专利名称：顺磁气体传感器设备和调节法的制作方法
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Xl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1.9xlO_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I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。随后的发明具体通过使用电子光杠杆来检测并利用反馈系统控制试验主体的运动对磁化率扭矩平衡的可制造性和性能进行了显著改善。Munday在GB746，778中揭露了一种光学杆反馈系统，其中光电池用作光学读出装置，并且围绕所述试验主体连接的经由悬挂线传导的线盘用于提供反馈。所述系统通过对试验主体的运动的反作用使试验主体保持在零位置。通过将试验主体以这样的方式大致保持在相同的位置中，可以记录最高灵敏度 的位置处的全部测量。这通过增强光电池信号以在产生磁矩的线盘中产生电流来实现，该磁矩与会推动试验主体偏离其零位置的扰动力，即，由于样品气体中的氧气量的改变而产生的磁力大小相等方向相反。然后，可以测量这种电流，以便确定磁力，并由此确定样品气体的含氧量。相似的系统由美国专利3，026，472公开，但是反馈通过试验主体的静电致动提供。许多现代氧传感器仍使用改进的光学杆。例如，R P Kovacich, N AMartin, M GClift, C Stocks, I Gaskin, J Hobby 在测量科学和技术第 17 卷(2006)第 1579-1585 页的“利用顺磁性的气体传感器的氧气高精确测量”中描述了一种具有固态源(发光二极管)的光学杆，该固态源代替白炽源和以相反极性连接的一对光二极管以在两个光二极管被相等照明时，即，当束斑中心精确位于光二极管在中间时，提供零电压零位置。利用一对光二极管还具有抑制诸如光源的强度起伏的共模误差的优点。这种电子光学杆反馈系统提供更加改进的敏感度、线性和稳定性。几个发明尝试使用没有光学杆的装置，例如美国专利3，612，991中公开的静电感测和致动系统和美国专利6，246，227中公开的振动永磁式动态系统。然而，两者都具有缺陷。静电系统要求试验主体的镀金，这使得制造困难，还需要高压(高达100伏)，因此对小型电子设计进行了限制，并且，该静电系统没有诸如钼的其它金属的耐腐蚀性。多数电镀金属都不适合，因为它们易于被顺磁或有被腐蚀的倾向。振荡系统具有如下缺点对具有明显不同的粘性与分子量的比的气体的横向灵敏度，诸如氦和具有重分子量的卤烃；用作麻醉剂的气体。基于装置的扩散可以被设计成提供具有低样本流速依赖性的高精度氧气测量仪(通常< O. 2%氧气或更好的准确性)。然而，诸如那些医学麻醉或肺功能试验中的一些应用，要求对氧浓度水平方面的任何改变的快速响应。这进而要求气体体积在充氮球附近的快速掠过,并因此要求通过测量电池的气体的直流和内部体积的极小化。然而,除非系统相对于气体流态和球体形态学和结构完美地对称，否则气体的任何这种运动都将具有关于球的动量影响，并且这可以出现作为信号中的噪音，该噪音由于感应的振动力和信号可能偏置而产生。简而言之，由于要付出的代价，具有流速的信号对于短时间响应存在很强的依赖性它们是耦合的参数并且很难被同时最小化。在减少用于装置的流速的信号对快速响应时间的依赖性的努力中，诸如美国专利4，988，946和美国专利7，102，346的先前设计试图尽可能地减少流动路径中的所有的不对称性，并试着通过控制进气方向和经过悬挂的试验主体的流的类型屏蔽试验主体导致或具有的大量级的速度矢量。然而，由于诸如磁体、试验主体和安装的部件的标准制造公差和实质不平衡，内部不对称性将永远不会被简化为零。类似地，由于气体必须流动通过装置，所以经过试验主体的流将永远不会被简化为零。将要在以下更详细地论述现有技术，虽然用于测量的磁场和光学反馈系统将不会在这里被论述，而仅仅说明装置内气体流态减少对试验主体的不对称性和流动量影响的设计。图I显示在美国4，988，946中显示和说明的设备的横截面，以便说明气体流态。在这种情况下，试验主体120包括具有空心玻璃球的哑铃布置、镜子、反馈线圈和悬挂带，该空心玻璃珠填充有氮气。进气经由用于对称结构的双入口管109进入，以便扫过测量室以及借助于使碰撞在哑铃131上的气体的速度减半来减少对 试验主体120的干扰，并试图通过从两侧同时到达以使其平衡。所述入口管还被定位以便容纳直接指向弹簧118的气体，悬挂带119焊接到弹簧118并且该弹簧位于非常小的空间内。进气转动并且沿通道108运动，该通道容纳悬挂带119。一旦气体到达腔室的中间部分，气体朝向出口管110转动并且从腔室中排出。所述出口包括限制器111，所述限制器被选择以便停止气体根据其从所述通道108到出口的排出的立即转向(这将使气体留在中间腔室124的前部中以通过扩散交换，这种扩散很慢)。当正确地选择限制器时，中间腔室125的后部中的压力增大确保气体的一部分朝向前部124转向并且掠过该前部，并因此实现快响应时间。图2显示在美国7，102，346中显示和说明的设备的横截面，以便说明流态。试验主体是与图I中的试验主体类似的装置。气体样本经由端口 201(箭头A)进入。入口端口具有缩小的直径以减少气体流中浓度变化的任何拖尾效应。气体在装置的前部被迫经历九十度转向(箭头B)以进入限定在主体205和面板207之间的狭窄通道202。然后，这使气流分裂，并使流动通道202具有广泛分布的动量且由非常小的涡流组成。气体进入测量腔室203，其中横截面的大幅度增加使单位面积流量明显下降。试验主体211如图所示安装，使得试验主体平行于狭窄通道202并以与狭窄通道对称的关系定位。然后气体流动经过试验主体211 (箭头C)。由于所述流内的这些细小的涡流和穿过所述试验主体的两侧的对称流，在试验主体上的净力较小，并因此流速的任何改变的影响比其它的要少。此外，由于腔室实际上被气体流掠过，所以与扩散相比，样本浓度上任何改变都快速地发生。在气体通过测量腔室后，该气体进入使气体流加速的排出端口 204(箭头D)。排出端口优选具有比入口端口更大的直径以允许所有无秩序流被快速排出。由于样品进入较小的出口孔，与前部相比，腔室后部处的延伸间隙还降低产生的任何湍流的影响。实现了短时间响应具有可接受的流误差的整体效果。
发明内容
本发明的第一方面提供一种顺磁气体传感器设备，该顺磁气体传感器设备包括限定腔室的主体，所述腔室具有气体入口装置和至少一个气体出口，所述气体入口装置和至少一个气体出口用于允许气体流动通过所述腔室；用于在腔室内沿第一方向产生磁场的装置；试验主体；用于将试验主体安装在腔室中的装置，用于使所述试验主体根据被测气体的磁化率、响应于施加到试验主体的扭矩、围绕平行于磁场的方向的轴线旋转；其特征在于，气体入口装置被设置以将气体从腔室的相对侧的位置处并沿相反的方向供应到腔室，和提供至少一个流平衡元件，所述至少一个流平衡元件提供气体流通道中的不对称性。在一个实施例中,所述流平衡元件包括延伸到所述液体流动路径中的至少一个突起，以限制流体流动路径，但是可以设置诸如一个或多个凹陷部的其它流调节元件，或突起和凹陷部的组合。具体的流平衡元件的位置可以经由计算机模型技术或通过监测流平衡元件的不同位置的气体流动的影响来确定。计算机模型技术或监测还可以用于选择流平衡元件的尺寸或形式。所述至少一个流平衡元件可以被设置成校正或减轻试验主体附近的压力不平衡和/或校正或减轻由于设备残留的固有的不对称性而使任何流动在试验主体上产生的净扭矩。流平衡元件的存在与没有流平衡元件的完全相同的装置相比实现了对流动依赖性的减少。气体入口装置被设置以从腔室的相对侧处的至少两个位置供应气体到腔室。来自每 一个位置的气体流将优选地平行于磁场的方向，但是在相反的方向上流动，以便使试验主体上方的气体流动所产生的误差最小化。根据本发明的这方面的设备与现有技术的不同在于使用流平衡元件(或多个流平衡元件)以便使来自围绕试验主体的不同流动路径的穿过试验主体压降平衡。即使在已经进行全部实际测量来确保装置的内部体积基本上对称并且试验主体合适地防止了流动动量冲击之后，本发明的发明人也能确定不平衡的流体流动或压力不平衡会出现问题。该流平衡元件(或多个元件)允许系统的调节以使在悬挂的试验主体上净流影响最小化，并且还允许使用围绕试验主体的流动路径(例如围绕填充有抗磁气体的两个玻璃球中的每一个)，这些路径是仅仅相似而不是绝对完全相同的对称流动路径。这具有以下优点改进由于制造公差的限制而造成的流动误差性能，甚至允许故意设计的非对称性几何形状和减少试验主体的屏蔽，不论是成本降低、机械有利的原因或任何其它原因，都可以在不降低流动性能的情况下被实施。例如，更主动的流动状态可以结合诸如旁路通道的部件来获得以改善内部体积的淹没(flushing)。由于试验主体附近的流动状态中的压降通过流平衡元件被平衡，所以具有非常有效的任何流感应不确定性的净取消。这明显与其中限制了他们的设计的仅对称性和/或流动屏蔽可用于减少流动误差的现有技术形成反差。因为现有技术装置在任何给定流动速度下都具有受限制的、非零流动依赖性，然后增加流动速度以减少响应时间必须增加流动误差，换句话说，响应时间和流动误差被结合并且不能被同时最小化。流平衡元件的性能可以通过改变其位置、数量、尺寸、形状和表面加工来控制。在一个实施例中，流状态被设置成其允许使用流平衡元件与穿过流动通道的可调节的、平衡的压降相结合的测量体积的快速扫描以使流动相关的压力不平衡最小化。这允许用于具有氧气浓度改变的系统与对于流动的低依赖性的短时间响应，并且两个参数现在不相结合且可以被同时最小化。一个实施例包括密封电池内部的磁化率扭矩平衡装置，该密封电池被设置以容纳样本气体。所述扭矩平衡装置包括试验主体(例如具有填充有诸如氮气的抗磁气体的两个玻璃球)，该试验主体悬挂在密封电池的非均匀磁场中。这种扭矩平衡装置通常通过使用已知顺磁磁化率和已知浓度的两个气体来校准,例如已知顺磁磁化率的氮气和已知浓度的氮气混合物中的氧气。当电池随后被填充有包含氧气或其它顺磁气体的试验气体时，顺磁气体被吸引到磁场的更强的一部分，并且试验主体旋转。一种具有光探测器或其它适当装置的光学杆反馈系统用于检测这种旋转，并且围绕试验主体连接的线盘用于提供反馈，其中试验主体经由悬挂线传导。所述系统通过对试验主体的运动的反作用使试验主体保持在零位置。通过将试验主体以这种方式大致保持在相同的位置中，可以在最高灵敏度的位置处记录全部测量。这通过增强光电池信号以在产生磁矩的线盘中产生电流来实现，该磁矩与会推动试验主体偏离其零位置的扰动力，即，由于样品气体中的氧气量的改变而产生的磁力大小相等方向相反。然后该电流可以被测量以便确定所述磁力，并由此确定样品气体的顺磁气体含量。
所述设备的一个实施例包括用于确定气体流动通道中的第一不对称性的存在的装置，和用于调节所述至少一个流平衡元件的装置。在一个实施例中提供控制机构，所述控制机构响应于由气体流动所引起的试验主体上的净扭矩的检测以减少所述净扭矩。本发明的另一方面提供用于调节顺磁气体传感器设备内的流动路径的方法，所述方法包括如下步骤确定所述设备内的气体流动通道中的第一不对称性的存在；和响应第一不对称性的确定在气体流动通道中提供至少一个流平衡元件以产生第二不对称性。在一个实施例中，上述用于调节顺磁气体传感器设备内的流动路径的方法适用于一种设备，所述设备包括主体，所述主体限定腔室，所述腔室具有气体入口装置和至少一个气体出口，所述气体入口装置和至少一个气体出口用于限定至少一个气体流动通道，所述至少一个气体流动通道允许气体流动通过所述腔室；用于在所述腔室内沿第一方向产生磁场的装置；试验主体；用于在所述腔室内安装所述试验主体装置；用于使所述试验主体根据被测气体的磁化率、响应施加到所述试验主体的扭矩、围绕平行于磁场的方向的轴线旋转的装置。第一不对称性的存在可以通过监测气体流动通过所述流动路径的影响来监测，例如检测气体流动动量在顺磁气体传感器的试验主体上影响。其中气体的动量产生试验主体上的净扭矩，这表示不对称性。所述至少一个流平衡元件的布置可以被选择为减少或最小化流动相关的不平衡，例如使试验主体上的气体流动的动量的影响最小化。例如，所述元件的位置、尺寸、数量、形状和/或表面加工都可以被选择为减轻不平衡流动。至少一个流平衡元件在气体流动上的影响可以被监测，从而识别净扭矩在其处被减少或取消的至少一个流平衡元件的布置。不对称性的产生和调节以平衡对第一不对称性的流体流动的影响可以被实施用于不同的气体和流速。在本发明的一个实施例中，设置至少一个流平衡元件，包括在计算机系统中模拟调整用于一个或多个气体流量的一个或多个流平衡元件的位置、尺寸、数量或形式的一个或多个对气体流动方面的影响；确定最优流平衡元件布置；和以所述最优布置设置所述至少一个流平衡元件。
在下面通过示例的方式参照附图更详细地说明本发明的实施例，其中图I表示如本领域所公知的第一示例传感器设备；图2表示如本领域所公知的第二示例传感器设备；图3显示根据优选实施例的歧管的俯视图；图4显示图3的歧管的底侧；图5显示沿图3中的线A-A截取的根据优选实施例的设备的横截面；
图6显示沿图3中的线B-B截取的根据优选实施例的设备的横截面；图7显示优选实施例的主管座的底侧；图8显示优选实施例的在不同平均流动平衡元件高度处的流动敏感度；图9显示优选实施例的平均流动敏感度对平均流动平衡元件高度；图10显示优选实施例的平均响应时间对额定流速。
具体实施例方式根据本发明的优选实施例的设备不同特征被图示在图3-7中，虽然还可以获得用于诸如绝对流速的不同要求的等效设计益处，但是包含相同的主要元件。在该实施例中的试验主体与现有技术中说明的试验主体相似。以下提到不同的可选实施例。气体经由歧管(manifold)部分2中的进气端口 I进入并在内部被分开到尺寸相等的两个流通道3中。内部分开表示流的平衡可以经由部件尺寸和制造来控制，而不是由使用者或装置的外部管路来控制，使用者或外部管路会非故意地造成额外的流不平衡。然而，该分开可以在可选实施例中在所述装置外部被实施。然后气体从歧管部分通到包围顺磁悬挂组件的主管座4中。所述主管座包含磁体5和‘十字形’的空隙，该‘十字形’空隙具有包含悬挂线的一个通道和包含试验主体的成直角的另一个通道。所述空隙被设计成以具有组件和试验主体的自由运动所需要的最小间隙而包含悬挂的试验主体组件，因此，通常使气体样本空间的内部体积最小化。所述流经由两个端口进入包含悬挂线的第一通道，该两个端口的一个在弹簧6的上方和另一个在固定柱7的上方。这些位于包含所述悬挂线8的所述通道的任一端。然后每一个流必须转向九十度并且沿该通道朝向其中心移动，包含试验主体9的第二通道位于该中心处，第一通道和第二通道在此处会聚。现在被大量重新组合的流再转向九十度并且移动通过包含试验主体的第二通道，因此掠过所述试验主体。两个通道相遇的点处的大半径用于通过利用柯恩达效应(Coanda effect)减少流分离。这有助于到第二通道中的流的转向并且减少湍流以及减小围绕和施加在试验主体的镜子和球上的动量冲击。来自第一通道的流在其中心进入包含试验主体的通道并主要转向成与所述试验主体成直角的流。为了有效地掠过包含所述试验主体的通道的端部，从包含所述悬挂线的通道的每一个端部引出的旁路10将能量提供到这些区域中的将会另外被停滞的流，因此改善了掠过效率并由此减小了响应时间。然后流朝向主管座的出口孔11移动。在该优选实施例中，出口孔足够大以观察球，从而有助于精密的且可重复的装配，但是可以使用具有不同孔尺寸的其它实施例。主管座的出口孔引导回歧管部分中，其中流沿与原入口相反的方向离开。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。这通过调整穿过所述球的任何压差而起作用。在该实施例中，压差由磁体凹部几何形状的不对称性和由装置的制造和装配方法的机械限制引起的任何不对称性而在最初产生，这种不对称性不能通过任何实际装置来作任何进一步的减少。对于任何具体的形状，虽然其它实施例可以经由表面面积、形状、表面糙度、或其它流平衡元件特性、形式、和/或位置相等地调整压差，但是流平衡元件所改变的流敏感度的范围可以由流平衡元件的“高度”(即，流平衡元件从出口向上游突出到所述流中的量)来控制。所述歧管部分还包含用于安装所述装置13的部件。歧管部分和主管座之间具有弹力密封件14，该弹力密封件使入口流和出口流彼此分开并从外部大气分开。为了批量生产，歧管部分和主管座可以是注模的聚合物部件。由流动效应所引起的测量不确定性的结果被图示在图8中，用于优选实施例8个典型装置，所述典型装置通常示出对于任何给定装置，由于流平衡元件高度减少，所以流不确定性变得更肯定。然而，还可以清楚流不确定性的绝对值不仅仅通过流平衡元件尺寸来确定。结果的延伸很可能源自试验主体及其它组件的部件的变化。虽然流平衡元件高度和一个装置对其它装置的相对流平衡元件高度的标准偏差在整个试验中都发生改变，但是流不确定性和一个装置对其它装置的相对流不确定性的标准偏差保持相当的恒定。
在这种具体的情况下，用于流不确定性的目标规格是对50到250ml/min的范围中改变±10ml/min来说< ±0. 25% O2。图9显示在流误差和流平衡元件高度中具有表示±2标准偏差(大约95. 5%)的不确定性条信号的平均数据点。使用线性拟合显示流误差对流平衡元件高度的依赖性大约每毫米每分钟每IOml为-O. 14% O2，而且，对于测试的装置，用大约O. 9毫米的流平衡元件高度得到零的平均流不确定性。所述梯度使得常规的流平衡元件高度上的制造公差(±0.1毫米)将不会产生超过所述规格的流不确定性。所述规格表示大约2. 4标准偏差(大约98.4%)。要注意的是，如果需要的话，可调节的流平衡元件可用于优化每一个单独装置的流不确定性。响应时间先由突出部高度在平均值2. 41毫米得到，然后再一次优化流不确定性(平均值O. 83毫米)以建立流平衡元件高度对响应时间的影响。图10显示用于所有装置以各个流速的平均响应时间。两条实线显示平均值2. 41毫米和O. 83毫米的突出部高度之间的不同。虚线显示用于优化版本(平均值O. 83毫米)的每个流速的±2标准偏差。可以清楚地看到平衡元件高度对响应时间的影响最小(近似6. 3毫秒每毫米@200ml/min),并且所述装置容易地满足250毫秒@200ml/min的最低规格。在这种情况下，假设测试装置代表总体的特征，流平衡元件高度将被设定为O. 8-0. 9毫米以使流动的平均冲击最小化，同时保持快速流动响应。已经为优选实施例图示出流平衡元件，然而，所述流平衡元件可以自所述试验主体位于上游或下游中任一个，或甚至可以由上游和/或下游的多个流平衡元件组成。所述形状可以基于需要的性能具有不同形式，但是可以从非流线体主体到流线上升或凹陷部分变动。流平衡元件的材料和表面加工特征也是重要的，例如，粗糙表面与具有相同实际尺度和形状的光滑表面相比可以导致更多湍流和增加的反压力。流平衡元件的形式和位置还可以被可调节以允许单独装置的最佳化的流误差。
权利要求
1.一种顺磁气体传感器设备，所述顺磁气体传感器设备包括 主体，所述主体限定腔室，所述腔室具有至少一个气体入口和至少一个气体出口，所述至少一个气体入口和至少一个气体出口限定至少一个气体流动通道，用于允许气体流动通过所述腔室； 一组磁体，所述一组磁体用于在所述腔室内沿第一方向产生磁场； 试验主体；和 用于在所述腔室中安装所述试验主体的扭矩平衡装置，所述扭矩平衡装置用于响应施加到所述试验主体的扭矩围绕平行于所述磁场的方向的轴线旋转，其中基于被测气体的磁化率产生所述扭矩； 其中，所述至少一个气体入口被设置以将气体从所述腔室的相对侧的位置沿相反方向供应到所述腔室，和至少一个流平衡元件，所述至少一个流平衡元件提供气体流动通道中的流限制不对称性。
2.根据权利要求I所述的设备，其中所述气体入口被设置以将气体沿平行于所述磁场的方向的方向供应至所述腔室。
3.根据权利要求I或2所述的设备，其中所述扭矩平衡装置能够被操作以将所述试验主体保持在零位置。
4.根据权利要求1-3任一项所述的设备，还包括信号发生器，所述信号发生器用于产生气体的顺磁磁化率的指示。
5.根据权利要求1-4任一项所述的设备，其中所述流平衡元件能够被调节。
6.根据权利要求1-4任一项所述的设备，其中所述流平衡元件处于固定的位置并具有固定的形式。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述流平衡元件处于固定的位置并具有能够调节的形式。
8.根据权利要求5所述的设备，其中所述流平衡元件处于能够调节的位置并具有固定的形式。
9.根据权利要求5所述的设备，其中所述流平衡元件处于能够调节的位置并具有能够调节的形式。
10.根据权利要求5所述的设备，其中所述流平衡元件在尺寸上能够被调节。
11.根据权利要求5所述的设备，还包括用于确定气体流动通道中的第一不对称性的存在的装置，和用于调节所述至少一个流平衡元件的装置。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述第一不对称性的存在通过所述顺磁气体传感器检测在具有气体流动的情况下所述试验主体上的测量扭矩和在不具有气体流动的情况下所述试验主体上的测量扭矩之间的差来确定，并且其中用于调节的装置包括控制机构，所述控制机构响应于检测的差来调节所述至少一个流平衡元件，从而减少所述差。
13.根据权利要求1-12任一项所述的设备，其中所述流平衡元件是突起。
14.根据权利要求1-12任一项所述的设备，其中所述流平衡元件是凹陷部。
15.根据权利要求1-12任一项所述的设备，其中所述流平衡元件是突起和凹陷部的组合。
16.根据权利要求1-15任一项所述的设备，其中所述流平衡元件位于所述试验主体的上游。
17.根据权利要求1-15任一项所述的设备，其中所述流平衡元件位于所述试验主体的下游。
18.根据权利要求1-17任一项所述的设备，还包括多个流平衡元件，其中使用上游和/或下游的流平衡元件的组合。
19.根据权利要求1-18任一项所述的设备，还包括多个气体入口，所述多个气体入口中的每个都具有用于接收被测气体供应的外部连接点，使得被测气体供应可以在所述设备的上游被分开，并在所述腔室的相对侧被供应到多个气体入口。
20.根据权利要求1-18任一项所述的设备，还包括分流器，所述分流器在所述设备内用于分开进入的气体流并将被测气体供应到所述腔室相对侧的所述位置处。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述分流器包括一体的歧管部分。
22.根据前述任一项权利要求所述的设备，还包括光学杆反馈系统，所述光学杆反馈系统用于将所述试验主体保持在零位置，所述光学杆反馈系统包括 用于产生光束的光源； 在所述试验主体中心的镜子，所述光束反射远离所述镜子； 一对光检测器，所述一对光检测器用于检测所述试验主体的旋转并提供光电池信号或光电管信号； 和线盘，所述线盘围绕所述试验主体连接，其中所述试验主体经由悬挂线传导，其中所述系统通过所述试验主体的运动的反作用和放大所述光电池信号或光电管信号使所述试验主体保持在零位置，以在所述线盘中产生电流，所述电流产生与扰动力大小相等、方向相反的磁矩，所述扰动力会推动所述试验主体远离其零位置。
23.根据权利要求22所述的设备，还包括用于测量所述线盘中的电流和用于提供指出气体的顺磁磁化率的输出信号的计量器。
24.一种用于调节顺磁气体传感器设备内的流路的方法，所述设备包括主体，所述主体限定腔室，所述腔室具有至少一个气体入口和至少一个气体出口，所述至少一个气体入口和至少一个气体出口用于限定至少一个气体流动通道，所述至少一个气体流动通道允许气体流动通过所述腔室；一组磁体，所述一组磁体用于在所述腔室内沿第一方向产生磁场；试验主体；扭矩平衡装置，所述扭矩平衡装置用于在所述腔室内安装所述试验主体，用于使所述试验主体响应施加到所述试验主体的扭矩围绕平行于磁场的方向的轴线旋转，其中基于被测气体的磁化率产生扭矩，其中所述方法包括如下步骤 确定所述设备内的气体流动通道中的第一不对称性的存在；和 响应第一不对称性的确定在气体流动通道中提供至少一个流平衡元件以产生第二不对称性。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述确定第一不对称性的存在的步骤包括检测气体流的动量对所述试验主体的影响。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中提供至少一个流平衡元件的步骤包括设置至少一个流平衡元件，以使气体流的动量对所述试验主体的影响最小化。
27.根据权利要求26所述的方法，其中设置至少一个流平衡元件包括 在计算机系统中模拟调整用于一个或多个气体流量的一个或多个流平衡元件的位置、尺寸、数量或形式中的一个或多个对气体流的影响； 确定最优流平衡元件布置；和 以所述最优布置设置所述至少一个流平衡元件。
全文摘要
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气体的磁化率所产生的作用力。为了允许用于具有氧浓度的变化的系统的短时间响应，具有以下的流状态允许经由流通道内的流平衡元件(或多个元件)进行与可调节的、平衡的压降相结合的测量体积的快速扫描，以使流相关的不确定性单独最小化。
文档编号G01N27/74GK102636558SQ201210025170
公开日2012年8月15日 申请日期2012年2月6日 优先权日2011年2月8日
发明者伊恩·C·加斯金, 克里斯托弗·R·爱德华兹, 理查德·P·科瓦奇基, 詹姆斯·D·霍比, 马丁·洛佩兹 申请人:仕富梅集团公司