DE3544966C2 - - Google Patents

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.