NL193845C

NL193845C - Meetcel voor het meten van het zuurstofgehalte van gasmengsels.

Info

Publication number: NL193845C
Application number: NL8501294A
Authority: NL
Original assignee: Instrumentarium Corp
Priority date: 1984-05-16
Filing date: 1985-05-07
Publication date: 2000-12-04
Also published as: SE8502406D0; SE461178B; FI73085B; JPH0672870B2; FI841961L; DE3517145C2; FI73085C; FI841961A0; US4633705A; NL193845B; SE8502406L; JPS60256047A; NL8501294A; GB2158949B; GB8512023D0; DE3517145A1; GB2158949A

Description

1 193845

Meetcel voor het meten van het zuurstofgehalte van gasmengsels

De uitvinding heeft betrekking op een meetcel voor het meten van het zuurstofgehalte van gasmengsels, omvattende een met een periodieke blokspanning te bedrijven gelijkstroom bestuurbare elektromagneet, 5 een monstergasleiding voor het toevoeren van het te meten gasmengsel, een referentiegasleiding voor het toevoeren van een referentiegasmengsel en een voor de toegevoerde gasmengsels gemeenschappelijke uitgangsleiding, waarbij de monstergasleiding en de referentiegasleiding op afstand van elkaar aan een van de eindvlakken van de elektromagneet uitmonden in de door de eindvlakken van de elektromagneet bepaalde spleetruimte.

10 Een dergelijke meetcel is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3.584.499.

De stede 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 van uitgeademde gassen zou het belangrijk zijn een voldoende snelle (ongeveer 100 ms) responsiteit te bereiken voor het volgen van momentane concentratiewaarden. De meetmethoden (Se 15 gebruik maken van het paramagnetisme van zuurstof zijn gebaseerd op het thermomagnetische of het zogenaamde Pauling-principe en hebben zekere nadelen zoals de traagheid als gevolg van volumevereisten voor de meetcel of de afhankelijkheid van de stroomsnelheid van het te meten monstergas.

De bekende meetcel heeft een snelle responsie en is onafhankelijk van de stroomsnelheid van het te meten monstergas doordat het rnonstergasmengsei en het referentiegasmengsel direct in de afgesloten 20 spleetruimte van de elektromagneet worden geleld, zodanig dat de twee gasmengsels onderling worden gemengd in het homogene magneetveld en vervolgens via de uitgangsleiding naar buiten worden gepompt Door de elektromagneet met een blokspanning van een geschikte frequentie te bekrachtigen wordt met gebruikmaking van een tussen de gasleidingen voor het toevoeren van de gasmengsels aangebrachte microfoon een wisselspanningsignaal van het optredende drukverschil verkregen. Het op deze wijze 25 verkregen signaal te rechtevenredig met het verschil in de partiële zuurstofdruk in de toegevoerde gasmengsels.

Bij meetcellen met een dergelijke opbouw is de spleetruimte begrensd door een afstandsplaat van niet-magnetisch materiaal, die tussen de eindvlakken van de elektromagneet is geplaatst om bij het meten van het zuurstofgehalte de verstorende werking van de door de wijze van bekrachtigen van de elektromag-30 neet optredende magnetomechanische effecten zo klein mogelijk te houden.

In de praktijk leiden de afdichtmaterialen die nodig zijn voor het verzekeren van een goede afsluiting tot een minder stijve opbouw, waardoor magnetomechanische effecten in sterke mate optreden.

De uitvinding beoogt te voorzien in een meetcel met een snelle responsie voor het meten van het zuurstofgehalte van een gasmengsel, waarbij het meetresultaat onafhankelijk is van de stroomsnelheid van 35 het rnonstergasmengsei en niet wordt verstoord door magnetomechanische effecten.

Daartoe heeft een meetcel van de in de aanhef besproken soort volgens de uitvinding het kenmerk dat de elektromagneet is opgesteld in een afgesloten ruimte, de hoogte van de spleetruimte is bepaald door twee voetstukken die zodanig bij de uitmondingen van de gasleidingen van de toe te voeren gasmengsels zijn opgesteld dat de toegevoerde gasmengsels door botsing onderling mengen alvorens uit de spleetruimte 40 weg te stromen naar de afgesloten ruimte en vanuit de gesloten ruimte te worden afgevoerd door de uitgangsleiding, die buiten de spleetruimte is aangesloten op de afgesloten ruimte.

Door deze maatregelen wordt bewerkstelligd dat het partiële drukverschil tot stand komt in het magneetveld binnen de spleetruimte. De afgesloten ruimte rond de elektromagneet werkt als buffervolume, zodat de koppeling van de magnetomechanische verstoring met de microfoon wordt voorkomen en de druk-45 verstoringen van de pompwerking worden verzwakt.

Opgemerkt wordt dat uit de Nederlandse octrooipublicatie NL-A-7102944 een meetcel voor het meten van het zuurstofgehalte van gasmengsels bekend is, waarbij een tussen de eindvlakken van een periodiek met een blokspanning te bekrachtigen met een elektromagneet aan te brengen meetkanaal is voorzien van sikkelvormige ruimten, die elk zijn gevormd in de nabijheid van de uitmonding van een gasleiding voor een 50 aan de meetkamer toe te voeren gasmengsel om het toegevoerde gasmengsel te richten naar het midden van de meetkamer om vervolgens via een centraal aangebrachte uitgangsleiding naar buiten te worden gepompt

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening. Hierin toont figuur 1 de meetcel binnen een afgesloten ruimte; 55 figuur 2 de opbouw van de elektromagneet met de spleetruimte en de gasleidingen voor de toe te voeren gasmengsels; figuur 3 de meetcel met de microfoon en een detector voor het verschaffen van het meetsignaal; 193845 2 figuur 4 het schema van een pneumatische filterketen voor het elimineren van drukvariaties; figuur 5 het schema van een pneumatische filterketen volgens figuur 4, die is voorzien van een extra filtertrap.

De meetcel bestaat uit een luchtdicht gesloten holte 1, een elektromagneet 2, een monstergasleiding 3 5 en een referentiegasleiding 4, en gasafvoerleiding 5. Bovendien zullen draden voor de magneetstroom en transducenten voor het meten van de magneettemperatuur en de stroomdichtheid de wand van de holte doordringen.

De elektromagneet bestaat uit een spoel 6, een spoeldrager 7 en halve magneetkemen 8 en 9, die tegen elkaar zijn gedrukt door middel van twee platen 10 en 11, alsmede schroeven 12 en 13. Gassen worden 10 aan de magneetspleet toegevoerd via gaten 14 en 15, die in het onderdeel 8 zijn geboord. De voorkop van het onderdeel 8 si zodanig bewerkt, dat U-vormige voetstukken 16 en 17 zullen zijn 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 uitstromen vanaf de spleet van de magneetpolen naar de omringende ruimte. De afdichting van 15 het voetstuk-oppervlak tegen het oppendak van het daartegenover gelegen onderdeel 9 speelt een kritische rol.

Het beste magneetkemmateriaal is een kobaltijzermengsel met een hoge verzadigingsfluxdichtheid van ongeveer 2,4 Tesla. Dit materiaal heeft eveneens een positieve magnetostrictie-coëfficfënt, hetgeen betekent dat het mogelijk is afmetingsveranderingen van de magneetspleet als gevolg van ee magneet· 20 kracht te compenseren door een juiste keuze van de afmetingen van het voetstuk.

De kracht tussen de magneetpolen is F = (Ai B2) / (2po)

Waarin A, het oppervlak van de spleet is en B de dichtheid van de magnetische flux. Dan zal de druk tegen de voetstukken zijn 25 P-F/Aa-(Α,Β2)/^μ„)

Dan is de rek in het voetstuk € = P/E = (A1/2A2) (Ba/2E μ,,)

Waarin E de elasticiteitsconstante van het materiaal is. Anderzijds is bekend, dat de expansie door magnetostrictie met de verzadigingsfluxdichtheid is €' = 7.10'5. Door te stellen € = wanneer compres-30 sie door de magneetkracht en expansie door de magnetostrictie elkaar opheffen, verkrijgen we Α,/Aa - (2E μ„ Ê7B2) - 7.32

Dit wordt verkregen, wanneer het totale oppervlak van de oppervlakte van de voetstukken 12% beslaat van de dwarsdoorsnede door de magneetpolen.

De meting van zuurstofgehalten van een gasmengsel met de meetcel werkt als volgt (zie figuur 3). De 35 pomp 18 zuigt via de leiding 5 door de leiding 3 geleid monstergas en naar de leiding 4 geleid referentiegas 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 zeerstofmoleculen van het gas zullen een krachtwerking voelen als gevolg van hun paragnetisme. Dan zal een drukverschil ontstaan in het gas tussen de ruimten met en zonder magneetveld, dat rechtevenredig is met het product van de para-40 magnetische sesceptibiliteit van het gas en het kwadraat van het magneetveld. Aangezien de gemengde gassen tussen de magneetspleet dezelfde druk bezitten, zal er een drukverschil bestaan tussen de In de invoerleidingen stromende gassen Δρ = (K, - K,) H*/2

Waarin 1^ en K,. respectievelijk de susceptibiliteit van het monstergas en het referentiegas voorstellen.

45 De K van zuurstof is ten minste 150 maal zo hoog als voor bijvoorbeeld gassen in de uitademingsgassen van een ziekenhuispatiënt.

De stroom door de magneet wordt typisch met een frequentie van 100 Hz onderbroken en het wisselende drukverschil wordt gemeten door een verschilmicrofoon 19 tussen de leidingen 3 en 4. Het signaal wordt gedetecteerd door een magneetbesturing gesynchroniseerde detector en voor zover nodig gefilterd en 50 versterkt Ter verzekering van perfecte prestaties van de meetcel 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. Dit probleem is 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 55 monstergas en het referentiegas, zodat zijstromen van gassen via het buffervolume worden aangezogen. Een tweede-orde pneumatisch laagdoorlatend RC-filter, dat op dit principe is gerealiseerd, is in figuur 4 getoond. Het bestaat uit een gesloten ruimte 20, de meetcel 1 en leidingen 21-25 met hoge stromings-

Claims

1. Meetcel voor het meten van het zuurstofgehalte van gasmengsels, omvattende een met een periodieke blokspanning te bedrijven gelijkstroom bestuurbare elektromagneet, een monstergasleiding voor het 20 toevoeren van het te meten gasmengsel, een referentiegasleiding voor het toevoeren van een referentiegas· mengsel en een voor de toegevoerde gasmengsels gemeenschappelijke uitgangsleiding, waarbij de monstergasleiding en de referentiegasleiding op afstand van elkaar aan een van de eindvlakken van de elektromagneet uitmonden in de door de eindvlakken van de elektromagneet bepaalde spleetruimte met het kenmerk, dat de elektromagneet is opgesteld in een afgesloten ruimte, de hoogte van de spleetruimte is 25 bepaald door twee voetstukken die zodanig bij de uitmondingen van de gasleidingen van de toe te voeren gasmengsels zijn opgesteld dat de toegevoerde gasmengsels door botsing onderling mengen alvorens uit de spleetruimte weg te stromen naar de afgesloten ruimte en vanuit de gesloten ruimte te worden afgevoerd door de uitgangsleiding, die buiten de spleetruimte is aangesloten op de afgesloten ruimte.

2. Meetcel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de voetstukken U-vormig zijn, waarbij de openingen 30 van de U-vormige delen van de voetstukken naar elkaar gericht zijn en dat binnen elk van deze openingen een gasleiding voor het toevoeren van een gasmengsel uitmondt in de spleetruimte.

3. Meetcel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de voetstukken zijn gevormd uit een materiaal met een positieve magnetostrictie-coêfficiênt en zodanige afmetingen hebben dat de veranderingen van de hoogte van de luchtspleet als gevolg van de magneetkracht en als gevolg van de magnetostrictie elkaar 35 opheffen. Hierbij 3 bladen tekening