Способ измерения концентрации парамагнитного компонента в газовой среде Советский патент 1984 года по МПК G01N27/72 

л $$$$$ Выход

(Риз. 1

ю

Од

00

ел

00 2 3 W v &-0

2. Скособ по ПаIj о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью снижения расхода исследуемой газовой срйды , используют стоячие акустические колебания в замкну/ч том объеме с исследуемой ере дои .

3« Способ по п,1, отличающийся тем, что, с целью уменьше кия времени замещения исследуемой среды, используют бегущие волны в открытом пространстве с исследуемой средой.

6858

4„ Способ по п«1, отличаюD; и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, одновре- , менно с возбуждением акустических колебаний в исследуемой среде возбуждают с этой же частотой акустические колебания в эталонной среде, изменяют степень влияния на регистрируеtmo физическую величину колебаний магнитной проницаемости исследуемой и {и-ли I эталонной газовых сред, и по отножению степеней в момент компенсации определяют искомую концентраци о.

иСПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ 11АРА 1АГНИТНОГО КОМПОНЕНТА В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ, основанньш на регист-i рации измерительной системой физической величины, функционально связанной с магнитной проницаемостью, газа в исследуемой среде, отличающийся тем, что, с целью . повьшения чувствительности измерения, в исследуемой среде возбуждают акустические колебания, и в точках пространства, совпадающих с формой акустических колебаний, измеряют значение переменной составляющей регистрируемой величины, по значению которой определяют концентрацию парамагнитного компонента.

1 Изобретение относится к аналитическому дриборостроению, к способам анализа веществ по их магнитным свойствгм,,и .может быть использовано например, для определения концентра ции свободного кислорода в составе топочных газов. Анализ концентрации кислорода в газах в настоящее время производится различными способами,, основан ными на использовании различных зависимостей физических и химических величин от концентрации свободного кислорода в газовой среде. Известны способы определения концентрации кислорода в газовой среде по ее магнитной проницаемости Определение магнитной проницаемости среды осуществляют измерением функ ционально связанных с ней величин. Такими величинами являются, наприме индуктивность и взаимная индуктив ность катушек, охватывающих объем, с исследуемой средой, коэффициент передачи радиоканала связи, проходЯ щего через исследуемую газовую смес .частота автогенератора задающий ко тур которого находится в исследуемом газе; магнитная индукция поля,, пронизывающего исследуемый объем и т,д, 1 , Изменение концентрации свободного кислорода в газе сопровождается сопутствующими изменениями магнитной проницаемости газовой среды и функционально связанных с ней регис рирующих величине Таким образом.

2 Значеьше регистрируемой величины является мерой концентрации свободного кислорода при использовании известных способов. Например, индуктивность катутпки пропорциональна магнитной проницаемост.и веодества в ее объеме, следовательно, тракт измерения индуктивности может быть мепосредственно откалиброван для концентрации вещества с известной магнитной проницаемостью, находящегося в объеме катушки. Известно, что попытки анализа газов по их магнитным свойствам не дали удовлетворительных результатов из-за дрейфа нуля измерений. Это обусловлено низкой магнитной проницаемостью молекулярного кислорода, и, как следствие, слабой зависимостью регистрируемых величин от его концентрации, Действительно, относительная маг нитная проницаемость кислорода составляет при его нормальном давлеНИИ и температуре 1°,00000 18, Следовательно j замещение объема с вакуумом 100%-ным кислородом вызывает, например, приращение индуктивности катушки всего на ,8 -10, Поскольку зависимость других физических величин от магнитной проницаемости может быть и не пропорциональна степенной, и диапазон воз.ножных измеряе№гх концентраций распространяется до 0,1%,то требуемая разрешающая способность измерений к настоящему времени должна находиться на уровне 10Э%,

Таким образом, задача определения концентрации кислорода по изменению величины, функционально связанной с ъшгнитной проницаемостью газа, сводится к вьзделению и регистрации приращения этих величин, вызываемых присутствием кислорода, в то время, как сама величина превышает эти приращения на несколько порядков, При этом, дрейф величины во времени за счет нестабильности измерительно системы при измерении температуры и других дестабилизирующих факторов окружающей среды воспринимается при измерении известными способами как информативная составляющая. Этим объясняется значительный дрейф нуля измерений известными способами,

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения концентрации парамагнитного компонента в газовой среде, основанный на регистрации измерительной системой физич ской величины, функционально связанной с магнитной проницаемостью газа в исследуемой среде ,

. Недостатком этого способа является низкая чувствительность и точность измерения, обусловленная нестабильностью измерительной системы

Цель изобретения - повышение чувствительности измерений.

Поставленная цель достигается тем что согласно способу измерения концентрации парамагнитного компонента в газовой среде, основанному на регистрации измерительной системой физической величины, функционально связанной с магнитной проницаемостью в исследуемой среде, в исследуемой среде возбуждают акустические колебания, и в точках пространства совпадающих с формой акустических . колбаний, измеряют значение переменной составляющей регистрируемой величины, по значению которой определяют концентрацию парамагнитного компонента,

С целью снижения расхода исследуемой газовой среды, используют стоя чие акустические колебания в замкнутом обьеме с исследуемой средой,

С целью уменьшения времени замещения исследуемой среды, используют бегущие волны в открытом пространстве с исследуемой средой,

С целью повьшения точности из.мерения, одновременно с возбуждением

акустическ1гх колебаний в исследуемойсреде возбуждают с этой же частотой акустические колебания в эталонной среде, изменяют степень влияния на регистрируемую физическую величину колебаний магнитной проницаемости исследуемой и ( или ) эталонной газовых сред, и по отношению степеней влияния в момент компенсации определяют искомую концентрацию.

0

Предлагаемое техническое решение позволяет перейти к непосредственному измерению информативной сое- , тавляющей регистрируемой величины, так как изменения детерминированных

5 приращений регистрируемой величины осуществляются за достаточно короткие временные интервалы, в течение которых дрейф этой величины пренебрежимо мал. Усреднение результатов

0 измерения в пространстве за счет использования осцилляции магнитной проницаемости объема исследуемой среды в пределах нескольких длин акустических волн и во времени

5 (за счет использования нескольких периодов акустических колебаний ) обеспечивает высокую помехоустойчивость измерений. Таким образом, перечисленные особенности обеспе0чивают увеличение чувствительности и точности измерений.

Использование режима стоячих акустических колебаний или режима бегущих акустических волн позволяет

5 получать наиболее оптимальные характеристики в отношении либо экономичности расхода исследуемой среды, либо быстродействия и точности измерений.

0

Проведение же указанных режимов в двух газовых смесях одна из которы:: является эталонной, и компенсация воздействия процесса модуляций магнитной проницаемости ана5лизируемой среды за счет воздействия аналогичного процесса в эталонной среде позволяет перейти к компенсационному методу измерений концентраций парамагнитного компонента, что позволяет повысить точность измерений.

Предлагаемый способ описывается на частном примере физической величины - индукции магнитного поля в объеме с исследуемым газом, помещенным в магнитном поле. Однако преД лагаемый способ справедлив и для других названных величин, функциоS11нально СЕязанньк с магнитной проницаемостью газа. Сущность способа заключается в следующем, Возбулсдение акустической волны в некотором объеме позволяет получить модуляцию плотности5 следовательно 5 и магнитной проницаемости газовой среды. При этом, результиру щая магнитная проницаемость всего объема с газом может оставаться . неизменной. Реакция регистрирующего ся объема параметра на модуля1Щго ма нитной проницаемости при известных способах измерений объема бьпта бы минимальна., поскольку чувствительность измерительной систе ш относительно магнитной проницаемости элементарных объемовдля всех участков исследуемого пространства является квазипостоянной величинойs В рассма риваемом способе предлагается испол зовать измерргтельную систему, чувст вительност :, которой относительно магнитной проницаемости элементарных объемов является функцией координат пространства, причем согласованной с формой возбуждае;4ьпс акустичecк пc колебаний достигается оптимальная связь переменной составляющей регистрируемой величин с возмущением магнитной проницаемос ти газа во всем исследуемом объеме и максимальная помехоустойчивость измерений. Первоначально рассмотрим режим возбуждергая стоячих акустичес ких колебаний,Возбуждение в газовой среде стоячих акустических рсолебаний приводит к модуляции ее пло ности Р(5, „ В случае отоячих акустическ11х колебаний это может быть выражено в виде зависимости 1+nvcos -XCos rF-tj , П Л,5 где PJJ - средняя плотность газа в резонаторе; гп коэффициент глубинь модуля ции (0,01-0,4); X - координата пространства; iF - длина волны и частота акус тических колебаш-ш, соотвественно. Модуляция плотности газа вызыва модуляцию магнитной проницаемости ) где fa, магнитная постоянная, равнал 4л-10 Гн/м; /.-с- относительная магнитная проницаемость исследуемого газа при его нормальном дав--лении и температуре, Модулязди;я магнитной прош-тцаемос-,. ти ро исследуемого газа непосредствеино оказывает влияние на физическую величину; функционально с ней ..связанную, В качестве примера таких величин можно назвать следующие: магнцтный поток.; пронизывшшций объем с исследуемым газом коэффициент взаимной связи двух катушек индуктивности, связь между которыми осуществляется за счет магнитных полей рассеяния, пронизывающих обтаем с исследуе1чым газом; индуктивность катутнки, объем которой заполнен анализируеьшм тазон; поворот плоскости поляризации света3 пронизывающего объем с нсслед емым газом,, :оазмещеннь М в магнит ном поле и ряд других величин; а Taioice величины второго порядка, зависимости,; например 5 частота peso-, нанса контураS индуктивность катушки которого зависит от магнитной проницаемости с исследуемой средой И т,д,„ t Поскольку .при возб окдении акустических колебаний в исследуемом объеме наблюдается осцилляция магнитной проницаемости газа, переменная составляющая которой является знакопеременной функцией координаты объема X, то для эффективного синфазного воздействия на регистрируемую величину осцилляции магнитной проницаемости элементарных объемов газовой смеси используется фазирование данных воздействий на регистрируемую величину. Это достигается в конкретном случае специальной конструкцией первичного преобразователя. Так, например, в случае физической величины (и) достаточно нспользова-ть датч:ик магнитного потока с чувствительностью, которая являлась бы знакопеременной периодической (с периодом Д) функцией координаты X объема peaoHaTopaj ьгаксимальное значекие которой приходится на пучности акустит еских колебаний, в случае ( 6 ) и ( в) - вь полненис дан-ных катушек секционированным с раз/11носом данных секций вдоль координаты на расстоянии, кратном половине длины акустической волны, размещение данных секций вблизи пучностей акустических колебаний и противофазное включение смежных катутпек. Указанное выполнение измерительного преобразователя позволяет реализовать оптимальное (коррелирован нее) накопление информационного сиг нала и высокую помехозстойчивость измерений, что в конечном итоге обе печивает высокую чувствительность измерения концентрации парамагнитно компонента в газовой среде. Возбуждение с достаточной амплитудой стоячих акустических колебаний требует замкнутого объема с исследу мой средой, так ка резонансное усиление акустических колебаний возможно лишь в резонаторе с высоки значением его добротности. Использование замкнутого объема позволяет до минимума снизить расход исследуемо го газа. На это условие определяет один из принципиальных недостатков рассмотренного режима - ограничение быстродействия измерений, которое,. в основном, определяется временем замещения газовой среды в данном объеме. Другим недостатком рассмотренног режима возбуждения акустических колебаний, хотя и принципиальнЪ преод лимым, является дополнительная погрешность, возникающая за счет -умен шения амплитуды стоячих акустических колебаний при измерении длин акустической волны, например,- под влиянием изменения температуры окружающей среды (уход частоты акустических колебаний от резонансной час тоты резонатора сопровождается резким падением амплитуды акустических колебаний).. Указанных недостатков можно избежать путем использования режима возбуждения бегущих акустических волн. Такое решение позволяет отказаться от использования замкнутых объемов с газом (т.е, объемов с четко выраже ными граничными условиями- резонаторов ) и использовать в качестве камеры, например, полую трубу, следова тельно, уменьшить время замещения газовой среды в данном объеме и повысить стабильность амплитуды акусти ,ческих колебаний, так как в данном случае можно утверждать (пренебрегая демфир тощими свойствами стенок камеры с газовой смесью), нто амплитуда акустических колебаний в камере определяется исключительно подводимой мощностью от возбудителя. Преимущества режима бегущих волн можно уяснить, например, из рассмотрения процессов, происходящих при возбуждении бегущих акустических волн в камере, вьтолненной в виде цилиндрической трубы, заполняемой 1продуваемой / ана1П1зируемой газовой средой и согласованной по звуковому сопротивлению с возбудителем акустических колебаний - с одного ее торца, и с окружающим пространстчвом - с другого ее торца. В этом случае для плотности газа и его магнитной проницаемости и, могут быть записаны следующие выра- жеция:а (). () Эти выражения показывают, что в режиме возбуждения акустических бегущих волн в газовой среде ( аналогично , как это происходит при режиме стоячей акустической волны) в газовой среде наблюдается осцилляция магнитной проницаемости среды. В отличие от выражений (2i и О) в выражениях (3 и. (4 ) не содержится множитель 27 Таким образом, в режиме бегущих акустических волн осцилляция магнитной проницаемости носит знакопеременный характер (вдоль оси X) с периодом, равным длине акустической волны Л , но, в отличие от режима стоячих волн, с постоянной амплитудой осцилляции во всех точках объема камеры (пренебрегая незначительным декрементом затухания акустических колебаний ). Таким образом, используя первичный преобразователь физической воличины, функционально связанный с магнитной проницаемостью газа в исследуемом объеме, чувствительность которого является периодической (с периодом / функцией координаты X объема, можно зарегистрировать амплитудное

значение переменной составляющей этой величины, а значит, измерить концентрацию парамагнитной составляющей.

Следовательно, предлагаемые разно видности способа отличаются режимаг-ш возбужд.ения акустических колебаний в анализируемой среде, а также приемам согласования чувствительности первичного преобразователя с параметрами возбуждаемых колебаний.

На основани отмеченного можно выделить следующие моменты,

Возбуждение бегущих акустических волн может быть осуществлено теми же средствами, что и возбуждение стоячих акустических волн. Возбуждение бегущих волн требует согласования входного и выходного импедансов с акустическими сопротивлениями возбудителя и окружающей средьг соот- ветственно. Поскольку такое согласование можно обеспечить в открытом с обоих сторон объеме (например., в полости, выполненной а виде трубы), такое решение позволяет резко снизит время замещения анализируемой среды в данном объеме, а следовательно, и инерционность измерения Этот режим предпочтительней там, где не нормируется расход анализируемой сме си. Когда предъявляются высокие требования в отношении минимального расхода исследуемой газовой смеси может быть успешно использован режим стоячих акустических колебаний.

Поскольку камера с газовой смесью в которой осуществлен режим бегущей волны, является широкополосной системой, то при этом устраняется одна из составляющих погрешности,, обусловленная нестабильностью амплитуды акустических колебаний за счет изменения длины акустической волны в газовой смеси, например, при измереНИИ ее состава, температуры и т.д, t

В качестве первичных преобразователей регистрируемых величин при реа лизации предлагаемого способа используются все типы первичных преобразователей, чувствительность которы55 являлась бы периодической функцией координаты X (с периодом Л), но, в отличие от режима стоячих акустических колебаний, в режиме возбуждения бегущих волн к размещению данных преобразователей относительно торца камеры не предъявляются высокие требования, так как в режиме бегущих волн в исследуемой среде отсутствуют пучность и узлы колебаний, а, следовательно, чувствительность пре образователя независимо от его смещения является постоянной величиной

На фиг.1 приведена функциональная схема газоанализатора на кислород, реализующего предлагаемый способ; на фиг,2 - конструкция датчика ЭДС Холла со схемой его,питания,

В зазор магнитной системы помещена камера 2. Один конец камеры сопряжен с возбудителем 3 акустических колебаний, запитываемым от генератора 4, а другой ее конец согласован по акустическому импедансу с окружающей средой в случае Еозб:,ждения бегущих волн и закрыт в случае возбуждения стоячей волны. Камера 2 продувается (заполняется) анализируемой газовой средой. Возбуди-, тель 3 акустических колебаний может 6biTj, выполнен в виде преобразователя электрических колебаний в акустические, которьи запитывается от генератора переменного тока или в виде язычкового возбудителя акустических колебаний ( широко применяемого в музыкальных инструментах, а также в мощных источниках звука типа сирен). Во втором случае необходим преобразователь акустических колебаний в электрические сигналы, В зазор магнитно системы 1 помещен преобразователь магнитной индукции - многоэлектродный датчик Холла 5 таким образом, что он пронизывается магнитным потоком, проходящим через объем исследуемой газовой среды. Для удобства чтения схемы измерительного тракта датчик Холла 5 изображен вне магнитной схеt-fc, при этом его местополояение в зазоре магнитной системы указано на схеме линией с аналогичной оцифровкой 5,

Датчик Холла запитывается от источника 6, а его выходное напряжение усиливается селективным усилителем 7, детектируется синхронным детектором 8 и подается на регистрирующий прибор 9. В качестве опорного сигнала синхронного детектора 8 используется выходной сигнал генератора 4. .

При подаче под избыточным давлением (+ ДР) исследуемой газовой и среды на вход 10 возбудителя 3 акустических колебаний (выполненног в виде язычкового возбудителя) последний генерирует акустические колебания в камере 2, а газовая смесь в дальнейшем поступает в камеру 2s в тсотррой устанавливаются акустические колебания,имеющие, определенную частоту или частотный спектр. При этом, форма возбужденных колебаний может быть (в зависимости от конструкции возбудителя близкой к синусоидальной или к прямоугольной форма. Акустические колебания вызывают модуляцию плотности и магнитной проницаемости газовой среды, которая сопровождает ся осцилляцией магнитной индукции, а,следовательно, и магнитного потока, пронизывающего газовую среду и чувствительный элемент - датчик Холла 5, Возникающие переменная магнитная инД-укция В и магнитный поток в зазоре магнитной системы 1 в случае возбуждения в газовой среде бегущих акустических волн являются функцией времени и координаты объема и описываются формулами, ана логичными формулам (3 I и 1.4), &л.((-f-.X 27FFt) , (5 где Н - напряженность.поля в стати ческом режиме, С целью рационального использования всего магнитного потока, пронизывающего объем с исследуемой средой за счет интегрального накопления сигнала, требуется использование первичного преобразователя, чувствительность которого была бы функцией, коррелированной с функцией распределения магнитного потока см.выражение (З ), Такой преобразова тель реализуется конструкцией датчи ка Холла и схемой его запитки, приведенной на фиг.2, Датчик Холла представляет собой полупроводниковую пластину 11, к которой припаяны несколько пар токо вых выводов датчика (а b b.. f f). Размеры полупроводниковой пласти ны определяются длиной рабочей част камеры, а число пар токовых sneKTpo дов определяется количеством акустических полуволн, размещенных на рабочей части камеры (часть каме5812ры, пронизываемая магнитным потоком, так как расстояние между парами токовых выводов выбрано равным половине длинЕ 1 акустической волны. Токовые выводы подключены к источнику напряжения 12 посредством элементов развязки 13 (резисторы ;... .,.) таким образом,что в пластине токи нечетных пар .выводов противополож1- Ы токам четных пар токовых выводов. Питание датчика имеет следующую особенность. Характер распределения токов в полупрово.дниковой пластине датчика зависит от соотношения ширины (h) пластины к расстоянию между электродами (Л/2) . В случае, когда Ti поперечная составляющая управляющего тока датчика изменяется по синусоидальному закону (фиг,2),В случае изменения этого соотношения, на противоположное (Ъ ), характер распределения поперечной составляющейрезко изменяется к (приЪ«4)это распределение приобретает вид чередующихся острых разнополярных импульсов, форму которых для упрощения можно принять прямоугольной. Распределение токов в пластине датчика определяет и соответствующее изменение его чувствительности в зависимости от места воздействия на негомагнитной индукции. Таким образом, воздействие па датчик однородного магнитного поля практически не вызывает появления холловского напряжения на его выходе, в то время, как воздействие неоднородного магнитного поля, индукция которого изменяется по косинусоидальному закону с периодом Л , вызывает максимальное напряжение. Именно такое изменение индукции магнитного поля достигается при возбуждении стоячей акустической волны в камере с газом,- о бладающим относительной магнитной проницаемостью, отличной от единицы, и помещенньм в зазор магнитно системы. Изложенное подтверждается выражением для ЭДС Холла (U,) датчика и..-К J -BJx , I J где К - постоянный коэффициент, учитывающий толщину пластины; свойства полупроводг к вого материала гатастиныи т L - управляющий ток датчика, являющийся.функцией оси X (см.фиг,2,-1 -. «: JjL/y v J,, (X-X где X ,- смещение датчика вдоль оси X );, В - магнитная индукция, которая также является функцией оси X (например, для режима бегущих волн, см. выражение 5 ) (-f).mcos(- X 25rFt) и для -стоячих волн & H|Uo(.C05 .COS2J/R - размер датчика ( в данном сл чае он равен длине рабочего участка камеры с газом ), Знак интеграла в данном случае выражает, что выходное напряжение датчика равно сумме ЭДС, возникающих в элементарных участках его пл тины за счет воздействия протекающих в них элементарных токов и дей вующей магнитной индукции, .Подставив в формулу (б) выражение для управляющего тока датчика выражение для магнитной индукции, например для стоячих акустических волн, получим следующее выражение; л lX-XjHf.o{( -,4 1 0 - 1с cos ZlTF-tcJX преобразуя которое, получимU K(fA-1pgHm.co527FFiUln (Для случая бегущих волн для вы ходного напряжения датчика справед во следующее выражение: (|х-(.№ио5() x(x-xjcix На основании данных выражений правомерны следующие выводы: ампл туда выходного напряжения Холла п порциональна концентрации парамаг 1 14 нитного компонента исследуемой среды; амплитуда этого напряжения изменяется во времени с частотой акустической волны; в случае исполь- зования стоячих акустических колебаний амплитуда выходного сигнала (а, следовательно, коэффициент пере-.дачи измерительного тракта зависит от продольного расположения чувствитального опгана относительно картины сточей акустической волны; в случае использования бегущих акустических волн амплитуда выходного сигнала не зависит от продольного расположения чувствительного органа (датчика Холла) по отношению к координатам X, но в фазе выходного сигнала присутствует составляющая пропорциональная смещению преобразователя Холла вдоль оси X, Приведенные выражения доказывают преимущество в отношении чувствительности и точности предлагаемого способа измерения концентрации парамагнитного компонента по сравнению с известным. Однако 3 как это следует из выражений ( 8 ) и 1. 9 ), коэффициент преобразования рассматриваемого магнитно-акустического преобразователя определяется рядом величин; таких как чувствительность датчика Холла, тока питания датчика, коэффициент глубины модуляции акустических колебаний,, напряженность магнитного поля и т,д„ Следовательно, точность измерения концентрации парамагнитного компонента ограничивается результирующей не стабильностью коэффициента преобразо вания из-за изменения указанных величин, Для дальнейшего повышения точное- ти измерения необходимо использовать компенсационньй метод измерения. Для этого одновременно с возб окдением акустических колебаний в исследуемой среде с той же частотой возбуждают акустические колебания в эталонной среде, в которой происходят процессы, аналогичные таковым в исследуемой среде, и, следовательно, они описываются выражениями, аналогичными выражениям (8) и (9 ) .Естественно, что процессы в объеме с эталонной газовой средой оказывают на первичный преобразователь воздействие, аналогичное воздействию процесса в исследуемой среде. Таким образом, перераспределяя степени влияния на первичный преобразователь процессов, происходящих в эталонной и анализируемой средах до их взаимной компенсации и замеряя отношение степеней указанных влияний, можно определить искомую концентрацию (при известной концентрации парамагнитного компонента в эталонной среде), При реализации компенсационного метода измерения нестабильность како го-либо из перечисленных параметров (напряженность магнитного поля, ток питания и чувствительность датчика, коэффициент глубины модуляции и т.п. ) не приводит к нарушению 5816 баланса.воздействия на первичный преобразователь, оказываемого процессами модуляций магнитной проницаемости в эталонной и исследуемой газовых средах. Следовательно, нестабильность этих параметров оказывает минимальное влияние на основную -погрешность измерения, которая в этом случае на 2-3 порядка меньше, чем таковая при режимах некомпенсационного метода. Основная погрешность газогенераторов, использующих приемы некомпеисационного метода, равна от измеряемых концентраций кислорода, инерционность - в пределах нескольких секунд.

и.

(Рцз. 2