DE4445059C2

DE4445059C2 - Measuring device for determining the concentration of paramagnetic gas components

Info

Publication number: DE4445059C2
Application number: DE19944445059
Authority: DE
Inventors: Willi Koschier
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1994-12-07
Filing date: 1994-12-07
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2014-12-08
Also published as: DE4445059A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Konzentrationsermittlung paramagnetischer Gaskomponenten, nach dem Prinzip der Drehwaage im inhomogenen Magnetfeld, mit einem Gerätegehäuse in welchem zumindest ein, nach dem Drehwaageprinzip arbeitender Gasanalysator angeordnet ist, wobei der Gasanalysator ein Magnetsystem und eine um eine Drehachse gelagerte Drehwaage mit mindestens zwei Verdrängungskörpern aufweist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a measuring device for determining the concentration paramagnetic gas components, based on the principle of the rotary balance in the inhomogeneous magnetic field, with a device housing in which at least one after the gas analyzer is arranged, the Gas analyzer, a magnet system and a rotary balance mounted around an axis of rotation with at least two displacement bodies, according to the preamble of Claim 1.

Derartige Meßeinrichtungen sind beispielsweise bekannt aus der DE-PS 8 69 430, der DE 21 58 715 A1, der GB 2 196 127 A und der DE-2=ATM, Archiv für technisches Messen (Blatt V 952-2, Februar 1975, Seiten 23-28). Das eigentliche Meßwerk, welches als Drehwaage ausgebildet ist, erfährt eine Ablenkung der Verdrängungskörper durch paramagnetischen Sauerstoff im inhomogenen Magnetfeld. Die Verdrängungskörper sind um eine Drehachse beweglich, welche von einem Spannband gebildet wird. Im Bereich der Drehwaage befindet sich ein Spiegelelement, wobei sich der Meßeffekt in einer Verdrehung der Drehwaage, und damit des Spiegels äußert, und durch die Ablenkung eines Infrarotstrahles dargestellt wird. Da als Drehachse kein starres Element, sondern in der Regel das genannte Spannband eingesetzt wird, bedarf es wegen der Elastizität des Spannbandes einer sehr aufwendigen Justage des Gerätes. Da die Drehwaage samt Spiegel ein auf das Spannband wirkendes Eigengewicht aufweist, ist die Drehachse und damit das Spannband in bekannten Geräten vertikal eingebaut. Es zeigt sich jedoch, daß eine exakte Vertikaleinstellung der Drehachse parallel zum Gravitationsvektor der Erde nahezu unmöglich ist. Es ist zwar möglich, die Vertikalausrichtung sehr nahe an den Sollzustand zu bringen, jedoch führen Vibrationen oder Verkippungen des Gerätes zu einer völlig indifferenten Position oder Auslenkung der Drehwaage.Such measuring devices are known for example from DE-PS 8 69 430, DE 21 58 715 A1, GB 2 196 127 A and DE-2 = ATM, archive for technical measurement (sheet V 952-2, February 1975, pages 23-28). The actual measuring mechanism, which as Rotary balance is designed, is deflected by the displacement body paramagnetic oxygen in the inhomogeneous magnetic field. The sinkers are movable about an axis of rotation, which is formed by a tension band. in the There is a mirror element in the area of the rotary balance, the measuring effect being in a rotation of the rotary balance, and thus of the mirror, and by the Deflection of an infrared beam is shown. Since there is no rigid axis of rotation Element, but usually the mentioned strap is used, it is required because of the elasticity of the strap a very complex adjustment of the device. Since the rotary balance including the mirror has its own weight acting on the tensioning strap has, the axis of rotation and thus the strap is vertical in known devices built-in. It turns out, however, that an exact vertical adjustment of the axis of rotation parallel to the earth's gravitational vector is almost impossible. While it is possible to bring the vertical alignment very close to the desired state, however Vibrations or tilting of the device to a completely indifferent position or Deflection of the rotary balance.

Da die resultierende Auslenkung kaum vorherbestimmbar ist, sind diese bei der Justage nur schwer oder gar nicht berücksichtigbar.Since the resulting deflection can hardly be predicted, these are included in the Adjustment difficult or impossible to take into account.

Geräte dieser Art unterliegen jedoch strengen Anforderungen hinsichtlich der Empfindlichkeit auf Neigungen des Gerätegehäuses. Das heißt, daß das zuvor in idealer Position kalibrierte Gerät bei Verkippung oder Neigung des Gerätegehäuses Abweichungen vom Meßwert anzeigt. Diese müssen in entsprechenden Toleranzbereichen bleiben, damit das Gerät hinreichend zuverlässig ist. Übliche Abweichungstoleranzen liegen bei kleiner als 0,02 Volumenprozent Sauerstoff pro Winkelgrad Neigung.However, devices of this type are subject to strict requirements in terms of Sensitivity to inclinations of the device housing. That means that in Ideal position calibrated device when the device housing is tilted or inclined Indicates deviations from the measured value. These must be in appropriate Tolerance ranges remain so that the device is sufficiently reliable. Usual Deviation tolerances are less than 0.02 volume percent oxygen per Degree of inclination.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, daß Meßwertabweichungen die durch Kippung oder Neigung aus der kalibrierten Funktionslage heraus entstehen, minimiert werden.The invention is therefore based on the object of a measuring device Generic type to further develop that measured value deviations caused by tilting or tilting out of the calibrated functional position, be minimized.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, daß der Gasanalysator innerhalb des Gerätegehäuses derart eingebaut ist, daß in Funktionslage die Drehachse deutlich von der Vertikalen abweicht und die Drehachse mit den möglichen Kippachsen des Gerätegehäuses jeweils einen Winkel 0<α<90° einschließt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegen die Drehachsen parallel zu der von den Kippachsen aufgespannten Ebene. Das Gerätegehäuse kann quaderförmig sein und die beiden möglichen Kippachsen bilden einen Winkel β, und die Projektion der Drehachse der Drehwaage in die von den Kippachsen aufgespannte Ebene bildet die Winkelhalbierende der Kippachsen und schließt mit diesen einen Winkel α=β/2 ein. Im Idealfall stehen die beiden möglichen Kippachsen senkrecht zueinander, so daß der Winkel α=45° beträgt. Anschaulich heißt dies, daß die Drehachse bzw. das Spannband mit der idealen Drehachse eine Raumdiagonale bildet, die sich dadurch ergibt, daß die definierte Ebene zur Horizontalebene ebenfalls um etwa 45° gekippt oder geneigt angeordnet ist. Die Angaben von 45° in der Ebene oder die ideale Raumdiagonale sind dabei nur idealisierte Werte. Wesentlich ist natürlich die Tatsache, daß sich die Drehachse nicht mehr in der Vertikalen befindet, sondern deutlich von ihr abweicht. Am deutlichsten weicht sie natürlich in der ersten Ausführungsform, die eine Horizontallage des Spannbandes vorsieht, ab.The task is achieved in a device of the generic type solved that the gas analyzer is installed within the device housing such that in the functional position, the axis of rotation deviates significantly from the vertical and the axis of rotation an angle with the possible tilt axes of the device housing 0 <α <90 °. In a further embodiment of the invention Rotation axes parallel to the plane spanned by the tilt axes. The device housing can be cuboid and the two possible tilt axes form an angle β, and the Projection of the axis of rotation of the rotary balance in the plane spanned by the tilt axes Bisector of the tilt axes and closes with these one Angle α = β / 2 on. Ideally, the two stand possible tilt axes perpendicular to each other, so that the angle α = 45 °. This clearly means that the axis of rotation or the strap the ideal axis of rotation forms a space diagonal, which results from the fact that the defined The plane to the horizontal plane is also tilted or inclined by approximately 45 °. The details of 45 ° in the plane or the ideal room diagonal are only idealized values. It is of course essential that the axis of rotation is not more vertical, but clearly deviates from it. The clearest it naturally gives way in the first embodiment, which is a horizontal position of the Tension band provides.

Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung ergibt sich aus folgendem.The advantageous effect of the invention results from the following.

Liegt die Drehachse der Drehwaage nicht mehr in der Vertikalen, sondern beispielsweise in der Horizontalen, so ist die kipp- oder neigungsbedingte Auslenkung des Drehkörpers oder des Spiegels nicht mehr indifferent, sondern durch die definierte horizontale Lage ergibt sich eine definitive Auslenkung des Drehwaagenkörpers aus der idealen Drehachslage. Das Gerät ist auf diese definierte Nullauslenkung besser einzustellen. Dies resultiert ganz einfach aus der Tatsache des Eigengewichtes und der Verwendung eines elastischen Spannbandes als Drehachse. Wird das Gerät bei der Prüfung oder im Betrieb nun derartig gekippt, daß eine Kippung senkrecht zur Drehachse, also bei einer Aufrichtung derselben entsteht, so geht diese bei relativ kleinen Winkeln als nahezu vernachlässigbarer Fehler ein. Ein größerer Fehler entsteht jedoch bei einer Verkippung oder Neigung des Gerätes um die Drehachse der Drehwaage. Hierbei kommt es zu eine Vorverdrehung des Spannbandes, welche einen Meßwert vortäuscht bzw. eine Meßwertabweichung verursacht. Dies kann jedoch durch die weitere Ausführung der Erfindung dadurch weiter gemindert werden, daß die Drehachse im Gerät als Winkelhalbierende zu den beiden Kippachsen ausgerichtet wird. Das bewirkt, daß die Neigungseffekte zu beiden Kippachsen gleich sind, was mit anderen Worten heißt, daß der maximale Abweichungseffekt gemindert und als Meßwertabweichung auf beide Kippachsen projiziert wird.If the axis of rotation of the rotary balance is no longer vertical, but instead For example, in the horizontal, is the deflection caused by the tilt or inclination of the rotating body or the mirror is no longer indifferent, but by the defined one horizontal position results in a definite deflection of the rotary body the ideal rotary axis position. The device is better at this defined zero deflection adjust. This simply results from the fact of the dead weight and the use of an elastic strap as the axis of rotation. If the device at the test or in operation now tilted such that a tilt perpendicular to The axis of rotation, i.e. when it is erected, goes this way at relatively small angles as an almost negligible error. A bigger one However, an error occurs when the device is tilted or inclined by Rotary axis of the rotary balance. This leads to a pre-rotation of the Tension band, which simulates a measured value or a measured value deviation caused. However, this can be done by the further implementation of the invention be further reduced that the axis of rotation in the device as bisector to the is aligned with both tilt axes. This causes the tilt effects to both Tilt axes are the same, which means in other words that the maximum Deviation effect reduced and as measured value deviation on both tilt axes is projected.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher erläutert. Es zeigt:The invention is shown in the drawing and explained in more detail below. It shows:

Fig. 1 den eigentlichen Gasanalysator in einer Teildarstellung. Fig. 1 shows the actual gas analyzer in a partial representation.

Fig. 2 die Frontansicht des Gerätes. Fig. 2 shows the front view of the device.

Fig. 3 die Draufsicht des Gerätegehäuses. Fig. 3 is a top view of the device housing.

Fig. 1 zeigt in einem Teilausschnitt die wesentlichen Elemente des Gasanalysators. Der Analysator 10 enthält im wesentlichen einen magnetischen Kreis 11 welcher mit Polkörpern 12 versehen ist. Diese Polkörper führen das Magnetfeld an die Verdrängungskörper 13 der Drehwaage heran und sind an den Polflächen so ausgebildet und so zueinander angeordnet, daß ein inhomogenes Feld im Bereich der Verdrängungskörper entsteht. Desweiteren weist die Kammer selbst Gaszuführungen 14 für Meßgas auf. Der Meßeffekt entsteht als Funktion der Konzentration paramagnetischer Gaskomponenten des zugeführten Meßgases, in den meisten Fällen Sauerstoff. Die Drehwaage erfährt die konzentrationsabhängige Ablenkung über die Verdrängungskörper 13, die über ein zentrales Element 15 auf das Spannband 16 als Drehmoment übertragen wird. Befindet sich der Gasanalysator bezüglich seiner Drehachse Z horizontal, so erzeugt das Eigengewicht der Drehwaage eine Spannung des elastischen Spannbandes 16, was zu einer Auslenkung aus der idealen Drehachslage führt. Durch die Ausrichtung bzw. durch den definierten Einbau des Gasanalysators entsteht somit auch eine definierte Auslenkung aus der idealen Drehachslage heraus. Diese Auslenkung verursacht bei einer Verkippung des Meßgerätes um die Drehachse der Drehwaage bereits eine Verdrehung der Drehwaage, ohne daß Meßgas anliegt. Jedoch ist bei einem erfindungsgemäßen Horizontaleinbau bereits gewährleistet, daß die Null-Auslenkung, welche im übrigen auch beim Vertikaleinbau vorliegt, gegenüber dem Vertikaleinbau eine definierte Auslenkung aus der Idealposition ist. Bei der Kalibrierung ist diese definierte Null- Auslenkung besser zu handhaben, als eine indifferente Auslenkung bei einer kaum realisierbaren versuchten Vertikalausrichtung des Gasanalysators. Die Lage der Drehachse ist bei der Erfindung in verschiedener Weise ausrichtbar. Fig. 1 shows a partial section of the essential elements of the gas analyzer. The analyzer 10 essentially contains a magnetic circuit 11 which is provided with pole bodies 12 . These pole bodies lead the magnetic field to the displacement body 13 of the rotary balance and are designed on the pole faces and arranged with respect to one another in such a way that an inhomogeneous field arises in the area of the displacement body. Furthermore, the chamber itself has gas feeds 14 for measuring gas. The measuring effect arises as a function of the concentration of paramagnetic gas components of the measuring gas supplied, in most cases oxygen. The rotary balance experiences the concentration-dependent deflection via the displacement body 13 , which is transmitted via a central element 15 to the tensioning strap 16 as torque. If the gas analyzer is horizontal with respect to its axis of rotation Z, the dead weight of the rotary balance creates a tension of the elastic tensioning band 16 , which leads to a deflection from the ideal position of the axis of rotation. The alignment or the defined installation of the gas analyzer also results in a defined deflection out of the ideal rotary axis position. When the measuring device is tilted about the axis of rotation of the rotary balance, this deflection already causes the rotary balance to rotate without sample gas being present. However, with a horizontal installation according to the invention, it is already ensured that the zero deflection, which is also present in vertical installation, is a defined deflection from the ideal position compared to vertical installation. During the calibration, this defined zero deflection is easier to handle than an indifferent deflection in the event of an attempted vertical alignment of the gas analyzer that is hardly feasible. The position of the axis of rotation can be aligned in various ways in the invention.

Fig. 2 zeigt in Frontansicht das Gerätegehäuse, und Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf dasselbe, in welchem der Gasanalysator eingebaut ist. Eine erste erfindungsgemäße Möglichkeit besteht nun darin, daß die Drehachse Z der Drehwaage in der Horizontalebene des Gerätegehäuses liegt, und zu den beiden Kippachsen a, b im Idealfall die Winkelhalbierende bildet. Je nach Wahl kann jedoch jeder Winkel zwischen den beiden Kippachsen eingenommen werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Winkelhalbierende, die im Falle senkrecht aufeinanderstehender Kippachsen 45° beträgt. Eine weitere Möglichkeit der Minimierung der Abweichung bei Verkippung des Gerätegehäuses ist dadurch zu erreichen, daß die Drehachse in der Projektion auf eine Horizontalebene einen 45°-Winkel zu den Kippachsen einnimmt, und zudem die Ebene in der die Drehachse liegt, zur Horizontalebene geneigt angeordnet ist. Fig. 2 shows a front view of the device housing, and Fig. 3 shows a plan view of the same in which the gas analyzer is installed. A first possibility according to the invention is that the axis of rotation Z of the rotary balance lies in the horizontal plane of the device housing, and ideally forms the bisector of the two tilting axes a, b. Depending on the choice, however, any angle between the two tilt axes can be taken. However, the bisector is particularly advantageous, which is 45 ° in the case of tilting axes perpendicular to one another. A further possibility of minimizing the deviation when the device housing is tilted can be achieved in that the axis of rotation in the projection onto a horizontal plane is at a 45 ° angle to the tilt axes, and in addition the plane in which the axis of rotation lies is arranged inclined to the horizontal plane .

Claims

1.Measuring device for determining the concentration of paramagnetic gas components, according to the principle of the rotary balance in the inhomogeneous magnetic field, with a device housing in which at least one gas analyzer operating according to the rotary balance principle is arranged, the gas analyzer being a magnet system and a rotary balance mounted about an axis of rotation with at least two displacement bodies characterized in that the gas analyzer ( 10 ) is installed inside the device housing ( 20 ) in such a way that in the functional position the axis of rotation (Z) deviates significantly from the vertical and the axis of rotation (Z) with the possible tilting axes a, b of the device housing ( 20 ) each includes an angle 0 <α <90 °.

2. Measuring device for determining the concentration of paramagnetic gas components according to Claim 1 characterized, that the axis of rotation (Z) parallel to the plane spanned by the tilt axes a, b lies.

3. Measuring device for determining the concentration of paramagnetic gas components according to claim 2, characterized in that the device housing ( 20 ) is cuboid and the two possible tilt axes a, b form an angle β, and that the projection of the axis of rotation (Z) of the rotary balance into the Tilt axes a, b spanned plane forms the bisector of the tilt axes and thus includes an angle α = β / 2 with the tilt axes.

4. Measuring device for determining the concentration of paramagnetic gas components according to Claim 3, characterized, that the two possible tilt axes a, b of the device housing perpendicular to each other stand, and the angle α is thus α = 45 °.