordnete Mikrophone. Bei T, ungefähr auf halbem Wege zwischen 5" und Mv wird ein Testgas in die Röhre gefüllt, während ein Kontrollgas, wie z. B. trockene, von CO2 befreite Luft, bei A', etwa auf halbem Wege zwischen S und Mv zugeleitet wird. Die Auslaßrohre U und V sind an Stellen gegenüber S und M1 angebracht. Durch die sorgfältige Regelung des Gaseintritts bei T und K kann das Vermischen der beiden Gase miteinander in den Räumen zwischen S und -If1 bzw. ^ und M2 auf einem Mindestmaß gehalten werden. Der verstärkte Auslaß des Mikrophons JlZ1 gibt ein Signal, das in der Anzeigevorrichtung e;nen Gleichstrom erregt, während das Signal vom Alikrophon M2 diesen Stromfluß unterbindet. Dadurch hängt die Anzeige direkt von der Phasenverschiebung Θ zwischen den Signalen aus M1 und ilZ2 und demzufolge von der Zusammensetzung des im Rohr enthaltenen Gases ab. Stehende Wellen werden weitgehend beseitigt, da keine reflektierenden Oberflächen vorhanden sind, abgesehen von einigen kleinen Unregelmäßigkeiten in der sonst glatten Rohrwandung an den Stellen für Ein- und Auslaß der Gase und auch dort, wo .S1, M1 und JlZ2 an das kreisförmige Rohr angeschlossen sind. Nach einer anderen, in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform, wird eine spärliche Menge an CO2-freier Luft bei L und Ar eingeleitet, während der Hauptlufteintritt bei O erfolgt. Das Testgas wird bei T eingeleitet, und die in der Zeiteinheit eintretenden Mengen an Luft und Testgas werden nahezu gleichgemacht, so daß das Testgas lediglich den Raum im Rohr zwischen JlZ1 und 5 einnimmt, während die Luft den Rest des Rohres anfüllt. Testgas und Luft treten schließlich bei P aus. Diese Anordnung ist ganz besonders gut geeignet für korrodierend wirkende Gase, da das Testgas hierbei nicht in Berührung mit den Übertragern kommt und das Rohr selbst aus Glas hergestellt werden kann. Weiterhin, wenn das Testgas bei erhöhter Temperatur geprüft werden muß, können die Röhren, durch welche die Übertragungsgeräte an das kreisförmige Rohr angeschlossen sind, verlängert werden, so daß die Übertragungsgeräte bei normaler Temperatur arbeiten können, während das kreisförmige Rohr auf seine Betriebstemperatur erhitzt wird. ίο Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Gasanalysators beruht darauf, daß zu seinem Ringraum die Dämpfung auf dem einen AVeg viel größer als auf dem anderen ist und als Folge hiervon die Stärke des durch ein Mikrophon von einem AVeg erhaltenen Signals viel größer als das vom anderen Weg aufgenommene. Damit ist es sehr einfach gemacht, praktisch sicherzustellen, daß das eine Signal gegenüber dem anderen vernachlässigt werden kann, z. B. durch Abstimmung von Frequenz und Weglänge, weil die Dämpfung mit diesen beiden Bestimmungsgrößen zunimmt. Patentansprüche:

1. Akustischer oder Ton-Gasanalysator, bei dem der Schall eines Senders zwei getrennte, eingeschlossene Wege zur Erregung zweier Mikrophone durchläuft, wobei der eine Weg durch ein Kontrollgas und der andere durch das Testgas, z.B. C0₂-freie Luft, geht, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schallwege sich beieinander- und gegenüberliegend erstreckende bogenförmige Teile eines kontinuierlichen Ringraumes bilden.

2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem den kontinuierliehen Ringraum bildenden Ring in Form eines Rohres besteht, ferner einem Schallsender, der Schallwellen durch das Rohr schickt, und zwei Mikrophonen, einem ersten und einem zweiten, die im Abstand längs des Rohres vom Sender angeordnet sind und den durch das Gas im Rohr übertragenen Schall aufnehmen, einem Einlaß für das zu prüfende Gas zwischen dem Schallsender und dem ersten Mikrophon, einem Einlaß für ein Kontrollgas, welcher diametral gegenüber dem Einlaß für das Testgas ist, sowie Auslässen für das Testgas und das Kontrollgas neben dem Sender bzw. dem ersten Mikrophon.

3. Gasanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrophone und der Sender sich in Kammern befinden, welche mit dem Innern des Rohres in Verbindung stehen, wobei die Kammern mit einem Kontrollgas angefüllt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 390 752;
»Die Technika, 8. Jahrgang (1953), S. 701 bis 705.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen