DE69014591T2

DE69014591T2 - Thermomagnetischer Sauerstoffsensor.

Info

Publication number: DE69014591T2
Application number: DE69014591T
Authority: DE
Inventors: Emilio Meyer
Original assignee: Panametrics LLC
Current assignee: Panametrics LLC
Priority date: 1990-01-16
Filing date: 1990-09-06
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2010-09-07
Also published as: JP2947904B2; DE69014591D1; US5012669A; EP0442034A1; JPH03225269A; EP0442034B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Sauerstofferfassungsverfahren und -vorrichtungen und insbesondere eine Vorrichtung und Verfahren zum Messen einer Sauerstoffkonzentration in Gasmischungen durch magnetische Mittel.
Eine genaue Messung einer Sauerstoffkonzentration in einer Gasmischung ist für viele industrielle, klinische und Laborprozesse wesentlich, und daher wurden verschiedene Vorrichtungen zum Messen einer Sauerstoffkonzentration vorgeschlagen bzw. entwickelt. Es ist seit langem bekannt, daß Sauerstoff dadurch paramagnetisch ist, daß seine Moleküle zum stärksten Teil eines Magnetfelds streben. Die meisten anderen Gase sind dagegen dadurch diamagnetisch, daß ihre Moleküle zum schwächsten Teil eines Magnetfelds streben. Die weithin bekannten paramagnetischen Merkmale des Sauerstoffs haben eine Reihe von Forschungsarbeiten bezüglich Verfahren und Vorrichtungen zum Messen der Sauerstoffkonzentration in einer Gasmischung durch magnetische Erfassungsvorrichtungen angeregt.
Insbesondere ist, wenn eine Substanz in einem Magnetfeld mit einer Stärke H angeordnet wird, die magnetische Induktion durch B gegeben, wobei
B = H + 4 (pi) (zeta) Gleichung (1),
wobei die Größe (zeta) die Intensität der Magnetisierung ist, und
(zeta)/H=k Gleichung (2)
die magnetische Suszeptibilität pro Einheitsvolumen ist.
Im allgemeinen ist die Massensuszeptibilität diamagnetischer Substanzen unabhängig von Temperatur und Feldstärke. Die Suszeptibilität paramagnetischer Substanzen ist jedoch umgekehrt proportional zu der absoluten Temperatur und unabhängig von der Feldstärke. Da die Dichte ebenfalls umgekehrt proportional zur Temperatur ist, ist die Suszeptibilität nach dem Volumen umgekehrt proportional zum Quadrat der Temperatur.
Jede in einem Magnetfeld angeordnete Substanz entwickelt analog zu dem durch ein nicht polares Molekül in einem elektrischen Feld entwickelten induzierten elektrischen Moment ein induziertes Moment. Eine paramagnetische Substanz jedoch weist ein dem dauerhaften elektrischen Dipolmoment eines polaren Moleküls ähnliches dauerhaftes Moment auf.
Wenn ein Körper in einem gleichmäßigen Magnetfeld angeordnet wird, erfährt es einen Orientierungseffekt, wenn es nicht magnetisch isotrop ist. Das von dem Körper unter diesen Bedingungen angenommene magnetische Moment ist proportional zu kvH, d.h. dem Produkt des Volumens, der Suszeptibilität pro Einheitsvolumen und der Feldstärke.
Der Körper erfährt jedoch keine Verdrängungskraft, wenn das Feld gleichmäßig ist. Wenn das Feld bei einem Gradienten dH/dS in der Richtung S ungleichmäßig ist, erfährt der Körper eine lineare Verdrängungskraft in der Richtung S, und diese lineare Verdrängungskraft ist durch
F = (kv) (dH/dS) Gleichung (3)
gegeben, d.h. die Kraft ist proportional zum Produkt des Moments und des Gradienten.
Wenn eine Probe eines Stoffes zwischen den Polen eines Magnets angeordnet wird, so daß sich ein Teil der Probe in einem Bereich großer Feldstärke und der andere in einem Bereich eines vernachlässigbaren Felds befindet, entspricht die auf die Probe einwirkende Kraft der durch die Gleichung (3) beschriebenen und reicht von dem Bereich maximaler Feldstärke bis zu dem Bereich eines vernachlässigbaren Felds. Diese Integration ergibt eine resultierende Kraft
F=1/2(kH²A) Gleichung (4)
wobei A der Querschnittsbereich der Probe ist.
Ein früher Typ einer paramagnetischen Meßzelle, der auf der magnetischen Suszeptibilität des Sauerstoffs basierte, ist in Pauling et al, "An Instrument for Determining the Partial Pressure of Oxygen in a Gas", 68 "Journal of the American Chemical Society" 795, (1946) beschrieben. Die Meßzelle von Pauling et al verwendet ein versiegeltes Glasrohr, das ein schwach diamagnetisches Gas wie Stickstoff enthält. Das Rohr ist zwischen den keilförmigen Polstücken eines Dauermagneten aufgehängt, die ein ungleichmäßiges Magnetfeld erzeugen, und das Rohr kann frei um eine vertikale Achse rotieren. Der gesamte Aufbau wird dann in einer Kammer angeordnet, die ein gewähltes Gas enthält.
Wenn Sauerstoff in die das Rohr umgebende Kammer eingeleitet wird, ist der Stickstoff in dem Rohr in Relation zu dem umgebenden paramagnetischen Sauerstoffgas wirkungsvoll diamagnetisch, und auf das Rohr wirkt eine Kraft ein, die danach strebt, es in den Bereich zu drehen, in dem das Magnetfeld am schwächsten ist.
Diese Drehung bzw. eine zum Verhindern dieser Drehung erforderliche Kraft kann als Indikator für die Sauerstoffkonzentration in der Kammer gemessen werden. Die Paulingzelle ist jedoch zerbrechlich, und die Drehachse des Rohrs muß bei jeder Verwendung erneut ausgerichtet werden, was sie für industrielle Sauerstoffmeßanwendungen ungeeignet macht.
Ein weiterer Typ von Vorrichtung zum Messen der Sauerstoffkonzentration basiert auf dem inversen Verhältnis zwischen der Temperatur und der magnetischen Suszeptibilität des Sauerstoffs. Um dieses inverse Verhältnis zu nutzen, kann ein Heizelement zum Erwärmen eines Teils einer sauerstoffhaltigen Mischung in einem nicht homogenen Magnetfeld verwendet werden, um dadurch einen "Magnetwind"-Gasstrom zu erzeugen, der durch seine thermische Wirkung auf die daneben angeordneten Thermistorelemente gemessen werden kann.
Insbesondere ist die magnetische Suszeptibilität des Probengases umgekehrt proportional zum Quadrat der Temperatur, und die Suszeptibilität kann auf vernachlässigbare Niveaus abfallen, wenn die Erwärmung ausreichend ist. Wenn das Heizelement jedoch eine unvollständige oder unzureichende Erwärmung bewirkt, bleibt die magnetische Suszeptibilität der Probe signifikant. Unter diesen Umständen wird die Gleichung (3) zu
F = 1/2 (k - ko) (H² - Ho²) A Gleichung (5),
wobei ko die Restsuszeptibilität und Ho die Restfeldstärke bezeichnen.
Verschiedene Gestaltungsformen von Magnetwindvorrichtungen sind in Medlock et al, "Oxygen Analysis", "Transactions of the Instruments and Methods Conference", Stockholm, 1949, Seiten 1 - 8 und Ellis et al, "The Measurement of Gaseous Oxygen Tension Utilizing Paramagnetism", 40 British Journal of Anaesthesia 569 (1968) besprochen.
Bei herkömmlichen Magnetwind-Sauerstofftmeßvorrichtungen treten bedauerlicherweise aufgrund der Änderungen der thermischen Eigenschaften der Umgebung bzw. der "Hintergrundgase" verhältnismäßig große Fehler auf. Insbesondere verursacht das Vorhandensein verschiedener Hintergrundgase aufgrund der großen Unterschiede der thermischen Eigenschaften der Hintergrundgase das Ermitteln verfälschter Meßwerte von Sauerstoffniveaus durch herkömmliche Magnetwind-Sauerstoffmeßvorrichtungen.
Magnetwind-Sauerstofferfassungsvorrichtungen nach bekanntem Stand der Technik weisen vor allem im Vergleich mit Verfahren auf der Basis der direkten Messung der magnetischen Suszeptibilität auch die Nachteile der Positionsempfindlichkeit und der Abhängigkeit von Hintergrundgas auf.
Überdies gingen die Konstrukteure paramagnetischer Gassensoren bisher aufgrund des Verhältnisses zwischen dem Magnetfeldgradienten und der auf eine Probe in einem nicht homogenen Feld einwirkenden Kraft davon aus, daß es, um ein starkes Meßsignal zu erhalten, erforderlich sei, einen hohen Magnetfeldgradienten beizubehalten und die Winderzeugungs-Widerstandselemente in dem Bereich mit hohem Gradienten anzuordnen.
Ausgehend von dieser Annahme verwenden bestimmte Vorrichtungen nach bekanntem Stand der Technik Magnetpolstücke, die derart beschaffen sind, daß sie einen lokalen maximalen Magnetfeldgradienten erzeugen und Heiz/Erfassungsthermistoren verwenden, die in dem Bereich mit hohem Gradienten angeordnet sind. Die Heizwirkung dieser Thermistoren ist jedoch nicht auf den Bereich der höchsten Feldintensität begrenzt, sondern "fließt" statt dessen in einen zweiten Bereich außerhalb des Bereichs mit hoher Feldintensität ein. Die erhöhte Temperatur verringert die magnetische Suszeptibilität in diesem zweiten Bereich, und vermindert daher das von den Erfassungsthermistoren erzeugte Signal. Die Gestaltung bestimmter herkömmlicher Erfassungsvorrichtungen verhindert daher das Erzielen eines maximalen Meßsignals.
Das US-Patent Nr. 3,064,465 von Richardson ist ein Beispiel für diese Gestaltungsform. Das Richardson-Patent offenbart eine Meßvorrichtung, bei der die Magnetpolstücke derart geformt sind, daß sie einen maximalen magnetischen Gradienten erzeugen, und bei der sich die Heizwirkung der Heizthermistoren über den Punkt der höchsten Feldintensität hinaus in den Bereich erstreckt, in dem zur Maximierung des Meßsignals idealerweise die niedrigste Temperatur herrschen sollte. Diese durch Erwärmung und Verminderung der Suszeptibilität außerhalb des Bereichs der maximalen Feldintensität verursachte Verminderung des Meßsignals stellt eine erhebliche Beschränkung des bekannten Stands der Technik dar.
US-A-2 903 883 offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines paramagnetischen Gases in einer Gasmischung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei die Vorrichtung Spiralheiz- und Erfassungsspulen umfaßt, wodurch die Erwärmung des Gases um den gesamten Umfang erfolgt und die von Konvektionskräften angetriebene Gasprobe durch einen internen, vertikal ausgerichteten Kanal in den Spalt zwischen den Magnetpolstücken eindringt. Die Heizelemente sind nahe bei der zentralen Öffnung angeordnet und erzeugen, zumindest teilweise, diese Konvektionswirkung. Die Polstücke sind ringförmig, und die magnetische Suszeptibilität des Gases wird aufgrund des "Einsickerns" der Spulenheizwirkung erhöht, bevor das Gas in den Abschnitt mit konstantem Magnetfeld gelangt. Die Polstücke sind innerhalb einer zylindrischen Kammer angeordnet, um das dargelegte Strömungsmuster zu erzwingen.
Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, eine paramagnetische Gaserfassungsvorrichtung zu schaffen, die unabhängig von einer Hintergrundgaszusammensetzung und thermischen Eigenschaften feine, genaue Messungen einer Sauerstoffkonzentration erzielt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine derartige Vorrichtung zu schaffen, die stabil, zuverlässig und leicht zu transportieren ist.
Weitere allgemeine und besondere Aufgaben der Erfindung sind zum Teil offensichtlich und zum Teil im folgenden aufgeführt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die oben genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines paramagnetischen Gases in einer Gasmischung nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Merkmale werden in den Ansprüchen 2 - 6 beansprucht.
Die Heizwirkungen der Winderzeugungsthermistoren sind auf einen Bereich mit hoher Magnetfeldintensität begrenzt. Die Heizwirkungen der Winderfassungsthermistoren sind auf den Bereich mit sinkender Magnetfeldintensität begrenzt.
Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit bestimmten dargestellten Ausführungsformen beschrieben; es sollte für Fachleute jedoch unmißverständlich sein, daß verschiedene Modifikationen, Zusätze und Einsparungen erfolgen können, ohne von den Prinzipien bzw. dem Rahmen der Ansprüche abzuweichen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Zum Zwecke eines umfassenderen Verständnisses der Merkmale und der Aufgaben der Erfindung sollte auf die folgende genaue Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen werden, in denen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm ist, das eine erfindungsgemäß aufgebaute Sauerstofferfässungszelle darstellt;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm ist, das eine erfindungsgemäße Sauerstofferfassungsschaltung darstellt;
Fig. 3A und Fig. 3B vereinfachte schematische Diagramme sind, die eine herkömmliche paramagnetische Gaserfassungsvorrichtung mit einer für den bekannten Stand der Technik typischen Polstück- und Thermistorgestaltung darstellen;
Fig. 3C und Fig. 3D Skizzen der Magnetfeldintensität in Relation zur Position und der Temperatur in Relation zur Position bei der in den Figuren 3A und 3B dargestellten herkömmlichen Vorrichtung sind;
Fig. 4A und Fig. 4B vereinfachte schematische Diagramme sind, die eine Polstück- und Thermistorgestaltung für eine erfindungsgemäße paramagnetische Gaserfassungsvorrichtung darstellen; und
Fig. 4C und 4D die Magnetfeldintensität in Relation zur Position und die Temperatur in Relation zur Position bei der Ausführungsform nach den Figuren 4A und 4B darstellen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Gestaltungsform einer erfindungsgemäßen Sauerstofferfassungszelle darstellt. Der Sauerstoffsensor nutzt das "Magnetwind"-Phänomen und umfaßt eine Sensorzelle 100 mit zwei Paaren elektrisch erwärmter herkömmlicher Thermistoren R1, W1 und R2, W2.
Ein Thermistor jedes Paars elektrisch erwärmter Thermistoren, d.h. die Thermistoren W1 und W2, ist in einem ungleichmäßigen Magnetfeld hoher Intensität angeordnet. Der zweite Thermistor jedes Paars elektrisch erwärmter Thermistoren, d.h. die Thermistoren R1 und R2, ist jeweils neben W1 und W2, doch wahlweise vom Bereich der höchsten Magnetfeldintensität abgesetzt angeordnet. Die Querschnittsform der Polstücke und der Abstand der äußeren Thermistoren von dem Bereich der höchsten Magnetfeldintensität wird im folgenden im Zusammenhang mit den Figuren 4A bis 4D genauer besprochen.
Wenn in der Sauerstofferfassungszelle 100 Sauerstoff vorhanden ist und die Thermistoren W1 und W2 elektrisch erwärmt sind, erzeugen die Thermistoren W1 und W2 einen Gasstrom in der Richtung der von dem maximalen Magnetfeld beabstandeten angrenzenden Thermistoren jedes Paars, d.h. der Thermistoren R1 und R2. Die Thermistoren W1 und W2 geben daher Wärme an die angrenzenden Thermistoren R1 und R2 jedes Paars ab. Dementsprechend bewirkt das Vorhandensein von Sauerstoff in der Sauerstofferfassungszelle 100 eine proportionale Verringerung der Temperatur der Thermistoren W1 und W2 und eine Erhöhung der Temperatur der angrenzenden Thermistoren R1 und R2.
Die dargestellte Anordnung der Sensorzelle 100 minimiert die Abhängigkeit von einem Hintergrundgas, die anderenfalls durch Änderungen der thermischen Leitfähigkeit, der Wärmekapazität und der Viskosität verursacht würde. Überdies können die Thermistorpaare exakt angeordnet werden, um, wie im folgenden im Zusammenhang mit den Figuren 4A - 4D genauer beschrieben, die Signalausgabe zu maximieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Thermistorpaare R1, W1 und R2, W2 zusätzlich in einer in Fig. 2 dargestellten Meßbrückenschaltung verbunden. Die Meßbrückenschaltung 200 ist aufgrund der durch die Ungleichmäßigkeit der Thermistortemperatur verursachte Widerstandsänderung unausgeglichen. Die Uneinheitlichkeit der Thermistortemperaturen ist wiederum proportional zu der Sauerstoffkonzentration.
Erfindungsgemaß beseitigt die in Fig. 2 dargestellte Schaltung durch Steuern der Temperatur der Sauerstofferfassungselemente die unerwünschten Wirkungen der Schwankungen der Umgebungstemperatur. Die Temperatur der Sauerstofferfassungselemente wird durch eine Hochpräzisions-Temperatursteuerschleife, die den dargestellten Serientransistor ST und das Brückentemperatur-Einstellelement RT umfaßt, auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten. Insbesondere umfaßt die dargestellte Schaltung 200 eine Konstanttemperaturbrücke, die von den Widerständen RC, RD, RS gebildet wird, und eine Sauerstoffmeßbrücke, die aus Thermistoren W1, W2, R1, R2 und RA und Widerständen RB und RZ besteht.
Die Widerstände RC, RD, RS und die aus den Thermistoren W1, W2, R1, R2 und RA und den Widerständen RB und RZ bestehende Sauerstoffmeßbrücke bilden die vier Arme einer Wheatstonebrücke. Ein variabler Widerstand RT wird als Brückentemperatur-Einstellelement verwendet. Ein Verstärker A1, der einen herkömmlichen Aufbau und eine herkömmliche Bauweise aufweisen kann, erfaßt jede elektrische Ungleichmäßigkeit zwischen Zweigendpunkten "X" und "Y" und treibt den Serientransistor ST an, um den Brückenstrom derart zu ändern, daß die Brückensymmetrie wieder hergestellt wird.
Diese Erfassungs- und Steuerschleife hält die Elemente der Sauerstoffmeßbrücke ungeachtet jeder Änderung der Zusammensetzung des Hintergrundgases, die anderenfalls durch Änderungen der Thermoleitfähigkeit die Thermistorwärmedissipation und die Temperatur beeinträchtigen würde, auf einer konstanten Temperatur. Es wurde festgestellt, daß die optimale Temperatur der Thermistoren ohne ein Vorhandensein von Sauerstoff bei ca. 200ºC liegt.
Ein wesentlicher Vorteil der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ist, daß die Thermistoren auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Diese konstante Temperatur erhält ein konstantes thermisches Verhältnis zwischen den Thermistorpaaren R1, W1 und R2, W2 der in Fig. 1 dargestellten Erfassungszelle 100 aufrecht, wodurch von Schwankungen der thermischen Eigenschaften der Hintergrundgase verursachte Fehler der Sauerstoffmeßwerte minimiert werden.
Ein weiterer Vorteil der dargestellten Gestaltungsform ist die Fähigkeit, am Ausgang des Verstärkers A2 ein Signal zu erhalten, das als Korrektursignal oder Multiplikator zur genauen Korrektur von Fehlern aufgrund von Schwankungen der thermischen Eigenschaften der Probe bei den von der Meßbrücke erhaltenen Sauerstoffmeßwerten verwendet werden kann. Dieses Signal wird durch Erfassen der zur Wiederherstellung der Brückensymmetrie erforderlichen Stromänderung durch RS ermittelt. Diese Vorteile werden am besten durch ein Beispiel der Sauerstoffmessung unter Verwendung eines herkömmlichen Magnetwind-Sauerstoffsensors veranschaulicht. Es wird beispielsweise davon ausgegangen, däß eine Messung des Sauerstoffs in einem aus Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserstoff bestehenden Gasstrom in einem Bereich von 0 - 5 % erforderlich ist. Bei einem herkömmlichen Magnetwind-Sauerstoffanalysator wird die Meßbrücke derart eingestellt, daß sie in 100 % Stickstoff einen Sauerstoffmeßwert von Null und bei 5 % Sauerstoff und 95 % Stickstoff einen Höchstmeßwert ermittelt. Der herkömmliche Magnetwind- Sauerstoffsensor liefert dann innerhalb der Grenzen der allgemeinen Analysatorgenauigkeit korrekte Sauerstoffmessungen jeder Sauerstoffkonzentration innerhalb des Meßbereichs von 0 - 5 % Sauerstoff. Der herkömmliche Sauerstoffanalysator liefert jedoch einen niedrigeren als den tatsächlichen Wert, wenn das Stickstoff- Hintergrundgas durch Wasserstoff ersetzt wird. Insbesondere kann ein herkömmlicher Sauerstoffsensor einen Meßwert liefern, der bei nur 20 % liegt, wenn das Stickstoff- Hintergrundgas durch Kohlendioxid ersetzt wird. In diesem Fall liefert ein herkömmlicher Magnetwind-Sauerstoffsensor einen Sauerstoffmeßwert, der beim Doppelten des korrekten Werts liegen kann. Die oben genannten Fehler, die für Magnetwind- Sauerstoffsensoren nach bekanntem Stand der Technik typisch sind, sind auf die großen Unterschiede der thermischen Eigenschaften des Wasserstoffs und des Kohlendioxids im Vergleich zu Stickstoff zurückzuführen. Diese Unterschiede der thermischen Eigenschaften beeinträchtigen die Wärmeübertragung von den Winderzeugungsthermistoren zu den angrenzenden Winderfassungsthermistoren erheblich.
Erfindungsgemäß wird jedoch die zur Kompensation der oben beschriebenen Schwankungen und zur Wiederherstellung der Symmetrie zwischen "X" und "Y" erforderliche Änderung des Brückenstroms durch RS erfaßt und durch A2 verstärkt und skaliert, wobei A2 ein Korrektursignal abgibt, daß als ein Multiplikator für das von der Sauerstoffmeßbrücke abgegebene Signal verwendet werden kann. Dieses Korrektursignal wird unabhängig von der Zusammensetzung des Hintergrundgases zur Korrektur des Signals der Sauerstoffmeßbrücke in Einheiten von Prozent Sauerstoff verwendet.
Durch Einstellen des Verstärkungsgrads und der Vorspannung des Verstärkers A2 kann die Ausgabe von A2 entweder proportional oder umgekehrt proportional zu der thermischen Wirkung gemacht werden. Die zur Kombination des Korrektursignals und des Meßsignals verwendete Schaltung zur Kompensation von Anderungen der thermischen Eigenschaften der Hintergrundgase kann daher entweder eine Multiplizier- oder eine Teilerschaltung sein.
Wie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 besprochen, können die Thermistorpaare zum Maximierung der Meßsignalausgabe in gewählten Positionen angeordnet sein. Die Querschnittsform der Polstücke und die Gestaltung des Polstückspalts können ebenfalls gewählt werden, um die Signalausgabe zu verbessern. Die Wirkung der Polstück- und Thermistorgestaltung, und insbesondere der Signalerzeugungsvorteil der Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik, sind am besten unter Bezugnahme auf die Figuren 3A - 3D und 4A - 4D durch einen Vergleich der Erfindung mit dem bekannten Stand der Technik zu veranschaulichen.
Die Figuren 3A und 3B sind vereinfachte schematische Diagramme, die eine herkömmliche paramagnetische Gaserfassungsvorrichtung 10 mit einer für den bekannten Stand der Technik typischen Gestaltung der Polstücke 110, 112 und der Thermistoren 114, 116 darstellen. Zur Vereinfachung ist nur ein Thermistorenpaar 114, 116 dargestellt. Für Fachleute dürfte es ersichtlich sein, daß ein zweites Thermistorenpaar symmetrisch auf der gegenüberliegenden Seite des Polstückspalts 113 angeordnet sein kann.
Die Figuren 3C und 3D stellen jeweils eine Kurve typischer Magnetfeldintensitätswerte H im Verhältnis zur Position S und eine Kurve typischer Temperatur- Werte T im Verhältnis zur Position S für die in den Figuren 3A und 3B dargestellte herkömmliche Gestaltungsform dar. Die Figuren 3C und 3D sind mit Fig. 3B ausgerichtet, so daß die Werte S1 und S2 der S-Achse einander jeweils in jeder der Zeichnungen entsprechen.
Die Figuren 4A und 4B sind dagegen vereinfachte schematische Diagramme, die eine Gestaltungsform der Polstücke 210, 212 und der Thermistoren 214, 216 für eine erfindungsgemäße paramagnetische Gaserfassungsvorrichtung 200 darstellen. Wieder kann, obwohl nur ein Thermistorenpaar 214, 216 dargestellt ist, ein zweites Paar symmetrisch auf der gegenüberliegenden Seite des Polstückspalts 213 angeordnet sein. Die Figuren 4C und 4D stellten jeweils typische Magnetfeldintensitätswerte H in bezug auf die Position S und typische Temperaturwerte T in bezug auf die Position S für die Ausführungsform nach den Figuren 4A und 4B dar.
Wie aus den Figuren 3A - 3C hervorgeht, sind die Polstücke nach bekanntem Stand der Technik derart beschaffen, daß sie einen maximalen Magnetfeldgradienten erzeugen. Genauer weisen die Polstücke 110 und 112 an dem dem Polstückspalt zunächst gelegenen Bereich einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt auf Die Magnetfeldintensität H steigt mit der Position auf der S-Achse steil auf ein der Position S1 auf der S-Achse entsprechendes Maximum H1 an. Diese Position auf der S-Achse entspricht hinwiederum einem Punkt, an dem die Schenkel der dreieckigen Abschnitte der Polstücke 110, 112 einander am nächsten liegen. Die Magnetfeldintensität H fällt dann bei den Positionen auf der S-Achse, die größer sind als S1, steil ab.
Darüber hinaus breitet sich, wie aus Fig. 3A hervorgeht, die Heizwirkung der Thermistoren 114, 116, wie in dem Temperatur-/Positionsgraphen der Fig. 3D dargestellt, über den Bereich der höchsten Feldintensität um S1 (in den Figuren 3C und 3D als Bereich I bezeichnet) hinaus aus. Die erhöhte Temperatur verringert die magnetische Suszeptibilität des Probengases im äußeren Bereich (d.h. dem Bereich H nach den Figuren 3C und 3D) und vermindert daher die Amplitude des von den Erfassungsthermistoren erzeugten Meßsignals. Genauer wird das anderenfalls "kalte" Gas im Bereich II (Fig. 3D), das zur Maximierung des Signals eine verhältnismäßig niedrige Temperatur aufweisen sollte, durch die Wirkung der herkömmlichen Anordnung unerwünschter Weise erwärmt.
Die Erfindung vermeidet, wie in den Figuren 4A - 4D dargestellt, dieses Problem durch Verwendung von Querschnittsformen der Polstücke und einer Form des Polstückspalts, die einen länglichen Bereich maximaler Magnetfeldintensität erzeugen, und von Thermistoren, die in bezug auf das Magnetfeld derart angeordnet sind, daß die Heizwirkung der Thermistoren im wesentlichen auf den Bereich maximaler Magnetfeldintensität beschränkt ist.
Fig. 4A stellt eine erfindungsgemäße Sauerstofferfassungsvorrichtung dar, die Polstücke 210, 212 und Thermistoren 214, 216 aufweist. Anders als die in den Figuren 3A und 3B dargestellten Polstücke 110, 112, weisen die in den Figuren 4A und 4B dargestellten Polstücke 210, 212 in dem dem Polstückspalt 213 zunächst gelegenen Bereich einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf; und jedes Polstück weist in der Nähe des Spalts 213 eine im wesentlichen ebene Oberfläche auf. Für Fachleute dürfte ersichtlich sein, daß erfindungsgemäß weitere Querschnittsformen für die Polstücke und weitere Spaltformen verwendet werden können, um einen länglichen Bereich hoher Magnetfeldintensität zu schaffen.
Beim Betrieb, während des mit dem Magnetwind verbundenen Gasstroms, wird der stromaufseitige Thermistor 214 von dem Gasstrom gekühlt, und der stromabseitige Thermistor 216 wird von dem Strom erwärmt. Beide Thermistoren 214, 216 erwärmen das Probengas und verringern dadurch seine magnetische Suszeptibilität.
Bei der in den Figuren 4A und 4B dargestellten Vorrichtung sind die Heiz-/Erfassungsthermistoren 214, 216 teilweise innerhalb des Magnetfelds angeordnet. Anders als bei der in den Figuren 3A - 3D dargestellten Gestaltungsform fällt die von den Polstücken 210, 212 erzeugte Magnetfeldintensität H hinter der Position S1 nicht steil ab. Statt dessen bleibt die Feldintensität hinter der Position S1 bis annähernd zur Position S2 konstant auf ihrem maximalen Wert H1. Aufgrund der im wesentlichen ebenen Form der zunächst liegenden Oberflächen der Polstücke 210, 212, d.h. der von den dem Spalt 213 zugewandten Oberflächen erzeugten gleichmäßigen Spaltbreite, wird daher der Bereich der im wesentlichen konstanten hohen Magnetfeldstärke im Vergleich zu dem durch die herkömmlichen Polstücke 110, 112 (Figuren 3A - 3C) erzeugten Magnetfeld verlängert bzw. ausgedehnt.
Dementsprechend wird, wie aus den Figuren 4C und 4D hervorgeht, der Erwärmungsbereich des Thermistors 214 im wesentlichen von dem von den Polstükken 210, 212 erzeugten, erweiterten Bereich hoher Magnetfeldstärke umgeben. Tatsächlich wird im wesentlichen verhindert, daß die von den Thermistoren verursachte Erwärmung den Bereich des entgegengesetzten magnetischen Gradienten beeinträchtigt, in dem kaltes Probengas in das Magnetfeld eintritt.
Obwohl die oben genannte Gleichung (3) darauf schließen läßt, daß ein geringerer Gradient um S1 eine Verringerung der festgestellten Magnetkraft verursachen würde, tritt überdies eine derartige Verringerung nicht auf. Dies ist der Fall, da die Magnetkraft durch eine Integration über sämtliche Schichten, von einem starken Feld bis zu einem vernachlässigbaren Feld, beschrieben wird (siehe die oben genannte Gleichung 4), und erfindungsgemäß erfolgt diese Integration über einen länglichen Pfad.
Es ist daher offensichtlich, daß die Erfindung die oben dargelegten Aufgaben wirkungsvoll löst. Insbesondere ermöglicht die Erfindung unabhängig von der Zusammensetzung des Hintergrundgases ein genaues Messen einer Sauerstoffkonzentration. Die Erfindung schafft auch eine extrem gute Null- und Meßbereichsstabilität mit geringer Abweichung und ermöglicht einen kompakten Sensor, der ohne ein Zerstören elektrischer oder pneumatischer Verbindungen für Kalibrierungsprüfungen im Labor entnommen werden kann.
Es ist selbstverständlich, daß Änderungen an dem oben beschriebenen Aufbau und den oben beschriebenen Funktionsfolgen vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Es können beispielsweise weitere Querschnittsgestaltungen der Polstücke verwendet werden, um einen im wesentlichen gleichförmigen Polstückspalt und einen erweiterten Bereich maximaler Magnetfeldintensität zu schaffen. Es ist daher beabsichtigt, daß sämtliche Elemente der obigen Beschreibung bzw. der beiliegenden Zeichnungen eher als veranschaulichend denn als einschränkend zu verstehen sind.
Es ist ebenfalls selbstverständlich, daß die folgenden Ansprüche sämtliche generischen und besonderen Merkmale der hier beschriebenen Erfindung abdecken sollen, und daß sämtliche sprachlich auszudrückenden Ausführungen zum Rahmen der Erfindung nach den Ansprüchen darunterfallen.
Nach Abschluß der Beschreibung der Erfindung wird folgendes als neu beansprucht und ist durch das Patent geschützt:

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines paramagnetischen Gases in einer Gasmischung mit:

Magnetfeldmitteln (100, 200) zur Erzeugung eines inhomogenen Magnetfeldes, welche Magnetfeldmittel erste und zweite Magnetpolstücke (210, 212) aufweisen,

wobei die ersten und zweiten Magnetpolstücke (210, 212) eine ausgewählte Querschnittsform aufweisen,

die ersten und zweiten Magnetpolstücke (210, 212) nebeneinander mit einem ausgewählten Spalt (213) zwischen den ersten und zweiten Magnetpolstücken (210, 212) angeordnet sind,

die ersten und zweiten Magnetpolstücke (210, 212) jeweils eine dem Spalt zugewandte Oberfläche mit einer ausgewählten Gestaltung haben;

Magnetwinderzeugungs-Thermistormitteln (214), die wenigstens einen elektrisch geheizten Magnetwinderzeugungs-Thermistor (W1, W2) aufweisen, zur Erzeugung eines Magnetwindes in der Gegenwart eines paramagnetischen Gases, wobei der Magnetwind eine der Konzentration des paramagnetischen Gases in der Gasmischung proportionale Größe hat,

welcher wenigstens eine Winderzeugungs-Thermistor (W1, W2) einen der Temperatur proportionalen elektrischen Parameter hat; und

Magnetwinderfassungs-Thermistormitteln (216), die wenigstens einen elektrisch geheizten Magnetwinderfassungs-Thermistor (R1, R2) aufweisen, welcher wenigstens eine Magnetwinderfassungs-Thermistor (R1, R2) einen der Temperatur proportionalen elektrischen Parameter hat, zur Erfassung des von dem wenigstens einen Magnetwinderzeugungs-Thermistor (W1, W2) in der Gegenwart eines paramagnetischen Gases erzeugten Magnetwindes,

dadurch gekennzeichnet,

daß die ausgewählte Querschnittsform der ersten und zweiten Magnetpolstücke (210, 212) und die ausgewählte Gestaltung der dem Spalt zugewandten Oberflächen einen länglichen Bereich im wesentlichen konstanter Maximalmagnetfeldstärke innerhalb des inhomogenen Magnetfeldes vorsehen,

der wenigstens eine Winderzeugungs-Thermistor (W1, W2) innerhalb des Spalts (213) und im im wesentlichen konstanten Maximalmagnetfeld angeordnet ist,

der wenigstens eine Winderfassungs-Thermistor (R1, R2) neben dem wenigstens einen Magnetwinderzeugungs-Thermistor (W1, W2), jedoch außerhalb der im wesentlichen konstanten Magnetfeldstärke in einem Bereich negativen Magnetfeldgradients nahe dem länglichen Bereich der Maximalmagnetfeldstärke angeordnet ist;

so daß ein mit dem wenigstens einen Magnetwinderzeugungs- Thermistor (W1, W2) verknüpfter erhitzter Bereich durch den länglichen Bereich im wesentlichen konstanter Maximalmagnetfeldstärke und den dem länglichen Bereich nahen Teil des inhomogenen Feldes im wesentlichen umgeben wird, der durch den negativen Magnetfeldstärke-Gradient gekennzeichnet ist und sich in der Richtung erstreckt, bis der Wert der Magnetfeldstärke in wesentlichen vernachlässigbar ist,

so daß nur Gas im wesentlichen innerhalb des in den Bereich negativen Magnetfeldstärke-Gradients erstreckten länglichen Bereiches der Erhitzung und Verringerung der magnetischen Suszeptibilität ausgesetzt wird, wodurch Gas außerhalb dieses Bereichs in einer Richtung vom Winderzeugungs-Thermistor (W1, W2) zum Winderfassungs-Thermistor (R1, R2) mit einer im wesentlichen maximalen Stärke strömt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil jedes der ersten und zweiten Magnetpolstücke (210, 212) nahe dem Spalt (213) von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die dem Spalt zugewandte Oberfläche im wesentlichen eben ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Spalts (213) zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetpolstück (210, 212) in der zu einer dem Spalt zugewandten senkrechten Richtung eine längs der dem Spalt zugewandten Oberfläche im wesentlichen konstante Abmessung hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Temperatursteuermittel (ST, RT, RC, RD, RS, W1, W2, R1, R2, RA, RB, RZ, 11) zum automatischen Halten des wenigstens einen Magnetwinderzeugungs-Thermistors (W1, W2) und des wenigstens einen Magnetwinderfassungs-Thermistors (R1, R2) auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Signal erzeugungsmittel in einer elektrischen Schaltung mit dem Magnetwinderzeugungs-Thermistormittel (214) und dem Magnetwinderfassungs-Thermistormittel (216) zum Messen des elektrischen Parameters des wenigstens einen Magnetwinderfassungs-Thermistors (R1, R2) und zum Erzeugen eines Meßsignals mit einer Amplitude, die der Konzentration des paramagnetischen Gases in der Gasmischung entspricht und der Größe des magnetischen Windes in der Gegenwart des paramagnetischen Gases proportional ist, welches Signal erzeugungsmittel eine elektrische Konstanttemperaturbrücke (RC, RT, RD, RS, A1, ST und eine elektrische Meßbrücke (W1, W2, R1, R2, RA, RZ) aufweist und welche Meßbrücke eine Wheatstone-Brücke mit Zweigen aufweist, die den wenigstens einen Magnetwinderzeugungs-Thermistor (W1, W2) und den wenigstens einen Magnetwinderfassungs-Thermistor (R1, R2) enthalten;

auf ein elektrisches Ungleichgewicht zwischen der elektrischen Konstanttemperaturbrücke und der elektrischen Meßbrücke ansprechende Korrekturmittel zur Erzeugung eines Korrektursignals; und

Kombiniermittel zum Kombinieren des Korrektursignals und des Meßsignals zwecks Korrektur der Amplitude des Meßsignals in Abhängigkeit von Änderungen in Hintergrundgasen in der Gasmischung aufweist.