[發(fā)明專利]順磁氣體傳感器設(shè)備和調(diào)節(jié)法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210025170.6
• 申請日: 2012-02-06
• 公開（公告）號: CN102636558A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 伊恩·C·加斯金;理查德·P·科瓦奇基;克里斯托弗·R·愛德華茲;詹姆斯·D·霍比;馬丁·洛佩茲
• 申請（專利權(quán)）人: 仕富梅集團公司
• 主分類號: G01N27/74
• 分類號: G01N27/74
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 劉曉峰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于通過使用在磁場中懸掛的試驗主體來測量氣體混合物中的氧氣量或者具有明顯不同于背景氣體混合物的磁化率的其它氣體的量的設(shè)備，其中該懸掛的試驗主體受到由于被測量氣體的磁化率所產(chǎn)生的作用力。

背景技術(shù)

通過氧氣的順磁性進行的氧氣測量是沿用已久的技術(shù)，該技術(shù)被許多工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用所認可，并且該技術(shù)基本上提供極好的選擇性、精確性和可靠性。這是因為氧氣是具有順磁性的少數(shù)氣體中的一個，也就是說其會被磁場強烈吸引。其它大多數(shù)通用的氣體都具有抗磁性，這種抗磁性具有非常弱的磁效應(yīng)。

作用在具有多相磁場的球狀試驗主體上作用力Fm與其體積V成比例，磁場梯度HdH/dz和體積磁化率在試驗主體X1和包圍的樣本氣體X2之間不同(見G?G?Havens的Phys.Rev.第41(1932)卷第337-344頁“二氧化氮的磁化率”)。即：

Fm∝V*H*dH/dz*(X1-X2)

由于樣品氣體的體積磁化率與樣品氣體密度成比例，所以作用力與氧氣的局部壓力成比例。氧氣在室溫下的體積磁化率是1.9x10^-6SI單位，而氮氣(典型背景氣體)是-6.7x10^-9SI單位。因此，由于氣體混合物中的氧氣(即使非常少量)所產(chǎn)生的作用力大致比其它氣體組分更大，因此，對于氧氣的這種測量原理具有極好的選擇性。

所述作用力本身是十分虛弱的，對磁場強度和試驗主體體積來說，可以實際實現(xiàn)的純氧通常幾微牛頓。因此，極敏感系統(tǒng)需要用氧氣感測應(yīng)用所需的必要分辨率來測量該作用力。

通常優(yōu)選布置使用被設(shè)置以容納樣品氣體的密封電池內(nèi)部的磁化率扭矩平衡。扭矩平衡包括具有具體形狀和填充有諸如氮氣的抗磁氣體的試驗主體。主體被懸掛在密封電池中的非均勻磁場中，并通常通過利用氮氣初始填充電池來保持平衡。當(dāng)電池隨后被填充有包含氧氣的試驗氣體時，順磁性的氧氣被吸引到磁場的更強一部分，并且試驗主體旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)被檢測并且用于表示樣品氣體的含氧量。

這種裝置由Havens首先說明(見上方的引用出處)，Havens仔細地研究調(diào)節(jié)試驗主體的敏感度的因素，具體為其形狀，發(fā)現(xiàn)了球體是最優(yōu)的。使用不同試驗主體的其它磁化率扭矩平衡早在1850(法拉第M(1851)，Proc.R.Inst.，第1卷第229頁)就已經(jīng)被研究過。然而，它們與Havens實現(xiàn)的敏感度不相配。

第一臺使用磁化率扭矩平衡的商業(yè)性氧氣分析器是由美國政府合約NDCrc-38(J.Am.Chem.Soc.68(1946)，795)下的Pauling，Wood和Sturdivant研發(fā)的，并被公開在US專利第2,416,344(1941年8月23日提交的申請)中。所述試驗主體包括在剛性桿的任一端上的一對完全相同的空心玻璃球，所述剛性桿由細玻璃纖維在張力的作用下懸掛，該張力提供非常軟的扭簧恒量。所述球被制作為盡可能的輕，因此慣性比磁力沒有大出很多，并且還增加了平衡重量以使取向敏感度效應(yīng)最小化。該組件設(shè)置在產(chǎn)生堅固的磁場梯度的磁極之間并被設(shè)置使得作用在兩個球上的作用力增強扭矩。

利用光學(xué)桿檢測所述試驗主體的運動。這包括光源，該光源使光束反射偏離所述試驗主體的中心的鏡子并然后反射在光學(xué)讀出裝置上，這表示對向束(subtended?beam)的位移。在光學(xué)讀出裝置處的束位移與試驗主體的角運動成比例，并與光學(xué)桿臂的長度即，鏡子和讀出裝置之間的距離成比例。因此可以根據(jù)需要在保持讀出裝置上的束斑的聚焦時候通過增加光杠桿臂長度獲得良好的角分辨率。

因為從平衡的試驗主體的中心檢測角運動，僅允許該試驗主體圍繞其主軸線旋轉(zhuǎn)，所以光杠桿還有利于抑制由于直線運動和振動所引起的誤差。