DE102015205118B4

DE102015205118B4 - Paramagnetischer Gassensor

Info

Publication number: DE102015205118B4
Application number: DE102015205118.8A
Authority: DE
Inventors: Bernd Nicklis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2035-03-21
Also published as: DE102015205118A1

Abstract

Paramagnetischer Gassensor zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Messgas (4) – mit einer von dem Messgas (4) durchströmten Messkammer (1) in Form eines Rotationsspalts, der an einer Stirnseite einen Gaseinlass (2) und an der anderen Stirnseite einen Gasauslass (3) aufweist, – mit einer steuerbaren Elektromagnetanordnung (5), die dazu ausgebildet ist, an mindestens zwei in Umfangsrichtung des Rotationsspalts (1) gleichmäßig verteilten Stellen jeweils ein den Rotationsspalt (1) durchsetzendes Magnetfeld (8) zu erzeugen, und die derart angesteuert ist, dass das Magnetfeld (8) in Umfangsrichtung der Messkammer (1) von einer Stelle zu der nächsten wandert, und – mit einer im Bereich des Gasauslasses (3) einen Differenzdruck zwischen zwei in Umfangsrichtung versetzten Messstellen der Messkammer (1) erfassenden Druckmesseinrichtung (9).

Description

Die Erfindung betrifft einen paramagnetischen Gassensor zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Messgas.
Sauerstoff ist ein Gas mit starker paramagnetischer Suszeptibilität, was dazu führt, dass Sauerstoffmoleküle von einem inhomogenen Magnetfeld angezogen werden. Dieser Effekt wird in paramagnetischen Gassensoren genutzt.
Aus der US 4 563 894 A , DE 882 317 B oder US 2012/0266656 A1 ist ein paramagnetischer Gassensor mit einer von dem Messgas durchströmten Messkammer bekannt, in der an einer Stelle mittels eines Elektromagneten ein Puls- oder Wechselmagnetfeld erzeugt wird und an einer anderen Stelle mittels eines Druck- oder Strömungssensors eine resultierende akustische Welle detektiert wird, deren Amplitude zu dem Sauerstoffgehalt des Messgases proportional ist.
Bei einem aus der US 3 302 448 A bekannten paramagnetischen Gassensor fließt das Messgas durch eine fluidische Brücke mit Strömungswiderständen in den Brückenzweigen und einem Differenzdrucksensor in der Brückendiagonalen. Einer der Brückenzweige wird von dem Magnetfeld eines Permanentmagneten durchsetzt, während der Strömungswiderstand in dem diagonal gegenüberliegenden Brückenzweig veränderbar ist, wobei die Größe der zum Abgleich der Brücke erforderlichen Veränderung ein Maß für den Sauerstoffgehalt des Messgases ist.
Aus der DE 1 929 776 A1 , DE 87 03 944 U1 oder WO 98/12552 A1 ist ein paramagnetischer Gassensor mit einer von dem Messgas durchströmten Messkammer bekannt. Der Gassensor weist ferner eine Hilfsgasleitung auf, von der zwei Leitungsabschnitte abzweigen und an zwei verschiedenen Stellen in die Messkammer münden. Die Einmündungsstelle eines der beiden Leitungsabschnitte wird von einem Wechselmagnetfeld durchsetzt, das von einem Elektromagneten erzeugt wird. Zwischen den beiden Leitungsabschnitten liegt eine Querleitung, in der ein Strömungs- oder Drucksensor angeordnet ist. Im Bereich des Magnetfeldes werden die Sauerstoffmoleküle konzentriert und es baut sich aus der Differenz des Sauerstoffgehalts von Mess- und Hilfsgas ein Druck auf, der dem einströmenden Hilfsgas entgegenwirkt. Zwischen den Einmündungsstellen liegt also ein mit dem Magnetfeld wechselnder Differenzdruck vor, der mittels des Strömungs- oder Drucksensors gemessen wird.
Die Bereitstellung einer Hilfsgasquelle und der Verbrauch von Hilfsgas ist aufwendig und mit hohen Kosten verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen paramagnetischen Gassensor anzugeben, der ohne Hilfsgas auskommt.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen paramagnetischen Gassensor zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Messgas,

– mit einer von dem Messgas durchströmten Messkammer in Form eines Rotationsspalts, der an einer Stirnseite einen Gaseinlass und an der anderen Stirnseite einen Gasauslass aufweist,
– mit einer steuerbaren Elektromagnetanordnung, die dazu ausgebildet ist, an mindestens zwei in Umfangsrichtung des Rotationsspalts gleichmäßig verteilten Stellen jeweils ein den Rotationsspalt durchsetzendes Magnetfeld zu erzeugen, und die derart angesteuert ist, dass das Magnetfeld in Umfangsrichtung der Messkammer von einer Stelle zu der nächsten wandert, und
– mit einer im Bereich des Gasauslasses einen Differenzdruck zwischen zwei in Umfangsrichtung versetzten Messstellen der Messkammer erfassenden Druckmesseinrichtung.

Aufgrund des in Umfangsrichtung der rotationsspaltförmigen Messkammer wandernden Magnetfelds wirken auf die Sauerstoffmoleküle des einströmenden Messgases Kräfte, die, so lange sich das Messgas in der Messkammer befindet, die Sauerstoffmoleküle und damit das Messgas zunehmend in eine Rotationsbewegung zwingen. Die im Bereich des Magnetfelds akkumulierten Sauerstoffmoleküle bewirken dort eine Erhöhung des Partialdrucks, der als Druckwelle mit dem Magnetfeld in Umfangsrichtung durch die Messkammer wandert. Diese Druckwelle, die mit jeder Umdrehung größer wird und daher unmittelbar vor dem Austritt des Messgases aus der Messkammer am größten ist, wird als Differenzdruck zwischen zwei in Umfangsrichtung versetzten, dabei vorzugsweise einander diametral gegenüberliegenden Messstellen der Messkammer gemessen.
Im einfachsten Fall wird das Magnetfeld abwechselnd an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen der Messkammer erzeugt, wobei durch eine asymmetrische Einleitung des Messgases in die Messkammer erreicht wird, dass die Sauerstoffmoleküle in eine Vorzugsrichtung (also entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn) beschleunigt werden.
Bei einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Gassensors weist die Druckmesseinrichtung einen Messkanal auf, der mit seinen Enden an den Messstellen in die Messkammer mündet und einen Druck- oder Strömungsfühler enthält. Zum Beispiel kann der Messkanal als Bypasskanal ausgebildet sein, in dem ein Venturi-Strömungsmesser angeordnet ist.
Für eine differenziertere Messung können weitere Druckmesseinrichtungen vorgesehen werden, die jeweils zwischen zwei weiteren in Umfangsrichtung versetzten Messstellen der Messkammer weitere Differenzdrücke erfassen.
Wie bereits erwähnt, ist die Größe des Messeffekts von der Aufenthaltsdauer des Messgases in der Messkammer und damit auch von dem Durchfluss oder Volumenstrom des Messgases abhängig. Wenn keine Zwangsförderung des Messgases, beispielsweise durch Abpumpen oder Absaugen, vorgesehen ist, ist der Rotationsspalt der Messkammer vorzugsweise derart ausgebildet, dass er sich in Richtung von dem Gaseinlass zu dem Gasauslass hin kegel- oder hornförmig erweitert. Dadurch erhöht sich bei gleichbleibender Umdrehungszahl die Umdrehungsgeschwindigkeit des Messgases auf seinem Weg zum Gasauslass hin, so dass der Gasanalysator selbst als Pumpe wirkt und das Messgas an dem Gaseinlass ansaugt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen,
1 ein schematisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors im Längsschnitt,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach 1 in Draufsicht,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors und
3 ein Beispiel für eine Druckmesseinrichtung.
Die 1 und 2 zeigen in vereinfachter prinzipieller Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors im Längsschnitt und in Draufsicht. Der Gasanalysator weist eine Messkammer 1 in Form eines Rotationsspalts auf, der an einer Stirnseite einen Gaseinlass 2 und an der anderen Stirnseite einen Gasauslass 3 für ein Messgas 4 aufweist. Eine steuerbare Elektromagnetanordnung 5 mit hier zwei am Umfang der Messkammmer 1 an gegenüberliegenden Stellen angeordneten Elektromagneten 6, 7 erzeugt ein Magnetfeld 8, das die Messkammer 1 abwechselnd an diesen Stellen durchsetzt. Im Bereich des Gasauslasses 3 ist zwischen zwei in Umfangsrichtung versetzten, vorzugsweise diametral gegenüberliegenden Messstellen der Messkammer 1 eine Druckmesseinrichtung 9 angeordnet, die einen Differenzdruck zwischen diesen beiden Messstellen erfasst. Die Druckmesseinrichtung 9 weist einen Messkanal 10 auf, der mit seinen Enden an den beiden Messstellen in die Messkammer 1 mündet und einen Druck- oder Strömungsfühler 11 enthält.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors ist der Rotationsspalt 1 in Richtung von dem Gaseinlass 2 zu dem Gasauslass 3 hin sich kegelförmig erweiternd ausgebildet. Die steuerbare Elektromagnetanordnung 5 weist vier Elektromagnete 12, 13, 14, 15 auf, die an vier in Umfangsrichtung des Rotationsspalts 1 gleichmäßig verteilten Stellen jeweils ein den Rotationsspalt 1 durchsetzendes Magnetfeld erzeugen und derart angesteuert sind, dass das Magnetfeld in einer Richtung von einer Stelle zu der nächsten wandert.
4 zeigt ein Beispiel für die Ausbildung des Messkanals 10 als Bypasskanal, in dem ein Venturi-Strömungsmesser 11' angeordnet ist.

Claims

Paramagnetischer Gassensor zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Messgas (4) – mit einer von dem Messgas (4) durchströmten Messkammer (1) in Form eines Rotationsspalts, der an einer Stirnseite einen Gaseinlass (2) und an der anderen Stirnseite einen Gasauslass (3) aufweist, – mit einer steuerbaren Elektromagnetanordnung (5), die dazu ausgebildet ist, an mindestens zwei in Umfangsrichtung des Rotationsspalts (1) gleichmäßig verteilten Stellen jeweils ein den Rotationsspalt (1) durchsetzendes Magnetfeld (8) zu erzeugen, und die derart angesteuert ist, dass das Magnetfeld (8) in Umfangsrichtung der Messkammer (1) von einer Stelle zu der nächsten wandert, und – mit einer im Bereich des Gasauslasses (3) einen Differenzdruck zwischen zwei in Umfangsrichtung versetzten Messstellen der Messkammer (1) erfassenden Druckmesseinrichtung (9).
Paramagnetischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstellen einander diametral gegenüberliegen.
Paramagnetischer Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (9) einen Messkanal (10) aufweist, der mit seinen Enden an den Messstellen in die Messkammer (1) mündet und einen Druck- oder Strömungsfühler (11) enthält.
Paramagnetischer Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (10) als Bypasskanal ausgebildet ist, in dem ein Venturi-Strömungsmesser (11') angeordnet ist.
Paramagnetischer Gassensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Druckmesseinrichtung vorhanden ist, die einen weiteren Differenzdruck zwischen zwei weiteren in Umfangsrichtung versetzten Messstellen der Messkammer (1) erfasst.
Paramagnetischer Gassensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationsspalt (1) in Richtung von dem Gaseinlass (2) zu dem Gasauslass (3) hin sich kegel- oder hornförmig erweiternd ausgebildet ist.