DE3840337C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung des Anteils von Stoffen mit paramagnetischen Eigenschaften, insbesondere Sauerstoff, in einem Stoffgemisch, welches in einem Gerätegehäuse durch eine mittels einer Antriebswelle drehbaren Küvettenanordnung entlang einer vierfachen oder einer höheren gradzahlig vielfachen Anordnung von Magnetfeldquellen vorbeiführbar ist, denen jeweils eine Spulenanordnung zur Umwandlung der in ihr durch den paramagnetischen Stoff verursachten magnetischen Flußänderung in ein elektrisches Meßsignal zugeordnet ist, wobei die Magnetisierungspolung der Magnetfeldquellen mit der Magnetisierungspolung der zugeordneten Meßfeldspulen jeweils benachbarter Magnetfelder und Meßspulenanordnungen in sich abwechselnder Ausrichtung zueinander kombiniert sind.

Ein derartiges Gerät ist aus der DE-OS 35 44 967 bekanntgeworden.

Die bekannte Anordnung der Magnetfeldquellen besteht aus einer Anzahl von vier oder einer höheren gradzahligen Anzahl von Magneten oder Magnetfeldspulen, die beidseitig der Rotationsstirnfläche einer drehbaren Küvettenanordnung in einem Gehäuse aufgenommen sind.

Jede der Magnetfeldquellen ist mit einer Spule umschlossen, welche die Veränderung des durch den paramagnetischen Stoff erzeugten Magnetfeldes aufnehmen und an ein Auswertegerät weitergeben kann. Die Richtung der Magnetfelder von Magnetfeldquellen und Meßspulen ist abwechselnd so aufeinander abgestimmt, daß Störungen durch Streufelder oder durch Mikrofonie kompensiert werden. Da das Meßergebnis wesentlich von der Durchdringung der Meßküvette von den magnetischen Kraftlinien abhängig ist, ist eine besonders genaue Ausrichtung der sich einander gegenüberliegenden Magnetfeldquellen und Meßfeldspulen notwendig. Geringste Abweichungen machen sich in einer unterschiedlichen Flußdichte bemerkbar, welches zu unerwünschten Meßwertschwankungen führt. Außerdem ist es notwendig, die Rotation der Meßküvette so schwingungsarm zu gestalten, daß eine paßgenaue und aufwendige Lagerung der Antriebswelle erforderlich ist. Während der Küvettendrehung durchgreifen die Feldlinien der Magnetfeldquellen in unterschiedlichem Ausmaß die einzelnen Küvettenabschnitte. Die Magnetfeldquellen konstanten Flusses durchdringen somit während einer Drehbewegung die einzelnen Meßabschnitte der Küvettenanordnung mit einer unterschiedlichen Durchflutung (Spannung). Dies hat zur Folge, daß das Meßsignal beim Eintritt der Meßküvette in das Magnetfeld von einem geringen Wert auf einen Maximalwert ansteigt, sobald die maximale Durchflutung erreicht wird, und beim Austritt aus dem Magnetfeld entsprechend wieder abnimmt. Diese Signalschwankungen erfordern einen zusätzlichen Aufwand für die Meßwertverarbeitung, sofern Meßwertschwankungen eliminiert werden sollen. Wegen der Durchführung der Antriebswelle durch die Anordnung der Magnetfeldquellen hindurch entstehen Streufelder, verursacht durch die in der Regel metallische Antriebswelle; diese laufen mit der Küvette um und verfälschen ebenfalls das Meßergebnis.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Bestimmung paramagnetischer Eigenschaften von Stoffen der genannten Art so zu verbessern, daß die Einwirkung von äußeren Störeinflüssen auf die Magnetfelddurchdringung der Küvette verringert wird, daß die Meßeigenschaften unabhängig von der Position der Vielzahl von magnetfelderzeugenden Einrichtungen zueinander sind, wobei der Aufbau des gesamten Meßgerätes einfacher und leichter zu montieren sein soll. Darüberhinaus soll eine möglichst konstant bleibende Durchdringung der Küvettenanordnung durch die Magnetfelder während der Küvettendrehung erreicht werden.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Anordnung der Magnetfeldquellen in dem Gerätegehäuse lediglich einseitig, der der Antriebswelle abgewandten Drehfläche der Küvettenanordnung gegenüberliegend angebracht ist und eine Trägerplatte aufweist, auf welcher die die Meßfeldspulen tragenden Magnetfeldquellen aufgenommen sind, die mit ihrer Stirnfläche zur Küvettenanordnung weisen.

Durch die einseitige Anordnung der Magnetfeldquellen entfällt eine aufwendige Montage und Ausrichtung der verschiedenen Quellen und Meßfeldspulen untereinander.

Da die Antriebswelle die Magnetfelder nicht durchdringt, wird eine Störung durch roltierende Streufelder vermieden. Der Aufbau eines solchen Gerätes kann einfach sein, indem ein getrennter Antriebsblock, der den Antriebsmotor mit der Welle und der auf ihr festgesetzten Küvettenanordnung enthält, mit einem separaten Magnetfeldteil kombiniert ist, welche beide für sich hinsichtlich ihrer Aufgabenerfüllung optimiert werden können. Dadurch werden Signalschwankungen im Verlauf der Messung reduziert und eine höhere mechanische Stabilität während der recht hohen Drehfrequenzen erzielt.

Eine besonders günstige Küvettenanordnung besteht aus einer Kreisscheibe mit drehachsen symmetrischen Ausschnitten, die von dem Stoffgemisch durchströmbar sind, und die derart ausgebildet sind, daß bei einer die Stirnfläche einer der Magnetfeldquellen vollständig freilegenden Position des einen der Ausschnitte die jeweils benachbarte Stirnfläche der zugehörigen Magnetfeldquelle von der Ausschnittskontur ausgenommen bleibt, wobei die Summe der durch die Ausschnittskonturen nur teilweise freigegebenen Querschnitte der Stirnflächen im wesentlichen konstant bleibt. Eine derartige Ausgestaltung der Küvettenanordnung zu einer Blendenscheibe zur Steuerung des Magnetflusses ermöglicht es, daß zu jedem Zeitpunkt der Drehbewegung eine annähernd gleichbleibende Durchflutung der Meßküvette erreicht wird. Wenn eine der Magnetfeldquellen vollständig in dem Ausschnitt erscheint, ist die jeweils benachbarte noch völlig verdeckt; sobald dann durch die fortschreitende Drehbewegung der Küvette die Stirnfläche der betrachteten Magnetfeldquelle abschnittsweise überdeckt wird, wird ein entsprechender Abschnitt der benachbarten Magnetfeldquelle von dem fortschreitenden Ausschnitt freigelegt. Auf diese Weise wirken die Magnetfeldquellen als magnetische Quellen konstanter magnetischer Spannung, welches eine Voraussetzung für ein möglichst großes Meßsignal ist.

Die Magnetfeldquellen können zweckmäßigerweise Kerne aus magnetisierbarem Material sein, welche auf der als scheibenförmige Magnetplatte ausgebildeten Trägerplatte befestigt sind. Um die Kerne sind dann die ihnen zugeordneten Meßfeldspulen gewickelt. Eine andere Ausführungsform der Magnetfeldquellen kann in Stromspulen bestehen, welche auf der Trägerplatte montiert sind und von den Meßfeldspulen umgeben sind.

Eine besonders günstige Form der Ausschnittskontur ergibt sich durch konzentrisch zur Drehachse verlaufende Kreisringsegmente, welche so dimensioniert sind, daß sie während der Drehbewegung der Küvette beim Überstreichen der Stirnflächen der Magnetfeldquellen diese völlig freigeben.

Eine ebenso gute Ausschnittskontur ergibt sich durch einen konzentrisch zur Drehachse verlaufenden nierenförmigen Ausschnitt.

Werden als Magnetfeldquellen magnetisierbare Kerne auf einem scheibenförmigen Dauermagneten aufgebracht, so kann eine Verbesserung der Äquipotentialeigenschaften erzielt werden, wenn die Kerne über eine als Äquipotentialscheibe dienende Platte aus magnetisch gut leitfähigem Material verbunden sind.

Als ein dafür geeignetes Material hat sich eine hochpermeable Eisen-Kobalt-Legierung für die Äquipotentialscheibe erwiesen.

Um eine noch größere schwingungsmäßige Entkopplung zwischen der Antriebseinheit für die Küvettenanordnung durch einen Antriebsmotor zu erreichen, ist vorgesehen, das Antriebsgehäuse mit labyrinthartigen Wandteilen zu versehen, deren schwingungsmäßige Entkopplung eine Körperschallübertragung auf die Magnetfeldquellen vermeidet.

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

Es zeigen

Fig. 1 die Schnittdarstellung eines paramagnetischen Meßgerätes

Fig. 2 die Ansicht auf die Küvettenanordnung bei abgenommener Antriebseinheit

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Wicklungsrichtungen der Meßfeldspulen zu den Magnetfeldquellen.

Fig. 4 ein schematisches Zeitdiagramm der erzeugten Meßsignale.

In Fig. 1 ist ein Gerätegehäuse (1) gezeigt, in welchem eine Magnetplatte (2) als Träger für Eisenkerne (3, 5) dient, welche untereinander über eine Aquipotentialplatte (11) miteinander verbunden sind. Die Polarisierung der Magnetplatte (2) ist durch die Symbole N und S gekennzeichnet. Die Kerne (3, 5) sind von ihnen zugeordneten Meßfeldspulen (7, 9) umgeben. Die Stirnfläche (12) der Kerne (3, 5) weisen in Richtung auf die Ausschnitte (13, 14) einer scheibenförmigen Küvettenanordnung (15) hin. Die Küvette ist an einem Wellenzapfen (16) aufgenommen, die an der Welle (17) eines Antriebsmotors (18) befestigt und an einem Wellenlager (19) geführt ist. Motor (18) und Motorhalterung (20) sind über ein labyrinthförmig ausgestaltetes Wandteil (21) miteinander befestigt. Die Zufuhr des Prüfgases erfolgt über die Gaszuführung (23), welche in den Meßraum (24) mündet, der bis in den Drehbereich der Küvette (15) reicht und von dort über den Austritt (25) zur Umgebung führt.

In Fig. 2 ist die Ansicht auf die Küvettenanordnung (15) dargestellt, wobei die Antriebseinheit, bestehend aus Motor (18) und Motorhalterung (20) mit Labyrinthwand (21), abgenommen sind. Die Küvette (15) ist über die Welle (17) in dem Gehäuse (1) drehbar in Richtung des Drehsinnpfeils (26) angeordnet. Die als Scheibe ausgebildete Küvette (15) besitzt zwei sich axial gegenüberliegende, annähernd nierenförmige Ausschnitte (13, 14), welche in der dargestellten Position die Stirnflächen (12) der Kerne (3, 5) vollständig freigeben. Die entsprechenden benachbarten Kerne (4, 6) werden von der Kontur der jeweiligen Ausschnitte (13, 14) gerade berührt, geben diese aber noch nicht frei. Bei Drehung der Küvette (15) in Richtung des Pfeiles (26) werden die Kerne (3, 5) in ihrem freien Durchtritt durch die Ausschnitte (13, 14) abnehmen, wobei die Stirnflächen der Kerne (4, 6) in entsprechendem Maße in die Ausschnitte (13, 14) eintreten und somit die durch das fortschreitende Abdecken der Kerne (3, 5) abnehmende Durchflutung der Magnetfelder durch die zunehmend freiwerdenden Magnetfelder der Kerne (4, 6) weitestgehend kompensieren. Durch den abwechselnden Wicklungssinn der Meßfeldspulen (3, 5) einerseits und (4, 6) andererseits, wie es in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, werden die in den Spulen (7, 9) erzeugten Flußabnahmen wegen der verschwindenden Durchdringung der Magnetfelder in den paramagnetischen Stoff eine positive Spannung erzeugen, wobei wegen des umgekehrten Wicklungssinnes in den Spulen (8, 10) die dort erzeugte Flußzunahme wegen der Vergrößerung der Flußzunahme durch die Ausschnitte (13, 14) ebenfalls zu einer positiven Spannung führt. Auf diese Weise erhält man durch die Meßsignale der vier Einzelspulen (7, 8, 9, 10) wegen der gleichmäßig bleibenden Durchflutung ein im wesentlichen gleichbleibend konstantes Gesamtsignal.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Ausschnitt aus der Darstellung nach Fig. 1, wobei lediglich die Magnetfeldplatte (2) mit der aufliegenden Äquipotentialplatte (11) gezeigt ist, auf der die Kerne (3, 4, 5, 6) mit den ihnen zugeordneten Meßfeldspulen (7, 8, 9, 10) dargestellt sind. Die Flußrichtung in den Kernen (3, 4, 5, 6) ist jeweils durch den dicken, offenen Pfeil (27) dargestellt. Der Wicklungssinn der Meßfeldspulen (7, 8, 9, 10) ist durch den am Spulenkörper angebrachten gefüllten Punkt gekennzeichnet, wobei die Flußrichtung des in der Meßfeldspule (7, 8, 9, 10) erzeugten Meßfeldes durch die schlanken Pfeile (28) dargestellt ist. Der Signalabgriff erfolgt an den Signalleitungen (29), wobei die einzelnen Meßfeldspulen (7, 8, 9, 10) über Verbindungsleitungen (30) miteinander verbunden sind.

Fig. 4 zeigt schematisch die Darstellung der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses Phi ₃ bis Phi ₆ an den einzelnen Kernen (3, 4, 5, 6) mit den dazugehörigen einzelnen in den Meßfeldspulen (7, 8, 9, 10) erzeugten Spannungssignalen U ₇ bis U ₁₀, sowie den zeitlichen Verlauf des Gesamtflusses Phi sowie der an den Signalleitungen (29) abgreifbaren Gesamtspannung U. Dabei kennzeichnet die Zeit t den Ablauf der Drehbewegung der Küvette (15).

Claims (8)

1. Gerät zur Bestimmung des Anteils von Stoffen mit paramagnetischen Eigenschaften, insbesondere Sauerstoff, in einem Stoffgemisch, welches in einem Gerätegehäuse durch eine mittels einer Antriebswelle drehbaren Küvettenanordnung entlang einer vierfachen oder einer höher gradzahlig vielfachen Anordnung von Magnetfeldquellen vorbeiführbar ist, denen jeweils eine Spulenanordnung zur Umwandlung der in ihr durch den paramagnetischen Stoff verursachten magnetischen Flußänderung in ein elektrisches Meßsignal zugeordnet ist, wobei die Magnetisierungspolung der Magnetfeldquellen mit der Magnetisierungspolung der zugeordneten Meßfeldspulen jeweils benachbarter Magnetfelder und Meßspulenanordnungen in sich abwechselnder Ausrichtung zueinander kombiniert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Magnetfeldquellen in dem Gerätegehäuse (1) lediglich einseitig, der der Antriebswelle (17) abgewandten Drehfläche der Küvettenanordnung (15) gegenüberliegend angebracht ist, und eine Trägerplatte (2) aufweist, auf welcher die die Meßfeldspulen (7, 8, 9, 10) tragenden Magnetfeldquellen (3, 4, 5, 6) aufgenommen sind, die mit ihrer Stirnfläche (12) zur Küvettenanordnung (15) weisen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvettenanordnung aus einer Kreisscheibe (15) besteht, welche drehachsensymmetrische Ausschnitte (13, 14) aufweist, die von dem zu untersuchenden Stoffgemisch durchströmbar sind, und die derart ausgebildet sind, daß bei einer die Stirnfläche (12) einer der Magnetfeldquellen (3, 5) vollständig freilegenden Position des einen der Ausschnitte (13, 14) die jeweils benachbarte Stirnfläche (12) der zugehörigen Magnetfeldquellen (4, 6) von der Ausschnittskontur (13, 14) ausgenommen bleibt, wobei die Summe der durch die Ausschnittskonturen (13, 14) im Zuge der Drehbewegung nur teilweise freigegebenen Querschnitte der Stirnflächen (12) im wesentlichen konstant bleibt.

3. Geräte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte als eine Magnetplatte (2) ausgebildet ist, auf der als Eisenkerne (3, 4, 5, 6) ausgeführte Magnetfeldquellen befestigt sind, um welche die Meßfeldspulen (7, 8, 9, 10) gewickelt sind.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschnitte konzentrisch zur Drehachse verlaufende Kreisringsegmente (13, 14) sind.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschnitte eine konzentrisch zur Drehachse nierenförmig verlaufende Kontur (13, 14) aufweisen.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (3, 4, 5, 6) über eine als Äquipotentialscheibe dienende Platte (11) aus magnetisch gut leitfähigem Material verbunden sind, auf welcher die Magnetplatte (2) aufgebracht ist.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialscheibe (11) aus einer hochpermeablen Eisen-Kobalt-Legierung besteht.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Küvettenanordnung (15) durch einen Motor (18) erfolgt, der an das Gehäuse (1) über eine Motorhalterung (20) mit labyrinthartigen Wandteilen (21) befestigt ist.