DE3544966C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des
Anteils von Stoffen mit paramagnetischen Eigenschaften,
insbesondere von Sauerstoff, in Stoffgemischen, bestehend
aus einer drehbaren, unterteilten Küvettenanordnung, wobei
eine erste Küvettenfolge von Gas mit veränderlichem Sauer
stoffgehalt durchsetzt wird und eine zweite Küvettenfolge
ein im Sauerstoffgehalt nicht veränderbares Vergleichsgas
enthält, und einer Spulenanordnung, in welcher die von dem
paramagnetischen Stoff erzeugte magnetische Induktion in
ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 19 24 228 bekannt.
Dort ist eine Ausführungsform beschrieben, in welcher ein
erstes Magnetsystem, bestehend aus Dauermagnet, Polschuhen
und magnetischem Luftspalt, und ein zweites, identisches
Magnetsystem über ein drehbar angeordnetes Kammernsystem
greifen. Das Kammernsystem ist so ausgebildet, daß in einem
kreisscheibenförmigen Fliehkraftlüfterrad abwechselnd offe
ne Kammern, durch welche das Meßgas strömt, mit geschlosse
nen Kammern, welche ein Vergleichsgas enthalten, zwischen
den Polschuhen beider Dauermagnete hindurchgeführt werden.
Dabei ist die Kammernfolge derart ausgeführt, daß sich je
weils eine Kammer mit Vergleichsgas zwischen den Polschuhen
des ersten Dauermagneten befindet, wenn eine Kammer mit
Meßgas sich zwischen den Polschuhen des zweiten Dauermagne
ten befindet. Die durch die Dauermagnete erzeugte magneti
sche Induktion wird durch Meßspulen in ein elektrisches
Signal verwandelt, welches bei konstanter Drehzahl der Meß
kammernanordnung proportional dem Sauerstoffpartialdruck
des zu messenden Gases ist. Diese Meßspannung wird nach be
kannten Verfahren elektrisch weiterverarbeitet und in einem
Anzeigegerät zur Anzeige gebracht.
Die bekannte Meßanordnung erfordert jedoch eine mechanische
Ausführung der Polschuhe des Dauermagneten, welche unter
Betriebsbedingungen eine gleichbleibende geometrische An
ordnung gewährleistet. Diese ist nur mit einem nicht ver
tretbaren Aufwand realisierbar. Beispielsweise wirkt sich
eine Änderung des Luftspaltes zwischen den Polen des Dauer
magneten um etwa 10 -8 mm auf das in der Spulenanordnung
abgegebene Meßsignal wie eine Änderung des Sauerstoffgehal
tes im Meßgas um etwa 1 Vol.% aus. Will man daher, wie es
in der Praxis üblicherweise gefordert wird, die Sauerstoff
konzentration mit Hilfe einer derartigen bekannten Anord
nung genauer als auf 1 Vol.% Sauerstoff messen, müssen die
Abstände zwischen den Polen der Dauermagnete genauer als
10 -8 mm gearbeitet und auf diesem Abstand gehalten wer
den, da Veränderungen der Abstände z. B. infolge mechani
scher Schwingungen zu störenden Mikrofonieeffekten führen.
Eine solche hohe Forderung an die mechanische Bearbeitung
und Stabilität stellt die Anwendbarkeit der bekannten An
ordnung in der Praxis in Frage.
Der Abstand zwischen den Polschuhen der Magnete spielt dann
keine Rolle mehr, wenn man beispielsweise Magnetpol- und
Spulenanordnung nur auf einer Seite der drehbaren Küvetten
anordnung anbringt. In diesem Falle ist jedoch nachteilig,
daß das Magnetfeld die Meßkammer und die Vergleichskammer
nicht vollständig durchdringt.
Um Schwierigkeiten mechanischer Art, wie sie oben ange
sprochen wurden, aus dem Wege zu gehen, ist es bekannt
(US-PS 30 76 929, DE-OS 31 45 542), sowohl Meßkammer als
auch Vergleichskammer in einem Gehäuse fest einzubauen, wo
bei beide Kammern jeweils von einem Spulenpaar umgeben
sind. Dabei dient die erste Spule zur Erzeugung eines
Magnetfeldes und eine zweite Spule zur Umwandlung der Ände
rung ihrer magnetischen Induktion in ein elektrisches Si
gnal. Die Spulen werden entweder in einer Transformator
schaltung (US-PS 30 76 929) oder in einer Brückenschaltung
(DE-OS 31 45 542) miteinander verbunden und die so erzeug
ten Meßsignale in einer Auswerteeinheit zur Anzeige ge
bracht.
Bei diesen bekannten Spulenanordnungen dienen gewissermaßen
das Meßgas und das Vergleichsgas als Spulenkerne. Ent
sprechend dem Anteil an paramagnetischen Bestandteilen im
Gasgemisch wird hierdurch die Selbstinduktion der Spule ge
ändert. Diese Änderung der Induktion bewirkt eine Ver
stimmung im Meßkreis, aus deren Größe man den Anteil an
paramagnetischen Substanzen bestimmen kann.
Eine solche Meßanordnung reagiert zwar empfindlich auf Än
derungen des Anteils an paramagnetischen Substanzen im Meß
gas, es bedarf jedoch auch zusätzlicher Anstrengungen, um
unterschiedliche Ausdehnungen der Spulenträger infolge un
terschiedlicher Umgebungstemperaturen zu verhindern oder
zumindest auszugleichen. Eine durch Temperaturschwankungen
verursachte Änderung der geometrischen Ausdehnungen der
Spulen äußert sich in einer Änderung ihrer Selbstinduktion,
welche in der gleichen Größenordnung der Änderung der
Selbstinduktion aufgrund der Änderung des Anteils an para
magnetischer Substanz in der Meßkammer liegt.
Ein anderes Gerät zur Bestimmung paramagnetischer Eigenschaften verschiede
ner Körper (US-A-37 20 879) enthält eine zwischen zwei Magnetpol
schuhen rotierende Scheibe, die auf verschiedenen Segmenten
die zu untersuchenden Proben enthält. Die Rotation der
Scheibe erzeugt in dem engen Polspalt je nach Eigenschaft
der Proben eine unterschiedliche lnduktion, die von einer
nachgeschalteten Auswerteeinheit als Meßsignal verarbeitet
wird.
Die Qualität des zu verarbeitenden Meßsignals hängt sehr
empfindlich von der Planheit der rotierenden Scheibe ab,
deren Abstand zu den benachbarten Polschuhen sehr gering
ist, so daß schon geringfügige Schwankungen, die von der
Fertigung der Scheibe und der Lagerung der Scheibenachse
abhängig sein können, zu erheblichen Fehlmessungen führen.
Ein Analysengerät zur Messung des Sauerstoffgehaltes von
Gasen nach der DE-OS 35 17 145 besitzt einen Elektromagneten
mit einem Magnetkern, dessen sich gegenüberliegenden
Stirnflächen einen Spalt bilden, in den die Zuführungs
leitungen für das zu untersuchende Gas und für ein
Referenzgas münden. Der Sauerstoffgehalt in dem Gasgemisch
zwischen dem Magnetspalt führt infolge der Krafteinwirkung
des Feldgradienten auf die Sauerstoffmoleküle zu einem
Druckgradienten im Mischgas, der sich in die Zuführungs
leitungen für Meßgas und Referenzgas fortsetzt. Ein
zwischen den Zuführungsleitungen geschaltetes Differential
mikrophon nimmt bei getakteter Ein- und Ausschaltung des
Elektromagneten die vom Sauerstoffgehalt abhängigen
Differenzsignale auf.
Die Aufgabe vorliegender Erfindung wird darin gesehen, eine
Vorrichtung zur Bestimmung des Anteils von Stoffen mit pa
ramagnetischen Eigenschaften, insbesondere Sauerstoff, in
Stoffgemischen der genannten Art so zu verbessern, daß die
Messung einer Änderung der magnetischen Induktion in einem
Spulenkörper ungestört von der das Magnetfeld erzeugenden
Vorrichtung und unbeeinflußt von Temperaturschwankungen
oder Vibrationen in der Umgebung erfolgen kann.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Spulenanord
nung aus in sich geschlossenen Spulenträgern besteht, wel
che, die Küvettenanordnung umfassend, jeweils im Abstand
von der Rotationsachse der Küvettenanordnung angeordnet
sind.
Eine erfindungsgemäße Spulenanordnung erzeugt ein Magnet
feld, welches die unterteilte Küvettenanordnung jeweils
vollständig durchdringt, wobei sich mechanische Ungleich
mäßigkeiten in der Küvettenanordnung sowie geometrische
Veränderungen an der Spulenanordnung auf die Genauigkeit
des Meßsignals nur geringfügig auswirken. Darüber hinaus
erübrigt sich eine Abschirmung gegen störende Umweltma
gnetfelder, wie sie beispielsweise bei der bekannten Anord
nung mit Permanentmagneten notwendig ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist jeder
der beiden Spulenträger eine erste Wicklung zur Erzeugung
des Magnetfeldes und eine zweite Wicklung zur Messung der
paramagnetischen Induktion auf.
Die Küvettenanordnung wird zweckmäßigerweise durch eine
Trennwand in zwei Hälften aufgeteilt, wobei die eine Hälf
te das Vergleichsgas enthält, und die zweite Hälfte von
dem Meßgas durchströmt wird. Dabei durchdringt das Magnet
feld die beiden Kammerhälften jeweils in ihrem gesamten
Volumen, sobald die Trennwand parallel zu den beiden Spu
lenträgern verläuft. Bei geeigneter Stromrichtung in den
Spulenwicklungen verlaufen die magnetischen Kraftlinien
zunächst in Richtung auf die Durchmesserachse der Küvet
tenanordnung, werden in deren Höhe umgelenkt und verlaufen
danach in Richtung auf die Außenflächen der Küvettenanord
nung. Ein Durchgreifen des Magnetfeldes in die jeweils an
dere Kammer tritt nicht auf. Dadurch ergibt sich eine be
sonders deutliche Signaldifferenz zwischen Meß- und Ver
gleichssignal.
Die Meßkammer kann vorzugsweise beiderseits einer halb
kreisförmigen Scheibe ausgebildet sein, welche an der
Trennwand befestigt ist. Das Meßgas befindet sich in die
sem Falle ober- und unterhalb der halbkreisförmigen Schei
be. Die Dimensionen der Scheibe sind so bemessen, daß eine
gleichmäßige dynamische Auswuchtung der Küvettenanordnung
hergestellt ist und die Küvettenanordnung ein konstantes
Dielektrikum im Magnetfeld bildet.
Vorzugsweise besteht die Küvettenanordnung aus gesinterter
Aluminiumoxidkeramik, weil darin die wichtigen Eigenschaf
ten vereinigt sind. Dieses Material ist mechanisch stabil,
es ist amagnetisch und außerdem ein guter Isolator, so daß
keine Wirbelströme auftreten können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefüg
ten Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 die Vorrichtung in perspektivischer Dar
stellung im aufgebrochenen Gehäuse,
Fig. 2 die Küvettenanordnung in vergrößerter
Darstellung,
Fig. 3 eine andersartige Küvettenanordnung.
In der Zeichnung ist in den Fig. 1 und 2 eine drehbare
Küvettenanordnung in Form einer kreisförmigen Hohlscheibe
5 dargestellt. Die Hohlscheibe 5 wird aus den sich gegen
überliegenden kreisförmigen Wandteilen 4 und 11 und dem
ringförmigen Wandteil 3 gebildet. Sie ist durch die Trenn
wand 8 in zwei Kammerhälften 12 und 13 geteilt. Die obere
Kammerwand 4 weist eine Aussparung 6 zur Kammerhälfte 13
auf, durch welche das Meßgas eindringen kann. Die Seiten
wand 3 ist in dem Teilbereich, in welchem sie die Kammer
hälfte 13 umfaßt, mit einer Vielzahl von Öffnungen 7 ver
sehen. Die Kammerhälfte 12 ist allseits geschlossen und
enthält ein Vergleichsgas von gleichbleibender Zusammen
setzung. Die Hohlscheibe 5 ist über eine Welle 2, welche
an der unteren Kammerwand 11 zentral befestigt ist, mit
einem Motor 1 verbunden. Die Hohlscheibe 5 befindet sich
in einem Gehäuse 16, welches eine Zuführungsöffnung 17 und
eine Austrittsöffnung 18 für das Meßgas enthält. Um das
Gehäuse 16 sind, die Hohlscheibe 5 umfassend, Spulenträger
9 und 10 angeordnet. Um jeden Spulenträger 9 und 10 sind
zwei Spulenwicklungen 14, 15 und 14′, 15′ angebracht,
welche zum einen die magnetfelderzeugende Spule 14, 14′,
und zum anderen die das magnetische Induktionssignal auf
nehmende Spule 15, 15′ bilden. Die Spulenträger 9 und 10
sind in einem solchen Abstand von der Drehachse der Hohl
scheibe 5 zueinander parallel angeordnet, so daß diese die
Kammerhälften 12 und 13 umfassen, wenn die Trennwand 8
während der Umdrehung der Hohlscheibe 5 parallel zu diesen
Spulenträgern 9 und 10 positioniert ist. Die Enden der
beiden Spulenwicklungen auf jedem Spulenträger können ent
weder in Form einer Brückenschaltung oder einer Transfor
matorschaltung in nicht dargestellter, bekannter Weise
miteinander verbunden werden,und ihr elektrisches Signal
kann über eine ebenfalls nicht dargestellte bekannte
Auswerteeinheit zur Anzeige gebracht werden.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
folgende: der Motor 1 versetzt die Hohlscheibe 5 in eine
gleichmäßige Drehung in gleichbleibender Drehrichtung.
Infolge der Drehung wirkt die Hohlscheibe 5 als ein Flieh
kraftförderer, wobei das Meßgas durch die Zuführungsöff
nung 17 in das Gehäuse eingeführt, durch die Aussparung 6
in die Meßkammer 13 angesaugt und über die Öffnungen 7 der
Seitenwand 3 in die Austrittsöffnung 18 ausgestoßen wird.
Ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld in den Feld
spulen 14, 14′ erzeugt sowohl in dem Meßgas als auch in
dem Vergleichsgas ein Magnetfeld, durch welches sich die
magnetischen Momente der paramagnetischen Stoffe in Rich
tung des äußeren Magnetfeldes ausrichten. Die daraus re
sultierende Magnetisierung wird über die Spulen 15, 15, in
ein elektrisches Signal umgewandelt, welches an eine Aus
werteeinheit geführt und von dieser ausgewertet wird.
In Fig. 3 ist eine drehbare Küvettenanordnung darge
stellt, welche die Kammer 12 zur Aufnahme des Vergleichs
gases in Form einer halbkreisförmigen Hohlscheibe zeigt,
welche durch eine obere Kammerwand 19, eine untere Kammer
wand 20 und eine Seitenwand 21 abgeschlossen ist. Zur an
deren Seite trägt die Trennwand 8 auf halber Höhe eine
halbkreisförmige Scheibe 22, deren Dicke etwa der doppel
ten Wanddicke der Kammerwand 19, 20 entspricht und der
Küvettenanordnung ein ausgewogenes dynamisches und dielek
trisches Verhalten gibt.
Wird eine solche Küvettenanordnung in das Gehäuse 16 ein
gebracht, wird durch die Drehbewegung abwechselnd das Ver
gleichsgas in der Kammer 12 und das Meßgas, welches sich
oberhalb und unterhalb der Scheibe 22 befindet, in das
Magnetfeld der Spulen 14, 14′ eingebracht.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Bestimmung des Anteils von Stoffen mit
paramagnetischen Eigenschaften, insbesondere von Sauer
stoff, in Stoffgemischen, bestehend aus einer drehba
ren, unterteilten Küvettenanordnung, wobei eine erste
Küvettenfolge von Gas mit veränderlichem Sauerstoffge
halt durchsetzt wird und eine zweite Küvettenfolge ein
im Sauerstoffgehalt nicht veränderbares Vergleichsgas
enthält, und einer Spulenordnung, in welcher die von
dem paramagnetischen Stoff erzeugte magnetische Induk
tion in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, da
durch gekennzeichnet, daß die Spulen
anordnung aus in sich geschlossenen Spulenträgern
(9, 10) besteht, welche, die Küvettenanordnung (5) um
fassend, jeweils im Abstand von der Rotationsachse der
Küvettenanordnung (5) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf jedem der Spulenträger (9, 10)
eine erste Spulenwicklung (14, 14′) zur Erzeugung der
magnetischen lnduktion mit der zweiten Spulenwicklung
(15, 15′) zur Erzeugung eines der magnetischen Induktion
entsprechenden elektrischen Signals angebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Küvettenanordnung (5) durch
eine Trennwand (8) in zwei Hälften aufgeteilt ist, wo
bei die eine Hälfte als Meßkammer (13) mit dem Gasstrom
unterschiedlichen Sauerstoffgehaltes verbunden und die
andere Hälfte als eine abgeschlossene Kammer (12) aus
gebildet ist, welche das Gas gleichbleibender Sauer
stoffkonzentration als Vergleichsgas enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Meßkammer beiderseits
einer halbkreisförmigen, an der Trennwand (8)
angeordneten Scheibe (22) ausgebildet ist, deren Dicke
mit der Wanddicke der Kammerwand (19, 20) derart
abgestimmt ist, daß eine dynamische Auswuchtung der
Küvette erzielt und ein konstantes Dielektrikum im
Magnetfeld erhalten wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Küvettenanordnung (5)
aus gesinterter Aluminiumoxidkeramik besteht.
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