МАГНИТНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2003 года по МПК G01N27/76 

Изобретение относится к средствам аналитической техники, а именно к анализаторам концентрации кислорода в газовых средах, использующих в работе явление втягивания парамагнитных газов в магнитное поле.

Известен магнитный газоанализатор (Агейкин Д.И. Магнитные газоанализаторы. М.: Госэнергоиздат, 1963. с.25-26), содержащий проточную камеру, в которой на тонкой упругой нити подвешен миниатюрный ротор из диамагнитного материала, имеющий форму гантели. Одна половина ротора размещена в неоднородном магнитном поле. При изменении концентрации кислорода в газовой среде, протекающей через камеру, ротор поворачивается на некоторый угол, так как изменяется сила втягивания кислорода в магнитное поле. Угол поворота ротора является мерой концентрации кислорода.

Недостатком такого анализатора является высокая чувствительность к вибрациям, сложность конструкции и высокая стоимость.

Наиболее близким по технической сущности является магнитный газоанализатор (авторское свидетельство 221387, БИ 21, 1968), содержащий измерительную камеру из немагнитного материала с каналами для подвода и отвода газовых потоков, установленные в камере полюсные наконечники постоянного магнита и ложные наконечники из немагнитного материала с отверстиями в одном полюсном и в одном ложном наконечниках, которые сообщены с измерительной камерой и соединены каналами сравнительного газа с выходным штуцером источника этого газа, в каждом из которых размещен терморезистор, неравновесный электрический мост, в который включены эти терморезисторы, и измеритель сигнала неравновесного моста.

При протекании через измерительную камеру газоанализатора анализируемого газа, содержащего кислород, последний втягивается в неоднородное магнитное поле полюсных наконечников постоянного магнита, что вызывает изменение расхода сравнительного газа, вытекающего из отверстия в этом полюсном наконечнике, а это вызывает изменение теплового режима одного из терморезисторов, что и вызывает разбаланс неравновесного моста, который и является мерой концентрации кислорода.

Недостатком такого магнитного газоанализатора является низкая чувствительность, составляющая 0,25 мВ/об.% (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Автоматические детекторы газов и жидкостей. М.: Энергоиздат, 1983, с.59-60).

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности магнитного контроля концентрации кислорода в газовых средах.

Технический результат - создание магнитного газоанализатора, обладающего на порядок большей чувствительностью, чем известные.

Технический результат достигается тем, что в состав магнитного газоанализатора, содержащего измерительную камеру из немагнитного материала с каналами для подвода и отвода газовых потоков, установленные в камере полюсные наконечники постоянного магнита и ложные наконечники из немагнитного материала с отверстиями в одном полюсном и в одном ложном наконечниках, которые сообщены с измерительной камерой и соединены каналами сравнительного газа с выходным штуцером источника этого газа, в каждом из которых размещен терморезистор, неравновесный электрический мост, в который включены эти терморезисторы, и измеритель сигнала неравновесного моста, дополнительно включены канал вспомогательного газа со штуцером, расположенным в его середине, источник вспомогательного газа и дроссель, при этом источник вспомогательного газа содержит две камеры, отделенные друг от друга мембраной, обладающей селективной проницаемостью к водороду, первая из камер снабжена входным и выходным штуцерами, а во второй размещен гидридный источник водорода и электронагреватель, причем канал вспомогательного газа включен между каналами сравнительного газа так, что места подсоединения этих каналов расположены между выходным штуцером источника сравнительного газа и терморезисторами, штуцер канала вспомогательного газа соединен с выходным штуцером первой камеры источника вспомогательного газа, а входной штуцер этой камеры соединен через дроссель с источником сравнительного газа.

Такая конструкция магнитного газоанализатора обеспечивает увеличение чувствительности измерения концентрации кислорода в газовых средах в 8-10 раз за счет того, что отвод теплоты от терморезисторов осуществляется не только за счет изменения расхода сравнительного газа, но и за счет изменения теплопроводности потока газов, омывающего терморезисторы, которое связано с изменением соотношения расходов сравнительного газа и вспомогательного газа, содержащего водород.

По сравнению с прототипом заявленная конструкция имеет отличительные особенности в совокупности элементов и их взаимном расположении.

Схема магнитного газоанализатора показана на чертеже.

Магнитный газоанализатор содержит измерительную камеру 1 из немагнитного материала с каналами 2 и 3 для подвода и отвода газовых потоков, в которой установлены полюсные наконечники 4 и 5 постоянного магнита 6 и ложные наконечники 7 и 8 из немагнитного материала.

Полюсный наконечник 4 и ложный наконечник 7 снабжены отверстиями 9 и 10, которые сообщены с измерительной камерой 1 и соединены каналами 11 и 12 с выходным штуцером 13 источника 14 сравнительного газа. В каналах 11 и 12 размещены терморезисторы 15 и 16, которые включены в неравновесный мост 17, а к измерительной диагонали моста подключены измеритель разности потенциалов 18, например электронный потенциометр или микровольтметр. Неравновесный мост кроме терморезисторов 15 и 16 содержит постоянные резисторы R1, R2 и переменный резистор R0, служащий для настройки начального значения сигнала неравновесного моста 17.

Для питания неравновесного моста 17 служит стабилизированный источник напряжения 19.

В состав магнитного газоанализатора дополнительно включены канал вспомогательного газа 20 с расположенным в его середине штуцером 21, источник вспомогательного газа 22 и дроссель 23. Источник вспомогательного газа содержит две камеры 24 и 25, отделенные друг от друга мембраной 26, обладающей селективной проницаемостью к водороду. Камера 24 снабжена входным 27 и выходным 28 штуцерами, а в камере 25 размещен гидридный источник водорода 29 (Подгорный А.Н. и др. Водород - топливо будущего. К.: Науковая думка, 1978, с. 56-58) и электронагреватель 30, который подключен к стабилизированному источнику питания 31. Канал вспомогательного газа 20 включен между каналами 11 и 12 сравнительного газа так, что места соединения 32 и 33 этих каналов расположены между выходным штуцером источника сравнительного газа и терморезисторами. Штуцер 21 канала вспомогательного газа соединен с выходным штуцером 28 камеры 24, штуцер 27 через дроссель 23 соединен с источником сравнительного газа 14.

Работа магнитного газоанализатора осуществляется следующим образом.

От источника сравнительного газа 14 непрерывно подают потоки сравнительного газа (воздуха или азота) со стабильными параметрами в каналы 11 и 12 и к дросселю 23. В камеру 1 подают поток анализируемого газа с постоянным расходом. Гидридный источник водорода нагревают до температуры 180-200^oС с помощью нагревателя 30 за счет энергии источника питания 31. При этом из источника выделяется водород, который диффундирует через мембрану 26 и попадает в поток сравнительного газа, поступающего через штуцер 27 от дросселя 23. В результате смешения в камере 24 потока сравнительного газа и диффундирующего через мембрану 26 водорода образуется вспомогательный газ, который подают через штуцер 21 в канал 20, а из последнего он поступает в каналы 11 и 12. Концентрация водорода во вспомогательном газе постоянна и может подбираться путем изменения расхода сравнительного газа, поступающего из дросселя 23. Таким образом терморезисторы 15 и 16 непрерывно омываются газовыми потоками, состоящими из сравнительного газа и водорода. За счет теплообмена между терморезисторами 15 и 16 и названными потоками при постоянной концентрации кислорода в анализируемом газе терморезисторы 15 и 16 нагреваются током неравновесного моста 17 до некоторых постоянных температур. С помощью резистора R0 устанавливают начальные значения разбаланса неравновесного моста 17. При изменении концентрации кислорода, например при увеличении, истечению смеси газов из полюсного наконечника 9 будет оказываться большее сопротивление за счет втягивания в магнитное поле больших количеств кислорода, содержащегося в анализируемом газе. Поэтому расход смеси газов через канал 11 уменьшится. Одновременно изменится (при соответствующем подборе пневматических сопротивлений каналов 11, 12, 20) соотношение потоков сравнительного и вспомогательного газов так, что концентрация водорода в смеси, омывающей терморезистор 15, уменьшится, а в смеси, омывающей терморезистор 16, увеличится.

В результате терморезистор 15 будет омываться потоком газа, движущимся с меньшей скоростью и содержащим меньше водорода, а терморезистор 16 будет омываться потоком газа, движущимся с большей скоростью и содержащим больше водорода. Поэтому температура терморезистора 15 будет увеличиваться, а терморезистора 16 - уменьшаться.

Изменение сопротивлений терморезисторов 15 и 16 вызывает разбаланс неравновесного моста, который измеряется потенциометром 18 и пропорционален концентрации кислорода в анализируемом газе.

Интенсивность теплообмена между терморезисторами 15 и 16 и газовыми потоками в данном магнитном газоанализаторе существенно больше, чем при омывании их только чистым сравнительным газом (в анализаторе-прототипе), так как теплообмен при омывании терморезисторов газовой смесью, содержащей водород с изменяющейся концентрацией, будет происходить не только за счет конвекции, но и еще за счет теплопроводности. Использование этого явления позволяет, как показывают эксперименты, увеличить чувствительность измерения в 8-10 раз.

Преимуществом предлагаемого технического решения являются:
- простота конструкции и эксплуатации;
- возможность применения для модернизации существующих магнитных газоанализаторов;
- относительно невысокая стоимость.

Предлагаемое устройство может быть реализовано на базе существующих магнитных газоанализаторов и гидридного источника водорода.

Устройство может найти применение как для высокочувствительного автоматического контроля концентрации кислорода на технологических потоках различных отраслей промышленности, так и для измерения концентрации при исследовании процесса дыхания и кислородной терапии в медицинских учреждениях. Оно может быть также использовано в качестве равночувствительного детектора в промышленной газовой хроматографии.

Использование: для анализа концентрации кислорода в газовых средах. Сущность изобретения: магнитный газоанализатор содержит измерительную камеру из немагнитного материала с каналами для подвода и отвода газовых потоков, установленные в камере полюсные наконечники постоянного магнита и ложные наконечники из немагнитного материала с отверстиями в одном полюсном и в одном ложном наконечниках, которые сообщены с измерительной камерой и соединены каналами сравнительного газа с выходным штуцером источника этого газа, в каждом из которых размещен терморезистор, неравновесный электрический мост, в который включены эти терморезисторы, и измеритель сигнала неравновесного моста. Отличие анализатора состоит в том, что в анализатор дополнительно включены канал вспомогательного газа со штуцером, расположенным в его середине, источник вспомогательного газа и дроссель, при этом источник вспомогательного газа содержит две камеры, отделенные друг от друга мембраной, обладающей селективной проницаемостью к водороду, первая из камер снабжена входным и выходным штуцерами, а во второй размещен гидридный источник водорода и электронагреватель, причем канал вспомогательного газа включен между каналами сравнительного газа так, что места подсоединения этих каналов расположены между выходным штуцером источника сравнительного газа и терморезисторами, штуцер канала вспомогательного газа соединен с выходным штуцером первой камеры источника вспомогательного газа, а входной штуцер этой камеры соединен через дроссель с источником сравнительного газа. Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности. 1 ил.

Магнитный газоанализатор, содержащий измерительную камеру из немагнитного материала с каналами для подвода и отвода газовых потоков, установленные в камере полюсные наконечники постоянного магнита и ложные наконечники из немагнитного материала с отверстиями в одном полюсном и в одном ложном наконечниках, которые сообщены с измерительной камерой и соединены каналами сравнительного газа с выходным штуцером источника этого газа, в каждом из которых размещен терморезистор, неравновесный электрический мост, в который включены эти терморезисторы, и измеритель сигнала неравновесного моста, отличающийся тем, что в анализатор дополнительно включены канал вспомогательного газа со штуцером, расположенным в его середине, источник вспомогательного газа и дроссель, при этом источник вспомогательного газа содержит две камеры, отделенные друг от друга мембраной, обладающей селективной проницаемостью к водороду, первая из камер снабжена входным и выходным штуцерами, а во второй размещен гидридный источник водорода и электронагреватель, причем канал вспомогательного газа включен между каналами сравнительного газа так, что места подсоединения этих каналов расположены между выходным штуцером источника сравнительного газа и терморезисторами, штуцер канала вспомогательного газа соединен с выходным штуцером первой камеры источника вспомогательного газа, а входной штуцер этой камеры соединен через дроссель с источником сравнительного газа.