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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Menge an
Sauerstoff oder eines anderen relativ stark paramagnetischen Gases unter Nutzung seiner
magnetischen Suszeptibilität über seine Auswirkung auf die induzierte Bewegung eines
Testkörpers in einem Magnetfeld.
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Die Messung von Sauerstoff über seine paramagnetische Suszeptibilität ist seit der Mitte
des 19. Jahrhunderts bekannt, als Faraday nachwies, dass alle Materialien mit einem
Magnetfeld in Wechselwirkung treten. Es stellte sich heraus, dass Gase im Allgemeinen
durch ein Magnetfeld abgestoßen werden und als diamagnetisch zu beschreiben sind,
wobei sich herausstellte, dass Sauerstoff und einige andere Gase von einem Magnetfeld
angezogen werden und daher als paramagnetisch bezeichnet werden. Der sehr hohe
Paramagnetismus von Sauerstoff ermöglichte seine Messung mit Verfahren der
magnetischen Suszeptibilität.
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Zwei Hauptverfahren wurden ursprünglich zur Umsetzung dieser Methode entwickelt.
Eines bestand darin, ein homogenes Magnetfeld zu nutzen, während bei dem anderen
das inhomogene Magnetfeld eingesetzt wurde, wie es ursprünglich von Faraday
beschrieben wurde. Ein Beispiel für das erstere Verfahren findet sich bei L. G. Gouy in
Compt. Rend. Vol. 109 (1885) 935, während sich ein Beispiel für letzteres Verfahren bei
P. W. Selwood in Magnetometry 2nd Edition, 193, Interscience NA' London 1956, findet.
Die Sperrigkeit und Empfindlichkeit dieser Instrumente führte zur Entwicklung weiterer
Vorrichtungen, von denen diejenigen am erfolgreichsten waren, die auf der
ursprünglichen Faraday'schen Gas-Suszeptibilitäts-Waage beruhten. Bei diesen Konstruktionen
wird ein Testkörper mit einer bestimmten Form im Inneren einer Gaszelle aufgehängt.
Der Testkörper besteht aus Materialien, wie beispielsweise Quarz, die einen niedrigen
Wert der diamagnetischen Suszeptibilität aufweisen, und er ist so aufgehängt, dass ein
starkes inhomogenes Magnetfeld an ihm vorhanden ist. Wenn das paramagnetische
Gas in die Prüfzelle eindringt, neigt das Gas dazu, sich so zu bewegen, dass es sich an
dem Punkt des stärksten Magnetfeldes sammelt, wodurch es zu einer Änderung der
Position des Prüfkörpers kommt, die gemessen werden und zur Konzentration des
paramagnetischen Gases in der Zelle ins Verhältnis gesetzt werden kann.
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Es sind verschiedene Formen des Prüfkörpers einschließlich der verbreitet eingesetzten
Hantel (z. B. G. C. Haven, Physical Review Vol. 41 (1932) 337) und darüber hinaus mit
Abwandlungen untersucht worden, bei denen eine abgeflachte Struktur eingesetzt wird
(z. B. US-A-3815018). Zu weiteren Patenten, bei denen Konstruktionen auf Grundlage
einer Hantel für Faraday-Waagen eingesetzt werden, gehören US-A-2,416,344 sowie
US-A-2,962,656. Die von diesen und anderen Patenten beschriebenen Vorrichtungen
ähneln einander insofern, als bei allen ein optisches Verfahren eingesetzt wird, um die
Drehung der Hantel zu erfassen, wenn die magnetischen Eigenschaften des Gases in
der Prüfzelle verändert werden. Obwohl in einigen Fällen ein Rückführungssystem
eingesetzt wurde, um ein Null-Abgleichssystem durch Elektromagnetismus, durch
elektrostatische Mittel (US-A-3,026,472) und durch Änderung des Magnetfeldes (US-A-
3,879,658) herzustellen, waren für all diese Verfahren nach wie vor optische
Einrichtungen erforderlich, um die abschließende Messung zu erzeugen.
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Es sind auch nichtoptische Erfassungssysteme offenbart worden, bei denen zusätzliche
Komponenten eingesetzt werden, um die Drehung des Prüfkörpers zu erfassen. Dazu
gehört der Einsatz eines magnetorestriktiven Abnehmers (GB-A-1 220 413), die
Verwendung separater Hochfrequenz-Erreger- und Abnehmerspulen (US-A-3 714 551) und
kapazitiver Messung der Drehung (US-A-3,612,991). In diesen Fällen ist der Einsatz
eines optischen Erfassungsverfahrens durch den Einsatz einer Alternative ersetzt
worden, in jedem Fall handelt es sich jedoch bei dem neuen Messverfahren um ein
zusätzliches System neben der grundlegenden Suszeptibilitäts-Waage, und es stellt eine
Alternative zu den optischen Einrichtungen dar.
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WO92/05436 beschrieb eine alternative Anordnung zum Messen des Anteils eines
paramagnetischen Gases, bei der das zusätzliche Erfassungssystem neben der
grundlegenden Suszeptibilitäts-Waage nicht erforderlich ist. Das heißt, es wird vorgeschlagen,
ein Prüfelement in einem veränderlichen Magnetfeld in Schwingung zu versetzen, indem
ein Strom über das Prüfelement angelegt wird, wobei die elektrischen Leiter, die dazu
dienen, den Strom anzulegen, um zu bewirken, dass der Strom Schwingung verursacht,
auch verwendet wurden, um die anschließende Schwingung der Elemente in dem Magnetfeld
zu erfassen. Bestimmte Parameter der Schwingung, wie beispielsweise
Dämpfung und Frequenz hängen, wie in diesem Dokument beschrieben, von dem Anteil des
paramagnetischen Gases in der Zelle ab, und daher kann dieser Anteil anhand von
Messungen der stattfindenden Schwingung bestimmt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Messen der
Magneteigenschaften eines Gases gemäß Anspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung schafft daher vorteilhafterweise eine Gassensor-Zelle mit
einfachem Aufbau, da keine zusätzlichen Messelemente vorhanden sein müssen, um die
Bewegung des Prüfelementes zu überwachen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die
gleichen Leiter, die den Strom leiten, um das Prüfelement in Schwingung zu versetzen,
als der Eingang für eine Messeinrichtung verwendet werden, die über die erzeugte EMK
die Eigenschaften der Schwingung des Elementes bestimmen kann. Anhand der
Änderung dieser Eigenschaften kann der Anteil von paramagnetischem Gas in der Zelle
bestimmt werden.
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Die vorliegende Erfindung nutzt daher die in WO 92/05436 dargelegten Prinzipien, weist
jedoch den Vorteil auf, dass in der bevorzugten Ausführung bekannte Gassensor-
Elemente bei ihrer Konstruktion eingesetzt werden und darüber hinaus der Freiheitsgrad
der Bewegung des Prüfelementes begrenzt ist, wodurch die erforderlichen Ansteuer-
und Messschaltungen erheblich vereinfacht werden.
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Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführung besser verständlich, die als Beispiel dient und sich auf die beigefügten
Zeichnungen bezieht, wobei:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gassensor-Zelle gemäß der
bevorzugten Ausführung ist;
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Fig. 2A und 2B eine bevorzugte Anordnung zur Montage der Hantel in der Sensorzelle
zeigen;
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Fig. 3 eine alternative Montageanordnung zeigt;
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Fig. 4 die Anbringung der Montageleiste an den Montageelementen darstellt; und
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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung ist, bei der die Gassensor-
Zelle in Fig. 1 eingesetzt wird.
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Allgemein weist gemäß der Erfindung eine Gasmesszelle ein Messelement auf, das
aufgehängt ist, um um eine Aufhängungsachse in einem Magnetfeld zu schwingen. An eine
Spule, die mit dem Element schwingt, können elektrische Signale angelegt werden, um
die Schwingung auszulösen, und sie erzeugt des Weiteren einen Ausgang, anhand
dessen die Frequenz der Schwingung gemessen werden kann.
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Im Allgemeinen wird bei der Erfindung ein Prüfkörper eingesetzt, der in einem
Magnetfeld aufgehängt ist, um den paramagnetischen Anteil eines Gemisches aus Gasen zu
bestimmen, indem das elektrische Element in dem Prüfkörper als die aktive
Komponente bei der Messung eingesetzt wird.
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Das heißt, die hier beschriebene Vorrichtung ermöglicht die Messung der Auswirkung
der Änderung der Suszeptibilität einer Gasprobe auf einen Prüfkörper 1, der in einem
inhomogenen Magnetfeld aufgehängt ist, ohne dass optische Sensoren oder zusätzliche
Detektorkomponenten eingesetzt werden. Prüfkörper 1 hat, wie in Fig. 1 dargestellt, die
Form einer Hantel und umfasst zwei Kugeln 1a, die aus Materialien mit niedriger
magnetischer Suszeptibilität bestehen. Der Prüfkörper ist in einem starken inhomogenen
Magnetfeld, das durch die Magnete 2 erzeugt wird, mit einer Leiste mit bekanntem
Momentverstärkungskoeffizient (torque constant) 3 aufgehängt. Die Leiste 3 ist mit dem
Prüfkörper 1 so verbunden, dass sie Anschluss an eine einzelne Windung eines
elektrischen Leiters (einer Spule) 4 um den Prüfkörper herum hat. Die gesamte Baugruppe ist
in einer Gaskammer 5 montiert, um die der Vorrichtung zugeführten Gase zu
kontrollieren.
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In Funktion wird der Hantel 1 über die Leiste 3 zu der Spule 4 ein Ansteuerungssignal
zugeführt. Dieses Signal kann entweder kontinuierlich oder gepulst sein, es ist jedoch so
eingestellt, dass es bewirkt, dass die zwischen dem Strom in der Spule und dem inhomogenen
Magnetfeld erzeugten elektromagnetischen Kräfte bewirken, dass sich die
Hantel um eine Achse herum zu drehen beginnt, die durch die Trageleiste 3 gebildet
wird. Die Stärke der Erregung wird so eingestellt, dass die Drehung innerhalb des
linearen Momentwertbereiches der Leiste bleibt, der normalerweise weniger als 50
Bogengrad beträgt. Aufgrund des Magnetfeldes wird eine Kraft auf die Hantel ausgeübt, deren
Größe berechnet werden kann durch:
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F = H. V(χ&sub0; - χs) (1)
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wobei F die Kraft ist, H die Stärke des Magnetfeldes ist, dH/dx der Gradient der Stärke
des Magnetfeldes ist, V das Volumen ist, χ&sub0; die magnetische Suszeptibilität des
Prüfkörpers ist und χs die Suszeptibilität der Gases ist, das die Hantel umgibt.
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Die Eigenfrequenz der Aufhängung wird beschrieben durch:
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wobei f die Frequenz der Schwingung ist, I die Rotationsträgheit des Systems ist, L die
effektive Länge der Montageleiste ist und K der Rückstellmomentwert ist, der eine
Kombination aus dem Momentwert von Leiste 3 und der entsprechend Gleichung 1
erzeugten Kraft darstellt.
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Wenn als das Gas, das die Hantel umgibt, statt eines schwach diamagnetischen Gases,
z. B. Stickstoff, ein paramagnetisches, z. B. ein Sauerstoffgemisch, eingesetzt wird,
ändert sich der Wert von χs in Gleichung 1, wodurch die auf das Prüfelement ausgeübte
Kraft verändert wird. Dadurch kommt es zu einer Veränderung der Ruheposition des
Prüfelementes. Des weiteren bewirkt dies eine Veränderung des Wertes von K in
Gleichung 2, wodurch sich wiederum die Eigenfrequenz der Aufhängung ändert. Diese zwei
Effekte sind hinsichtlich der Frequenzverschiebung additiv. Was die oben stehende
Gleichung 2 angeht, so sind die Werte von I und L bekannte Parameter des betreffenden
Systems, und dementsprechend kann beim Messen des Wertes von f der Wert von
K wie folgt bestimmt werden:
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K = .I.L.π².f² (3)
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K ist, wie oben erwähnt, eine Kombination aus dem Momentwert von Leiste 3 und der
Kraft f, die durch Gleichung 1 erzeugt wird. Die genaue Beziehung zwischen K und f ist
daher eine Funktion der Vorrichtung und kann entweder empirisch gemessen oder
theoretisch bestimmt werden. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass
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F f(K)
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wobei "f" eine Funktion ist, die die bestimmte Beziehung zwischen F und K darstellt. Die
Werte von χ,H, dH/dx und V sind, Bezug nehmend auf die obenstehende Gleichung 1,
wiederum bekannte Parameter des betreffenden Systems, und dementsprechend kann,
wenn die Gleichungen 1 und 4 kombiniert werden, der Wert von χs wie folgt bestimmt
werden:
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Aus dem Wert von χs kann der Anteil von paramagnetischem Sauerstoffgas auf
herkömmliche Weise berechnet werden.
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Die Spule 4 dient sowohl dazu, die Drehbewegung zu induzieren, wenn sie mit einem
geeigneten elektrischen Signal angesteuert wird, wie dies oben beschrieben ist, als
auch dazu, die Bewegung unter Nutzung der EMK zu erfassen, die in der Spule
induziert wird, wenn sie das Magnetfeld durchläuft. Da der Betrag der EMK proportional zur
äquivalenten Frequenz der Drehung der Hantel ist, ergibt sich aus dem Obenstehenden,
dass eine Messung der magnetischen Suszeptibilität der Probe ohne den Einsatz
optischer oder anderer unabhängiger Messkomponenten ausgeführt werden kann.
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Das Signal, das genutzt wird, um Bewegung der Hantel zu induzieren, kann entweder
kontinuierlich sein oder ein wiederholtes Signal endlicher Periode. Das von dem System
erzeugte Signal kann dann entweder anhand von Veränderungen der Frequenz erfasst
werden, wenn beispielsweise die Vorrichtung durch einen freischwingenden Oszillator
angesteuert wird, anhand der Amplitude, da, wenn die Vorrichtung beispielsweise mit
Impulsen mit fester Frequenz angesteuert wird, die Kopplung des Signals zum
Induzieren von Bewegung proportional zu der Differenzfrequenz zwischen der Quelle und der
Hantel ist, anhand der Form, indem beispielsweise ein Bezugssignal mit dem von dem
Sensor erzeugten verglichen wird, oder mit jedem beliebigen Verfahren, mit dem ein
Wechselstromsignal mit einem anderen verglichen werden kann.
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Fig. 2 und 3 zeigen besonders bevorzugte Montageanordnungen für die in Fig. 1
dargestellte Hantel, bei denen Bezugszeichen, die den in Fig. 1 verwendeten entsprechen,
entsprechende Teile kennzeichnen, wobei sie im Folgenden ausführlicher erläutert
werden.
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In Fig. 2, die eine Vorder- und eine Hinteransicht einer bevorzugten Montageanordnung
zeigt, wird Hantel 1, wie zuvor, mittels Schritt 1a montiert. Eine der Leisten 3 ist an dem
stationären Montageelement 10 angebracht.
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Die andere der Leisten 3 ist an einem Messpunkt einer flexiblen Feder 12 über ein
Montageelement 14 angebracht. Durch diese Anordnungen können Änderungen der
Abmessungen, zu denen es durch Temperaturänderung aufgrund von unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien des Gehäuses, der Hantel
und der Montageleiste kommt, ausgeglichen werden. Das heißt, durch Biegung von
Feder 12 können derartige Veränderungen auftreten, ohne dass sich die Position der
Hantel in dem Magnetfeld wesentlich ändert, wobei jede beliebige erforderliche Spannung in
Leiste 3 aufrechterhalten wird.
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Die Position der Hantel in dem Feld beeinflusst das Verhalten des Sensors erheblich,
und daher ist es wichtig, dass sie aufrechterhalten wird. Obwohl es möglich ist, die
Temperaturkoeffizienten der verschiedenen Materialien aneinander anzupassen, ist die
oben beschriebene Anordnung erheblich einfacher.
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Die Feder 12 ist an Positionen 16a, 16b angebracht. Bei der Anordnung in Fig. 2 ist die
Feder an Anbringung 16a befestigt, während sie an Anbringung 16b lediglich anliegt, so
dass sie sich je nach Erfordernis biegen kann.
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Fig. 3 zeigt eine weitere alternative Montageanordnung in einer Zelle. Wie in Fig. 2 ist
eine der Leisten 3 an einer flexiblen Feder 12 montiert, in diesem Fall erfolgt jedoch die
feste Montage der anderen Leiste 3 über eine weitere Anbringung 14 an der stationären
Schiene 18. Dadurch kann jedes Ende der Leisten 3 mit der gleichen Form des
Montageelementes 14 befestigt werden, wobei eine bevorzugte Form desselben weiter unten
erläutert wird.
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In einer weiteren Alternative kann die stationäre Schiene 18 in Fig. 3 durch eine zweite
Feder 12 ersetzt werden, so dass eine vollständig symmetrische Montageanordnung für
den Prüfkörper entsteht.
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Fig. 4 zeigt ausführlicher die Anbringung von Montageelementen, wie beispielsweise
den Elementen 10 und 14, an den Leisten 3 bei der Anordnung in der Fig. 2.
Montageelement 10 ist mit zwei planen Abschnitten 11 versehen. Die Montageleiste 3 tritt
zwischen den zwei planen Teilen 11 von Montageelement 10 hindurch und tritt an ihnen
vorbei aus. Dementsprechend weist Element 14 zwei plane Abschnitte 15 auf, zwischen
denen Leiste 3 hindurchtritt. Die Leiste 3 kann dann gezogen werden, um die Spannung
ordnungsgemäß einzustellen, und schließlich fixiert werden, indem die zwei planen Teile
jedes Montageelementes verschweißt werden, wobei sich die Leiste zwischen ihnen
befindet.
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Eine derartige Schichtverschweißung weist erhebliche Vorteile gegenüber dem
einfachen Anschweißen der Leiste an einer Fläche der planen Teile auf. Die Dicke der Leiste
3 liegt normalerweise in der Größenordnung von mehreren um, während die Dicke der
planen Teile mehrere hundert um betragen kann. Das Verschweißen von zwei von
unterschiedlich großen Teilen ohne Wärmeschaden an der dünneren Leiste ist schwierig.
Der Einsatz der Schichtform, wie sie dargestellt ist, verringert derartige Probleme und
gewährleistet darüber hinaus, dass jeglicher durch Wärme beschädigte Abschnitt der
Leiste innerhalb der Verbindung liegt. Damit ist gewährleistet, dass der Teil der Leiste,
der an der Verdrehungsbewegung des Sensors teilnimmt, keine Wärmeschäden
aufweist.
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Vorzugsweise ist, beispielsweise bei der Montage der Leiste an Feder 12 die
Anbringung 14 integral mit der Feder 12 ausgebildet, und die planen Teile 15 der Verbindung
14 sind als Laschen an Feder 12 ausgebildet und wie erforderlich gebogen, so dass die
Anbringung 14 entsteht.
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Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, die eine Möglichkeit darstellt, wie die oben
beschriebene Zelle in die gesamte Vorrichtung integriert werden kann, die den Anteil des
paramagnetischen Gases in einer Gasprobe wie oben beschrieben misst. Die in Fig. 5
dargestellte Vorrichtung kann in zwei Abschnitten betrachtet werden, d. h. einem
Messabschnitt 51 und einem Eingabe/Ausgabe-Abschnitt 70.
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Der Messabschnitt besteht grundlegend aus einer Gaszelle 100 des weiter oben
ausführlich beschriebenen Typs und einem Mikrokontroller 60. Der Mikrokontroller 60
steuert die elektrische Funktion von Zelle 100, während das zu analysierende Gas auf
bekannte Weise durch die Messkammer geleitet wird. Zelle 100 weist lediglich zwei
elektrische Anschlüsse auf, die mit entsprechenden Enden von Leiste 3 verbunden sind. Über
diese zwei Anschlüsse kann die Funktion der Zelle angesteuert und auch gemessen
werden. Einer der Anschlüsse 102 ist, wie dargestellt, einfach an Erde angeschlossen.
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Um die Zelle 100 zu erregen, wird ein geeigneter Eingang, wie beispielsweise ein
Impuls, durch den Mikrokontroller 60 über Anschluss 62 an Anschluss 104 angelegt. Der
dadurch entstehende Schwingungsausgang wird an Eingang 64 von Mikrokontroller 60
über Verstärker 66 und Signalaufbereitungsmittel 67 angelegt, die mit einem geeigneten
Rückführmittel 68 versehen sind. Das Signal wird so aufbereitet, dass das an Eingang
64 eingegebene Signal ein im Allgemeinen rechteckiges Profil hat, so dass
Mikrokontroller 60 leicht mit dem Signal arbeiten kann.
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Gemäß einem Betriebsmodus wird, wenn das System angeschaltet wird, eine Reihe von
Impulsen an Zelle 100 angelegt, um die Hantel in Schwingung zu versetzen.
Anschließend wird, um die Schwingung der Hantel zu verfolgen und aufrechtzuerhalten, die Zeit
nach dem Anlegen jedes Impulses bis zum nächsten Nulldurchgang an Eingang 64 gemessen,
und Impulse werden mit einer Rate von einem Impuls pro Zyklus angelegt, um
die Schwingung aufrechtzuerhalten. Wenn sich die Eigenfrequenz der Schwingung
aufgrund von Veränderungen in dem Gasgemisch ändert, wirkt sich dies auf die bis zum
Nulldurchgang gemessene Zeit aus, und daher werden derartige Veränderungen durch
den Mikrokontroller 20 verfolgt. So wird die Eigenschwingungsfrequenz f, die oben
erwähnt ist, von Mikrokontroller 20 gemessen.
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Wie oben im Zusammenhang mit den Gleichungen (1)-(5) erläutert wurde, ist es
notwendig, zusätzlich zu dem Wert von f andere Systemparameter zu kennen, um die
geeigneten Berechnungen auszuführen. In der in Fig. 5 dargestellten Anordnung ist eine
Speichervorrichtung 52, beispielsweise in Form eines EEPROM, vorhanden, in der die
Werte der oben aufgeführten Zelleneigenschaften gespeichert sind. Mit diesen und dem
Messwert von f berechnet der Mikrokontroller 20 den Wert von χs entsprechend der
Gleichung (5). Dadurch ergibt sich, wie bekannt ist, eine direkte Messung des Anteils
von Sauerstoff oder einem anderen paramagnetischem Gas, das in dem gemessenen
Gasgemisch vorhanden ist.
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Die Vorrichtung in Fig. 5 enthält, wie oben erwähnt, darüber hinaus einen
Eingabe/Ausgabe-Abschnitt 70. In seiner einfachsten Form umfasst dieser ein Anzeigemittel 72,
das eine optische Anzeige beispielsweise des Anteils von Sauerstoff erzeugt, der durch
den Mikrokontroller 20 bestimmt wird. Des Weiteren kann der Eingabe/Ausgabe-
Abschnitt 70 eine Datenübertragungsverbindung 74 aufweisen, so beispielsweise einen
RS-232-Anschluss, so dass Daten zu einem geeigneten Computer, wie beispielsweise
einem PC, geleitet werden können. Eingabe/Ausgabe-Abschnitt 70 enthält, wie
dargestellt, des Weiteren Schaltmittel 76, die die Funktion der Vorrichtung steuern.
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Fig. 5 ist, wie dargestellt, lediglich eine beispielhafte Form für die Steuerung der Zelle,
die oben ausführlich beschrieben ist.