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Die Erfindung betrifft ein Messgerät zum Ermitteln des Anteils eines paramagnetischen Gases in einem Gasstrom mit einer von einem Zellenkörper gebildeten Messkammer, die einen Einlass und einen Auslass für den Gasstrom und ein lichtdurchlässiges Fenster aufweist, einer magnetischen Einrichtung, die ein magnetisches Feld in der Messkammer erzeugt, einer Sensoreinrichtung mit einem in der Messkammer an einer Aufhängung beweglich gelagerten Verdrängerkörper mit diamagnetischen Eigenschaften und einer elektrischen Messeinrichtung zum Bestimmen einer durch in der Messkammer vorhandenes paramagnetisches Gas auf den Verdrängerkörper ausgeübten Kraft, wobei der Verdrängerkörper einen Spiegel aufweist und die Messeinrichtung eine Lichtquelle zur Erzeugung eines auf den Spiegel gerichteten Lichtstrahls und Fotodetektoren zur Erfassung des von dem Spiegel reflektierten Lichts umfasst.
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Messgeräte der angegebenen Art sind aus
GB 746 778 und
DE 39 40 036 A1 bekannt und werden verwendet, um die paramagnetischen Eigenschaften von Gasen, insbesondere Sauerstoff, zur Gasanalyse nutzen. Bei derartigen Messgeräten befindet sich im Inneren der Messzelle ein Verdrängerkörper, der in hantelförmiger Anordnung zwei mit Stickstoff gefüllte Kugeln aufweist und an einem dünnen Draht drehbar aufgehängt ist. An dem Verdrängerkörper ist ein kleiner Spiegel angebracht, der einen Lichtstrahl in Richtung eines Fotodetektors leitet. Außerhalb der Messzelle erzeugt ein starker Permanentmagnet über Polkörper im Inneren der Messzelle ein inhomogenes Magnetfeld. Gelangt ein Gas mit paramagnetischen Bestandteilen, z.B. Sauerstoff, in die Messzelle, so wird eine Kraft auf den Verdrängerkörper ausgeübt, die bestrebt ist, den Verdrängerkörper einschließlich des Spiegels aus der Ruhelage herauszudrehen. Ein auf den Spiegel gerichteter Lichtstrahl wird dadurch abgelenkt. Fotodetektoren erfassen die Ablenkung und bewirken mit Hilfe einer elektrischen Schaltung die Erzeugung eines Stroms, der durch eine um den Verdrängerkörper gebaute Spule geleitet wird und ein die Ablenkung kompensierendes Gegenmagnetfeld erzeugt. Die Stromstärke, mit der der Verdrängerkörper in seiner Ruhelage gehalten werden kann, ist ein direktes Maß für die Konzentration des paramagnetischen Gases in der Messzelle.
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Bei Messgeräten der angegebenen Art ist die Messgenauigkeit in starkem Maße von der präzisen Erfassung des von dem Spiegel des Verdrängerkörpers reflektierten Lichtstrahls durch die Fotodetektoren abhängig, da die von den Fotodetektoren erfasste Position des Lichtstrahls die Ruhelage des Verdrängerkörpers und damit die der Sauerstoffkonzentration äquivalente Spannung zur Steuerung der Ruhelage des Verdrängerkörpers bestimmt. Ist die Intensitätsverteilung des von den Fotodetektoren erfassten Lichts diffus oder durch Reflektionen gestört, so können die Fotodetektoren die Ruhelage nicht exakt bestimmen und die elektrische Schaltung, die in Abhängigkeit von den Fotodetektoren die Ruhelage des Verdrängerkörpers regelt, wird nicht korrekt im Gleichgewicht gehalten und kann nicht richtig regeln. Probleme dieser Art können auftreten, wenn die Lichtquelle in zu großem Raumwinkel strahlt und am Spiegel vorbei strahlendes Licht einen Teil der Umgebung des Spiegels ausleuchtet oder wenn innerhalb des optischen Weges von einer Wand reflektiertes Licht die Fotodetektoren trifft. Ebenso kann von außen eindringendes Licht das Licht der Lichtquelle überstrahlen und eine richtige Regelung der Ruhelage des Verdrängerskörpers verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Messgerät der eingangs genannten Art die optische Einrichtung zur Erfassung der Stellung des Verdrängerkörpers so zu gestalten, dass ein hohes Maß an Messgenauigkeit erzielbar ist und durch die optischen Mittel bedingten Störeinflüsse auf ein Minimum reduziert sind.
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Nach der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Messgerät mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Messgeräts sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Bei dem Messgerät nach der Erfindung sind zwischen der Lichtquelle und dem Fenster und zwischen dem Fenster und den Fotodetektoren die Lichtpfade umhüllende Tuben angeordnet, deren Innenwände eine Oberfläche aus hartanodisiertem Aluminium aufweisen.
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Durch die erfindungsgemäß angeordneten Tuben wird der die Stellung des Verdrängerkörpers erfassende Lichtstrahl vollständig nach außen abgeschirmt und das Eindringen von Außenlicht wirksam verhindert. Weiterhin wird durch die hartanodisierte Oberfläche der Innenwände der Tuben Streulicht zu einem hohen Prozentsatz absorbiert und dadurch von den Fotodetektoren ferngehalten. Die Ruhestellung des Verdrängerkörpers kann daher mit großer Genauigkeit von den Fotodetektoren erfasst und eingeregelt werden.
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Besonders wirksam hat sich die Oberfläche aus hartanodisiertem Aluminium erwiesen, wenn die Lichtquelle mit einer Wellenlänge im Bereich von 950 nm erzeugt und die Fotodetektoren auf den Empfang von Licht dieser Wellenlänge ausgelegt sind.
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Weiterhin wird nach der Erfindung das Licht der Lichtquelle durch eine zwischen der Lichtquelle und dem Fenster angeordnete Lochblende gebündelt und ein Umstrahlen des Spiegels und eine damit verbundene Lichtstreuung verhindert.
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Nach der Erfindung können die Tuben von Durchgangsbohrungen in einem einteiligen Körper aus Aluminium gebildet sein, der an den Zellenkörper angesetzt ist und das Fenster vollständig bedeckt. Auf diese Weise lassen sich die Tuben einfach und kostengünstig herstellen und durch Hartanodisieren der Bohrungswände mit der gewünschten Oberfläche versehen. Die vor der Lichtquelle angeordnete Lochblende kann auf einfache Weise durch eine in der Durchgangsbohrung ausgebildete Stufe mit daran anschließendem Bohrungsabschnitt von kleinerem Durchmesser gebildet sein.
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Unter Hartanodisieren wird ein Verfahren zur elektrolytischen Oxydation von Aluminiumwerkstoffen verstanden, welches üblicherweise angewendet wird, um eine Schutzschicht zur Verminderung von Verschleiß und Korrosion auf Aluminiumbauteilen zu erzeugen. Das Aluminiumbauteil wird dabei in einen Elektrolyten getaucht und als Anode geschaltet und mit sehr hohen Stromstärken, die eine Kühlung des Elektrolyten erfordern, wird die Oberfläche des Bauteils in eine Aluminiumoxydschicht umgewandelt, die sich durch eine sehr große Härte auszeichnet und durch den galvanischen Prozess eine Mikrostrukturierung der Oberfläche aufweist.
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Nach der Erfindung wurde gefunden, dass die durch Hartanodisieren gewonnene Schicht hervorragende Absorptionseigenschaften, insbesondere für Licht im infraroten Bereich, aufweist. Die erfindungsgemäße Anwendung der hartanodisierten Schicht löst die genannten Aufgabe und ermöglicht eine besonders vorteilhafte und kostengünstig herstellbare Verbesserung eines Messgeräts der eingangs genannten Art.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen
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1 eine perspektivische Ansicht einer Messzelle für ein Messgerät nach der Erfindung,
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2 einen Horizontalschnitt durch ein Gerätegehäuse mit einer darin angeordneten Messzelle gemäß 1 und
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3 einen Vertikalschnitt durch das Gerätegehäuse gemäß 2.
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Die in der Zeichnung dargestellte Messzelle 1 hat einen quaderförmigen Zellenkörper 2, der aus einem korrosionsbeständigen unmagnetischen Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl, besteht. Der Zellenkörper 2 hat eine zentrale, ovale oder langlochförmige Bohrung 3, die eine Messkammer 4 bildet. Die Bohrung 3 ist auf der Rückseite des Zellenkörpers 2 durch eine von diesem gebildete Wand 5 und auf der Vorderseite durch einen runden Deckel 6 verschlossen. Der Zellenkörper 2 und der Deckel 6 sind durch Schweißen gasdicht miteinander verbunden.
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Der Deckel 6 enthält ein Fenster 7 mit einer Scheibe 8 aus lichtdurchlässigem Material, beispielsweise Glas, damit ein Lichtstrahl in die Messkammer 4 hinein und ein Reflexionsstrahl aus der Messkammer 4 heraus geleitet werden kann. Die Scheibe 8 ist in bekannter Weise mittels Glaslot gasdicht mit einem Rahmen 9 verbunden, der in die Fensteröffnung im Deckel 6 eingesetzt ist und durch Schweißen gasdicht mit dem Deckel 6 verbunden ist.
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Der Zellenkörper 2 ist von oben nach unten von einer zylindrischen Durchgangsbohrung 10 durchdrungen, die die Bohrung 3 mittig im rechten Winkel kreuzt und zwischen der Wand 5 und dem Deckel 6 verläuft. In die Durchgangsbohrung 10 ist ein Paar Polkörper 11 eingesetzt, die aus einem magnetischen Material, beispielsweise Weicheisen, bestehen und mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen sein können. Die Polkörper 11 sind symmetrisch ausgebildet und angeordnet und ragen mit ihren einander zugekehrten inneren Enden in die Messkammer 4 hinein. Zwischen den der Messkammer 4 zugewandten inneren Enden der Polkörper 11 befindet sich ein Freiraum, in dem ein diamagnetischer Verdrängerkörper 12 drehbar angeordnet ist. Die Polkörper 11 bewirken in dem Freiraum die Ausbildung eines inhomogenen magnetischen Feldes, das von außen an den Polkörpern 11 angeordneten Permanentmagneten erzeugt wird. Die Polkörper 11 sind mit dem Zellenkörper 2 gasdicht verschweißt. Die Messkammer ist über den Deckel 6 durchdringende Bohrungen an eine Zuführleitung 14 und eine Abführleitung 15 angeschlossen, die beide aus gasdicht an den Deckel 6 angeschweißten Rohrleitungen bestehen.
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Der Verdrängerkörper 12 ist mittels einer Aufhängung 20 an dem Deckel 6 befestigt. Die Aufhängung 20 weist zwei Stäbe 21, 22 aus elektrisch leitendem Material auf, die parallel zur Achse der Bohrung 3 und in der Mittelebene der Schlitze 21, 22 verlaufen und mittels Glasdurchführungen 23 in den Deckel 6 durchdringenden Bohrungen befestigt und abgedichtet sind. Auf der Außenseite des Deckels 6 bilden die Stäbe 21, 22 Kontaktfahnen für den Anschluss einer elektrischen Schaltung. Zwischen den inneren Enden der Stäbe 21, 22 und dem Verdrängerkörper 12 sind dünne Drähte 24, 25 gespannt, die längs der Mittelachse der Polkörper 11 verlaufen und den Verdrängerkörper 12 in dem Freiraum zwischen den Polkörpern 11 drehbeweglich halten. An die Drähte 24, 25 ist eine Spule 26 angeschlossen, die den Verdrängerkörper 12 umgibt. In der Mitte ist an dem Verdrängerkörper 12 ein Spiegel 27 angebracht, der dem Fenster 7 zugewandt ist.
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Die Messzelle 1 ist in einem Gerätegehäuse 29 angeordnet. An dem Gerätegehäuse 29 ist ein aus Aluminium bestehender Körper 30 angeordnet. Der Körper 30 liegt an der der Messkammer 4 abgewandten Außenseite des Deckels 6 an und weist zwei Durchgangsbohrungen 31, 32 auf. Die eine Durchgangsbohrung 31 verläuft zentrisch zur Bohrung 3 und ihre Mittelachse trifft den Spiegel 27 in seiner Mitte. Die andere Durchgangsbohrung 32 ist in einem Winkel zur Durchgangsbohrung 31 angeordnet, wobei ihre Mittelachse ebenfalls den Spiegel 27 in seiner Mitte trifft. Die Durchgangsbohrungen 31, 32 bilden Tuben 33, 34 für die Abschirmung von Außenlicht. Die Oberfläche ihrer Innenwände sind mit einem schwarzen, hartanodisierten Überzug versehen, der Streulicht absorbiert. Auf der am Deckel 6 anliegenden Seite des Körpers 30 befinden sich die offenen Enden der Tuben 33, 34 innerhalb der Fensteröffnung.
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In das dem Deckel abgewandte Ende des Tubus 33 ist eine den Tubus 33 lichtdicht verschließende Lichtquelle 35 eingesetzt, die Licht von vorzugsweise einer Wellenlänge von 950 nm erzeugt. Vor der Lichtquelle 35 bildet in der Durchgangsbohrung 31 eine Stufe, an die sich ein Bohrungsabschnitt von kleinerem Durchmesse zur Bildung einer Lochblende 36 anschließt. Die Lochblende 36 engt den Emissionskegel der Lichtquelle 35 ein und passt den Lichtstrahl an die Größe des Spiegels 27 derart an, dass der Lichtstrahl nicht an dem Spiegel vorbei strahlt und Streustrahlung vermieden wird.
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Der von der Lichtquelle 35 erzeugte Lichtstrahl strahlt durch das Fenster 7 auf den Spiegel 27 und wird von dem Spiegel 27 so reflektiert, dass er durch das Fenster 7 in den Tubus 34 gelangt und auf Fotodetektoren 38 trifft, die am vom Fenster entfernten Tubusende angeordnet sind, das lichtdicht verschlossen ist. Befindet sich der Verdrängerkörper 12 in der Ruhestellung, so trifft der Reflexionsstrahl die Fotodetektoren 38 genau in der Mitte. Jede Änderung der Drehwinkelstellung des Verdrängerkörper 12 führt zu einer Verlagerung des Reflexionsstrahls an den Fotodetektoren 38 aus der Mitte und wird von den Fotodetektoren 38 erfasst. Eine an die Fotodetektoren angeschlossene elektrische Schaltung reagiert auf eine solche Änderung und legt an die Spule 26 des Verdrängerkörpers 12 Spannung an, die ein Magnetfeld erzeugt, durch das der aus der Ruhelage gedrehte Verdrängerkörper 12 in seine Ruhelage zurückgedreht werden kann. Der Strom durch die Spule 26 in der Ruhelage des Verdrängerkörpers 12 ergibt ein lineares Signal der Sauerstoffkonzentration in der Messzelle 4.
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Um zu vermeiden, dass die genaue Erfassung der Ruhelage des Verdrängerkörpers 12 durch von den Tuben reflektierte und von den Fotosensoren empfangene Streustrahlung beeinträchtigt werden kann, bestehen die Oberflächen der Innenwände der Tuben 33, 34 aus einem schwarzen, hartanodisierten Überzug, durch den ca. 97% des auftreffenden und von der Lichtquelle 35 erzeugten Lichts der Wellenlänge 950 nm absorbiert und Reflexionen damit fast auf null reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 746778 [0002]
- DE 3940036 A1 [0002]
