МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1995 года по МПК G01N27/72 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к магнитомеханическим компенсационным газоанализаторам для измерения объемного содержания кислорода в газах, и может быть использовано для аттестации поверочных газовых смесей.

Известны магнитомеханические газоанализаторы, основанные на измерении парамагнитных свойств газов, в частности магнитной восприимчивости кислорода, содержащие двухполюсную магнитную систему, измерительную камеру с закрепленным внутри на растяжках поворотным ротором, который представляет собой немагнитное полое тело из двух идентичных полых объемов (шариков), симметрично расположенных по краям стержня с закрепленным по центру зеркалом, измеритель угла поворота ротора относительно полюсных наконечников и стабилизатор расхода газа через измерительную камеру. При этом угол поворота ротора, возникающий в результате закручивания растяжек под действием парамагнитного газа в неоднородном магнитном поле, создаваемом полюсами магнита, пропорционален содержанию парамагнитного газа (кислорода) в камере и регистрируется как правило оптическим устройством.

Известны также газоанализаторы, у которых ротор снабжен компенсационной токопроводящей обмоткой, растяжки выполнены из токопроводящего материала и изолированы от корпуса, а в качестве регистратора угла поворота использовано фоторегистрирующее устройство, состоящее из источника и двух приемников излучения, включенных на вход дифференциального усилителя, в обратной связи которого включена обмотка ротора, при этом приемники и излучатель сопряжены между собой оптически посредством зеркала, а в качестве регистратора использован измеритель тока, протекающего в момент компенсации нулевого положения ротора относительно полюсных наконечников и являющегося мерой содержания парамагнитного газа (кислорода) в камере [1]
Наиболее близким по технической сущности и выбранный в качестве прототипа является магнитомеханический компенсационный газоанализатор, содержащий двухполюсную магнитную систему, измерительную камеру с закрепленным на ней на двух растяжках поворотным ротором, имеющим зеркало и компенсационную обмотку, фотоэлектрический преобразователь, состоящий из источника и двух приемников излучения, и выполненный в виде оптрона с открытым оптическим каналом, электронный блок, включающий функционально связанные между собой дифференциальный и регулирующий усилители, сумматор и согласующую схему, при этом дифференциальные входы усилителя и сумматора соединены с соответствующими выходами приемников излучения фотоэлектрического преобразователя, выход регулирующего усилителя присоединен ко входу источника излучения фотоэлектрического преобразователя, а входы согласующей схемы присоединены к компенсационной обмотке ротора через токопроводящие растяжки. Поворотный ротор является рабочим элементом и представляет собой симметричное полое тело в виде гантели, выполненной из немагнитного диэлектрического материала (стекла), состоящее из двух идентичных и минимальных по массе и размерам полых тел (2-3 мг, диаметр сферы 2,5-3,0 мм, закрепленных по концам стержня (длина 5-7 мм), в центре которого на взаимно перпендикулярных плоскостях закреплены зеркало и компенсационная катушка (обмотка), при этом полые тела ротора расположены между полюсами соответствующих наконечников магнитной системы с возможностью вращения ротора относительно растяжек. Источник и приемник фотоэлектрического преобразователя сопряжены между собой оптически через зеркало на роторе. При действии на поворотный ротор механических сил от взаимодействия парамагнитного газа (кислорода) в неоднородном магнитном поле возникает механический момент закручивания растяжек, который одновременно компенсируется равным по величине противомоментом, вызванным взаимодействием компенсационной обмотки с протекающим по ней током в магнитном поле. В момент наступления компенсации моментов на выходе согласующей схемы электронного блока возникает ток, величина которого пропорциональна объемному содержанию парамагнитного газа (кислорода) в камере [2]
Общими недостатками известных газоанализаторов, включая прототип, является невозможность их эффективного использования для аттестации поверочных газовых смесей из-за недостаточной производительности, точности и надежности получения результатов аттестации, вызванных необходимостью частого определения и ввода в результаты измерения поправок от нестабильности измерительной схемы и изменений условий измерений, а также в результате выполнения большого объема ручных рутинных операций, связанных с подачей аттестуемых или анализируемых газовых смесей, их идентификацией, обработкой и представлением результатов аттестации и связанных с этим неизбежных ошибок персонала при продолжительном времени аттестации.

Изобретение позволяет повысить производительность, точность и надежность результатов при аттестации поверочных и анализируемых газов.

Технический результат достигается тем, что в магнитомеханическом компенсационном газоанализаторе, содержащем двухполюсную магнитную систему, измерительную камеру со встроенным на двух растяжках поворотным ротором, имеющим зеркало и компенсационную обмотку, фотоэлектрический преобразователь в виде оптрона с открытым оптическим каналом и имеющий источник и два приемника излучения, электронный блок, включающий дифференциальный усилитель, сумматор, согласующую схему и регулирующий усилитель, у которого источник и приемники излучения фотоэлектрического преобразователя сопряжены между собой оптически через зеркало поворотного ротора, выходы приемников соединены с соответствующими входами сумматора и дифференциального усилителя, выход регулирующего усилителя соединен с источником излучения, а согласующая схема соединена с компенсационной обмоткой поворотного ротора, тем, что вновь введены блок формирования газовых потоков с элементами для присоединения источников эталонных, поверочных и анализируемых газовых смесей, регуляторами давления и управляемыми клапанами, стабилизатор расхода газа через измерительную камеру, калибратор, обеспечивающий регулирование токового сигнала на выходе согласующей схемы электронного блока при изменении чувствительности измерительной схемы, аналого-цифровой преобразователь для преобразования и визуального отображения и контроля уровня измерительного сигнала, вычислитель, включающий блок интерфейсов для присоединения управляемых клапанов и устройств управления, отображения и регистрации, при этом присоединительные элементы блока формирования газовых потоков соединены с измерительной камерой газовыми линиями через соответствующие регуляторы давления, управляемые клапаны и стабилизатор расхода, согласующая схема электронного блока соединена с вычислителем через включенные последовательно калибратор и аналого-цифровой преобразователь, управляющие выходы интерфейсного блока вычислителя соединены с соответствующими входами управляемых клапанов и при этом обеспечивается возможность идентификации источников газов, измерительных сигналов, программного управления работой газоанализатора в реальном масштабе времени, отображения и регистрации промежуточной информации и результатов аттестации или измерения.

На чертеже показана функциональная схема предлагаемого газоанализатора.

Предлагаемый газоанализатор состоит из блока 1 формирования газовых потоков, источников эталонных 2, аттестуемых или анализируемых газов 3, газовых линий 4, регуляторов 5 давлений, управляемых клапанов 6, блока ключей 7, стабилизатора 8 расхода газа, двухпозиционной магнитной системы 9, измерительной камеры 10, поворотного ротора 11, растяжек 12, зеркала 13, компенсационной обмотки 14, фотоэлектрического преобразователя 15, источника 16 и приемника 17 излучения, электронного блока 18, сумматора 19, согласующей схемы 20, дифференциального усилителя 21, регулирующего усилителя 22, калибратора 23, аналого-цифрового преобразователя 24, индикатора 25, вычислителя 26, канала 27 связи, блоков процессора 28, постоянной памяти 29, оперативной памяти 30, интерфейсов 31, блоки управления 32, отображения 33, регистрации 34.

Блок 1 формирования газовых потоков представляет собой систему, состоящую из газовых линий 4, соединенных между собой в общий коллектор через соответствующие последовательно включенных в каждую из них регулятора 5 давления и управляемого клапана 6, при этом обеспечивается присоединение на входе каждой из линии источников 2 (баллонов) эталонных, аттестуемых или анализируемых 3 газов, а на выходе присоединение к измерительной камере 10 через стабилизатор 8 расхода 8.

Магнитная система 9 представляет собой постоянный магнит с двумя парами полюсных наконечников между которыми имеется постоянный зазор, в рабочем промежутке которого создается магнитное поле, при этом полюсные наконечники встроены в измерительной камере 10. Измерительная камера 10 выполнена в виде замкнутой герметичной полости минимального объема, внутри которого встроен поворотный ротор 11 на двух токоизолированных от корпуса растяжках 12 с возможностью поворота ротора в зазорах между полюсами наконечников. Поворотный ротор представляет собой рабочее тело, выполненное в виде идентичных и минимальных по массе, форме и размерам полых объемов (диаметр сферы 2,0-3,0 мм, масса 2-3 мг) закрепленных по краям стержня, выполненных из немагнитного материала (например, стекла) и, на оси симметрии которого во взаимно перпендикулярных плоскостях закреплены зеркало 13 диаметром примерно 2 мм и компенсационная катушка 14, а в центре пересечения плоскостей закреплены токопроводящие растяжки 12, которые обеспечивают фиксированное положение ротора относительно полюсов наконечников.

Фотоэлектрический преобразователь 15 представляет собой оптрон с открытым оптическим каналом между источником 16 излучения и двумя приемниками 17 излучения, жестко закрепленными относительно камеры 10 и обеспечивающими оптическую связь между собой посредством зеркала 13 на поворотном роторе, при этом всякое изменение положения ротора относительно полюсных наконечников вызывает перераспределение оптического сигнала между приемниками 17 излучения, появлению соответствующего отклика на выходе согласующей схемы. Электронный блок 18 представляет собой функциональный преобразователь, обеспечивающий преобразование положения ротора в электрический сигнал и состоит из функционально связанных между собой и ротором сумматора 19 и выходной схемы 20, один из входов которой присоединен к компенсационной обмотке 14 через растяжки 12, дифференциальный усилитель 21 и регулирующий усилитель 22, выход которого присоединен к источнику излучения фотоэлектрического преобразователя, обеспечивают необходимый уровень оптического сигнала на выходе источника излучения, при этом дифференциальные входы сумматора 19 и усилителя 21 соединены с соответствующими выходами приемников 17 излучения фотоэлектрического преобразователя.

Калибратор 23 представляет собой электронный блок, выполненный на базе стандартных элементов и предназначен для регулирования уровня измерительного сигнала на выходе электронного блока в стандартный при изменении чувствительности измерительной схемы.

Аналого-цифровой преобразователь представляет собой электронный блок, предназначенный для функционального преобразования измерительного сигнала с выхода калибратора в код и автоматического ввода его в вычислитель 26 и отображения на индикаторе 25, выполнен на базе стандартизированных элементов. Вычислитель 26 представляет собой совокупность стандартизированных функциональных электронных блоков процессора 28, постоянной памяти 29, оперативной памяти 30 и интерфейсов 31, связанных между собой каналом связи 27 и обеспечивающих управление блоком ключей 7 на входах управляемых клапанов, присоединение блоков управления 32, отображения 33 и регистрации 34.

В приведенном примере газоанализатора в блоке формирования газовых потоков использованы в качестве регуляторов давления могут быть стандартные стабилизаторы давления, например, типа СДГ-5, в качестве управляемых клапанов нормализованные преобразователи, например, типа ПП и ПИ; блок ключей выполнен по стандартной схеме на базе, например, микросхем К155ЛА13 и транзисторов КТ3117А1 и КТ973А. Стабилизатор расхода газа может быть выполнен на базе стандартизованных стабилизаторов перепада давления, например, типа СПД-16, СПД-11 и стабилизатора абсолютного давления типа САД-307. Калибратор может быть выполнен на базе, например, микросхемы К140УД17Б с возможностью корректировки "нуля" и "шкалы" и приведения измерительного сигнала к нормированному по уровню. В качестве аналого-цифрового преобразователя и индикатора использован универсальный вольтметр, например; типа Щ31. В качестве вычислителя использована микроЭВМ типа "Электроника МСО507 с периферийными устройствами ДВК-3".

Описанный выше газоанализатор может быть использован в качестве образцового газоанализатора при аттестации поверочных газовых смесей или в качестве многоканального газоанализатора. При использовании в качестве образцового газоанализатора на входе блока 1 формирования газовых потоков присоединяются соответствующие источники (баллоны) аттестуемых смесей 3 и эталонных газов 2, которые идентицифируются позиционным кодом управляющих входов блока ключей 7 или клапанов 6.

Последовательность и продолжительность выполнения операций при аттестации осуществляется программно в соответствии с алгоритмом с блока 32 управления, при котором производится предварительная поверка и корректировка шкалы газоанализатора по эталонным газовым смесям, пропускаемым в установленной последовательности через измерительную камеру 10 с последующими записью результатов в блоке оперативной памяти 30 вычислителя и определением величины поправки на результаты измерения при последующих измерениях аттестуемых или анализируемых газовых смесей. Содержание служебной информации, форма представления результатов и совместная обработка измерительной и служебной информации производится программно в реальном масштабе времени при помощи соответствующих блоков вычислителя с последующим представлением результатов.

Предложенный магнитомеханический компенсационный газоанализатор по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами.

Обеспечивается расширение функциональной возможности за счет использования газоанализатора в качестве образцового как для аттестации поверочных газовых смесей, так и для измерения содержания кислорода в технологических газовых смесях в качестве многоканального газоанализатора.

Обеспечивается повышение производительности при аттестации поверочных газовых смесей во много раз (8 баллонов за 26 мин за счет автоматизации основных и вспомогательных операций, связанных с проведением измерений, вводом служебной информации, совместной обработки и представления результатов. Повышается точность и надежность (не хуже ±0,04% О₂) результатов аттестации за счет автоматического определения и ввода в результаты измерения поправок от влияния нестабильности измерительной схемы и условий аттестации и исключения при этом субъективной работы и ошибок персонала на всех этапах.

Использование предложенного газоанализатора обеспечивает также социальный эффект за счет улучшения условий и культуры труда персонала и повышения информативности при существенном сокращении доли монотонного, рутинного и ручного труда обслуживающего персонала.

Предлагаемое техническое решение использовано при разработке образцового газоанализатора ОКСИД-0 5Г1.550.217 изготовлены опытные образцы и проведены предварительные и государственные испытания (аттестация).

Использование: газоаналитическое приборостроение, газоанализаторы кислорода, аттестация поверочных или анализ газовых смесей. Сущность изобретения: газоанализатор содержит блок формирования газовых потоков с n количеством присоединительных элементов, регуляторов давления и управляемых клапанов, стабилизатор расхода газа, двухполюсную магнитную систему, измерительную камеру, поворотный ротор с зеркалом и компенсационной обмоткой, фотоэлектрический преобразователь с источником и приемником излучения, электронный блок с сумматором, согласующей схемой, дифференциальным и регулирующим усилителями, калибратор, аналого-цифровой преобразователь, вычислитель с двумя блоками памяти и интерфейсов, блоки управления, отображения и регистрации. 1 ил.

МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий двухполюсную магнитную систему, измерительную камеру с поворотным ротором, имеющим зеркало и компенсационную обмотку, фотоэлектрический преобразователь положения ротора, имеющий источник и два приемника излучения, электронный блок, включающий сумматор, дифференциальный усилитель, регулирующий усилитель и согласующую схему, при этом выходы приемников излучения соединены с соответствующими входами сумматора и дифференциального усилителя, компенсационная обмотка соединена с одним из выходов согласующей схемы, выход регулирующего усилителя соединен с источником излучения, который оптически сопряжен с приемниками излучения через зеркало поворотного ротора, отличающийся тем, что он содержит блок формирования газовых потоков, снабженный регуляторами давления и управляемыми клапанами, стабилизатор расхода газа через измерительную камеру, калибратор, аналого-цифровой преобразователь и вычислитель, имеющий блок интерфейсов, причем блок формирования газовых потоков соединен с измерительной камерой газовыми линиями через последовательно включенные регуляторы давления, управляемые клапаны и стабилизатор расхода газа, сигнальный выход согласующей схемы электронного блока соединен с вычислителем через последовательно включенные калибратор и аналого-цифровой преобразователь, а управляющие выходы блока интерфейсов вычислителя соединены с соответствующими входами управляемых клапанов блока формирования газовых потоков.