DE1947844A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gasanalyse - Google Patents

Description

PcrtentcmvraU

fe-fi». Wilhelm Beichel

Frankfuit/Main-l
Parksiraße 13

ANTHOSY JOHN ANDREATCH, Middlesex County, New Jersey, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Gasanalyse

öle Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Verrichtung iäur Gasanalyse, mittels denen ausgewählte Bestandteile eines Gases nachgewiesen werden können. Die Erfindung findet beispielsweise bei der Gasanalyse der Verbrennungsprodukte von Kohlenwasserstofftreibstoffen Anwendung und ist insbesondere zum Nachweis von Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffen in den Auspuffgasen der Innenverbrennungsmotoren von Automobilen geeignet.

J)Qo Problem der Luftverunreinigung und die Untersuchungen auf dem Gebiet der Luftverunreinigungskontrolle haben zu einem Bedarf an einfachen und betriebssicheren Geräten zum Nachweis einer Luftverunreinigung und insbesondere zum Nachweis und Messen derjenigen Verunreinigungen geführt, die von Innenvörbrennungsmotoren an die Atmosphäre abgegeben v/erden. Das Ausmaß derartiger Luftverunreinigungen läßt sich abschätzen, \-renn man berücksichtigt, daß allein im Gebiet um Los Angles durch Automobile täglich mehr als 2500 t Kohlenwasserstoff— abgase etwa 8000 t Kohlenmonoxid anfallen. Es sind zwar verschiedene Meßgeräte für diese Verunreinigungen auf deiji Markt, doch sind diese größtenteils relativ kompliziert zu handhaben und teuer. Andere Geräte wiederum zeichnen sich durch so gerinne Ansprechzeiten aus, daß sie zum Überprüfen von Automobilmotoren praktisch ungeeignet sind, zumindestens wenn eine

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große Anzahl von Automobilen in relativ kurzen Zeiträumen untersucht werden soll. Zur Zeit ist kein Gerät erhältlich, welches so genau arbeitet und so billig ist, daß es beispielsweise in Garagen oder Tankstellen angewendet werden könnte.

Der Bedarf an solchen Geräten wird auch dadurch immer größer, daß beispielsweise in Amerika einige Staaten sehr strenge Bestimmungen hinsichtlich des Gehaltes an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen in den Auspuffgasen von Automobilen erlassen haben. Damit die Innenverbrennungsmotoren, bevor die Automobile den staatlichen Prüfstellen zugeführt werden, richtig eingestellt werden können, müssen alle, die mit der Reparatur und der Wartung von Motoren zu tun haben, schnell W und sicher die Auspuffgase analysieren können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und solche einfachen und betriebssicheren Vorrichtungen zum Analysieren eines Gases auf Verbrennungsprodukte zu schaffen, die ohne größere Vorbereitung auch von ungeübten Personen bedient werden können, eine große Lebensdauer haben und keine teuere Wartung erfordern. Außerdem sollen die Vorrichtungen relativ unempfindlich auf Änderungen der Brennstoffζasammensetzung sein. Schließlich sollen die Vorrichtungen zur Gasanalyse billig und empfindlich sein.

L Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gasanalyse enthält insbesondere einen Meßfühler, der einen Draht mit hohem thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten aufweist und an den eine Meßschaltung angeschlossen ist." Dieser Draht ist mit einem speziell für Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffe gewählten Katalysator überzogen und in einer Zone angeordnet, durch die das _tzu analysierende Gas strömt, welches vorher auf eine zum Ablauf der katalysierten Reaktion ausreichende Temperatur erhitzt worden ist.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wirkt in der Weise, daß durch den Umsatz der ausgewählten bzw. gesuchten Bestandteile des Gases mit Sauerstoff in Gegenwart des Katalysators eine Temperaturänderung und infolgedessen eine Widerstandsänderung des Drahtes bewirkt wird, die eine nachweisbare und meßbare Veränderung gewisser Parameter einer elektrischen Schaltungsanordnung zur Folge haben. Diese Änderung ist eine Funktion der Menge des analysierten Bestandteils und dient daher als Maß für die Menge dieses Bestandteils im analysierten Gas.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung ausgewählter Oxydationskatalysatoren, die nur innerhalb vorgewählter Temperaturbereiche in Gegenwart von Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffen wirksam sind. Bevorzugt wird ein Katalysator verwendet, der aus einer Mischung von etwa 50$ Mangandioxid, 30$ Kupfeioxid, 155» Kobaltoxid und 5$ Silberoxid besteht. Derartige Katalysatoren werden beispielsweise durch die Mine Safety Appliances Company unter dem Warenzeichen "Hopcalite¹¹ verkauft. Hopcalite ist ein Kataly- , sator für Kohlenmonoxid innerhalb eines breiten Temperaturbereiches. Für Kohlenwasserstoffe eignet sich dieser Katalysator am oberen Ende des gleichen Temperaturbereiches. Die erfindungsgeraäße Vorrichtung kann bei Verwendung eines solchen Katalysators erfindungsgemäß auch so betrieben werden, daß entweder nur die Gegenwart von Kohlenmonoxid nachgewiesen oder gleichzeitig der gesamte Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalt nachgewiesen wird. Kohlenmonoxid allein wird entweder dadurch gemessen, daß die Kohlenwasserstoffe mit einem geeigneten Filter beseitigt werden oder daß in einem Temperaturbereich gearbeitet wird, in welchem der Katalysator auf die meisten Kohlenwasserstoffe nicht katalytisch wirkt.

Obgleich Hopcalite bereits als Katalysator in anderen Instrumenten zum Messen von Kohlenmonoxid verwendet wird, geschieht dies in der Regel dadurch, daß er als Packung verwendet wird. Ein wesentlicher Nachteil von Geräten dieser Art, wenn sie

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beispielsweise für die Analyse der Auspuffgase von Automobilen verwendet werden, besteht darin, daß sie βehr langsam anspre- "·· chen oder nach ihrer Verwendung eine große Erholungseeit für , den Katalysator benötigt wird. Bei einem kommerziell erhältlichen Gerät werden beispielsweise nach einer Änderung des Kohlenmonoxidgehalts etwa 60 Sekunden zur Erholung benötigt. Außerdem wird der Hopcalite-Katalysator durch Wasser verunreinigt, wenn er bei den in diesen Geräten üblichen niedrigen Temperaturen verwendet wird. Die geringe Ansprechzeit und die Verunreinigung durch Wasser machen die bekannten Geräte zur Untersuchung der Auspuffgase von Automobilen in beispielsweise Garagen bei der Durchführung von Reihenuntersuchungen unbrauchbar.

Ein weiterer gut geeigneter Katalysator ist Vanadiuropentoxid (VpOc). Dieser Katalysator ist reaktiv mit Bezug auf Kohlenwasserstoffe und wird daher zum Nachweis von Kohlenwasser- . stoffen in der Gasmischung verwendet. Mit Bezug auf Kohlenmonoxid ist dieser Katalysator unterhalb von etwa 400 ⁰C (750 ⁰P) unwirksam und ist außerdem unempfindlich gegenüber anderen Bestandteilen der Auspuffgase und wird von diesen auch nicht verunreinigt.

Der erfindungsgeroäße Meßfühler wird dadurch hergestellt, daß z.B. ein Glühdraht mit dem Katalysator überzogen wird. Die Art des ÜberZiehens dieses Glühdrahtes ist nicht unwichtig. Als Glühdraht wird vorzugsweise ein Wolframdraht verwendet. Pur die Zwecke der Erfindung ist es wichtig, daß die gesamte Oberfläche des Glühdrahtes überzogen wird, damit das Glühdrahtmaterial von dem zu analysierenden Gas völlig getrennt ist.

Die Verwendung von Wolfram fet insofern von Vorteil, als Wolfram äußerst empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert und gegenüber den Verbrennungsprodukten von Kohlenwasserstoffbrennstoffen nicht katalytisch wirkt. Die Verwendung von Wolf-

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ram ermöglicht somit die Verwendung relativ kleiner Katalysatormengen, so daß der Gasströmung nur ein sehr kleiner Oberflächenbereich ausgesetzt ist. Da die Erholungszeit eine . Funktion der Masse und der Oberfläche ist und erfindungsgemäß kleine Massen und Oberflächen verwendet werden, ist die Erholungszeit für die Aktivität des Katalysators äußerst kurz. Messungen haben beispielsweise ergeben, daß Glühdrähte derart mit Katalysatoren überzogen werden können, daß die Erholungszeit kleiner als 10 Sekunden ist und sogar in vielen Fällen." kleiner als zwei Sekunden gemacht werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben.

Die Pig. 1. zeigt die perspektivische Ansicht einer bevorzugten Vorrichtung zur Gasanalyse gemäß der Erfindung,

Die Pig. 2 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die in der Vorrichtung nach Pig. 1 verwendete Schaltungsanordnung.

Die Pig. 3 zeigt einen in Verbindung mit der Vorrichtung nach Figuren 1 und 2 verwendeten Meßfühler.

Die Fig. 4 zeigt schematisch die Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gasanalyse.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gasanalyse enthält ein Gehäuse 10, in welchem ein Gasströmungskanal 11 untergebracht ist. Zweckmäßigerweise besteht das Gehäuse 10 aus einem festen Block aus Aluminium oder rostfreiem Stahl, durch welchen der Kanal 11 gebohrt ist. Der das Gehäuse 10 bildende Block weist außerdem zwei weitere Hohlräume 12 und 13 auf, die sich zweckmäßigerweise in Längsrichtung des Blocks und parallel zum Kanal 11 erstrecken.

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Weiterhin 1st erfindungsgemäß eine Einrichtung zum Erhitzen des Kanals 11 und dadurch des Meßfühlers und des Gasstroms vorgesehen. Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung enthält diese Einrichtung ein elektrisches Heizelement H, das im Hohlraum 12 untergebracht ist. Auf diese Weise wird die Wärme durch Wärmeleitung zu den Wänden des Kanals 11 übertragen. Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, als Material für den Block Aluminium zu verwenden, weil dieses eine relativ große thermische' Leitfähigkeit und einen hohen Korrosionswiderstand gegenüber der korrodierenden Wirkung der Verbrennungsgase hat. Rostfreier Stahl ist jedoch ebenfalls geeignet»

Zur Befestigung des Heizelementes ist der Hohlraum 12 mit einem fc Innengewinde und ein Schaft des Heizelementes an seinem äußeren Ende mit einem entsprechenden Außengewinde versehen. Flächen Ha, die zum Ansetzen eines Schraubenschlüssels geeignet sind, erleichtern die Befestigung des Heizelementes an seinem Platz.

Im Hohlraum 13 ist ein Thermostat 15 angeordnet, welcher dazu dient, die vom¹ Heizelement 14 abgegebene Wärmemenge zu regeln. Als Thermostat 15 kann beispielsweise eine Bimetallanordnung verwendet werden, die mit dem Heizelement in Serie geschaltet ist. Im Bedarfsfall kann auch noch ein Thermoelement 17 in einer Bohrung 18 dicht neben dem Kanal 11 vorgesehen sein, das mit einem (nicht gezeigten) Temperaturanzeigegerät verbunden wird.

Das zu analysierende Gas wird durch den Kanal 11 ggLeitet-, Zu diesem Zweck v/eist jedes Ende des Kanals ein Gewinde auf, auf ■ das Hülsen 19 und 20 aufgeschraubt werden können. Die Hülse 19 kann beispielsweise an eine Gasquelle angeschlossen werden.

Erfindungsgemäß ist weiterhin_%innerhalb des Kanals 11 in der zu analysierenden Gasströmung ein wärmeempfindliches Widerstandselement 22 angeordnet. Dieses Widerstandselement 22, das ■ in Pig. 3 vergrößert dargestellt ist, weist vorzugsweise einen

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schraubenlinienförmig gewickelten Draht oder Glühdraht 23 von kleinem Durchmesser auf, dessen Enden an Halterungsleitern und 25 bekannter Bauweiet angelötet «Ind.

Obgleich für die Zwecke der Erfindung auch andere Glühdrahtmaterialien verwendet werden können, werden Glühdrähte aus Wolfram bevorzugt. Wolfram besitzt einen sehr hohen thermischen Widerstandskoeffizienten und ermöglicht dadurch die Herstellung eines Gerätes, welches auf die nachzuweisenden Bestandteile des Gases äußerst empfindlich reagiert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei der Verwendung von Wolfram besteht darin, daß dieses bezüglich der in den Auspuffgasen befindlichen Bestandteile chemisch inert ist, d.h. bezüglich Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffen oder anderen in den zu analysierenden Gasen vorhandenen Bestandteilen keine katalytische Aktivität besitzt.

Gemäß der Erfindung sollte die gesarate Oberfläche des Glühdrahtes 23 mit Katalysator überzogen sein. Der Katalysator wird vorzugsweise dadurch zubereitet, daß er in Pulverform mit einem geeigneten Klebmittel oder Zement vermischt wird. Hierfür eignen sich alle diejenigen Mittel, die mit keinem Bestandteil in der Gasströmung reagieren, nicht absorbieren und bei den während der Analyse verwendeten Temperaturen stabil sind. Von den kommerziell erhältlichen Mitteln eignet sich beispielsweise synthetisches Porzellan von der Art, wie es unter der Bezeichnung "Cement Kr. 33" von der Sauereisen Cement Company of-Pittsburgh, Pennsylvania, USA., verkauft wird.

Zur Herstellung der Glühdrähte wird aus dem Zement und dem Katalysator eine Paste hergestellt, wobei ein Teil des pulverisierten Katalysators auf einen Teil Zement verwendet wird. Die Paete wird auf geeignete Weise, beispielsweise unter Verwendung einer feinen Bürste, auf den Glühdraht aufgebracht. Hierbei muß darauf geachtet werden, daß alle Teile des Glühl*

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äraates mit der Paste bedeckt werden. Vorzugsweise wird -so - viel Faste aufgebracht, daß die Enden der Halterungsleiter bedeckt sind und auch der Kern der Wicklung gefüllt ist, wenn ein gewickelter Glühdraht verwendet wird. Die derart beschichteten Glübdroähte werden anschließend ausgehärtet, indem sie bei einer Temperatur von etwa 323 ⁰C (450 ⁰P) etwa 8 Stunden lang geglüht werden.

Wenn die Wolframglühdrähte' auf die beschriebene Weise überzogen sind, dann ist das Wolfram von der gasförmigen Atmosphäre getrennt und hierdurch zu jeder Zeit gegen Oxydation geschützt. Außerdem ist der relativ zerbrechliche Glühdraht durch*den gehärteten Zement wesentlich versteift, so daß die - Bruchgefahr auch bei falscher Behandlung des Gerätes äußerst klein ist.

Vorzugsweise wird an einer vom Meßfühler 22 entfernten Stelle noch ein zweites wärmeempfindliches Vergleichselement 26 in der Gasströmung angeordnet, welches im wesentlichen dem Meßfühler 22 entspricht, jedoch nicht mit einem Katalysator, sondern lediglich mit Zement überzogen ist, welcher alle aus Wolfram bestehenden Teile überdeckt. Vorzugsweise wird der gleiche, oben erwähnte Zement verwendet und der Überzug ebenfalls bis zu den Halterungsleitern des Glühdrahtes erstreckt, daeit auch dieser'Glühdraht versteift ist. Der Glühdraht 27 des Vergleichs elemente s 26 sollte im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie der Glühdraht 23 aufweisen. Die Bedeutung dies Vergleichselementes wird weiter unten beschrieben.

zu analysierende Gas wird durch die Hülse 19 und den Kanal 11 geleitet, in welchem die Glühdrähte angeordnet sind. Wesentlich für die Erfindung ist, daß ein Heizelement 14 vorgesehen 1st, mittels welchem der Gasströmung innerhalb des Kanals 11 Wärme zugeführt wird, bevor diese die Reaktionszone, in. welcher der Glühdraht 23 angeordnet ist, erreicht. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel

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wird das Gas innerhalb des Kanals 11 aufgrund der durch das Aluminiumgehäuse in Richtung der Seitenwände des Kanals 11 stattfindenden Wärmeleitung erhitzt. Um sicherzusteilen, daß das Gas auf die erforderliche Temperatur erhitzt wird, wird einWärraeleitungsmaterial 30, welches beispielsweise aus AIunji nium mat ten oder Aluminiumnetzen besteht, stromaufwärts von 'der Stelle, an welcher der wärmeempfindliche Meßfühler 22 angeordnet .ist, in den Kanal 11 gepackt, wie es bei 30 angedeutet ist. Wenn das Gas durch das Netz strömt, welches durch das Heizelement 14 erhitzt worden ist, dann weist es die für die katalytisch^ Verbrennung im Bereich des wärmeempfindlichen Meßfühlers 22 erforderliche Temperatur auf.

Obgleich die Temperatur, bei.welcher die katalytisch^ Reaktion stattfindet, etwas variabel ist, sollten die folgenden Kriterien bei der Durchführung der Reaktion beachtet werden. Gewisse Katalysatoren, wie beispielsweise das oben erwähnte Hopcalite, werden bei relativ geringen Temperaturen durch Wasser verunreinigt. Durch Aufrechterhaltung von Temperaturen von mehr als etwa 100 ⁰O (212 ⁰P), vorzugsweise mehr als 121 ⁰G (250 F) kann das aufgrund der Verunreinigung durch Wasser entstehende Problem im wesentlichen beseitigt werden. Eine Verunreinigung des Katalysators könnte sich auch dadurch ergeben, daß dieser in gewissen Temperaturbereichen Kohlenwasserstoffe absorbiert. Obgleich ein Katalysator, der aufgrund der Absorption von Kohlenwasserstoffen unwirksam gemacht worden ist, durch periodisches Abbrennen der absorbierten Kohlenwasserstoffe wieder aktiv gemacht werden kann, wird vorgezogen, die Analyse bei Temperaturen oberhalb von etwa 245 ⁰C (475 ⁰P) durchzuführen, wenn das beschriebene Gerät zum Nachweis von Kohlenmonoxid verwendet werden-soll. Bei diesen Temperaturen ist Hopcalite nur bezüglich Kohlenmonoxid aktiv und wird durch Kohlenwasserstoffe nicht verunreinigt. Aus praktischen Gründen liegt die obere Tsapsratixrgrenze bei etwa 400 ⁰C (750 ⁰P), weil die Materialien, aus denen dae Gerät besteht, hc*here Temperaturen kaum vertragen, obwohl theoretisch auch bei höheren Temperaturen gearbeitet werden könnte·

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Mr den Pall, daS als Katalysator Vanadiumpentoxid verwendet wird, hängt die" Seiaperatur, auf die der Katalysator erhitzt werden- muß, auch von dem nachzuweisenden Bestandteil des Gases ab. Vanaditunpentoxid spricht bei Temperaturen unterhalb von 400 ⁰C (750 ⁰P) nahezu über/iaupt nicht auf Kohlenmonoxid und Wasserstoff an. Auf diee·.- V/eise können kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Koiileniatonö.-cid und/oder Wasserstoff nachgewiesen werden. Außerdem kann ä:-torch, daß die "Demperatur, bei der die Reaktion stattfinde geändert wi. ;.*■;, die Aktivität bezüglich verschiedenen Kohl.- .-/ass erst off 1«: '-.-■ssen selektiv eingestellt werden. Bei gerir; ;ϊΐ Temperatur .·. ist der Vanadiumpentoxidkatalysator sehr sel^blv bezüglic reaktiven Kohlenwasserstoffen. Eine Temperature .vnö hung isewirV . ein Anfc sprechen auch auf höhere Kohlenwasserstoffe. Bei hohen Temperaturen erreicht das ^eßgerät die Ansprechempfindli iikeit, die man für den. gesamten Kohlenwasserste.fanteil mit K" fe eines Flammenionisationsdetektor erreicht

Zum Messen des Anteils der ausgewählt η Bestandtei des Gasstroms wird vorzugsweise eine elektrische Schaltung.Anordnung wie beispielsweise eine kon^T#entioiiel"...n Brückenscha ong gemäß Pig. 2 verwendet. GernäS Pig. 2 wird ar mit Kataly -,or überzogene Meßfühler 22 in den einen Zwei: der Brücke .1 das Vergleichselement 26 in einen zweite. Zweig der Br :e geschaltet. In die beii;;i anderen Zwei : werden fes*: /iderstände 32 und 33 geschaltet, während dit Julipunkte de· Brücke durch ein Anzeigegerät 34 verbunden erden. Dem Ar igegerät 34 ist ein variabler 1/iderstanä 55 zvcs Einstellung 3r Verst ärkui '.-arallelges ehaltet.

Über Leitungen 36 und 37 ist eine Glsichspannungs: LIe an die Brücke gelegt, wobei in die Leitung 37 ein Ein,, -lus-Schal-"ter 38 gesehaltet ist. In äie.. Leitung 36-ist ein variabler

. Widerstand, 39 geschaltet _p Eittels ieia ä©r erwünschte Strom eingestellt ν

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Β/Φ OWOrtNAL

Parallel zur Brücke und zur Spannungsquelle liegt ein variabler Widerstand 40, mittels dent die Brücke abgeglichen bzw. das Anzeigegerät 34 auf Hull eingestellt werden kann, wie es bei· derartigen Brückenschaltungen iiblieh ist.

Mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 wird in folgenden die Verwendung des beschriebenen Meßgerätes zum Nachweis von Kohlenmonoxid beschrieben. Nach Einschaltung der Spannungsquelle wird die Brücke zunächst mittels des variablen Widerstandes. 40 derart abgeglichen, daß das Anzeigegerät 34 keinen Stromfluß anzeigt. Der Heizblock wird ausreichend lange, beispielsweise fünf Minuten lang betrieben, üb die temperatur auf einen für den Nachweis von Kohlendioxid geeigneten Wert, d.h. etwa 274 ⁰C (525 ⁰P) anzuheben. Wenn ein Sas durch den Kanal 1.1 strömt, dann wird es duch das Warnieiib^rtragungsmedium 30 erhitzt und umströmt dann den Keöfühler 22, wobei eine katalysierbare Reaktion stattfindet und sich das Kohlenmonoxid unter Bildung von Kohlendioxid mit Sauerstoff verbindet. Der durch die Reaktionswärme begründete Temperaturanstieg verursacht eine proportionale Änderung des Wiäerstandswertes des Glühdrahtes 23, wodurch der Abgleich der Brückenschaltung gestört und die Größe dieser Störung durch das Anzeigegerät 34 angezeigt wird. Da die Abweichung von Gleichgewichtszustand proportional zum Gehalt an Kohlenmonoxid ist, kann man den Kohlenmonoxidanteil der Gasströmung in Volumenprozent ablesen.

Wie oben erwähnt, ist in der Gasströmung außerdem ein Vergleichselement 26 Angeordnet· Obgleich dieses Vergleichselement, wenn präzise Messungen nicht erforderlich sind, auch weggelassen werden kann, ist seine Verwendung von Vorteil, weil auch andere als katalysierte Reaktionen den Abgleich der Brückenschaltung beseitigen können, Temperaturänderungen können sich beispielsweise durch Gasströmungseffekte bzw. durch Änderung der Gas leitfähigkeit und dgl. ergeben. Da Temperaturänderungen, die durch derartige Störeffekte verursacht werden, auch durch andere Temperaturfühler gemessen

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werden können, bleibt die Br üc kens ehalt ung so. lange abgeglichen,· bis die nachzuweisende Komponente des Gases tatsächlich verbrannt wird. .."..-·.

In Fig. 4 ist schematisch die Verwendung des beschriebenen Analysiergerätes bei der Untersuchung der Auspuffgase einer Innenverbrennungsmaschine auf Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe dargestellt. Gemäß Fig. 4 di.ent eine Leitung 48 zum Anschluß an die zu analysierende Gasquelle. Bei der Untersuchung der Auspuffgase eines Automobils kann die Leitung 48 ein Schlauch oder eine Rohrleitung sein, die direkt mit dem Auspuffrohr verbunden ist. Die Leitung 48 führt zu einem Kondensator oder einer Wasserfalle 49» die dazu dient, das in den Auspuffgasen enthaltene überschüssige Wasser zu kondensieren. Stromabwärts vom Kondensator 49 ist ein Filter 49a vorgesehen, um die Kohlenwasserstoffe wegzufiltrieren, wenn eine Analyse auf Kohlenwasserstoffe nicht erwünscht ist. Der Filter kann wahlweise in die Gasströmung eingeführt werden, so daß zunächst eine Untersuchung auf den gesamten Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalt und anschließend mit eingesetztem Filter auf den Kohlenmonoxidgehalt allein vorgenommen werden kann. Filter für Blei und andere spezielle Materialien sollten ebenfalls vorgesehen sein. Die den Filter 49a verlassende Gasströmung wird über einen Schlauch bzw. die Hülse 19 dem Kanal 11-zugeführt. Wenn die Auspuffgase verschiedener Automobiltypen analysiert werden, dann ergibt es sich manchmal, daß in den Auspuffgasen zu wenig Sauerstoff enthalten ist, um die KohlenjBonoxidreaktion in Gegenwart des Katalysators aufrecht zu erhalten. Ίχι tierartigen Fällen sollte eine Hilfsquelle für Luft; vorgesehen sein. Gemäß Fig. 4 ist beispielsweise eine Leitung 50 vorgesehen, in welche eine Pumpe 51 eingeschaltet ist, die den netwendigen Anteil an überschüssiger Luft zuführt. Bei der Untersuchung einiger Motoren, in deren Auspuffgasen zu wenig Luft vorhanden ISt₅, kann die überschüssige Luft beispielsweise in einem Verhältnis von zwei Teilen pro Teil des Auspuffgases zugegeben werden* Wie oben bereits erwähnt wurde, wird das Gas

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anschließend mittels des Wärmeübertragungamediums 30 erhitzt, worauf am Meßfühler 22 eine Reaktion stattfindet, die von der Gegenwart des nachzuweisenden Bestandteils des Gases, !beispielsweise Kohlenmonoxid, abhängt, Der gemessene Betarag wird mittels des Anzeigegerätes 34 nach Pig. 2 wiedergegeben. An die Hülse 20 kann ein Strömungsmesser 60 angeschaltet werden. Zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit ist eine Verdrängungspumpe 61'in der Leitung 48 vorgesehen.

In den folgenden beiden Tabellen sind die Ergebnisse von Analysen zusammengefaßt, die an einer Anzahl von Automobil-Innenverbrennungsmaschinen tatsächlich .durchgeführt wurden. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Versuche sind unter der Spalte "Katalyse" vermerkt. Zum Vergleich wurden gleichzeitig Messungen mit einem nicht dispersen Infrarotanalysator herkömmlicher Bauweise durchgeführt. In Tabelle 2 sind Durchschnittswerte tabeliiert, die sich für verschiedene Betriebsarten der Verbrennungsmaschinell ergeben. Diese Werte ergeben sich durch Integration derjenigen Kurve, die oan durch einen an den katalytischen Analysator bzw. an den nicht dispersen Infrarotanalysator angeschlossenen Schreiber enthält.

Tabelle I Zyklus - Analyse

Hichtd ispers es Infrarot #C0 Katalyse

Spitzenwerte 1 0,5 0,55·

2 0,48 0,47

3 .2,05 2,2

4 0,95 0,95 Teste Probe 0,32 0,30

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Tabelle II

ffläehenintegral über gesarote Betriebskurve

Betriebsart Hichtdisperses Infrarot jtCO Katalyse 0,30 mph Beschleunigung 0,9 1»05

30 Beisegeschwindigkeit 0,5 0,48

30-0 Abbremsung 0,52 0,55

leerlauf 0,48 0,50

Aus den Tabellen ergibt sich, daß die mit dem katalytisch wirkenden Meßgerät erfindungsgemäß durchgeführten Analysen sit den Ergebnissen der Ana^sen,- die mittels der bekannten, sehr teuren und komplizierten Infrarotmeßgeräte durchgeführt werden, sehr genau übereinstimmen.

Obgleich die Erfindung an Band eines speziell für den Nachweis von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen geeigneten Heßinstrumentes beschrieben ist, ist die Erfindung nicht auf derartige Analysen beschränkt, Beispielsweise ist die Erfindung auch für die Analyse von Bauch oder dgl. oder für gas chromatografie ehe Untersuchungen geeignet. Wenn die Erfindung aus gaschromat©grafische Untersuchungen angewendet wird, dann wird das Kohlenmonoxid, das mittels bekannter Verfahren unter Verwendung einer Säule von den Kohlenwasserstoffen getrennt wird, mittels des erfindungsgemäßen Meßinstrumentes in dem aus der Säule fließenden Eluat gemessen. Sie Kohlenwasserstoffe werden dann dadurch ermittelt, daß die Säule zur Entfernung der Kohlenwasserstoffe als Gruppe gespült wird. Pa Bopcalite keinen sehr hohen Vfrbrennungsgrad von reaktiven Kohlenwasserstoffen bewirkt, ist dieser ..Katalysator ideal für die Verwendung in eines Gerät zur chromatograf ischen Analyse geeignet. . -

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ORIGINAL IMSPHCTEO

Die Erfindung schafft ein einfaches nand sehr wirksames Mittel zum Nachweis ausgewählter Bestandteile in Verbrennungsgasen. Das beschriebene Meßgerät kann auch von weniger gut ausgebildeten Personen gehandhabt werden unl führt zu Ergebnissen, die mit denen vergleichbar sind, die mit sehr komplizierten und teueren Geräten herkömmlicher Bauweise erhalten werden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß zum Zuführen von Wärme zur Gasströmung und dem mit Katalysator überzogenen Meßfühler eine Heizvorrichtung in Form eines Blocks bzw. Gehäuses verwendet wird. Hierdurch kann die Temperatur, bei der die Reaktion stattfinden soll, sehr genau gesteuert werden. Außerdem ermöglicht die beschriebene Einrichtung die Verwendung kleinerer Brückenströme bzw. Brückenspannungen, so daß für die Brücke eine Batterie oder andere einfache Spannungsquellen verwendet werden können. Hierdurch wird die Schaltungsanordnung empfindlicher, da die Widerstandsänderungen des Meßfühlerglühdrahtes, die durch die katalysierte Reaktion entstehen, im Verhältnis zum geaasten Brückenwiderstand relativ groß sind.

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Claims (1)

1. Patentansprüche * .

   Verfahr en zur Gasanalyse,
   dadurch gekennzeichnet, daß ein aus dem zu analysierenden Gas hergestellter Gasstrom durch eine Reaktions zone geleitet wird, in welcher eine ausgewählte, oxydierbare Komponente der Gasströmung in Gegenwart eines temperaturempfindlichen, mit einem Katalysator überzogenen Meßfühlers zur Reaktion gebracht wird, indem der Gasstrom an einer vor dem Meßfühler liegenden Stelle zur Einleitung und Aufrechterhaltung der Reaktion in der Reaktionszone ausreichend erhitzt wird*, und daß das durch die Wärme der katalysieren Reaktion erzeugte Meßsignal des Meßfühlers gemessen wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß als Gasströmung die Auspuffgase einer Innenverbrennungsmaschine eines Automobils verwendet werden.

   3. Verfahren nach Anspruch.2,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung auf eine Temperatur oberhalb von 100 ⁰C ( 212 ⁰P) erhitzt wird.

   4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
   dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator eine Mischung der Oxide von Kupfer, Kobalt, Mangan und Silber verwendet und die Gasströmung auf eine Temperatur oberhalb von 246 ⁰C (475 ⁰P) erhitzt wird.

   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator Vanadiumpentoxid verwendet wird.

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   ORIGINAL

   „ *

   •6. Vorrichtung.zur Durchführung des Verfahrens nach einem eier Ansprüche 1 bis 5,
   gekennzeichnet d.urch einem mit der zu analysierenden Gasquelle verbindbaren Gas-■ Strömungskanal (11), in welchem ein wärmeempfindlicher, mit einem Katalysator überzogener Meßfühler (22) angeordnet ist, durch eine Heizvorrichtung (H, ΊΟ) zum Erhitzen des Gasströmungskarials (11) auf eine temperatur, bei der die ausgewählte, oxydierbare Komponente'der Gasströmung in Gegenwart des Katalysators verbrennbar ist, und durch eine elektrische Schaltungsanordnung, welche mit dem Meßfühler (22) verbunden ist und mittels der zum Nachweis der ausgewählten Komponente die aufgrund der Verbrennung in dem Meßfühler hervorgerufenen Temperaturänderungen meßbar sind,

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
   dadurch gekennzeichnet, daß in dem GasStrömungskanal eine Wärmeaustauschmedium (30) angeordnet ist.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung ein elektrisches Heizelement (H) enthält .

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8»
   dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliches Element (22) einen Draht (23) mit hohem Widerstandstemperaturkoeffizienten, zwei elektrische Zuführungen (24,25), durch die die Enden des Drahtes (23) abgestützt sind, aufweist, und daß die gesamte Oberfläche des Drahtes mit einer Schicht überzogen ist, die einen Katalysator enthält, der bezüglich dem zu analysierenden Gas aktiv ist.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 9ι
   dadurch geken-nzeichnet» . daß der Draht (23) aus Wolfram b'esteht.

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   11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oäer 10, dadurch gekennzeichnet,' daß der Draht aus einer.schraubenlinienförmig gewundenen Wicklung "besteht, deren 2*fIscIienräuiDe mit Katalysator gefüllt sind.

   12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, .dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine elektrische Brückenschaltung (22, 26, 32, 33) enthält.

   13. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 6 his 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Brückensclialtung unabhängige Heizvorrichtung. (10, 14) zum Erhitzen der Verbrennungsprodukt e auf eine vorgewählte Temperatur und sum Aufrechterhalten dieser Temperatur zu derjenigen Zeit vorgesehen sind, während welcher die Gasströmung den mit Katalysator überzogenen Glühdraht (23) umströmt«

   14· Vorrichtung nach Anspruch. 12,-

   dadurch gekennzeichnet, daß in der Brückenschaltung ein .Anzeigegerät (34) zum Anzeigen des jenigen Wertes vorgesehen ist, um den die Brückenschaltung aufgrund der !Reaktionswärme vom abgeglichenen Zustand entfernt

   15· Vorrichtung nach einen der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sas Strömungskanal (11) ein zweiter Draht (26) vorgesehen ist, der die gleichen Widerstands eigens cha ft en wie der mit Katalysator überzogene GlüMraht aufweist und derart'in die Brückenschaltung eingeschaltet ist, daß Temperatur änderungen die sich aufgrund anderer Einschlüsse als der Reaktionswärme . ergeben, kompensiert 1st·

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   16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurc'h gekennzeichnet, daß der Gasströmung»kanal (11) als Bohrung in einem Gehäuseblock (10) abgebildet ist und daß die Heizvorrichtung ein Heizelement t14) aufweist, mittels dem der Gehäuseblock (10) und dadurch die Gasströmung erhitzt wird.

   17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
   dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (15) vorgesehen ist, mittels der das He.izelelement (14) auf einem solchen Wert gehalten wird, daß die Gasströmung im GasStrömungskanal (11) eine Temperatur oberhalb von 100 ⁰C (212 ⁰P) annimmt.

   18. Vorrichtung nach Anspruch 16,
   dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (15) vorgesehen ist, mittels der das Heizelement (14) auf einer solchen Temperatur gehalten wird, daß die Gasströmung in dem Gasströmungskanal auf einer Tempe- · ratur zwischen etwa 246 und 371 ⁰C (475 und 700 ⁰P) gehalten wird.

   19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Draht (23) mit einem Katalysator überzogen ist, der selektiv bezüglich Kohlenmonoxid aktiv ist, während der zweite Glühdraht (26) mit einen Material überzogen ist, das bezüglich den zu analysierenden Bestandteilen der Gasströmung chemisch inert ist.

   009815/1354 ORIGINAL INSPECT60

   1.9478U

   20. Vorrichtung nach eiiem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß der mit Katalysator überzogene Draht (23) derart in die Brückenschaltung eingeschaltet ist, daß der Prozentanteil an Kohlenmonoxid in der Gasströmung meßbar ist, und daß der zweite Draht (26) derart in die Brückenschaltung eingeschaltet ist, daß Widerstandsänderungen des ersten Glühdrahtes (23), die nicht durch die bei der Kohlenmonoxidreaktion entstehende Wärme verursacht sind, kompensiert werden.

   21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasströmungskanal (11) an den Auspuff eines Automobils anschließbar ist.

   00981 5/1354