DE3940036A1

DE3940036A1 - Verfahren und vorrichtung zur sauerstoffmessung unter ausnutzung der paramagnetischen eigenschaften des sauerstoffs

Info

Publication number: DE3940036A1
Application number: DE3940036A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Krause; Rudi Dipl Phys Roess; Ulrich Dipl Ing Modlinski
Original assignee: Rosemount GmbH and Co
Current assignee: Emerson Process Management GmbH and Co oHG
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1989-12-04
Publication date: 1991-06-06
Also published as: US4983913A

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Messung des Vorhandenseins von Sauerstoff, insbesondere von Sauerstoffkonzentrationen, unter Ausnutzung der paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs und unter Verwendung mindestens eines Körpers, der einen Stoff mit diamagnetischen Eigenschaften aufweist (Körper), auf den bei Vorhandensein von Sauerstoff aufgrund der paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs eine Kraft ausgeübt wird, die in ein verarbeitbares Meßsignal umgesetzt wird.

Gattungsmäßig gehört der Gegenstand der Erfindung zu den Sauerstoffanalysatoren. Die Erfassung und die Auswer tung von Sauerstoffkonzentrationen sind zum Beispiel bei der Prozeßsteuerung, Betriebsanalyse, im Umweltschutz, sowie in Forschung und Entwicklung notwendig. Moderne Sauerstoffanalysatoren sind rechnergestützte Instrumente in extremer Kompaktbauweise.

Durch den Prospekt der Leybold AG mit der Bezeichnung "Oxynos 100" und der Nummer 43-520.01 ist ein solcher Sauerstoffanalysator bekannt geworden.

Die Erfindung betrifft nicht nur einen Sauerstoffanaly sator, wie er im oben genannten Prospekt beschrieben wird, sondern die Erfindung ist generell anwendbar, wenn es sich um die O₂-Messung aufgrund der paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffmoleküls handelt.

So sind in der Literatur verschiedene paramagnetische mechanische Sauerstoffmodule beschrieben worden, die durch paramagnetische Gase einen Ausschlag abgeben, der zu einem Signal verarbeitet wird.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Querempfindlichkeit dieser Meßzellen nicht dem theoretisch zu erwartenden sehr kleinen Wert entspricht. Nichtmagnetische Gase und Teilchen sowie Aerosole haben einen erheblichen Einfluß auf die Messung. Derartige Beeinflussungen der Meßgrößen sind wegen ihrer verfälschenden Wirkung auf die Messung unerwünscht.

Lediglich zur Erläuterung: In Fachkreisen versteht man unter Querempfindlichkeit eine ungewollte Meßempfindlich keit eines Meßmoduls zu einem Gasinhaltsstoff, den man nicht messen will.

Zur Erläuterung der Nachteile des Standes der Technik sei auf folgendes hingewiesen:

Im Grenzgebiet der Meßauflösung bei 2 Volumenprozent Sauerstoff oder kleiner sind die negativen Einflüsse des Wassergehalts eines feuchten Meßgases so groß, daß keine schnelle, genaue Messung mehr möglich ist.

Hinzu kommt, daß in sehr nachteiliger Weise zeitlich langsame Ausgleichsvorgänge auftreten. Diese Ausgleichs vorgänge sind die Adsorption und Absorption der das Meßergebnis verfälschenden Wasserteilchen oder Wasser filme.

In der Vergangenheit hat man versucht, die geschilderten Nachteile zu beheben, indem man eine Thermostatisierung der eingesetzten Meßzellen vornahm. Die Thermostatisierung der Meßzellen bringt jedoch nur eine geringfügige Verbes serung. Zukünftige moderne Sauerstoffanalysatoren müssen in größerem Maße die Querempfindlichkeit unterdrücken.

Der Erfindung liegen folgende Aufgaben zugrunde:

Die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik sollen vermieden werden. Das mit dem Meßgas eindringende Wasser, das das Meßergebnis verfälscht, soll verdampft werden. Die Wasseradsorbatschichten sollen so selektiv desorbiert werden, daß die Bauteiletemperatur und die Gastemperatur nicht wesentlich erhöht werden. Fehler bei der Messung sollen erheblich verkleinert werden. Damit verbunden soll das Zeitverhalten entscheidend optimiert werden. Es sollen Meßeigenschaften erreicht werden, wie diese bei trockenen Meßgasen vorliegen. Insbesondere soll die Querempfindlichkeit von Sauerstoffmeßmodulen gegen Wasser reduziert und möglichst völlig aufgehoben werden.

Dies soll unter anderen dadurch erreicht werden, daß die Elektrostatik, die das Meßergebnis verfälscht, insbe sondere wenn Wasserdampf in die Meßkammer eindringt, reduziert oder völlig vermieden wird.

Diese elektrostatische Wirkung stammt beispielsweise von Wassertröpfchen, die sich an den Körper anlegen, der den Stoff mit diamagnetischen Eigenschaften umfaßt. Im Falle der Vorrichtung gemäß oben genannten Prospekt legen sich die Wassertröpfchen oder ein Wasserfilm an die Kugeln der Hantel.

Die gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper infrarot bestrahlt wird.

Insbesondere wird ein Verfahren zur Messung des Vorhan denseins von Sauerstoff, insbesondere von Sauerstoffkon zentrationen, unter Ausnutzung der paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs und unter Verwendung zweier, hantelförmig zueinander angeordneter Körper, insbesondere Kugeln, die mit Abstand um eine gemeinsame Achse drehbar sind, die einen Stoff mit diamagnetischen Eigenschaften, insbesondere Stickstoff, beinhalten (Körper), auf die bei Vorhandensein von Sauerstoff aufgrund der paramagne tischen Eigenschaften des Sauerstoffs eine Kraft ausgeübt wird, wodurch die beiden Körper ein Drehmoment um die gemeinsame Achse erzeugen, das durch ein Magnetfeld, welches durch eine stromdurchflossene Drahtschleife erzeugt wird, kompensiert wird, wobei die Stromstärke, mit der das Drehmoment kompensiert wird, ein direktes Maß für die Sauerstoffkonzentration ist, vorgeschlagen, bei dem vorgesehen ist, daß die beiden Körper infrarot bestrahlt werden.

Zur Durchführung der beschriebenen Verfahren kann eine Vorrichtung vorgesehen werden, die einen Infrarotstrahler aufweist, der den, beziehungsweise die Körper anstrahlt.

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

Die gestellten Aufgaben werden gelöst. Die Wasseradsor batschichten werden selektiv desorbiert. Das mit dem Meßgas eingedrungene Wasser wird verdampft. Dabei werden die Bauteiletemperatur und die Gastemperatur unwesentlich erhöht. Durch die Desorbierung von Wassertröpfchen und Wasserfilmen werden Fehler bei der Messung erheblich verkleinert. Das Zeitverhalten verbessert sich entschei dend. Die Meßeigenschaften erreichen diejenige Güte, wie man sie bei trockenen Meßgasen antrifft.

Weitere Einzelheiten der Erfindung, der Aufgabenstellung und der erzielten Vorteile sind der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zu entnehmen.

Dieses Ausführungsbeispiel wird anhand einer schematischen Figur erläutert.

Bei dieser Figur wird ausgegangen von einem Meßmodul, wie es im oben genannten Prospekt beschrieben wird und zeichnerisch dargestellt wird.

Es sind zwei mit Stickstoff gefüllte Quarzkugeln 5 vorgesehen, die hantelförmig zueinander angeordnet sind. Stickstoff hat diamagnetische Eigenschaften.

Die beiden Quarzkugeln sind im Innern einer Meßkammer 2 an einem dünnen gespannten Platindraht leicht drehbar aufgehängt. Der Platindraht trägt die Bezugsziffer 3.

Auf dem Platindraht 3 befindet sich ein kleiner Spiegel 4. Von einer Lichtquelle 8 wird ein Lichtstrahl auf den Spiegel 4 geleitet. Der Spiegel reflektiert diesen Lichtstrahl in Richtung auf Fotodetektoren 7.

Außerhalb der eigentlichen Meßzelle erzeugen starke Permanentmagnete, die mit 12 und 13 bezeichnet sind, ein inhomogenes Magnetfeld.

Gelangen Sauerstoffmoleküle über die Eingangsleitung 1 entsprechend dem Pfeil 14 in die Meßzelle, beziehungs weise Meßkammer 2, dann wirkt eine Kraft auf die beiden mit Stickstoff gefüllten Kugeln 5.

Es entsteht ein Drehmoment, das die Hantel samt Spiegel aus der Ruhelage herausdreht. Dieses Herausdrehen wird durch die Pfeile 15, 16, 17, 18 symbolisiert.

Dadurch wird der am Spiegel reflektierte Lichtstrahl abgelenkt.

Um die Kugeln 5 ist eine Drahtschleife 6 geführt. Diese Drahtschleife ist als hantelförmige Leiterschleife ausgebildet.

An diese Drahtschleife wird nun ein elektrischer Strom angelegt. Dieser elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld, das die Drehbewegung der Quarzkugeln kompensiert.

Zur Kompensation der Drehbewegung wird eine bestimmte Stromstärke benötigt. Diese Stromstärke, mit der das Drehmoment auf die Hantel kompensiert wird, ist ein direktes Maß für die Sauerstoffkonzentration.

Das Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht nun darin, daß die Hantel der paramagnetischen Sauerstoffzelle, das heißt die Quarzkugeln 5, mit Hilfe eines Infrarot strahlers 19 so angestrahlt werden, daß die Wasser-Absorbat-Schichten, Filme, Tröpfchen auf den Kugeln 5 durch das dann vorhandene Strahlungsklima von etwa 500 bis 700 Grad Celsius selektiv desorbiert werden. Der Pfeil 21 bezeichnet die Richtung der Infrarotstrah lung.

Die Bauteiletemperatur und die Gastemperatur erhöhen sich dabei nur unwesentlich. Die verdampften Wasserpar tikel gehen als Wasserdampf mit dem Meßgas über die Leitung 9 in Richtung des Pfeils 20 weg.

Die übrigen Einzelheiten des Meßmoduls sind dem oben genannten Prospekt zu entnehmen. Sie sind Stand der Technik. So ist ein mit den Fotodetektoren 7 verbundener Verstärker 10 vorgesehen, der seinerseits mit einem Meßwertanzeiger 11 verbunden ist, der wiederum mit dem elektrischen Leitungssystem der Meßzelle in Verbindung steht. Der Meßwertanzeiger zeigt aufgrund der ermittelten Stromstärke, mit der das Drehmoment auf die Hantel kompen siert wird, siehe obige Beschreibung, die Sauerstoffkon zentration an.

Liste der Einzelteile

1 Leitung
2 Meßkammer, Meßzelle
3 Platindraht
4 Spiegel
5 Kugeln, Körper
6 Drahtschleife
7 Fotodetektoren
8 Lichtquelle
9 Leitung
10 Verstärker
11 Meßwertanzeiger
12 Magnet
13 Magnet
14 Pfeil, Gaseintritt
15 Pfeil, Bewegungsrichtung der Hantel
16 Pfeil, Bewegungsrichtung der Hantel
17 Pfeil, Bewegungsrichtung der Hantel
18 Pfeil, Bewegungsrichtung der Hantel
19 Infrarotstrahler
20 Pfeil, Gasaustritt
21 Pfeil, Infrarot-Strahlungsrichtung

Claims

1. Verfahren zur Messung des Vorhandenseins von Sauer stoff, insbesondere von Sauerstoffkonzentrationen, unter Ausnutzung der paramagnetischen Eigenschaften des Sauer stoffs und unter Verwendung mindestens eines Körpers, der einen Stoff mit diamagnetischen Eigenschaften aufweist (Körper), auf den bei Vorhandensein von Sauerstoff aufgrund der paramagnetischen Eigenschaften des Sauer stoffs eine Kraft ausgeübt wird, die in ein verarbeitbares Meßsignal umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper infrarot bestrahlt wird.

2. Verfahren zur Messung des Vorhandenseins von Sauer stoff, insbesondere von Sauerstoffkonzentrationen, unter Ausnutzung der paramagnetischen Eigenschaften des Sauer stoffs und unter Verwendung zweier, hantelförmig zueinan der angeordneter Körper, insbesondere Kugeln, die mit Abstand um eine gemeinsame Achse drehbar sind, die einen Stoff mit diamagnetischen Eigenschaften, insbesondere Stickstoff, beinhalten (Körper), auf die bei Vorhandensein von Sauerstoff aufgrund der paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs eine Kraft ausgeübt wird, wodurch die beiden Körper ein Drehmoment um die gemeinsame Achse erzeugen, das durch ein Magnet feld, welches durch eine stromdurchflossene Drahtschleife erzeugt wird, kompensiert wird, wobei die Stromstärke, mit der das Drehmoment kompensiert wird, ein direktes Maß für die Sauerstoffkonzentration ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Körper infrarot bestrahlt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Infrarotstrahler (19) vorgesehen ist, der den, beziehungsweise die Körper anstrahlt.