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Anordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von bei chemischen
und thermischen Vorgängen freiwerdenden Gasen oder Dämpfen Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von bei chemischen und thermischen
Vorgängen freiwerdenden Gasen oder Dämpfen in Abhängigkeit von einem vorgegebenen,
veränderlichen Parameter, insbesondere der Temperatur.
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Gase oder Dämpfe werden beispielsweise bei der Pyrolyse organischer
oder anorganischer Stoffe, bei Verdampfungs- oder Desorptionsvorgängen oder bei
Zersetzungsvorgängen frei. Die Ermittlung des Entgasungsverlaufs, d.h. die Bestimmung
der pro Massen- und Zeiteinheit bei der Aufheizung eines Stoffes durch Zerfallserscheinungen
freiwerdenden Gasvolumina, ist beispielsweise ein wichtiges Hilfsmittel bei der
Untersuchung vieler organischer, aber auch anorganischer Stoffe. So erlaubt die
Kenntnis des Entgasungsverlaufs, z.B. bei Kohlen oder auch bei Kunststoffen, wertvolle
Rückschlüsse bezüglich der Konstitution oder des technologischen Verhaltens dieser
Stoffe.
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Allerdings bereitete bisher die direkte Messung der Entgasungsgeschwindigkeit
große Schwierigkeiten, vor allem dann, wenn solche Untersuchungen aus verschiedenen
Gründen an geringen unter 1 g liegenden Substanzmengen durchgeführt werden sollen.
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Volumetrische Meßverfahren, beispielsweise mittels Gasuhren, versagen
in der Regel nämlich bei den unter diesen Umständen sehr geringen, nur wenige cm³/g.min
betragenden Entgasungsge-
Anderersreits sind Me#verfahren bekannt,
z.B. auf elektrothermischer Basis, die an sich für die Messung solcher kleinen Gasströmungen
geeignet sind. Diese Meßverfahren sind allerdings zur Messung der bei den vorstehen
drwähnten Vorgängen freiwerdenden Gase oder Dämpfe unbrauchbar, weil die Me#ergebnisse
nicht nur von der Strömungsgeschwindigkeit, sondern such von der Gaszusammensetzung
abhängig sind. Die Gaszusammensetzung ändert sich aber, insbesondere im Verlauf
der Zersetzung organischer Stoffe, sehr stark.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwierigkeiten, die
der Anwendung hochempfindlicher, aber von der Gaszusammensetzung abhängiger Strömungsmesaer,
bei der Messung der Strömungegeschwindigkeit von bei chemischen oder thermischen
Vorgängen freiwerdenden Gasen oder Dämpfen entgegenstehen, zu beseitigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Probenbehälter
mit dem Strömungsmesser durch ein vor der Messung mit einem einheitlichen Gas gefülltes,
auf einer konstanten Temperstur gehaltene@ Rohr verbunden ist, dessen Länge und
lichte Weite derart bemjessen sind, da# die sich bildenden Gase oder Dämpfe während
der Me@zeit den Strömungsmesser nicht erreichen.
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Auf diese Weise wird beispielsweise beim Erhitzen des Probenbehälters
nach einem vorgegebenen Temperaturprogramm an Stelle
des durch den
thermischen Zerfall des Stoffes pro, Zeiteinheit entstehenden Gasvolumens komplexer
Zusammensetzung ein äquivalentes Volumen des verdrängten einheitlichen Gases beispiels
weise Stickstoff, gemessen.
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Um selbst bei maximaler Probenmenge und Gasentwicklung die am Ende
der Messung durch Strömung und Diffusion sich ausbildende Front des durch die thermische
Zersetzung entstehenden Gases noch hinreichend weit entfernt vom Strömungsmesser
zuX halten, beträgt nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung das Volumen
des Rohres mfindestens etwa 125 % bis höchstens etwa 200 % des Volumens der sich
in der Meßzeit bildenden -Gase oder Dämpfe. Dabei ist nicht nur das Volumen des
sich entwickelnden Gases, sondern insbesondere auch die durch Diffusion entstehende
zusätzliche Stromung'im Rohr zu berücksichtigen.
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Die Diffusion lä#t sich durch Auswahl eines,genügend geringen Rohrdurchmessers
in vorgegebenen Grenzen halten.-Zweckmäßigerweise wird das Verbindungsrohr zur Verringerung
des Raumbedarfs und zur Vermeidung störender Temperatureinflüsse spulenförmig aufgewickelt
und gemeinsam mit dem Strömungsmesser in einem thermostatisierten Gehäuse angeordnet.
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Als Strömungsmesser dient nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung
zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des einheitlichen Gases ein elektrothermischer
Strömungsmesser,
Um bei einer solchen Messung Störungen durch Schwankungen
des Luftdrucks zu vermeiden, wie sie auftreten wUrden, wenn das verdrängte. Gas.
unmittelbar ins Freie strömen würde, steht nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung
der Ausgang des Strömungsmessers mit einem, durch eine Kapillare gegenüber der Außenluft
abgeschlossenen Puffergefäß, in Verbindung.
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Selbstverständlich muß das durch die Kapillare abgeschloEsene Puffervolumen
eine hinreichend gro#e pneumatische Zeitkonstante besitzen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Der Probenbehälter 1 steht über das Gefäß 2 zur Abscheidung der kondensierbaren
Zersetzungsprodukte mit dem Eingang des als Rohrschlange schematisch dargestellten
Zwischenrohres 3 in Verbindung. Im Ausgang des Rohres befindet sich der thermische
Strömungsmesser 4, der aus einer mit Mittelanzapfung. versehenen Heizwendel besteht,
wobei die unterschiedliche Wirkung der Strömung auf die Wendelhälften in bekannter
Weise in einer Wheatstoneschen BrEcke gemessen wird. Rohr und Strömungsmesser ai'nd
im Innern eines thermostatisierten Gehäuses 5 untergebracht. Das aus dem Rohr 3
über den Strömungsmesser 4 austretende Gas gelangt in das Puffergefäß 6, das mit
der Außenatmosphäre über die Kapillare 7 in Verbindung' steht.
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Der Probenbehälter wird mit Hilfe des elektrischen Ofens 8 und des
Reglers 9 nach einem vorgegebenen, in der Regel linearen
Temperaturprogramm
aufgeheizt. Zuvor wird die gesamte A pparatur über den Anschlußstutzen 10 mit einem
einheitlichen Gas, z.B, Stickstoff, gefüllt. Das bei der Aufheizung durch Zerfall
der zu untersuchenden Substanz freiwerdende Gas dringt über das Abscheidegefäß 2
in das Rohr 3 ein und verdrängt ein gleiches Volumen Stickstoff, das uber den Strömungsmesser
4, das Puffervolumen 6 unddie Kapillare 7 nach, außen strömt. Die Weite der Kapillaren
ist dabei so bemessen, daß bei der maximal auftretenden Strömungsges c hwind igkeit
der Druck im Puffergefäß nur um wenige mm Wassersäule anst'eigt. Sollen bei der
Bestimmung des Entgasungsverlaufs kondensierende, Bestandteil, wie z.B. Wasserdampf,
erfaßt werden, so gibt die Anordnung des Rohres 3 in einem Thermostaten die Möglichkeit,
es auf eine genügend hoch über dem Kondensationspunkt liegende Temperatur zu bringen.
Gegebenenfalls muß der Strömungsmesser 4 durch zusätzliche Thermostatisierung auf
einer tieferen, meßtechnisch günstigeren Temperatur gehalten werden.
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Die, vom Thermoelement 11 abgegebene, der Probentemperatur proportionale
Spannung und die der Stickstoffströmun,g ent-' sprechende Diagonal spannung der
Wheatstoneschen Brücke können zweckmä#igerweise, wie in der Abbildung angedeutet,
auf einen X-Y-Schreiber 12 gegeben und so der Entgasungsverlauf in Abhängigkeit
von der Temperatur unmittelbar registriert werden.
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Bei einer beispielsweisen Ausführung der, erfindungsgemä#en Anordnung
beträgt die Länge d,'es Rohres 3 50 m. seine lichte
Weite 4 mm und
somit sein Volumen etwa v0 = 600 cm3 Um- zu vermeiden, daß auch bei der Bildung
von stark wasserstoffhaltigen Gasen mit hoher Diffusionsgeschwindigkeit diese in
merklicher Konzentration den Strömungsmesser erreichen und die Messung, verfälschen,
besteht, wie entsprechende-Versuche gezeigt haben, für das maximale Entgasungsvolumen
die Bedingung v C (1 (1-dct), wobei t = Versuchszeit in Stunden ist.
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Wie eingehende Versuche gezeigt haben, ist für das Rohr mit d = 4
mm α= 9,1, d.h, bei wasserstoffreichen Gasen und einer Versuchszeit von beispielsweise
2 Stunden darf das Entgasungsvolumen maximal etwa 80 % des Rohrvolumens betragen.
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Im Falle der Untersuchung des #ntgasungsverhaltens von Kohlen beträgt
die erforderliche-Probenmenge maximal 1 g, die infolge der hohen Empfindlichkeit
des Strömungsmessers, der Strömungen bis herab zu 0,01 cm3/min zu messen gestattet,
unter allen praktisch in Frage kommenden Versuchsbedingun1gen völlig ausreicht.
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Da auch für hochflüchtige Kohlen bei l g das bei der Pyrolyse entwickelte
Gaavolumen 300 cm3 nicht übersteigt, ist also in vorliegendem Beispiel das verdrängungsvolumen
mit reichlicher Reserve bemessen und damit die Möglichkeit der Verfäls-cbung der
S'trömungsm,essung weitgehend ausgeschlossen.