DE10010914C1

DE10010914C1 - Magnetomechanical gas analyzer, in particular paramagnetic oxygen analyzer

Info

Publication number: DE10010914C1
Application number: DE2000110914
Authority: DE
Inventors: Walter Fabinski; Fritz Goetz; Hans-Joachim Lilienhof
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1998-09-12
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2001-10-11
Anticipated expiration: 2020-03-07
Also published as: DE19841723A1; DE19841723C2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetomechanischen Gasanalysator, insbesondere paramagnetischer Sauerstoffanalysator mit einer in dem Wirkbereich eines inhomogenen magnetischen Feldes drehbar aufgehängten Hantel, welche von Meßgas umspült wird, wobei die Hantel drehfest mit einem Spiegel zur Ablenkung eines Lichtstrahles verbunden ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Um bei einem magnetomechanischen Gasanalysator Schwingungen aller Art, die einen negativen Einfluß auf die Ruhe im Abgleichpunkt haben, zu dämpfen und die Nachweisgrenze und die Geschwindigkeit der Messungen zu erhöhen, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Wirbelstromdämpfung innerhalb des Hantelkörpers (1) ein metallisches, elektrisch leitendes Blech (3, 4) integriert angeordnet ist, welches nach Verschluß des Hantelkörpers nach außen gasdicht eingeschlossen ist.The invention relates to a magnetomechanical gas analyzer, in particular paramagnetic oxygen analyzer with a dumbbell which is rotatably suspended in the effective range of an inhomogeneous magnetic field and which is surrounded by measuring gas, the dumbbell being connected in a rotationally fixed manner to a mirror for deflecting a light beam, according to the preamble of patent claim 1. In a magnetomechanical gas analyzer to dampen vibrations of all kinds, which have a negative influence on the rest at the calibration point and to increase the detection limit and the speed of the measurements, it is proposed according to the invention that a metallic, electrically conductive for the eddy current damping within the dumbbell body (1) Sheet (3, 4) is arranged integrated, which is sealed gas-tight to the outside after the dumbbell body has been closed.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetomechanischen Gasanalysator, insbesondere paramagnetischer Sauerstoffanalysator, als Zusatz zum Patent DE 198 41 723 mit einer in dem Wirkbereich eines inhomogenen magnetischen Feldes drehbar aufgehängten Hantel, welche von Meßgas umspült wird, wobei die Hantel drehfest mit einem Spiegel zur Ablenkung des Lichtstrahles verbunden und das auf den Bereich um den Hantelköprer wirkende Magnetfeld inhomogen ist, wobei mindestens zwei weitestgehend senkrecht zueinander stehende elekrisch leitende Flächensegmente als Wirbelstrombremse wirkende Flächen auf der Hantel oder im mechanischen Eingriff auf die Hantel und im Wirkbereich des inhomogenen magnetischen Feldes angeordnet sind.The invention relates to a magnetomechanical gas analyzer, in particular paramagnetic oxygen analyzer, as an addition to patent DE 198 41 723 one rotatable in the effective range of an inhomogeneous magnetic field suspended dumbbell, which is surrounded by measuring gas, the dumbbell rotatably with a mirror for deflecting the light beam connected to the area around the dumbbell body magnetic field is inhomogeneous, at least two as far as possible perpendicular to each other electrically conductive surface segments as Eddy current brake acting surfaces on the barbell or in mechanical intervention arranged on the dumbbell and in the effective range of the inhomogeneous magnetic field are.

Sauerstoffanalysatoren dieser Art nutzen die paramagnetische Eigenschaft des Sauerstoffes aus, die eine Ablenkung des paramagnetischen Sauerstoffes im inhomogenen Feld im Effekt ausnutzen.Oxygen analyzers of this type use the paramagnetic property of Oxygen off, which is a deflection of the paramagnetic oxygen in the exploit inhomogeneous field in the effect.

Bei bekannten Anordnungen dieser Art wird eine diamagnetische Hantel drehbar an einem Spannband in einem inhomogenen Feld aufgehängt. Bei Anwesenheit von Sauerstoff wird der Hantelkörper aus dem Magnetfeld herausgedrängt. Mit Hilfe einer Kompensationspule wird die Hantel wieder in ihre Ausgangslage zurückgedreht. Der dazu benötigte Strom ist ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im umströmenden Meßgas. Die Drehung bzw die Rückdrehung wird dabei durch ein Lichtstrahl-Spiegelsystem sichtbar bzw erfassbar gemacht.In known arrangements of this type, a diamagnetic dumbbell is rotatable suspended from a strap in an inhomogeneous field. In the presence of oxygen, the dumbbell body is removed from the magnetic field pushed out. With the help of a compensation coil, the barbell is put back into yours Starting position turned back. The current required for this is a measure of that Oxygen concentration in the sample gas flowing around. The rotation or the Reverse rotation is visible or detectable by a light beam mirror system made.

Die begrenzenden Faktoren für die Leistungsfähigkeit dieses Meßverfahrens sind die Nachweisgrenze und die Schnelligkeit der Messung. Der kleinste dabei mögliche erfassbare bzw auflösbare Meßbereich wird physisch durch die Unruhe der Hantel im Abgleichpunkt vorgegeben.The limiting factors for the performance of this measurement method are Detection limit and the speed of the measurement. The smallest possible detectable or resolvable measuring range is physically caused by the restlessness of the barbell in the Adjustment point specified.

Dabei hängt die Schnelligkeit der Messung im wesentlichen davon ab, den besagten Abgleichpunkt auch schnell zu finden.The speed of the measurement essentially depends on the said one Finding the matching point quickly.

Bei Analysatoren der bekannten Art, wie bspw. in der DE 23 39 960, in welcher ein solcher Gasdetektor dargestellt ist, ist auf dem Hantelkörper in der Ebene flächige breite Leiterbahnen vorgesehen, wobei diese Bereiche unter dem Einfluß des Magnetfeldes als Wirbelstrombremse wirken. Aus der WO 98/12553 ist eine magnetische Sauerstoffmesseinrichtung bekannt, die bereits in vorteilhafter Weise einen silizium-mikromechanisch hergestellten Hantelkörper aufweist. Es sind jedoch keine expliziten Mittel zur Schwingungsdämpfung angegeben.In analyzers of the known type, such as in DE 23 39 960, in which a such gas detector is shown, is flat on the dumbbell body in the plane wide conductor tracks are provided, these areas under the influence of Magnetic field act as an eddy current brake. WO 98/12553 is a known magnetic oxygen measuring device, which is already advantageous has a silicon micromechanically produced dumbbell body. However, there are no explicit means of vibration damping specified.

Dadurch werden Drehschwingungen um diese Ebene gedämpft.This dampens torsional vibrations around this level.

Es liegen aber durch Erschütterungen oder Vibrationen, die an dem Gerät angreifen, Schwingungen auch in übrigen Ebenen vor. Dabei ist es grundlegend zu erkennen, daß Vibrationsschwingungen die auch an der Hantel angreifen, und die besagte Unruhe um den Abgleichpunkt hervorrufen, eine Summe von linear unabhängigen Einzelschwingungen sind, die mathematisch aus orthogonalen Schwingungsanteilen bestehen. Dies wiederum heißt, daß eine Dämpfung lediglich in einer Schwingungsebene keine Dämpfungswirkung eines Schwingungsanteiles in einer entsprechend dazu orthogonalen Ebene bewirken kann.However, due to shocks or vibrations that attack the device, Vibrations also in other levels. It is fundamental to recognize that vibrational vibrations also attack the barbell, and the said Unrest around the matching point, a sum of linearly independent Individual vibrations are the mathematically from orthogonal vibration components consist. This in turn means that a damping only in one Vibration level no damping effect of a vibration component in one corresponding to the orthogonal plane.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Schwingungen aller Art die einen negativen Einfluß auf die Ruhe im Abgleichpunkt haben zu dämpfen, und die Nachweisgrenze und die Geschwindigkeit der Messung zu erhöhen.Proceeding from this, the invention is based on the object of vibrations of all kinds which have a negative influence on the rest at the adjustment point, and to increase the detection limit and the speed of the measurement.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Gasanalysator der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.The task is performed in a gas analyzer of the generic type According to the invention by the characterizing features of claim 1 solved.

Kern dieser Erfindung ist die Verwendung einer Wirbelstrombremse zur Beruhigung bzw gedämpften Bewegung der Hantel, wobei ein elektrisch leitendes Blech hermetisch abgeschlossen im Hantelkörper integriert ist. The essence of this invention is the use of an eddy current brake for calming or damped movement of the barbell, with an electrically conductive sheet hermetically is integrated in the dumbbell body.

In weiterer Ausgestaltung ist angegeben, daß das Blech winkelförmig in den Hantelkörper eingebracht ist, daß die Schenkel des Bleches die Magnetfeldlinien in zwei Ebenen schneiden.In a further embodiment it is indicated that the sheet is angular in the Dumbbell body is inserted that the legs of the sheet in the magnetic field lines intersect two levels.

Dabei liegt die Erkenntnis zugrunde, daß orthogonale Schwingungsebenen mathematisch und physikalisch unabhängig voneinander sind, so daß eine Dämpfung in einer Ebene keine Dämpfungsankopplung an eine der anderen Schwingungsebenen liefert. Zu diesem Zweck sind mindestens 2 winklig stehende elektrisch leitende Flächensegmente zur Wirbelstromdämpfung auf der Hantel, oder im mechanischen Eingriff auf die Hantel und im Wirkbereich des inhomogenen Feldes angeordnet. Das vorhandene inhomogene Magnetfeld weist dabei Feldanteile in quasi allen Richtungen auf. Dies hat wiederum zur Folge, daß auch ein magnetischer Eingriff auf die verschiedenen Ebenen bzw die in verschiedenen Ebenen liegenden Wirbelstromflächen erfolgt. D. h. es wird auch hierbei lediglich eine Magnetfeldanordnung benötigt.It is based on the knowledge that orthogonal vibration levels are mathematically and physically independent of each other, so that damping No damping coupling to one of the other vibration levels in one plane supplies. For this purpose, there are at least 2 electrically conductive angles Surface segments for eddy current damping on the barbell or in the mechanical Intervention on the dumbbell and arranged in the effective area of the inhomogeneous field. The existing inhomogeneous magnetic field shows field components in almost all directions on. This in turn has the consequence that magnetic interference on the different levels or those in different levels Eddy current areas occur. That is, it will also be just one Magnetic field arrangement required.

Dadurch erfolgt eine wirksame Wirbelstrominduktion resultierend aus Schwingungen mindestens zweier Raumebenen. D. h. daß eine erheblich wirksamere Bedämpfung im Bereich des besagten Abgleichpunktes möglich ist.This results in an effective eddy current induction resulting from vibrations at least two room levels. That is, that a much more effective damping in Range of said adjustment point is possible.

In weiterer Ausgestaltung ist angegeben, daß das Blech aus Platin besteht. Dieses Material vereinigt die Vorteile einer guten Leitfähigkeit mit denen einer auch chemisch resistenten dauerhaften Oberfläche.In a further embodiment it is stated that the sheet consists of platinum. This Material combines the advantages of good conductivity with those of a chemical one resistant durable surface.

In vorteilhafter Weise ist in einer Ausgestaltungsform angegeben, daß der Hantelkörper zwei Kammern enthält, und in jeder Kammer ein entsprechendes Winkelblech angeordnet ist.In an embodiment, it is advantageously stated that the Dumbbell body contains two chambers, and a corresponding one in each chamber Angle plate is arranged.

Dadurch entstehen bei der Wirbelstromdämpfung symmetrische Drehmomente, und somit eine gut austarierte Bedämpfung.This creates symmetrical torques during eddy current damping, and thus a well balanced damping.

In letzter vorteilhafter Ausgestaltung besteht der Hantelkörper aus Glas, wodurch er besonders einfach zu fertigen ist.In the last advantageous embodiment, the dumbbell body is made of glass, whereby it is particularly easy to manufacture.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben. The invention is illustrated in the drawing and described in more detail below.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1: erfindungsgemäßer Hantelkörper mit integrierten Winkelblechen in Seitenansicht. Fig. 1: dumbbell body according to the invention with integrated angle plates in side view.

Fig. 2: erfindungsgemäßer Hantelkörper mit Winkelblech in gedrehter Seitenansicht bezüglich der Darstellung zu Fig. 1. Fig. 2: according to the invention dumbbell body with angled plate in a rotated side view with respect to the view of FIG. 1.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Hantelkörper in Seitenansicht. Der Hantelkörper 1 besteht dabei aus Glas. Innerhalb des Hantelkörpers 1 sind zwei Kammern 10 und 11 angeordnet, in denen wiederum die Winkelbleche 3 und 4 angeordnet sind. Die Kammern sind dabei entweder mit Stickstoff oder mit Inertgas gefüllt. Das eigentliche Messgas umspült die Hantel von außen. Bei der Messung bspw. von Sauerstoff, der paramagnetisch ist, wird durch das eingebrachte inhomogene Magnetfeld bewirkt, daß der den Hantelkörper umströmende Sauerstoff im Messgas den Hantelkörper proportional zum Partialdruckanteil von Sauerstoff auslenkt bzw. dreht. Das Maß der Drehung wird optisch bzw optoelektronisch abgetastet. Fig. 1 shows the dumbbell body according to the invention in side view. The dumbbell body 1 consists of glass. Within the dumbbell body 1 , two chambers 10 and 11 are arranged, in which in turn the angle plates 3 and 4 are arranged. The chambers are filled with either nitrogen or inert gas. The actual sample gas flows around the dumbbell from the outside. When measuring, for example, oxygen that is paramagnetic, the introduced inhomogeneous magnetic field causes the oxygen flowing around the dumbbell body in the measurement gas to deflect or rotate the dumbbell body in proportion to the partial pressure component of oxygen. The degree of rotation is scanned optically or optoelectronically.

Die dargestellte Ausrichtung des Magnetfeldes stellt nur eine Hauptrichtung dar, wobei das Magnetfeld gemäß obiger Beschreibung inhomogen sein muß, d. h. die Feldlinien sind nicht parallel, sondern konvergent oder divergent. Nur so kommt es zu einer Kraftwirkung auf die Sauerstoffmoleküle.The orientation of the magnetic field shown is only one main direction, wherein the magnetic field must be inhomogeneous as described above, d. H. the Field lines are not parallel, but convergent or divergent. This is the only way a force effect on the oxygen molecules.

Gerade dieses notwendige inhomogene Magnetfeld wird durch diese besondere Wirbelstromdämpfung des Systems ausgenutzt. Da durch das anliegende Magnetfeld keine ausschließliche Feldlinienrichtung gegeben ist, wäre die Bedämpfung unter Ausnutzung nur einer räumlichen Ebene mechanisch nicht sehr wirksam. Dadurch, daß die als Wirbelstromkörper dienenden Winkelbleche nunmehr nicht nur eine Ebene beschreiben, sondern zwei räumlich unterschiedliche Ebenen aufweisen, werden die in mehreren Raumkomponenten auftretenden Schwingungen mitbedämpft. Die Bedämpfung ist damit erheblich wirkungsvoller. Zur leichten Drehbarkeit des Hantelkörpers ist dieselbe an einem Torsionsband 2 aufgehängt.It is precisely this necessary inhomogeneous magnetic field that is exploited by this special eddy current damping of the system. Since no exclusive field line direction is given by the applied magnetic field, the damping would not be very effective mechanically using only one spatial plane. The fact that the angle plates serving as eddy current bodies now not only describe one plane, but have two spatially different planes, also dampens the vibrations occurring in several spatial components. The damping is therefore considerably more effective. For easy rotation of the dumbbell body, the same is suspended on a torsion belt 2 .

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht bezogen auf Fig. 1. Auch hierbei kann man in den vorzugsweise aus Glas bestehenden Hantelkörper 1 hineinsehen und das Winkelblech 3 erkennen. Hieran wird die Ausgestaltung des Winkelbleches sichtbar, welches aus zwei winklig zueinander stehenden Schenkeln besteht. Durch die Anordung in dieser Weise wird eine optimale Ausnutzung aller auftretenden inhomogenen Richtungsanteile des Magnetfeldes gewährleistet. Die Wirbelstromgenerierung in dem Winkelblech 3 erfolgt jeweils durch die senkrecht auftretende Komponente des Magnetfeldes bzw der Magnetfeldlinien. Durch das Winkelblech zum einen, und durch dessen Lage im Hantelkörper zum anderen, werden nahezu alle Feldkomponenten erfasst und bewirken ein Bedämpfung in mehreren Raumrichtungen. FIG. 2 shows a side view based on FIG. 1. Here too, one can look into the dumbbell body 1, which is preferably made of glass, and recognize the angle plate 3 . This shows the configuration of the angle plate, which consists of two legs at an angle to each other. The arrangement in this way ensures optimal utilization of all inhomogeneous directional components of the magnetic field that occur. The eddy current is generated in the angle plate 3 by the vertically occurring component of the magnetic field or the magnetic field lines. Due to the angle plate on the one hand and its position in the dumbbell body on the other hand, almost all field components are detected and cause damping in several spatial directions.

Claims

1. Magnetomechanical gas analyzer, in particular paramagnetic oxygen analyzer, as an addition to patent DE 198 41 723 with a dumbbell which is rotatably suspended in the effective range of an inhomogeneous magnetic field and which is surrounded by measurement gas, the dumbbell being connected in a rotationally fixed manner to a mirror for deflecting the light beam and that the magnetic field acting on the dumbbell body is inhomogeneous, with at least two electrically conductive surface segments that are largely perpendicular to one another being arranged as eddy current brakes on the dumbbell or in mechanical engagement with the dumbbell and in the effective range of the inhomogeneous magnetic field, characterized in that Eddy current braking integrated in the dumbbell body ( 1 ) is a metallic, electrically conductive sheet ( 3 , 4 ) which is sealed gas-tight to the outside after the dumbbell body has been closed.

2. Magnetomechanical gas analyzer according to claim 1, characterized in that the sheet ( 3 , 4 ) is angular and introduced into the dumbbell body ( 1 ) such that the legs of the sheet ( 3 ) intersect the magnetic field lines at least in two planes.

3. Magnetomechanical gas analyzer according to claim 1 or 2, characterized in that the sheet ( 3 , 4 ) consists of platinum.

4. Magnetomechanical gas analyzer according to one of the preceding claims, characterized in that the dumbbell body ( 3 ) contains two chambers ( 10 , 11 ), and a corresponding plate ( 3 , 4 ) is arranged in each chamber.

5. Magnetomechanical gas analyzer according to one of the preceding claims; characterized in that the dumbbell body ( 1 ) is made of glass.