Газоанализатор Советский патент 1984 года по МПК G01N27/72 

Изобретение относится к анализу веществ (материалов) по их магнитным свойствам и может быть использо вано, например, при определении концентрации свободного кислорода в составе топочных газов,

В настоящее время существуют различные устройства, предназначенные для определения концентрации свободного кислорода в газовой среде. Наиболее .предпочтительны приборы, в основу работы которых заложено использование зависимости магнитной проницаемости смеси от ее состава, и, в основ.ном, от концентрации в ней свободного кислорода. Для больчшинства газовых смесей, встречающихся на практике, магнитная проницаемость пропорциональна концентрации свободного кислорода в ней. Это объясняется тем, что кислород по сравнению с другими газами обладает ярко выраженными парамагнитными свойствами. Таким образом, концентрация свободного кислорода в анализируемой смеси может быть определена по значению магнитной проницаемости последней. Определение магнитной проницаемости газовой смеси осуществляется измерением одной из физических величин, однозначно связаных с манитной проницаемостью исследуемой среды. Такими величинами являются магнитная индукция, индуктивность соленоида, объем которого заполнен исследуемой смесью, -взаимная индуктивность между- двумя катушками,-помещенными в исследуемую сред и т.д.il}.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является газоанализатор, содержащий магнитоакутсический преобразователь, выполненный в виде магнитной системы с размещенными в ее зазоре и сопряженными с возбудителем акустических колебаний камерами для анализируемой и эталонной газовых смесей и установленным между ними датчиком магнитной индукции подключенный к выходу датчика фазочувствительный усилитель и регистраторC2J. Известное устройство представляет собой газоанализатор, в основном на кислород, принцип действия которого основан на измерении магнитной про-, ницаемости газовой среды. Устройства содержит магнитную систему, в зазоре которой помещена камера в виде акустического резонатора, заполняемого анализируемой смесью и снабженного преобразователем электрических колебаний в акустические, подключенным к генератору переменного тока, и преобразователь магнитного потока, выход которого подключен к входу измерительного тракта, в зазор;магнитной системы также помещен магнитный концентрат, нормально расположенный по отношению к силовым линиям манитной системы и рассеченный в направлении продольной оси резонатора на две части зигзагообразным разрезом, выполненным в виде меандра, таким образом, что концентратор образован двумя смещенными шреСенками, зубцы которых чередуются через ,

а преобразователь магнитного потока установлен на перемычке, соединяющей обе части гребенки; акустический резонатор при этом выполнен в виде двух отрезков полой трубы, соединенных коленом, продольный размер которого равен длине нечетного количества полуволн акустической волны. Такое построение приводит к тому, что в нижней части резонатора в каждой из его точек объема акустические колебания находятся в противофазе с колебаниями в рядом расположенных точках верхней части резонатора. Марнитный концентратор установлен в межполюсном пространстве таким образом, что. местоположение его зубцов приходится на пучность акустической стоячей волны в резонаторе.

При работе преобразователя электрических колебаний в акустические, в камере с анализируемым газом устанавливаются стоячие акустические колёЬания, что приводит к модуляции ;плотности и магнитной проницаемости газа. Для магнитной проницаемости /Лд газовой среды можно записать в этом длучае следующее выражение, учитывая что для изогнутого резонатора координатой X является продольная ось резонатора;

/f-a +( -)-1 -Coi ipX-Coj 2TTFt J.

где/toHytL - магнитная постоянная и относительная магнитная проницаемость исследуемого газа при его нормальном давлении и температуре соответственно W - коэффициент глубины модуляции;

Я- - длина акустической волны; . - координата пространства; F - частота акустических колебаний.

В качестве оправки можно.привести данные для магнитной проницаемости кислорода.При давлении 1 атм. .и для кислорода Ф--) 1,83-10 .

Модуляция магнитной проницаемости сопровождается модуляцией магнитной индукции В поля в межполюсном пространстве магнитной системы, т.е.

В -Н-АЛ, +-(Д.-1)-т -Со X-Cos21fFt где Н - напряженность поля в статическом режиме. Из выражения (2) следует, что переменная составляющая магнитной индукции в зазоре является знакопеременной функцией продольной оси резонатора X. В :Н-MofM-1)-т-Cos- X-CosZTF.t Следовательно, суммарная величина переменного магнитного потока сис темы являе,тся также периодической функцией координаты х, а ее максимально.е значение не превышает переменного магнитного потока, действующего в пределах одной пучности акустической волны, т.е. при O;s;X« . Модуляция магнитной проницаемости (проводимости) среды приводит не только к модуляции нормальной состав ляющей магнитной индукции, но и возникновению переменных тангенциальных магнитных потоков (вдоль продольной оси резонатора), амплитуда и направление которых является гармонической функцией резонатора и концентратора а также благодаря тому, что зубья гребенки концентратора находятся в области максимального значения результирующего продольного магнитног потока, в перемычке концентратора известного газоанализатора циркулирует переменный поток, пропорциональ ный сумме абсолютных значений элементарных переменных тангенциальных потоков, вызванных модуляцией магни ной проницаемости газа в обоих частях резонатора. Недостатком этого устройства явл ется его ограниченная точность и :разрешагацая способность измерений вследствие нестабильности узлов,вхо дящих в этотгазоанализатор. Цель изобретения - повышение точ ности измерений, а значит, и увеличение разрешающей способности газоанализатора. Указанная цель достигается тем, чт.о в известной конструкции газоана лизатора регистратор выполнен в вид шкального механизма, соединенного с подключенным к выходу фазочувствительного усилителя устройством пере мещения подвижной части магнитоакус тического преобразователя. Кроме того, в качестве подвижной части может быть использовано шток, располо.женный в одной из камер магнитоакустического преобразователя. На чертеже схематически изображен вариант выполнения устройства со стержнем, расположенным в камере с анализируемой смесью и соединенны с устройством его перемещения. Газоанализатор содержит магнитну систему 1, в зазоре которой размеще ны сопряженные с возбудителем 2 аку тических колебаний резонаторы 3 и 4, заполненные анализируемым и эталонным газами соответственно, магнитный концентратор 5, который расположен между резонаторами 3 и 4 и выполнен в виде двух смещенных на половину длины акустической волны-|-гребенок из магнитного материала с расстоянием между зубьями каждой из этих гребенок,равным длине акустической волны X, соединенных между собой магнитопроводящёй перемычкой, датчик маг- нитного потока б, установленный на перемычке концентратора 5 и подключенный к входу фазочувствительного выпрямителя 7, генератор переменного тока 8, выход которого подключен к возбудителю 2 акустических колебаний, и к опорному входу фазочувствительного выпрямителя 7, механизм перемещения 9 с отсчетной школой 10. Резонатор 3 с анализируемым газом снабжен перестраиваемым аттенюатором 11 акустических ко1ебаний, сочлененным с механизмом перемещения 9. Управляющий вход механизма перемещения 9 подключен к выходу фазочувствительного выпрямителя 7. Резонаторы 3 и 4 размещены таким образом, что синфазные пучности акустических стоячих волн в резонаторах совпадают с расположением зубьев концентратора 5. Подвижной частью магнитоакустического преобразователя может являться концентратор датчика магнитной индукции или заслонки, вводимая в одну из камер, и т.п. Однако выполнение подвижной части в виде стержня позволяет получить наименьшую погрешность,... При запитке возбудителя 2 акусти ческих колебаний переменным током от генератора 8 в резонаторах 3 и 4, заполненных анализируемым и эталонным газами соответственно, устанавливают стоячие акустические колебания. При этом в резонаторах с частотой ак;устических колебаний происходит модуляция плотностей и магнитных ;проницаемостей анализируемого и эталонного газов. Пучности акус тических стоячих колебаний в резонаторах 3 и 4 синфазны между собой и совпадают с расположением зубьев концентратора. В случае нулевого продольного магнитного потока глубина модуляции акустических колебаний в резонаторе 3, заполненном анализируемой средой, находится в однозначной зависимости от концентрации парамагнитной компоненты в данной среде. Глубина модуляции определяется текущими параметрами аттенюатора, например длиной введенного в резонатор стержня. Таким образом, показания шкалы механизма перемещения могут быть

откалиброваны в процентах измеряемой концентрации. При использовании подвижной части в виде стержня погрешность из-за возможных люфтов механизма перемещения в рассматриваемом газоанализаторе может быть значительно снижена за счет уменьшения цены деления его шкалы. Действительно, в данной конструкции величина перемещений подвижного элемента { (стержня, вводимого в резонатор) аттенюатора ограничена длиной резонатора, которая может быть много больше длины акустической волны, при этом перекрываемый диапазон измеряемой концентрации парамагнитной компоненты может быть установлен не на 100%, а значительно меньше, в пределах десятков или единиц процентов, т.е. предлагаемая конструкция реализует прибор с растяжкой шкалы, следовательно, с малой ценой деления.

Кроме того, возможны следующие варианты аттенюатора: с выполнениемвводимого в резонатор стержня из вязкого материала, т.е. с большим поглощением звуковой энергии и стержня с шероховатой поверхностью, т.е. использование демпфирования звуковых колебаний на границе раздела двух сред. Указанные варианты выполнения аттенюатора позволяют осуществить стабильное и линейное в широких пределах изменения глубины модуляции звуковых колебаний.

Предлагаеналй газоанализатор о«5ладает повышенной точностью и разрешающей способностью измерений. При реализации этого устройства снижаются требования к точности выполнения наиболее ответственных узлов, что ведет к.повышению надежности и снижению его себестоимости. Э.ти качества расширяют возможности использования газоанализатора в народном хозяйстве.

1. ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержа щий магнитоакустический преобразователь , выполненный в виде магнитной системы с размещенными в ее зазоре и сопряженными с возбудителем акустических колебаний камерами для анализируемой и эталонной- газовых смесей и установленным между ними датчиком магнитной индукции, подключенный к выходу датчика фазочувствительный усилитель и регистратор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, регистратор выполнен в виде шкального механизма, соединенного с подключенным к выходу фазочувствительного усилителя устройством перемещения подвижной части магни-. тоакустического преобразователя, 2. Газоанализатор по п.1 о т личающийся тем, что в качестве подвижной части использован шток, расположенный в одной из камер магнитосвкустического преобразова-, (Л теля. СлЭ tsD to