DE4215215C1 - Paramagnetischer Gasdetektor mit drehbarer Küvette - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung des Anteils von Stoffen mit paramagnetischen Eigenschaften, insbesondere von Sauerstoff, in einem Stoffgemisch, welches in einem Gerätegehäuse durch eine mittels einer Antriebswelle drehbaren Küvettenanordnung entlang einer geradzahlig vielfachen Anordnung von Magnetfeldkernen vorbeiführbar ist, deren durch eine Permanentmagnetfeldquelle erzeugtes Magnetfeld die Küvettenanordnung durchdringt, und denen jeweils eine Spulenanordnung zur Umwandlung der in ihr durch den paramagnetischen Stoff verursachten magnetischen Flußänderung in ein elektrisches Meßsignal zugeordnet ist, wobei die Magnetisierungspolung der Magnetfeldkerne mit der Magnetisierungspolung der ihnen zugeordneten Meßfeldspulen jeweils benachbarter Magnetfeldkerne und Meßfeldspulen in sich abwechselnder Ausrichtung zueinander kombiniert sind.

Ein derartiges Gerät ist in der DE 38 40 337 C1 beschrieben worden.

Bei dem bekannten Gerät dreht sich eine scheibenförmige Küvette innerhalb des Gerätegehäuses entlang den Stirnflächen von vier Eisenkernen, welche ihrerseits mit den Meßfeldspulen umgeben sind und die auf einem Permanentmagneten ruhen, der in ihnen das erforderliche Magnetfeld erzeugt, welches die Küvette durchdringt. Die Küvettenscheibe selbst ist mit Durchbrüchen versehen, in welche z. B. Sauerstoff eingefüllt ist, der durch die Drehbewegung entlang der magnetisierten Eisenkerne geführt wird. Sobald die Küvette den Sauerstoff an den Eisenkernen vorbeiführt, verstärkt sich durch den Paramagnetismus des Sauerstoffs der magnetische Fluß in den Kernen, welche von den die Kerne umgebenden Spulen detektiert wird, da die Flußänderung eine Spannung in den Spulen induziert, welche von einem angeschlossenen Auswertegerät als Meßsignal weiterverarbeitet werden kann. Durch die Rotation der Küvette entsteht ein wechselnder magnetischer Fluß in den Kernen und somit eine Wechselspannung in den Spulen. Der Verlauf des magnetischen Flusses geht aus von dem Permanentmagneten, auf den die Eisenkerne aufgebracht sind, durchdringt die Kerne und die Küvette, setzt sich fort durch die Gehäusewände und endet schließlich wiederum an dem Permanentmagneten. Wegen der für ein empfindliches Meßsignal notwendigen starken Magnetfelder kommt es wegen der einseitigen Anordnung und Verbindung zwischen Permanentmagnet und Eisenkernen zu einer Polarisierung der Kerne einerseits und der sie umgebenden Gehäusewandung andererseits. Zwischen den Gehäusewänden und den magnetischen Bauteilen entstehen somit große, sich nahestehende Flächen entgegengesetzter magnetischer Polung, so daß ein großer Teil des magnetischen Flusses durch Streufelder verlorengeht und nicht durch die rotierende Küvette fließt. Dieser Streuanteil kann bis zu 50% betragen.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät der genannten Art so zu verbessern, daß die Bildung von magnetischen Streufeldern zwischen dem Gehäuse einerseits und dem mit den Meßfeldspulen versehenen Magnetfeldkernen andererseits verringert, und der Anteil des durch die Küvette hindurchgreifenden meßwirksamen Magnetflusses erhöht wird.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Küvette in dem Gerätegehäuse derart aufgenommen ist, daß ihre Drehebene den Innenraum des Gehäuses in zwei Teilbereiche unterteilt, von denen lediglich einer der Teilbereiche die als Permanentmagnet ausgebildete Magnetfeldquelle enthält, die mit ihrer einen magnetischen Polfläche im wesentlichen vollständig der Drehfläche der Küvette gegenüberliegt, und die mit ihrer anderen magnetischen Polfläche mit dem Gehäuse verbunden ist, und daß in dem jeweiligen anderen der Teilbereiche die Magnetfeldkerne mit den ihnen zugeordneten Meßfeldspulen enthalten sind, die einerseits in unmittelbarer magnetischer Flußverbindung zu dem Gehäuse stehen und andererseits durch Zwischenschaltung des Gehäuses von der Magnetfeldquelle entkoppelt, bzw. mit ihr nur mittelbar verbunden sind.

Der Vorteil der Erfindung liegt im wesentlichen darin, daß wegen der magnetischen Entkopplung von Magnetfeldquelle und den von den Meßfeldspulen umgebenden Kernen der Flußlinienverlauf durch die Küvettenanordnung konzentriert wird, und daß die Streufelder zwischen dem Gerätegehäuse einerseits und den Kernen andererseits reduziert werden. Die Gehäuseteile und die Kerne haben magnetisch gesehen die gleiche Polung, so daß zwischen ihnen die Entstehung eines Streufeldes unterdrückt wird. Allein durch die erfindungsgemäße Anordnung von Magnetfeldquelle einerseits und Meßfeldspulen und zugehörigen Kernen andererseits wird eine Signalerhöhung um bis zu 30% erreicht. Wegen des fehlenden Streufeldes ist es jetzt auch möglich, die Kerne und die zugehörigen Meßfeldspulen soweit wie erforderlich zu verlängern, um die Signalempfindlichkeit zu erhöhen. Dies war bei dem bekannten Gerät nicht möglich, da eine Verlängerung der Meßfeldspulen und der Kerne auch zu einer Erhöhung des unerwünschten Störeinflusses der Streufelder führte. Wegen der guten Streufeldunterdrückung ist es jetzt eher möglich, im Gegensatz zum bekannten Meßgerät, auch mit lediglich zwei Meßfeldspulen und ihnen zugeordneten Kernen auszukommen. Aus Gründen der Symmetrie und der optimalen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Platzes ist es aber auch hier sinnvoll, jeweils vier oder eine höhergeradzahlige Anzahl von Meßfeldspulen und ihnen zugehörigen Kernen einzubauen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, daß nicht mehr auf die magnetischen Eigenschaften der übrigen Montageteile im Zusammenhang mit der drehbaren Küvette Rücksicht genommen zu werden braucht. So kann das Lager für die Drehküvette auch trotz einer eigenen Magnetisierung ohne weitere Schutzmaßnahmen eingebaut werden, ohne daß die Meßfeldspulen durch das rotierende Magnetfeld gestört würden.

Als Magnetfeldquelle ist in geeigneter Weise ein ferromagnetischer Stoff von hoher Permeabilität vorzusehen, welcher mittels einer elektrischen Spule einem Magnetfeld ausgesetzt wird, wodurch die magnetischen Feldlinien von der Magnetfeldquelle in die jenseits der Küvette befindlichen ferromagnetischen Kerne eindringen. Die Magnetfeldquelle entspricht dabei in ihrer Ausdehnung der Küvette, so daß die Feldlinien über alle elektrischen Spulen bzw. Kerne gleichzeitig eingreifen. Wenn während der Küvettendrehung ein Wechselsignal in bezug auf den Magnetfluß bei einem der Kerne erzeugt wird, ist wegen der gleichmäßigen Ausbreitung der Feldlinien ebenfalls über alle anderen Kerne eine entsprechende Feldlinienänderung erfaßbar. Wählt man hingegen einen Permanentmagneten als Magnetfeldquelle, wird auf dessen der Küvette zugewandten Oberfläche eine Platte aus magnetisch gut leitfähigem Material als Äquipotentialfläche aufgelegt. Als geeignetes Material hierfür kann eine hochpermeable Eisen-Kobalt-Legierung angesehen werden.

Eine besonders günstige Küvettenanordnung besteht aus einer Kreisscheibe mit drehachsensymmetrischen Ausschnitten, die von dem Stoffgemisch, wie z. B. dem Sauerstoffgas, durchströmbar sind und die derart ausgebildet sind, daß bei einer die Stirnfläche einer der Kerne vollständig frei liegenden Position des einen der Ausschnitte die jeweils benachbarte Stirnfläche des zugehörigen Kernes von der Ausschnittskontur ausgenommen bleibt, wobei die Summe der durch die Ausschnittskonturen im Zuge der Drehbewegung nur teilweise freigegebenen Querschnitte der Stirnflächen im wesentlichen konstant bleibt. Eine derartige Ausgestaltung der Küvettenanordnung zu einer Blendenscheibe für die Steuerung des Magnetflusses ermöglicht es, daß zu jedem Zeitpunkt der Drehbewegung eine annähernd gleichbleibende Durchflutung der Meßküvette erreicht wird. Wenn eine der Stirnflächen der Kerne vollständig in dem Ausschnitt erscheint, ist die jeweils benachbarte noch völlig verdeckt. Sobald dann bei fortschreitender Drehbewegung der Küvette die Stirnfläche des betrachteten Kerns abschnittsweise überdeckt wird, wird ein entsprechender Abschnitt der Stirnfläche des benachbarten Kerns von dem fortschreitenden Ausschnitt freigelegt. Auf diese Weise wirkt die Magnetplatte in Verbindung mit der Äquipotentialplatte als Quelle konstanter magnetischer Spannung, welches eine Voraussetzung für ein möglichst großes und schwankungsfreies Meßsignal ist.

Eine besonders günstige Form der Ausschnittskontur ergibt durch konzentrisch zur Drehachse verlaufende Kreisringsegmente, welche so dimensioniert sind, daß sie während der Drehbewegung der Küvette beim Überstreichen der Stirnflächen der Kerne diese zumindest zeitweise völlig freigeben.

Eine ebenso gute Ausschnittskontur ergibt sich durch einen konzentrisch zur Drehachse verlaufenden nierenförmigen Ausschnitt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung dargestellt und ist im folgenden näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 die Schnittdarstellung eines paramagnetischen Meßgerätes

Fig. 2 die Draufsicht auf die Küvettenanordnung bei abgenommener Antriebseinheit.

In Fig. 1 ist ein Gerätegehäuse (1) gezeigt, in welchem eine Küvettenanordnung (2) in Form einer auf einer Welle (13) drehbar gelagerten Scheibe aus magnetisch möglichst inertem Material aufgenommen ist. Die Küvette (2) unterteilt den Innenraum des Gerätegehäuses (1) in zwei Teilbereiche (A, B), von denen der eine (A) eine Permanentmagnetplatte (3) enthält, welche mit einer Äquipotentialplatte (4) bedeckt ist. Magnetplatte (3) und Potentialplatte (4) erstrecken sich im Gehäuse (1) in ihrer Ausdehnung in gleicher Richtung und gleichem Ausmaß wie die Küvette (2). In dem Teilbereich (B) des Gehäuses (1) sind vier Kerne (5), von denen lediglich zwei dargestellt sind, mit der Innenwand des Gehäuses (1) derart verbunden, daß ihre Stirnflächen (6) in Richtung auf die Küvette (2) weisen und dieser möglichst nahe benachbart sind. Jeder der Kerne (5) ist von einer Meßfeldspule (7) umgeben, von der jeweils eine Signalleitung zu einem nicht dargestellten Auswertegerät führt. Die Küvette (2) besitzt drehachsensymmetrische Ausschnitte (8), welche im dargestellten Zustand die Stirnflächen (6) der Kerne (5) freigeben. Der Innenraum der Ausschnitte (8) ist mit einem zu messenden Stoff von paramagnetischen Eigenschaften, wie z. B. Sauerstoff, gefüllt, der über eine Gaszuführung (9) in den Innenraum des Gehäuses (1) eingeleitet wird, diesen ausfüllt und bis in die als Meßraum (10) zu betrachtende Umgebung der Ausschnitte (8) und der Küvette (2) vordringt, und von dort über einen Auslaß (11) an die Umgebung entweicht. Die Küvette (2) ist an einem Wellenzapfen (12) befestigt, die an der Welle (13) eines Antriebsmotors (14) befestigt und über ein Wellenlager (15) geführt ist. Der Motor (14) und die diesen umgebende Motorhalterung (16) sind mit dem Gehäuseboden (18) verbunden. Der Gehäuseboden (18) trägt zum einen die Magnetplatte (3) und zum anderen besitzt er einen Durchbruch (19) für die Welle (13) und den Wellenzapfen (12). Die Magnetisierungspolung der Magnetplatte (3) ist durch Großbuchstaben N (Nord) und S (Süd) dargestellt, und durch die besondere Anordnung von Magnetplatte (3), Gehäuseboden (18) und Gehäuse (1) ist erkennbar, daß die Magnetpolung S über das Gehäuse (1) in die Kerne (5) bis zur Stirnfläche (6) gleichbleibt. Somit sind die Feldspulen (7) und die Kerne (5) von einem Gehäuse (1) gleicher Magnetisierpolung S umgeben, wie sie die Kerne (5) aufweisen.

In Fig. 2 ist die Draufsicht auf die Küvette (2) dargestellt, wobei die Antriebseinheit, bestehend aus Motor (14) und Motorhalterung (16) abgenommen sind, und der Gehäuseboden (18) zusammen mit der auf ihm befestigten Magnetplatte (3) und Potentialplatte (4) entfernt sind. Die Küvette (2) ist über die Welle (13) in dem Gehäuse (1) drehbar in Richtung des Drehsinnpfeils (21) angeordnet. Die als Scheibe ausgebildete Küvette (2) besitzt zwei sich radial gegenüberliegende, annähernd nierenförmige Ausschnitte (8), welche in der dargestellten Position die Stirnflächen (6) der Kerne (5) vollständig freigeben. Die entsprechenden benachbarten Kerne (22) werden von der Kontur der jeweiligen Ausschnitte (8) gerade berührt, geben diese aber noch nicht frei. Bei Drehung der Küvette (2) in Richtung des Pfeiles (21) werden die Kerne (6) in ihrem freien Durchtritt durch die Ausschnitte (8) abnehmen, wobei die Stirnflächen der benachbarten Kerne (22) in entsprechendem Maße in die Ausschnitte (8) eintreten und somit die durch das fortschreitende Abdecken der Kerne (6) abnehmende Durchflutung der Magnetfelder durch die zunehmend freiwerdenden Magnetfelder der Kerne (22) weitestgehend kompensieren. Durch den abwechselnden Wicklungssinn der Meßfeldspulen (7) bzw. (27) werden die in den Spulen (7) erzeugten Flußabnahmen wegen der verschwindenden Durchdringung der Magnetfelder in den paramagnetischen Stoff eine positive Spannung erzeugen, wobei wegen des umgekehrten Wicklungssinnes in den Spulen (27) die dort erzeugte Flußzunahme wegen der Vergrößerung des Flußdurchtrittes durch die Ausschnitte (13) ebenfalls zu einer positiven Spannung führt. Auf diese Weise erhält man durch die Meßsignale der vier Einzelspulen (7, 27) wegen der gleichmäßig bleibenden Durchflutung ein im wesentlichen gleichbleibend konstantes Gesamtsignal.

Claims (6)

1. Gerät zur Bestimmung des Anteils von Stoffen mit paramagnetischen Eigenschaften, insbesondere von Sauerstoff, in einem Stoffgemisch, welches in einem Gerätegehäuse durch eine mittels einer Antriebswelle drehbaren Küvettenanordnung entlang einer geradzahlig vielfachen Anordnung von Magnetfeldkernen vorbeiführbar ist, deren durch eine Permanentmagnetfeldquelle erzeugtes Magnetfeld die Küvettenanordnung durchdringt, und denen jeweils eine Spulenanordnung zur Umwandlung der in ihr durch den paramagnetischen Stoff verursachten magnetischen Flußänderung in ein elektrisches Meßsignal zugeordnet ist, wobei die Magnetisierungspolung der Magnetfeldkerne mit der Magnetisierungspolung der ihnen zugeordneten Meßfeldspulen jeweils benachbarter Magnetfeldkerne und Meßfeldspulen in sich abwechselnder Ausrichtung zueinander kombiniert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (2) in dem Gerätegehäuse (1) derart aufgenommen ist, daß ihre Drehebene den Innenraumraum des Gehäuses (1) in zwei Teilbereiche (A, B) unterteilt, von denen lediglich einer der Teilbereiche (A, B) die als Permanentmagnet ausgebildete Magnetfeldquelle (3) enthält, die mit ihrer einen magnetischen Polfläche im wesentlichen vollständig der Drehfläche der Küvette (2) gegenüberliegt, und die mit ihrer anderen magnetischen Polfläche mit dem Gehäuse (1) verbunden ist, und daß in dem jeweiligen anderen der Teilbereiche (A, B) die Magnetfeldkerne (5) mit den ihnen zugeordneten Meßfeldspulen (7) enthalten sind, die einerseits in unmittelbarer magnetischer Flußverbindung zu dem Gehäuse (1) stehen und andererseits durch Zwischenschaltung des Gehäuses (1) von der Magnetfeldquelle (3) entkoppelt, bzw. mit ihr nur mittelbar verbunden sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Küvette (2) zugewandte Oberfläche der Magnetfeldquelle (3) mit einer als Äquipotentialfläche dienenden Platte (4) aus magnetisch gut leitfähigem Material bedeckt ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialscheibe (4) aus einer hochpermeablen Eisen-Kobalt-Legierung besteht.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvettenanordnung aus einer Kreisscheibe (2) besteht, welche drehachsensymmetrische Ausschnitte (8) aufweist, die von dem zu untersuchenden Stoffgemisch durchströmbar sind, und die derart ausgebildet sind, daß bei einer die Stirnfläche (6) einer der Kerne (5) vollständig frei liegenden Position der Ausschnitte (8) die jeweils benachbarte Stirnfläche (22) des zugehörigen Kernes (5) von der Ausschnittskontur (8) ausgenommen bleibt, wobei die Summe der durch die Ausschnittskonturen (8) im Zuge der Drehbewegung (21) nur teilweise freigegebenen Querschnitte der Stirnflächen (6, 22) im wesentlichen konstant bleibt.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschnitte konzentrisch zur Drehachse verlaufende Kreisringsegmente (8) sind.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschnitte eine konzentrisch zur Drehachse nierenförmig verlaufende Kontur (8) aufweisen.