專利名稱：順磁氣體傳感器設備和調(diào)節(jié)法的制作方法
技術領域：
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：
通過氧氣的順磁性進行的氧氣測量是沿用已久的技術，該技術被許多工業(yè)和醫(yī)學應用所認可，并且該技術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。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Xl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1.9xlO_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I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最小化。該組件設置在產(chǎn)生堅固的磁場梯度的磁極之間并被設置使得作用在兩個球上的作用力增強扭矩。利用光學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讀出裝置上，這表示對向束(subtended beam)的位移。在光學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。隨后的發(fā)明具體通過使用電子光杠桿來檢測并利用反饋系統(tǒng)控制試驗主體的運動對磁化率扭矩平衡的可制造性和性能進行了顯著改善。Munday在GB746，778中揭露了一種光學桿反饋系統(tǒng)，其中光電池用作光學讀出裝置，并且圍繞所述試驗主體連接的經(jīng)由懸掛線傳導的線盤用于提供反饋。所述系統(tǒng)通過對試驗主體的運動的反作用使試驗主體保持在零位置。通過將試驗主體以這樣的方式大致保持在相同的位置中，可以記錄最高靈敏度 的位置處的全部測量。這通過增強光電池信號以在產(chǎn)生磁矩的線盤中產(chǎn)生電流來實現(xiàn)，該磁矩與會推動試驗主體偏離其零位置的擾動力，即，由于樣品氣體中的氧氣量的改變而產(chǎn)生的磁力大小相等方向相反。然后，可以測量這種電流，以便確定磁力，并由此確定樣品氣體的含氧量。相似的系統(tǒng)由美國專利3，026，472公開，但是反饋通過試驗主體的靜電致動提供。許多現(xiàn)代氧傳感器仍使用改進的光學桿。例如，R P Kovacich, N AMartin, M GClift, C Stocks, I Gaskin, J Hobby 在測量科學和技術第 17 卷(2006)第 1579-1585 頁的“利用順磁性的氣體傳感器的氧氣高精確測量”中描述了一種具有固態(tài)源(發(fā)光二極管)的光學桿，該固態(tài)源代替白熾源和以相反極性連接的一對光二極管以在兩個光二極管被相等照明時，即，當束斑中心精確位于光二極管在中間時，提供零電壓零位置。利用一對光二極管還具有抑制諸如光源的強度起伏的共模誤差的優(yōu)點。這種電子光學桿反饋系統(tǒng)提供更加改進的敏感度、線性和穩(wěn)定性。幾個發(fā)明嘗試使用沒有光學桿的裝置，例如美國專利3，612，991中公開的靜電感測和致動系統(tǒng)和美國專利6，246，227中公開的振動永磁式動態(tài)系統(tǒng)。然而，兩者都具有缺陷。靜電系統(tǒng)要求試驗主體的鍍金，這使得制造困難，還需要高壓(高達100伏)，因此對小型電子設計進行了限制，并且，該靜電系統(tǒng)沒有諸如鉬的其它金屬的耐腐蝕性。多數(shù)電鍍金屬都不適合，因為它們易于被順磁或有被腐蝕的傾向。振蕩系統(tǒng)具有如下缺點對具有明顯不同的粘性與分子量的比的氣體的橫向靈敏度，諸如氦和具有重分子量的鹵烴；用作麻醉劑的氣體。基于裝置的擴散可以被設計成提供具有低樣本流速依賴性的高精度氧氣測量儀(通常< O. 2%氧氣或更好的準確性)。然而，諸如那些醫(yī)學麻醉或肺功能試驗中的一些應用，要求對氧濃度水平方面的任何改變的快速響應。這進而要求氣體體積在充氮球附近的快速掠過,并因此要求通過測量電池的氣體的直流和內(nèi)部體積的極小化。然而,除非系統(tǒng)相對于氣體流態(tài)和球體形態(tài)學和結(jié)構(gòu)完美地對稱，否則氣體的任何這種運動都將具有關于球的動量影響，并且這可以出現(xiàn)作為信號中的噪音，該噪音由于感應的振動力和信號可能偏置而產(chǎn)生。簡而言之，由于要付出的代價，具有流速的信號對于短時間響應存在很強的依賴性它們是耦合的參數(shù)并且很難被同時最小化。在減少用于裝置的流速的信號對快速響應時間的依賴性的努力中，諸如美國專利4，988，946和美國專利7，102，346的先前設計試圖盡可能地減少流動路徑中的所有的不對稱性，并試著通過控制進氣方向和經(jīng)過懸掛的試驗主體的流的類型屏蔽試驗主體導致或具有的大量級的速度矢量。然而，由于諸如磁體、試驗主體和安裝的部件的標準制造公差和實質(zhì)不平衡，內(nèi)部不對稱性將永遠不會被簡化為零。類似地，由于氣體必須流動通過裝置，所以經(jīng)過試驗主體的流將永遠不會被簡化為零。將要在以下更詳細地論述現(xiàn)有技術，雖然用于測量的磁場和光學反饋系統(tǒng)將不會在這里被論述，而僅僅說明裝置內(nèi)氣體流態(tài)減少對試驗主體的不對稱性和流動量影響的設計。圖I顯示在美國4，988，946中顯示和說明的設備的橫截面，以便說明氣體流態(tài)。在這種情況下，試驗主體120包括具有空心玻璃球的啞鈴布置、鏡子、反饋線圈和懸掛帶，該空心玻璃珠填充有氮氣。進氣經(jīng)由用于對稱結(jié)構(gòu)的雙入口管109進入，以便掃過測量室以及借助于使碰撞在啞鈴131上的氣體的速度減半來減少對 試驗主體120的干擾，并試圖通過從兩側(cè)同時到達以使其平衡。所述入口管還被定位以便容納直接指向彈簧118的氣體，懸掛帶119焊接到彈簧118并且該彈簧位于非常小的空間內(nèi)。進氣轉(zhuǎn)動并且沿通道108運動，該通道容納懸掛帶119。一旦氣體到達腔室的中間部分，氣體朝向出口管110轉(zhuǎn)動并且從腔室中排出。所述出口包括限制器111，所述限制器被選擇以便停止氣體根據(jù)其從所述通道108到出口的排出的立即轉(zhuǎn)向(這將使氣體留在中間腔室124的前部中以通過擴散交換，這種擴散很慢)。當正確地選擇限制器時，中間腔室125的后部中的壓力增大確保氣體的一部分朝向前部124轉(zhuǎn)向并且掠過該前部，并因此實現(xiàn)快響應時間。圖2顯示在美國7，102，346中顯示和說明的設備的橫截面，以便說明流態(tài)。試驗主體是與圖I中的試驗主體類似的裝置。氣體樣本經(jīng)由端口 201(箭頭A)進入。入口端口具有縮小的直徑以減少氣體流中濃度變化的任何拖尾效應。氣體在裝置的前部被迫經(jīng)歷九十度轉(zhuǎn)向(箭頭B)以進入限定在主體205和面板207之間的狹窄通道202。然后，這使氣流分裂，并使流動通道202具有廣泛分布的動量且由非常小的渦流組成。氣體進入測量腔室203，其中橫截面的大幅度增加使單位面積流量明顯下降。試驗主體211如圖所示安裝，使得試驗主體平行于狹窄通道202并以與狹窄通道對稱的關系定位。然后氣體流動經(jīng)過試驗主體211 (箭頭C)。由于所述流內(nèi)的這些細小的渦流和穿過所述試驗主體的兩側(cè)的對稱流，在試驗主體上的凈力較小，并因此流速的任何改變的影響比其它的要少。此外，由于腔室實際上被氣體流掠過，所以與擴散相比，樣本濃度上任何改變都快速地發(fā)生。在氣體通過測量腔室后，該氣體進入使氣體流加速的排出端口 204(箭頭D)。排出端口優(yōu)選具有比入口端口更大的直徑以允許所有無秩序流被快速排出。由于樣品進入較小的出口孔，與前部相比，腔室后部處的延伸間隙還降低產(chǎn)生的任何湍流的影響。實現(xiàn)了短時間響應具有可接受的流誤差的整體效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供一種順磁氣體傳感器設備，該順磁氣體傳感器設備包括限定腔室的主體，所述腔室具有氣體入口裝置和至少一個氣體出口，所述氣體入口裝置和至少一個氣體出口用于允許氣體流動通過所述腔室；用于在腔室內(nèi)沿第一方向產(chǎn)生磁場的裝置；試驗主體；用于將試驗主體安裝在腔室中的裝置，用于使所述試驗主體根據(jù)被測氣體的磁化率、響應于施加到試驗主體的扭矩、圍繞平行于磁場的方向的軸線旋轉(zhuǎn)；其特征在于，氣體入口裝置被設置以將氣體從腔室的相對側(cè)的位置處并沿相反的方向供應到腔室，和提供至少一個流平衡元件，所述至少一個流平衡元件提供氣體流通道中的不對稱性。在一個實施例中,所述流平衡元件包括延伸到所述液體流動路徑中的至少一個突起，以限制流體流動路徑，但是可以設置諸如一個或多個凹陷部的其它流調(diào)節(jié)元件，或突起和凹陷部的組合。具體的流平衡元件的位置可以經(jīng)由計算機模型技術或通過監(jiān)測流平衡元件的不同位置的氣體流動的影響來確定。計算機模型技術或監(jiān)測還可以用于選擇流平衡元件的尺寸或形式。所述至少一個流平衡元件可以被設置成校正或減輕試驗主體附近的壓力不平衡和/或校正或減輕由于設備殘留的固有的不對稱性而使任何流動在試驗主體上產(chǎn)生的凈扭矩。流平衡元件的存在與沒有流平衡元件的完全相同的裝置相比實現(xiàn)了對流動依賴性的減少。氣體入口裝置被設置以從腔室的相對側(cè)處的至少兩個位置供應氣體到腔室。來自每 一個位置的氣體流將優(yōu)選地平行于磁場的方向，但是在相反的方向上流動，以便使試驗主體上方的氣體流動所產(chǎn)生的誤差最小化。根據(jù)本發(fā)明的這方面的設備與現(xiàn)有技術的不同在于使用流平衡元件(或多個流平衡元件)以便使來自圍繞試驗主體的不同流動路徑的穿過試驗主體壓降平衡。即使在已經(jīng)進行全部實際測量來確保裝置的內(nèi)部體積基本上對稱并且試驗主體合適地防止了流動動量沖擊之后，本發(fā)明的發(fā)明人也能確定不平衡的流體流動或壓力不平衡會出現(xiàn)問題。該流平衡元件(或多個元件)允許系統(tǒng)的調(diào)節(jié)以使在懸掛的試驗主體上凈流影響最小化，并且還允許使用圍繞試驗主體的流動路徑(例如圍繞填充有抗磁氣體的兩個玻璃球中的每一個)，這些路徑是僅僅相似而不是絕對完全相同的對稱流動路徑。這具有以下優(yōu)點改進由于制造公差的限制而造成的流動誤差性能，甚至允許故意設計的非對稱性幾何形狀和減少試驗主體的屏蔽，不論是成本降低、機械有利的原因或任何其它原因，都可以在不降低流動性能的情況下被實施。例如，更主動的流動狀態(tài)可以結(jié)合諸如旁路通道的部件來獲得以改善內(nèi)部體積的淹沒(flushing)。由于試驗主體附近的流動狀態(tài)中的壓降通過流平衡元件被平衡，所以具有非常有效的任何流感應不確定性的凈取消。這明顯與其中限制了他們的設計的僅對稱性和/或流動屏蔽可用于減少流動誤差的現(xiàn)有技術形成反差。因為現(xiàn)有技術裝置在任何給定流動速度下都具有受限制的、非零流動依賴性，然后增加流動速度以減少響應時間必須增加流動誤差，換句話說，響應時間和流動誤差被結(jié)合并且不能被同時最小化。流平衡元件的性能可以通過改變其位置、數(shù)量、尺寸、形狀和表面加工來控制。在一個實施例中，流狀態(tài)被設置成其允許使用流平衡元件與穿過流動通道的可調(diào)節(jié)的、平衡的壓降相結(jié)合的測量體積的快速掃描以使流動相關的壓力不平衡最小化。這允許用于具有氧氣濃度改變的系統(tǒng)與對于流動的低依賴性的短時間響應，并且兩個參數(shù)現(xiàn)在不相結(jié)合且可以被同時最小化。一個實施例包括密封電池內(nèi)部的磁化率扭矩平衡裝置，該密封電池被設置以容納樣本氣體。所述扭矩平衡裝置包括試驗主體(例如具有填充有諸如氮氣的抗磁氣體的兩個玻璃球)，該試驗主體懸掛在密封電池的非均勻磁場中。這種扭矩平衡裝置通常通過使用已知順磁磁化率和已知濃度的兩個氣體來校準,例如已知順磁磁化率的氮氣和已知濃度的氮氣混合物中的氧氣。當電池隨后被填充有包含氧氣或其它順磁氣體的試驗氣體時，順磁氣體被吸引到磁場的更強的一部分，并且試驗主體旋轉(zhuǎn)。一種具有光探測器或其它適當裝置的光學桿反饋系統(tǒng)用于檢測這種旋轉(zhuǎn)，并且圍繞試驗主體連接的線盤用于提供反饋，其中試驗主體經(jīng)由懸掛線傳導。所述系統(tǒng)通過對試驗主體的運動的反作用使試驗主體保持在零位置。通過將試驗主體以這種方式大致保持在相同的位置中，可以在最高靈敏度的位置處記錄全部測量。這通過增強光電池信號以在產(chǎn)生磁矩的線盤中產(chǎn)生電流來實現(xiàn)，該磁矩與會推動試驗主體偏離其零位置的擾動力，即，由于樣品氣體中的氧氣量的改變而產(chǎn)生的磁力大小相等方向相反。然后該電流可以被測量以便確定所述磁力，并由此確定樣品氣體的順磁氣體含量。
所述設備的一個實施例包括用于確定氣體流動通道中的第一不對稱性的存在的裝置，和用于調(diào)節(jié)所述至少一個流平衡元件的裝置。在一個實施例中提供控制機構(gòu)，所述控制機構(gòu)響應于由氣體流動所引起的試驗主體上的凈扭矩的檢測以減少所述凈扭矩。本發(fā)明的另一方面提供用于調(diào)節(jié)順磁氣體傳感器設備內(nèi)的流動路徑的方法，所述方法包括如下步驟確定所述設備內(nèi)的氣體流動通道中的第一不對稱性的存在；和響應第一不對稱性的確定在氣體流動通道中提供至少一個流平衡元件以產(chǎn)生第二不對稱性。在一個實施例中，上述用于調(diào)節(jié)順磁氣體傳感器設備內(nèi)的流動路徑的方法適用于一種設備，所述設備包括主體，所述主體限定腔室，所述腔室具有氣體入口裝置和至少一個氣體出口，所述氣體入口裝置和至少一個氣體出口用于限定至少一個氣體流動通道，所述至少一個氣體流動通道允許氣體流動通過所述腔室；用于在所述腔室內(nèi)沿第一方向產(chǎn)生磁場的裝置；試驗主體；用于在所述腔室內(nèi)安裝所述試驗主體裝置；用于使所述試驗主體根據(jù)被測氣體的磁化率、響應施加到所述試驗主體的扭矩、圍繞平行于磁場的方向的軸線旋轉(zhuǎn)的裝置。第一不對稱性的存在可以通過監(jiān)測氣體流動通過所述流動路徑的影響來監(jiān)測，例如檢測氣體流動動量在順磁氣體傳感器的試驗主體上影響。其中氣體的動量產(chǎn)生試驗主體上的凈扭矩，這表示不對稱性。所述至少一個流平衡元件的布置可以被選擇為減少或最小化流動相關的不平衡，例如使試驗主體上的氣體流動的動量的影響最小化。例如，所述元件的位置、尺寸、數(shù)量、形狀和/或表面加工都可以被選擇為減輕不平衡流動。至少一個流平衡元件在氣體流動上的影響可以被監(jiān)測，從而識別凈扭矩在其處被減少或取消的至少一個流平衡元件的布置。不對稱性的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)以平衡對第一不對稱性的流體流動的影響可以被實施用于不同的氣體和流速。在本發(fā)明的一個實施例中，設置至少一個流平衡元件，包括在計算機系統(tǒng)中模擬調(diào)整用于一個或多個氣體流量的一個或多個流平衡元件的位置、尺寸、數(shù)量或形式的一個或多個對氣體流動方面的影響；確定最優(yōu)流平衡元件布置；和以所述最優(yōu)布置設置所述至少一個流平衡元件。


在下面通過示例的方式參照附圖更詳細地說明本發(fā)明的實施例，其中圖I表示如本領域所公知的第一示例傳感器設備；圖2表示如本領域所公知的第二示例傳感器設備；圖3顯示根據(jù)優(yōu)選實施例的歧管的俯視圖；圖4顯示圖3的歧管的底側(cè)；圖5顯示沿圖3中的線A-A截取的根據(jù)優(yōu)選實施例的設備的橫截面；
圖6顯示沿圖3中的線B-B截取的根據(jù)優(yōu)選實施例的設備的橫截面；圖7顯示優(yōu)選實施例的主管座的底側(cè)；圖8顯示優(yōu)選實施例的在不同平均流動平衡元件高度處的流動敏感度；圖9顯示優(yōu)選實施例的平均流動敏感度對平均流動平衡元件高度；圖10顯示優(yōu)選實施例的平均響應時間對額定流速。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的設備不同特征被圖示在圖3-7中，雖然還可以獲得用于諸如絕對流速的不同要求的等效設計益處，但是包含相同的主要元件。在該實施例中的試驗主體與現(xiàn)有技術中說明的試驗主體相似。以下提到不同的可選實施例。氣體經(jīng)由歧管(manifold)部分2中的進氣端口 I進入并在內(nèi)部被分開到尺寸相等的兩個流通道3中。內(nèi)部分開表示流的平衡可以經(jīng)由部件尺寸和制造來控制，而不是由使用者或裝置的外部管路來控制，使用者或外部管路會非故意地造成額外的流不平衡。然而，該分開可以在可選實施例中在所述裝置外部被實施。然后氣體從歧管部分通到包圍順磁懸掛組件的主管座4中。所述主管座包含磁體5和‘十字形’的空隙，該‘十字形’空隙具有包含懸掛線的一個通道和包含試驗主體的成直角的另一個通道。所述空隙被設計成以具有組件和試驗主體的自由運動所需要的最小間隙而包含懸掛的試驗主體組件，因此，通常使氣體樣本空間的內(nèi)部體積最小化。所述流經(jīng)由兩個端口進入包含懸掛線的第一通道，該兩個端口的一個在彈簧6的上方和另一個在固定柱7的上方。這些位于包含所述懸掛線8的所述通道的任一端。然后每一個流必須轉(zhuǎn)向九十度并且沿該通道朝向其中心移動，包含試驗主體9的第二通道位于該中心處，第一通道和第二通道在此處會聚?，F(xiàn)在被大量重新組合的流再轉(zhuǎn)向九十度并且移動通過包含試驗主體的第二通道，因此掠過所述試驗主體。兩個通道相遇的點處的大半徑用于通過利用柯恩達效應(Coanda effect)減少流分離。這有助于到第二通道中的流的轉(zhuǎn)向并且減少湍流以及減小圍繞和施加在試驗主體的鏡子和球上的動量沖擊。來自第一通道的流在其中心進入包含試驗主體的通道并主要轉(zhuǎn)向成與所述試驗主體成直角的流。為了有效地掠過包含所述試驗主體的通道的端部，從包含所述懸掛線的通道的每一個端部引出的旁路10將能量提供到這些區(qū)域中的將會另外被停滯的流，因此改善了掠過效率并由此減小了響應時間。然后流朝向主管座的出口孔11移動。在該優(yōu)選實施例中，出口孔足夠大以觀察球，從而有助于精密的且可重復的裝配，但是可以使用具有不同孔尺寸的其它實施例。主管座的出口孔引導回歧管部分中，其中流沿與原入口相反的方向離開。歧管部分包含偏心流平衡元件12，流平衡元件12在主管座的出口孔附近用于控制流敏感度。這通過調(diào)整穿過所述球的任何壓差而起作用。在該實施例中，壓差由磁體凹部幾何形狀的不對稱性和由裝置的制造和裝配方法的機械限制引起的任何不對稱性而在最初產(chǎn)生，這種不對稱性不能通過任何實際裝置來作任何進一步的減少。對于任何具體的形狀，雖然其它實施例可以經(jīng)由表面面積、形狀、表面糙度、或其它流平衡元件特性、形式、和/或位置相等地調(diào)整壓差，但是流平衡元件所改變的流敏感度的范圍可以由流平衡元件的“高度”(即，流平衡元件從出口向上游突出到所述流中的量)來控制。所述歧管部分還包含用于安裝所述裝置13的部件。歧管部分和主管座之間具有彈力密封件14，該彈力密封件使入口流和出口流彼此分開并從外部大氣分開。為了批量生產(chǎn)，歧管部分和主管座可以是注模的聚合物部件。由流動效應所引起的測量不確定性的結(jié)果被圖示在圖8中，用于優(yōu)選實施例8個典型裝置，所述典型裝置通常示出對于任何給定裝置，由于流平衡元件高度減少，所以流不確定性變得更肯定。然而，還可以清楚流不確定性的絕對值不僅僅通過流平衡元件尺寸來確定。結(jié)果的延伸很可能源自試驗主體及其它組件的部件的變化。雖然流平衡元件高度和一個裝置對其它裝置的相對流平衡元件高度的標準偏差在整個試驗中都發(fā)生改變，但是流不確定性和一個裝置對其它裝置的相對流不確定性的標準偏差保持相當?shù)暮愣ā?
在這種具體的情況下，用于流不確定性的目標規(guī)格是對50到250ml/min的范圍中改變±10ml/min來說< ±0. 25% O2。圖9顯示在流誤差和流平衡元件高度中具有表示±2標準偏差(大約95. 5%)的不確定性條信號的平均數(shù)據(jù)點。使用線性擬合顯示流誤差對流平衡元件高度的依賴性大約每毫米每分鐘每IOml為-O. 14% O2，而且，對于測試的裝置，用大約O. 9毫米的流平衡元件高度得到零的平均流不確定性。所述梯度使得常規(guī)的流平衡元件高度上的制造公差(±0.1毫米)將不會產(chǎn)生超過所述規(guī)格的流不確定性。所述規(guī)格表示大約2. 4標準偏差(大約98.4%)。要注意的是，如果需要的話，可調(diào)節(jié)的流平衡元件可用于優(yōu)化每一個單獨裝置的流不確定性。響應時間先由突出部高度在平均值2. 41毫米得到，然后再一次優(yōu)化流不確定性(平均值O. 83毫米)以建立流平衡元件高度對響應時間的影響。圖10顯示用于所有裝置以各個流速的平均響應時間。兩條實線顯示平均值2. 41毫米和O. 83毫米的突出部高度之間的不同。虛線顯示用于優(yōu)化版本(平均值O. 83毫米)的每個流速的±2標準偏差。可以清楚地看到平衡元件高度對響應時間的影響最小(近似6. 3毫秒每毫米@200ml/min),并且所述裝置容易地滿足250毫秒@200ml/min的最低規(guī)格。在這種情況下，假設測試裝置代表總體的特征，流平衡元件高度將被設定為O. 8-0. 9毫米以使流動的平均沖擊最小化，同時保持快速流動響應。已經(jīng)為優(yōu)選實施例圖示出流平衡元件，然而，所述流平衡元件可以自所述試驗主體位于上游或下游中任一個，或甚至可以由上游和/或下游的多個流平衡元件組成。所述形狀可以基于需要的性能具有不同形式，但是可以從非流線體主體到流線上升或凹陷部分變動。流平衡元件的材料和表面加工特征也是重要的，例如，粗糙表面與具有相同實際尺度和形狀的光滑表面相比可以導致更多湍流和增加的反壓力。流平衡元件的形式和位置還可以被可調(diào)節(jié)以允許單獨裝置的最佳化的流誤差。
權(quán)利要求
1.一種順磁氣體傳感器設備，所述順磁氣體傳感器設備包括 主體，所述主體限定腔室，所述腔室具有至少一個氣體入口和至少一個氣體出口，所述至少一個氣體入口和至少一個氣體出口限定至少一個氣體流動通道，用于允許氣體流動通過所述腔室； 一組磁體，所述一組磁體用于在所述腔室內(nèi)沿第一方向產(chǎn)生磁場； 試驗主體；和 用于在所述腔室中安裝所述試驗主體的扭矩平衡裝置，所述扭矩平衡裝置用于響應施加到所述試驗主體的扭矩圍繞平行于所述磁場的方向的軸線旋轉(zhuǎn)，其中基于被測氣體的磁化率產(chǎn)生所述扭矩； 其中，所述至少一個氣體入口被設置以將氣體從所述腔室的相對側(cè)的位置沿相反方向供應到所述腔室，和至少一個流平衡元件，所述至少一個流平衡元件提供氣體流動通道中的流限制不對稱性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設備，其中所述氣體入口被設置以將氣體沿平行于所述磁場的方向的方向供應至所述腔室。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的設備，其中所述扭矩平衡裝置能夠被操作以將所述試驗主體保持在零位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的設備，還包括信號發(fā)生器，所述信號發(fā)生器用于產(chǎn)生氣體的順磁磁化率的指示。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的設備，其中所述流平衡元件能夠被調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的設備，其中所述流平衡元件處于固定的位置并具有固定的形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設備，其中所述流平衡元件處于固定的位置并具有能夠調(diào)節(jié)的形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設備，其中所述流平衡元件處于能夠調(diào)節(jié)的位置并具有固定的形式。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設備，其中所述流平衡元件處于能夠調(diào)節(jié)的位置并具有能夠調(diào)節(jié)的形式。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設備，其中所述流平衡元件在尺寸上能夠被調(diào)節(jié)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設備，還包括用于確定氣體流動通道中的第一不對稱性的存在的裝置，和用于調(diào)節(jié)所述至少一個流平衡元件的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設備，其中所述第一不對稱性的存在通過所述順磁氣體傳感器檢測在具有氣體流動的情況下所述試驗主體上的測量扭矩和在不具有氣體流動的情況下所述試驗主體上的測量扭矩之間的差來確定，并且其中用于調(diào)節(jié)的裝置包括控制機構(gòu)，所述控制機構(gòu)響應于檢測的差來調(diào)節(jié)所述至少一個流平衡元件，從而減少所述差。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12任一項所述的設備，其中所述流平衡元件是突起。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-12任一項所述的設備，其中所述流平衡元件是凹陷部。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-12任一項所述的設備，其中所述流平衡元件是突起和凹陷部的組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15任一項所述的設備，其中所述流平衡元件位于所述試驗主體的上游。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-15任一項所述的設備，其中所述流平衡元件位于所述試驗主體的下游。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-17任一項所述的設備，還包括多個流平衡元件，其中使用上游和/或下游的流平衡元件的組合。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-18任一項所述的設備，還包括多個氣體入口，所述多個氣體入口中的每個都具有用于接收被測氣體供應的外部連接點，使得被測氣體供應可以在所述設備的上游被分開，并在所述腔室的相對側(cè)被供應到多個氣體入口。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-18任一項所述的設備，還包括分流器，所述分流器在所述設備內(nèi)用于分開進入的氣體流并將被測氣體供應到所述腔室相對側(cè)的所述位置處。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設備，其中所述分流器包括一體的歧管部分。
22.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的設備，還包括光學桿反饋系統(tǒng)，所述光學桿反饋系統(tǒng)用于將所述試驗主體保持在零位置，所述光學桿反饋系統(tǒng)包括 用于產(chǎn)生光束的光源； 在所述試驗主體中心的鏡子，所述光束反射遠離所述鏡子； 一對光檢測器，所述一對光檢測器用于檢測所述試驗主體的旋轉(zhuǎn)并提供光電池信號或光電管信號； 和線盤，所述線盤圍繞所述試驗主體連接，其中所述試驗主體經(jīng)由懸掛線傳導，其中所述系統(tǒng)通過所述試驗主體的運動的反作用和放大所述光電池信號或光電管信號使所述試驗主體保持在零位置，以在所述線盤中產(chǎn)生電流，所述電流產(chǎn)生與擾動力大小相等、方向相反的磁矩，所述擾動力會推動所述試驗主體遠離其零位置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設備，還包括用于測量所述線盤中的電流和用于提供指出氣體的順磁磁化率的輸出信號的計量器。
24.一種用于調(diào)節(jié)順磁氣體傳感器設備內(nèi)的流路的方法，所述設備包括主體，所述主體限定腔室，所述腔室具有至少一個氣體入口和至少一個氣體出口，所述至少一個氣體入口和至少一個氣體出口用于限定至少一個氣體流動通道，所述至少一個氣體流動通道允許氣體流動通過所述腔室；一組磁體，所述一組磁體用于在所述腔室內(nèi)沿第一方向產(chǎn)生磁場；試驗主體；扭矩平衡裝置，所述扭矩平衡裝置用于在所述腔室內(nèi)安裝所述試驗主體，用于使所述試驗主體響應施加到所述試驗主體的扭矩圍繞平行于磁場的方向的軸線旋轉(zhuǎn)，其中基于被測氣體的磁化率產(chǎn)生扭矩，其中所述方法包括如下步驟 確定所述設備內(nèi)的氣體流動通道中的第一不對稱性的存在；和 響應第一不對稱性的確定在氣體流動通道中提供至少一個流平衡元件以產(chǎn)生第二不對稱性。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述確定第一不對稱性的存在的步驟包括檢測氣體流的動量對所述試驗主體的影響。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的方法，其中提供至少一個流平衡元件的步驟包括設置至少一個流平衡元件，以使氣體流的動量對所述試驗主體的影響最小化。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中設置至少一個流平衡元件包括 在計算機系統(tǒng)中模擬調(diào)整用于一個或多個氣體流量的一個或多個流平衡元件的位置、尺寸、數(shù)量或形式中的一個或多個對氣體流的影響； 確定最優(yōu)流平衡元件布置；和 以所述最優(yōu)布置設置所述至少一個流平衡元件。
全文摘要
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備，其中該懸掛的試驗主體受到由于被測氣體的磁化率所產(chǎn)生的作用力。為了允許用于具有氧濃度的變化的系統(tǒng)的短時間響應，具有以下的流狀態(tài)允許經(jīng)由流通道內(nèi)的流平衡元件(或多個元件)進行與可調(diào)節(jié)的、平衡的壓降相結(jié)合的測量體積的快速掃描，以使流相關的不確定性單獨最小化。
文檔編號G01N27/74GK102636558SQ201210025170
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月8日
發(fā)明者伊恩·C·加斯金, 克里斯托弗·R·愛德華茲, 理查德·P·科瓦奇基, 詹姆斯·D·霍比, 馬丁·洛佩茲 申請人:仕富梅集團公司