DE1199523B - Paramagnetischer Gasanalysator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIn

Deutsche Kl.: 421-4/16

Nummer: 1199523

Aktenzeichen: L 41780IX b/421

Anmeldetag: 17. April 1962

Auslegetag: 26. August 1965

Es ist bekannt, daß Sauerstoff und andere paramagnetische Gase bis zu einem gewissen Grad in inverser Abhängigkeit von der Temperatur paramagnetisch sind und daß dieser Effekt zur Erzeugung von Konvektionsströmen in Umgebung eines erwärmten Widerstandes benutzt werden kann, der von einer das paramagnetische Gas enthaltenden Gasmischung umgeben ist. Wenn der Widerstandswert dieses Widerstandes von der Temperatur abhängig ist, ergibt sich, daß dieser Widerstandswert auch von der Größe des Konvektionsstromes und damit der Konzentration des paramagnetischen Gases abhängt.

Die Konvektionsströme sind aber auch noch von anderen Faktoren abhängig, beispielsweise der spezifischen Wärme und der Viskosität des Gases sowie dem Gasdruck. Es ist daher bereits schon ein paramagnetischer Gasanalysator mit mehreren Zellen bekannt, von denen jede ein direkt oder indirekt erwärmtes und durch den Konvektionsstrom des zu messenden Gases gekühltes, temperaturabhängiges elek- ao trisches Element aufweist, insbesondere einen temperaturabhängigen Widerstand. Eine Zelle ist dabei als Meßzelle ausgebildet und der Einwirkung eines Magnetfeldes ausgesetzt, eine andere Zelle ist als Bezugszelle ausgebildet und enthält ohne Einwirkung des Magnetfeldes das gleiche Gas unter den gleichen Bedingungen wie die Meßzelle. Die temperaturabhängigen elektrischen Elemente sind dabei in Zweige einer Brücke geschaltet. Mit dieser bekannten Anordnung können damit Änderungen der elektrischen Ausgangsgröße der Meßzelle, hervorgerufen beispielsweise durch Temperaturänderungen oder Änderungen der Viskosität bzw. der Wärmeleitfähigkeit des zu messenden Gases, kompensiert werden, da sich gleichzeitig auch die elektrische Ausgangsgröße des Bezugselements ändert.

Mit diesen bekannten Gasanalysatoren können jedoch nicht alle Meßwertstörungen kompensiert werden, vor allem nicht Meßwertänderungen, die durch Druckänderung der Umgebung hervorgerufen sind. Es ist zu diesem Zweck zwar weiterhin bekannt, einen zweiten, gleich aufgebauten Analysator zu verwenden, durch welchen ein Standardgas bekannter paramagnetischer Gaskonzentration geschickt wird, welches auf gleicher Temperatur und gleichem Druck wie das zu analysierende Gas gehalten ist. Das Verhältnis der unbekannten zu dieser bekannten paramagnetischen Gaskonzentration kann auf diese Weise genau bestimmt werden. Diese bekannte Meßmethode besitzt jedoch den Nachteil, daß ein Standardgas vorhanden sein muß und daß der Druck des Standardgases durch den Benutzer des Analy-Paramagnetischer Gasanalysator

Anmelder:

Leeds and Northrup Company,
Philadelphia, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und
Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,
Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:

Joseph Felix Klein, Philadelphia, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 17. April 1961 (103 354)

sators stets auf dem gleichen Wert wie der Druck des zu analysierenden Gases gehalten werden muß.

Diese Nachteile der bekannten Anordnung vermeidet die Erfindung. Sie betrifft also einen paramagnetischen Gasanalysator der oben bezeichneten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationszelle und eine dieser zugeordnete weitere Bezugszelle vorgesehen sind und beide Zellen keinem Magnetfeld ausgesetzt sind und die temperaturabhängigen Elemente dieser beiden Zellen ebenfalls in die Brücke geschaltet sind, wobei die Kompensationszelle, bezogen auf ihr Raumvolumen, mit einem derartig großen Heizstrom erwärmt wird, daß durch die elektrische Ausgangsgröße ihres temperaturabhängigen Elements Änderungen der elektrischen Ausgangsgröße der Meßzelle, hervorgerufen durch Gasdruckänderungen, kompensiert werden, und die ihr zugeordnete Bezugszelle derart ausgebildet ist, insbesondere ein derartig kleines Raumvolumen besitzt, daß Druckänderungen die elektrische Ausgangsgröße ihres temperaturunabhängigen Elements nicht beeinflussen, jedoch in gleicher Weise wie die Bezugszelle die Meßzelle durch die elektrische Ausgangsgröße dieser Bezugszelle die elektrische Ausgangsgröße der Kompensationszelle kompensiert wird. Dadurch wird die störende Einwirkung des Umgebungsdruckes auf den Meßwert automatisch nahezu voll-

509 658/414

ständig ausgeschaltet, ohne daß der Benutzer irgend- eines Regulierventils 24 einen vorbestimmten Gasweiche Einstellungen vornehmen muß, und zwar aus strom über eine Leitung 25 in die Zellen 11 und 12 folgenden Gründen: einströmen läßt. Dieser Gasstrom verteilt sich nach

Die elektrische Ausgangsgröße der Kompensa- außen und gelangt in die beiden Zellen, woraufhin ticnszelle ändert sich mit dem Druck, jedoch hängt 5 er aus den Zellen über eine Leitung 26 abströmt, die die Druckkurvensteigung sowohl vom Zellenvolumen zur Atmosphäre führen kann. Die Zellen 13 und 14 als auch von der der Zelle zugeführten Heizleistung sind mit der Atmosphäre über ein Filter 27 verbunab. Diese beiden Parameter können deshalb erfin- den. Die Widerstände 15 bis 18, die alle von gleidungsgemäß so gewählt werden, daß die Druck- eher Größe und Zusammensetzung sind, liegen gekurvensteigung der Kompensationszelle gleich der io maß Fig. IA in einer Meßschaltung28 nach Art mittleren Druckkurvensteigung der Meßzelle für den einer Wheatstoneschen Brücke. Zum Speisen der gegebenen Konzentrationsmeßbereich des paramagne- Brückenschaltung ist eine geeignete, regelbare, eine tischen Gases ist. Damit werden durch den Kompen- konstante Spannung liefernde Energiequelle vorgesationszellenausgang Ausgangsänderungen der Meß- sehen, die in F i g. IA als Batterie 30 dargestellt ist. zelle kompensiert, die allein auf Druckänderungen 15 Der Meßwiderstand 15 bildet einen Zweig der zurückzuführen sind, so daß die einzigen tatsäch- Brücke, während der Bezugswiderstand 16 einen weilichen Änderungen des Brückengleichgewichtes aus- teren Zweig der Brücke bildet. Ein dritter Zweig der schließlich durch Konzentrationsänderungen des Brücke, und zwar der dem den Meßwiderstand 15 paramagnetischen Gases in der Meßzelle erfolgen. enthaltenden Zweig benachbarte Zweig, enthält den

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Ana- 20 Widerstand 17 und einen zusätzlichen Widerstand 31. lysators sowie der erfindungsgemäßen Kompensa- Entsprechend enthält der vierte Zweig der Brücke tionsmaßnahme ergeben sich aus der folgenden Be- außer dem Widerstand 18 einen zusätzlichen Widerschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der stand 32. Die Widerstände 31 und 32 dienen zum Zeichnungen. Bestimmen der Stromstärke, und ihre Widerstands-

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer 25 werte sind so gewählt, daß sie einen vorbestimmten Ausbildungsform der Erfindung; Strom durch die beiden Zweige mit den Widerstän-

Fig. IA zeigt die Schaltung der Anordnung nach den 17 und 18 fließen lassen, wobei sich dieser Fig. 1 und läßt mehrere zusätzliche Merkmale er- Strom von dem Strom unterscheidet, der durch die kennen; die Widerstände 15 und 16 enthaltenden Zweige

Fig. 2 bis 5 sind zur Erläuterung der Erfindung 30 fließt. Ausgangsleitungen 35 und 36 sind an die Ausdienende graphische Darstellungen; gangsklemmen 37 bzw. 38 angeschlossen. Die Aus-

Fig. 6 ist eine teilweise als Schnitt gezeichnete gangsleitung 35 ist mit dem verstellbaren Kontakt Seitenansicht einer bevorzugten Ausbildungsform der eines Potentiometers 39 verbunden, das Widerstände Erfindung; 39 a und 39 b umfaßt, während die Ausgangsleitung

F i g. 7 ist ein Schnitt längs der Linie 7-7 in 35 36 an den verstellbaren Kontakt eines die Widerstände F i g. 6; 40 α und 40 b umfassenden zweiten Potentiometers 40

Fig. 8 zeigt in einer Stirnansicht den Dauer- angeschlossen ist. Das Potentiometer 40 dient zur magneten mit der zugehörigen Polkonstruktion und Feineinstellung, während das Potentiometer 39 für die läßt die Anordnung der Meßzelle gegenüber der Pol- Grobeinstellung vorgesehen ist, damit die Brückenkonstruktion erkennen; 4° schaltung geeicht werden kann.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die zur Wie dem Fachmann bekannt, und wie in der USA.-

Erläuterung der Anordnung der Teile gemäß F i g. 7 Patentschrift 2 603 964 erläutert, bewirkt das Vor- und 8 dient; handensein eines paramagnetischen gasförmigen Be-

Fig. 10 zeigt in einer auseinandergezogenen Dar- Standteils in dem über die Leitung25 zugeführten stellung die wichtigeren Teile des die Zellen und den 45 Gasstrom unter dem Einfluß des durch den Magne-Magneten umfassenden Aggregats. ten 19 erzeugten starken Magnetfeldes, daß sich in

In Fig. 1 ist die Anwendung der Erfindung bei der Zelle 11 zusammen mit den allein auf die Wärme einer Gasanalysatorzelle bzw. einem Aggregat 10 ver- zurückzuführenden Konvektionsströmungen theranschaulicht, das eine Meßzelle 11 mit einem darin misch-magnetische Konvektionsströmungen entwikangeordneten temperaturempfindlichen Widerstand 50 kein. Diese Konvektionsströmungen bewirken eine 15 umfaßt. Damit mindestens innerhalb eines Um- Abkühlung des Widerstandes 15, welche die Abkühfangsabschnitts der Meßzelle 11 ein kräftiges Ma- lung des Widerstandes 16 überschreitet, die durch die gnetfeld erzeugt werden kann, ist ein Dauermagnet rein thermischen Konvektionsströmungen in der 19 vorgesehen, dessen Polstücke auf eine noch zu er- Zelle 12 bewirkt wird, welche keinem Magnetfluß läuternde Weise geformt sind. Mit der Meßzelle 11 55 ausgesetzt ist. Infolgedessen variiert der Widerstandsist eine Bezugszelle 12 verbunden, die einen tempe- wert des temperaturempfindlichen Widerstandes 15 raturempfindlichen Widerstand 16 enthält. Der Ana- proportional vom Gehalt des Gasstroms an dem lysator 10 umfaßt ferner die erfindungsgemäße Korn- paramagnetischen Bestandteil, so daß die Brückenpensationszelle 13, die in Verbindung mit der erfin- schaltung proportional dazu verstimmt wird. Diese dungsgemäßen (vierten) Zelle 14 steht; diese Zellen 60 Wirkung ist auf das Vorhandensein der Bezugszelle enthalten jeweils einen temperaturempfindlichen 12 mit dem Widerstand 16 in der Brückenschaltung Widerstand 17 bzw. 18. Es sei bemerkt, daß aus zurückzuführen. Der Bezugswiderstand 16 und die noch zu erläuternden Gründen der Durchmesser 13 d Zelle 12 ähneln hinsichtlich ihrer Konstruktion dem der Zelle 13 größer ist als der Durchmesser 14 d der Widerstand 15 bzw. der Zelle 11. Daher reagiert der Zelle 14. 65 Widerstand 16 identisch mit dem temperaturempfind-

Ein Strom des zu prüfenden Gases wird über eine liehen Meßwiderstand 15 in Abhängigkeit von Ände-Leitung 20 zugeführt und gelangt über ein Zweiwege- rangen der Umgebungstemperatur der Zelle; ferner ventil 21 zu einem Durchflußmesser 23, der mit Hilfe reagieren die Widerstände 15 und 16 gleichartig auf

Änderungen der spezifischen Wärme und der Viskosität des Gasstroms und anderer veränderlicher Größen. Jedoch ändert sich der Widerstandswert des Meßwiderstandes 15 zusätzlich proportional zur Menge des in dem Gasstrom enthaltenen paramagnetischen Gases, während der Widerstand 16 hierauf nicht anspricht.

Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß die Ausgangsspannung der Brücke 28 dann, wenn keine richtige Kompensation erfolgt, eine Komponente enthält, die auf Änderungen des Umgebungsdrucks zurückzuführen ist und zu einer falschen Anzeigender Menge des paramagnetischen Gases in dem Gasstrom führt. Diese Fehlerkomponente ändert sich als lineare Funktion der Menge des paramagnetischen Gases in dem sich in den Zellen 11 und 12 verteilenden Gasstrom. Um derartige Änderungen des Umgebungsdrucks zu kompensieren, sind die temperaturempfindlichen Widerstände 17 und 18 vorgesehen. Sie sind in unterschiedlich arbeitenden ZeI-len 13 und 14 angeordnet. Insbesondere ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Durchmesser 13 d der Zelle 13 im Vergleich zum Durchmesser 14 d der Zelle 14 groß. Mit anderen Worten, der den Widerstand 17 umgebende freie Raum hat ein solches Volumen, daß sich darin thermische Konvektionsströmungen entwickeln können, die sich in Abhängigkeit von Änderungen des Drucks ändern, während der Widerstand 18 in einer Zelle angeordnet ist, die nur einen so beschränkten Raum bietet, daß sich keine bemerkbaren Konvektionsströmungen ausbilden können. Alternativ kann man den Widerstand 18 in einer nach außen abgeschlossenen Zelle anordnen, in der keine Druckänderungen auftreten können. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Widerstand 18 keiner auf Änderungen des Umgebungsdrucks zurückzuführenden variablen Abkühlung ausgesetzt ist, wenn man den schraubenlinienförmig mit einem Durchmesser von etwa 0,58 mm gewickelten Widerstand 18 in einer Bohrung mit einem Durchmesser von etwa 5,6 mm anordnet. Wenn man den Durchmesser der Zelle 14 größer macht als etwa 5,6 mm, variiert der Widerstandswert des temperaturempfindlichen Widerstandes 18 bei Änderung des Umgebungsdrucks in zunehmendem Maße. Wie weiter unten näher erläutert, kann eine ausreichende Empfindlichkeit des Widerstandes 17 für Druckänderungen zum Zwecke der Kompensation des Meßzweiges der Brücke 28 erreicht werden, wenn man eine Zelle 13 mit einem Durchmesser in der Größenordnung von etwa 9,5 mm verwendet.

Die vorstehenden Ausführungen werden besser verständlich, wenn man die Angaben betrachtet, die in den Fig. 2 bis 5 graphisch dargestellt sind, und wenn gezeigt wird, auf welche Weise diese Angaben benutzt werden, um eine Kompensation für Druckänderungen derart zu gewährleisten, daß die Wirkung von Druckänderungen auf das Ausgangssignal der Meßbrücke auf ein Minimum herabgesetzt werden. In Fig. 2 sind die Kurven 47, 48, 49 und 50 als Ordinaten in Millivolt über der Änderung des Umgebungsdrucks aufgetragen. Die Kurve 48 zeigt die Zunahme des Ausgangssignals einer nicht kompensierten Brücke, die lediglich auf eine Steigerung des Drucks zurückzuführen ist, wenn eine Zelle mit einem Durchmesser von etwa 9,5 mm in einem Magnetfeld angeordnet ist und ein Strom von 65 mA durch ihren Widerstand fließt, wobei der die Zelle passierende Gasstrom einen Sauerstoffgehalt von 4,2% besitzt. Die Kurve 49 zeigt das Ausgangssignal für den Fall, daß der Gasstrom 8,1% Sauerstoff enthält, und die Kurve 50 gibt das Ausgangssignal für den Fall wieder, wenn es sich bei dem Gas um Luft handelt, deren Gehalt an Sauerstoff etwa 20,9% beträgt. Die Kurve 50 läßt erkennen, daß eine größere Änderung des Ausgangssignals erfolgt, wenn der Gasstrom eine größere Sauerstoffmenge enthält, und daß dann, wenn man den Sauerstoffgehalt auf Null herabsetzt, wie es bei der untersten Kurve 47 geschehen ist, die für reinen Stickstoff gilt, der nicht paramagnetisch ist, sich keine Änderung des Ausgangssignals der Brücke bei einer Änderung des Drucks des Gasstroms ergibt, und zwar deshalb, weil die Wärmekonvektion allein durch die Bezugszelle 12 kompensiert wird, wobei in der Meßzelle 11 keine paramagnetische Komponente vorhanden ist, deren magnetischer Konvektionseffekt mit steigendem Druck zunimmt.

In F i g. 3 sind die Kurven 51, 52 und 53 für Luft mit den gleichen Variablen als Abszissen und Ordinaten aufgetragen wie in Fig. 2. Jedoch wurde bei diesen Kurven der Sauerstoffgehalt der Zelle konstant gehalten, und der durch die Zelle fließende Strom wurde variiert. Bei der Kurve 51 betrug der durch den temperaturempfindlichen Widerstand 15 fließende Strom 60 mA, bei der Kurve 52 betrug er 65 mA, und bei der Kurve 53 floß ein Strom von 75 mA. Die erhöhte Druckempfindlichkeit bei zunehmender Stromstärke in dem temperaturempfindlichen Widerstand 15 geht aus diesen drei Kurven deutlich hervor. Aus Fig. 2 und 3 läßt sich die Schlußfolgerung ziehen, daß das Ausgangssignal der Brücke 28 in Abhängigkeit vom Druck und der Menge des in der Zelle 11 vorhandenen Sauerstoffs variiert und daß sich das Ausgangssignal der Brücke 28 bei Druckänderungen außerdem nach der Stärke des durch den Widerstand 15 fließenden Stroms richtet.

Wenn der durch den temperaturempfindlichen Widerstand 17 in der Zelle mit dem Durchmesser von etwa 9,5 mm fließende Strom geändert wird, während die übrigen Parameter konstant gehalten werden, ändert sich gemäß F i g. 4 das Ausgangssignal der Brücke infolge von Änderungen des Drucks des Gases in der Zelle 13. In F i g. 4 sind die Kurven 55 bis 59 als Ordinaten des Brückenausgangssignals in Millivolt über dem auf der Abszissenachse angegebenen Druck aufgetragen, wie es auch in den Fig. 2 und 3 geschehen ist. Diese Kurven zeigen, daß bei verschiedenen Strömen, die durch den temperaturempfindlichen Widerstand 17 der Kompensationszelle 13 fließen, die Änderung des Ausgangssignals der Brücke 28 unterschiedlich ist. Bei der untersten Kurve 55 betrug der durch den Widerstand 17 fließende Strom 45 mA, bei der Kurve 56 betrug er 50 mA, bei der Kurve 58 betrug er 65 mA, und bei der Kurve 59 floß ein Strom von 75 mA. Diese Angaben für Luft gelten für eine Zelle mit einem Durchmesser von etwa 9,5 mm und eine Umgebungstemperatur zwischen etwa 24 und 27° C.

Nunmehr sei angenommen, daß der Analysator 10 einen Meßbereich für Sauerstoff von 0 bis 10% besitzt, so daß der Mittelpunkt des Bereichs bei 5% Sauerstoff liegt. In F i g. 2 ist die Kurve 48 dem Wert von 5% benachbart, so daß man schätzen kann, daß eine Kurve für einen Sauerstoffgehalt von 5% bei

einem mit X bezeichneten Druck ein Ausgangssignal Y von etwa 0,25 mV anzeigt. Diese Werte sind in Fig. 2 eingetragen, und die betreffende Schaulinie ist gestrichelt eingezeichnet. Bei dem gleichen Druck X ist gemäß Fig. 4 das Ausgangssignal Y das gleiche wie in F i g. 2, wenn man es von der Kurve 55 abliest. Auf diese Weise ist bekannt, daß der Strom, der durch den Kompensationswiderstand 17 fließt, gleich 45 mA sein muß, wenn der Durchmesser der Zelle etwa 9,5 mm beträgt, um die Brücke 28 abzugleichen, wenn der Gehalt an O₂ etwa gleich 5"Vo ist. Dies kann leicht dadurch geschehen, daß man geeignete Werte für die Widerstände 31 und 32 wählt, so daß der gewünschte Strom von 45 mA durch die Abgleichseite der Brücke mit den Widerständen 17 und 18 fließt.

Bezüglich der vorstehend erläuterten Bestimmung des durch den Widerstand 17 fließenden Stroms ist ersichtlich, daß die Kompensationszelle 13 eine genaue Kompensation bewirkt und daher aus dem Ausgangssignal der Brücke 28 denjenigen Teil ausscheidet, welcher nur auf die Druckänderungen in der Meßzelle 11 zurückzuführen ist, wenn der Sauerstoffgehalt 5% beträgt. Mit anderen Worten, die in F i g. 4 durch die Kurve 55 wiedergegebenen Ausgangsspannungen und die geschätzte Kurve für 5% Sauerstoff in F i g. 2 werden im wesentlichen die gleichen sein, und daher wird die Kompensation für die Druckänderung mit starker Annäherung ausreichen, um eine sehr genaue Messung der paramagnetischen Komponente des Gasstroms zu ermöglichen, obwohl relativ große Änderungen des Umgebungsdrucks auftreten. Der Punkt X auf den Kurven wird so gewählt, daß sich eine Annäherung an den zu erwartenden maximalen Druck ergibt. Die Kurven werden benutzt, um eine Stromstärke und einen Zellendurchmesser derart zu wählen, daß sich die höchste Genauigkeit etwa in der Mitte des Anzeigebereichs ergibt. Für einen Analysator mit einem Sauerstoffanzeigebereich von 0 bis 5^fl/o ergibt sich somit aus Fig. 2, daß bei einem Druck von etwa 500 mm Wassersäule eine Kompensation erforderlich ist, die das Ausgangssignal der Brücke um etwa 0,125 mV verändert. Dies kann gemäß F i g. 4 dadurch geschehen, daß man die Stärke des durch den Widerstand 18 der Kompensationszelle fließenden Stroms auf etwa 40 mA begrenzt.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß dann, wenn man das Ausgangssignal der Brücke als Ordinatenwerte und die Druckänderungen auf der Abszissenachse aufträgt, die Kurven 61, 62, 63 und 64 wiederum eine starke Ähnlichkeit mit den Kurven von F i g. 4 zeigen.

Bei einem Durchmesser der Kompensationszelle 13 von etwa 5,6 mm zeigt es sich, daß dann, wenn die übrigen Parameter konstant sind, bei Änderungen des Drucks praktisch keine Änderung des Ausgangssignals der Brücke erfolgt. Wenn man jedoch den Durchmesser der Zelle 13 auf etwa 6,5 mm, dann auf etwa 8,0 mm und schließlich auf etwa 9,5 mm vergrößert, ändert sich das Ausgangssignal der Brücke in Abhängigkeit von der Änderung des Durchmessers entsprechend den Kurven 62, 63 und 64. Aus den vorstehenden Ausführungen ist bereits bekannt, daß eine Kompensation zur Verhinderung einer Änderung des Brückenausgangssignals entsprechend der Kurve 55 in F i g. 4 erzielt werden kann, ohne daß die Stärke des durch den Widerstand 17 fließenden Stroms herabgesetzt wird, indem man statt dessen für die Bezugszelle 13 einen Durchmesser wählt, der etwas kleiner ist als etwa 6,5 mm, so daß man eine zu der Kurve 55 in F i g. 4 passende Kurve erhält. Wenn man die Korrekturkurve ähnlich der Kurve 62 in F i g. 5 an Stelle der Kurve 55 in F i g. 4 wählt, ergibt sich eine ähnliche Kompensation ohne Verringerung der Stärke des in dem Kompensationszweig der Brücke fließenden Stroms, und das auf Änderungen des Gehalts an paramagnetischem Gas zurückzuführende Ausgangssignal der Brücke wird von JDruckänderungen relativ unabhängig sein. Der gewünschte Genauigkeitsgrad läßt sich mit Hilfe der hier gemachten Angaben leicht erreichen.

Zusammenfassend kann man feststellen, daß bei gewöhnlichen, mit Konvektion arbeitenden Leitfähigkeitszellen das Ausmaß der auf die Konvektion zurückzuführenden Abkühlung eine Funktion der Umgebungstemperatur des Zellendurchmessers, der Stärke des durch den temperaturempfindlichen Widerstand fließenden Stroms und des Gasdrucks in der Zelle ist. Bei einer Brückenschaltung, bei der eine von vier gleichartigen, mit Konvektion arbeitenden Leitfähigkeitszellen in einem Magnetfeld liegt, jedoch kein paramagnetisches Gas enthält, wird das Ausmaß der Abkühlung durch Konvektion durch das Magnetfeld nicht beeinflußt. In sämtlichen Zellen variiert die Abkühlung durch Konvektion in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, dem Zellendurchmesser, dem durch den Widerstand fließenden Strom und dem Gasdruck im gleichen Ausmaß, so daß der Abgleich der Brücke nicht gestört wird. Wenn der Gasstrom jedoch ein paramagnetisches Gas enthält, wird das Ausmaß der magnetischen Konvektionskühlung zusätzlich nicht nur durch die Konzentration des paramagnetischen Gases in der Meßzelle, sondern auch durch den Druck beeinflußt. Diese Tatsachen wurden an Hand der Kurven in Fig. 2 erläutert. Wie schon erwähnt, kann man bei richtiger Wahl der Parameter erreichen, daß eine Konvektionszelle in einem anderen Zweig der Brücke die Brücke abgleicht, um deren Ausgangssignal vom Druck unabhängig zu halten, und zwar für jeden bestimmten Gehalt des Gases in der Meßzelle an dem paramagnetischen Gas, wobei dieser Zustand über einen brauchbaren Meßbereich nahezu erhalten bleibt.

In den F i g. 6, 7 und 10 ist eine bevorzugte Ausbildungsform der Erfindung dargestellt, bei der das Zellen- und Magnetaggregat in ein Gehäuse 70 eingeschlossen ist, dem vorzugsweise Temperaturregelungsmittel zugeordnet sind, z. B. ein Heizwiderstand und Thermostaten (nicht dargestellt), um die Temperatur innerhalb des Gehäuses 70 konstant zu halten. Der Magnet 19, bei dem es sich gegebenenfalls um einen Elektromagneten handeln kann, ist in den Zeichnungen als hufeisenförmiger Dauermagnet dargestellt, der zwischen zwei Klemmplatten 19 a und 19 b angeordnet ist; die Klemmplatten sind durch Befestigungsschrauben mit dem Boden des Gehäuses 70 verbunden.

Der Magnet 19 umfaßt eine Polkonstruktion, die eine kreisrunde Öffnung bildet, welche kurz unterhalb der oberen Polstücke 19c und 19d (Fig. 8) liegt. Durch diese kreisrunde öffnung erstreckt sich ein zum Ablenken des Flusses dienendes Organ 71; ein langgestreckter Teil 71 i dieses Organs besteht aus Eisen, während ein weiterer langgestreckter Teil

716 aus Messing besteht. Das zum Umlenken des Flusses dienende Organ 71 ist in kreisrunden öffnungen der Klemmplatten 19 a und 19 b sowie in den Lagerplatten 72 und 73 verschiebbar.

Die die Zellen 11 und 12 bildende Gehäusekonstruktion 1(M ist an der Tragkonstruktion durch die Klemmplatten 19 a und 196 sowie Schrauben befestigt. Die die Zellen 13 und 14 bildende Konstruktion 10B ist gemäß Fig. 7 durch geeignete Befestigungsschrauben mit der Zellenkonstruktion 1OA verbunden.

Die auseinandergezogene Darstellung in Fig. 10, die teilweise als Schnitt gezeichnet ist, läßt erkennen, daß die Zellen 11 bis 14 in den Klötzen 1OA und 10 B zusammen mit öffnungen für die Zuführungsleitung 25 und den Anschluß für das Filter 27 ausgebildet sind. Ferner zeigt Fig. 10 eine bevorzugte Konstruktion für die temperaturempfindlichen Widerstände 15 bis 18. Jeder Widerstand ist auf einen Glasstab, z. B. einen Glasstab 15 a, so gewickelt, daß ein Ende der Drahtschraube durch den Glasstab hindurchragt, während sich das andere Ende der Drahtschraube durch ein einsteckbares Element ISp erstreckt. Diese beiden Zuleitungen werden dann mit den in Fig. 1 und IA gezeigten Leitungen verbunden, so daß sich eine Wheatstonesche Brückenschaltung ergibt. Es sei bemerkt, daß jedes der einsteckbaren temperaturempfindlichen Elemente mit einem Dichtungsring 15 c versehen ist, der einen gasdichten Abschluß gegenüber der Wand der zugehörigen Kammer, z. B. der Wand der Zelle 11, bewirkt. Diese einsteckbaren Aggregate erweisen sich als vorteilhaft, da sie sich leicht nachprüfen und auswechseln lassen.

Gemäß den Zeichnungen ist der langgestreckte Teil 71 b aus Messing, der zu dem Flußumlenkorgan 71 gehört, zwischen den Polen des Magneten 19 angeordnet. Daher hat er keine Wirkung auf das dazwischen erzeugte Magnetfeld und insbesondere auf das Magnetfeld, welches mindestens in einem erheblichen Umfangsabschnitt der Zelle 11 wirksam ist. Auf diese Weise gibt das Magnetfeld bzw. der Fluß innerhalb der Zelle 11 Anlaß zu den vorstehend beschriebenen magnetischen Konvektionsströmungen.

Wenn das Gerät geeicht werden soll, benutzt man zwei Meßpunkte. Den Nullpunkt für den Analysator erhält man, indem man das Flußumlenkorgan z. B. mit Hilfe eines Knopfes 74 verstellt, um den aus Eisen bestehenden und daher magnetisierbaren Teil 71 i zwischen die Pole des Magneten 19 zu bringen. Bei dieser Stellung des Organs 71 durchsetzt der Fluß des Magneten 19 den aus Eisen bestehenden Teil 71 i, so daß praktisch kein Magnetfeld in der Zelle 11 wirkt. Daher treten innerhalb der Zelle 11 in den Gasen keine Konvektionsströmungen mehr auf, deren Größe in Beziehung zu den paramagnetischen Eigenschaften der Gase steht, sondern die Konvektionsströmungen sind in der Meßzelle 11 und der Bezugszelle 12 die gleichen, so daß man das gewünschte Nullausgangssignal der Brücke 28 nach F i g. 1A oder mindestens ein diesem Signal stark angenähertes Signal erhält.

Wenn sich das Flußumlenkorgan 71 in der oben beschriebenen Stellung befindet, und wenn dann das Ausgangssignal der Brücke 28 nicht gleich Null ist, wird der bewegliche Kontakt des Potentiometers 40 verstellt, um den Zeiger des Anzeigegeräts 75 in die Nullstellung zu bringen. Das Potentiometer 40 dient zur Feineinstellung, während das Potentiometer 39 für die Grobeinstellung vorgesehen ist; der Unterschied zwischen diesen Potentiometern besteht in ihren Widerstandswerten; der Widerstandswert des Potentiometers 40 ist erheblich kleiner als derjenige des Potentiometers 39.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, Luft für die Ermittlung des zweiten Prüfpunktes zu verwenden, denn der Sauerstoffgehalt der Luft ist relativ konstant und liegt, wie schon erwähnt, nahe bei 20,9%.

ίο Da man den Gasanalysator häufig verwenden wird, um Konzentrationen paramagnetischer Gase zu messen, deren Anteil erheblich unter 20,9% liegt, ist es erforderlich, eine Eichschaltung vorzusehen, damit die Reaktion des Analysators mit atmosphärischer Luft geprüft werden kann.

Gemäß Fig. IA wird ein Schalter geöffnet, um einen Ausgangskreis mit einer Leitung 35 und einem Widerstand 77 einzuschalten, der dann mit den Widerständen 78 und 79 und dem Anzeigegerät 75

so in Reihe geschaltet ist. Hierdurch wird eine Stromstärke bestimmt, die bei abgeglichener Brücke 28 bewirkt, daß das Gerät 75 einen vorbestimmten Wert auf der Skala anzeigt, den man dann mit 20,9% bezeichnen kann. Wenn das Gerät 75 nicht 20,9 % anas zeigt, verstellt man den beweglichen Kontakt des Widerstandes 78, um zu erreichen, daß der Anzeigewert des Geräts 75 gleich 20,9% ist.

In manchen Fällen wird ein Registriergerät an die Ausgangsklemmen 37 und 38 angeschlossen, und der beschriebene Eichvorgang wird in ähnlicher Weise durchgeführt, um das Registriergerät richtig einzustellen; tatsächlich kann man die Eichung auch allein mit Hilfe dieses Verfahrens durchführen. Gemäß F i g. 1A ist in den Ausgangskreis, der zu den Klemmen 37 und 38 führt, ein Verstärker A eingeschaltet. Einen solchen Verstärker sieht man gewöhnlich vor, wenn der Meßbereich in der Größenordnung von etwa 1% und darunter liegt.
Zwar wurde erwähnt, daß sich das Flußumlenkorgan 71 aus zwei Abschnitten aus Messing bzw. Eisen zusammensetzt, doch sei bemerkt, daß man auch jedes andere magnetisierbare bzw. nicht magnetisierbare Material verwenden kann. Beispielsweise braucht der nicht magnetisierbare Teil 716 nicht aus Metall zu bestehen. Man könnte ihn aus Bakelit oder einem anderen wärmeisolierenden Material herstellen. Bei der Verwendung von Messing oder eines anderen nicht magnetisierbaren Metalls, z. B. von Aluminium, ist es zweckmäßig, einen erhebliehen Teil des Organs 71 aus einem wärmeisolierenden Material herzustellen. Beispielsweise besteht dann der langgestreckte Teil Ils aus einem wärmeisolierenden Material, z. B. Bakelit. Die Betätigungsstange 71a* kann aus Metall bestehen und natürlich durch eine Öffnung in einer Frontplatte 80 nach außen ragen; in F i g. 6 ist nur ein Teil der Frontplatte dargestellt, sie kann jedoch eine solche Länge und Breite erhalten, daß sie die Meßgeräte, Steuerventile, Luftfilter u. dgl. tragen kann.

Die Tragplatten und Lagerplatten sowie die Gehäusekonstruktionen 10 A und 1OB werden aus unmagnetischen Materialien hergestellt. Nichtrostender Stahl der Sorte 300 hat genügend niedrige magnetische Eigenschaften, so daß er ein geeignetes Material darstellt. Die Lagerkonstruktionen 72 und 73 zentrieren das Umlenkorgan 71 in der kreisrunden öffnung des Magneten 19. Zwischen dem Organ 71 und den Polstücken 19 c und 19 d ist ein

509 658/414

geringer Spielraum von weniger als etwa 0,125 mm vorhanden.

Die Abmessungen der Polkonstruktion des Magneten 19 sind zwar nicht kritisch, spielen jedoch eine wichtige Rolle beim Betrieb des Analysators. Gemäß F i g. 8 ist ein Spalt mit einer Breite von etwa 8,0 mm zwischen den einander zugewandten Flächen der Polstücke vorgesehen, und bei einem Meßzellendurchmesser von etwa 9,5 mm erzielt man eine maximale Empfindlichkeit des Geräts bei einem Abstand Λ von der Oberseite der Polkonstruktion zur waagerechten Mittellinie der Meßzelle H₃ der etwa 3,2 bis etwa 4,0 mm beträgt. Der kritische Einfluß der erwähnten Abstände geht aus Fig. 9 hervor, wo die thermomagnetische Empfindlichkeit in Millivolt über dem Abstand h in Millimeter aufgetragen ist. Die sich hierbei ergebende Kurve 81 zeigt einen schnellen Anstieg der Empfindlichkeit bis zum Erreichen der Zone 81a, in der die erwähnte höchste Empfindlichkeit gegeben ist. Bei einer weiteren Vergrößerung des Abstandes h geht die Empfindlichkeit wieder zurück.

Es sei bemerkt, daß die Kurve 81 ein Beispiel für Kurven ist, die sich in der Praxis ergeben, sich jedoch entsprechend den Unterschieden der verschiedenen Konstruktionen unterscheiden können. Bei jeder Konstruktion ergibt sich ein Bereich maximaler Empfindlichkeit, wenn man den Abstand h in der beschriebenen Weise wählt. Im allgemeinen ordnet man die Meßzelle außerdem so an, daß Linien, die von der Längsachse der Zelle 11 zu den Spitzen der Polstücke führen, etwa einen Winkel von 90° einschließen.

Damit man den Abstand h einstellen kann, ist die Konstruktion 10/4 gemäß Fig. 8 und 10 mit Kanälen 82 und 83 versehen, welche die Polstücke des Magnetenl9 so aufnehmen, daß die einander zugewandten Oberkanten der Polstücke 19 c und 19 d gemäß F i g. 9 im Bereich der maximalen Empfindlichkeit liegen.

Es sei bemerkt, daß man bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die verschiedensten Abänderungen und Abwandlungen vorsehen kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, temperaturempfindliche Widerstände zu verwenden. Es ist nur notwendig, daß in jeder der Zellen 11 bis 14 temperaturempfindliche Elemente angeordnet sind, z. B. sogenannte Thermistoren. Bei einer anderen Ausbildungsform sind Heizelemente und Thermoelemente so eingebaut, daß sie auf die Temperatur eines Heizelements ansprechen. Die Thermoelemente sind wie die empfindlichen Elemente in die Wheatstonesche Brücke eingeschaltet, wobei die Abkühlung des Heizelements in der weiter oben beschriebenen Weise erfolgt.

Die temperaturempfindlichen Widerstände 15 bis 18 bestehen aus Platin und haben bei Raumtemperatur jeweils einen Widerstandswert von etwa 30 Ohm; jedoch beschränkt sich die Erfindung nicht auf diese Angaben. Die Widerstände 31 und 32 haben jeweils einen Widerstandswert von et^a 40 Ohm. Der effektive Widerstand des Potentiometers 39 beträgt etwa 5 Ohm, während das Potentiometer 40 einen effektiven Widerstand von etwa 0,3 Ohm besitzt. Die Batterie 30 liefert eine Spannung von etwa 10 V, und der damit in Reihe geschaltete variable Widerstand 3Or hat einen maximalen Widerstand von etwa 20 Ohm, so daß an der Brücke 28 eine Spannung von 9 V liegt. Der Dauermagnet 19 liefert einen Magnetfluß von etwa Gauß in dem Luftspalt mit einer Breite von etwa 8,0 mm. Die Widerstandswerte der Widerstände 77, 78 und 79, wobei letzterer auch den Widerstand des Anzeigegeräts 75 umfaßt, werden entsprechend der Empfindlichkeit des Anzeigegeräts und des Registriergeräts gewählt.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Paramagnetischer Gasanalysator mit mehreren Zellen, von denen jede ein direkt oder indirekt erwärmtes und durch den Konvektionsstrom des zu untersuchenden Gases in der Zelle gekühltes, temperaturabhängiges elektrisches Element, insbesondere einen temperaturabhängigen Widerstand, enthält und von denen eine Zelle als Meßzelle ausgebildet und der Einwirkung eines Magnetfeldes ausgesetzt ist und eine andere als Bezugszelle ausgebildet und ohne Einwirkung des Magnetfeldes das gleiche Gas unter den gleichen Bedingungen wie die Meßzelle enthält, wobei die temperaturabhängigen elektrischen Elemente der Zellen derart in die Zweige einer Brücke geschaltet sind, daß durch die elektrische Ausgangsgröße des Bezugszellenelements Änderungen der elektrischen Ausgangsgröße des Meßzellenelementes hervorgerufen durch Temperaturänderungen sowie Änderungen der Viskosität oder der Wärmeleitfähigkeit des zu messenden Gases kompensiert werden, gekennzeichnet durch eine Kompensationszelle (13) und eine dieser zugeordnete weitere Bezugszelle (14), die beide keinem Magnetfeld ausgesetzt sind und deren temperaturabhängige Elemente in die Brücke geschaltet sind, wobei die Kompensationszelle (13), bezogen auf ihr Raumvolumen, mit einem derartig großen Heizstrom erwärmt wird, daß durch die elektrische Ausgangsgröße ihres temperaturabhängigen Elements Änderungen der elektrischen Ausgangsgröße der Meßzelle (11), hervorgerufen durch Gasdruckänderungen, kompensiert werden, und die ihr zugeordnete Bezugszelle (14) derart ausgebildet ist, insbesondere ein derartig kleines Raumvolumen besitzt, daß Druckänderungen die elektrische Ausgangsgröße ihres temperaturunabhängigen Elements nicht beeinflussen, jedoch in gleicher Weise wie die Bezugszelle (12) die Meßzelle (11) durch die elektrische Ausgangsgröße dieser Bezugszelle (14) die elektrische Ausgangsgröße der Kompensationszelle (13) kompensiert wird.

2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Elemente (15 bzw. 16) der Meßzelle (11) und der dieser zugeordneten Bezugszelle (12) an entgegengesetzten Enden einer Längskammer (10/1) angeordnet sind, in deren Mittelabschnitt die Zu- und Abführungsleitungen (25, 26) für die zu analysierende Gasprobe münden, und die temperaturabhängigen Elemente (17 bzw. 18) der Kompensationszelle (13) und der dieser zugeordneten Bezugszelle (14) in der größeren bzw. kleineren Kammer von zwei gegenüberliegenden Kammern unterschiedlichen Querschnitts an-

geordnet sind, die an ihrer Verbindung mit einer Luftzufuhrleitung (27) versehen ist.

3. Analysator nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Einrichtung zum Einstellen der maximalen Zellenempfindlichkeit, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Einstellen der relativen Lage der Meßzelle (11) gegenüber den Polstücken eines das Magnetfeld erzeugenden Magneten (19).

4. Analysator nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einer Einrichtung zum Einstellen der Magnetfeldeinwirkung auf die das temperaturabhängige elektrische Element enthaltende Meßzelle, gekennzeichnet durch einen Permanentmagneten (19) mit Polstücken nahe der Meßzelle (11), einen Teil (71z) hoher magnetischer Permeabilität sowie eine Vorrichtung (71 d, 74) zum Bewegen dieses Teils in eine Stellung nahe dem Eintritt des Magnetfeldes in die Meßzelle (Fig. 6 bis 10).

5. Analysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (7Ii) Abschnitt eines Schieberteils (71) mit einem nichtmagnetischen Abschnitt (JIb) ist, der wahlweise das Verschieben des hochpermeablen bzw. nichtmagnetischen Abschnitts in den Bereich der Polstücke (19 c, 19 d) ermöglicht.

6. Analysator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (19) ein Hufeisenmagnet ist und der hochpermeable Teil (71/) zwischen die Polstücke des Magneten verbringbar ist.

7. Analysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (71/) in einen Durchgang zwischen den Polstücken einschiebbar ist und der Durchgang und der Teil entsprechend komplementäre, insbesondere kreisförmige Querschnitte besitzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

509 658/414 8.65 © Bundesdruckerei Berlin