Молниезащита
Измерительная техника
Статьи / Измерительная техника / Газоанализатор. Магнитные газоанализаторы.
  11.01.12  |  

Газоанализатор. Магнитные газоанализаторы.

В магнитных газоанализаторах, относящихся к анализаторам бинарных смесей, концентрация определяемого компонента измеряется по изменению магнитных свойств газовой смеси. Газы по их магнитной восприимчивости делятся на парамагнитные, втягиваемые в магнитное поле, и диамагнитные, выталкиваемые из него. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладает кислород, относящийся к парамагнитным газам. В табл. 1 приведены значения относительной объемной магнитной восприимчивости газов, причем знак минус относится к диамагнитным газам.

Сопоставление данных, приведенных в табл. 1, показывает, что газы, кроме кислорода, окиси и диоксида азота, являются практически немагнитными, поскольку их объемная магнитная восприимчивость на два порядка ниже, чем у кислорода. Таким образом, магнитные свойства газовой смеси определяются концентрацией кислорода, поскольку NO и NO2, являющиеся продуктами высокотемпературных окислительных реакций, встречаются в малых концентрациях.

Объемная магнитная восприимчивость кислорода æ связана с удельной магнитной восприимчивостью χ и плотностью ρ зависимостью æ = χρ; поскольку χ = С/Т, а ρ = pM/TR,

æ = CpM/(T2R),       

где С — постоянная Кюри; р, Т — абсолютное давление и температура кислорода с молекулярной массой М; R — газовая постоянная.

Таким образом, магнитная восприимчивость кислорода линейно зависит от давления и снижается с ростом температуры пропорционально 1/T2.

 

Таблица 1 Относительная объемная магнитная восприимчивость

Газ

Относительная объемная магнитная восприимчивость

Газ

Относительная объемная магнитная восприимчивость

Кислород

1

Водород

-0,0011

Воздух

0,211

Азот

-0,004

Оксид азота

0,363

Диоксид углерода

-0,0057

Диоксид азота

0,0616

Аммиак

-0,0057

Метан

-0,0123

Водяные пары

-0,004

Объемная магнитная восприимчивость смеси газов определяется соотношением

магнитный газоанализатор

где ci, æi — объемные концентрации компонентов газовой смеси и их объемные магнитные восприимчивости; ск, æк — объемная концентрация кислорода и его магнитная восприимчивость; æн — усредненная магнитная восприимчивость неопределяемых компонентов. В соответствии с (2), поскольку æн ≪ æк, изменение объемной магнитной восприимчивости газовой смеси однозначно определяется концентрацией кислорода при условии стабилизации температуры и давления.

Существует несколько методов измерения магнитной восприимчивости смеси газов, наиболее распространенный из них связан с использованием явления термомагнитной конвекции. Последняя представляет собой движение кислородосодержащего газа в неоднородном магнитном и тепловом полях. Основанные на этом эффекте газоанализаторы выполняются с одномостовой или двухмостовой измерительными схемами.

На рис. 1 представлены схема чувствительного элемента, применяемого в газоанализаторах типа МН, ГТМ (рис. 1, а), и размещение его между полюсами магнита (рис. 1, б).


Схема чувствительного элемента кислородомера

Рис. 1. Схема чувствительного элемента кислородомера (а) и преобразователя с внешней магнитной конвекцией (б):

1 — платиновая проволока; 2 — стеклянный капилляр; 3 — стеклянное покрытие; 4 — токоввод; 5 — постоянный магнит; 6 — немагнитный медный блок; 7 — труба

 

Чувствительный элемент представляет собой платиновую проволоку 1 диаметром 0,02 мм, намотанную на стеклянный капилляр 2 и остеклованную с внешней стороны 3. Концы спирали подпаяны к токовводам 4. Наружный диаметр чувствительного элемента составляет 0,5...0,6 мм, сопротивление резистора 40 Ом. Кислородосодержащий газ, протекающий по трубке 7, втягивается в магнитное поле, при этом он нагревается от резистора R1 и его магнитная восприимчивость снижается. Холодный газ выталкивает нагретый, создавая поток магнитной конвекции q, охлаждающий резистор R1

Резистор R2 для обеспечения одинаковых условий теплоотдачи размещен внутри немагнитного медного блока 6, имеющего ту же конфигурацию, что и постоянный магнит 5. На рис. 1, б направления тепловой и магнитной конвекции совпадают, при размещении крышки с линиями подвода газа 7 под магнитом направления конвекций становятся встречными.

В газоанализаторах МН используется двухмостовая измерительная схема, представленная на рис. 2.


Схема автоматического магнитного газоанализатора типа МН

Рис. 2. Схема автоматического магнитного газоанализатора типа МН:

1,2 — вторичные обмотки силового трансформатора Тр

В первичном преобразователе (приемнике) размещены два моста, питаемых от вторичных обмоток 1, 2 силового трансформатора Тр. Мост I является рабочим, его резисторы R1, R2, представляющие собой платиновые чувствительные элементы с внешним теплообменом, омываются анализируемым газом. Резистор R1 находится в неоднородном магнитном поле, R2 — между полюсами ложного магнита (медного блока). Резисторы R3, R4 являются постоянными и выполнены из манганиновой проволоки.

При наличии кислорода в смеси газов мост I работает в неравновесном режиме и напряжение в измерительной диагонали Uab зависит от концентрации кислорода. Для проверки начальной точки шкалы вторичного прибора приемник снабжается металлическим шунтом. При его опускании снимается магнитное поле, резисторы R1 и R2 попадают в одинаковые условия и мост I должен быть уравновешен. В схему моста включен не показанный на схеме переменный резистор начальной балансировки, аналогичный резистору R0, входящему в мост на рис. 16.3.

Мост II является мостом сравнения. Его плечи R5 и R6, выполненные из платиновой проволоки, омываются воздухом, причем R6, как и R2 находится между полюсами ложного магнита. Резисторы R7 и R8 выполнены подобно R3 и R4 из манганиновой проволоки. Поскольку концентрация кислорода в воздухе является стабильной, мост II развивает постоянный сигнал небаланса Ubd. Колебания Ubd обусловлены только отклонениями напряжения питания, температуры и давления окружающей среды.

Для измерения сигнала рабочего моста используется компенсационный метод, причем сигналом компенсации служит доля напряжения небаланса моста сравнения Ubd, снимаемая с реохорда, Ubc =  αUbd, где α изменяется от 0 до 1. Компенсация сигнала рабочего моста долей сигнала моста сравнения осуществляется автоматически, в качестве вторичного прибора используется автоматический уравновешенный мост с некоторыми изменениями в измерительной схеме. В газоанализаторах с двухмостовой измерительной схемой влияние колебаний напряжения питания, температуры окружающей среды на показания прибора меньше, чем в приборах с одномостовой измерительной схемой. Это объясняется одновременным влиянием перечисленных факторов на сигналы рабочего и сравнительного мостов.

Кислородомеры типа МН имеют при нулевом нижнем пределе измерения верхние от 1 до 100%, при этом предел приведенной погрешности зависит от диапазона измерения и находится в пределах от ±2 до ±10% нормирующего значения. Последняя цифра соответствует минимальному диапазону измерения прибора. Кислородомеры МН могут иметь безнулевую шкалу с пределами измерения 50... 100 % O2, 80... 100% O2. Время установления выходного сигнала находится в пределах 0,5... 1,5 мин.

В микропроцессорных кислородомерах АГ-0011 используется одномостовая измерительная схема. Для компенсации влияния температуры, давления и изменения теплопроводности компонентов газовой смеси используются три моста, плечи которых включают соответственно термо-, тензо- и термокондуктометрические преобразователи. Кислородомер имеет на выходе цифровое табло, токовый унифицированный сигнал и цепи сигнализации. При диапазонах измерения, совпадающих с представленными выше, предел приведенной погрешности меняется от ±2 до ±5 % для минимального диапазона измерения. С использованием парамагнитных свойств выпускаются микропроцессорные кислородомеры: Oximat 6 (ф. Siemens), Oxinos, мод. 755 (ф. Rosemount) и др.

Благодаря резкому отличию магнитной восприимчивости кислорода от восприимчивости других газов не требуется предварительного удаления неопределяемых компонентов. Тем не менее в целях защиты чувствительных элементов установка газоанализатора должна включать в себя фильтр для очистки пробы от сернистого газа, если последний содержится в ней. Остальные вспомогательные элементы установки газоанализатора являются типовыми.




Другие статьи:

Газоанализатор. Тепловые газоанализаторы.
Газоанализатор. Объемные химические газоанализаторы.
Газоанализаторы. Анализ состава газов.