[发明专利]顺磁气体传感器设备和调节法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于通过使用在磁场中悬挂的试验主体来测量气体混合物中的氧气量或者具有明显不同于背景气体混合物的磁化率的其它气体的量的设备，其中该悬挂的试验主体受到由于被测量气体的磁化率所产生的作用力。

背景技术

通过氧气的顺磁性进行的氧气测量是沿用已久的技术，该技术被许多工业和医学应用所认可，并且该技术基本上提供极好的选择性、精确性和可靠性。这是因为氧气是具有顺磁性的少数气体中的一个，也就是说其会被磁场强烈吸引。其它大多数通用的气体都具有抗磁性，这种抗磁性具有非常弱的磁效应。

作用在具有多相磁场的球状试验主体上作用力Fm与其体积V成比例，磁场梯度HdH/dz和体积磁化率在试验主体X1和包围的样本气体X2之间不同(见G G Havens的Phys.Rev.第41(1932)卷第337-344页“二氧化氮的磁化率”)。即：

Fm∝V*H*dH/dz*(X1-X2)

由于样品气体的体积磁化率与样品气体密度成比例，所以作用力与氧气的局部压力成比例。氧气在室温下的体积磁化率是1.9x10^-6SI单位，而氮气(典型背景气体)是-6.7x10^-9SI单位。因此，由于气体混合物中的氧气(即使非常少量)所产生的作用力大致比其它气体组分更大，因此，对于氧气的这种测量原理具有极好的选择性。

所述作用力本身是十分虚弱的，对磁场强度和试验主体体积来说，可以实际实现的纯氧通常几微牛顿。因此，极敏感系统需要用氧气感测应用所需的必要分辨率来测量该作用力。

通常优选布置使用被设置以容纳样品气体的密封电池内部的磁化率扭矩平衡。扭矩平衡包括具有具体形状和填充有诸如氮气的抗磁气体的试验主体。主体被悬挂在密封电池中的非均匀磁场中，并通常通过利用氮气初始填充电池来保持平衡。当电池随后被填充有包含氧气的试验气体时，顺磁性的氧气被吸引到磁场的更强一部分，并且试验主体旋转。该旋转被检测并且用于表示样品气体的含氧量。

这种装置由Havens首先说明(见上方的引用出处)，Havens仔细地研究调节试验主体的敏感度的因素，具体为其形状，发现了球体是最优的。使用不同试验主体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页)就已经被研究过。然而，它们与Havens实现的敏感度不相配。

第一台使用磁化率扭矩平衡的商业性氧气分析器是由美国政府合约NDCrc-38(J.Am.Chem.Soc.68(1946)，795)下的Pauling，Wood和Sturdivant研发的，并被公开在US专利第2,416,344(1941年8月23日提交的申请)中。所述试验主体包括在刚性杆的任一端上的一对完全相同的空心玻璃球，所述刚性杆由细玻璃纤维在张力的作用下悬挂，该张力提供非常软的扭簧恒量。所述球被制作为尽可能的轻，因此惯性比磁力没有大出很多，并且还增加了平衡重量以使取向敏感度效应最小化。该组件设置在产生坚固的磁场梯度的磁极之间并被设置使得作用在两个球上的作用力增强扭矩。

利用光学杆检测所述试验主体的运动。这包括光源，该光源使光束反射偏离所述试验主体的中心的镜子并然后反射在光学读出装置上，这表示对向束(subtended beam)的位移。在光学读出装置处的束位移与试验主体的角运动成比例，并与光学杆臂的长度即，镜子和读出装置之间的距离成比例。因此可以根据需要在保持读出装置上的束斑的聚焦时候通过增加光杠杆臂长度获得良好的角分辨率。

因为从平衡的试验主体的中心检测角运动，仅允许该试验主体围绕其主轴线旋转，所以光杠杆还有利于抑制由于直线运动和振动所引起的误差。