[发明专利]用于失衡补偿的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量设备，并提供一种用于控制测量设备的方法和控制器以及一种用于校准测量设备的方法。具体地，本发明提供用于补偿测量设备中(例如在顺磁性气体传感器的扭秤中，或在用于测量磁场的设备中)的机械失衡的设备和方法。

背景技术

测量设备的一种已知的示例包括一种扭秤，所述扭秤采用测试气体的顺磁性性质来测量存在于测量腔中的测试气体的分压。不均匀的磁场被施加于包含测试体的腔上。所述测试体由用作扭转弹簧的悬丝来保持，以便允许所述测试体具有单个旋转自由度。所述不均匀的磁场使得在顺磁性气体存在的情况下将扰动扭矩施加至所述测试体，且这使得所述顺磁性气体的分压能够被测量。氧气是自然中存在的表现顺磁性且与其它气体相比具有较强的磁化率的少数气体中的一种。顺磁性氧气传感器已经在多种工业和医疗应用中被使用。

在测量氧气的分压的系统的一些示例中，测试体包括安装在刚性杆上的一对中空玻璃球体，所述刚性杆的中心安装在保持张紧且垂直于所述刚性杆的细丝上。横贯所述组件施加强磁场梯度，以使得作用在所述球体中的每一个上的力产生扰动扭矩，所述扰动扭矩与所述细丝的扭转弹性反向(即，所述扰动扭矩使所述测试体移动直至所述扰动扭矩与由保持张紧的细丝所产生的扭矩相平衡为止一所述细丝用作弱扭矩弹簧)。这种类型的机构在美国专利2,416,344中进行了描述。

在不均匀磁场中作用在球形测试体上的力Fm与所述球形测试体的体积V、磁场强度H和梯度dH/dz以及在测试体X1和周围样本气体X2之间的体积磁化率差成比例(见“The magnetic susceptibility of nitrogen dioxide”，G G Havens，Phys.Rev.vol 41(1932)pp.337-344)。即：

Fm∝V*H*dH/dz*(X1-X2)

由于样本气体的体积磁化率与样本气体密度成比例，所以作用于测试体上的力与氧气的分压成比例。氧气的体积磁化率在室温下是1.9×10^-6SI单位，而氮气(典型的背景气体)是-6.7×10^-9SI单位。因此，由于气体混合物(即使在量小的情况下)中的氧气所形成的力基本上大于其它气体组分，于是，该测量原理对于氧气具有极好的选择性。

上述的力非常弱，典型地，对于在实际中可以获得的磁场强度和测试体体积在纯氧气的情况下，所述力为几微牛。因此，需要非常敏感的系统才能以氧气感测应用中通常所需要的分辨率来测量该力。

典型的优选布置采用包括用于允许样本气体进入的入口的密封单元内部的磁化率扭秤。所述扭秤包括填充有反磁性气体(例如氮气)或真空刚性体积的测试体。所述测试体在所述密封单元中悬于不均匀磁场中，并通常通过最初以与填充所述测试体的反磁性气体相同的反磁性气体来填充所述单元而被平衡。当所述单元随后填充有包含氧气的样本气体时，顺磁性氧气被吸引至磁场较强的部分，且测试体旋转。该旋转被检测和用于指示样本气体的氧气含量。

为了确保良好的线性度和高水平的灵敏度，采用了电子光学杠杆。光源被从在所述球体之间位于中心地安装的反射镜反射。在早期的装置中，被反射的束使用表示位移程度的光学读数来检测。在后面研发中，所述反射束使用一个或多个光电检测器来检测，受控的电流在围绕测试体基本上垂直于磁场缠绕的导体中通过，以使得由电流和固定的磁场的相互作用生成的扭矩与由顺磁性气体所产生的扰动扭矩反向，以将组件保持在固定的零位。平衡所述扭秤所需的电流然后可以被测量以便确定由顺磁性效应所产生的扰动扭矩，从而确定氧气含量。对于基本机制的修改在英国专利GB 746,778中进行了描述。除去次级效应之外，所述组件仅仅允许测试体围绕所述扭转弹簧的纵轴旋转，并禁止测试体相对于所述组件的任何线性运动。