DE19803990A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Konzentrationsmessung paramagnetischer Gasanteile in einem Gasgemisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung sind aus der US-A-5 369 980 bekannt. Dort ist zur Messung der Kon­ zentration eines paramagnetischen Gasanteils, z. B. Sauer­ stoff, Stickstoffdioxid oder Stickstoffmonoxid, in einem Gas­ gemisch ein von dem Gasgemisch umgebener Körper schwingungs­ fähig in dem Magnetfeld eines Permanentmagneten angeordnet. Der Körper wird dabei an einem Metallstreifen gehalten, der das Magnetfeld quer zur Feldrichtung durchkreuzt und von ei­ nem Wechselstrom durchflossen wird. Als Folge davon schwingt der Metallstreifen mit dem daran befestigten Körper mit der Frequenz des Wechselstromes, wobei die Schwingung durch das den schwingenden Körper umgebende Gasgemisch gedämpft wird. Im Unterschied zu den übrigen Gasanteilen des Gasgemischs, die wie die meisten Gase diamagnetisch sind, werden die para­ magnetischen Gasanteile durch das Magnetfeld angezogen und um den Körper herum verdichtet, so daß die Dämpfung der Schwin­ gung von der Konzentration der paramagnetischen Gasanteile abhängig ist. Die meßtechnische Bestimmung dieser Konzentra­ tion erfolgt dementsprechend durch Erfassung und Auswertung geeigneter Schwingungsparameter, wie z. B. der Schwingungs­ frequenz, der Güte des Schwingungssystems, der Schwingungs­ amplitude oder der Energie, die notwendig ist, um die Schwin­ gung des Körpers aufrechtzuerhalten. Dazu wird die in dem schwingenden Metallstreifen induzierte Spannung erfaßt und ausgewertet.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Konzentrationsmessung para­ magnetischer Gasanteile durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren bzw. die in Anspruch 7 angegebene Vorrichtung. Da­ bei wird durch das sich ändernde Magnetfeld in der Umgebung des schwingungsfähigen Körpers ein sich entsprechend ändern­ der Partialdruck der paramagnetischen Gasanteile erzeugt, wobei aufgrund des in der Umgebung des Körpers inhomogenen Magnetfeldes an unterschiedlichen Stellen des Körpers unter­ schiedliche Kräfte auf diesen wirken. In Abhängigkeit von den Umgebungsdruckverhältnissen wird daher der Körper mehr oder weniger aus seiner Ruhelage verdrängt und zum Schwingen an­ geregt. Dabei wird die Konzentration der paramagnetischen Gasanteile durch Erfassung und Auswertung geeigneter Schwin­ gungsparameter bestimmt.

Die Feldstärke des Magnetfeldes kann im Rahmen der Erfindung periodisch variiert werden, wobei das Magnetfeld vorzugsweise als Wechselmagnetfeld erzeugt wird. Als Magnetanordnung dient hierbei ein aus einer Wechselstromquelle gespeister Elektro­ magnet.

Das sich ändernde Magnetfeld bewirkt nicht nur die zu er­ fassende Schwingung des Körpers, sondern kann zusätzlich un­ erwünschte Wechselspannungen in der zur Erfassung und Aus­ wertung der Schwingungen dienenden Einrichtung induzieren. Der Einfluß dieser Wechselspannungen auf die Erfassung der Schwingung des Körpers kann durch geeignete Filter- oder Kompensationsmaßnahmen beseitigt werden. Solche Maßnahmen sind in vorteilhafter Weise nicht erforderlich, wenn die Feldstärke des Magnetfeldes pulsweise verändert wird und die Schwingungsparameter in den Pulspausen erfaßt werden.

Bezüglich der schwingungsfähigen Anordnung des Körpers und der Erfassung und Auswertung geeigneter Schwingungsparameter bestehen im Rahmen der Erfindung unterschiedliche Möglich­ keiten. So kann der Körper an einem biegeelastischen Element gehalten sein, dessen Durchbiegung mit Hilfe geeigneter Mit­ tel, wie ein an dem biegeelastischen Element angeordnetes oder dieses bildende Piezoelement oder ein Dehnungsmeß­ element, erfaßt wird.

Alternativ kann die Auslenkung des schwingenden Körpers optisch erfaßt werden, wozu beispielsweise ein Lichtstrahl von einem an dem schwingenden Körper angeordneten Spiegel auf einen Lichtsensor mit örtlicher Auflösung gelenkt wird.

Schließlich kann der Körper so wie beim Stand der Technik an einem das Magnetfeld kreuzenden Metallband aufgehängt sein, wobei der in dem Metallband induzierte Strom erfaßt und aus­ gewertet wird. Darüber hinaus sind weitere, z. B. kapazitive und induktive, Meßverfahren denkbar.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zei­ gen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor­ richtung mit einem an einem biegeelastischen Element gehaltenen Körper, dessen Schwingungen mittels eines Piezoelements oder Dehnungsmeßelements erfaßt wer­ den,

Fig. 2 ein Beispiel für eine optische Erfassung der Schwin­ gungen des Körpers,

Fig. 3 ein alternatives Beispiel für die Aufhängung des Körpers an einem Metallband und die Erfassung der Schwingungen des Körpers durch die in dem Metallband induzierte Spannung und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Magnet­ felderzeugung und zur Erfassung und Auswertung der Schwingungen des Körpers.

Fig. 1 zeigt eine Magnetanordnung, die aus einem Elektro­ magneten 1 mit zwei einander gegenüberliegenden Polschuhen 2 und 3, einer Wicklung 4 und einer daran angeschlossenen Stromquelle 5, hier einer Wechselspannungsquelle, besteht. Im Bereich des zwischen den beiden Polschuhen 2 und 3 erzeugten Magnetfeldes 6 ist eine hier nur angedeutete Meßkammer 7 an­ geordnet, die ein Gasgemisch mit bezüglich ihrer Konzentra­ tion zu bestimmenden paramagnetischen Gasanteilen, z. B. Sauerstoff, enthält. In der Meßkammer 7 ist in einem Bereich zwischen den Polschuhen 2 und 3, in dem das Magnetfeld 6 in­ homogen ist, ein Körper 8, hier eine Glaskugel, schwingungs­ fähig angeordnet. Dazu ist der Körper 8 an dem freien Ende eines biegeelastischen Elements 9 gehalten, das an seinem anderen Ende in einer Halterung 10 fest eingespannt ist. An dem biegeelastischen Element 9 ist ein Piezoelement 11 oder alternativ ein hier nicht gezeigtes Dehnungsmeßelement ge­ halten, an dem eine Einrichtung 12 zur Erfassung und Aus­ wertung von Schwingungen des Körpers 8 angeschlossen ist.

Die paramagnetischen Gasanteile des Gasgemischs in der Meß­ kammer 7 werden von dem Magnetfeld 6 angezogen und dort ver­ dichtet, so daß im Bereich des Magnetfeldes 6 ein höherer Partialdruck vorliegt, der um so höher ist, je größer die Feldstärke ist. Da der Körper 8 in einem Bereich des Magnet­ feldes 6 angeordnet ist, in dem dieses inhomogen ist, wirken an unterschiedlichen Stellen des Körpers 8 auf diesen unter­ schiedlich hohe, durch den Partialdruck der paramagnetischen Gasanteile hervorgerufene Kräfte. Der Körper 8 wird daher aus dem Magnetfeld 6 herausgedrängt, was zu einer Biegung des biegeelastischen Elements 9 führt, die mittels des Piezo­ elements 11 und der daran angeschlossenen Einrichtung 12 erfaßt wird. Da der Elektromagnet 1 aus der Spannungsquelle 5 mit einem periodisch variierenden Strom, hier einem Wechsel­ strom I∼, gespeist wird, ist das Magnetfeld 6 ein Wechsel­ magnetfeld, so daß auch die Partialdruckverhältnisse in der Meßkammer 7 zwischen den Polschuhen 2 und 3 periodisch vari­ ieren und somit den Körper 8 zu einer Schwingung anregen. Die Stärke dieser Schwingung ist von der Konzentration der para­ magnetischen Gasanteile in dem Gasgemisch abhängig, was über die Biegung des biegeelastischen Elements 9 erfaßt und aus­ gewertet wird.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine alternative Erfassung der Schwingung des Körpers 8, der hier in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 an einem biegeelasti­ schen Element 9 gehalten ist, das in einer Halterung 10 fest eingespannt ist. Anstelle des Piezoelements 11 oder des dazu alternativen Dehnungsmeßelements ist hier an dem biegeelasti­ schen Element 9 ein Spiegel 13 angeordnet, der einen von einer Lichtquelle 14 kommenden Lichtstrahl 15 auf einen aus mehreren nebeneinanderliegenden Sensorelementen 16 bestehen­ den Lichtsensor 17 reflektiert, dem eine Auswerteeinrichtung 18 nachgeordnet ist. Je nach Auslenkung des Körpers 8 wird der Lichtstrahl 15 auf unterschiedliche Sensorelemente 16 des Lichtsensors 17 reflektiert. Der Spiegel 13 kann natürlich auch unmittelbar an dem Körper 8 oder als Teil des Körpers 8 ausgebildet sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Körper 8 an einem Metallband 19 gehalten, das das Magnetfeld 6 quer zur Feldrichtung durchkreuzt. Das Metallband 19 ist an seinen beiden Enden an elastischen Aufhängungen 20 und 21 gehalten, so daß es quer zu seiner Längsrichtung auslenkbar ist. An den beiden Enden des Metallbandes 19 ist eine Auswerteeinrichtung 22 angeschlossen, die in dem Metallband 19 induzierte Span­ nungen erfaßt, die von Schwingungen des Körpers 8 und damit Schwingungen des Metallbandes 19 hervorgerufen werden.

In dem Blockschaltbild nach Fig. 4 ist mit 23 eine Einrich­ tung bezeichnet, die die Schwingungen des Körpers 8 erfaßt und je nach Ausführung dem in Fig. 1 gezeigten Piezoelement 11 oder Dehnungsmeßelement, dem in Fig. 2 gezeigten Licht­ sensor 17 oder dem in Fig. 3 gezeigten Metallband 19 ent­ spricht. Der Einrichtung 23 ist eine Auswerteeinrichtung 24 entsprechend den in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Ein­ richtungen 12, 18 und 22 nachgeordnet. Die Wechselstrom­ quelle 5 speist die Wicklung 4 des Elektromagneten 1 mit dem Wechselstrom I∼. Bei den in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung be­ wirkt das Wechselmagnetfeld 6 nicht nur die gewünschte Aus­ lenkung des Körpers 8, sondern induziert in dem Meßstromkreis zwischen der Einrichtung 23 und der Einrichtung 24, also z. B. im Falle der Fig. 1 zwischen dem Piezoelement 11 und der Auswerteeinrichtung 12, eine unerwünschte Wechselspannung mit der Frequenz des Wechselstromes I∼. Demgegenüber ist die Änderungsfrequenz des Partialdruckes der paramagnetischen Gasanteile im Bereich des Magnetfeldes 6 und damit die Schwingungsfrequenz des Körpers 8 doppelt so groß, so daß der störende Wechselspannungsanteil in dem Meßstromkreis mit ein­ fachen Mitteln herausgefiltert werden kann. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel geschieht dies dadurch, daß der Wechselstrom I∼ der Einrichtung 24 zugeführt und dort von dem Signal der Einrichtung 23 subtrahiert wird. Die Mes­ sung der Konzentration der paramagnetischen Gaskomponenten erfolgt durch Auswertung geeigneter Schwingungsparameter, z. B. der Frequenz oder Amplitude der Schwingungen des Kör­ pers 8. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Fre­ quenz der Wechselspannungsquelle 5 in Abhängigkeit von der erfaßten Schwingungsfrequenz des Körpers 8 gesteuert und auf einen festen Frequenzwert eingestellt. Dazu wird das Aus­ gangssignal der Einrichtung 24 über einen Signalweg 25 oder alternativ das Ausgangssignal der Einrichtung 23 über einen hier gestrichelt angedeuteten Signalweg 26 der Stromquelle 5 als Steuersignal zugeführt. Die Konzentration der paramagne­ tischen Gaskomponente in dem Gasgemisch bestimmt sich dabei aus der Amplitude der Schwingung oder der von der Strom­ quelle 5 zur Aufrechterhaltung der Schwingung abgegebenen Energie.

Der Einfluß der in dem Meßstromkreis induzierten Wechsel­ spannung auf die Erfassung und Auswertung der Schwingungen des Körpers 8 läßt sich auch dadurch beseitigen, daß der Wechselstrom I∼ pulsweise erzeugt wird und die Erfassung und Auswertung der Schwingungen in den Pulspausen stattfindet.

Claims (14)

1. Verfahren zur Konzentrationsmessung paramagnetischer Gas­ anteile in einem Gasgemisch, wobei ein von dem Gasgemisch umgebener Körper (8) in einem Magnetfeld (6) schwingungsfähig angeordnet wird und mindestens ein Schwingungsparameter des schwingenden Körpers (8) zur Bestimmung der Konzentration erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) in einem Bereich des Magnetfeldes (6) angeordnet wird, in dem dieses inhomogen ist, und daß die Feldstärke des Magnetfeldes (6) zur Schwingungsanregung des Körpers (8) verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke des Magnetfeldes (6) periodisch variiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (6) als Wechselmagnetfeld erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die periodische Variation des Magnetfeldes mit der Frequenz des schwingenden Körpers (8) korrigiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke des Magnetfeldes (6) pulsweise verändert wird und daß die Schwingungsparameter in den Pulspausen er­ faßt werden.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Schwingungsparameter die Frequenz, die Amplitude, die Schwingungsgüte und/oder die zur Aufrechterhaltung der Schwingung des Körpers (8) erforder­ liche Energie erfaßt und ausgewertet werden.

7. Vorrichtung zur Konzentrationsmessung paramagnetischer Gasanteile in einem Gasgemisch mit einer das Gasgemisch ent­ haltenden Meßkammer (7), mit einer Magnetanordnung zur Er­ zeugung eines Magnetfeldes (6) in der Meßkammer (7), mit einem in dem Magnetfeld (6) schwingungsfähig angeordneten Körper (8) und mit einer Einrichtung (23, 24) zur Erfassung und Auswertung von Schwingungen des Körpers (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) in einem Bereich des Magnetfeldes (6) angeordnet ist, in dem dieses inhomogen ist, daß die Magnetanordnung einen Elektromagneten (4) aufweist und daß der Elektromagnet (4) an einer einen sich ändernden Strom (I∼) erzeugenden Stromquelle (5) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stromquelle (5) eine Wechselstromquelle ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Körper (8) an einem biegeelastischen Element (9) gehalten ist und daß die Einrichtung zur Er­ fassung und Auswertung von Schwingungen des Körpers (8) Mittel zur Erfassung der Durchbiegung des Elements (9) auf­ weist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zur Erfassung der Durchbiegung minde­ stens ein Piezoelement (11) umfassen, das an dem biege­ elastischen Element (9) angeordnet ist oder dieses bildet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zur Erfassung der Durchbiegung minde­ stens ein Dehnungsmeßelement umfassen, das an dem biege­ elastischen Element (9) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung und Auswertung von Schwingungen des Körpers (8) Mittel (14 . . . 17) zur optischen Erfassung der Auslenkung des Körpers (8) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) an einem das Magnet­ feld (6) kreuzenden Metallband (19) aufgehängt ist und daß die Einrichtung zur Erfassung und Auswertung der Schwingungen des Körpers (8) Mittel zur Erfassung des in dem Metallband (19) induzierten Stromes aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung und Auswertung von Schwingungen des Körpers (8) Korrekturmittel enthält, in denen ein die Schwingungen des Körpers (8) re­ präsentierendes Signal mit der Variation des Stroms (I∼) für den Elektromagneten (4) korrigiert wird.