DE2247281A1

DE2247281A1 - Messvorrichtung zur bestimmung der magnetischen suszeptibilitaet von stoffgemischen, insbesondere von gasgemischen

Info

Publication number: DE2247281A1
Application number: DE19722247281
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Rer Nat Hummel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-09-27
Filing date: 1972-09-27
Publication date: 1974-03-28
Also published as: US3879658A; JPS4994399A; FR2200528A1

Description

Meßvorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Suszeptibilität von Stoffgemischen, insbesondere von Gasgemischen.

Der Stand der Technik ist aus dem Handbuch "Messen und Regeln in der chemischen Technik" (1) zu entnehmen. Des weiteren seien genannt: die US-Patentschrift 2416344 (2), die deutschen Offenlegungsschriften 1951342 (3) und 2ooo21Z(4), sowie ein Bericht von Munday (5).

Nachteilig für die bekannten Verfahren ist, daß sie entweder als Ausschlagmethode (mit den dazugehörenden Nachteilen der Abhäugikeit des Meßwertes von apparativen Betriebsbedingungen, Feldstärke, Feldgradient, Verstärkungsgrad etc,) ausgeführt werden oder daß in den Anordnungen mit Kompensationsmethode (z.B. nach Munday (5))der Nullpunkt der Messung noch in starkem Maße durch Feldstärke^iänderungen (?. .B, durch Alterung, durch Temperaturänderung oder durch sonstige Umstände bedingt)beeinflußt wird. Ferner ist hierbei die Hierstellung eines Probekörpers mit Stromschleife und Stromzuführung ein fertigungstechnisch sehr schwieriges Problem,vor allem bei der serienmäßigen Fertigung von Geräten.

Es wurde nun gefunden, daß die genannten. Nachteile mit der er-~ findungsgeraäßen Methode vermieden werden können und sich darüber hinaus einige we;sentIiehe Vorteile ergeben. Mit Hilfe der erfindungsgexnäßen Anordnung gelingt es^die Messung der Suszeptibilität von Gasgemischen in einer den Anforderungen-Eter Praxis entsprechenden Weise durchzuführen.

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich durch folgende Punkte charakterisieren:

1. Es sind zwei Magnetkreise vorhanden.

2. In den beiden Meßspalten sind zwei möglichst gleichartige Probekörper angeordnet (Ansprüche 1 und 2) bzw. die beiden

Probekörper besitzen die gleiche integrale Volumensuszeptibilität (Anspruch 3)

3. Die beiden Probekörper sind in zweckmäßig gleichartigen Feldbereichen angeordnet.

4. Die beiden Probekörper sind mechanisch zu einem starren Gebilde (Hantel) verbunden.

5a Die Probekörper sind offene Gefäße _β von denen eines zur Aufnahme der Meßprobe bestimmt ist (Anspruch l)-oder

5b die Prpbekörper sind Hohlkörper, von denen der eine das Meß-· gas und der andere ein abgeschlossenes Vergleichsgas enthält (Anspruch 2) - oder

5c die Probekörper sind Verdrängungskörper von unterschiedlicher Größe, so daß durch sie unterschiedlichen Meßgasvolumina verdrängt werden (Anspruch 3),.

6. Die Anordnung und Befestigung der Hantel ist so gewählt, daß bei gleicher Feldstärke in den Meß spalten sich di'e Kräfte bzw. die Drehmomente, die ihre Ursache in der Festkörpersubstanz der Porbekörper haben, aufheben. Es bleiben dann nur noch die Kräfte bzw. Drehmomente wirksam, die sich aus der magnetischen Wirkung der zusätzlichen Meßprobe ergeben (Anspruch

"²- 40981 3/0731

— OV. "*

bzw. Abb. 8-125 a) bzw. die sich aus der Suszeptibilitätsdifferenz zwischen Meß-und Vergleichsgas ergeben (Anspruch 2) bzw. die sich axis der magnetischen Wirkung der Differenz der verdrängten Meßgasvolumina ergeben (Anspruch 3 bzw. Abb. 7).

7.Durch Wähl eines geeigneten Werkstoffes für die Porbekörper wird dafür gesorgt, daß die magnetische Wirkung (Kraft) auf die einzelnen Probekörper größer ist, als die magnetieche Wirkung auf die zusätzliche Meßprobe (Anspruch 1) bzw. auf das in dem mit Öffnungen versehenen Meßgasprobenhohlkörper enthaltene Meßgas (Anspruch 2) bzw. auf das vom größeren Probekörper verdrängte Meßgas (Anspruch 3). Das Kräfteverhältnis sqll beispielweise Io bis loo betragen für die größte im jeweiligen Mebereich auftretende magnetische Wirkung für die Meßprobe bzw. für das Meßgas.

8.Wenn die Punkte 1 bis 7 erfüllt sind, so können durch eine im rieh-, tigen Sinn und in richtiger Größe vorgenommene Änderung des Magnetfeldes in den Meßspalten die Kräfte (bzw. deren Wirkungen) auf die Probekörpermasse benutzt werden zur Kompensation der Kräfte (bzw. deren Wirkungen), die im Magnetfeld auf die Meßprobe bzw. das Maßgas ausgeübt werden. Dies geschieht über eine Abtasteinrichtung für die Hantelstellung (z.B. optische Drehspiegelabtastung mit Photozelle und Verstärker) und durch Rückführung des Verstärkerausgarfssignales (bei entsprechender Beachtung von Phasenlage und Polarität) zur Änderung der Felderregung mittels einer oder zweier Kompensationswicklungen.

9.Der Strom durch die Kornpensationswicklungen ist dann ein Maß für die zu messende Suszeptibilität der Meßprobe bzw. des Meßgasss.

Das Wesen des Erfindungsgedankens liegt darin, daß die zu messende Suszeptibilität des Meßgases (bzw. die Suszeptibilitätsdifferenz zwischen Meß-und Vergleichsgas) oder der Meßprobe mit der konstanten Suszeptibilität der Probekörper verglichen wird. Dies bringt die folgenden bedeutsamen Vorteile:

1. Das Anbringen von Stromzuführungen und Stromschleifen an dem meßtechnisch empfindlichsten Teil kann entfallen (Vergleich hierzu Literaturzitat Nr. 5). Dies ist aus Fertigungstechnischen- und Korrosionsschutzgründen von erheblichem Vorteil. Ferner wird die Gefahr einer elektrischen Überbelastung des Meßsystems praktisch beseitigt. Dies wirkt sich auch in Hinblick auf einen häufig geforderten Explosionsschutz günstig für das Meßgerät aus.

2. Da sowohl für die magnetische Wirkung auf den Probekörper als auch für die magnetische Wirkung auf die Meßprobe bzw. auf das im Probehohlkörper enthaltene Meßgas bzw. auf das vom Probekörper verdrängte Meßgas das Produkt aus Feldstärke und B'eldgradient maßgebend ist, haben gleichmäßige Änderungen der magnetischen Induktion (und damit verknüpfte Änderungen der Feldstärke und des Feldgradienten) in den Meßspalten (z.B. temperatur-oder alterungsbedingt) nur einen vergleichsweise sehr geringen Einfluß auf den Abgleichszustand und damiauch auf das Meßergebnis. Als Vergleich sei hier das Hantelmodell (nach Pauling) mit angebrachter Kompensationsschleife (nach Munday (5)) genannt. Hierbei ist die Korapensationskraft durch die stromdurchflossene Schleife proportional zum Feldgradienten (unabhängig von der Feldstärke), wohingegen die Kraft auf das verdrängte Meßgas proportional dem Produkt aus Feldstärke und Feldgradient ist.

409813/0731

An Hand der Abb. Ι-δ^ιίη folgenden Ausführungsforraen der Erfindung erläutert.

Die Anordnung der Abb. 1 besteht aus 2 ferromagnetischen Jochen 1 und 2 mit den Meßspalten 3 und 4 und den Probekörpern 5 und 6. Letztere sind Hohlkörper (z.B. Hohlkugeln oder flache Hohlzylinder) mit je einer Gaskammer. Der Meßgasprobekörper 5 enthält kleine öffnungen, die dem Gasuaustausch mit dem Meßgas (M) dienen. Der Vergleichs-Probekörper 6 ist geschlossen und enthält ein Vergleichsgas (V) oder er ist evakuiert. Von diesem Unterschied abgesehen sollen bei*** Probekörper möglichst gleichartig· sein und aus einem Material geringer Suszeptibilität (z.B. Quarz) bestehen.

Auf den Magnetjochen 1 und 2 befinden sich die Spulen 7 bis 12. Die Spulenpaare 7, 8 bzw. 9, Io bzw. 11, 12 sollen jeweils möglichst gleich sein, wobei die Paare 9, Io und 11, 12 im allgemeinen eine im Vergleich zu dem Paar 7, 8 geringe V7indungszahl besitzen. Über die Gleichstromkonstantquellen 13 und 14 werden die Spulen in solcher Vieise mit Gleichstrom versorgt, daß die Felder der Hauptspulen 7 und 8 -gleichgerichtet sind,-T*nd· uie Felder der Abgleich spulen 11 und 12*Vemander entgegengerichtet -e-irfttä. Die Stromquelle 14 ist zum Zweck des Feldabgleiches einstellbar und evtl. umpolbar. Die Probekörper 3 und 4 bilden zusammen mit dem Verbindungssteg 15 ein hanteiförmiges Gebilde, das an dem Torsionsfaden 16 (Befestigungen 17 und 18) befestigt ist. In der Mitte trägt die Hantel einen Spiegel 19, der in Verbindung mit der Lichtquelle 2o, der nicht eingezeichneten Optik (Lichtbündel ist durch gestrichelte Linie angedeutet) und der Doppelphotoelement-Differenzanordnung 21 die; Stellung der Hantel abtastet. Das Signal U>(. des Lichtempfängers 21 wird im Verstärker 22 verstärkt und .!liefert einen Ausgangsgleich strom i2, der durch die Spulen 9 und Io und das in Reihe liegende Anzeigeninstrument 23 fließt. Die Spulen 9· und Io (Kompensationsspulen) müssen so geschaltet sein, daß ihre Einwirkung auf das Hauptfeld der Haupt spulen 7. und 8 gegensinnig sind. Die Meßspalte 3 und 4 sowie das Hantelsystem 5,6, 16-19 werden von einer nicht eingezeichneten gasdichten Kammer, durch welche das Meßgas (M) geleitet wird, umschlossen.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der Anordnung sei einmal angenommen, daß das Meßgas aus einem Gas von vernachlässigbarer magnetischer Suszeptibilität z.B. Stickstoff bestehe und daß der Probekörper 6 ebenfalls Stickstoff enthalte. (Der Diamagnetismus von Stickstoff soll dabei unberücksichtigt, bleiben). Das als Folge des Stromes durch 7 und 8 im Meßspalt wirksame Feld übt dann auf die aus bei spiel sv/ei se diamagnetischem q£&a bestehenden Probekörper eino Kraft aus, welche dieselben aus dem Feld herausdrängt. Da. die Kräfte gleich groß sind, ist das auf die Hantel wirksame Drehmoment null. Die Hntel stellt sich dann auf eine solche Gleichgewichtslage ein, daß der Strom i2 ebenfalls zu null wird. Diese Einstellung ist wegen der hohen Verstärkung der optisch-elektrischen Abtastung praktisch sichergestellt. Wird nun ein O₂-haltiges Meßgas eingeführt, (z.B. Io % 02)# so tritt ein Drehmoment auf, welches den Probekörper 5 ins Feld hineinzeiht. Die damit verknüpfte Drehung der Hantel ändert die Ausleuchtung der Photozellen, es entsteht ein Signal Ul

und als dessen Folge der Strom χ2τ der das Feld in den Meßspalten 3 und 4 so verändert, daß das Drehmoment auf den diamagnetischen Körper nicht mehr null ist und so gerichtet ist, daß die eben genannte Drehung rückgängig gemacht wird. Bei diesem System .·'■ -'" . stellt sich dann ein Gleichgewicht ein zwischen dem Drehmoment, das

409813/0731

als Folge der Feldkraft auf das paramagnetische Meßgas im Meßgasprobekörper 5 entsteht und dem Drehmoment, das bei unterschiedlichen Feldstärken in den Meßspalten als Folge der unterschiedlichen Kräfte auf die diamagnetische Substanz der Probekörper entsteht. Die Probekörpersubstanz darf auch paramagnetisch sein. Dann muß eben der EeIdunterschied umgekehrt sein. Die Lage bzw. Winkelstellung der Hantel ist wegen der verwendeten hohen optisch-elektrischen Verstärkereinstellung von dem Sauerstoffgehalt des Meßgases praktisch unabhängig. Die Ausgestaltung solcher Abtastsysteme gehört zum Stand der Technik. Die Systeme haben sich in der Praxis bewährt, (siehe Literatur-Zitat (1). Für das oben genannte Gleichgewicht gilt, daß der Strom i2 proportional dem 02-Gehalt des Meßgases ist und damit ein Maß für dessen Gehalt. Bei der eben beschriebenen Anordnung wird die magnetisch« Volumen-Suszeptibilität der Festköjrpersubstanz der Probekörper mit der Volumensuszeptibilität des Meßgases im Innern des Meßgasprobekörpers (5) verglichen. Die Aufgabe der Abgleichspulen 11 und 12 ist es in Verbindung mit der regulierbaren Gleichstromquelle 14 die Feldstärken in den Meßspalten so abzugleichen, daß für den gewünschten Nullpunkt des Systems (im allgemeinen für den O^-Gehalt null), das auf die Hantel wirkende Drehmoment exakt zu null wird. Mit dieser Maßnahme können Unsymetrien in Magnetspulen oder an der Hantel ausgeglichen werden oder gewünschte Meßbereichunterdruckungen (z.B. für einen (^-Meßbereich von 8-lo % O2) vorgenommen werden.

In den Abb. 2 und 3 sind zwei grundsätzlich verschiedene Ausführungsformea für Meßspalt und Probekörper wiedergegeben. Da.beide Meßspalten und beide Probekörper (abgesehen von <|en öffnungen im Meßgasprobekörper) gleich sind, wird aus Gründen der Einfachheit nur jeweils ein Spalt und ein Probekörper gezeigt. Der Doppelpfeil gibt hierbei die Bewegungsrichtung des Probekörpers an. In Abb. 2 wird mit einem Parallelspalt 32 und einem flachen .primula» c zylindrischen Hohlkörper 33 gearbeitet. Die Anordnung der Abb. 3 besitzt einen Meßspalt 42 mit abgeschrägten Polschuhen 41 und einem kugelförmigen Hohlkörper 43.

Das Abtasten der Winkelstellung der Hantel kann natürlich auch mit anderen als optischen Mitteln vorgenommen werden. So kann an einem Steg, der senkrecht zur Aufhängung und senkrecht zur Hantelachse angebracht ist, eine dünne Fahne aus Metall oder Kunststoff angebracht sein. Diese Fahne steht senkrecht zur Drehachse und bewegt sich in einem Differential-Plattenkondensator, dessen Platten ebenfalls senkrecht zur Drehachse stehen. Der Differentialkondensator ist Teil einer symetrisch mit Hoch frequenz spannung (HF-Spannung) tfeBpeisten Brückenanordnungis*läßt sich dann in bekannter Weise ein .der"Winkelstellung der Hantel entsprechendes Meßsignal gewinnen, das nach Verstärkung und Gleichrichtung ähnlich wie oben beschrieben zur SpeisWftg der Kompensationswicklung verwendet werden kann.

Statt des Differentialkondensators Kann auch ein HF-Transformator verwandet werden, bei dem die Kopplung der Spulen durch die bewegte .Fahne der Hantel verändert wird(siehe hierzu OS 2OOO212.4, sowie Chr. Rohrbach Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen VDI-Verlage 1967).

Man kann die Anordnung der Abb. 1-3 auch dahingehend abändern, daß man die Spulen 7 und 8 mit einem Wechselstrom oder einem Gleichstrom mit V/echsel Stromüberlagerung beschickt. Die Nullabgleichspulen 11 und 12 können dann im allgemeinen entfallen (siehe hierzu auch OS 2ooo212.4 Abb. 4 und 5). Der Verstärker 22 ist dann ein Wechselspannungsverstärker. Das Ausgangssignal des Verst|färkers kann dann direkt gege-

409813/0731

- ⁵ - BAD ORIGJNAl.

beneniails unter Anpassung der Ph?.üf;nlage als Wechselspannungssignal in die Kompensationsspulen geleitet werden. Beim Arbeiten mit Wechselstrom-überlagertem Gleichstrom wird ebenfalls mit einem Wechselspannungsverstärker gearbeitet. Als Kompensationsstrom kann dann jedoch sowohl der in der Phasenlage angepaßte Ausgangswechselstrom des Verstärkers als auch der phasenrichtig gleichgerichtete Ausgangswechselstrom verwendet werden.

In Abb. 4 ist eine Gleichfeldanordnung mit Permanentmagnet gezeigt. Hierbei kann der Strom zur Felderregung entfallen. In dieser Abbildung ist nur die Hantel (ohne Aufhängung und ohne Abtasteinrichtung) und das Magnetsystem mit den Kompensationspulen wiedergegeben. (Permanentmagnet 51; magnetischer Kreis 52, 53; Palschxrtie 54 und 55; Spalt 56 und 57 für MeßgasprobekÖrper 58 bzw. Vergleichgasprobekörper 59; Kompensationswicklungen 6o und 61). Trotz des hohen magnetischen Widerstandes des Permanentmagneten besitzt der magnetische Nebenkreis 52-55-57-55-53-54-56-54-52 nur einen geringen magnetischen Widerstand. Ferner sind Stromänderungen in den Spulen 6o, 61 mit linearen Feldänderungen verknüpft ( Keine Hysterese-Störung durch den Permanentenmagneten)

Eine.andere Anordnung mit einem zylindrischen Permanentmagnet, welcher das ganze Meßsystem umschließt, ist in den Abbildungen 5 a und 5 b gezeigt. Die Elemente dieser Anordnung sind:

zylindrischer Permanentmagnet 71; ferromagntische Übergangsplatten 72 und 73; Polschuhe 74 und 75 iait Meßspalt^und MeßgasprobekÖrper 77; Polschuhe 78 und 79 mit Meßspalt 8p"uhd_Ayergleichsgasprobekörper 81, sowie die Kompensationswicklungen 82 und 83. Der Probekörper ist hierbei als flacher prismatischer Hohlkörper ausgebildet.

In Abb. 5 c ist eine der Anordnung von Abb. 5a und 5b entsprechende Ausführung mit zylindrischem Probehohlkörper 77' bzw. 81' gezeigt. Die Zylinderachse ist hierbei senkrecht zur Feldrichtung und parallel zur Bewegungsrichtung. Die Bewegungsrichtung wird in den Abbildungen und auch in den folgenden stets durch den Doppelpfeil angezeigt.

Die in den Abb. 5 dargestellten prismatischen oder zylindrischen Probekörper unterscheiden sich gegenüber den in den Abb. 2 und 3 gezeigten Körpern sehr vorteilhaft dadurch, daß die Kräfte auf die Probekörper in einem größeren Winkelbereich von der Hantelstellung unabhängig sind. Dies hat den Vorteil, daß die optisch-elektrische Verstärkung in den genannten Beispielen (bzw. ganz allgemein die Abtastverstärkung) bei dem Rückführsystem (Gegenkopplung mittels der Kompensationsspulen) vergleichsweise sehr viel kleiner gehalten werden kann. Erreicht wird dieser Vorteil dadurch, daß wegen der prismatischen (zylindrischen) Form des Probekörpers für einen größeren Bewegungsbereich (Winkelbereich) das Festkörpervolumen und das Hohlraumvolumen im Bereich der inhomogenen Zone konstant bleibt. Der zylindrische Probekörper hat darüber hinaus noch den Vorteil, daß bei gleicher mechanischer Festigkeit des Probehohlkörpers das Verhältnis von Festkörpervolumen zu Hohlraumvolumen im Bereich der inhomogenen Zone einen minimalen Wert hat im Vergleich zu anderen Hohlkörperformen. Diese Feststellung gilt auch im Vergleich zur Hohlkugel.

Bei den genannten Ausführungsbeispielen kann prinzipiell das drehbare Hantelsystem als richtkraftloses System ausgeführt sein, doch wird man im allgemeinen um eine definierte Gleichgewichtslage des Systems im nicht rückgeführten Zustand zu erhalten, das System mit .Richtkraft ausführen. Darüber hinXaus kann es zu Erzielung von Resonanzüberhöhungen vorteilhaft sein die Richtkraft so zu wählen (durch Wahl einer entsprechenden Torsionsfeder), daß sich in Verbindung mit dem Trägheitsmoment der Hantel eine gewünschte Resonanzfrequenz er-

"* 4 09813/0731 _BÄD original

_ ₆_ 2247^81

In Abb. 6a ist eine Anordnung gezeigt, die mit einem linear schwingenden Probekörper (Hantel)-System arbeitet. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Abtastung der mechanischen Stellung bzw. der Schwingung mit einem magnetisch-induktivem System. Jn zwei Magnetjochen 91 und 92 wird mittels der Erregerspulen 97 und 98 und der Wechsel stromquelle lol ein magnetischer Viechsei fluß erzeugt. Die Joche enthalten die Meß spalte 93 und 94 mit dem Meßgasprobekörper 95 mit Öffnungen und dem Vergleichsgasprobekörper 96(geschlossen). Die Probekörper sind zu einer Hantel verbunden, welche über die Biegefelder Io3 an der Halterung Io2 schwingungsfähig befestigt sind. Der Doppelpfeil gibt die Schwingungsrichtung an. An der Hantel ist das Magnetstäbchen Io4 befestigt, das vor dem induktiven Abnehmerkopf Io5 schwingen kann. Beim Vorliegen einer Schwingung liefert der Abnehmerkopf Io5 ein WechseiStromsignal. Dieses Signal wird im VJe ch sei spannungsverstärker Io6 verstärkt, in Frequenzteiler Io7 in seiner Frequenz halbiert und im Phasenschieber loO in einen phasenrichtigen Kompensationswechselstrom i\ umgewandelt. Der Strom i\ durchläuft die Kompensationsspulen 99 und loo und das Anzeigeninstrument Io9. Bei Verwendung von diamagnetisehen Probekörpern ist die Spule 99 so gewickelt, daß der Kompensationsstrom das Wechselfeid im Spalt 93 verstärkt, während der Wicklungssinn für die Spule loo umgedreht ist." Die entsprechende Wirkung läßt sich natürlich auch bei beliebigem Wicklungssinn durch Wahl der Stromrichtung bzw. der Phasenlage herbeiführen. Mit den gemachten Angaben ist die Funktion der Anordnung nach Abb. 6a im übrigen ganz analog wie bei dei Anordnung in Abb. 1. Die Abb. 6b zeigt eine zweckmäßige Polschuhform im Verbindung mit zylindrischen Probekörpern.

In Abb. 7 und 8 sind.zwei andere Anordnungen gezeigt, die abgesehen von der Form der Probekörper und der Form des Meßspaltes im elektrisch-mechanischen Aufbau der Abb. 6a entspricht. Von den magnetischen Kreisen sind nur die Polsichuhe 111 und 112 bzw. 121 und dargestellt. Die Probekörper 115 und 116 bzw. 125 und 126 befinden sich in den Meßspalten 113 und 114 bzw. 123 und 124. Befestigt ist die zu einer starren Einheit verbundene Probekörperanordnung (Hantel) über die Biegefeder 117 (127) an der Befestigung 118 (123).

In Abb. 7 erfolgt, die Beschickung der Meßspalte mit dem Meßgas in analoger Weise wie box den Abb. 1-6. Die Ausführung der Probekörper hingegen v/eicht von den früher gezeigten ab. Der Probekörper 115 ist eine massive Kugel, der Probekörpe£\ein=Hohlkugel. Beide Körper bestehen aus dem gleichen Material (z.B. Quarz) und besitzen die gleiche Masse an Festkörpersubstanz.

Die Hohlkugel ist mit einem Gas möglichst geringer Suszeptibilität gefüllt. Wenn die beiden Probekörper, wie in der Anordnung vorgesehen, sich in einem Gebiet gleicher Feldstärke und gleichen FeIdgradientens befinden, heben sich die auf die Festkörpersubstanz wirkenden Kräfte auf. Die beiden Probekörper besitzen ein unterschiedliches Volumen z.B. 1 mm³ (für 115) und 5 mm³ (für 116). Entsprechend dem verdrängten Volumen an Meßgas und. dessen 02-Konzentration wirken deshalb zusätzliche Kräfte, welche die Kugeln aus dem Feld herausdrängen. Es bleibt wirksam die Differenz dieser Kräfte, die der Differenz der Verdrängungsvolumina (5 ram³- 1 mm³= 4mra ³) und dem 02-Gehalt des Meßgases entspricht. Die Kessung dieser Differenzkraft, die ein Ma£ für den zu messenden O2-Gehalt des Meßgases (bzw. dessen Suszeptibilität) ist, erfolgt nun wie früher.erläutert mit Hilfe eines Kompensationsstrontes durch eine

409813/0731

Kompensationswicklung.

In Abb. 7a ist eine der Abb. 7 entsprechende Variante mit parallelen Meßspalten 113' und 114' (Polpaare 111' und 112') in denen sich wie angegeben ein zylindrisches Stäbchen 115' bzw. ein Hohlzylinder 116* befinden. Die Querschnitte dieser beiden Probekörper sind so gewählt, daß sich im Bereich der hierbei zweckmäßig klein zu haltenden Inhomogenitätszone gleiche Querschnitte ( und somit auch gleiche Volumina) der aus gleichem Material hergestellten Probekörper befinden. Die Funktion dieser Anordnung ergibt sich aus den bisher gemachten Erläuterungen.

In einer anderen Ausführung, die der Abb. 7a entspricht, werden prismatische Probekörper (ein prismatisches Stäbchen und ein prismatischer Hohlkörper), bei denen die im vorigen Absatz genannten Querschnittsbedingungen erfüllt sein müsse^, verwendet.

Mit der Anordnung nach Abb. 8 wird nicht die Suszeptibilität eines Meßgases sondern die Suszeptibilität einer vergleichsweise

kleinen flüssigen oder festen Meßprobe 125 a gemessen. Die Beschickung des Systems mit Meßgas entfällt hierbei. Die Spalträume der Magneten soll"^umit einem Gas geringer Suszeptibilität gefüllt sein. Bei nicht zu kleinen Suszeptibilitäten der Probe 125 a kann das Füllgas auch Luft sein. Gegebenenfalls ist der bekannte Suszeptibilitätswert der Luft bei der Auswertung der Messung zu berücksichtigen. Die Probekörper (beispielsweise aus Quarz) sind als offene Gefäße ausgebildet*

Der Körper 115 dient zur Aufnahme der Meßprobe 125 a. Das Festkörpervolumen der Probekörper möge beispielsweise 6o mm³ betragen (entsprechend ^i^er^Eohlkugelhälfte mit 8 mm 0 und o,4 mm Wandstärke). Die zu messWrösSSuszeptibilität von 3.1o~⁶ haben (Suszeptibilität des Quarzes ca. l.lo~°). Dann ergibt sich für eine Probe von 2mnrt&'ti. Volumen-Suszeptibilitätsprodukt von 6.1o~6 nmr* im Vergleich zu dem Wert von 6o.lö~^ mm für den Probekörper. Die erforderliche magnetische Kompensationserregung läßt sich wie unten noch ausgeführt dann errechnen. Umgekehrt kann aus der Kompensationserregung (Kompensationsstrom mal * :Windungszahl der Kompensationsspule) bei unbekannter Probe von bekanntem Volumen (bzw. bekannter Masse) die Volumensuszeptibilität (bzw. die Massensuszeptibilität) errechnet werden.

Die der erfindungsgemäßen Methode anhaftende Eigenschaft, der hohen Ansprechgeschwindigkeit, wird bei den Anordnungen, bei denen der Gasaustausch durch kleine Öffnungen des Meßgasprobe·- körpers (Hohlkörpers) erfolgt, durch die für den Gasaustausch erforderliche Zeit eingeschränkt. Um diesem Mangel abzuhelfen, verwendet man Hohlkörper mit großen Öffnungen, die man so dimensioniert, daß die gleiche integrale Volumensuszeptibilität wie beim Vergleichshohlkörper vorliegt. Dies geschieht beispielsweise bei einem zylindrischen Meßgasprobenhohlkörpers dadurch, daß man Boden und Deckel wegläßt und die Zylinderwandung entsprechend verstärkt. Bei den Anordnungen mit parallelem Meßspalt und schmaler Inhomogenitätszone ist es im übrigen nur erforderlich, daß beide Probekörper im Bereich der inhomogenen Zone übereinstimmen, außerhalb dieser Zone kann der Meßgasprobenhohlkörper ohne Störung für die Messung mit großen Öffnungen versehen werden.

Zum besseren Verständnis der Meßmethode seien einige theoretische Ausführungen mit Rechnungsbeispiel gemacht. Unter Beachtung der unten gemachten Symbolerlauterungen gelten die folgenden Beziehungen, wobei von der grundlegenden Formel (1) für die Kraft auf einen Körper im magnetischen Gradientenfeld (inhomogenes Feld) auszugehen ist. 4 0 9813/0 7 31

K - /V' frtufH· V > κ Ci)-

Für den prismatischen Probekörper im Parallelspalt gilt dann:

' κ

Es sei y(\j ta O. Dann gilt im abgeglichenen Zustand unter der Annahme, daß

die Abgleichsbedingung:

Daraus folgt:

Tc- H, Xo_x^h

Aus den Formeln folgt:

1. Der Nullpunkt der Messung ^^ * Of wird wegen -^-« 0

nicht von Te und somit nicht von der Grunderregung beeinflußt.

2. Die Empfindlichkeit der Konzentrationsmessung hängt nur von dem Verhältnis Ak zuli und bei konstant gehaltenem Io somit nur von x\ ab; und zwar linear proportional· _ Änderungen des magnetischen Kraftflusses, die nicht durch^*> bzw. ^tH bewirkt wexden haben keinen' Einfluß auf das Meßergebnis. ' ' '

Für den Probenkörper im inhomogenen Feld: ergibt sich in ähnlicher-Weise untervAnnahme

die Beziehung

Zu den eben genannten Vorteilen kommt hierbei nach der für die Messung im inhomogenen Feld sehr wesentliche Vorteil hinzu, daß die Messung nicht mehr vom Feldgradienten abhängt. Diese Fest-

2247781

stellung ist für den Nullpunkt der Messung von schwerwiegender Bedeutung.

Bei den Anordnungen mit Permanentmagneten den Formeln 4 a und 4 b das Produkt Yl₆ «To durch die Permanenterregung β_ΰ zu ersetzen. Dies führt zu einer Beziehung:

Eine Durch&rehung für die Anordnungen mit Viech sei feldüberlagertem Gleichfeld zeigt, daß man durch Ersetzen von ti^- durch .? »//s '/~/,-v zu entsprechenden Formeln kommt.
Bei Kompensation mit « .

Gleichstrom Q - J^y. « ^~— (6d)

bzw. ·

Wechselstrom Cc₂ * Ar '

Erläuterungen der verwendeten Formelzeichen: (Angaben und Formeln bezeichnen sich auf das CGS-System)

K - Kraft auf Probekörper

H = Feldstärke am"Ort der Probe

<Μη£/Η = Feldstärkegradient am Ort der Probe Hd — Gleichfeldstärke ) bei Gleichfeld mit Wechsel- H*/ ~ Wechsel feldstärke J feldüberlagerung Ü = Querschnitt

= Meßgasquerschnitt i.d. inhomogenen Zone bei prismatischem Hohlkörper

= Festsubstanz-Querschnitt in d. inhomogenen Zone bei prismatischem Hohlkörper

= Volumen des Probekörpers

= Volumen des Meßgases im Innern des Meßgasprobehohlkörpers = FestsubstanzvolumBn des Probehohlkörpers

- magnetische Suszeptibilität

= magnetische Suszeptibilität des Meßgases ⁼ magnetische Suszeptibilität des Vergleichsgases = magnetische Suszeptibilität der Festsubstanz des Proberkörpers

— magnetische Suszeptibilität von O2 unter Meßbedingungen" = Windungszahl von jeder der beiden Erregerspulen

= " " " " " " Kompensationsspulen To - Gleichstrom durch Erregerspule
Χλ/ = Wechselstrom durch Erreger spule
st K = Kompensationsgleichstrom

= Kompensationswechselstrom

~ Erregung des Permanentmagneten

4 098 y ^.0731

- Io -

Abschließend seien noch einmal die Vorteile der Erfingung bei der

betrieblichen Anwendung für die kontinuierliche O2-Messeiung herausgestellt:

1. Die Messung ist vcn der Begleitgaszusairanensetzung praktisch unabhängig (ausgenommen sind magnetische Eigenschaften des Begleitgases).

2. Die Messung ist praktisch Durchflußunabhängig bei Messung mit Wechselfeld. ·

3. Die Messung ist sehr schnell bei Messung mit Wechselfeid.

4. Die Messung weist eine hohe Nullpunkts-und Empfindlichkeits^ konstanz auf.

5. Die Meßbereiche können in einfacher V7eise umgestellt werden, da der Kompensationsstrorn linecir proportional zum 02-Gehalt ist. Diese Umstellung kann auch in einfacher Weise durch Ändern von H;_f (z.B. mit Hilfe von Kompensationsspulen mit verschiedenen Abgriffen für verschiedene Windungszahlen) oder durch Ändern von Xo vorgenommen werden.

6. Eine explosionsgeschützte Ausführung läßt sich mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand bewerkstelligen.

7. Für den empfindlichen Teil des Meßsystems ergeben sich verglichen mit ähnlichen Systemen wesentliche fertigungstechnische und justiertechnische Vereinfachungen.

Literatur zum Stande der Technik

1. Hengstenberg, Sturm und Winkler. Messen und Regeln in der chemischen Technik 1964

2. US-Patentschrift 2416344 (Pauling)

3. deutsche Offenlegungsschrift 1951342 (Janssen)

4. deutsche Offenlegungsschrift 2ooo212 (Hummel)

5. Bericht aus der Society of Instrument Technologie Conference in Swansea/England Sept. 1957 von CW. Munday.

40981 3/0731

Claims

7247281 M Patentan sprüche

1. Vorrichtung zum Messen der Differenz zwischen den Werten der Volumenintegrale über die Suszeptibilität >O {integrale VoIumensuszeptibilität 0V) zweier unterschiedlicher Probekörper (Meßkörper 125 + 125 a und Vergleichskörper 126) im Bereich je eines inhomogenen Feldes, in welchem sich die Probekörper befinden, bestehend aus wenigstens 2 Meßspalten (123, 124) in zwei magnetischen Kreisen oder einem magnetischen Doppelkreis mit den beiden beweglich angeordneten zu einer starren Einheit miteinander verbundenen Probekörpern (Hantelanordnung), von denen sich je einer in einem der beiden Meßspalte*. befindet dadurch gekennzeichnet, daß in einem der magnetischen Kreise eine zusätzliche Felderregung erzeugt wird, wobei die Zusatzerregung so gewählt wird, daß die Differenzkraft aus den als Folge dieser Zusatzerregung unterschiedlichen magnetischen .Kräften auf die beiden Probekörper zur Kompensation der zu messenden Differenzkraft, aus den magnetischen Kräften, die auf die unterschiedlichen Probekörper im Magnetfeld bei gleichen Feldstärken in den beiden Meßspalten ausgeübt werden, verwendet wird und daß die Größe der Zusatzerregung (Kompensationserregung) als Maß für die zu messende Differenz der integralen Volumensuszeptibilität dient.

2. Vorrichtung zum Messen der magnetischen Suszeptibilität'eines Gases oder Gasgemisches (Meßgas M) bestehend aus wenigstens 2 vom Meßgas be strömten Meßspalten (3, ψ) in zwei magnetischen Kreisen (1,2) oder einem magnetischen Doppelkreis (51-55) mit zwei beweglich angeordneten zu einer starren Einheit verbundenen, je eine Gaskammer enthaltenden Probekörpern (5,6) aus einem Material vorgegebener im allgemeinen geringer magnetischer Suszeptibilität* wobei die.eine Gaskammer (6) geschlossen ist und ein Vergleichsgas V enthält und die andere (5) mit kleinen Öffnungen für den Gasaustausch mit dem Meßgas M versehen ist, wobei ferner in jedem der beiden Meßspalte (3,4) je einer der beiden Probekörper (5,6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem der magnetischen Kreise eine zusätzliche Felderregung erzeugt wird, wobei diese Zusatzerregung nach Größe und Richtung so gewählt wird, daß die Differenzkraft'aus den als Folge dieser Zusatzerregung, unterschiedlichen "magnetischen Kräften auf dieProbekorperfestsubstanz zur Kompensation der zu messenden Differenzkraft aus den magnetischen Kräften,, die auf die unterschiedlichen Gasinhalte (Meß- bzw, Vergleichsgas) in den Probehohlkörpern im Magnetfeld bei gleicher Feldstärke in den beiden Meßspalten ausgeübt werden, verwendet wird und daß die Größe der Zusatzerregung; (Kompensationserregung) als Maß für die Suszeptibilitätsdifferenz zwischen Meß-und Vergleichsgas und somit bei vorgegebenem Vergleichsgas als Maß für die zu messende Suszeptibilität des Meßgases dient.

3. Vorrichtung zum Messen der magnetischen Suszeptibilität eines MSases oder eines Gasgemisches (Meßgas M) bestehend aus wenigstens zwei vom Meßgas M beströmten Meß spalten (113, 114) in zwei magnetischen Kreisen (Polschuhe 121,122) oder einem magnetischen Doppelkreis mit zwei beweglich angeordneten miteinander zu einer starren Einheit verbundenen Pröbekörpern (115,116) von unterschiedlichera Verdrängungsvolumen für das Meßgas_r jedoch von gleicher aber geringer integraler Volumensuszeptibilitä im Be-

reich des inhomogenen Feldes, wobei ferner in jedem der beiden Meßspalten je einer der beiden Probekörper angeordnet ist» dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der magnetischer. Kreise eine zusätzliche Felderregung erzeugt wird, wobei die Zusatzerregung nach Größe und Richtung so gewählt wird, daß die Differenzkraft aus den als Folge dieser Zusatzerregung unterschiedlichen magnetischen Kräften auf die beiden Probekörper zur Kompensation der zu messenden Differenzkraft aus den magnetischen Kräften, die auf die unterschiedlichen Probekörper als Folge der unterschiedlichen Meßgasverdrängungvolumina im Magnetfeld bei gleicher Feldstärke in den beiden Meßspalten ausgeübt werden, verwendet wird und daß die Größe der Zusatzerregung {Kompensationserregung) als Maß für die zu messende Suszeptibilität des Meßgases dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einer starren Einheit verbundenen Probekörper (Hantel) an einem Torsionselement befestigt sind und daß das als Folge der Zusatzerregung auftretende Drehmoment zur Kompensation des Drehmomentes, das bei gleicher Feldstärke in den Meßspalten als Folge der Unterschiede in den Probekörpern (Anspruch 1) bzw. als Folge der unterschiedlichen Gasinhalte in den Probehohlkörpern (Anspruch 2) bzw. als Folge der unterschiedlichen Meßgasverdrängungsvolumina (Anspruch 3) auftritt, verwendet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Gleichfeld verwendet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennz-eic/hne,tt daß ein magnetisches Wechselfeld angewendet wird»

7. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichfeld mit Wechselfeldüberlagerung angewendet wird.

■8, Vorrichtung nach Anspruch 5 oder ?' dadurch gekennzeichnet, daß zur Grunderregung (Magnetfeld ohne Kompensationsfeld) ein Permanentmagnet verwendet wird.

f. Vorrichtung nach Anspruch 1-8 dadurch gekennzeichnet, daß die gpsatzerregung (Kompensationserregung) mittels einer oder zweier Zusatzwicklungen(Kompensationsspulen 9, lo)in einender beiden ojfCder in beiden magnetischen Kreisen erzeugt wird.

Io. Vorrichtung nach Anspruch 1-9 dadurch gekennzeichnet, daA sewn Zwecke der Nullpunktseinstellung oder auch der Uullpunktunfierdrückung vergleichsweise geringfügige VerändspjyRgsn ifer magnetischen Induktion in einem eier beiden oder in b#i<J$n k herbeigeführt werden.

H. Vorrichtung nach Anspruch JLq dadurch gekeRn*ei<?hn«t_f <$*§

vorzunehmende Änderung der raagjietiechep Induktion »itti«JU einer oder zweier zusätzlicher Abgleich spulen (11 94»S H fefttf« 11 UK<U2) vorgekommen wird.