ДЕТЕКТОР ПО ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G01N27/18 G01N25/18 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и служит для газового анализа с помощью детекторов по теплопроводности.

Известны конструкции детекторов по теплопроводности, состоящие из металлического корпуса с размещенными в нем цилиндрическими камерами, каждая из которых верхней и нижней частью соединена с каналами, по которым протекает анализируемый газ, и помещенными внутри камер чувствительными элементами, электрически соединенными в мостовую измерительную цепь [1].

Недостатком таких детекторов является не вполне идентичный тепловой режим чувствительных элементов, помещенных в различных камерах, обусловленный неточностью их установки. Указанная неидентичность теплового режима приводит к различной реакции чувствительных элементов: на колебания температуры корпуса и расхода анализируемого газа, и является основной причиной появления в электрическом сигнале детектора шумов, ограничивающих его порог чувствительности. Газоанализатор обеспечивает хорошие метрологические характеристики, однако имеет повышенные динамические погрешности измерения при непрерывном протекании через измерительный канал анализируемой смеси с изменяющимися характеристиками газового потока на входе в газоанализатор.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому изобретению является детектор по теплопроводности для анализа газов, выполненный в виде металлического корпуса, в котором размещены подсоединенные в нижней части к подводящему газовому каналу, а в верхней - к отводящему, цилиндрические камеры, в которых помещены чувствительные элементы, окруженные тепловыми экранами, установленными с зазором по отношению к стенкам камеры, в каждом тепловом экране выполнены два поперечных канала, причем ось нижнего совпадает с подводящим, а ось верхнего - с отводящим каналами корпуса, а чувствительные элементы расположены между поперечными каналами экрана [2].

Наличие тепловых экранов уменьшает влияние изменений расхода газа на процесс измерения, однако при значительных отличиях расходов в измерительных и сравнительных камерах проявляется зависимость выходного сигнала от колебаний (изменений) характеристик (температуры, давления и расхода) газовых потоков в детекторе при измерении малых концентраций примеси в анализируемом газе и при работе в области давлений, ниже атмосферного.

Цель изобретения - повышение чувствительности, помехоустойчивости и увеличение точности измерений, при одновременном обеспечении стабильности электрического сигнала во время работы в вакуумной области и при измерении малых концентраций примеси в анализируемом газе.

Указанная цель достигается тем, что при помощи двух, различного вида, тепловых экранов каждая камера делится на три концентричные полости. Средняя является буферным газовым слоем, разделяющим внешнюю, где идет процесс активного массообмена, и внутреннюю полость, где осуществляется измерительное преобразование теплопроводности в электрический сигнал, что исключает отвод тепла газовым потоком от чувствительных элементов. Один экран, сделанный, например, из меди, имеет хороший тепловой контакт с корпусом детектора. Второй экран, сделанный из пористого материала, служит одновременно элементом обеспечения защиты чувствительных элементов от загрязнения взвешенной в анализируемой среде пылью, аэрозолями и т.д. Терморезисторные чувствительные элементы изготовлены, например, в виде спиралей, размещенных между двумя изоляторами, причем один из опорных изоляторов выполнен подвижным, что позволяет за счет натяжения изменять шаг (расстояние между витками) спиралей и, тем самым, изменять характеристики теплоотдачи чувствительных элементов, с целью достижения их высокой идентичности. Выходные каналы корпуса объединены непосредственно после выхода из камер и соединены с общим выходным штуцером, что позволяет уравнять давления анализируемого и эталонного газов в рабочей и сравнительной камерах соответственно и снимает зависимость выходного сигнала детектора от изменения давления анализируемого и сравнительного газов.

На чертеже представлен детектор по теплопроводности.

В массивном металлическом корпусе 1 имеются по крайней мере два (или четыре) параллельных цилиндрических отверстия 2, имеющих входные каналы 3 и выходные, соединенные вместе, каналы 4. Внутри цилиндрических отверстий помещены измерительные ячейки. Гайка 5, подвижный опорный изолятор 6, пружина 7 и стойка 8 служат для растяжения (сжатия) чувствительных элементов, выполненных в виде последовательно соединенных отрезков (по крайней мере, четырех) спиралей 9, например из никелевой проволоки, расположенных равномерно по цилиндрической поверхности. Чувствительные элементы 9 окружены двойным экраном. Первый, внутренний, экран 10 выполнен, например, из меди, имеет хороший тепловой контакт с корпусом детектора и серию отверстий для повышения скорости газообмена внутри камеры. Второй, внешний, экран 11 выполнен из пористого материала, имеющего низкую теплопроводность. Чувствительные элементы 9 с экранами 10 и 11 центрируются в отверстии при помощи специальных втулок 12. Фланцы 13 служат для герметизации рабочего пространства. Через изоляторы 14 выходят выводы 15 чувствительных элементов 9.

Детектор работает следующим образом.

В один входной канал 3 поступает анализируемая газовая смесь, в другой входной канал 3 - эталонный (сравнительный) газ. Массивный корпус 1 необходим для уменьшения влияния колебаний температуры. Газовые потоки протекают по наружным кольцевым полостям между корпусом 1 и пористым экраном 11. Состав анализируемой газовой среды в кольцевой буферной полости (ограничиваемой экранами 10 и 11) и цилиндрической измерительной полости выравнивается путем диффузии примеси под действием радиального градиента концентрации примеси. Благодаря хорошей теплопроводности материала экрана 10 его температура практически одинакова с температурой корпуса и градиент температуры в кольцевых полостях близок к нулю, что обеспечивает отсутствие отвода тепла, выделяемого нагретыми чувствительными элементами через поток анализируемого (и эталонного) газа и соответственно устраняет влияние изменений и неравенства расходов газа через камеры 2. Выходные каналы 4 имеют до места объединения длину и поперечное сечение, обеспечивающие отсутствие перепада давления на них в рабочем интервале изменений расхода, что обеспечивает равенство давлений газовой среды при любых изменениях расходов и абсолютных давлений. Натяжение терморезисторных чувствительных элементов производится за счет пружины 7. При изменении положения гайки 5 на стойке 8 соответственно меняется положение опорного подвижного изолятора 6, в результате чего регулируется расстояние между витками спиралей 9. Мостовая схема балансируется перед измерениями при пропускании через обе камеры одного и того же газа, предпочтительно - эталонного. Выходной сигнал формируется при различии состава и теплопроводности эталонного и анализируемого газов.

Предлагаемый детектор теплового газоанализатора обеспечивает более высокую точность, помехозащищенность, стабильность, чувствительность и достаточное быстродействие. Имеет высокую коррозионную стойкость, способность противостоять скачкам давления, защищенность от пыли и агрессивной среды. Наиболее эффективно применение предлагаемой конструкции при измерениях величины примесей в разреженных газовых средах (в области среднего вакуума), когда затруднительно обеспечивать идентичность давлений и расходов анализируемого и эталонного газов, а благодаря высокой скорости диффузии в вакууме обеспечивается достаточное быстродействие.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 54693, G 01 N 27/18, 1937.

2. Авторское свидетельство СССР N 787974, G 01 N 27/18, 1980.

Использование: в аналитическом приборостроении и служит для газового анализа. Сущность: каждая из камер - измерительная и сравнительная - при помощи двух различного вида экранов разделена на три полости, причем средняя является буферной (промежуточной) между полостью активного массообмена и полостью непосредственного преобразования теплопроводности в электрический сигнал. Технический результат - повышение чувствительности, помехоустойчивости и увеличение точности измерений при одновременном обеспечении стабильности электрического сигнала во время работы в вакуумной области и при измерении малых концентраций примеси. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Детектор по теплопроводности для обнаружения примесей газов, содержащий металлический корпус с идентично выполненными в нем цилиндрическими измерительными и сравнительными камерами с помещенными в них терморезисторными чувствительными элементами и тепловыми экранами и соединенными газовыми каналами с входными штуцерами для подвода анализируемой газовой смеси и газовой смеси, заведомо очищенной от измеряемого компонента, и выходным штуцером, отличающийся тем, что в каждой камере соосно с цилиндрическим тепловым экраном, изготовленным из металла с высокой теплопроводностью и имеющим хороший тепловой контакт с корпусом, установлен дополнительно второй цилиндрический экран большего диаметра, чем первый, так, что камера разделена на три концентрические полости, причем внутренняя измерительная полость, ограниченная первым экраном и содержащая нагретый чувствительный элемент, отделена от внешней полости, ограниченной стенкой камеры и вторым экраном и служащей для пропускания газового потока, буферной полостью, образованной пространством между первым и вторым экранами. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный экран выполнен из пористого материала, а тепловой экран выполнен со сквозными отверстиями для повышения скорости газообмена в измерительной полости. 3. Детектор по п.1, отличающийся тем, что чувствительные элементы выполнены в виде отрезков спирали, соединенных последовательно и размещенных между двумя изоляторами параллельно оси измерительной полости на одинаковых расстояниях от оси и равномерно распределенных по азимуту. 4. Детектор по пп.1 и 3, отличающийся тем, что один из изоляторов каждого чувствительного элемента выполнен подвижным. 5. Детектор по п.1, отличающийся тем, что выходные газовые каналы всех камер объединены непосредственно при выходе из камер и соединены с общим выходным штуцером.