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

Объемная магнитная восприимчивость смеси газов определяется соотношением

где c_i, æ_i — объемные концентрации компонентов газовой смеси и их объемные магнитные восприимчивости; с_к, æ_к — объемная концентрация кислорода и его магнитная восприимчивость; æ_н — усредненная магнитная восприимчивость неопределяемых компонентов. В соответствии с (2), поскольку æ_н ≪ æ_к, 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).

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.

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 R_3, 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 U_ab 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 U_bd. Колебания U_bd 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 U_bd, снимаемая с реохорда, U_bc =  αU_bd, 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.