DE1929776A1 - Geraet zur Analyse von Gasen mit paramagnetischer Suszeptibilitaet - Google Patents

Description

SIEMENSAKlEIENaESSILSGHAFT · München, den 13, Juni 1968

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Gerät zur Analyse von Gasen rait paramagnetischer Suszeptibilität

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Analyse von Gasen auf Komponenten rait paramagnetischer Suszeptibilität ait einem Magnetkreis wechselnder Flußstärkc, bestehend aus einem Joch und einem zwischen den Polcehuhen des Joches befindlichen Luftspalt, in dem sich eine Meßkamraer mit Zuleitungen für ein Meß- und ein Vergleichsgas und einer gemeinsamen Ablei-

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tung befinde,« Die Messung der parair.agnetisehen Suszeptibilität erfolgt grundsätzlich derart, daß ein Magnetfeld mit paramagnetischen Gas, z. 3. Sauerstoff, erfüllt ist, wotei in inhomogenen Teil des Magnetfeldes Kräfte in Richtung höherer Feldstärke auf das paracagnetische Gas wirken. Bis zum Hor.ogenfeld integriert, erhält man einen maximalen Druck, der proportional der Volunensuszeptibilität und den Quadrat der ir.axiir.alcn Magnet feld stärke (der Magnetf eidstärke in homogenen PeId) ist. In Bereich des homogenen Feldes ist dieser maximale Druck konstant. In inhomogenen Magnetfeld baut sich der Druck ) auf bzw. bis auf Null ab. Wird über einen Kanal nichtparaciagnetisches Gas (Vergleichsgas, z. B. Stickstoff) in das Homogenfeld geleitet und befindet sich im restlichen Magnetfeldbereich ein parainagnetisches IleCgas (z. B. Sauerstoff enthaltendes Gas), so wirkt den nichtparacagnetischen Gas ■ der volle von Sauerstoffanteil aufgetaute Druck entgegen. Dieser Druck kann in der Stickstoffzuleitung gemessen werden. Enthält das Vergleichsgas in dieser leitung ebenfalls einen Sauerstoffanteil, εο wird ein Druck entsprechend der Sauerstoffdifferenz oder allgemein der Differenz der Volumcnsuszeptibilitäten beider Case gemessen.

^ Daß zur Messung der paramagnetischen Suszeptibilität der Druck, der sich aus der Differenz der Sauerstoffgehalte von Meß- und Vergleichsgas in einem Magnetfeld aufbaut, als Messung dient, ist bekannt. Bei der praktischen Messung sind Meß- und Vergleichsgas in Bewegung und haben in-.Magnetfeld eine Mischungsstrecke. Eei allen bisher bekannten Meßanordnungen liegen diese Mischungsstrecken jeweils mehr oder weniger im Bereich von inhomogenen Magnetfeldern, so daß Änderungen des Mischungsortes sich sofort stark als Meßwertünderungen äußern. Das bedeutet aber wiederum, daß der Meßwert stark strömungsabhängig ist und mindestens eine der beiden Gasströmungen nahezu konstant gehalten werden muß.

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Eine der bekannten Anordnungen geht aus von einen Gerät zur Analyse von Gasen mit paramagnetischer Suszeptibilität mit einen Kagnetkreis wechselnder Polarität, bestehend aus einen ferromagnetischcn Joch mit einen, zwischen den lolschuhen des Joches befindlichen Luftspalt und mit einer kapazitiven Differenzdruckneßeinrichtung. In Luftspalt befindet sich ein gasdichtes Gefäß. Zs ist über Verbindungen mit den ",'echseidruckempfi:nger, z. B. einen Kondensatormikrofon, verbunden und über Drosseln strömt ihn das Ueßgas bzw. das Vergleichsgas, welches über eine rohrung durch das Jochinnere geführt ist.

"Einige praktische Bedeutung hat ein Gerät erlangt, das ebenfalls auf der Hessung des magnetischen !Druckes beruht, der von der Differenz der Eauerstoffgehalte zwischen "eß- und Vergleichsgas bestimmt wird. Hierbei wird jedoch außerhalb des Magnetfeldes eine von magnetischen Druck abhängige Gasströmung mit einen thermischen Ctrccungcme-cser gemessen. Der Strömungemesser befindet sich in einen. Etrcmungskanal, der zwei Vergleichsfasleitungen verbindet. Die Ycrgleichegasr-uleitung wird in zwei Teilstrcme'aufgespalten, von denen der eine durch einen Luftspalt eines Perr.cncntr.agneten hindurch in das Meßgas eintritt und der andere im feldfreien I-aum ir. !•!eßgas mündet.

Zur Kompensation von Auftriebseffekten befindet sich eine zweite Strömungssonde in einem mit Hilfe von Kapillaren parallel cu den Verbindungskcnal angeschlossenen, in sich geschlossenen, ebenfalls Verrleicheras führenden Strc'munrsweg. Die Strömungsmesser bestehen aus elektrischen 'Vi.Verstünden, die in Zweigen einer V.hcatstcnschcn !rücke liegen..

Die i'agnetpole liegen vollstlndig über einem Teilstrom des Vergleichsgases und die dem L'eCgas zugewandten Begrenzungsflächcn des Ilagnetspaltes haben eine solche Tom, da2 nur das

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inhomogene Magnetfeld in direkten Meßgasstrom verläuft. Mit dieser Magnetanordnung wird lediglich erreicht, daß bei Kon* stanthaltung der Vereleichsgasbeströ'ffiung und nur geringen Änderungen der Lleßgasbeströmung die Messung mit üblicherweise ■ zulässigen Toleranzen beeinflußt wird.

Es ist außerdem für den praktischen Einsatz des Gerätes nachteilig, daß die zu kompensierenden Auftriebswirkungen bei Neigung des Gerätes nicht nur von der thermischen Wirkung am Strömungsmesser, sondern auch von der Eestgaszusainmensetzung ρ des. Ogrhaltigen Lleßgases abhängen. Taraus resultiert ein koclizierter Abgleichvorgsng, der für jeden Anwendungεfall gesondert durchgeführt werden muß. Tür IJehrkomponcntcngcmische dürfte schließlich nur eine geringe Neigung zulässig sein.

Die Restgaszusammensetzung ist ferner bei dieser iragnetanord*»-- nung nicht ohne Linfluß auf die lage des !.!ischungsortes von Heß- und Vergleichsgas in inhomogenen Ilccnetfeld.

Me angeführten "Nachteile werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermieden. Bei ihr sind die Pole des das.!lacnet-. feld erzeugenden Joches derart über Teilen der Heßkaoaer und

einer in die Ileßkacmer mündenden öffnung sowie Teilen einer P ersten Zuleitung für Vergleichrgas angeordnet, daß die .KiSch.-'", zone für ließgas und aus der öffnung der ersten Zuleitung* austretendes Vcrgleichsgas im homogenen Ilacnetfeldbereich Iicg't*■..-. Hierdurch wird erreicht, daß die llescung in weiten Grenzen j ^ von auch gegenläufig schwankenden StrciLungegcschwindigkeiteil des ließ- und Vergleichs£ases unabhängig wird, ί V/

Sie erste Zuleitung ist über eine einzige eine StrÖffiungeffleß- vorrichtung enthaltende Verbindungsleitung mit einer zweiten, zu der Ueßkammer führenden Zuleitung für das Vergleichccas gasleitend verbunden. Die Strccungsmeßvorrichtung ist ein . :" weitgehend verzögerungsfreicr Kikrostromungsfühler. Dadurch ;:

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wird es möglich, die Messung mit einem Magnetfeld wechselnder $lußstUrke als Wechseldruckmeeeujlg durchzuführen. las Wechselverfahren macht die gesamte Meßanordnung weitgehcndst frei von |yipaetriebedinsungen, wodurch eine hohe Kullpunktkönstanz gesichert wird» Die Freiheit von Sycimetrieforderuncen bedeutet gleichzeitig eine völlige tfnathüngigkeiit der Messung von NeigüngetnderuÄgcn dler tleßkanner bzvr. der Kanäle gegenüber der horizontalen {Auftrieb},

Eie Meßanordnung arbeitet mit einem gepulsten Magnetfeld. Jede andere i:agnetfeldanordnung mit wechselnder Plußstarke, auch ein zwischen d.en beiden Einmündungen der Vergleichsgaszuleitungen in die Lleßkanmer wechselndes t.'acnetfeld, ist für die Funktion der Ließanordnung gleichwertig.

Der thermische Mikroströmungsfühler in den Verbindungsleitungen zwischen den zwei Zuleitungen für das Vergleichsgas steht auch hier immer nur mit dem Vergleichs:gas in Verbindung, so daß die Ilessungen im Unterschied zu. den thermomaenetischcn · Sauerstoffmessern von Wärmeleitfähigkeit, spezifischer Wärme und innerer Reibung des LIeßgasgemicches unabhängig werden. Darüber hinaus werden durch die Wechseldruckniessung auch noch die von der !,leCgsszuraininensetzung abhängigen Auftriebswirkungen ausgeschaltet« Es wird selektiv die Differenz der Volumcnsuszeptibilitäten von Heß- und Vergleichsßas gemessen.

Auch bei der Kessung kleiner Sauer^toffkonzentrationen und bei schwankendem.diamagnetischen Einfluß des Begleitgases kann durch'Zweitmessung und Aufschaltung der Restcaskomponenten eine genaue Sauerstoffmessung erreicht werden.

geringe benötigte ITeßkainmervolumen, zusammen mit einer hohen Beströmungeabhängigkeit, erwirkt eine besonders hohe ^zeijgegee|Jhwindigkeit, deren Größe sich äug.Pulsfrequenz . Üagnetfeldec und Obeiwellehgehaiteanforderungen ergibt.

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Die Erfindr-j wird anhand von zwei AusfUhrungsbeispielcn mittels der Figuren 1 bis 3 in folgenden nSher erläutert.

Figur 1 stellt einen Block I.I dar, der aus Einzelteilen 1 ... besteht. Alle vier Teile sind dichtend aufeinender gepreßt. Innerhalb der Einzelteile 1 ... 4 sind alle Gasleitungen, die Heßkamraer Hk, Drosseln D 1, D 2 und ein Strömungsfühler SF untergebracht. Sie bestehen aus Kunststoffmaterial. Vergleichsgas gelangt über die Zuleitung Z, die sich in zwei Zuleitungen Z 1 und Z 2 aufteilt, zur !leßkenmer :K im 31ock Ein Teil der Ileßkammer IX ist noch im einzelteil 3 untergebracht. Im Einzelteil 1 sind die beiden Drosseln D 1 und D in den Zuleitungen Z 1 bzw. Z 2 angebracht und im Teil 2 der Strömungsfühler SF in einer Querverbindung wV zwischen den beiden Zuleitungen Z 1 und Z 2. Durch eine I-Ießgaszuleitung HG, die senkrecht zur Bildebene an die Keßkammer HK herangeführt wird, wird Keßgas MA in die lleßkemmcr VX geleitet. Über die Ableitung A werden Vergleichsgas V und ließgas MA gemeinsam abgeführt. Die Ileßkammer IX ist von einem quaderförmigen Querschnitt. Zwei Strömungsgleichrichter St 1 und St 2, die in der Ileßkammer !1K eine laminare Strömung entstehen lassen, sind zwischen der Keßgasleitung KG und den Eintrittsöffnuncen E 1 bzw. E 2 der Vergleichsgaszuleitungen Z 1 und Z 2 bzw. zwischen den beiden lintrittEöffnungen Ή 1 und 3 2 und der Ableitung A untergebracht. Über der Zintrittsöffnungü T und einem Teil der Meßkammer IX ist die Stellung eines Hagnetjoches J gestrichelt eingezeichnet.

Figur 2 zeigt einen Schnitt SC (siehe Figur 1) der Ileßkammer LIK mit dem iragnetjoch J um 90° zur Bildebene gedreht aufgc- / zeichnet. Von dem L'agnetjoch J sind zwei Teile Ii und S dicht an die Lleßkammer IK herangeführt, werden aber durch einen kleinen Luftspalt und Taterial des Teiles 4 von der üeßkaemer MK getrennt. Sichtbar sind die Zuleitungen Z 1 und Z 2 für das Vergleichsgas V und die Eintrittsöffnungen U 1 bzw. E

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'Gestrichelt ist der Strömungegleichrichter St 1 angedeutet. Die Meßkamner LK ist ein sehr flacher Quader, so daß die i:agnetfeidstärke in Spalt zwischen den Teilen H und· S des Magnet joches J sehr hoch gemacht werden kann. Hit einen elektrischen Wechselstrom, der durch eine Spule Sp fließt, wird dieses Magnetfeld erzeugt.

Figur 3 zeigt eine weitere Variationemöglichkeit. der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese Vorrichtung besteht nur aus drei Teilen 5_f 6 und 7, wobei in Teil 5 die beiden Zuleitungen Z 1 und Z 2 für das Vergleichsgas V, welches durch die gemeinsame Zuleitung Z an die beiden Zuleitungen Z 1 und Z 2 herangebracht wird, und die beiden Drosseln D 1 bzv/. D 2 untergebracht sind. In Teil 6 ist der Strömungsfühler SP in der Querverbindung QV untergebracht. In Teil 7 befindet sich die Meßkacmer Ui mit den SintrittEöffnungen H 1 und U 2 der Zuleitungen Z 1 und Z 2, der HeßgasEuXoitung HG₁ der Ableitung A und den Strbmungrgleichrichtcrn St 1 und St 2. Die IleßkcE-mei? IaK ist senkrecht um 90° in der Bildebene gedreht. Dadurch wird ein Einzelteil gegenüber der Vorrichtung nach Figur 1 gespart. Das L'agnctjoch J liegt ebenfalls wie in 7igur 1. dargestellt wurde, senkrecht zur Bildebene (gestrichelt angedeutet).

Die Eeeeung der magnetischen Suszeptibilität eines üeßgases IiA erfolgt foiccndertaßeni Bei rinströmcn von Vergleichsgas

V durch die Zuleitungen Z 1 und Z 2 und ~inströcen von I!eß-

durch die Ileßeasssuleitung HG entsteht in homogenen

B an der Eintrittsöffnung Ξ 1 fir die Zu-1 eine Ilischungsstrecke zwischen ließgas IiA und

V· Verlcgerungen des lüschungcortcs, infolge der Seströffiung von Keß- oder "Vergleichsgas ITA oder

V bzw* von beiden gemeine an, gehen εο lange in eine Ilessung niohtrein» wie die fcißchungsstrecke in Bereich 3 des homogenen ·

Iuagnetfeldes verbleibt. Der honio^cne IJagnetfeldbcreich 3 wird

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dadurch erzeugt, daß die llagnetpolflachen des Nordpols Ν und des Südpols S des ITagnetjoches J teilweise die vom Keßgas MA durchströmte I.Ießkair.ner HK überdecken und ebenso teilweise über der Zuleitung Z 1 (oder Zuleitung Z 2) für das Vergleichccas ■V angeordnet sind. Abhängig vom Sauerstoffgehalt des Ließ gas L'A baut sich in der Keßkammer HK ein Druck im inhomogenen Feld des iragnetfeldes auf, mit der I'acnetpolkante als Ä'quipotcntia'I- ; linie'. Abhängig von Sauerstoffgehalt des Vergleichcases V taut sich im- inhor.occncn L'aenetfeld ein Druck im Zuleitungsrohr Z für das Vergleichsgas V auf. Die Differenz beider Drucke wird dann gemessen. ;

Erst bei großer Strömungsgeschwindigkeit des ileßgases MA bzw. kleiner Strömungsgeschwindigkeit des Vergleichsgases V wird durch Diffusion vom Heßgas IIA her die Sauerstoffkonzentration des Vergleichsgases V im inhomogenen Hagnetfeld im Zuleitungerohr Z 1 verfälscht. Ibenso wird andererseits bei kleiner Strömungsgeschwindigkeit des lleßgaces HA bzw. großer Strömungsgeschwindigkeit des Vergleichgases V auch die Sauerstoffkonzentration im inhomogenen TeId der Heßkacaer IK verfälscht.

Das Vergleichsgas V wird der Keßanordnung, z. B. mit einem Vordruck von einigen atü zuceführt und mit einer Drossel D 3 ■ eine. Strömungsgeschwindigkeit von einigen ecm pro Min. eingestellt. DieVcrgleiehgactcstrcEung wird aufgeteilt über die Zuleitungen Z 1 und Z 2, die in die Ileßkair.mer 1'JK₁ münden, wobei die- rjündung Z 1 des einen Kanals Z 1 im homogenen L'aenetfeld und die ilündung B 2 des anderen außerhalb des irafnetfeldes liegt. Abhängig von der Suczcptibilitätsdifferenz beider Case (Tergleichsgas V und L'eßgas O) entsteht nun eine Druckdifferenz zwischen den beiden linstrcmöffnungen U 1 tind Ώ 2 der Zuleitungen Z 1 und Z 2. Die beiden Strcmungszuleitungen Z 1,u. Z 2 für das Vergleichsgas V sind außerhalb des iragnetfeldes durch eine Querverbindung QV miteinender verbunden. Zwischen dieser Querverbindung QV und der gemeinsamen Zuleitung Z be- ·ι

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-•finden sich die Drosseln 3> t und D 2* Sie verhindern eine widerstands^eie Strömung Über die yfrMndung von Z t und 2 •an! Vergleichcgaseintritt. (Kurzsehjuß au QV), Abhängig von der Druckdifferenz zwischen den beiden tinsirämöffiumgen E 1"und B 2, die in der ,Heßkaciaer OC enW$fciy_: w£rd in' einer« in dieser "Querverbindung QV" befindlichenlicn^A-eine'Str^aunB^rzeugt diö nit äea llikroströttuhßs fühlersk:fefm0|sfη _:i*ir4;;; Bei" Schwacher Strömung im tfikroetrt;ii:^nge'ii8iie\r-ErF^:^erdcn^4i#;^!'g«Ä8nnt6n Xruokverhältniese nur geringfügig verechoben. Der MikrostrÖ-BiungefUhler S? selbst besteht aus zwei nahq beieinanderlicgenden, elektrisch beheizten Gittern & .1 und δ 2· leide Gitter Cr 1 und G 2 bilden wiederum veränderliche Widerstünde einer Prückenschaltung (nicht näher dargestellt)i Bei 2eströmunc der Gitter G-1 bzw. G 2 von einer Seite werden beide Gitter unterschiedlich thermisch beeinflußt. Das beruft aber Widerstends-Cnderungen der beiden Gitter G 1 und-G 2 hervor, so daß die 3rückenversti?r.jr_;ung ein Haß für die. Strömung in der Querver-.bindung QV wird. ' ;; , , . "-- : -^; *^ - . . ■

e^ besondere Eiflnschaft des MikröatrJÖjnungßfühlers SP ist,, daß er ejn© weitgehend verzögerungsfreie Kessung einer Strö-ÄUngeänderujng ermöglicht und so den,SinsätÄ eines L'agnetfeldes mit wechselnder Hußstürke gestattet, so daß eine von der ■· wechselndenj Druckdifferenz verursachte wechselnde Eeströmung des Kikrostirömungsfühlers SP gemessen wird.

Per bausteinförmige Aufbau der ireßvorrichtung ermöglicht eine Zub^dniing dir feilf ί ,.. 4, bzw. 5 ... 7 zu einer bestimmten • ;Puj^ction. S& bilden die Teile 1 ... 4 z. B. den Drosselteil,

dm: laikroströi&ungsfühler, die ireßgeszuführung und die Hefiksir.- '.' mea?4zw,- dije feile 5 »..· 7 den Drosselte!!, den Mikroströ-.; mungsfiihl«!· und dieneßkaiümer. Jedes dieser Teile 1 ... 7 ist ' ^:av$pclisel"b|ip Und · zwar wegen der fehlenden Symmetriebedihgun- ^ gi&ichzeitige Justierung der übrigen Teile. Besonders

der Teile N und S dee Magnet Joches J außer-.

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halb der Meßkacnc-r ί!Κ, ohne jegliche gasleitende Verbindung zu der Lleßkammer ΠΚ bei nurunwesentlich erweitertcin luftspalt, ist es möglich, die gesamte Lleßkacmerlüi aus hochkorrosionsfestem naterial herzustellen.

Bei korrosivemHe&gäsgeßisch muö bei Ausfall der Vergleichs-, gasbeströmung ein Eindringen des Keßgasgemisches in die Vergleichsgaezuleit'ungcn Z 1 und Z 2 bis zun IrlikrostrUEiungsfühler SP verhindert werden» I3a2u kann z. B. ein nicht näher dargestellter druckschalter in der Zuleitung Z für das* Vergleiche· gas V vor der der Drossel D 3 und ein hiervon geschaltetes Iilagnetventil in der keßgas zuleitung LIG dienen. (i.!eßcasleitung JIS wird geschlossen). 33er Druckrchalter ist iber mindestens so einzustellen, daß die Keßkarcer !IK in jeden Falle von den noch einströmenden Vergleichsgas V freigespült wird.

7 Patentansprüche
2 Bl. Zeichnungen

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Claims (7)

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   M .J Vorrichtung zur Analyse vcn Gasen auf Komponenten mit parar.acnetischcr Suszeptibilität mit einem Magnetkreis wechselnder 7IuGstärke, bestehend aus einen Joch und einen ξ\·. is ehe η den Polcchuhcn des Joches befindlichen Luftspalt, in den- eich eine lücßkcir.r.er mit Zuleitungen für ein !.IeC- und Vcrgleichcgas und eine gemeinsame Ableitung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das aas Magnetfeld erzeugende ' Joch (J) derart über Teilen der Ileßkacner (XlK) und einer in die HcCkar.ner (IZ) dündcnden Öffnung (E 1) und Teilen einer ersten Zuleitung (Z 1) für Vergleichegas (V) angeordnet sind, daß die Ilicchsone für I.Ießgas (ΪΓΑ) und aus der Öffnung (E 1) der ersten Zuleitung (Z 1 )· austretendem Vcrlisfras (V) in hcn.ogcncn Kagnetfeldbereich \3) liest.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine eine Strcnungsneßvorrichtung (SP) enthaltende Verbindungsleitung (QV) mit einer zweiten zu der IUeGkcr.ccr (IK) führenden Zuleitung (Z 2) für das Vcrgleichcgas (V) gasleitend verbunden ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Keßgas (!IA) über eine !.leßgaszuleitung (HG) in die JIeC-karraer (TK) einstrcnt, etwa senkrecht zur Einstronungsrichtung der Vcrgleichcgase (V) die !.leGkainner (ITC-) durchströnt und mit den Vergleichccas (V) über eine gcceincace Ableitung (A) die I.:eGkεΓ-ncr (ITC) verläßt.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Strönungsgleichrichter (St 1 und St 2) die Kißfikaracr (ITC) zwischen Keßgaszuleitung (Mu)" und Vergleichcgaszuleitungen (Z 1 und Z 2) bzw. zwischen Vergleichsgaszuleitungen (Z 1 und Z 2) und gemeinsamer Ableitung (A) unterteilen.

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5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömmgeineßvorrichtung (SF) aus zwei elektrisch beheizten Cittern .(G 1 und G 2) besteht, die nahe beieinander stehen und dadurch stärk wärmegekoppelt sind'und die ' Widerstünde einer elektrischen KeI?schaltung bilden.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei von einem Spalt getrennten Teile (K) und (S) des Joches (J) in Aurnehinungcn des ■ die l'.cQkzr.rr.er (VX) umgebenden Teiles (4) bzw. (7) eingelassen und geschliffen glatt auf der Jlefikaraerv.an^unc aufliegend angebracht sind. . ·
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ausfall der VergleichsgasbestrbiLung ein in der Zuleitung (Z) für Vergleiehcgas (?) liegender Druckschalter ein 1'acnetv.cntil in der Keßgas-"zuleitung. (KG) derart verstellt, daß die llcßgasfcestri'iüimg gestoppt wird.

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