Die magnetischen Eigenschaften von Gasen, sind im Vergleich zu ferromagnetischen Materialien (z.B. Eisen), extrem klein.  Schwach magnetische Eigenschaften werden als Paramagnetisch und Diamagnetisch bezeichnet. Paramagnetische Stoffe haben ein permanentes, magnetisches Dipolmoment m. Ohne ein äußeres Magnetfeld sind die Moleküle ungeordnet, so dass keine magnetischen Einflüsse erkennbar sind. Wird jedoch ein äußeres Magnetfeld H angelegt, so richten sich Moleküle aus und werden von dem Magnetfeld angezogen. Es entstehen also Kraftwirkungen, die für eine Gasmessung genutzt werden können. Diamagnetische Stoffe haben kein permanentes Dipolmoment. In einem äußeren Magnetfeld werden aber magnetische Dipole erzeugt, die allerdings dem Magnetfeld entgegengerichtet sind. Diese Stoffe schwächen also das Magnetfeld und werden daher abgestoßen. Diamagnetische Stoffe haben in der Gasmesstechnik keine Bedeutung.

Die magnetischen Eigenschaften paramagnetischer Stoffe werden über die magnetische Permeabilität µ beschrieben. Die relative Permeabilität µ_r ergibt sich aus der magnetischen Feldkonstanten. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die magnetische Suszeptibilität. Für paramagnetische Stoffe ist µ_r>1 und χ_m>1, während für diagmagnetische Stoffe µ_r<1 und χ_m<1 gilt.

Paramagnetische Messverfahren werden  bevorzugt zur Messung von Sauerstoff eingesetzt, da Störungen (Querempfindlichkeiten) durch die anderen Gase nahezu ausgeschlossen werden können.

 

Thermomagnetisches Verfahren

Der Messwiderstand befindet sich in einer Messzelle und wird durch den Brückenstrom auf eine Temperatur von z.B. T=150°C erwärmt. In dieser Zelle wird nun die Wärmeleitung durch das umgebende Gas an die Außenwand übertragen. Wird nun zusätzlich ein Permanentmagnet eingesetzt, um ein magnetische Feld in der Messzelle zu erzeugen, werden Sauerstoffmoleküle von dem Magnetfeld angezogen. Die O₂-Moleküle bewegen sich dabei in Richtung der größten magnetischen Feldstärke, die in der Mitte zwischen den beiden Polschuhen vorhanden ist. Dort befindet sich der aufgeheizte Messwiderstand und überträgt die Wärme auf die O₂-Moleküle, die durch diese Temperaturerhöhung einen Teil ihrer magnetischen Eigenschaften verlieren (→ Curie-Gesetz)  und von den nachdrängenden kalten O₂-Molekülen verdrängt werden. Durch diesen Vorgang entsteht eine zusätzliche Konvektion in der Kammer, die durch die magnetischen Eigenschaften der O₂-Moleküle hervorgerufen wird. Man bezeichnet diese magnetische Konvektion auch als magnetischen Wind. Diese Konvektion führt dazu, dass der Messwiderstand sich zusätzlich abkühlt und somit seinen elektrischen Widerstand R(T) verändert. Diese Widerstandsänderung ∆R ist proportional zur Sauerstoffkonzentration in der Messkammer.

  Anordnung der Messwiderstände in einem MAGNOS 2 zur Erfassung des magnetischen Windes

Wie bei den Wärmeleitfähigkeitssensoren muss man auch bei diesen thermomagnetischen Sensoraufbauten dafür Sorge tragen, dass es zu keiner erzwungenen Konvektion in der Messzelle kommt. Eine zu starke Beströmung führt zu einer zusätzlichen Abkühlung und der Effekt des magnetischen Windes wird dadurch erheblich gestört. Um dies zu verhindern wird die Kammer nur per Diffusion beströmt, was zu einer Ansprechzeit im Bereich von t₉₀>10 Sekunden führt.

Forschungsprojekt zur Miniaturisierung eines thermomagnetischen Sauerstoffsensors.

  physikalischer Sensoraufbau mit geschlossenem Magnetkreis

  mechanischer Aufbau der Messzelle bestehend aus zwei Teilhälften (Alu)

  Versuchsaufbau zur Untersuchung der Sensoreigenschaften

   Anordnung des Messwiderstände in der Messzelle

   Kennlinie des paramagnetischen Sauerstoffsensors