DE3145542A1

DE3145542A1 - Paramagnetischer o2-sensor

Info

Publication number: DE3145542A1
Application number: DE19813145542
Authority: DE
Inventors: Scato 2061 Groß Schenkenberg Albarda; Alfred Prof. Dipl.-Ing. 8000 München Eder
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1981-11-17
Filing date: 1981-11-17
Publication date: 1983-05-26
Also published as: GB2111219B; US4464926A; DE3145542C2; GB2111219A

Description

Drägerwerk Aktiengesellschaft

Moislinger Allee 53-55, 2400 Lübeck

Paramagnetischer 0₂~Sensor

Die Erfindung betrifft einen paramagnetischen O^-Sensor, der unter Benutzung des Verfahrens entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 arbeitet.

Sauerstoff tritt bei vielen Gasreaktionen als Reaktionspartner und in Atemgeräten als wichtige Gaskomponente auf. Es besteht daher seit langem das Bedürfnis, die 0„-Konzentration in den verschiedensten Strömen und Reaktionsstufen kontinuierlich zu erfassen. Da die IQ weiteren Gaskomponenten nach Art und Konzentration stark schwanken können, ist ein möglichst selektiver Analysator von Interesse.

Als Charakter istische Eigenschaft des Sauerstoffs bietet L5 sich dessen paramagnetische Suszeptibilität an, da die magnetische Wirkung des Sauerstoffs die der meisten technischen Gase weit übertrifft. Es dominieren daher die auf magnetischer Grundlage beruhenden O„-Meßverfahren. Die drei gebräuchlichsten sind die

-^!0 a) thcrmomagnetische Methode,

b) das nach dem Prinzip der magnetischen Drehwaage arbeitende Verfahren und

c) die Steighöhenmethode.

;:5 Die G€>räte zu a) haben sich als robuste und betriebstüchtige Meßgeräte bewährt. Sie besitzen jedoch den

Nachteil, da/5 Art und Konzentration der Begleitga;3e_f vor allem bei geringer Konzentration, das Meßergebnis verfälschen.

Die magnetische Drehwaage nach Remling zu b) besteht aus zwei dünnwandigen Kugeln, die verbunden durch Stäbchen an einem Torsionsfaden im Feld zweier Magnetpolepaare aufgehängt sind. Dabei sind die Magnetpole und die Kugeln von_; einer Meßkammer umschlossen« Der Ablenkungswinkel ist das Maß für den O^-Gehalt im Meßgas. Die Schwierigkeiten der Drehwaagenmethode liegen in dem außerordentlich geringen Betrag des zu messenden Drehmomentes und der Empfindlichkeit der Geräte gegen äußere Erschütterungen.

Mit der Steighöhenmethode nach c) werden ein Meßg-isstrom und ein (0_ -freier) Vergleichsgasstrom in ein Magnetfeld eingeleitet und die Druckdifferenz zwischen den Eingangsstutzen der beiden Ströme gemessen. Nachteilig ist, daß der zu messende Differenzdruck sehr klein ist» Eine Besonderheit ist jedoch die hohe Ansprechgeschwindigkeit bei schnellen Konzentrationsänderungen innerhalb des Meßgases.

Es ist ein weiteres Verfahren bekannt, das die paramagnetische Eigenschaft des Sauerstoffs zu dessen Bestimmung ausnutzt. Bei diesem Verfahren wird das Gasgemisch in das Innere einer Hochfrequenzspule eingeleitet und dient praktisch als Spulenkern. Entsprechend dem Anteil an paramagnetischen Bestandteilen wird hierdurch die Selbstinduktion der Spule geändert. Diese Änderung der Induktion der Spule bewirkt eine Verstimmung eines Hochfrequenzkreises, aus

deren Größe man den Anteil an paramagnetischen Substanzen bestimmen kann. Die Schwierigkeiten dieser Methode liegen in der oeringen Größe des verwendeten Effektes und den damit verbundenen meßtechnischen Schwierigkeiten. (DE-PS 871 539)

Aufgabe der Erfindung ist ein kleiner paramagnetischer 0„-Sensor, der nach dem obigen Verfahren arbeitet, wenig anfällig gegenüber den Umwelteinflüssen ist und über einen weiten Meßbereich hinweg genau mißt und anzeigt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Ausbildungen sind in den Ansprüchen bis 4 beschrieben.

Die? Ausbildungen des 0_-Sensors besitzen Spulen mit einem Induktionsfeld in dem Meßgas und in einem Referenzgas. Sie werden in einer Brückenschaltung betrieben,wodurch der Meßeffekt störungssicher hervorgehoben wird. Die gute thermische Koppelung der einzelnen Spulen miteinander bei gleichzeitiger guter thermischer und mechanischer Entkoppelung zur Umwelt verhindert praktisch daraus resultierende Änderungen; falls noch Reste vorhanden, dann sind sie für alle Spulen qloich.

AusführungsbeispioJο des O.-Sensors nach der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im

folgenden beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 den schematischen Schnitt durch einen paramagnetischen Op-Sensor, Fig. 2 das Schaltbild dazu,

Fig. 3, 4 den Schnitt durch eine Ausbildung des O^-Sensors mit Flachspulen.

Der paramagnetische 0~-Sensor nach Fig= 1 besitzt eine keramische Trägerplatte 1, die keramische Spulenkörper 2,3 trägt. Die Spulen 4,5 auf dem Spulenkörper 2 und die Spulen 6,7 auf dem Spulenkörper 3 entstanden aus in Gewindenuten der Spulenkörper 2,3 eingelegter und festgebrannter Leitsilberpaste. Der Anschluß erfolgt über Bonddrähte 8 zwischen den Änschlußflächen 9 der Spulen und Anschlüssen 10 auf der Trägerplatte 1. Die Trägerplatte 1 mit den Spulengruppen ist in ein Gehäuse 11 aus gut leitendem Material wie Aluminium eingesetzt. Zum Ausgleich der thermischen Ausdehnungen dient eine Leiste 15 aus elastischem Material zwischen der Trägerplatte 1 und dem Gehäuse 11.

Ein Meßgasrohr 12 und ein Referenzgasrohr 13 sind über Dichtringe 14 durch das Gehäuse 11 und dabei berührungsfrei durch die Spulenkörper 2,3 geführt. Das Meßgasrohr 12 und das Referenzgasrohr 13 bestehen aus verspiegeltem Quarzrohr.Zwecks optimaler Temperaturentkoppelung zwischen ihnen und den Spulenkörpern 2,3 ist das Gehäuse 11 entweder evakuiert oder mit einem geeigneten Gas gefüllt.

Das Schaltbild der Fig. 2 zeigt die Verknüpfung der Spulen 4 bis 7 zu einer Brücke. Die Brücke wird über einen Eingangstransformator 17 von einem Oszillator 16 gespeist. Mit einer Spule 18 läßt sich der Induktivitätsabgleich durchführen, während ein Widerstand 19 und ein Kondensator 20 dem Verlust- bzw. Streukapazitatsabgleich dienen. Die Brücke wird über einen Ausgangstransformator 21 ausgekoppelt. Geerdete Mittelanzapfungen der Transformatoren 17,21 führen zu einem möglichst symmetrischen Signal. Die Versorgungs- und Ausgangsteile sind in nicht dargestellten Räumen unterhalb des Gehäuses 11 angeordnet. Elektrische Durchführungen 22 dienen der Verbindung.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen 0₂-Sensor mit Flachspulen. Eine keramische Platte 23 trägt in Segmenten 24,25,26,27 Flachspulen 4,5,6,7, die entsprechend Fig. 2 verknüpft sind. Die Pfeile zeigen die Winkelrichtung. Die Transformatoren 17,21 sind primärseitig auf der Platte 23 und sekundärseitig in einem Gehäuse 28 montiert. Die Platte 23 besitzt eine Drehachse 29, über die sie mittels Kugellager 30,31 drehbar im Gehäuse 28 gelagert ist.

Die Platte 23 wird in Rotation versetzt. Der Antrieb erfolgt mittels Druckluft. Diese tritt durch ein Eintrittsrohr 32 am Gehäuse 28 ein, wird in einer Düse 33 beschleunigt, strömt über eine Riffelung 34 am äußeren Durchmesser der Platte 23 vorbei und verläßt dann expandiert das Gehäuse 28 wieder über ein

Die Platte 23 dreht sich bei einem Durchmesser von etwa 50 nun mit 6000 bis 18000 Umdrehungen/min. Das Feld der Spulen 4 bis 7 durchfließt dabei Meßgasrohre 36„37 mit Meßgas und Referenzgasrohre 38,39 mit einem Referenzgas=

Der Antrieb der Platte 23 kann über andere bekannte Bauelemente erfolgen.

Claims

Patentansprüche

( I^ Paramagnetischor O^-Sensor mit Einleitung des Meßgases und eines Referenzgases in das Induktionsfeld von Spulen und Feststellung der Änderungen der Induktion, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Gehäuse (11) auf einer über eine elastische Leiste (15) thermisch getrennten keramischen Trägerplatte (1) einen 1. Spulenkörper (2) mit gedruckten Spulen (4,5) und einen 2. Spulenkörper (3) mit gedruckten Spulen (6,7) trägt, durch die berührungsfrei einmal ein Meßgasrohr (12) und sum anderen ein Referenzgasrohr (13) gasdicht über Dichtringe (14) im Gehäuse (11) eingesetzt geführt sind, und die Induktionsfelder der' Spulen (4,5,6,7) von einer mit Hochfrequenz betriebenen Brückenschaltung gebildet werden.
2. Paramaqnetischer 0„-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgasrohr (12) und das Referenzgasrohr (13) aus verspiegeltem Quarzglas _ hergestellt sind.
3. Paramagnetischer 0_-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (4,5,6,7) beiderseits einer rotierenden Platte (23) angeordnet sind und Meßgasrohre (36,37) sowie Referenzgasrohre (38,39) sehnenförmig im Induktionsfeld der Spulen (4,5,6,7) vorbeigeführt sind.
4. Paramagnetischer 0„-Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (4,5,6,7) aus einer Leitsilberpaste auf keramischem Träger hergestellt sind.

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