DE2000212B2 - Verfahren zur messung der suszeptibilitaetsdifferenzen von gasgemischen - Google Patents

Description

lumina sowohl an Festkörpersubstanz als auch an Gasvolumen vorhanden sind. Ferner ist dafür gesorgt, daß diese Bedingung auch im Rahmen der sich meßtechnisch ergebenen Lageänderungen des Probekörpers erhalten bleibt. Als zweckmäßige Gaskainmerformen kommen flache zylindrische oder halbzylindrische Formen in Frage. Auch Hohlkugeln sind möglich, doch bringen diese bei sonst gleichen Bedingungen einen Empfindlichkeitsveriust, weil nur ein im Vergleich zur zylindrischen Kammer geringerer Teil der inhomogenen Zone für den Meßeffekt ausgenutzt wird.

Bei der Methode nach Pauling ist eine strenge Zuordnung der Kugel bzw. der Hantel zum Feldgradienten erforderlich, da der Meßeffekt dem Produkt aus Feldstärke und Feldgradient proportional ist. So wurde in einem Bericht auf der Society of Instrument Technologie Conference in Swansea/England, September 57 von CW Mu π day ein Feldgradient von etwa 10000 Oerstedt pro cm bei iOOOO Oerstedt Feldstärke angegeben. Dieser hohe Feldgradient bringt es mit sich, daß bei einer Lageänderung der Kugel um nur 0,0007 mm obiges Produkt sich bereits um 0,07 °/o ändert. Wegen der vergleichsweise hohen diamagnetischen Wirkung des Probekörpers (Quarzkugel) entspricht dem beispielsweise eine O₂-Wert-Verfälschung von O,l^fl/o O.,. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Anforderungen an die Konstanz der Gleichgewichtslage um 2 bis 3 Größenordnungen geringer.

In den Abb. 1 bis 6 sind einige Ausfühpingsbeispieie erläutert.

Die Anordnung der Abb. 1 besteht aus einem ferromagnetischen Joch 1, dem Meßspalt 2 mit dem Probekörper 3. Auf dem Joch befinden sich die Gleichstromspule 4 (mit Gleichstromquelle 5) und die Wechselstromspu:e 6 (mit Wechselstromquelle 7). Der Probekörper enthält die Gaskammern M (für Meßgas) und V (für Vergleichsgas). Er ist über die Biegefeder 8 an der Halterung 9 befestigt. An den Probekörper 3 ist ein Magnetstäbchen 11 über die Verbindung 10 angebracht. Das Stäbchen befindet sich in einer Spule 12 oder einer anderen magnetischen Aufnahmeeinrichtung. Das Stäbchen kann auch bei entsprechender Aufnahmeeinrichtung durch ein Weicheisenstäbchen ersetzt werden. Fließt durch die Spule 4 ein Gleichstrom /„ und durch die Spule 6 ein Wechselstrom /,. so wird im Meßspalt ein Gleichfeld H₀ mit überlagertem Wechselfeld H₁ erzeugt. Befindet sich in der Kammer M beispielsweise O., und in V beispielsweise N.,. so wirkt auf den Probekörper 3 eine periodisch wechselnde Kraft k. die der f ,igenden Gleichung (1) genügt.

k = 0,5 (H_n -L H₁ sin ,„tf (*₀₂ - *,.,) -l_K-b. (1)

Dabei bedeutet: ω = Kreisfrequenz des Wechselstromes; *₀., bzw. *_N·.,== Suszeptibilität von O₂ bzw. N.,; l_K = Länge der Gaskammer; b = wirksame Breite der Gaskammer (in A b b. 2 gleich Breite des Meßspaltes).

Unter Vernachlässigung des Gleichfcldanteilcs und des Anteiles für die doppelte Frequenz folgt für die Kraft-Amplitude K

K = H„-H_r(y._n.,~y._K.J-l_K-b. (2)

Die Wechselkraft erregt den Schwinger zu Querschwingungen, die mit der magnetischen Aufnahmecinrichtung 11 und 12 in Wcchselspannungen umgeformt werden und die nach Verstärkung (Verstärker 13) mit dem Anzeiger oder Schreiber 14 gemessen werden können. Die vom Instrument 14 angezeigte Spannung ist dann ein Maß für die zu messende Suszeptibilitätsdifferenz.

In der Abb. 2 ist eine Ausführungsform des Probekörpers, der zur Anordnung nach A b b. 1 gehört, wiedergegeben. Der Probekörper 3 ist hier als flache zylindrisch Doppelmeßkammer mit einer gas-

dichten Trennwand 15 ausgeführt. Die Wand 15 trennt die Meßkammer M von der Vergleichskammer V ab. Die Kammer M enthält zwei kleine Öffnungen 16 und 17 welche dem Austausch des Meßgases in M dienen (diese Öffnungen sind in den folgenden Abbildungen fortgelassen).

Die ganze Anordnung ist so in ein nicht gezeichnetes Gehäuse, das vom Meßgas durchströmt wird, angebracht, daß die Umgebung d^ , Probekörpers und der Meßspait stets vom Meßgas εΐΓϋΙΊ sind.

»ο In A b b. 2 ist die Zuordnung von Probekörper 3 zum Magnetjoch 1 erkennbar.

Abb. 3 zeigt eine andere mögliche Ausführungsform eine· Probekörpers für Abb. 1. Hier sind in einer z. B. 2 mm starken Platte aus Kunststoff, Quarz oder einem anderen Isolierstoff, zwei Bohrungen angebracht. Diese Bohrungen werden beidseitig von einem Fenster von z. B. 0,2 mm abgeschlossen, so daß zwei flache zylindrische Kammern (M und V) entstehen. Die Zuordnung des Probekörpers 3 a zum Magnetjoch 1 ist aus A b b. 3 erkennbar.

In A b b. 4 und 5 ist eine Anordnung mit Torsionsschwinger gezeigt. Sie enthält die Magnetjoche 21 und 31 mit den Meßspalten 22 und 32 und den Probekörpern 23 und 33, ferner die Spulen 24 und 26 und die Stromquellen 25 (für Gleichstrom) urd 27 (für Wechselstrom). Die Probekörper 23 und 33 sind über die starre Verbindung 30 miteinander verbunden. Auf der Verbindung sitzt der Spiegel 40. Das Gebilde 23, 33 und 40 ist an einem Torsionsfaden 28, 38, der an den Halteelementen 29 und 39 befestigt ist, drehbar und schwiiigungsfähig aufgehängt. Die Trennwände 34 und 35 trennen jeweils die Meßkammern von der Vergleichskammer ab. Die Zuordnung zum Magnetfeld 21 ist wieder aus A b b. 5 erkennbar. Die Gaskammeranordnung entspricht der in A b b. 2. Das von der Lichtquelle 36 ausgehende Lichtbündei 37 (Linsen und andere optische Mittel sind nicht eingezeichnet) tastet über den Spiegel 40 in Verbindung mit der Kantenblende 41, der Photozelle 42, dem Wec'isei ,pannungsverstärker 43 und dem Anzeiger 44 die Sti-'lung des Schwingers ab, wobei unabhängig von nicht zu großen Änderungen der statischen Ruhelage d( s Schwingers die Spannung am Anzeiger 44 ein Maß für die Schwingungsamplitude des Schwingers ist, welche wiederum ein Maß für die Suszeptibi-Iitätsdifferenz zwischen M und V ist.

Die gezeigte Anordnung läßt sich dadurch erweitern, daß auf beide Probekörper (eventuell auch nur auf einen) eine Spule von z. B. einer Windung (Windungsfläche parallel zum Meßspait) aufgebracht wird, durch welche der gleichgerichtete und passend gepoltc und eventuell abgeschwächte Ausgangstrom des Verstärkers 43 geschickt wird.

Bei richtigem Windungssinn bzw. richtiger Polarität wird dann die Kraftwirkung des Magnetfeldes auf den Schwinger kompensiert und die Schwingung praktisch zu null gemacht. Bei vollständiger Kompensation bleibt der Schwinger praktisch in Ruhe. Der

erforderliche Kompensationsstrom ist dann ein proportionales Maß für die Suszeptibilitätsdifferenz zwischen M und V. Auch hierbei haben Änderungen der statischen Ruhelage des Schwingers praktisch keinen Einfluß auf das Meßergebnis.

Natürlich kann die Kompensation der mechanischen Schwingung auch mittels anderer elektrischer, magnetischer oder eventuell auch mechanischer Mittel erfolgen.

Die A b b. 6 und 7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführung mit vier Gaskammern und einem Doppelspalt. Die Funktion der Anordnung ergibt sich aus den Erläuterungen zu Abb. 1 bis 5. Der Magnetkreis mit den Spulen ist hierbei fortgelassen, es sind lediglich die Polschuhc 51 angedeutet. Im übrigen bedeutet 52 den Meßspalt; 53 den Torsionsschwinger mit der Aufhängung 58; 66, 67, 60 und 69 den optischen Teil zur Abtastung der Schwingerstellung (Lichtquelle 66, Lichtbündel 67, Spiegel 60, Kantenblende 68 und Photozelle 69); 70 und 71 den Verstärker mit Anzeiger.

In Abb. 8 ist noch eine vereinfachte Variante skizziert. Hierbei schwingt ein die Gaskammer V und M enthaltender Torsionsschwinger 82, 83, 84 im Meßspalt des Magnetjoches 81. Das Joch besitzt, wie skizziert, einen nutenförmigen Ausschnitt 84, der zur Aufnahme des Torsionsfadens dient. Die Abtastung des Schwingers erfolgt hierbei wieder optisch, z. B. gemäß A b b. 5.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung mit Torsionsschwinger und optischer Abtastung ist die Tatsache, daß hier nur eine Photozelle benötigt wird.

Der Frequenzbereich für das Wechselfeld ergibt sich aus dem allgemeinen Stand der elektrisch-mechanischen und optisch-mechanischen Schwingungstechnik und ist zumindest im Nieder- und Mittelfrequenzbcrcich nicht durch das Meßphänomen selbst begrenzt. Im allgemeinen dürften Frequenzen zwischen 2 und 200 Hertz zweckmäßig sein.

Was die Art der Felderregung anbetrifft, so hängt

diese unter anderem von der Meßfrequenz ab. Möglieh sind beispielsweise Erregung mit Wechselstrom, Erregung mit pulsierendem Gleichstrom, Erregung mit Permanentmagnet und Wechselstrom.

Um das Stör- zu Nutzverhältnis bei der Messung der Schwingungsamplitude des Schwingers klein zu halten und um gleichzeitig den erforderlichen Verstärkungsaufwand zu reduzieren, wurde in einer Ausführung so gearbeitet, daß die Resonanzfrequenz des Schwingers gleich der Frequenz der Wechselfeldcrregung war. Hierbei ergibt sich bei hinreichend ao kleiner Dämpfung des Schwingers eine kräftige Erhöhung des Meßeffektes durch Resonanzüberhöhung. Von den möglichen Anwendungen der Suszeptibilitätsmessung ist die wohl technisch wichtigste die Sauerstoff-Konzentrationsmessung.
as Aus dem geschilderten Meßprinzip folgen noch die weiteren nachfolgenden Vorteile für die erfindungsgemäße Anordnung:
1. Praktisch keine Abhängigkeil des Meßwertes vom Gasd'irchfluß.

2. Von der diamagnetischen Strömung abgesehen Unabhängigkeit von der Begleitgaszusammensetzung.
3. Hohe Ansprechgeschwindigkeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

wäre dieses störende Drehmoment 1600mal größer Patentansprüche: als der Drehmomentänderang für die Nachweisgröße entspricht. Außerdem ist sehr störend, daß die Tem-

1. Vorrichtung zum Messen der Suszeptibili- peraturabhängigkeit für die Suszeptibilität des festen tätsdifferenz zweier Gase, insbesondere einem 5 Probekörpers eine völlig andere ist als für ein paraGasgemisch veränderlicher Suszeptibilität (Meß- magnetisches Gas (z. B. Sauerstoff). Das bedeutet, gas) und einem Gas konstanter Suszeptibilität daß ein bei einer Temperatur eingestelltes Gleich-(Vergleichsgas), bestehend aus einem Magneten gewicht für den Probekörper bei einer anderen Temzwischen dessen Polschuhen (Meßspalt) ein Kör- peratur sicher nicht mehr stimmt.

per aus einem Material geringer Permeabilität be- ίο Es wurde nun gefunden, daß die genannten Nachweglich aufgehängt ist, wobei dessen Auslenkung teile mit der erfindungsgemäßen Methode vermieden ein Maß für die Suszeptibilitätsdifferenz ist, da- werden können und sich darüber hinaus einige durch gekennzeichnet, daß der Körper wesentliche Vorteile ergeben. Mit Hilfe der erfinzwei Kammern von vorzugsweise gleicher Größe dungsgemäßen Anordnung gelingt es, die Messung und Form enthält, von denen eine Kammer vom 15 der Suszeptibilitätsdifferenz von Gasgemischen in Meßgas beströmt und die andere Kammer mit einer den Anforderungen der Praxis entsprechenden Vergleichsgas gefüllt ist und ferner der Körper Weise durchzuführen.

im Meßspalt so aigeordnet ist, daß bei seiner Da die Anwendung eines magnetischen Gleich-

Ruhelage (Suszeptibilitätsdifferenz beider Gase feldes ohne Wechselfeldkomponente für die meß- = 0) jede der beiden Kammern mit einem in 20 technische Ausführung der Methode unzweckmäßig Form und Größe gleichen Volumenanteil in die ist, wurde in den erfindungsgemäßen Anordnungen Inhornogenitätszone einer symmetrischen Pol- prinzipiell mit Wechselfeldüberlagerung gearbeitet, anordnung ragt. wenngleich grundsätzlich die Methode auch bei der

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Messung im Gleichfeld anwendbar wäre,
kennzeichnet, daß der Meßspalt von parallelen 25 Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Polschuhflächen begrenzt ist und bei der Bewe- Messen der Suszeptibilitätsdifferenz zweier Gase, insgung des Gebildes das in der inhomogenen Zone besondere einem Gasgemisch veränderlicher Suszepsich befindende Gesamtvolumen an Kammerhohl- tibilität (Meßgas) und einem Gas konstanter Suszepraum und Kammermaterial konstant bleibt. tibilität (Vergleichsgas), bestehend aus einem Magne-

3. Vorrichtung nach Anspruch Ί. oder 2, da- 30 ten zwischen dessen Polschuhen (Meßspalt) ein Kördurch gekennzeichnet, daß ein Magnet mit zu- per aus einem Material geringerer Permeabilität besätzlicher periodischer Erregung verwendet ist. weglich aufgehängt ist, wobei dessen Auslenkung ein

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch Maß für die Suszeptibilitätsdifferenz ist. Sie ist dagekennzeichnel, daß eine Kompensation der Aus- durch gekennzeichnet, daß der Körper zwei Kamlenkung mit elektromagnetischen Mitteln erfolgt 35 mern von vorzugsweise gleicher Größe und Form und der Kompensationsstrom ein Maß für die enthält, von denen eine Kammer vom Meßgas be-Suszeptibilitätsdifferenz ist. strömt und die andere Kammer mit Vergleichsgas

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, da- gefüllt ist und daß der Körper im Meßspalt so angedurch gekennzeichnet, daß das schwingende Ge- ordnet ist, daß bei seiner Ruhelage (Suszeptibilitätsbilde in seiner Resonanzfrequenz auf die Fre- 40 differenz beider Gase = 0) jede der beiden Kammern quenz der periodischen Magnetflußänderung ab- mit einem in Form und Größe gleichem Volumengestimmt ist. anteil in die Inhomogenitätszone einer symmetrischen

Polanordnung ragt.

Das Wesen des Erfindungsgedankens liegt in der

45 Verwendung eines Probekörpers mit zwei Kammern

für das Meßgas bzw. ein Vergleichsgas, konstanter

Der Stand der Technik ist aus dem Handbuch Zusammensetzung in einem oder mehreren Meß-

»Messen und Regeln in der chemischen Technik« spalten eines magnetischen Kreises, wobei dafür ge-

von Hengstenberg, Sturm und Winkler, 1964, sorgt ist, daß bei gleicher Suszeptibilität von Meß-und

S. 527 bis 548 zu entnehmen. Des weiteren sei die 50 Vergleichsgas die Resultierende der auf den Probe-

USA.-Patentschrift 2416 344 von Pauling genannt. körper wirkenden Kräfte zu null wird. (Im Falle des

Ein wesentlicher Nachteil bei dem in der genann- Torsionsschwingers tritt an Stelle der Kräfteresultieten USA.-Patentschrift beschriebenen Verfahren ist renden die Resultierende der Drehmomente.) Im die Tatsache, daß neben den für die Messung nutz- einzelnen wird dies durch folgende Maßnahmen erbaren Kräften auf den verwendeten Probekörper 55 reicht:

auch noch meßtechniscli wirksame Kräfte auftreten, 1. Durch Verwendung eines Magnetkreises mit

die ihre Ursache in der Permeabilität des Materials einem homogenen Meßspalt mit zweckmäßiger-

des Probekörpers selbst haben. Nimmt man einmal weise schmaler Inhomogenitätszone und Zuord-

an, daß der verwendclc Probekörper aus zwei Quarz- nung des Probekörpers in solcher Weise, daß

kugeln von 2,5 mm Durchmesser und 0,1 mm Wand- 60 jede der Gaskammern von der homogenen Zone

stärke besteht, so ergibt sich wegen der etwa sieben- bis in den praktisch feldfreien Raum reicht,

mal größeren Volumensuszeptibiliiäi von Quarz 2. Durch solche Formgebung der Gaskammern und

gegenüber Sauerstoff unter Normalbedingungen ein des Probekörpers und durch .'ntsprechende Zu-

:twa l,6mal größeres Drehmoment auf den Probe- Ordnung derselben zum Meßspalt, daß sowohl

körper, als der Suszcptibilitätsänderung von 100 %> 65 auf der Meßkammerseite als auch auf der Ver-

SauerstofF entspricht. Für einen in der Technik häufig glcichskammcrseitc des Probeknpers in der

ieforderten Meßbereich von 0 bis 5 °/o Sauerstoff mit inhomogenen Feldzonc in jedem Teilbereich

),!°o absoluter (d. h. 2°/n relativer) Meßgenauigkeit gleichen Feldgradientens stets gleich große Vo-