DE3544967C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung des Anteils von Stoffen mit paramagnetischen Eigenschaften, insbesondere von Sauerstoff, in Stoffgemischen, bestehend aus einer in mehrere Kammern unterteilten Küvettenanordnung, die relativ zu einer Vorrichtung zur Erzeugung eines die Küvettenanordnung durchdringenden Magnetfeldes drehbar angeordnet ist, und einer dieser Vorrichtung zugeordneten Spulenanordnung zur Umwandlung der in ihr vom paramagnetischen Stoff erzeugten magnetischen Induktion in ein elektrisches Signal.

Ein derartiges Gerät ist aus der DE-OS 19 24 228 bekannt.

Das bekannte Gerät besitzt eine drehbare Küvettenanordnung, welche in mehrere Kammern unterteilt ist und sich in den Luftspalten zweier Dauermagnete mit einer festen Umdrehungszahl bewegt. Um das Joch eines jeden Dauermagneten ist eine elektrische Spulenwicklung angebracht. In Gegenwart von Stoffen mit paramagnetischen Eigenschaften in den Meßkammern der Küvettenanordnung richten sich die Stoffmoleküle innerhalb der von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfelder mehr oder weniger aus und induzieren in den Spulenanordnungen ein elektrisches Signal, dessen Größe dem Gehalt an paramagnetischen Stoffen in der jeweiligen zu untersuchenden Kammer der Küvettenanordnung entspricht. Das induzierte Meßsignal hängt empfindlich von der Stärke des Magnetfeldes durch die Permanentmagnete ab. Jede Änderung oder Störung dieses Magnetfeldes wirkt sich in einer meßbaren und unerwünschten Verfälschung des Meßsignales aus. Störungen können zum Beispiel dadurch auftreten, daß die Luftspalte der Magnetjoche unterschiedliche Weiten aufweisen. Diese Spaltweiten dürfen sich typischerweise um nicht mehr als 10^-8 mm während des Meßvorgangs verändern, wenn eine Änderung des Meßsignals aufgrund unterschiedlicher Spaltweiten kleiner als 1 Vol% O₂ ausmachen soll. Äußere Störfelder durchdringen die Küvettenanordnung und verfälschen das Meßergebnis in unerwünschter Weise. Eine weitere Störmöglichkeit besteht in der Übertragung von Schwingungen, z. B. infolge der sich drehenden Küvettenanordnung oder auch infolge Erschütterungen in der Umgebung auf die Permanentmagnete, so daß diese zusammen mit den elektrischen Signalspulen zu Schwingungsbewegungen angeregt werden, durch welche die Spaltweite der Permanentmagnete verändert und somit in den Signalspulen ein Meßsignal erzeugt wird (Mikrofonieeffekt).

Weiterhin ist es aus der DE-OS 31 45 542 bekannt, einen paramagnetischen Sauerstoffsensor mit einer rotierenden Trägerplatte zu versehen, die beiderseits ihrer Oberfläche aufgedruckte Spulen enthält.

Jeweils zwei benachbarte Spulen sind mit einander gegenläufiger Wickelrichtung aufgebracht. Alle Spulen sind in einer vorgegebenen Verknüpfung zu einer Brückenschaltung miteinander verbunden. Durch die Rotation der Spulenkörper entlang der Küvetten mit Referenzgas bzw. Meßgas wird aus der Brückenschaltung ein Meßsignal gewonnen.

Derartige Ausführungsformen mit sich deckenden Spulen besitzen den Nachteil, daß die Übertragung der Meß- und Referenzsignale aus den Spulenkörpern in die signalverarbeitenden Schaltkreise zumeist über rotierende Schleifkontakte geführt werden. Dadurch entstehen Störsignale, die das Meßergebnis verfälschen oder sogar unterdrücken.

Ein anderes Gerät zur Bestimmung paramagnetischer Eigenschaften verschiedener Körper (US-A-37 20 870) enthält eine zwischen zwei Magnetpolschuhen 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 Induktion, 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.

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Gerät der genannten Art zur Bestimmung des Anteils von paramagnetischen Stoffen so zu verbessern, daß die Anordnung von magnetfelderzeugenden Vorrichtungen und der dazugehörigen Spulenanordnung unempfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen, wie z. B. Übertragung mechanischer Schwingungen oder Einflüssen eines äußeren Magnetfeldes, ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mindestens vier oder eine höhere geradzahlige Anzahl von magnetfelderzeugenden Vorrichtungen mit den ihnen zugeordneten Meßfeldspulen jeweils beidseitig der Küvettenanordnung und symmetrisch zu der Rotationsachse auf einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, und daß die Magnetisierungspolung der Vorrichtungen mit der Magnetisierungspolung ihrer zugeordneten Meßfeldspulen in abwechselnder Ausrichtung zueinander kombiniert sind.

Der bedeutende Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die abwechselnde Ausrichtung der Magnetisierungspolung von magnetfelderzeugenden Vorrichtungen, wie z. B. stromdurchflossene Spulen oder Permanentmagnete, und der ihnen zugeordneten Meßfeldspulen zu einer Kompensation störender Signaleinflüsse durch Streufelder oder Änderungen der Spaltweiten des magnetischen Luftspaltes infolge mechanischer Schwingungen führt. Schwingungen des Gehäuseober- und -unterteils werden, wenn man sie angenähert als Membranschwingungen ansieht, bis zur dritten Ordnung kompensiert und führen somit nicht zu einem Mikrofonieeffekt.

In besonders vorteilhafter Weise sind die magnetfelderzeugenden Vorrichtungen als elektrische Spulenkörper ausgebildet. Es ist dann möglich, diese zusammen mit den Meßfeldspulen auf einen gemeinsamen Kern zu wickeln. Durch geeignete Synchronisation der Zeitpunkte für die Erzeugung eines Magnetfeldes und die Messung der magnetischen Induktion mit der Drehzahl der Küvettenanordnung kann dafür gesorgt werden, daß zu einem Meßzeitpunkt ein und dasselbe Stoffgemisch jeweils mit zwei Spulenpaaren mit unterschiedlichen Magnetisierungspolungen bestimmt wird. Je nach Schaltung läßt sich damit die Störkompensation entweder für eine Zweikammer- oder für eine Vierkammer-Küvette erreichen.

Werden in bevorzugter Weise Permanentmagnete zur Erzeugung des Magnetfeldes innerhalb der Kammern der Küvettenanordnung benutzt, wird die unterschiedliche Magnetisierungspolung durch die abwechselnde Anordnung von Nord- und Südpol der Permanentmagnete erfüllt. Der Wicklungssinn der Meßspulen wechselt dabei ebenfalls reihum ab.

Feldleitplatten zur Verbindung der Spulenkerne bewirken bei Verwendung von Hochfrequenzströmen zur Erzeugung der Magnetfelder eine zusätzliche Verstärkung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 den Schnitt durch eine Küvettenanordnung mit den dazugehörigen Magnetfeld- und Meßspulen,

Fig. 2 die Anordnung von Magnetfeld- und Meßspulen mit ihrem dazugehörigen Windungssinn,

Fig. 3 eine Darstellung des abwechselnden Windungssinnes von Magnetfeld und Meßspule,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Küvettenanordnung mit Permanentmagneten und Meßspulen,

Fig. 5 ein Schaltbild mit Angabe der Magnetpolrichtung und des Wicklungssinnes der Meßspulen.

Das in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Gerät zeigt die äußere Kontur einer Küvettenanordnung 1, welche auf einer Welle 2 aufgenommen ist, die über eine Laufbuchse 3 in den Drehlagern 4, 4′ gehalten ist. Zum Antrieb der Küvette 1 dient ein nicht dargestellter Motor, dessen Antriebswelle mit der Welle 2 verbunden ist. Die Küvette 1 ist von einem Gehäuse 5 umgeben, in welchem jeweils auf dessen Oberteil 51 und Unterteil 52 magnetfelderzeugende Spulenanordnungen 6 als Primärwicklung und Meßfeldspulen 7 als Sekundärspule um einen gemeinsamen Kern 8 aus Ferritkeramik gewickelt sind. Jeweils vier Paare 61, 62, 63, 64 von Magnetfeldspulen 6 und Meßfeldspulen 7 sind auf dem Oberteil 51 und dem Unterteil 52 vorgesehen. Die Anordnung der Spulen 6, 7 ist so ausgeführt, daß jeweils zwei gegenüberliegende Spulenanordnungen 6, 7 ein die Küvette 1 durchdringendes Magnetfeld unterschiedlicher Polarisierungsrichtung erzeugen. Die Spulenkerne 8 sind mittels Feldleitplatten 9 aus Ferritkeramik miteinander verbunden. Oberteil 51 und Unterteil 52 ruhen mittels Stegen 11 auf der Grundplatte 12. Gehäuse 5 und Feldleitplatte 9 besitzen Eintrittsöffnungen 13 für das zu untersuchende Stoffgemisch, welches über den Einlaß 14 in die nicht dargestellten Meßkammern der in bekannter Weise zusammengesetzten Küvettenanordnung 1 eindringen kann. Die Küvette ist eine Vierkammer-Anordnung, bei der zwei durchströmte Meßkammern und zwei mit einer Vergleichssubstanz gefüllte geschlossene Vergleichskammern in abwechselnder Folge angeordnet sind. Nach Verlassen der Meßkammern tritt das Stoffgemisch durch entsprechende radial angeordnete Austrittsöffnungen in die Umgebung aus.

In Fig. 2 ist die Ansicht auf die Unterseite des Oberteils 51 dargestellt, in welcher die Anordnung von vier Spulenkombinationen 61, 62, 63, 64 dargestellt ist. Hierbei sind die Wicklungen für die magnetfelderzeugenden Spulen 6 mit P (Primärwicklung) und die Wicklungen für die Meßfeldspulen 7 mit S (Sekundärspule) symbolisiert worden. Die dargestellten liegenden Kreuze zeigen die Richtung des Magnetfeldes in die Zeichenebene hinein, die dargestellten Punkte innerhalb der Kreise zeigen die Richtung des Magnetfeldes aus der Zeichenebene heraus an. Die Richtung des Magnetfeldes der einzelnen Spulen 6, 7 werden durch das in Fig. 3 angegebene Diagramm näher erläutert. Hier sind symbolhaft die Primärwicklung 6 und Sekundärwicklung 7 der Spulenanordnungen 61, 62, 63, 64 angegeben. Der in den jeweiligen Ecken der Darstellungssymbole angebrachte Punkt zeigt den Verlauf des Wicklungssinnes der jeweiligen Spulenanordnungen 61, 62, 63 und 64 an.

In Fig. 4 ist die Küvettenanordnung 1 innerhalb eines Gehäuses 50 dargestellt. Die Küvettenanordnung 1 ist ebenfalls über die Welle 2 und die Laufbuchse 3 in dem Drehlager 4 und dem nicht dargestellten Drehlager 4′ gelagert. Das Oberteil 51 und das Unterteil 52 des Gehäuses 5 tragen jeweils in gleicher Anordnung wie in Fig. 2 anstelle der Kerne 8 Permanentmagnete 15, 16, 17, 18 und 15′, 16′, 17′ 18′. Diese sind von Meßfeldspulen 71, 72, 73, 74 bzw. 71′, 72′, 73′ und 74′ umgeben. Das der magnetischen Abschirmung dienende geschlossene Gehäuse 50 aus weichmagnetischem Material weist eine Eintrittsöffnung 13 zur Einleitung des zu untersuchenden Stoffgemisches in die Küvettenanordnung 1 auf und besitzt in radialer Lage zur Küvettenanordnung 1 Austrittsspalte 10, durch die das aus den Austrittsöffnungen der Küvettenanordnung 1 heraustretende Stoffgemisch in die Atmosphäre gelangen kann.

Die Anordnung der Permanentmagnete 15, 16, 17, 18 und der zu ihnen gehörenden Meßfeldspulen 71, 72, 73, 74 auf der Oberseite 51 ist gemäß Fig. 6 miteinander kombiniert. Die Nord-Süd-Ausrichtung der Permanentmagnete 15, 16, 17, 18 ist mit dem Wicklungssinn der Meßfeldspulen 71, 72, 73, 74 derart gekoppelt, daß eine gleiche Magnetpolung mit gleichem Wicklungssinn übereinstimmt. Die Anordnung der entsprechenden Permanentmagnete 15′, 16′, 17′, 18′ mit den dazugehörigen Meßfeldspulen 71′, 72′, 73′, 74′ auf der Unterseite 52 ist analog ausgeführt, und zwar derart, daß jeweils sich gegenüberliegende Permanentmagnete ein die Küvettenanordnung 1 durchgreifendes Magnetfeld erzeugen.

Claims (4)

1. Gerät zur Bestimmung des Anteils von Stoffen mit paramagnetischen Eigenschaften, insbesondere von Sauerstoff, in Stoffgemischen, bestehend aus einer in mehrere Kammern unterteilten Küvettenanordnung, die relativ zu einer Vorrichtung zur Erzeugung eines die Küvettenanordnung durchdringenden Magnetfeldes drehbar angeordnet ist, und einer dieser Vorrichtung zugeordneten Spulenanordnung zur Umwandlung der in ihr vom paramagnetischen Stoff erzeugten magnetischen Induktion in ein elektrisches Signal, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens vier oder eine höhere geradzahlige Anzahl von magnetfelderzeugenden Vorrichtungen (6, 15, 16, 17, 18) mit den ihnen zugeordneten Meßfeldspulen (7, 71, 72, 73, 74) jeweils beidseitig der Küvettenanordnung (1) und symmetrisch zu der Rotationsachse auf einem gemeinsamen Gehäuse (5) angeordnet sind, und daß die Magnetisierungspolung der Vorrichtungen (6, 15, 16, 17, 18) mit der Magnetisierungspolung ihrer zugeordneten Meßfeldspulen (7, 71, 72, 73, 74) in abwechselnder Ausrichtung zueinander kombiniert sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugenden Vorrichtungen als elektrische Spulenkörper (6) ausgebildet sind, zusammen mit den Meßfeldspulen (7) um einen gemeinsamen Kern (8) gewickelt sind, und daß die Kombination der Magnetisierungspolung durch die abwechselnde Ausführung von gleichsinniger und gegensinniger Wicklungsrichtung von elektrischem Spulenkörper (6) und Meßfeldspule (7) festgelegt ist.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugenden Vorrichtungen als Permanentmagnete (15, 15′, 16, 16′, 17, 17′, 18, 18′) ausgebildet sind, um welche die Meßfeldspulen (71, 71′, 72, 72′, 73, 73′, 74, 74′) mit abwechselndem Wicklungssinn gewickelt sind, wobei Permanentmagnete (15, 15′, 16, 16′, 17, 17′, 18, 18′) gleicher Polungsrichtung mit Meßfeldspulen (71, 71′, 72, 72′, 73, 73′, 74, 74′) gleichen Wicklungssinnes kombiniert sind.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) an seinem die Spulenanordnungen (6) und Meßfeldspulen (7) enthaltenden Oberteil (51) und Unterteil (52) Feldleitplatten (9) besitzt.