DE859387C

DE859387C - Verfahren zur Messung des in einem Gasgemisch vorhandenen Gehaltes an paramagnetischen Gasen, insbesondere an Sauerstoff

Info

Publication number: DE859387C
Application number: DEP30369A
Authority: DE
Inventors: Karl Luft
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1948-08-09
Filing date: 1949-01-01
Publication date: 1952-12-15
Also published as: NL94416C; FR1012232A; GB685920A; FR1010394A; CH280228A; BE490559A

Description

Paris

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zu diesem zur Bestimmung des in einem Gasgemisch vorhandenen Gehaltes an paramagnetischem Gas. Es bezieht sich insbesondere auf die Messung des in einem Gasgemisch vorhandenen Sauerstoffes.

Es wird darauf hingewiesen, daß sich der Erfindungsgegenstand sowohl· auf die Verfahrensweisen als auch die Meßapparate bezieht. Die Erfindung gibt die Anweisung, wie man den verschiedenen Wünschen der Praxis besser als bisher entsprechen kann.

Die Erfindung besteht hauptsächlich darin, daß in dem zu untersuchenden Gasgemisch mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes von ungleichmäßiger Verteilung periodische Druckveränderungen erzeugt werden, die man mit einer geeigneten Vorrichtung mißt, während gleichzeitig das zu prüfende Gasgemisch einer örtlichen Erhitzung ausgesetzt wird, um bei seinem paramagnetischen Bestandteil oder seinen paramagnetischen Bestanditeilen einen Unterschied an magnetischer Empfindlichkeit hervorzurufen.

Abgesehen von diesem Grundgedanken umfaßt die Erfindung gewisse andere Anordnungen, von denen am besten gleichzeitig Gebrauch gemacht wird und von denen nachstehend ausführlicher gesprochen wird.

Die Erfindung umfaßt insbesondere eine bestimmte Art der Anwendung, gewisse Durchführungsmethoden der genannten Anordnungen und vor allem (dies im Sinne der Untersuchung neuer

industrieller Produkte) die Vorrichtungen, insbesondere die Meßapparate, die eine Anwendung der Anordnung ermöglichen oder für die Durchführung nötig sind. Sie umfaßt ebenso die für die Montage nötigen Teile.

An Hand der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens veranschaulicht.

Fig. ι zeigt schematisch und im Aufriß einen ίο nach der Erfindung eingerichteten Apparat, der geeignet ist, den Gehalt eines Gasgemisches an paramagnetischem Gas zu bestimmen. Die Röhren, die dieses Gemisch enthalten, sind nur zum Teil abgebildet;

Fig. 2 zeigt den gleichen Apparat im Grundriß, wobei die oheren Polschuhe entfernt sind.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, auf folgende oder analoge Weise vorzugehen, wenn man den Gehalt eines Gemisches an paramagnetischem Gas bestimmen will.

Es wird noch darauf hingewiesen, daß man für die Bestimmung des Gehaltes eines Gasgemisches an paramagnetischem Gas, insbesondere an Sauerstoff, bereits Apparate kennt, in denen das zu prüfende Gemisch örtlich erhitzt und einem Magnetfeld von ungleichmäßiger Verteilung ausgesetzt wird. Die derart erzielten Meßergebnisse waren jedoch häufig nicht zufriedenstellend, denn sie hingen noch von anderen Faktoren ab, wie etwa der spezifischen Wärme und der Wärmeleitfähigkeit des Gemisches.

Um die Nachteile dieser bekannten Apparate zu vermeiden und um Ergebnisse zu erzielen, die ausschließlich von der durch örtliche Erhitzung erzeugten Druckveränderung, von der magnetischen Suszeptibilität des Gemisches und demgemäß von seinem Gehalt an paramagnetischem Gas abhängen, setzt man gemäß der Erfindung das zu untersuchende Gemisch einem magnetischen Wechselfeld von ungleichmäßiger Verteilung aus, und mißt nun die in dem Gemisch erzeugten periodischen Druckveränderungen, die direkt dem Gehalt an paramagnetischem Gas, besonders an Sauerstoff, entsprechen.

Um dies zu erreichen, kann man natürlich auf viele Weisen vorgehen. Zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes bedient man sich am besten eines permanenten Magneten, dessen Kraftfluß von einem beweglichen Teil bestimmt wird, das in das Kraftfeld dieses Magneten eingeschoben ist. So verwendet man, wie in Fig. 1 dargestellt, einen permanenten Magneten 1 mit wenigstens zwei Polschuhen 2 und 3. Man fügt zwischen den permanenten Magneten 1 und wenigstens einen dieser Polschuhe, z. B. dem Polschuh 3, eine rotierende Scheibe 4 ein, die zum Teil, in den Figuren beispielsweise in der linken Hälfte, aus einem magnetischen Metall, etwa aus weichem Eisen, zur anderen Hälfte aus unmagnetischem Stoff besteht. Wenn nur die Hälfte aus weichem Eisen zwischen dem Magneten 1 und dem Polschuh 3 steht, kann der Kraftfluß ohne wesentliche Schwächung des Magneten 1 in den Polschuh 3 gelangen. Dieser Fluß wird aber auf einen Bruchteil seines Maximalwertes verringert, wenn nur die unmagnetische Hälfte der Scheibe 4 zwischen dem Magneten 1 und dem gleichen Polschuh steht. In den Zwischenpositionen der Scheibe 4, bei denen größere oder leleinere Teile der beiden Hälften dieser Scheibe zwischen dem Magneten 1 und dem Polschuh 3 stehen, ist der Kraftfluß stärker oder schwächer. So bekommt man durch das Umlaufen der · Scheibe 4 einen periodischen Wechsel des Kraftflusses.

Um die Drehung der Scheibe 4 mit einer geeigneten Geschwindigkeit zu bewerkstelligen, z. B. fünf Umdrehungen je Sekunde, treibt man ihre Achse 5 durch irgendeinen Motor an, beispielsweise einen Elektromotor 6.

Man bringt die Röhre 7 mit dem zu prüfenden Gasgemisch in dem Luftspalt zwischen den beiden Polen 8 und 9 der Polschuhe 2 und 3 an. Den Teil der Röhre 7, der sich neben dem Luftspalt befindet, erhitzt man elektrisch, beispielsweise durch eine Wicklung 10, die sich über eine gewisse Strecke der Röhre ausdehnt, und erzielt so eine örtliche Erhitzung des in Röhre 7 enthaltenen Gasgemisches.

Der Leitwert der paramagnetisc'hen Gase hängt von ihrer Temperatur ab und ist um so größer, je kalter das Gas ist. g₀

Überdies gibt man den Polen 8 und 9 am besten eine Kegelstumpfform, wie es die Fig. 1 und 2 zeigen. Man erhält dadurch in der Zone α ein homogenes Magnetfeld, während das Magnetfeld über die beiden Ränder dieser Zone α hinaus nicht homogen ist. Es ist ersichtlich, daß sich der örtlich erhitzte Teil der Röhre seitlich der Zone α befindet, in einem Bereich also, in dem das Magnetfeld nicht homogen ist. Die Gasmengen der Röhre 7 im nicht homogenen Magnetfeld werden durch die Zone α angezogen. Allerdings ist die Anziehung auf die relativ kalten Gase, die in Richtung des Pfeiles b angezogen werden, stärker als die der infolge Erhitzung durch die Wicklung 10 relativ warmen Gase, die in Richtung des Pfeiles c angezogen werden. Eine solche Störung des Gleichgewichtes verursacht einen periodisch veränderlichen Überdruck in dem örtlich erhitzten Teil der Röhre 7. Diese Überdrucke sind um so stärker, je größer der Gehalt des Gemisches in der Röhre 7 an Sauerstoff oder einem anderen paramagnetischen Gas ist.

Die Breite der Zone α der Kegelstumpfpole wird am besten so gewählt, daß sich jener Teil der Röhre, in dem der Temperaturübergang stattfindet, im homogenen Magnetfeld befindet.

Am Eingang 11 und am Ausgang" 12 fügt man in die Röhrenenden Kapillarröhren 13 und I3_ffi ein, die eine Ausbreitung der im Innern der Röhre 7 unter dem Einfluß des magnetischen Wechselfeldes rzielten Druckschwankungen verhindern, trotzdem aber den Zutritt und Austritt des zu . prüfenden Gasgemisches gestatten.

L^Tm die Druckschwankungen im Innern der Röhre 7 zu messen, kann man sich jeder geeigneten Vorrichtung bedienen. Am besten verbindet man

das Innere der Röhre mit einer Kapazität 14, deren Membran 15 unter dem Einfluß der Druckveränderungen im Innern der Röhre 7 in periodische Schwingungen gerät. Diese Membran 15 kann auf bekannte Weise eine der Elektroden eines Membrankondensators bilden, dessen andere Elektrode 16 fest sein kann. Die KapazitätsVeränderungen dieses Kondensators durch die Schwingungen der Membran 15 werden auf bekannte Weise in Spannungsänderungen umgesetzt, die nach Verstärkung und Gleichrichtung mit einem geeigneten Instrument gemessen werden. Dieses Instrument zeigt dann direkt den Gehalt des Gasgemisches in der Röhre 7 an paramagnetischem Gas, besonders Sauerstoff, an.

Im vorstehenden war nur von einem einzigen Paar Polschuhen des permanenten Magneten 1 die Rede, das einen einzigen Luftspalt bildet, in welchen die Röhre 7 mit dem zu prüfenden Gasgemisch eingeführt wird.

Nach einer Durchführungsart, die besonders vorteilhaft scheint, versieht man jedoch den Magneten ι mit zwei Paar Polschuhen und bezeichnet das eine mit 2 und 3, das andere mit 2' und 3'. Die Anordnung dieser beiden Paare gegenüber dem Hauptkörper des Magneten 1 und der rotierenden Scheibe 4 ist dann derart, daß die magnetischen Wechselfelder in den Luftspalten zwischen den beiden Polschuhpaaren um i8o° phasenverschieden sind. Außerdem ordnet man die Röhre 7 zwischen den Eingangs- und Ausgangsenden so an, daß sie zwei symmetrische Arme 7 und 7' bildet, deren jeder durch einen der Luftspalte geht und mit einer als 10 bzw. 10' bezeichneten Heizanlage versehen ist. Jeder dieser Arme ist mit der Kapazität 14 verbunden, die in diesem Fall durch die Membran

15 in zwei Kammern geteilt wird, von denen je eine mit je einem Arm verbunden ist. Die Elektrode

16 in einer dieser Kammern ist von Kanälen i6_a durchzogen, damit Druckänderungen in dieser Kammer auf die entsprechende Seite der Membran 15 einwirken, können.

Wenn der Meßapparat wie beschrieben angeordnet wird, ist jeder der Arme 7 und 7' mit dem

Ausgang 12 durch Kapillarröhren I3_a und 13/ verbunden, um Wechselwirkungen der auf die beiden Seiten der Membran 15 wirkenden Drücke zu verhindern. Die Erregung der Membran 15 durch Druckänderungen mit der gleichen Amplitude und einer Phasenverschiebung von i8o°, so wie sie im beschriebenen Meßapparat stattfindet, hat den Vorteil, die Empfindlichkeit des Apparates zu verdoppeln. Außerdem bietet dieser Apparat den Vorteil einer symmetrischen Konstruktion.

Wenn man den Unterschied des Gehaltes zweier verschiedener Gasgemische an Sauerstoff oder einem anderen paramagnetischen Gas messen will, so kann man das mit einem Apparat erreichen, der gegenüber dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Apparat nur leicht verändert ist. Auch in diesem Fall muß der Apparat mit zwei Paar Polschuhen versehen werden. Durch die Luftspalte des ersten Polschuhpaares führt man eine Röhre mit dem einen zu prüfenden Gasgemisch. Durch die Spalte des zweiten Paares führt man eine Röhre mit dem anderen Gasgemisch. Jede Röhre ist seitlich der entsprechenden Spalte mit einer Heizvorrichtung versehen. In diesem Fall sind die beiden Röhren im Gegensatz zur Darstellung von Fig. 1 und 2 vollständig getrennt, jede hat ihren eigenen Eingang und Ausgang. Sie stehen allerdings, wie das in Fig. 2 für die beiden Arme 10 und io' dargestellt ist, mit zwei Kammern mit gemeinsamer Membran einer Kapazität in Verbindung. Außerdem richtet man es so ein, daß die magnetischen Wechselfelder zwischen den beiden Polschuhpaaren nicht phasenverschoben, sondern phasengleich sind. Dann erhält man, Schwingungen der Membran 15, deren Amplitude direkt den Unterschied an paramagnetischem Gasgehalt in den beiden Vergleichsgemischen anzeigt.

Welche Durchführungsweise auch gewählt wird, man erhält zur Messung des paramagnetischen Gasgehaltes eines -Gasgemisches stets Mittel, deren Wirkungsweise aus dem Gesagten klar hervorgeht und deren, Vorteile besonders in der Genauigkeit des Meßergebnisses und in der Empfindlichkeit der nach der Erfindung gebauten Apparate liegen.

Es versteht sich von selbst und geht aus dem Vorstehenden bereits hervor, daß die Erfindung sich _go keineswegs auf die Anwendungsweise noch auf die Durchführungsarten ihrer verschiedenen besonders ins Auge gefaßten Teile beschränkt. Die Erfindung umfaßt im Gegenteil alle Varianten, besonders jene, bei der das zu bestimmende paramagnetische Gas eines Gemisches nicht Sauerstoff, sondern Stickstoffoxyd ist, und jene, bei der die Membranmeßvorrichtung nicht, wie beschrieben, ein elektrostatisches Mikrophon, sondern ein elektromagnetisches Mikrophon darstellt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung des Gehaltes eines Gasgemisches an paramagnetischem Gas, insbesondere an Sauerstoff, bei dem das zu prüfende Gasgemisch örtlich erhitzt wird, um bei seinem paramagnetischen Bestandteil oder bei seinen paramagnetischen Bestandteilen einen Unterschied an magnetischer Empfindlichkeit no hervorzurufen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasgemisch mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes ungleichmäßiger Verteilung periodische Druckveränderungen erzeugt werden, deren Größe gemessen wird, wobei diese Druck-Veränderungen dem Gehalt des zu prüfenden Gasgemisches an paramagnetischem Gas entsprechen.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Röhre (7) mit dem zu prüfenden Gasgemisch in dem Luftspalt zwischen den Polschuhen (2 und 3) eines Magneten (r, 2, 3) mit wechselndem Kraftfluß befindet, und auf einer Seite des Luftspalts Mittel vorgesehen sind, um die Röhre örtlich zu erhitzen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnet ein permanenter Magnet (i, 2, 3) Verwendung findet, dessen Kraftfluß von einem beweglichen Teil bestimmt wird, der in das Kraftfeld des Magneten eingeschoben ist und vorzugsweise die Form einer rotierenden Scheibe hat, deren einer Teil aus magnetischem Metall, z. B. aus weichem Eisen, besteht, während der andere Teil dieser Scheibe aus unmagnetischem Stoff besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Polschuhe (2 und 3) des Magneten (1, 2, 3) kegelstumpfförmig ausgebildet sind.

ig

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das zu prüfende Gasgemisch enthaltende Röhre (7) an ihrem Eingang (11) und an ihrem Ausgang (12) mit Kapillarrohre« (13, i3„) versehen ist, welche die

unter dem Einfluß des magnetischen Wechselfeldes im Innern der Röhre hervorgerufenen Druckveränderungen an ihrem Austritt aus der Röhre hindern.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Innern der Röhre (7) hervorgerufenen Druckveränderungen auf eine Membran (15) einwirken, die eine der Elektroden eines Membrankondensators bildet, so daß die von den periodischen Druckveränderungen im Innern der Röhre (7) verursachten periodischen Schwingungen der Membran die entsprechenden Kapazitätsveränderungen des Kondensators bewirken.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnete oder ein Doppelmagnet (1, 2, 3 bzw. 1, 2', 3') vorgesehen sind, deren Kraftfluß um i8o° phasenverschoben ist und in jedem Luftspalt dieser beiden Magneten je eine Röhre (7 bzw. 7') mit einem zu prüfenden Gasgemisch angeordnet sind, wobei jede Röhre (7 bzw. 7') mit der anderen über das Innere einer Kapazität (14) unter Vermittlung einer Membran (15) in Verbindung steht, die vorzugsweise ein Teil eines Membrankondensators ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Röhren (7 und 7') einen gemeinsamen Eingang (11) und Ausgang (12) und eine zum Ein- und Ausgang symmetrische Form besitzen sowie unmittelbar am Ausgang jeder dieser Röhren eingefügte Kapillarröhren (i3_a, 13/) enthalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen