СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОГО СОСТАВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2005 года по МПК G01N21/67 G01N27/62 

Изобретение относится к технологии многопараметрового контроля, в частности к методу определения газового состава среды, основанного на измерении степени ионизации плазменной газовой среды при различных напряженностях электромагнитного поля, и может быть использовано в технике и при мониторинге окружающей среды: контроль высокотемпературной газовой смеси в камере сгорания энергетических установок и двигателей в авиа- и ракетостроении, обнаружение инородных микропримесей, в том числе металлов, в воздухе и т.д.

Известны способы определения газового состава окружающей среды, заключающиеся в том, что исследуемую область среды сканируют в прямом и обратном направлениях электромагнитным излучением с фиксированной длиной волны, измеряют интенсивность сигналов взаимодействия излучения со средой на второй и третей длинах волны из заданного количества точек исследуемой области среды [патенты РФ №№ 2167408, 2167409, G 01 N 21/63].

Эти способы физически основаны на оптических методах и пригодны для исследования газовой среды в нормальных условиях. В случаях, когда физическое состояние окружающей газовой среды отличается от нормальных, например низкие или высокие влажность, температура, давление, наличие тумана или дыма и др., то использовать данные способы бессмысленно из-за низкой достоверности контроля.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ определения газового состава окружающего воздуха, заключающийся в активном зондировании исследуемой зоны электромагнитным сигналом на резонансной частоте спектра поглощения газа миллиметрового диапазона длин волн вблизи линии поглощения водяного пара в воздухе и по степени поглощении сигнала судят о параметрах искомого газа [патент РФ № 2092814, G 01 N 21/61, БИ 1997, № 28].

Недостатком этого способа является функциональное ограничение, заключающееся в определении параметров только одного заданного газа, находящегося в окружающем воздухе, на частоте спектра поглощения этим газом вблизи линии поглощения водяного пара воздуха. Кроме того, спектр поглощения для других основных газов воздуха в миллиметровом диапазоне соизмерим, поэтому погрешность определения параметров других газов этим способом может достигать 100% и более.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе определения газового состава окружающей среды, заключающемся в том, что перед сканированием в прямом и обратном направлениях исследуемой зоны в локальном объеме газовой среды двухэлектродным электромагнитным преобразователем создают в локальном объеме газовой среды низкотемпературную плазму, которая ионизирует газовою среду в этом объеме, а двухэлектродный преобразователь возбуждают поочередно не менее двух различных фиксированных резонансных частот для создания в окрестности электродов преобразователя напряженностей электромагнитного поля в соответствии с фиксированными частотами, а при сканировании преобразователем зоны плазмы регистрируют в момент совмещения преобразователя с плазмой электрические проводимости между электродами преобразователя на фиксированных частотах. По полученным значениям проводимости судят аналитически о составных компонентах газовой смеси и других микровключений в исследуемом объеме окружающей среды.

Техническим результатом изобретения является одновременное определение состава исследуемой газообразной среды, наличия инородных микровключений в газовой среде как в открытых (воздух), так и замкнутых (камера сгорания) объемах в динамических условиях вследствие появления нелинейных эффектов ионизированного газа при определенных напряженностях электромагнитного поля, создаваемых на частотах более 100 МГц.

На фиг.1 приведена структурная схема измерения (электромагнитного газоанализатора); на фиг.2 - конструкция двухэлектродного электромагнитного преобразователя; на фиг.3 - эквивалентные общая (а) и параллельная (б) схемы замещения фиг.2.

Структурная схема измерения, реализующая способ, содержит высокочастотный генератор 1, электрические элементы которого выбраны таким образом, чтобы реактивная проводимость σ_с среды плазменного промежутка влияла только на частоту генератора, а активная проводимость σ_о среды - на амплитуду генератора, двухэлектродный, например коаксиальный, преобразователь 2 (фиг.2), подключенный к выходам высокочастотного генератора 1, блок 3 частотной и амплитудной демодуляции несущих частот генератора 1, выделяющий информацию об активной и реактивной проводимостей σ_о и σ_с, усилитель 4 постоянного тока и регистратор 5.

Выходы генератора 1 представляют собой s колебательные контура, настроенные в резонанс на различные друг от друга фиксированные частоты и подключенные к двухэлектродному преобразователю 2. Колебательные контуры генератора 1 коммутированы и действуют (включаются) в строгой последовательности в соответствии с частотой коммутации, а следовательно, возбуждают поочередно токами высокой частоты двухэлектродный преобразователь 2 на время, определяемое частотой коммутации. Несущие частоты контуров генератора 1 фиксированы и их частота должна быть f≥150 МГц для устранения влияния приэлектродных слоев преобразователя 2 на общую проводимость σ среды. Частота коммутации должна быть не менее, чем на три порядка меньше несущих фиксированных частот. В качестве регистратора может служить монитор. Низкотемпературную плазму создают с помощью газовой горелки.

Способ функционирует следующим образом.

В локальном объеме газовой среды создают низкотемпературную плазму для ионизации газовой среды в этом объеме, возбуждают двухэлектродный преобразователь поочередно токами не менее двух различных фиксированных резонансных частот для создания в окрестности электродов преобразователя различных напряженностей электромагнитного поля в соответствии с количеством фиксированных частот, затем сканируют преобразователем в прямом и обратном направлениях зоны плазмы, регистрируют в момент совмещения преобразователя с плазмой электрические проводимости между электродами преобразователя на фиксированных частотах и по измеренным значениям проводимости определяют аналитически газовый состав и другие микровключения в исследуемом объеме окружающей среды.

Возможность многопараметрового контроля обусловлена появлением нелинейных эффектов ионизированного газа при определенных напряженностях электромагнитного поля [1]. Теоретически можно показать, что электрическая проводимость σ плазменной (ионизированной) среды описывается выражением

где е, m_е - заряд и масса электрона соответственно;

k - постоянная Больцмана;

Т_е - электронная температура, т.е. температура электронов в ионизированной среде;

q_s - потенциал ионизации s-го компонента;

Q_s - эффективная площадь соударений электрона с тяжелой частицей s-го компонента;

s - число компонентов газовой ионизированной среды;

Р_о - полное давление газа;

P_s - парциальное давление s-го компонента, связанное с полным давлением уравнением Дальтона

Одной из характерных особенностей ионизированного газа является появление нелинейных эффектов уже в сравнительно небольших и легко дистижимых электрических полях. В стационарном случае при рассмотрении неупругих соударений энергия, приобретаемая электронами, должна быть равна потерям, т.е.

где n_е, ν_es - концентрация электронов и эффективная частота соударений электронов s-го компонента;

m_s - атомный вес s-го компонента;

δ_s - коэффициент потерь при неупругих соударениях;

Т_о - массовая температура (общая температура ионизированной среды);

j - плотность тока в среде плазмы;

Е - напряженность среды плазмы.

Учитывая, что j=σЕ, получим выражение для электронной температуры

Из выражения (3) следует, что электронная температура Т_е зависит от напряженности поля Е, давления Р_о и количества частиц газа с большими значениями поперечной площади рассеяния Q и коэффициента потерь δ. Для упрощения проведения расчетов и экспериментального удобства подтверждения теоретических результатов проведем исследование для двухтемпературной плазмы.

Если имеется двухтемпературная плазма N=1, 2 с массовой и электронной температурами, то при различных значениях напряженности поля электропроводность будет различной и выражения для σ_N и E_N примут вид

Следовательно, придавая различные значения напряженности поля E_N, возможно составить необходимое количество независимых уравнений для определения таких электрофизических параметров плазмы, как электронная и массовая температуры Т_е Т_о, общее давление P_o и парциальное давление составляющих компонентов газа Р_s, т.е. газового состава плазмы.

Проводимость плазмы σ имеет активную и реактивную составляющие σ_о и σ_с. Одновременное измерение этих составляющих позволяет определить такие параметры, как электронная концентрация n_е и частота столкновения электрона ν_e с тяжелыми частицами

где ω - круговая частота;

е, m - заряд и масса электрона;

ε_o, ε - абсолютная и относительная диэлектрические проницаемости измеряемой среды.

Используя уравнение Саха [2], можно получить следующие выражения:

При рассмотрении проводимости плазмы, находящейся между двумя электродами, покрытыми диэлектрическим изолятором (фиг.2), реальную систему с распределенными параметрами можно заменить системой с сосредоточенными параметрами, электрическая схема которой представлена на фиг.3.

где σ_u1, σ_u2 - проводимость изоляционных слоев первого и второго электродов;

σ_c1, σ_с2 - проводимость приэлектродных слоев первого и второго электродов;

σ_о, σ₂ - активная и реактивная проводимость плазменного промежутка.

Общую эквивалентную схему на фиг.3а можно заменить параллельной эквивалентной схемой на фиг.3в. Параллельной схемой удобно пользоваться, когда в измерительной схеме (фиг.1) параллельно преобразователю подключается катушка индуктивности или параллельный колебательный контур. В этом случае при резонансе собственной частоты колебательного контура и частоты питающего генератора эквивалентные активная и реактивная проводимости могут проявлять свое действие независимо друг от друга согласно уравнениям параллельной эквивалентной цепи. При частотах f>150 МГц влияние приэлектродных слоев на общую эквивалентную проводимость составляет не более 1% и поэтому ими можно пренебречь.

Тогда эквивалентные активное и реактивное сопротивления будут функциями активной и реактивной проводимостей σ_о и σ_с плазмы, круговой частоты ω и емкости С приэлектродного слоя, на котором производятся измерения.

Поскольку оболочка преобразователя (фиг.2) является изолятором, а ток из плазмы на преобразователе равен нулю, то в окрестности преобразователя формируется слой объемного заряда - “слой Дебая”. Толщина приэлектродного дебаевского слоя определяется выражением [3]

Проведя измерения активного и реактивного сопротивлений межэлектродного промежутка на двух разных частотах, можно определить следующие параметры:

где К=ω₁/ω₂;

R₁ и R₂ - активные сопротивления межэлектродного промежутка на двух разных частотах;

ΔС - разность емкостей приэлектродного слоя;

F - площадь центрального электрода;

d_u - толщина изолятора;

ε_u - диэлектрическая проницаемость материала изолятора.

Зная значения ν_e, n_e, Т_е и используя выражения (8) и (9), можно определить массовую температуру и давление.

Таким образом, предложенный многопараметровый метод позволяет определить такие важные параметры газовой среды, как Т_е, Т_о, Р_о, P_s, n_e, ν_e, характеризующие свойства компонентов среды. Так как каждый компонент газовой смеси обладает определенными значениями этой группы параметров, то, изменяя электрическую проводимость газовой среды, можно получить другие значения группы параметров, характеризующих другие компоненты смеси. Значения группы параметров Т_е, Т_о, Р_о, P_s, n_e, ν_e для других компонентов получают при наложении разных по величинам напряженностей на зону плазмы и в этом случае определяют аналитически с учетом вышевыведенных формул (например, автоматизирование) по измеренным значениям электрической проводимости данной плазмы на разных частотах.

Экспериментальная проверка основных теоретических предпосылок была осуществлена на разработанной схеме электромагнитного газоанализатора (фиг.1), создающего различные напряженности электромагнитного поля и регистрирующего электрическую проводимость низкотемпературной плазмы в контролируемой зоне между электродами (чувствительными элементами) измерительного преобразователя 2.

Экспериментальные измерения проводились на ацетиленокислородном пламени и аргоновой плазме путем перемещения датчика по сечению плазменной струи. На ацетиленокислородном пламени при различных режимах горения были проведены измерения и определены температуры Т_о и T_е, значения которых менялись соответственно в пределах 4000-4500°С и 2000-2500°С. В случае аргоновой плазмы давление было равно атмосферному, что позволило определить парциальное давление аргона и воздуха. Во всех экспериментах погрешность определения контрольного параметра Р_o не превышала 10%.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитного метода с использованием нелинейных свойств плазменной среды подтверждают возможность и перспективность данного метода для измерения свойств и состава плазмы. Наибольшие перспективы по использованию данного метода - это контроль электрофизических параметров высокотемпературной газовой среды в камере сгорания энергетических установок и двигателях авиа- и ракетостроения, а также для обнаружения микропримесей веществ в воздухе при течеискании и мониторинге воздушной среды в экологии.

Литература

1. Гинсбург В.П. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Мир, 1960.

2. Саттон Дж., Шерман А. Основы технической магнитной газодинамики. М.: Мир, 1968.

3. Степанов Е.Н., Дьячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическое поле. М.: Мир, 1968.

Изобретение относится к технологии многопараметрового контроля. В локальном объеме газовой среды создают низкотемпературную плазму для ионизации газовой среды в этом объеме, возбуждают двухэлектродный преобразователь поочередно токами не менее двух различных фиксированных резонансных частот для создания в окрестности электродов преобразователя различных напряженностей электромагнитного поля в соответствии с количеством фиксированных частот. При сканировании преобразователем зоны плазмы фиксируют в момент совмещения преобразователя с плазмой электрические проводимости между электродами преобразователя на фиксированных частотах и по значениям проводимости судят о составе газа и других микровключений в исследуемом объеме окружающей среды. Техническим результатом изобретения является одновременное определение состава исследуемой газообразной среды, наличия инородных микровключений в газовой среде как в открытых (воздух), так и замкнутых (камера сгорания) объемах в динамических условиях за счет появления нелинейных эффектов ионизированного газа при определенных напряженностях электромагнитного поля. 3 ил.

Способ определения газового состава окружающей среды, заключающийся в прямом и обратном сканировании исследуемой зоны в локальном объеме двухэлектродным электромагнитным преобразователем, отличающийся тем, что в локальном объеме газовой среды создают низкотемпературную плазму для ионизации газовой среды в этом объеме, возбуждают двухэлектродный преобразователь поочередно токами не менее двух различных фиксированных резонансных частот для создания в окрестности электродов преобразователя различных напряженностей электромагнитного поля в соответствии с количеством фиксированных частот, а при сканировании преобразователем зоны плазмы фиксируют в момент совмещения преобразователя с плазмой электрические проводимости между электродами преобразователя на фиксированных частотах и по значениям проводимости судят о составе газа и других микровключений в исследуемом объеме окружающей среды.