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Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasgemischen
Es
ist bekannt, die Zusammensetzung von Gasgemischen zu bestimmen, indem man die durch
ein elektrisches Feld bewirkte Veränderung der Wärmeabfuhr eines in dem Gasgemisch
befindlichen erhitzten Körpers mißt. Man hat zu diesem Zweck bislang eine Vorrichtung
verwendet, in der ein Heizdraht innerhalb des zu bestimmenden Gases einer zweckmäßig
koaxial angeordneten metallischen Wand gegenübersteht. Der Heizdraht wird durch
einen elektrischen Strom erhitzt. Seine Temperatur kann bei Verwendung eines Heizdrahtes
aus einem Material, dessen elektrischer Widerstand stark temperaturabhängig ist,
durch Messung des elektrischen Widerstandes mit Hilfe einer Wheatstoneschen Brücke
in einfacher Weise bestimmt werden. Wird dann zwischen dem Heizdraht und der Gefäßwand
eine elektrische Spannung in der Größenordnung von einigen tausend Volt angelegt,
so verändert sich die Wärmeabfuhr und damit bei gleichbleibender Heizung die Temperatur
des Heizdrahtes. Man kann auf diese Weise den Gehalt von Gasgemischen an Gasen bestimmen,
die entweder einen Dipol besitzen oder aber polarisierbar sind, wie z. B. Chlormethyl,
Blausäure, Chlorwasserstoff, Schwefeldioxyd, Wasserdampf, Acetylen usw. Voraussetzung
ist nur, daß die anderen Bestandteile des Gasgemisches keinen Dipol besitzen und
auch nicht merklich polarisier-
bar sind. Zu letzterer Gruppe von
Gasen gehören z. B. Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff usw. Ein Nachteil der bekannten
Vorrichtung ist jedoch darin zu sehen, daß die Wärmeabfuhr und damit die Temperaturänderungen
des Heizdrahtes nicht nur von dem Gehalt der Gasmischung an einen Dipol besitzenden
bzw. polarisierbaren Gasen, sondern auch von dem Wärmeleitvermögen der Gasmischung
abhängt, so daß eine Anderung der Zusammensetzung des Anteils der Gasmischung an
dipolfreien oder nicht polarisierbaren Bestandteilen das Meßergebnis stark beeinflußt.
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Man hat diesen EinfluB durch eine Differenzmessung zu beseitigen
versucht, indem man nur in einer von zwei sonst gleichen Vorrichtungen eine elektrische
Spannung anlegt und dann den Unterschied der Heizdrahttemperatur bestimmt. Diese
Maßnahme kann jedoch noch nicht befriedigen, weil sich bei einer Änderung der Wärmeleitfähigkeit
des Anteils der Gasmischung an dipolfreien oder nicht polarisierbaren Bestandteilen
die Temperaturen der Heizdrähte so weit ändern, daß die Meßgenauigkeit darunter
stark leidet.
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Es ist weiterhin bekannt, zur Messung von Gasströmungen usw. sogenannte
Hitzdrahtströmungsmesser zu verwenden, bei denen auf einem dünnwandigen, gegen Wärme
und elektrischen Strom isolierenden Meßrohr zwei symmetrisch angeordnete Heizdrahtwicklungen
aus einem Material angeordnet sind, dessen elektrischer Widerstand sich mit der
Temperatur stark ändert. Man mißt dabei den durch das strömende Gas bewirkten Temperaturunterschied
der beiden Heizdrahtwicklungen, indem man letztere als nebeneinanderliegende Zweige
in eine Wheatstonesche Brücke schaltet. Derartige Hitzdrahtströmungsmesser lassen
sich für die Bestimmung von paramagnetischen Bestandteilen in Gasen verwenden, indem
man das Meßrohr in ein Magnetfeld bringt, da die Stärke der durch das Magnetfeld
hervorgerufenen Gasströmung von dem Gehalt des Gases an paramagnetischen Bestandteilen
abhängt.
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Es wurde nun gefunden, daß man die Zusammensetzung von Gasgemischen
durch Messung der durch ein elektrisches Feld bewirkten Veränderung der Wärmeabfuhr
eines mit dem Gasgemisch in Berührung stehenden erhitzten Körpers vorteilhafter
bestimmen kann, wenn man als Vorrichtung ein Meßrohr verwendet, das außen auf seiner
Wandung zwei symmetrische Heizdrahtwicklungen trägt und im Innern, vorteilhaft koaxial,
nur einer der Heizwicklungen gegenüberstehend, eine Elektrode besitzt.
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Das Meßrohr besteht zweckmäßig aus einem dünnwandigen Material, vorzugsweise
Glas. Zweckmäßig ordnet man das Meßrohr als Querverbindung einer Ringkammer an.
Für die Heizdrahtwicklungen verwendet man ein Material, dessen elektrischer Widerstand
stark temperaturabhängig ist, wie z. B. Platin oder Nickel. Im Interesse eines guten
Wärmeüberganges zwischen Heizdrahtwicklung und Meßrohrwandung ist es vorteilhaft,
den Heizdraht als Band auszubilden. Die beiden symmetrischen Heizdrahtwicklungen
tragen außen zweckmäßig eine Wärmeisolierschicht. Als im Innern des Meßrohres angeordnete
Elektrode kann man in einfachsten Fall einen Metalldraht oder -stab verwenden, der
in Richtung der Meßrohrachse so weit in das Meßrohr hineinragt, daß er nur einer
der beiden Heizwicklungen gegenübersteht. Um jedoch in der gesamten Länge des Meßrohres
in etwa gleiche Strömungs- und Wärmeverhältuisse zu erreichen, wird man zweckmäßiger
als Elektrode einen durch die gesamte Länge des Meßrohres hindurchreichenden prismatischen
Körper aus einem elektrisch nicht leitenden Material verwenden, der nur gegenüber
einer der beiden Heizdrahtwicklungen bzw. nur auf einem Ende und bis zur Grenze
zwischen . den beiden Heizdrahtwicklungen reichend, eine elektrisch leitende als
Elektrode dienende Schicht trägt. Man kann z. B. ein Glasrohr wählen, in dessen
Innerem eine metallische Elektrode eingeführt ist. Man kann auch einen Stab oder
ein Rohr aus einem elektrisch nicht leitenden Material außen oder innen in bekannter
Weise an den erforderlichen Stellen mit einem elektrisch leitenden Überzug versehen.
Der Querschnitt der Elektrode braucht nicht unbedingt zylindrisch zu sein. Ebenso
ist es nicht unbedingt erforderlich, die Elektrode genau zentrisch im Meßrohr anzuordnen.
Die Dicke der Elektrode kann vom dünnen Draht bis zu einem den Querschnitt des Meßrohres
weitgehend ausfüllenden Prisma verändert werden.
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An die Elektrode wird eine Spannung, zweckmäßig zwischen IOOO und
500 Volt, angelegt. Man kann sowohl eine Gleichspannung als auch eine Wechselspannung
verwenden. Als Gegenelektrode verwendet man zweckmäßig die beiden Heizdrahtwicklungen.
Dabei wird ein Punkt der Heizwicklung zweckmäßig mit Ringkammer und Erde leitend
verbunden. Es kann vorteilhaft sein, auf das Meßrohr innen oder außen als Gegenelektrode
eine metallische Schicht aufzubringen.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, Elektrode und Gegenelektrode
als zwei sich im Innern des Meßrohres gegenüberstehende elektrisch leitende Flächen
auszubilden.
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Nachstehend wird die in der Abbildung dargestellte Ausführungsform
der Vorrichtung näher beschrieben, ohne daß damit der Gegenstand der vorliegenden
Erfindung eingeschränkt werden soll.
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Das Meßrohr I ist als eine aus dünnwandigem Glas bestehende Querverbindung
der Ringkammer 6 ausgebildet. Außen auf der Wandung des Meßrohres I sind die beiden
symmetrischen Heizdrahtwicklungen 2 und 3 angebracht, die von einer Wärmeisolierschicht
IO umgeben sind. Die aus einem dünnen Draht bestehende Elektrode 7 wird isoliert
durch die metallische Ringkammer 6 von der einen Seite koaxial in das Meßrohr eingeführt
und ragt so weit hinein, daß sie nur der Heizdrahtwicklung 3, jedoch nicht der Heizdrahtwicklung
2 gegenübersteht. Als Gegenelektrode dienen die Heizdrahtwicklungen 2 und 3, die
mit der metallischen Ringkammer 6 und der Erde leitend ver-
hunden
sind. Die Elektrode 7 und die Gegenelektrode sind mit der Spannungsquelle 8 verbunden.
Die Stromquelle g dient zum Erhitzen der Heizdrahtwicklungen 2 und 3, die zusammen
mit den Festwiderständen 4 und 5 und dem Galvanometer II eine Wheatstonesche Brücke
bilden.
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Wenn man durch die Ringkammer 6 ein Gasgemisch leitet, dessen eine
Komponente einen Dipol besitzt oder polarisierbar ist, und dann die symmetrischen
Heizdrahtwicklungen 2 und 3 mittels eines Stromes aus der Stromquelle 9 erhitzt,
während man zwischen der Elektrode 7 und der Gegenelektrode eine elektrische Spannung
aus der Spannungsquelle 8 anlegt, so wird die Wärmeabfuhr aus der Heizdrahtwicklung
3 erhöht, während sich die Wärmeabfuhr aus der Heizdrahtwicklung 2 verringert, da
sich unter der Einwirkung des elektrischen Feldes auf das Gasgemisch im Meßrohr
eine Gasströmung ausbildet.
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Die dadurch bewirkten Temperaturänderungen der Heizdrahtwicklungen
werden in der Wheatstoneschen Brücke als Widerstandsänderungen gemessen.
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Der Galvanometerausschlag bzw. die Änderung des Galvanometerausschlages
kann direkt als Maß für den Gehalt des Gasgemisches an einer einen Dipol besitzenden
oder polarisierbaren Komponente verwendet werden.
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Die beschriebene Vorrichtung macht es möglich, sich der für Messungen
von Gasen im magnetischen Feld bekannten Vorteile des Hitzdrahtströmungsmessers
auch bei Messungen von Gasen im elektrischen Feld zu bedienen. Durch die Anordnung
der beiden Heizdrahtwicklungen außen auf dem Meßrohr wird erreicht, daß der größte
Teil der zugeführten Energie nach außen abgeleitet wird, während nur ein kleiner
Teil in der Größenordnung von wenigen Prozenten der insgesamt zugeführten Energie
in das zu messende Gas gelangt. Dadurch ändert sich die Temperatur der beiden symmetrischen
Heizdrahtwicklungen auch bei einer wesentlichen Veränderung der dipolfreien bzw.
nicht polarisierbaren Anteile des Gasgemisches in bezug auf Wärmeleitvermögen nur
so wenig, daß es im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen immer möglich ist,
eine merkliche Änderung der Empfindlichkeit der Messung durch Wechsel der Gaszusammensetzung
auszuschließen.