DE4334543A1 - Verfahren zum Messen der Konzentration an paramagnetischen Bestandteilen von Gasen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Konzen­ tration an paramagnetischen Bestandteilen in einem Gas durch periodisch abwechselndes Einbringen des Gases und eines Vergleichsmediums in einen Spalt in einem Magnetkreis und durch Erfassen der dadurch verursachten periodischen Änderungen des magnetischen Flusses in dem Magnetkreis.

Ein Verfahren der angegebenen Art ist aus der EP 0 177 629 B1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird der Konzentra­ tionsunterschied an paramagnetischen Bestandteilen zwischen einem Meßgas und einem Vergleichsgas gemessen. Hierzu wer­ den die beiden Gase periodisch abwechselnd aus entgegenge­ setzten Richtungen in den Luftspalt eingebracht, wobei eine Grenzzone zwischen den beiden Gasen senkrecht zu den Magnetfeldlinien periodisch durch den Luftspalt hin- und herbewegt wird. Das bekannte Verfahren benötigt das stän­ dige Zuführen eines geeigneten Vergleichsgases, um die durch Diffusion sich ansonsten verwischende Grenzzone zwi­ schen Meß- und Vergleichsgas aufrechtzuerhalten. Hierdurch wird der Betriebsaufwand erhöht. Nachteilig ist weiterhin, daß die möglichen Strömungsgeschwindigkeiten zum Verschie­ ben der Gase in dem Spaltraum die Meßfrequenz derart begrenzen, daß nur vergleichbar niedrige Werte erreicht werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das ohne die ständige Zufuhr eines Vergleichsgases durchführbar ist und das sich durch eine hohe Meßfrequenz, eine hohe Empfindlichkeit und geringes Rauschen auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Vergleichsmedium ein Festkörper vorgesehen ist, der beim Einbringen in den Spalt das dort befindliche Gas weitgehend verdrängt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Vergleichsme­ dium durch einen Festkörper gebildet, der im periodischen Wechsel mit dem Gas in den Spalt des Magnetkreises gebracht wird und dadurch die Bildung eines Vergleichswerts ermög­ licht. Die Verwendung eines Festkörpers hat den Vorteil, daß das Gas mit hoher Geschwindigkeit aus dem Spalt heraus bzw. auch in diesen hinein transportiert werden kann, wodurch eine hohe Meßfrequenz von 30 und mehr Hertz erreichbar ist. Die ständige Zuführung eines Vergleichs­ gases entfällt. Der Festkörper kann aus einem geeigneten diamagnetischen und/oder paramagnetischen Werkstoff beste­ hen und er kann eine geschlossene Kammer aufweisen, die mit einem Vergleichsgas, beispielsweise 100% Sauerstoff, gefüllt ist.

Vorzugsweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Festkörper kontinuierlich und mit konstanter Geschwindig­ keit durch den Spalt des Magnetkreises bewegt, wobei in dem Festkörper Ausnehmungen vorgesehen sind, die mit dem zu messenden Gas gefüllt werden.

Um die Empfindlichkeit zu erhöhen und den Einfluß von Stör­ größen zu reduzieren, können nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung zwei Magnetkreise vorgesehen sein, in die das Gas oder ein Festkörper abwechselnd und in entgegengesetz­ ter Folge eingebracht wird, wobei die Änderungen des magne­ tischen Flusses in beiden Magnetkreisen verglichen wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist vorzugsweise einen auf einer Welle drehbar gelagerten Rotationskörper auf, der mit seinem radial äuße­ ren Randbereich den Spalt eines oder mehrerer Magnetkreise durchgreift und der in regelmäßigen Abständen durch Ausneh­ mungen oder Durchbrüche gebildete Kammern aufweist, in die das Meßgas eingebracht wird. Zweckmäßig ist eine Ausgestal­ tung, bei der der Rotationskörper aus einer zur Rotations­ achse senkrechten und konzentrischen Kreisscheibe besteht, die in gleichem Abstand von der Rotationsachse und in glei­ chem Abstand voneinander mehrere durch achsparallele Boh­ rungen gebildete Kammern aufweist und die zwischen zwei Gehäusewänden angeordnet ist, in denen sich Polschuhe des Magnetkreis es oder der Magnetkreise und Austrittsöffnungen für die Zuführung des Gases befinden. Die Kammern im Rota­ tionskörper können mit dünnen Deckeln aus diamagnetischem Material verschlossen sein, wobei in den Deckeln Öffnungen für die Gaszuführung vorgesehen sind. Hierdurch wird die Scherwirkung zwischen dem eingefüllten Gas und den Gehäuse­ wänden reduziert und störenden Turbulenzströmungen in der Kammer entgegengewirkt. Zusätzlich kann zur Strömungsdäm­ pfung die durch den Rotor gebildete Kammerwand mit einer Profilierung versehen sein. Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Beschickung der Kammern mit fri­ schem Gas unmittelbar auf der Seite des Spalts erfolgt, auf der der Rotor aus dem Spalt austritt. Hierdurch läßt sich die Zeitspanne bis zum erneuten Eintritt der mit frischem Gas gefüllten Kammer in den Spalt des Magnetkreis es ver­ gleichsweise lang bemessen, so daß die Gasbewegung in der Kammer vor dem Erreichen des Spalts abklingen kann.

Um ein schnelles Füllen der Kammern zu erreichen und stö­ rende Strömungskräfte an dem Rotor zu vermeiden, sind erfindungsgemäß auf beiden Seiten des Rotors einander gegenüberliegend Öffnungen für die Zuführung und die Abfüh­ rung des Gases vorgesehen. Vorzugsweise sind die Zuführ- und Abführöffnungen in Umfangsrichtung geneigt und derart einander gegenüberliegend angeordnet, daß beim Anschluß der Öffnungen an eine Kammer zwei Strömungspfade entstehen, die in radialer Richtung gesehen einander queren, ohne sich gegenseitig zu stören.

Der Rotor kann erfindungsgemäß aus Quarz oder Plexiglas hergestellt sein. Das Feld der Magnetkreise ist statisch und kann sowohl durch Elektromagneten als auch durch Perma­ nentmagneten gebildet sein. Die Änderungen des Magnetflusses werden durch Spulen ermittelt, die jeweils in dem Magnet­ kreis angeordnet sind. Die beim Betrieb der Vorrichtung auftretenden Feldänderungen generieren in den Spulen eine Induktionsspannung, die verstärkt und ausgewertet wird. Zum Antrieb des Rotationskörpers kann ein Motor vorgesehen sein. Anstelle eines Motors kann der Rotationskörper auch mit Hilfe des Gases angetrieben werden, indem der Rotor von dem Gas mit geeigneter Geschwindigkeit tangential von bei­ den Seiten angeströmt wird.

Ein Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in der Zeichnung 9 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Transparentdarstellung einer Vorrichtung zur Messung des Gehaltes an parama­ gnetischen Bestandteilen in einem Gas und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Rotors und des Rotor­ gehäuses der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist einen kreis­ scheibenförmigen Rotor 1 auf, der auf einer Welle 2 befe­ stigt ist, die in Lagern 3 drehbar gelagert ist. Der Rotor 1 befindet sich innerhalb zweier Magnetkreise 4, 5, die nebeneinander angeordnet sind und aus rechteckigen Ringen aus ferromagnetischem Stahl bestehen. In den Magnetkreisen 4, 5 sind einander gegenüberliegend jeweils zwei Induk­ tionsspulen 6, 7 angeordnet, die in ihrem Kern jeweils einen bipolaren Permanentmagneten 8, 9 haben. Von den ein­ ander zugekehrten Polen der Permanentmagnete 8, 9 führen Polschuhe 10, 11 auf beide Seiten des scheibenförmigen Rotors 1. Die Polschuhe 10, 11 bilden mit ihren dem Rotor 1 benachbarten Enden einen Spalt, durch den sich die Rotor­ scheibe hindurch bewegt, wobei zwischen dem Rotor 1 und den Polschuhen 10, 11 ein kleines, eine Berührung von Rotor 1 und Polschuhen 10, 11 vermeidendes Spiel vorgesehen ist.

Das obere Ende der Welle 3 ragt zwischen den Magnetkreisen 4, 5 hindurch nach außen und trägt dort ein Antriebsrad 12, das über einen Zahnriemen 13 von einem Antriebsrad 14 eines Motors 15 antreibbar ist. Die beiden Antriebsräder 12, 14 und der Motor 15 sind außerhalb eines Abschirmkäfigs 16 angeordnet, der die Magnetkreise 4, 5 mit Abstand umgibt. Durch einen Halter 17 ist der Motor 15 an dem Abschirmkäfig 16 befestigt. Zum Messen der Rotordrehzahl ist eine Licht- oder Induktionsschranke 18 vorgesehen.

In dem von den Polschuhen 10, 11 bestrichenen Bereich des Rotors 1 sind vier zylindrischen Kammern 22 angeordnet, die sich im gleichen Abstand voneinander befinden. Drei der Kammern 22 sind mit beiderseitigen Öffnungen versehen, durch die die Kammern mit einem zu messenden Gas gefüllt werden können. Die Zuführung des Gases erfolgt durch Anschlußelemente 19, 20, die sich beiderseits des Rotors 1 befinden und jeweils mit einem Gasanschluß verbunden sind. Die vierte Kammer 22 in dem Rotor 1 ist geschlossen und zur Bildung eines Empfindlichkeitssignals beispielsweise für die Sauerstoffmessung mit 100% Sauerstoff gefüllt. Je nach Anwendungsfall kann jedoch die vierte Kammer auch mit einem anderen paramagnetischen Werkstoff versehen sein.

Wie aus Fig. 2 zu sehen, ist der Rotor 1 von einem Gehäuse 24 umgeben, das allseits geschlossen ist und mit Hilfe von Labyrinthdichtungen 25 gegenüber der Rotorwelle 2 abgedich­ tet ist. In das Gehäuse 1 sind die Anschlußelemente 19, 20 eingesetzt. Das Anschlußelement 19 dient der Zuführung von zu messendem Gas. Über das Anschlußelement 20 wird aus der Kammer 22 verdrängtes Gas abgeführt. Die Anschlußelemente 19, 20 kommunizieren über dem Rotor 1 zugekehrte Öffnungen und diesen gegenüberliegende Öffnungen in die Kammer 22 verschließenden Deckeln 23 immer dann mit der Kammer 22, wenn diese die Anschlußelemente 19, 20 passiert.

Claims (9)

1. Verfahren zum Messen der Konzentration an paramagneti­ schen Bestandteilen in einem Gas durch periodisch abwechselndes Einbringen des Gases und eines Ver­ gleichsmediums in einen Spalt in einem Magnetkreis und durch Erfassen der dadurch verursachten periodischen Änderungen des magnetischen Flusses in dem Magnetkreis, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsmedium ein Festkörper vorgesehen ist, der beim Einbringen in den Spalt das dort befindliche Gas weitgehend verdrängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper kontinuierlich und mit konstanter Geschwindigkeit durch den Spalt des Magnetkreises bewegt wird, wobei in dem Festkörper Ausnehmungen vor­ gesehen sind, die mit dem zu messenden Gas gefüllt wer­ den.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnetkreise vorgesehen sind, in die das Gas oder ein Festkörper abwechselnd und in entgegengesetzter Folge eingebracht wird, wobei die Änderungen des magnetischen Flusses in beiden Magnet­ kreisen verglichen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Mes­ sen der Konzentration an paramagnetischen Bestandteilen in einem Gas durch periodisch abwechselndes Einbringen des Gases und eines Vergleichsmediums in einen Spalt in einem Magnetkreis und durch Erfassen der dadurch verur­ sachten periodischen Änderungen des magnetischen Flus­ ses in dem Magnetkreis, gekennzeichnet durch einen auf einer Welle drehbar gelagerten Rotationskörper auf, der mit seinem radial äußeren Randbereich den Spalt eines oder mehrerer Magnetkreise durchgreift und der in regelmäßigen Abständen durch Ausnehmungen oder Durch­ brüche gebildete Kammern aufweist, in die das Meßgas eingebracht wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper aus einer zur Rotationsachse senkrechten und konzentrischen Kreisscheibe besteht, die in gleichem Abstand von der Rotationsachse und in gleichem Abstand voneinander mehrere durch achsparal­ lele Bohrungen gebildete Kammern aufweist und die zwi­ schen zwei Gehäusewänden angeordnet ist, in denen sich Polschuhe des Magnetkreises oder der Magnetkreise und Austrittsöffnungen für die Zuführung des Gases befin­ den.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern im Rotationskörper mit dünnen Deckeln aus diamagnetischem Material verschlos­ sen sind, wobei in den Deckeln Öffnungen für die Gaszu­ führung vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickung der Kammern mit frischem Gas unmittelbar auf der Seite des Spalts erfolgt, auf der der Rotor aus dem Spalt austritt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten des Rotors einan­ der gegenüberliegend Öffnungen für die Zuführung und die Abführung des Gases vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführ- und Abführöffnungen in Umfangsrichtung geneigt und derart einander gegenüber­ liegend angeordnet sind, daß beim Anschluß der Öffnun­ gen an eine Kammer zwei Strömungspfade entstehen, die in radialer Richtung gesehen einander queren, ohne sich gegenseitig zu stören.