DE19739206A1 - Vorrichtung zum Messen des Anteils magnetfeldverändernder Stoffe, besonders Sauerstoff in Gasgemischen - Google Patents

Description

Wegen ihrer Eigenschaften häufig in der Industrie verwendete Sauerstoffanalysatoren nutzen die paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs aus. Die meisten Gase sind schwach diamagnetisch, d. h. sie werden aus einem Magnetfeld herausgedrängt. Sauerstoff dagegen ist vergleichsweise stark paramagnetisch, er wird in ein Magnet­ feld hineingezogen. Da sonst nur noch Stickoxide paramagnetisch sind, die in den meisten Anwendungsfällen nur in Spuren vorhanden sind, ist diese Eigenschaft sehr selektiv. Die konventionellen thermomagnetischen, magneto-mechanischen und magneto-pneumatischen Verfahren nutzen in verschiedener Weise die Kraftwirkungen des Magnetfeldes auf den Sauerstoff aus. Die Hauptfehlerquellen liegen gerade in der Umwandlung über die mechanischen und pneumatischen Größen. Es liegt daher nahe, die direkte Wirkung des paramagnetischen Sauerstoffs auf ein Magnetfeld zu erfassen.

Ähnliche Überlegungen wurden spätestens seit Beginn der 80er Jahre in der damali­ gen Sowjetunion und später in der Ukraine angestellt [1, 2, 3]. Aus der Patentliteratur sind weitere Möglichkeiten bekannt, die Sauerstoffkonzentration durch Veränderung des Magnetfeldes zu erfassen. Bekannt sind einfache magnetische Kreise, die einen Magneten (permanent oder elektrisch), einen Spalt für das Meßgas sowie einen für den Magnetfeldsensor enthalten. Meßgas und Sensor können sich auch in einem Spalt befinden. Teilweise ist der Sensor nicht in einem Spalt befindlich, sondern als Sensorwicklung ausgeführt. Konstante Verhältnisse bei der Magnetfelderzeugung vorausgesetzt (konstante Magnetfeldstärke), ist die magnetische Flußdichte im Spalt abhängig von der Permeabilität der Gasfüllung im Spalt. Es läßt sich nachweisen, daß die Flußdichte sich relativ um ca. 1.86.10^-6 erhöht, wenn die Konzentration des Sauerstoffs von 0 auf 100% steigt. Durch entsprechend sehr starkes Primärmagnet­ feld sind hinreichend genau meßbare absolut veränderte Flußdichten erzeugbar (mT). Der Einfluß äußerer Magnetfelder kann nicht vernachlässigt werden, so daß in ge­ eigneter Weise eine Referenz- oder Kompensationsmessung vorzusehen ist. Dazu werden verwendet z. B. wechselnde Gasfüllung des Meßspaltes mit Meßgas und Referenzgas (DE 33 13 537, DE 16 48 924) oder das periodische Einbringen eines Referenzköpers (DE 35 44 966, DE-OS 29 04 427). Bekannt ist auch ein Vergleich zweier ähnlicher magnetischer Kreise, wobei im Spalt des einen Kreises Meßgas, in dem des anderen Referenzgas enthalten ist (EP 0 161 776). Die genannten Verfahren haben Nachteile. Sie verfügen nicht über einen stabilen Nullpunkt, d. h. das Signal bei nicht vorhandenem Sauerstoff ist ungleich Null und abhängig von der Stärke des verwendeten Magneten. Damit unterliegt es möglichen, z. B. temperaturbedingten Schwankungen der Magnetfeldstärke. Die Empfindlichkeit dieser Verfahren ist gering. Wie oben dargestellt ist die relative Änderung der magnetischen Flußdichte im Meß­ spalt extrem klein. Daher werden sehr empfindliche Magnetfeldsensoren benötigt. Akzeptable Auflösung und Reproduzierbarkeit können nur mit größtem Aufwand erreicht werden.

Aus der Literatur sind magnetische Brücken bekannt, die analog einer Wheatstone­ schen Brücke arbeiten. Sie weisen einen oder zwei Meßspalte sowie Referenzspalte auf. Der Magnetfeldsensor befindet sich in einem Spalt zwischen den Brückenzwei­ gen. Die Vorrichtung kann so eingestellt werden, daß im Nullpunkt kein magnetischer Fluß am Sensor auftritt. Tritt Sauerstoff in die Meßspalte ein, so wird die Brücke verstimmt und ein meßbarer magnetischer Fluß tritt in ihr auf. Die Empfindlichkeit ist höher als bei den vorgenannten Verfahren. Mit insgesamt fünf Spalten sind diese Anordnungen recht aufwendig in Fertigung und Justage.

Um kostengünstige Sensoren einsetzen zu können, muß möglichst schon im Magnet­ kreis eine Erhöhung der Empfindlichkeit bewirkt werden. Gleichzeitig sollte der mecha­ nische Aufbau möglichst einfach sein. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung durch die folgende Anordnung gelöst (Fig. 1):

Ein vermaschter magnetischer Kreis enthält zwei Teilkreise. Jeder von ihnen enthält einen Magneten 1, 2 (elektrisch oder permanent) sowie einen Spalt. Im Referenzkreis ist im Spalt 3 ein Referenzmedium sowie eine Abgleichscheibe 4 angeordnet. Damit kann der magnetische Widerstand Rm_R des Referenzspaltes 3 innerhalb gewisser Grenzen eingestellt werden. Der Spalt 5 des Meßkreises wird vom Meßgut 6 durch­ strömt. Sein magnetischer Widerstand Rm_M ist daher abhängig von der Sauerstoffkon­ zentration im Meßgut 6. Im gemeinsamen Zweig beider Kreise ist ein weiterer Spalt mit einem Magnetfeldsensor 7 angeordnet. Er hat den magnetischen Widerstand Rm_S. Die Durchflutungen (Θ₁, Θ₂) der Magnete 1, 2 der Teilkreise sollten sehr groß, aber einander möglichst gleich gewählt werden. Dies kann durch sorgfältig ausge­ wählte Permanentmagnete oder durch in Reihe geschaltete gleiche Wicklungen erreicht werden. Mit Hilfe der Abgleichscheibe 4 im Referenzspalt 3, der ein Referenz­ gas oder einen festen Vergleichsstoff enthält, wird die Anordnung so eingestellt, daß die magnetischen Flüsse Φ₁, Φ₂ der Teilkreise 1, 2 gleich sind. Damit wird der Fluß Φ_S im Sensorspalt Null, wenn die Sauerstoffkonzentration im Meßspalt 5 Null ist. Wird durch Anwesenheit von Sauerstoff im Meßspalt 5 die Anordnung verstimmt, so entsteht ein magnetischer Fluß Φ_S im Sensorspalt, der sehr empfindlich auf Änderun­ gen des magnetischen Widerstandes Rm_M des Meßspaltes 5 reagiert. Die Quer­ schnittsfläche des Sensorspaltes wird so gewählt, daß die Flußdichte Φ_S im optimalen Bereich für den jeweiligen Sensor 7 liegt. Die Empfindlichkeit des Gesamtsystems hängt entscheidend von der Auslegung des Magnetkreises ab. Die Widerstands­ änderung einer Feldplatte im Sensorspalt bei 1% Konzentrationsänderung des Sauerstoffs im Meßspalt M kann überschläglich mit

veranschlagt werden. Durch geeignete Auslegung des Magnetkreises, speziell eine sehr kleine Differenz der Durchflutungen, wird gewährleistet, daß Θ₂/(Θ₂-Θ₁ < 10³ wird. Damit kann die Widerstandsänderung für 1% Sauerstoff mindestens im mΩ- Bereich nachgewiesen werden. Die Durchflutung der Magnete isttemperaturabhängig. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist es nicht erforderlich, die Temperatur konstant zu halten, sofern beide Magnete die gleiche Temperatur haben. Der Temperaturkoeffizient

erscheint in der obigen Gleichung der relativen Änderung in Zähler und Nenner als Faktor zu den Durchflutungen, kann daher ausgeklammert und gekürzt werden. Die Anordnung ist insofern selbstkompensierend.

Der Referenzspalt 3 ist z. B. für Modulationseinrichtungen nutzbar, z. B. indem peri­ odisch ein Blech oder anderer Stoff als Referenz in den Spalt gebracht wird (Chop­ per). Eine weitere Modulationsmöglichkeit besteht darin, eine der Durchflutungen durch eine kleine zusätzliche Wicklung, die von einem Wechselstrom durchflossen wird, periodisch zu verändern. Sie kann in einem der beiden Teilkreise oder in der Brücke angeordnet sein. Statt des Sensorspaltes mit einem Magnetfeldsensor 7 kann auch eine nicht unterbrochene Brücke verwendet werden. Die Erfassung des magne­ tischen Flusses darin erfolgt mit einer Meßwicklung.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung vereinigt hohe Empfindlichkeit des vermasch­ ten magnetischen Kreises mit verhältnismäßig einfachem Aufbau (3 Spalte). Sie kann neben der Messung der Sauerstoffkonzentration in Gasen auch für die Erfassung von Spuren magnetischer Metalle in dünnen Bahnmaterialien oder in Flüssigkeiten benutzt werden.

Literatur

[1] Kraftschenko, A.A. et al.: A.S.N849482, SSSR. Magnitny analisator, 1981, bjul.27

[2] Afanasjewa, W. P.: Metrologitscheskije charakteristiki elektrochimitscheskich datschikov kisloroda. Perwitschnye ismeritjelnye preobrasatjeli w gasoanalitscheskom priborostroenie. Sbornik nautschnych trudov WNIIAP.K., WNIIAP, 1988

[3] Kraftschenko, A.A.; Daschkowski, A.A.: Nekotorye woprosy kolitschestwen­ nowo analisa kisloroda w gasowych smesjach; Ukrainski nautschno­ issledowatjelski institut analititschekowo priborostroenia, Ukraina, Kiew, 1991

Claims (4)

1. Vorrichtung, vorzugsweise zur Bestimmung des Anteils von Stoffen mit para­ magnetischen Eigenschaften, insbesondere von Sauerstoff, aber auch des Anteils von magnetischen Stoffen in Stoffgemischen, beruhend auf einer Magnetkreisanordnung, die einen Meßspalt, der vom Meßgut durchströmt wird, einen Referenzspalt, der stets oder periodisch wenigstens ein Referenzgut oder einen Referenzkörper enthält und eine Sensorstrecke, die eine Sensorwicklung oder einen Sensorspalt mit einem Magnetfeldsensor aufweist, umfaßt, gekennzeichnet dadurch, daß die Magnetkreis­ anordnung aus genau zwei Teilkreisen oder Maschen besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in jedem Teilkreis wenigstens eine magnetomotorische Quelle vorhanden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Sensorstrecke eine gemeinsame Strecke beider Teilkreise ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich der Meßspalt in dem einen Teilkreis und der Referenzspalt in dem anderen Teilkreis befindet.