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Verfahren zur Unterdrüdkung des Einflusses der Gaseigensdiaften außer
der Suszeptibilität auf die Anzeige von thermomagnetischen Gasanalysegeräten
Bei
den therntnmagnetischen Gasanalysegeräten wird ein Heizkörper, dessen Temperatur
gemessen wird, in einem inhomogenen magnetischen Feld angeordnet. Durch die Überlagerung
des Temperaturfeldes und des inhomogenen magnetischen Feldes entsteht in Ahhängigkeit
von der Suszeptibilität des Gasgemisches der. sogenannte magnetische Wind, der den
Heizkörper abkühlt.
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Aus der Temperaturänderung kann auf den. Gehalt an solchen Gasen geschlossen
werden, die sich wesentlich in der Suszeptibilität von den anderen Komponenten.
des Gemisches unterscheiden Dieses Verfahren. findet besonders Anwendung bei der
Messung des Gehaltes an Sauerstoff in einem Gasgemisch, da sich. Sauerstoff von
fast allen anderen Gasen durch eine große paramagnetische Suszeptibilität auszeichnet.
Bei der praktischen Ausführung derartiger Geräte werden meist in einer Brückenschaltung
eingeschaltete Heizdrähte benutzt, ähnlich wie sie bei den sogenannten Wärmeleitfähigkeitsmessern,
die elienfalls der Gasanalyse dienen, üblich sind. Ebenso wie bei den Wärmeleitfähigkeitskammern
verwendet man Meß- und Vergleichskammern, in denen je in benachbarten Zweigen eingeschaltete
Drähte angeordnet sind. Bei den thermomagnetischen Geräten wird jedoch die Vergleichskammer
nicht mit einem Vergleichsgas, sondern auch mit dem Meßgas gefüllt. Die Vergleichskammer
erhält aber keine magnetische Erregung.
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Die Beeinflussung der Messung durch die magnetischen Eigenschaften
der meisten. übrigen Gase, außer Sauerstoff, tritt gegenüber dem Sauerstoff weitgehend
zurück, so daß das Gerät speX
zifisch auf Sauerstoff anspricht.
Jedoch ist die Anzeige trotzdem noch von der Zusammensetzung der Begleitgase abhängig,
weil sowohl die Abkühlwirkung des magnetischen Windes als auch die Übertemperatur
des Heizkörpers, deren Größe durch die Wärmeabgabe über das Gas infolge Wärmeleitung,
Konvektion und eventuell Wärmer strahlung ohne magnetischen Wind bedingt wird, von
verschiedenen. Eigenschaften, nämlich. von der Wärmeleitfähigkeit, spezifischen
Wärme, Dichte, Zähigkeit usw. des Gasgemisches und damit also von seiner Zusammensetzung
abhängen. Wenn man auch diese Einflüsse durch Beschicken der Meß- und Vergleichskammer
mit demselben Gas bis zu einem gewissen Grad ausschalten kann, so bleibt doch meist
noch ein merkbarer Einfluß bestehen. Für den Nullpunkt kann man diesen Einfluß der
Trägergase weitgehend beseitigen, indem man Meß- und Vergleichskammer thermisch
möglichst gleich macht. Dies erreicht man bei einer bekannten Anordnung z. B. dadurch,
daß in die Vergleichskammer ein verstellbarer Körper angebracht ist, der die Wärmeableitungsverhältnisse
in der Umgebung des Heizdrahtes der Vergleichs kammer so ändert, daß bei Abwesenheit
paramagnetischer Gase, d. h. am Nullpunkt, kein Einfluß der Gaszusammensetzung mehr
vorhanden ist.
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Diese Anordnung ist sehr einfach, hat jedoch den Nachteil, daß nur
der Nullpunkt gegen Veränderungen der Trägergaszusammensetzung stabilisiert ist.
Die Beeinflussung der Anzeige durch die Zusammensetzung des Trägergases. die z.
B. durch die Abhängigkeit der Ausgangstemperatur der Heizdrähte von der Wärmeableitung
durch das umgehende Gas gegeben ist, wird nicht beseitigt.
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Besonders schädlich ist herbei der Einfluß von Wasserstoff. Da Wasserstoff
eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit hat, wird bei seiner Anwesenheit die
Wärmeabfuhr durch das Gas infolge Wärmeleitung und Konvektion wesentlich größer
als bei den meisten anderen Gasen. Die damit verbundene Abkühlung des Heizdrahtes
hat eine Schwächung des magnetischen Windes und damit der Empfindlichkeit zur Folge.
Die hierdurch bei schwankendem Wasserstoffgehalt verursachten M'eßfehler sind oft
erheblich. Ähnliche Störungen können auch durch andere Gase, wenn auch in geringerem
Umfang. auftreten.
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Man hat daher schon vorgeschlagen, die Ausgangstemperatur der Heizdrähte
unabhängig von der Gaszusammensetzung auf einen konstanten Wert einzuregeln. Die
Empfindlichkeit ist dementsprechend dann auch weitgehend von der Gaszusammensetzung
unabhängig. Dieses Verfahren bedingt jedoch, daß die Temperatur des Heizdrahtes
in der Vergleichskammer laufend überwacht und durch den Überwachungsapparat der
Heizstrom entsprechend geregelt wird. Das hat zur Folge, daß weitere Apparate benötigt
werden, die die Anordnung kompliziert, kostspielig und störanfällig machen.
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Ein. anderer bekannter Vorschlag, um die Ausgangstemperatur des Heizkörpers
unabhängig von der Gaszusammensetzung zu machen, geht dahin, daß nicht ein im Gas
angeordneter Heizkörper zur Messung vorgesehen ist, sondern daß als Meßelement ein
Röhrchen dient, auf dem sich zwei getrennte Wicklungen, die in nebeneinander angeordneten.
Brückensweigen liegen, befinden. Die Heizwicklungen verlaufen im inhomogenen Teil
eines Magnetfeldes. Sie erzeugen bei Anwesenheit von Sauerstoff eine Strömung in
dem Meßröhrchen, die eine unterschiedliche Temperatur der Heizwicklungen und damit
einen Unterschied in ihren Widerständen. hervorruft. Bei fehlendem Magnetwind hat
sich die Übertemperatur der Heizwiddungen bei dieser Anordnung als unabhängig von
den übrigen Gaseigenschaften erwiesen. Lediglich die Wärmeleitfähigkeit spielte
eine gewisse, meist aber vernachlässigbar kleine Rolle. Bei dieser Anordnung muß
aber das Röhrchen immer waagerecht liegen. Auch ist die Anzeige wiederum abhängig
von der Zusammensetzung des Trägergases, da diese den Strömungswiderstand im Rohr
beeinflussen.
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Die Erfindung gibt eine allgemeine Lehre, welche. es gestattet, bei
jeder beliebigen Ausführungsform eines thermomagnetischen 5 auer stoffmessers die
Einflüsse der Gaseigenschaften auf die Übertemperatur der Heizwicklung zunächst
bei fehlendem magnetischem Wind. durch besondere Ausgestaltung jedoch auch bei Vorhandensein
von magnetischem Wind, also auch den Einfluß auf die Anzeige, weitgehend auszuschalten.
Nach der Erfindung wird die Wärmeableitung zum Kammeräußeren durch den Hei,-körper
selbst und seine Halterung so groß gegenüber der Wärmeabgabe über das Gas infolge
Wärmeleitung und natürlicher Konvektion, also bohne magnetischen Wind, gemacht,
daß Änderungen dieser Wärmeabgabe durch Änderung der Gaseigenschaften (Wärmeleitfähigkeit,
spezifische Wärme, Zähigkeit, Dichte usw.) nicht störend in Erscheinung treten.
Auf diese Weise wird erreicht. daß praktisch die Temperatur des Heizkörpers nur
noch durch den magnetischen Wind und die kann stante Wärmeableitung durch den Heizkörper
selbst und seine Halterung bestimmt wird Da die Wärmeabgabe durch den magnetischen,
Wind aus einer Differenzmessung bestimmt wird, ist sie trotz der sehr viel größeren
Wärrneableitung durch Heizkörper und seine Halterung immer noch gut meßbar. Eine
gewisse Herabsetzung der Empfindlichkeit muß allerdings in Kauf genommen werden;
dieser Nachteil wird aber durch die größere Meßgenauigkeit bei z. B. wechselndem
H2-Gehalt aufgehoben. Es ist möglich, das Gerät den jeweils gestellten Forderungen
anzupassen.
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Für die bisherigen Ausführungsformen; von thermomagnetischen Gasanalysegeräten
galt mit Rücksicht auf den hierdurch verursachten Empfindlichloeitsverlust der Grundsatz,
die Wärmeableitung durch. den Heizkörper selbst und seine Halterung möglichst klein
zu halten. Bei den meisten bekannten Geräten erreichte die durch die Halterung abgeführte
Wärmemenge höchstens
10 °/o der gesamten im Heizkörper erzeugten
Wärmemenge. Bei einem Gerät nach der Erfindung kann sie go ozon und mehr ausmachen
so daß vielleicht 10 O/o der Wärmemenge über das Gas. abgeführt werden.
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Wie schon oben erwähnt, wird aber nicht nur die Übertemperatur der
Meßdrähte, also die Temperatur ohne magnetischenl Wind durch die ?aseigenschaften
beeinflußt, sondern auch die thermische Wirksamkeit des magnetischen Windes.
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Auf diese wirken offensichtlich die Wärmeleitfähigkelit, die spezifische
Wärme, die Zähigkeit und die Dichte ebenfalls ein, aber in anderer Weise als bei
der Wärmeabgabe ohne magnetischen. Wind.
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Durch eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, diesen
Einfluß, insbesondere bei Wasserstoff, zu vermindern. Es wird hierzu der Wärmeableitung
durch den Heizkörper selbst und seine Halterung und damit dem Einfluß von Änderungen
der Gaseigenschaften auf die Wärmeabgabe ohne magnetischen Wind eine bestimmte Größe
gegeben, die so bemessen ist, daß Änderungen der Gaseigenschaften sich bei der Wärmeabgabe
über das Gas ohne magetischen Wind in möglichst gleicher Größe und umgekehrt wie
beim magnetischen Wind auswirken. Man kann dies bei verschiedenen Gasen, insbesondere
bei Wasserstoff, deshalb durchführen. weil die betreffenden Einflüsse in entgzegengesetzter
Richtung xvirken. Bei einem Stickstoff-Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch wird z. B.
bei Änderung des Was serstoffgehaltes die Wärmeabgabe ohne magnetischen Wind vor
allem durch die Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffes beeinflußt und die Wärmeabgabe
infolge des magnetischen Windes in höherem Maße auch. durch die anderen Gaseigenschaften.
und zwar laufen. beide Einflüsse entgegengesetzt, so daß man bei entsprechender
Bemessung erreichen kann, daß sie sich gegenseitig aufheben.
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Zur praktischen D(urch.führung wird zweckmäßig, um eine leichte Anpassung
des Gerätes an die jeweiligen Verhältnisse ermöglichen, zu können. die Wärmeableitung
durch den Heizkörper selbst und seine Halterung veränderlich gemacht.
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Man kann dies z. B. dadurch erreichen, daß nonan parallel zur Halterung
verschiebbare Verdickungen anordnet. Dieser Weg wird aber zumeist nicht ausreichen.
da der Heizkörper selbst eine zu geringe Wärmeleitung aufweist. Ein sehr zweckmäßiger
Weg ist es deshalb, daß man die Heizwicklung auf einem Röhrchen anbringt, in das
man eine Füllung verschiedener Wärmeleitfähigkeit anbringen kann, z. B. 5 intermetalle,
Metalloxyde usw. Hierbei ist es wiederum besonders vorteil haft, dieses Heizröhrchen
innerhalb eines weiteren Röhrchens anzuordnen, mit dem es z.B. verschmelzen werden
kann. Ein solcher Heizkörper ist in der Abbildung dargestellt. Das innere Röhrchen,
vorzugsweise aus Glas, ist mit I bezeichnet, 2 ist der Heizdraht, der an der Außenwandung
des Röhrchens anliegt oder mit dieser verschmolzen ist. Das Röhrchen I kann leicht
mit Substanzen 4 verschiedener Wärmeleitfähigkeit gefüllt werden. Diese Anordnung
befindet sich innerhalb eines Röhrchens 3 (z. B. Glasrohr oder auch Verglasung bzw.
Emaillierung), dessen Wandstärke je nach den Erfordernissen im Sinne der Erfindung
gewählt werden kann.