Gaskonzentration

Auszüge des Handbüchleins "Elektrische und wärmetechnische Messungen" der Firma Hartmann & Braun AG Frankfurt/Main, 2. Auflage, 1941 (H&B Druckschrift 481a / 20.000 / 6.41). Entsprechend UrhG §66 ist die Schutzfrist inzwischen abgelaufen (Stand von 2012), der Inhalt ist daher gemeinfrei. Das gescannte Büchlein findet sich im Abschnitt Schrifttum als PDF Datei.

Bei der rein chemischen Analyse von Gasgemischen wird jeweils in größeren Zeitabständen ein Meßwert erzielt. Im Gegensatz dazu ermöglichen die elektrischen Gaskonzentrationsmesser fortlaufende Anzeige und Registrierung, in vielen Fällen auch Betätigung von Alarmsignalen oder Reglern. Da diese Geräte ohne merkliche Verzögerung und außerdem selbsttätig und praktisch wartungsfrei arbeiten, haben sie für die gasverarbeitende, chemische und verwandte Industrie große Bedeutung gewonnen.
Für die Messung wird die Wärmeleitfähigkeits-Methode verwendet. Wird ein Edelmetall-Draht von einem konstanten Strom durchflossen und dadurch erwärmt, so erhöht sich sein elektrischer Widerstand entsprechend seiner Temperaturzunahme. Die Temperaturerhöhung hängt ferner davon ab, in welchem Maße das den Draht umspülende Gas die Wärme ableitet. So ist z. B. die Wärmeleitfähigkeit von Luft besser als von Kohlensäure (CO2). Ein von einer bestimmten Stromstärke durchflossener Draht wird also in CO2 eine höhere Temperatur annehmen und eine höhere Widerstandszunahme aufweisen als in reiner Luft, d. h. die Widerstandszunahme ist ein Maß für den CO2-Gehalt des Gases.

In der praktischen Ausführung sind in einem Metallklotz vier Drähte ausgespannt, durch die der gleiche konstante Strom fließt (Bild 27). Zwei Drähte sind vom Meßgas und zwei von reiner Luft umspült.

Die vier Drähte werden zu einer Wheatstone-Brücke geschaltet (Bild 28); jede Differenz in der Wärmeleitfähigkeit der Luft und des Meßgases wirkt sich in einer Widerstandsdifferenz zwischen den Drahtpaaren aus. Diese wird mit einem Drehspulgerät gemessen, das unmittelbar in Prozent Meßgas geeicht ist. Das Drehspulgerät kann als Anzeige-, Registrier- oder Regelgerät ausgebildet werden.

Die Anzeigegeräte haben die bei elektrischen Geräten üblichen Formen.
Die Registrierung erfolgt gewöhnlich durch Punktschreiber; die von diesen in gleichmäßigen Zeitabständen aufgezeichneten Punkte reihen sich fast lückenlos zu einer Kurve aneinander. Die gleichzeitige Registrierung mehrerer Meßwerte erfolgt zweckmäßig durch Mehrfarben-Punktschreiber, die sich selbsttätig auf die einzelnen Meßstellen umschalten.
Anzeige- und Schreibgeräte können Kontakte für Signalgebung bei Über- oder Unterschreitung bestimmter Konzentrationswerte erhalten.
Die Regelung erfolgt durch „Fallbügelregler“, die mit kräftigen Quecksilber- Kippröhren zur direkten Steuerung von motorgetriebenen Schiebern oder Ventilen ausgerüstet sind. Aufbau und Arbeitsweise der Fallbügelregler siehe Fallbügelregler .
Voraussetzung für genaue Meßergebnisse ist, daß der die Meßdrähte durchfließende Strom stets konstant ist. Das setzt eine Stromquelle mit konstanter Spannung voraus. Als solche kann ein Sammler verwendet werden, wobei jedoch der Strom von Zeit zu Zeit nachzuregeln ist. Zweckmäßiger ist jedoch ein Konstant-Transformator, der an das Wechselstromnetz angeschlossen wird. Durch eine besondere Kunstschaltung werden Spannungsschwankungen des Netzes bis etwa 15% ausgeglichen, so daß die mit Hilfe eines Trockengleichrichters erzeugte Gleichspannung praktisch konstant bleibt.
Das Anzeige-, Schreib- oder Regelgerät kann in praktisch beliebiger Entfernung von der Entnahmestelle angebracht werden. Die Geräte können also zusammen mit anderen Fernmeßgeräten (z. B. für Temperatur, Druck, Menge) und den Steuer- und Schaltgeräten auf einer gemeinsamen Tafel angeordnet werden, so daß jederzeit übersichtliche und bequeme Überwachung und Beeinflussung aller wichtiger Vorgänge von einer Stelle aus möglich ist.
Im allgemeinen wird ein Gaskonzentrationsmesser nur für ein bestimmtes Meßgas geeicht. Als Vergleichsgas wird in den meisten Fällen atmosphärische Luft verwendet. Weicht aber die Wärmeleitfähigkeit des Meßgases sehr stark von der der Luft ab, so wird an deren Stelle ein anderes Vergleichsgas gewählt, das etwa die Wärmeleitfähigkeit des Meßgases besitzt. In diesem Fall erhält die Meßkammer zwei weitere Zuleitungen für das Vergleichsgas. Es kann aber auch ein Vergleichsgas bestimmter Zusammensetzung vollkommen dicht in der Vergleichskammer abgeschlossen werden; dieses wird in eine Glaspatrone, die auch den Meßdraht enthält, gasdicht eingeschmolzen. Diese Anordnung ist stets dann zu bevorzugen, wenn ein Vergleichsgas konstanter Zusammensetzung nicht oder nur in unzureichender Menge zur Verfügung steht. Auf diese Art läßt sich dann jeder Meßbereich mit höchster Genauigkeit erfassen.

Anwendungsgebiete der elektrischen Gaskonzentrationsmesser

Die Bestimmung erstreckt sich auf anorganische und organische Gase. Ebenso kann die Einrichtung als Gasspurprüfer bei explosiblen oder giftigen Gasen verwendet werden. Eine wichtige Aufgabe ist die Bestimmung der Konzentration von Vergasungsmitteln bei der Durchgasung von Getreide in Silos zur Vernichtung von Schädlingen, insbesondere des zählebigen Kornkäfers. Da das hier verwendete Cartox bzw. Areginal je nach dem Wassergehalt der Körner verschieden stark absorbiert wird, ist unterschiedliche Dosierung erforderlich, um die gewünschte Konzentration im Gas-Luftgemisch zu erreichen. Ähnlich sind die Verhältnisse bei der Durchgasung von Tabak, Baumwolle usw. Eine zuverlässige Kontrolle des Begasungsvorganges ist also notwendig, um einerseits den Erfolg nicht durch ungenügende Dosierung in Frage zu stellen und andererseits eine Überdosierung und damit Verluste zu vermeiden.
Nachweis anorganischer Gase:
CO2 in Kalzinieröfen, bei Saturationsprozessen, in Gärgasen, Schutzgasen, Kohlensäurequellen, Obstlagern usw.
SO2 in Röstgasen für die Schwefelsäure-Fabrikation, für die Sulfitlaugenbereitung in der Papier-, Zellstoff-, Bleich- und Zuckerindustrie.
H2 in Luft oder sonstigen Gasen (Gasspurprüfung).
H2-Verunreinigungen bei Benzin-, NH3- und sonstigen Synthesen.
NH3 bei der Salpetersäure-Fabrikation usw.
02 in H2, 02 in N2, N2 in O2, Cl2 in Luft, 03 in Luft, usw.
Organische Gase
Lösungsmitteldämpfe, Aceton-, Benzin-, Benzol-, Alkoholdämpfe in der Kunstseide-, Zellulose- und Filmfabrikation, in Destillations-, Extraktions und Absorptionsanlagen, sowie als Spurenprüfer in der atmosphärischen Luft zur Vermeidung von Explosionen und Vergiftungen.
Vergasungsmittel
Areginal, Cartox, Äthylen-Oxyd, Blausäure bei der Durchgasung von Getreide, Tabak, Baumwolle usw. (Schädlingsbekämpfung), zur Einstellung der Mindestkonzentration zur Vermeidung von Explosionen und Vergiftungen.
Besonders ausgedehnte Verwendung finden die elektrischen Gaskonzentrationsmesser bei der Dampfkesselüberwachung als

Rauchgasprüfer

Die Rauchgase enthalten CO2 (Kohlensäure) und CO + H2 (Kohlenoxyd und Wasserstoff). Der CO2-Gehalt ist ein Maß für den vorhandenen Luftüberschuß einer Feuerung, CO + H2 stellen den Anteil an unverbrannten Gasen, also Wärme Verluste dar. Die Wirtschaftlichkeit einer Feuerung ist dann am größten, wenn im Rauchgas möglichst viel CO2 und möglichst wenig CO + H2 enthalten sind, d. h. wenn mit geringstem Luftüberschuß eine möglichst vollkommene Verbrennung erzielt wird. Die größte Wirtschaftlichkeit und damit erhebliche Einsparungen an Feuerungsmaterial lassen sich nur durch eine fortlaufende Überwachung erzielen. Die Anzeigegeräte werden deshalb unmittelbar am Kessel gut sichtbar für die Heizer eingebaut.
Die CO2-Messung wird nach der oben beschriebenen Wärmeleitfähigkeits-Methode vorgenommen und der CO2-Gehalt am Drehspulgerät unmittelbar abgelesen.

Die Messung von CO + H2 erfolgt nach einem ähnlichen Verfahren. CO + H2 werden durch einen elektrisch vorbeheizten Meßdraht katalytisch verbrannt (Bild 29).
Dadurch steigt die Temperatur und der Widerstand Blld 29 des Meßdrahtes. Ähnlich wie bei dem CO2-Messer ist auch hier der Meßdraht mit einem von Luft umspülten Vergleichsdraht und dem Drehspulgerät in Brückenschaltung verbunden, so daß die Widerstandserhöhung des Meßdrahtes als Prozent CO + H2 abgelesen werden kann.
Tritt im Rauchgas reichlich Wasserstoff auf, so ist eine Wasserstoff-Verbrennungskammer zu verwenden, die den Wasserstoff vor Eintritt des Rauchgases in die C02-Meßkammer katalytisch verbrennt. Die Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffes weicht nämlich stark von der des COa ab und würde so die Messung fälschen.
Enthält das Feuerungsmaterial Schwefel oder sonstige aggressive Bestandteile, so wird das Gas vor Eintritt in den Geber gewaschen. Eine Fallrohrpumpe saugt das Rauchgas unabhängig vom Gegenzug in konstantem Strom an, wäscht mechanische Verunreinigungen und S02 aus und führt das Kondenswasser aus der Gasentnahmeleitung sowie der H2-Verbrennungskammer ab.

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