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Vorrichtung zur Sauerstoffmessung Für die Messung paramagnetischer
Gase ist ein Analysegerät bekanntgeworden, dessen Wirkung auf der Änderung des magnetischen
Widerstandes durch das zu messende Gasgemisch beruht. Dieses insbesondere für die
Sauerstoffmessung entwickelte Gerät weist einen Dauermagneten auf, zwischen dessen
Polen ein mit einer Spule bewickelter ferromagnetischer Körper angeordnet ist. Zwischen
diesem Körper und den Magnetpolen verbleiben zwei Luftspalte, die mit dem zu messenden
Gasgemisch gefüllt sind und einen von der Gaszusammensetzung abhängigen magnetischen
Widerstand darstellen. Die Spule auf dem ferromagnetischen Körper zwischen den Magnetpolen
wird von einer Wechselspannungsquelle gespeist. In ihr entsteht zusätzlich ein Wechselstrom
mit der doppelten Frequenz der Grundwelle. Die Amplitude und Phasenlage dieser zweiten
Harmonischen hängt wesentlich von dem magnetischen Widerstand in den Luftspalten
und damit von der Gaszusammensetzung ab. Die zweite Harmonische wird durch ein Filter
von der Grundwelle getrennt und einer weiteren Spannung von doppelter Frequenz entgegengeschaltet,
die mit Hilfe eines Frequenzverdopplers gewonnen wird. Die Amplitudendifferenz der
beiden Oberwellenspannungen steuert einen Verstärker aus, der über einen Nachführmotor
ein Potentiometer so lange verstellt, bis die beiden Amplituden gleich groß sind.
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Die Stellung des Potentiometers ist sodann ein Maß für den Sauerstoffgehalt.
Diese Meßanordnung, die den veränderlichen magnetischen Widerstand mit einem Modulator
erfaßt, hat erstens den Nachteil, daß kein Vergleich mit einem Gas von bekannter
Zusammensetzung möglich ist, da nur eine einzige Meßkammer mit zwei Luftspalten
vorhanden ist.
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Außerdem ist die Anzeige stark temperaturabhängig, weil jede Änderung
des Magnetflusses infolge der Temperaturabhängigkeit des Dauermagneten fehlerhaft
in die Messung eingeht.
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Um den Einfluß der erwähnten Fehler abzuschwächen, wurde bereits
eine auf dem gleichen Prinzip beruhende Gasanalyseeinrichtung beschrieben, die zwei
Dauermagneten aufweist. Die beiden Magneten sind so angeordnet, daß sich die Nordpole
und Südpole diagonal gegenüberstehen. Zwischen dem Nord- und Südpol des einen Magneten
sind zwei Meßkammern und ein ferromagnetischer Körper vorgesehen. Dieser ferromagnetische
Körper hat einen solchen Durchmesser, daß er gleichzeitig in den Luftspalt zwischen
dem Nord- und Südpol des zweiten Magneten hineinragt. Der Körper wird also von den
beiden Magnetflüssen in entgegengesetzter Richtung durchsetzt. Auf den ferromagnetischen
Körper ist wiederum eine Spule aufgewickelt, die die gleiche Aufgabe hat wie die
Spule in dem eingangs beschriebenen Gerät. Solange die magnetischen Widerstände
der beiden Magnetkreise genau gleich groß sind, heben sich die entgegengesetzt gerichteten
Flüsse in dem ferromagnetischen Körper auf. Sobald nun der Sauerstoffgehalt des
zu messenden Gases von dem Sauerstoffgehalt der Luft abweicht, die sich zwischen
den Polen des zweiten Magneten befindet, ergibt sich in dem ferromagnetischen Körper
ein Differenzfluß, der in der bereits eingangs beschriebenen Weise zur Anzeige gebracht
wird. Da diese Flußänderung bei kleinen Sauerstoffänderungen nur Bruchteile eines
Promilles beträgt, ergeben sich sehr große Fehler, wenn sich das eine Magnetsystem
gegenüber dem anderen durch Temperatureinflüsse oder räumliche Verschiebungen geringfügig
ändert. Auch ungleichmäßige Alterungserscheinungen der Magnetsysteme verursachen
starke Wanderungen des Nullpunktes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sauerstoffmesser nach dem
erwähnten Prinzip wesentlich dadurch zu verbessern, daß eine Anordnung gefunden
wird, bei der Änderungen im Magnetsystem keine Meßfehler verursachen.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sauerstoffmessung, deren
Wirkung auf der Änderung des magnetischen Widerstandes durch das zu messende Gasgemisch
beruht. Diese Vorrichtung weist eine magnetische Anordnung auf, die aus einem Magnetfelderzeuger,
mindestens einer mit dem sauerstoffhaltigen Gas gefüllten Meßkammer und mindestens
einem mit einer Spule versehenen ferromagnetischen
Körper besteht,
der von dem magnetischen Fluß oder einer Fluß differenz durchsetzt wird. Gemäß der
Erfindung sind ein einziger oder mehrere in Reihe geschaltete Magnetfelderzeuger
vorgesehen, deren Magnetfluß auf zwei parallele magnetische Zweige aufgeteilt ist,
die Meß- und Vergleichskammern sowie entsprechende Detektoren oder Wicklungen zur
Bestimmung der magnetischen Widerstandsänderungen aufweisen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Fig. 1 bis
3 der Zeichnung erläutert.
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Der magnetische Sauerstoffmesser gemäß Fig. 1 weist einen Wechselstrommagneten
1 auf, dessen Fluß in zwei parallele Zweige 2 und 3 aufgeteilt wird. In dem einen
Zweig ist die Meßkammer 4 angeordnet, die von dem zu untersuchenden Gasgemisch durchströmt
wird. Die Vergleichskammer 5 in dem anderen Zweig ist mit Luft oder irgendeinem
anderen Gas bekannter Zusammensetzung gefüllt. Die ferromagnetischen Kreise der
Meßanordnung sind so ausgebildet, daß die beiden Zweige bei gleicher Gaszusammensetzung
in den Kammern 4 und 5 genau die gleichen magnetischen Widerstände aufweisen. Um
diese Symmetrie zu erreichen, ist es zweckmäßig, den Wechselstrommagneten abweichend
von der Darstellung genau symmetrisch zu beiden Zweigen anzuordnen. Der die Meßkammer
enthaltende magnetische Zweig ist mit einer Wicklung 6 versehen. Der Zweig, in dem
die Vergleichskammer angeordnet ist, trägt eine Wicklung 7. Beide Wicklungen haben
gleiche Windungszahlen und sind einander entgegengeschaltet.
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Solange nun die beiden Kammern 4 und 5 mit einem Gas gleicher Zusammensetzung
gefüllt sind, heben sich die in den Wicklungen 6 und 7 induzierten Wechselspannungen
gegenseitig auf. An den Klemmen 8 und 9 kann daher nur eine Ausgangswechselspannung
Ua auftreten, wenn der magnetische Widerstand der Meßkammer von dem der Vergleichskammer
abweicht. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Vergleichskammer mit Stickstoff
und die Meßkammer mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch gefüllt ist.
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Wenn man Sauerstoffkonzentrationen messen will, deren Sauerstoffgehalt
in der Nähe des Sauerstoffgehaltes der Luft liegt, so wird man zweckmäßig die Vergleichskammer
mit Luft füllen. Sollen dagegen sehr geringe Sauerstoffkonzentrationen erfaßt werden,
so erscheint eine Füllung der Vergleichskammer mit einem nicht paramagnetischen
Gas, beispielsweise Stickstoff, angebracht. Da die beiden Zweige 2 und 3 von einem
einzigen Magnetfeld erzeuger gespeist werden, können Schwankungen des Magnetfeldes,
die beispielsweise durch Speisespannungsschwankungen verursacht sein können, das
Meßergebnis nur gering fehlerhaft beeinflussen, da sich diese Schwankungen auf beide
Zweige in etwa gleichmäßig auswirken.
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Trotzdem ist es zweckmäßig, die Speisespannungs quelle zu stabilisieren.
Durch die Aufteilung des Magnetflusses in zwei gleich große Anteile ist somit eine
wesentliche Fehlerquelle ausgeschaltet.
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Wenn man in der Anordnung gemäß Fig. 1 an Stelle des Wechselstrommagneten
1 einen Dauermagneten verwendet, so muß man einen magnetischen Modulator zur Gewinnung
einer Anzeige verwenden.
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Die beiden Spulen 6 und 7 sind dabei Bestandteile eines solchen magnetischen
Modulators. Sie werden von einem Wechselstrom erregt und erzeugen im Zusammenwirken
mit dem gleichgerichteten Magnetfluß
eine zweite Harmonische, deren Größe und Phasenlage
von der Differenz der magnetischen Widerstände in den beiden Zweigen und damit vom
Sauerstoffgehalt des Meßgases abhängt.
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Die Anordnung gemäß Fig. 1 kann noch wesentlich verbessert werden,
wenn man die beiden Meßzweige zu einer magnetischen Brücke erweitert. Eine derartige
Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Wechselstrommagnet ist mit 10 bezeichnet.
Sein Magnetfluß teilt sich auf die beiden Zweige 11 und 12 auf. In dem Zweig 11
sind eine Meßkammer 13 und eine Vergleichskammer 14 vorgesehen. Der Zweig 12 enthält
eine Vergleichskammer 15 und eine Meßkammer 16. Die beiden Meßkammern liegen sich
ebenso wie die beiden Vergleichskammern diametral gegenüber.
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Ihre Funktion ist mit den Widerständen einer Wheatstoneschen Brücke
zu vergleichen, die am oberen und unteren Diagonalpunkt eingespeist wird. In der
Nulldiagonale ist ein ferromagnetischer Körper 17 vorgesehen, der mit seinem linken
Ende zwischen der Meßkammer 13 und der Vergleichskammer 14 und mit seinem rechten
Ende zwischen der Vergleichskammer 15 und der Meßkammer 16 liegt. Auf diesen Körper
ist eine Spule 18 aufgewickelt, die mit Anschlußklemmen 19 und 20 versehen ist.
Unter der Voraussetzung, daß die ferromagnetischen Teile der gesamten Anordnung
genau symmetrisch aufgebaut sind, erhält man in dem ferromagnetischen Körper 17
keinen resultierenden Fluß, wenn die Meßkammern und Vergleichskammern gleich große
magnetische Widerstände aufweisen. Wenn dagegen die magnetischen Widerstände der
beiden hintereinandergeschalteten Meßkammern 13 und 16 geringer sind als die Widerstände
der Vergleichskammern 14 und 15, so erhält man einen resultierenden Fluß in Richtung
des mit durchgehender Linie gezeichneten Pfeiles. Sind die Widerstände der Meßkammern
größer als die der Vergleichskammern, so fließt ein Differenzfluß in Richtung des
unterbrochen gezeichneten Pfeiles. In der Wicklung 18 wird eine Wechselspannung
Ua induziert, deren Größe und Phasenlage von der Größe und Richtung des resultierenden
Magnetfeldes in dem ferromagnetischen Körper 17 abhängt. Wenn man beispielsweise
die Vergleichskammern mit Luft und die Meßkammern mit einem Gas von wechselndem
Sauerstoffanteil füllt, so erhält man bei Sauerstoffkonzentrationen unter 20 01o
eine Ausgangsspannung, deren Phasenlage gegenüber der Ausgangs spannung bei Sauerstoffkonzentrationen
über 20 (wo um 1800 verdreht ist. Die Ausgangsspannung Ua kann auf Null abgeglichen
werden, indem man einen ferromagnetischen Körper 21, der in der Nähe der Vergleichskammer
15 und der Meßkammer 16 angeordnet ist, in Pfeilrichtung nach oben oder unten verschiebt.
Wie leicht einzusehen ist, wird durch eine solche Verschiebung parallel zu dem magnetischen
Widerstand der Vergleichskammer 15 oder dem der Meßkammer 16 ein mehr oder weniger
großer Nebenschluß geschaffen, der die Anderungen des magnetischen Widerstandes
infolge der Änderungen des Meßgases ausgleichen kann. Dieser Nullabgleich kann automatisch
durchgeführt werden, indem man die Spannung Ua nach eventueller Verstärkung einem
phasenabhängigen Nullmotor zuführt, der den ferromagnetischen Körper 21 bis zum
Abgleich verstellt. Die Stellung des Körpers ist somit ein Maß für den Sauerstoffgehalt
und kann entsprechend angezeigt werden, indem man mit der Welle des Nullmotors
ein
anzeigendes oder schreibendes Meßgerät kuppelt.
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Auch die Meßanordnung gemäß Fig. 2 sollte abweichend von der gezeichneten
Darstellung symmetrisch aufgebaut werden. Zu diesem Zweck kann man den Elektromagneten
und den dazugehörigen Eisenkern in einer zweiten Ebene über dem ferromagnetischen
Körper 17 anordnen.
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In Fig. 3 ist ein magnetischer Sauerstoffmesser dargestellt, der
zur Erzeugung des Magnetfeldes Dauermagneten besitzt. Mit 22 ist ein Rückschlußring
bezeichnet, der gleichzeitig als Halter für die übrigen Teile dienen kann. Symmetrisch
zu diesem Rückschlußring sind die Dauermagneten 23 und 24 vorgesehen, die hintereinandergeschaltet
sind. Die Polschuhe 25 und 26 teilen den magnetischen Fluß in zwei gleiche Hälften
auf. Die eine Hälfte dieses Flusses durchdringt die Meßkammer 27, den ferromagnetischen
Körper 28 und die Vergleichskammer 29. Die andere Hälfte des Flusses ist über die
Vergleichskammer 30 und den ferromagnetischen Körper 28 zur Meßkammer 31 und dem
Polschuh 25 geführt. Ebenso wie in Fig. 2 liegen sich hier die Meßkammern und die
Vergleichskammern diametral gegenüber. Sie stellen die eigentlichen Widerstände
der Brückenschaltung dar, während die Polschuhe 25 und 26 sowie der ferromagnetische
Körper 28 nur als Leiter für den magnetischen Fluß anzusehen sind.
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Der ferromagnetische Körper 28 in der Brückendiagonalen ist in der
Mitte geschlitzt, um mehrere Wicklungen auf den beiden durch den Schlitz gebildeten
Pfaden aufbringen zu können. Die Wicklungen 32 und 33 werden durch einen Halbwellenstrom
erregt. An den Klemmen der Wicklungen 34 und 35 sind Spannungen abgreifbar, deren
Größe und Phasenlage durch die Größe und Richtung des Differenzflusses in dem ferromagnetischen
Körper 28 bestimmt wird. Wenn beispielsweise der magnetische Widerstand der Meßkammern
27 und 31 geringer ist als der Widerstand der Vergleichskammern 29 und 30, so ergibt
sich ein resultierender Fluß in Richtung der ausgezogenen Pfeile. Ist der magnetische
Widerstand der Meßkammern größer als der der Vergleichskammern, so erhält man einen
Differenzfluß in Richtung der unterbrochenen Pfeile. Der für den Sauerstoffgehalt
charakteristische Ausgangsstrom der Spulen 34 und 35 kann zum Abgleich der Brückenschaltung
benutzt werden. Hierfür ist zusätzlich der ferromagnetische Körper 36 vorgesehen,
der, ähnlich wie in Fig. 2, durch einen Nullmotor so lange in Pfeilrichtung bewegt
werden kann, bis die Brücke auf Null abgeglichen ist.
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Ein Nullabgleich der Brücke ist auch dadurch möglich, daß man an
Stelle des ferromagnetischen Körpers 36 auf einem der beiden Zweige eine weitere
Wicklung 37 (mit unterbrochenen Linien angedeutet) vorsieht und diese Wicklung mit
einem kompensierenden Gleichstrom beaufschlagt. Dieser Gleichstrom wird durch die
Differenzströme der Wicklungen 34, 35 so lange verändert, bis diese Differenzströme
auf Null zurückgehen und die Brücke abgeglichen ist.
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Der in der Wicklung 37 fließende Gleichstrom ist im Abgleichzustand
ein Maß für den Sauerstoffgehalt und kann daher zur Betätigung eines Anzeigegerätes
benutzt werden.