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Dokumentenidentifikation DE19841723C2 23.05.2001
Titel Magnetomechanischer Gasanalysator, insbesondere paramagnetischer Sauerstoffanalysator
Anmelder ABB Patent GmbH, 68309 Mannheim, DE
Erfinder Fabinski, Walter, Dipl.-Ing., 65830 Kriftel, DE;
Bauer, Thomas, Dipl.-Phys., 61350 Bad Homburg, DE
DE-Anmeldedatum 12.09.1998
DE-Aktenzeichen 19841723
Offenlegungstag 30.03.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.05.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.05.2001
Addition 10010914.4
IPC-Hauptklasse G01N 27/74

Beschreibung[de]

Magnetomechanischer Gasanalysator, insbesondere paramagnetischer Sauerstoffanalysator mit einer in dem Wirkbereich eines inhomogenen magnetischen Feldes drehbar aufgehängten Hantel, welche von Meßgas umspült wird, wobei die Hantel drehfest mit einem Spiegel zur Ablenkung eines Lichtstrahles verbunden ist, gemäß Oberbegriff des Patenentanpruches 1.

Sauerstoffanalysatoren dieser Art nutzen die paramagnetische Eigenschaft des Sauerstoffes aus, die eine Ablenkung des paramagnetischen Sauerstoffes im inhomogenen Feld im Effekt ausnutzen.

Bei bekannten Anordnungen dieser Art wird eine diamagnetische Hantel drehbar an einem Spannband in einem inhomogenen Feld drehbar aufgehängt. Bei Anwesenheit von Sauerstoff wird der Hantelkörper aus dem Magnetfeld herausgedrängt. Mit Hilfe einer Kompensationspule wird die Hantel wieder in ihre Ausgangslage zurückgedreht. Der dazu benötigte Strom ist ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im umströmenden Meßgas. Die Drehung bzw die Rückdrehung wird dabei durch ein Lichtstrahl-Spiegelsystem sichtbar bzw erfassbar gemacht.

Die begrenzenden Faktoren für die Leistungsfähigkeit dieses Meßverfahrens sind die Nachweisgrenze und die Schnelligkeit der Messung. Der kleinste dabei mögliche erfassbare bzw auflösbare Meßbereich wird physisch durch die Unruhe der Hantel im Abgleichpunkt vorgegeben.

Dabei hängt die Schnelligkeit der Messung im wesentlichen davon ab den besagten Abgleichpunkt auch schnell zu finden.

Bei Analysatoren der bekannten Art, wie bspw aus der DE-OS 23 39 960 ist ein solcher Gasdetektor bekannt, bei welchem auf dem Hantelkörper in der Ebene eine flächige Überdimensionierung der Leiterbahnen vorgenommen ist, wobei diese Bereiche unter dem Einfluß des Magnetfeldes als Wirbelstrombremse wirkt. Dadurch werden Drehschwingungen um diese Ebene gedämpft.

Aus der WO 98/12553 ist eine magnetische Sauerstoff messeinrichtung bekannt, die bereits in vorteilhafter Weise einen silizium-mikromechanisch hergestellten Hantelkörper aufweist. Es sind jedoch keine expliziten Mittel zur Schwingungsdämpfung angegeben.

Es liegen aber durch Erschütterungen oder Vibrationen, die an dem Gerät angreifen, Schwingungen auch in übrigen Ebenen vor. Dabei ist es grundlegend zu erkennen, daß Vibrationsschwingungen die auch an der Hantel angreifen und die besagte Unruhe um den Abgleichpunkt hervorrufen eine Summe von linear unabhängigen Einzelschwingungen sind, die mathematisch aus orthogonalen Schwingungsanteilen bestehen. Dies wiederum heißt, daß eine Dämpfung lediglich in einer Schwingungsebene keine Dämpfungswirkung eines Schwingungsanteiles in einer entsprechend dazu orthogonalen Ebene bewirken kann.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Schwingungen aller Art die einen negativen Einfluß auf die Ruhe im Abgleichpunkt haben zu dämpfen, und die Nachweisgrenze und die Geschwindigkeit der Messung zu erhöhen.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Gasanalysator der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Kern dieser Erfindung ist die Verwendung einer Wirbelstrombremse zur Beruhigung bzw gedämpften Bewegung der Hantel, die numehr nicht nur in einer Ebene, nämlich der Drehebene der Hantel wirkt, sondern auch übrige Schwingungsebenen bedämpft. Dabei liegt die Erkenntnis zugrunde, daß senkrechte Schwingungsebenen mathematisch und physikalisch unabhängig voneinander sind, so daß eine Dämpfung in einer Ebene keine Dämpfungsankopplung an eine der anderen Schwingungsebenen liefert. Zu diesem Zweck sind mindestens 2 weitestgehend senkrecht zueinander stehende elektrisch leitende Flächensegmente zur Wirbelstromdämpfung auf der Hantel oder im mechanischen Eingriff auf die Hantel und im Wirkbereich des inhomogenen Feldes angeordnet. Das vorhandene inhomogene magnetische Feld weist dabei Feldanteile in quasi allen Richtungen auf. Dies hat wiederum zur Folge, daß auch ein magnetischer Eingriff auf die verschiedenen Ebenen bzw die in verschiedenen Ebenen liegenden Wirbelstromflächen erfolgt. D. h. es wird auch hierbei lediglich eine Magnetfeldanordnung benötigt.

Dadurch erfolgt eine wirksame Wirbelstrominduktion resultierend aus Schwingungen mindestens zweier Raumrichtungsanteile statt. D. h. daß eine erheblich wirksamere Bedämpfung im Bereich des besagten Abgleichpunktes möglich ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist eines der wirksamen Flächensegmente durch den aufgebrachten bzw aufgedampften Spiegel gebildet. Diese Spiegelfläche ist dabei als Wirbelstrombremse für denjenigen Schwingungsanteil, der senkrecht zur Spiegelebene liegt. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung die Hantel in mikromechanischer Silizium-Bauweise oder in Glas zu realisieren. In beiden Fällen kann die Spiegelfläche in einfacher Weise aufgedampft werden. Die Dicke der aufgedampften Spiegelfläche ist so zu dimensionieren, daß im Hinblick auf die für die Wirbelstrombremsung nötige Stromdichte erzielbar ist.

Die weitere metallische Fläche, die als weitere Wirbelstrombremse wirkt und senkrecht zur Spiegelfläche ist, wird im Bereich der Strompfade auf der Hantel gebildet.

Zur Aufdampfung werden Verfahren entweder mittels PVD- oder CVD-Technik eingesetzt.

Ferner ist das Material für die Wirbelstrombremse vorteilhafterweise ein chemisch beständiges Material. Hierzu sind besonders geeignet, Platin, Rodium, Rhenium, Aluminium, Titan oder Nickel.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1: Hantel mit Spiegelfläche

Fig. 2: Schnitt A-B gemäß Fig. 1, Draufsicht

Fig. 1 zeigt die besagte Hantel 1 in einer Seitenansicht, in welcher der aufgebrachte Spiegel 3 erkennbar ist. Die Hantel selbst ist von einem hier nicht weiter dargestellten inhomogenen magnetischen Feld umgeben. Die Hantel kann dabei wie oben bereits ausgeführt entweder in mikromechanischer Siliziumbauweise oder aus Glas bestehend hergestellt sein. In beiden Fällen wird die Spiegelfläche mittels oben bereits beschriebener Technik aufgebracht. Die Spiegelfläche 3 ist dabei senkrecht zur anderen Wirbelstromfläche 9, welche im Bereich der Strompfade der Abgleichspule oder entweder auf der Unterplatte 7 oder der Oberplatte 6 liegt.

Somit ergeben sich zwei senkrecht zueinander liegende Wirbelstromflächen, welche dementsprechend auch zwei Raumrichtungsanteile von auftretenden Schwingungen dämpfen kann. Es kann durchaus noch eine weitere dritte Wirbelstromfläche vorgesehen sein, so daß alle drei Raumrichtungen bzw Raumebenen dämpfungsmäßig erfasst werden.

Fig. 2 zeigt die Hantel 1 in einer Draufsicht gemäß Schnitt A-B aus Fig. 1 auf die Abgleichspule 4 und deren Strompfade. In dieser Umgebung bzw parallel dazu befindet sich auch eine der wirksamen Wirbelstromflächen.


Anspruch[de]
  1. 1. Magnetomechanischer Gasanalysator, insbesondere paramagnetischer Sauerstoffanalysator mit einer in dem Wirkbereich eines inhomogenen magnetischen Feldes drehbar aufgehängten Hantel, welche von Meßgas umspült wird, wobei die Hantel drehfest mit einem Spiegel zur Ablenkung eines Lichtstrahles verbunden und das auf den Bereich um den Hantelköper wirkende magnetische Feld inhomogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei weitestgehend senkrecht zueinander stehende elektrisch leitende Flächensegmente (3, 9) als Wirbelstrombremse wirkende Flächen auf der Hantel (1) oder im mechanischen Eingriff auf die Hantel und im Wirkbereich des inhomogenen magnetischen Feldes angeordnet sind.
  2. 2. Magnetomechanischer Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der als Wirbelstrombremse wirksamen Flächen der aufgebrachte metallische Spiegel (3) ist, welcher dickenmäßig so dimensioniert ist, daß eine im Hinblick auf eine in dieser Raumebene zur Wirbelstrombremsung nötige Stromdichte erzeugbar ist.
  3. 3. Magnetomechanischer Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hantel (1) in mikromechanischer Silizium-Bauweise erstellt ist.
  4. 4. Magnetomechanischer Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hantel (1) aus Glas besteht.
  5. 5. Magnetomechanischer Gasanalysator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (3) sowie eine andere Wirbelstromfläche durch Anwendung der PVD-Technik aufgebracht sind.
  6. 6. Magnetomechanischer Gasanalysator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (3) sowie eine andere Wirbelstromfläche durch Anwendung der CVD-Technik aufgebracht sind.
  7. 7. Magnetomechanischer Gasanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstromflächen aus Platin, Rodium, Rhenium, Aluminium, Titan oder Nickel bestehen.






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