Abb. 2-1: Magnetfeldzellenstruktur des Sauerstoffanalysators in Hantelform mit paramagnetischer Methode (Gesamtansicht)
Abbildung 2-2: Draufsicht der Magnetfeldzelle im Sauerstoffanalysator in Hantelform
Die paramagnetische Methode ist ein Messprinzip, das den extrem starken Paramagnetismus (*1) von Sauerstoff ausnutzt. Der Hanteltyp des Sauerstoffanalysators nutzt diese Eigenschaft, um den Sauerstoff zu erfassen, der durch die Bewegung einer Hantel angezogen wird, die über einen Glasstab mit zwei mit Stickstoff gefüllten Glaskugeln verbunden ist.
Die charakteristische Struktur des Analysators besteht aus einer Glashantel mit einem daran befestigten Spiegel, der horizontal an einem Aufhängedraht in einer kleinen Magnetfeldzelle (ca. 2 cm3) aufgehängt ist, die den Sauerstoff im Probengas magnetisiert (Abbildung 2-1). Abbildung 2-2 zeigt eine Draufsicht der Magnetfeldzelle, wobei die Nord- und Südpole weggelassen wurden, um die Erklärung der Funktionsweise der Hantelkugel und anderer Geräte leichter verständlich zu machen.
Abb. 2-1: Magnetfeldzellenstruktur des Sauerstoffanalysators in Hantelform mit paramagnetischer Methode (Gesamtansicht)
Abbildung 2-2: Draufsicht der Magnetfeldzelle im Sauerstoffanalysator in Hantelform
Wenn sauerstoffhaltiges Probengas durch eine Magnetfeldzelle strömt, drückt Sauerstoff mit starkem Paramagnetismus die Hantelkugel und nähert sich dem stärksten Teil des Magnetfelds. Dadurch wird die Kraft erzeugt, die die Hantelkugel als Reaktion auf die Sauerstoffkonzentration drückt. Dadurch wird eine Kraft erzeugt, die den aufgehängten Spiegel dreht (Abbildung 2-3, Abbildung 2-4).
F = (X1 - X2)・V・H
F: Auf die Hantel wirkende Kraft X1: Magnetische Suszeptibilität des Probengases X2: Magnetische Suszeptibilität der Hantel V: Volumen der Hantel H: Stärke des magnetischen Felds
Durch die Änderung der Spiegelrichtung bei Drehung der Hantel ändert sich der Reflexionswinkel des von der Lichtquelle auf den Spiegel einfallenden Lichts (einfallendes Licht), und auch die Position des reflektierten Lichts (empfangener Lichtpunkt) an der Lichtempfangseinheit ändert sich.
Die Lichtempfangseinheit besteht aus zwei Photovoltaikzellen mit einheitlichen Eigenschaften. Je nach Position des empfangenen Lichtflecks gibt es einen Unterschied in der elektromotorischen Kraft der beiden Photovoltaikzellen. Ein dieser Differenz entsprechender Strom wird an die Rückkopplungsspule um die Hantel im Magnetfeld angelegt, um eine Kraft zu erzeugen. Die Hantel wird durch Rückkopplungssteuerung unter Verwendung dieser Kraft in die neutrale Position zurückgeführt (Abbildung 2-5).
Da dieser Strom proportional zur Sauerstoffkonzentration ist, wird eine Signalverarbeitung durchgeführt, um den Strom in die Konzentration umzuwandeln. Im eigentlichen Analysator wird die Kraft zum Schieben der Hantel als Reaktion auf die Sauerstoffkonzentration immer durch die Kraft ausgeglichen, die durch die Steuerung des Stroms erzeugt wird, um die Hantel jederzeit in einer neutralen Position zu halten. Die Sauerstoffkonzentration wird berechnet, indem der für diese Steuerung erforderliche Strom gemessen wird.
Abbildungen 2-3, 2-4 und 2-5: Funktionsprinzip des Sauerstoffanalysators in Hantelform mit paramagnetischer Methode
Analysatoren mit der paramagnetischen Methode vom Hanteltyp werden zur kontinuierlichen Messung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen und Prozessgasen in verschiedenen Bereichen eingesetzt.
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