DE3145542C2

DE3145542C2 - Paramagnetischer O2-Sensor

Info

Publication number: DE3145542C2
Application number: DE3145542A
Authority: DE
Inventors: Scato 2061 Groß Schenkenberg Albarda; Alfred Prof. Dipl.-Ing. 8000 München Eder
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1981-11-17
Filing date: 1981-11-17
Publication date: 1985-12-12
Also published as: DE3145542A1; GB2111219A; GB2111219B; US4464926A

Abstract

Der paramagnetische O ↓2-Sensor ermöglicht die selektive Messung von Sauerstoff in Gasgemischen aufgrund der gegenüber anderen Gasen hervorstechenden paramagnetischen Eigenschaft. Diese bewirkt im Feld einer Hochfrequenzspule eine Induktivitätsänderung. Der schwache Effekt erfordert Maßnahmen, um Störeinflüsse klein zu halten. Es sind mehrere Hochfrequenzspulen vorgesehen, die, in einem Gehäuse zur Umwelt thermisch und mechanisch abgeschirmt, untereinander gute thermische Kopplung aufweisen. Sie werden in Brückenschaltung betrieben, während ihre Induktionsfelder paarweise in dem Meßgas und einem Referenzgas verlaufen. Die Spulen sind thermisch stabil als gedruckte Silberspulen auf keramischem Träger ausgeführt. Meß- und Referenzgas sind in verspiegelten Quarzrohren gegenüber den Spulen gasdicht geführt. Die Rohre verlaufen in einer Ausführung durch das Innere der Spulen. In einer anderen Ausführung befinden sich die Spulen beiderseits auf einer rotierenden Platte, während die Rohre sehnenförmig neben der Platte im Induktionsfeld vorbeigeführt sind. Der O ↓2-Sensor ist vielfältig in der Technik, insbesondere in Atemschutz, Taucherei und Medizin verwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen paramagnetischen O₂-Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Sauerstoff tritt bei vielen Gasreaktionen als Reaktionspartner und in Atemgeräten als wichtige Gaskomponente auf. Es besteht daher seit langem das Bedürfnis, die O2-Konzentration in den verschiedensten Strömen und Reaktionsstufen kontinuierlich zu erfassen. Da die weiteren Gaskomponenten nach Art und Konzentration stark schwanken können, ist ein möglichst selektiver Analysator von Interesse.

Als charakteristische Eigenschaft des Sauerstoffs bietet sich dessen paramagnetische Suszeptibilität an, da die magnetische Wirkung des Sauerstoffs die der meisten technischen Gase weit übertrifft. Es dominieren daher die auf magnetischer Grundlage beruhenden O2-Meßverfahren. Die drei gebräuchlisten sind die

a) thermomagnetische Methode,

b) das nach dem Prinzip der magnetischen Drehwaage arbeitende Verfahren, und

c) die Steighöhenmethode.

Die Geräte zu a) haben sich als robuste und betriebstüchtige Meßgeräte bewährt. Sie besitzen jedoch den Nachteil, daß Art und Konzentration der Begleitgase, vor allem bei geringer Konzentration, das Meßergebnis verfälschen.

Die magnetische Drehwaage nach Remling zu b) besieht aus zwei dünnwandigen Kugeln, die verbunden durch Stäbchen an einem Torsionsfaden im Feld zweier Magnetpolepaare aufgehängt sind. Dabei sind die Magnetpole und die Kugeln von einer Meßkammer umschlossen. Der Ablenkungswinkel ist das Maß für den O2-Gehalt im Meßgas. Die Schwierigkeiten der Drehwaagenmethode liegen in dem außerordentlich geringen Betrag des zu messenden Drehmomentes und der Empfindlichkeit der Geräte gegen äußere Erschütterungen.

Mit der Steighöhenmethode nach c) werden ein Mcßgasstrom und ein (Orfreier) Vergleichsgasstrom in ein Magnetfeld eingeleitet und die Druckdifferenz zwischen den Hingangsstutzen der beiden Ströme gemessen. Nachteilig ist daß der zu messende Differenzdruck sehr klein ist Eine Besonderheit ist jedoch die hohe Ansprechgeschwindigkeit bei schnellen Konzentrationsänderungen innerhalb des Meßgases.

Es ist ein weiteres Verfahren bekannt das die paramagnetische Eigenschaft des Sauerstoffs zu dessen Bestimmung ausnutzt. Bei diesem Verfahren wird das Gasgemisch in das Innere einer Hochfrequenzspule eingeleitet und dient praktisch als Spulenkern. Entsprechend dem Anteil an paramagnetischen Bestandteilen wird hierdurch die Selbstinduktion der Spule geändert Diese Änderung der Induktion der Spule bewirkt eine Verstimmung eines Hochfrequenzkreises, aus deren Größe man den Anteil an paramagnetischen Substanzen bestimmen kann. Die Schwierigkeiten dieser Methode liegen in der geringen Größe des verwendeten Effektes und den damit verbundenen meßtechnischen Schwierigkeiten (DE-PS 8 71 539).
Es ist ein weiterer paramagnetischer C>2-Sensor bekannt, der die Durchleitung des Meßgases durch das Induktionsfeld von Spulen zur Messung verwendet und den Vergleich der Änderung der Induktion mit den Werten aus gleichartigen Spulen, die jedoch ein konstantes Referenzgas enthalten, als Meßwert benutzt

Der O2-Sensor enthält ein Meßgasrohr, auf das zwei gleiche Spulen in einem axialen Abstand zueinander gewickelt sind und durch das das zu messende Gas geleitet wird. Ein Vergleichsrohr, auf das zwei gleiche Spulen gewickelt sind, ist in einem geschlossenen Behälter angeordnet Der Behälter und auch das Innere des Vergleichsrohres sind mit einem Vergleichsgas einer bekannten magnetischen Permeabilität gefüllt Die Induktionsfeld^r der Spulen werden von einer mit Wechselspannung betriebenen Brücke gebildet. Die Spulen sind

derart gestaltet daß Änderungen der Induktionsfelder sicher erfaßt werden. Die weiteren elektrischen Elemente zur Weiterbildung, Isolierung und Verstärkung der Meßwerte sind bekannt.
Nachteilig ist die Anordnung des Meßgasrohres und

so des Vergleichsrohres als getrennte Bauelemente mit all den Schwierigkeiten, die sich aus Thermischem und Mechanischem heraus ergeben (US-PS 30 76 929).

Aufgabe der Erfindung ist ein kleiner paramagnetischer 02-Sensor, der die Schwierigkeiten der bekannten Verfahren beseitigt der daher gegenüber den Umwelteinflüssen wenig anfällig ist und über einen weiten Meßbereich hinweg genau mißt und anzeigt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Ausbildungen sind in den An-

Sprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Die Ausbildungen des 02-Sensors besitzen Spulen mit einem Induktionsfeld im Meßgas und im Referenzgas. Sie werden in einer Brückenschaltung betrieben, wodurch der Meßeffekt störungssicher hervorgehoben wird. Die gute thermische Koppelung der einzelnen Spulen miteinander, bei gleichzeitiger guter thermischer und mechanischer Entkoppelung zur Umwelt, verhindert praktisch daraus resultierende Änderungen; falls

noch Reste vorhanden, dann sind sie für alle Spulen gleich.

Ausführungsbeispiele des O^-Sensors nach der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden erläutert Es zeigt

F ϊ g. 1 den schematischen Schnitt durch einen paramagnetischen Οτ-Sensor,

F i g. 2 das Schaltbild dazu,

Fig.3, 4 den Schnitt durch eine Ausbildung des Or Sensors mit Rachspulen.

Der pariiiisagnetische OrSensor nach F i g. 1 besitzt eine keramische Trägerplatte i, die keramische Spulenkörper 2,3 trägt Die Spulen 4,5 auf dem Spulenkörper 2 und die Spulen 6, 7 auf dem Spulenkörper 3 entstanden aus in Gewindenuten der Spulenkörper 2,3 eingelegter und festgebrannter Leitsilberpaste. Der Anschluß erfolgt über Bonddrähte 8 zwischen den Anschlußflächen 9 der Spulen und Anschlüssen 10 auf der Trägerplatte 1. Die Trägerplatte 1 mit den Spulengruppen ist in ein Gehäuse 11 aus gut leitendem Material wie Aluminium eingesetzt Zum Ausgleich der thermischen Ausdehnungen dient eine Leiste 15 aus elastischem Material zwischen der Trägerplatte 1 und dem Gehäuse 11.

Ein Meßgasrohr 12 und ein Referenzgasrohr 13 sind über Dichtringe 14 durch das Gehäuse 11 und dabei 2s berührungsfrei durch die Spulenkörper 2,3 geführt Das Meßgasrohr 12 und das Referenzgasrohr 13 bestehen aus verspiegeltem Quarzrohr. Zwecks optimaler Temperaturentkoppelung zwischen ihnen und den Spulenkörpern 2,3 ist das Gehäuse 11 entweder evakuiert oder mit einem geeigneten Gas gefüllt

Das Schaltbild der F i g. 2 zeigt die Verknüpfung der Spulen 4 bis 7 zu einer Brücke. Die Brücke wird über einen Eingangstransformator 17 von einem Oszillator 16 gespeist Mit einer Spule 18 läßt sich der Induktivitätsabgleich durchführen, während ein Widerstand 19 und ein Kondensator 20 dem Verlust- bzw. Streukapazitätsabgleich dienen. Die Brücke wird über einen Ausgangstransformator 21 ausgekoppelt Geerdete Mittelanzapfungen der Transformatoren 17, 21 führen zu einem möglichst symmetrischen Signal. Die Versorgungsund Ausgangsteile sind in nicht dargestellten Räumen unterhalb des Gehäuses U angeordnet Elektrische Durchführungen 22 dienen der Verbindung.

Die F i g. 3 und 4 zeigen einen O₂-Sensor mit Flachspulen. Eine keramische Platte 23 trägt in Segmenten 24, 25, 26, 27 Flachspulen 4, 5, 6, 7, die entsprechend F i g. 2 verknüpft sind. Die Pfeile zeigen die Winkelrichtung. Die Transformatoren 17, 21 sind primärseitig auf der Platte 23 und sekundärseitig in einem Gehäuse 28 montiert Die Platte 23 besitzt eine Drehachse 29, über die sie mittels Kugellager 30,31 drehbar im Gehäuse 28 gelagert ist

Die Platte 23 wird in Rotation versetzt. Der Antrieb erfolgt mittels Druckluft. Diese tritt durch ein Eintritts- 5"> rohr 32 am Gehäuse 28 ein, wird in einer Düse 33 beschleunigt, strömt über eine Riffelung 34 am äußeren Durchmesser der Platte 23 vorbei und verläßt dann expandiert das Gehäuse 28 wieder über ein Austrittsrohr

35. Die Platte 23 dreht sich bei einem Durchmesser von etwa 50 mm mit 6000 bis 18 000 Umdrehungen/min. Das Feld der Spulen 4 bis 7 durchfließt dabei Meßgasrohre

36, 37 mit Meßgas und Referenzgasrohre 38, 39 mit einem Referenzgas.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Paramagnetischer Ch-Sensor mit Vergleich der magnetischen Suszeptibilität eines Meßgases und eines Referenzgases, über jeweils 2 Spulen, die auf einem Spulenkörper aufgebracht sind, von denen einer das Meßgasrohr umschließt und deren Zusammenschaltung eine, mit Wechselspannung gespeiste Brücke bildet dadurch gekennzeichnet, daß der CVSensor in einem Gehäuse (11) auf einer, über eine elastische Leiste (15) thermisch getrennten, keramischen Trägerplatte (1) die zwei Spulenkörper (2,3) mit gedruckten Spulen (4,5,6,7) trägt, von denen einer das Referenzgasrohr (13) berührungsfrei umschließt, das zusammen mit dem Meßgasrohr (12) gasdicht über Dichtringe (14) im Gehäuse (11) ein3esetzt geführt ist

2. Paramagnetischer O2-Sen»or nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Meßgasrohr (12) und das Referenzgasrohr (13) aus verspiegeltem Quarzglas hergestellt sind.

3. Paramagnetischer C>2-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Spulen (4, 5, 6, 7) beiderseits einer rotierenden Platte (23) angeordnet sind und Meßgasrohre (36, 37) sowie Referenzgasrohre (38, 39) sehnenförmig im Induktionsfeld der Spulen (4,5,6,7) vorbeigeführt sind.

4. Paramagnetischer 02-Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Spulen (4,5, 6,7) aus einer Leitsilberpaste auf keramischem Träger hergestellt sind.