DE1181945B - Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung eines paramagnetischen Gases in einem Gasgemisch - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT Internat. KL: GOIn Deutsche KL: 421-4/16

Nummer: 1181945

Aktenzeichen: M 53974IX b / 421

Anmeldetag: 21. August 1962

Auslegetag: 19. November 1964

Es ist bekannt, daß die Anziehungskraft auf ein paramagnetisches Gas wie Sauerstoff in einem Magnetfeld proportional zur Anzahl der Sauerstoffmoleküle und umgekehrt proportional zum Quadrat der absoluten Temperatur des Gases ist. Bei einer bekannten Einrichtung zur Gasanalyse in Anwendung dieses Prinzips werden in dem zu untersuchenden Gasgemisch mit Hilfe eines inhomogenen magnetischen Wechselfeldes periodische Druckveränderungen erzeugt, während gleichzeitig das zu prüfende Gasgemisch einer örtlichen Erhitzung ausgesetzt wird, die ein Temperaturgefälle innerhalb des inhomogenen Magnetfeldes hervorruft. Die entstandenen Druckimpulse können in einem Kondensatormikrophon gemessen werden.

Das magnetische Wechselfeld kann entweder durch Veränderung des magnetischen Widerstandes im magnetischen Kreis oder dadurch erzeugt werden, daß ein Teil des magnetischen Kreises umläuft. Im letzteren Falle rotiert ein Polschuh, der zwei Abschnitte verschiedener magnetischer Eigenschaften asymmetrisch um die Drehachse verteilt aufweist, wobei die Drehachse parallel zu den Kraftlinien zwischen den Polschuhen ist.

Zur Empfindlichkeitssteigerung sind bei der bekannten Anordnung zwei Magnete oder ein Doppelmagnet vorgesehen, deren Kraftfluß um 180° phasenverschoben ist. Jeder der beiden Luftspalte wird von einem Teilstrom des zu prüfenden Gasgemisches mit einem Temperaturgefälle quer zur Kraftlinienrichtung durchflossen. Die durch das magnetische Wechselfeld hervorgerufenen Druckdifferenzen werden in einem Kondensatormikrophon gemessen.

Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung eines paramagnetischen Gases in einem Gasgemisch, bestehend aus zwei von etwa gleich großen, je ein Temperaturgefälle aufweisenden Teilströmen des Gasgemisches durchströmten Luftspalten, in denen gleichartige, periodisch veränderlich, inhomogene Magnetfelder herrschen, und einem Gerät zur Messung der durch die Magnetfelder erzeugten Druckschwankungen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Luftspalte zwischen einem zentralen kreisförmigen Polschuh der einen Polarität und zwei einander diametral gegenüberstehenden, um den zentralen Polschuh umlaufenden Polschuhen der anderen Polarität ausgebildet sind, daß innerhalb des durch die Luftspalte zwischen den umlaufenden Polschuhen bestrichenen Kreisringes zwei kreisbogenförmige Strömungskanäle für die gleich großen Teilströme des Gasgemisches symmetrisch angeordnet sind und daß an je zwei Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung eines paramagnetischen Gases in einem Gasgemisch

Anmelder:

Mine Safety Appliances Company, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt, München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:

James L. Waters, Framingham, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 21. August 1961 (132 653)

sich diametral gegenüberliegenden Bereichen jedes bogenförmigen Strömungskanals Mittel für einen quer zum Luftspalt gerichteten Temperaturübergang angeordnet sind.

Wenn also die Polschuhe und die von ihnen erzeugten Magnetfelder umlaufen, so durchquert der Magnetfluß in den Luftspalten periodisch einen Temperaturübergang im einen Strömungskanal und gleichzeitig den entsprechenden Temperaturübergang im anderen Strömungskanal, wodurch zwei gleichzeitige Druckimpulse von etwa gleicher Größe auftreten. Diese Druckimpulse werden einem Kondensatormikrophon derart übermittelt, daß ihre Amplituden sich addieren. Auf diese Weise erhält man etwa die doppelte Empfindlichkeit gegenüber der bekannten Anordnung.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen beschrieben. Hierin ist

F i g. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung,

F i g. 2 eine isometrische Ansicht des Gehäuses füi die Strömungskanäle, wobei der umlaufende Dauermagnet der Deutlichkeit halber weggelassen ist,

F i g. 3 ein Horizontalschnitt des Gehäuses nach der Linie III-III in F i g. 2 zur Darstellung verschiedener Bohrungen im Gehäuse und ein Horizontalschnitt durch den umlaufenden Dauermagneten,

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Gehäuses längs der Linie IV-IV in F i g. 3,

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F i g. 5 eine verkleinerte Stirnansicht des Dauer- als Wärmesenke, die die Wärme an den Berührungsmagneten längs der Linie V-V in F i g. 3 und stellen und in den benachbarten Zonen vom Ring

F i g. 6 eine schematische Darstellung der verschie- abführt. Die Anordnung ist also so getroffen, daß

denen Bohrungen im Gehäuse. der Ring in zwei symmetrisch gegenüberliegende

Die verschiedenen Kanäle sind als Bohrungen in 5 kalte Quadranten^ und B und zwei dazwischeneinem Gehäuse 1 ausgeführt, an dessen Vorderseite liegende heiße Quadranten C und D aufgeteilt ist. ein Analysenrohr in Form eines Ringes 2 mit enger Die kalten Quadranten befinden sich hierbei in der Bohrung 3 angebracht ist. Dieser Ring wird am Ge- Gegend des Einlasses 18 bzw. der Auslässe 21 und häuse 1 unmittelbar mittels zweier die Wärme und 22. Dort, wo diese Quadranten zusammenstoßen, beden elektrischen Strom leitender Träger 4 gehalten, io findet sich entweder ein Übergang 48 vom Kalten die einander gegenüber symmetrisch angeordnet sind zum Heißen, wo die im Uhrzeigersinn umlaufenden und Bohrungen aufweisen, durch welche die Ring- Magnetfelder aus einem kalten Bereich in einen bohrung mit verschiedenen Kanälen im Gehäuse 1 wärmen Bereich übergehen, oder ein Übergang 49 in Verbindung steht. Das Gehäuse und die Träger 4 vom Heißen zum Kalten, wo die Magnetfelder umbestehen aus rostfreiem Stahl. Das Gehäuse ist auf 15 gekehrt von einem warmen zu einem kühlen Bereich einer Grundplatte 5 angebracht und trägt an seiner übergehen, In jedem der beiden symmetrischen geRückseite einen Kasten 7, in dem sich ein Konden- krümmten Strömungswege des Ringes 2 befinden satormikrophon 6 befindet. Das zu untersuchende sich also zwei entgegengesetzte Wärmeübergänge, Gasgemisch tritt durch einen Einlaß 10 an einer und jeder Übergang liegt diametral gegenüber dem Seite des Gehäuses ein. Der Hauptteil des Gases 20 entsprechenden Übergang im anderen Strömungsströmt nach Durchgang durch eine einstellbare Dros- kanal.

selstelle 11 unmittelbar über eine Umgehungsleitung Die im Ring 2 strömende Gasprobe wird da-12 zu einem Auslaß 13. Die zu untersuchende Probe durch einem periodisch veränderlichen inhomogenen gelangt vom Einlaß 10 über eine einstellbare Drossel Magnetfeld unterworfen, daß ein Dauermagnet 51 14, eine Bohrung 16 des Gehäuses und einen Einlaß- 25 um eine Achse 52 umläuft; der Magnet besitzt an kanal 17 im ersten Träger 4 zu einem Einlaß 18 in einem Ende einen kreisförmigen zentralen Polschuh der Ringwand. Diametral gegenüber dem Einlaß 18 53, der z. B. als Nordpol ausgebildet ist, und zwei befindet sich eine Trennwand oder ein Stopfen 19 in diametral gegenüberliegende Polschuhe 54 und 56 der Ringbohrung 3. Beiderseits der Trennwand sind (Südpole), die mit dem Nordpol zwei einander gegenunmittelbar neben dieser getrennte Gasauslässe 21 30 überliegende Luftspalte 57 und 58 bilden. Der ma- und 22, die zu entsprechenden Kanälen 23 und 24 gnetische Kreis wird geschlossen über eine Grundim anderen Träger 4 und zu Bohrungen 26 und 27 platte 59, einen Zylinder 61 und eine Scheibe 62, an im Gehäuse 1 führen. Die letzteren Bohrungen stehen der die Südpole 54 und 56 ausgebildet sind. Der Main folgender Weise mit dem Kondensatormikrophon 6 gnet ist auf einer Welle 63 angebracht, die an einem in Verbindung: 35 Ende in Lagern 64 in einer Ausnehmung 66 an der Vor-

Das Gas strömt von Kanal 26 zu einem Kanal 28 derseite des Gehäuses 1 gelagert ist. Die Achse diesel im Kondensatorgehäuse 7 und dann einerseits durch Welle fällt mit der Achse 52 durch die Ringmitte zueine kleine Bohrung 29 und andererseits parallel da- sammen. Das andere Ende der Welle ist auf der zu durch eine einstellbare Drosselstelle 31 ■ zu der Grundplatte 5 mit entsprechenden Lagern (nicht dar-Kammer 32 des Kondensatormikrophons. Vom 40 gestellt) gelagert und über ein entsprechendes GeKanal 27 gelangt das Gas über die Kanäle 33, 34 triebe mit einem Synchronmotor verbunden, der die und 35 in die Kammer 36, die auf der anderen Seite Welle mit einer Umdrehungszahl von etwa einer Umder Membran 37 liegt. Die Auslaßkanäle 23 und 24 drehung je Sekunde antreibt. Der Magnet ist so ansind ferner über die Kanäle 26 und 27 bzw. 38 und gebracht, daß die Bohrung 3 des Ringes 2 sich in 39 mit Drosselstellen 41 und 42 mit einer gemein- 45 allen Stellungen der Luftspalte 57 und 58 in deren samen Drosselstelle 43 verbunden, an welche dei Mitte befindet. Durch diese Konstruktion wird er-Hauptauslaß 13 angeschlossen ist. Eine Saugpumpe reicht, daß ein sehr starker Magnetfluß in den ver-44 (s. Fig. 1) ist am Auslaß 13 angeschlossen und hältnismäßig engen Luftspalt konzentriert ist, so daß fördert das Gasgemisch durch das Nachweisgerät. das im Ring strömende Gasgemisch einem starken

Der Analysenring 2 besteht vorzugsweise aus einem 50 inhomogenen Magnetfeld ausgesetzt ist. Laufen die

Metall mit hohem elekrischen Widerstand wie Polschuhe um, so drehen sich die Magnetfelder und

Chromnickel oder rostfreiem Stahl und ist z. B. durch die Luftspalte ebenfalls, und das Gasgemisch im

Silberlot in gut wärmeleitendem und elektrizitäts- Ring wird periodisch veränderlichen inhomogenen

leitendem Kontakt mit den Trägern 4 angebracht. Magnetfeldern unterworfen.

Der Ring wird über Zuführungsdrähte 46 und 47, 55 Die Gasprobe, die z. B. auf Sauerstoffgehalt unter-

die mit einer nicht dargestellten Stromquelle ver- sucht werden soll, strömt vom Einlaß 18 in der Mitte

bunden sind, elektrisch geheizt. Die Zuführungs- des kalten Quadranten^ in die Bohrung3 des Ringes

drähte 46 und 47 sind diametral einander gegenüber vor. Die Probe spaltet sich dort in zwei etwa gleiche

in der Mitte zwischen dem Einlaß 18 und der Trenn- Ströme, wobei der eine Strom durch den oberen Strö-

wand 19 angeschlossen. Fließt ein elektrischer Strom 60 mungskanal 67 des Ringes zum Auslaß 21 und der

durch den Ring, so wird dieser erwärmt, jedoch nicht andere Strom durch den unteren Strömungskanal 68

merklich an denjenigen Stellen, die in elektrischem zum Auslaß 22 fließt. Beide Auslässe sind symme-

und wärmeleitendem Kontakt mit den Trägern 4 irisch und nahe beieinander in der Mitte des kalten

stehen. Diese Träger schließen nicht nur die be- Quadranten B angeordnet. Wenn der Magnet in

treffenden Teile des Rings kurz und begrenzen hier- 65 F i g. 1 im Uhrzeigersinn umläuft, so durchquert das

durch die Widerstandsheizung des Rings auf lokali- eine Magnetfeld, z. B. dasjenige im ersten Luftspalt

sierte, einander gegenüberliegende Stellen, sondern 57, in einem bestimmten Zeitpunkt den Übergang 48

wirken auch im Verein mit dem massiven Gehäuse 1 vom Kalten zum Warmen im Strömungskanal 67.

Hierbei werden die vorhandenen kalten Sauerstoffmoleküle links vom Temperaturübergang stärker als die heißen Sauerstoffmoleküle rechts davon zur stärksten Stelle des Magnetfeldes gezogen. Der Effekt dieser kurzzeitigen bevorzugten Anziehung eines Teils des Gases am Temperaturübergang besteht in der Entstehung eines Druckimpulses im oberen Strömungskanal 67 im Uhrzeigersinn. Gleichzeitig durchquert das Magnetfeld im zweiten Luftspalt 58 den entsprechenden Übergang 48 vom Kalten zum Warmen im unteren Strömungskanal 68. Hier befinden sich die kalten Sauerstoffmoleküle rechts und die heißen Moleküle links von der Sprungstelle. Damit ergibt sich in diesem Abschnitt des Ringes ein Druckimpuls, der ebenfalls im Uhrzeigersinn läuft und etwa die gleiche Amplitude hat.

Dreht sich der Magnet weiter, so überquert das Magnetfeld im ersten Luftspalt 57 als nächstes die Sprungstelle 49, die ein Übergang vom Wärmen zum Kalten ist, im oberen Strömungskanal 67. Hier wird ein Druckimpuls entgegen dem Uhrzeigersinn von rechts nach links erzeugt. Gleichzeitig kreuzt das Magnetfeld im zweiten Luftspalt 58 den Warm-Kalt-Übergang 49 im unteren Strömungskanal 68 und zieht vorzugsweise Moleküle aus dem kalten Bereich links von dieser Sprungstelle an, wodurch sich ebenfalls ein Druckimpuls entgegen dem Uhrzeigersinn von etwa gleicher Größe ergibt.

Diese abwechselnden Druckimpulse im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn und die ständig folgenden Druckimpulse während des Umlaufs des Magneten werden über die Auslässe 21 und 22 und die angeschlossenen Kanäle auf das Kondensatormikrophon 6 übertragen. Im Uhrzeigersinn verlaufende Impulse im Ring 2 streben, den Druck in der Kammer 32 des Kondensatormikrophons relativ zum Druck in der Kammer 36 zu erhöhen und können z. B. als positive Druckimpulse bezeichnet werden. Sie verschieben die Membran 37 nach unten in Fig. 1 bzw. nach rechts in Fig. 4. Bei Druckimpulsen entgegen dem Uhrzeigersinn wird dagegen der Druck in der Kammer 36 relativ zu demjenigen in der Kammer 32 erhöht; sie sind also sozusagen negative Druckimpulse. Bei ihnen verschiebt sich die Membran 37 nach oben bzw. links. Da jedesmal, wenn die Magnetfelder einen Temperaturübergang kreuzen, zwei Druckimpulse gleichzeitig in den beiden Abschnitten des Rings 2 erzeugt werden und beide Impulse in der gleichen Richtung verlaufen (entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn), sind die gleichzeitigen Impulse phasengleich und unterstützen sich bei der Auslenkung der Kondensatormembran 37. Demzufolge ergibt sich eine stärkere Durchbiegung dieser Membran und damit eine größere Empfindlichkeit bei Anwesenheit eines paramagnetischen Gases wie Sauerstoff, als wenn jeweils nur ein Druckimpuls erzeugt würde, wie es bei der bekannten Anordnung der Fall ist.

Die abwechselnden Auslenkungen der Membran 37 nach rechts und links in Fi g. 4 relativ zu der feststehenden Platte 71, die vom Gehäuse isoliert ist, erzeugen eine Wechselspannung in einem Stromkreis, die in einem Verstärker 72 (F i g. 1) verstärkt und einem Anzeigegerät 73 bzw. einem Registriergerät 74 zugeführt wird.

Die verschiedenen einstellbaren Drosselstellen in den Strömungskanälen dienen unter anderem zur Erzielung einer gleichmäßigen Gasströmung in den beiden Hälften des Ringes 2 und eines gleichen Strömungswiderstandes in den Kanälen, die vom Ring 2 zu den beiden Seiten der Kondensatormembran 37 führen.

Neben der Empfindlichkeitssteigerung gegenüber der bekannten Analysevorrichtung hat die beschriebene Anordnung unter anderem den Vorteil, daß dank der Ausbildung der Polschuhe des Dauermagneten ein sehr starkes Magnetfeld in den Luftspalten konzentriert wird. Auch ist die Verwendung eines ringförmigen Metallrohres mit hohem elektrischem Widerstand zur Bildung der Strömungskanäle durch die umlaufenden Luftspalte und zur abwechselnden Erwärmung und Abkühlung des Gases im Zusammenwirken mit den elektrisch und thermisch leitenden Halterungen für das Ringrohr wesentlich vorteilhafter als die örtliche Erwärmung mittels eines Widerstandsdrahtes, der um ein elektrisch nichtleitendes Rohr herumgewickelt ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung eines paramagnetischen Gases in einem Gasgemisch, bestehend aus zwei von etwa gleich großen, je ein Temperaturgefälle aufweisenden Teilströmen des Gasgemisches durchströmten Luftspalten, in denen gleichartige, periodisch veränderliche, inhomogene Magnetfelder herrschen, und einem Gerät zur Messung der durch die Magnetfelder erzeugten Druckschwankungen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Luftspalte (57, 58) zwischen einem zentralen kreisförmigen Polschuh (53) der einen Polarität und zwei einander diametral gegenüberstehenden, um den zentralen Polschuh umlaufenden Polschuhen (54, 56) der anderen Polarität ausgebildet sind, daß innerhalb des durch die Luftspalte zwischen den umlaufenden Polschuhen bestrichenen Kreisringes zwei kreisbogenförmige Strömungskanäle (67, 68) für die gleich großen Teilströme des Gasgemisches symmetrisch angeordnet sind und daß an je zwei sich diametral gegenüberliegenden Bereichen jedes bogenförmigen Strömungskanals Mittel für einen quer zum Luftspalt gerichteten Temperaturübergang angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmigen Strömungskanäle aus halbkreisförmigen Rohrstücken bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmigen Strömungskanäle zusammen ein Ringrohr (2) mit enger Bohrung (3) bilden, das an einer Stelle einen Einlaß (18) für das Gasgemisch, an der diametral gegenüberliegenden Stelle eine Trennwand (19) und beiderseits der Trennwand Auslässe (21, 22) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rmgrohr (2) aus einem Metall mit hohem elektrischem Widerstand besteht und an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen (46, 47), die in der Mitte zwischen dem Einlaß und der Trennwand liegen, mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden ist sowie daß elektrisch und thermisch leitende Halterungen (4) in symmetrischen Bögen beiderseits des Ein-

lasses bzw. der Trennwand derart am Ringrohr angebracht sind, daß sie auf diesen Bögen den elektrischen Widerstand des Ringrohres kurzschließen und die dort erzeugte Wärme abführen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Polschuh und die umlaufenden Polschuhe

an einem um seine Achse (52) umlaufenden Topfmagnet (51) ausgebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 859 387, 1 023 610; französische Patentschriften Nr. 1 012 232, 74 843 (Zusatz zur Patentschrift Nr. 1 159 562).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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