NL8501294A

NL8501294A - Paramagnetische analysator met snelle responsie voor het meten van het zuurstofgehalte van gassen.

Info

Publication number: NL8501294A
Application number: NL8501294A
Authority: NL
Original assignee: Instrumentarium Corp
Priority date: 1984-05-16
Filing date: 1985-05-07
Publication date: 1985-12-16
Also published as: SE8502406L; US4633705A; DE3517145A1; SE461178B; FI73085C; FI841961A; DE3517145C2; SE8502406D0; GB8512023D0; GB2158949B; GB2158949A; JPS60256047A; NL193845B; FI841961A0; JPH0672870B2; NL193845C; FI73085B

Description

-1- * X Sch/lh/3

Titel: Paramagnetische analysator met snelle responsie voor het meten van het zuurstofgehalte van gassen.

De sterke paramagnetische eigenschap van zuurstof in verhouding tot andere gassen is, zoals bekend, gebruikt voor het meten van het zuurstofgehalte van gasmengsels.

In het bijzonder bij het meten van de zuurstofconcentratie 5 van uitgeademde gassen zou het belangrijk zijn een voldoend snelle (ongeveer 100 ms) responsietijd te bereiken voor het volgen van momentane concentratiewaarden. De meetmethoden die gebruik maken van het paramagnetisme van zuurstof zijn gebaseerd op het thermomagnetische of het zogenaamde 10 Pauling-principe, die evenwel zekere nadelen bezitten zoals de traagheid als gevolg van volumevereisten voor de meetcel of afhankelijkheid van de stroomsnelheid van het gas.

Een werkwijze met een snelle responsie en een debiet-onafhankelijkheid op basis van het paramagnetisme 15 van zuurstof is gepresenteerd in de octrooien DT 164894 en US 3584499 ten name van H. Hummel. In een inrichting volgens deze octrooien worden een monster- en een referentiegas naar een meetcel geleid, die is geplaatst in een sleuf tussen magneetpolen, zodanig dat de twee gassen in het homogene 20 magneetveld zullen worden gemengd en het gemengde gas via een enkele leiding naar buiten wordt gepompt. Het magneetveld wordt periodiek aan een hakbewerking onderworpen met een geschikte frequentie en het signaal, dat het AC-druk-verschil weergeeft en dat rechtevenredig is met het verschil 25 in de partiële zuurstofdruk van het monster- en het referentiegas wordt gemeten met een tussen de gas-invoer-leidingen aangesloten microfoon.

In verband met zekere nadelen die eigen zijn aan de constructie van de meetcel, is de ontwikkeling van een 30 voldoend stabiele en ruis-ongevoelige zuurstofanalysator op basis van deze octrooien nog niet volledig geslaagd.

In het bijzonder schijnen de problemen te ontstaan vanuit de meetcel,waar de meetruimte is gebouwd door een afzonderlijke * »

/- H

•Sr -2- · ;* afstandsplaat van anti-magnetisch materiaal, die in de lucht-spleet van de magneet is geplaatst. In het octrooi is het argument voor de noodzaak van een afstandsplaat het minimaliseren van magnetomechanische beïnvloeding, maar in de praktijk 5 leiden de afdichtmaterialen die nodig zijn voor het verzekeren van dichtheid van de constructie tot een minder stijve struktuur en bovendien is lijmen of andere hechting moeilijk uit te voeren, zodanig dat extra lijm of hechtmateriaal zich niet zal uitspreiden tot de cel of de gasleidingen.

10 Volgens deze uitvinding worden de problemen opgelost door toepassing van een nieuw type constructie, waarin de meetcel bestaat uit een gesloten ruimte rond de magneet en de sleuf, waarbij het fysische effekt, waarop de werkwijze is gebaseerd, plaats heeft in de gradiënt van het magneetveld en is 15 beperkt tot de ruimte tussen tegengestelde polen van de op een bepaalde wijze machinaal bewerkte magneet. De gesloten ruimte rond de magneet werkt als buffervolume, hetgeen de koppeling van de magnetomechanische verstoring naar de microfoon voorkomt en drukverstoringen als gevolg van de 20 pomp verzwakt. De volledige meetcel is weergegeven in Fig. 1 en de magneetstruktuur is in detail in Fig. 2 getoond.

De meetcel bestaat uit een luchtdicht gesloten holte 1 , een electromagneet 2 , een monstergasleiding 3 en een referentiegasleiding 4 , en een gemengd-gasafvoerleiding 5 .

25 Bovendien zullen draden voor de magneetstroom en transducenten voor het meten van de magneettemperatuur en de stroomdichtheid de wand van de holte doordringen.

De electromagneet bestaat uit een spoel 6 , een spoeldrager 7 en halve magneetkernen 8 en 9 , die tegen-30 elkaar zijn gedrukt door middel van twee platen 10 en II , alsmede schroeven 12 en 13 . Gassen worden aan de magneet-spleet toegevoerd via gaten 14 en 15 , die in het onderdeel 8 zijn geboord. De voorkop van het onderdeel 8 is zodanig bewerkt, dat U-vormige voetstukken 16 en 17 zullen zijn 35 gevormd rond de gas-invoergaten. De hoogte van het voetstuk en de daardoor begrensde spleet is typisch 0,2 mm.

De voetstukken geleiden de binnenkomende gassen voor botsing op zodanige wijze, dat ze goed zijn gemengd wanneer ze uit- 85S1294 -3-

v. S

stromen vanaf de spleet van de magneetpolen naar de omringende ruimte. De afdichting van het voetstuk-oppervlak tegen het oppervlak van het daartegenover gelegen onderdeel 9 speelt geen kritische rol.

5 Het beste magneetkernmateriaal is een kobalt- ijzermengsel met een hoge verzadigingsfluxdichtheid van ongeveer 2,4 Tesla. Dit materiaal heeft eveneens een positieve magnetostrictie-coëfficiënt, hetgeen betekent dat het mogelijk is afmetingsveranderingen van de magneetspleet 10 als gevolg van een magneetkracht te compenseren door een juiste keuze van de afmetingen van het voetstuk.

De kracht tussen de magneetpolen is F = ^ B2) / (2 jiQ) 15 waarin A^ het oppervlak van de spleet is en B de dichtheid van de magnetische flux. Dan zal de druk tegen de voetstukken zijn 20 F — F/A2 = (Αχ B2)/(2A2 ju0)

Dan is de rek in het voetstuk £= P/E = (A1/2A2) (B2/2E μ0) 25 waarin E de elasticiteitsconstante van het materiaal is. Anderzijds is bekend, dat de expansie door magnetostrictie met de verzadigingsfluxdichtheid is £' = 7 . ΙΟ-5. Door te stellen £= £.', wanneer compressie 30 door de magneetkracht en expansie door de magnetostrictie elkaar opheffen, verkrijgen we A1/A2 = (2Ejno £*/B2) = 7.32 35 Dit wordt verkregen, wanneer het totale oppervlak van de oppervlakte van de voetstukken 12% beslaat van de dwarsdoorsnede door de magneetpolen.

SS 0 t 2 § 4 -4-

De meting van zuurstofgehalten van een gasmengsel met de meetcel volgens deze uitvinding werkt als volgt (zie Fig. 3). De pomp 18 zuigt via de leiding 5 door de leiding 3 geleid monstergas en naar de leiding 4 geleid referentie-5 gas door de meetcel 1 . Wanneer de gassen vanaf de gaten in de magneet aankomen bij de spleet tussen de polen, passeren ze een magneetveld met een sterke gradiënt en de zuurstof-moleculen van het gas zullen een krachtwerking voelen als gevolg van hun paramagnetisme. Dan zal een drukverschil ont-10 staan in het gas tussen de ruimten met en zonder magneetveld, dat rechtevenredig is met het produkt van de paramagnetische susceptibiliteit van het gas en het kwadraat van het magneetveld. Aangezien de gemengde gassen tussen de magneetspleet dezelfde druk bezitten, zal er een drukverschil bestaan 15 tussen de in de invoerleidingen stromende gassen Δρ = (Ks - Kr) H2/2 waarin Kg en Kr respektievelijk de susceptibiliteit 20 van het monstergas en het referentiegas voorstellen. De K van zuurstof is tenminste 150 maal zo hoog als voor bijvoorbeeld gassen in de uitademingsgassen van een ziekenhuispatiënt, dus is de meting zeer specifiek voor zuurstof.

De stroom door de magneet wordt typisch met een 25 frequentie van 100 Hz gehakt en het wisselende drukverschil wordt gemeten door een verschilmicrofoon 19 tussen de leidingen 3 en 4 . Het signaal wordt gedetecteerd door een met de magneetbesturing gesynchroniseerde detector en voor zover nodig gefilterd en versterkt. Ter verzekering van 30 perfekte prestaties van de inrichting is het bovendien essentieel dat plotselinge drukvariaties de meting niet beïnvloeden. Dit probleem is reëel, wanneer bijvoorbeeld het zuurstofgehalte van uitademingsgas van een met een beademingsapparaat gekoppelde patiënt wordt gemeten. Volgens 35 deze uitvinding is dit probleem opgelost door toevoeging van een pneumatische filterketen vóór de meetcel voor het elimineren van drukvariaties. De methode is gebaseerd op buffervolumes, die gemeenschappelijk zijn voor het monster- S3 012§4 -5- gas en het referentiegas, zodat zijstromen van gassen via het buffervolume worden aangezogen. Een tweede-orde pneumatisch laagdoorlatenö RC-filter, dat op dit principe is gerealiseerd, is in fig. 4 getoond. Het bestaat uit een 5 gesloten ruimte 20 , de meetcel 1 en leidingen 21-25 met een hoge stromingsweerstand. Doel van de leiding 25 is het naar buiten leiden van het gemengde gas tot buiten het systeem onder omleiding van de meetcel, en zijn stromingsweerstand is ongeveer de helft van de weerstand van de andere leidingen. 10 Het druk-filterend vermogen van het systeem kan worden vergroot door toevoeging van een extra filtertrap ervoor, zoals in Fig. 5 is getoond. In principe zouden zelfs nog meer trappen kunnen worden toegepast, maar in de praktijk zullen uiteindelijk de dominerende verstoringen die 15 zijn, die rechtstreeks acoustisch met de microfoon zijn gekoppeld, hetgeen door pneumatische filtering niet kan worden geelimineerd.

Het vereiste voor de pneumatische filtering kan worden geschat door uit te gaan van een plotselinge druk-20 variatie van het monstergas met 10 mbar, hetgeen mogelijk is in samenhang met een beademingsapparaat. Bij een equivalent van één procent zuurstof wordt een drukverschilsignaal verkregen op basis van een drukverschil van ongeveer 0,3 jubar. Vervolgens kan men zeggen dat de pneumatische filtering in 25 staat moet zijn, de drukveranderingen te verzwakken met tenminste een faktor 10000, zodat hij de meting niet te zeer kan verstoren.

'r* Λ *1 ** ft f.

> J j übi

Claims

1. Meetcel voor het meten van het zuurstofgehalte van gasmengsels, omvattende een in een gesloten holte geplaatste, door een periodiek gehakte gelijkstroombestuurde electromagneet, een monstergasleiding en een referentiegas- 5 leiding die uitmonden in de holte en de magneetkern en een gemeenschappelijke uitgangsleiding, die zodanig is gerangschikt, dat de gassen worden geleid naar het magneetveld in de spleet tussen de magneetpolen via in de magneetpool geboorde gaten (13) en (14) , zodanig dat voetstukken (15) en 10 (16) in de luchtspleet de gasstromen zodanig leiden, dat die voor menging botsen en het gemengde gas vrij kan uitstromen uit de spleet naar de omringende ruimte (1) van de holte.

2. Magneetkern voor de meetcel volgens conclusie 1, 15 omvattende gaten (13) en (14) die uitmonden in de luchtspleet van de gesloten magneetbaan rond de U-vormige voetstukken (15) en (16), zodanig dat de gaten zich bevinden in de bodem van het voetstuk en de voetstukken in eikaars richting open zijn.

3. Magneetkern volgens conclusie 2, omvattende een materiaal met een positieve magnetostrictie-coëfficiënt en voetstukken (15) en (16) van zodanige afmetingen, dat de deformatie van de hoogte van de luchtspleet als gevolg van magneetkracht en magnetostrictie elkaar opheffen.

4. Inrichting, omvattende een meetcel volgens conclusie 1, 2 en 3, een microfoon, een pomp en een combinatie van stromingsweerstanden en gesloten volumes, waarin voor het elimineren van drukverschillen een zeker deel van de monster- en referentiestroom door elk buffer-30 volume rechtstreeks naar de meetcel worden gepompt.

5. Toepassing van een inrichting volgens conclusie 4 voor het meten van de partiële zuurstofdruk of zuurstof-concentratie van gasmengsels. 85. t 2S4 35