Устройство для определения объемной концентрации парамагнитного газа Советский патент 1985 года по МПК G01N27/72 

Изобретение относится к анализу . веществ (материалов) по их магнитным свойствам и 1 1ожет быть использовано, например, при определении кон-ч центрации свободного кислорода в со- 5 ставе топочных газов

Существуют различные устройства, предназначенные для определеиия концентрации свободного кислорода в газовой среде.Наиболее предпочти. 0 ны приборы, в основу работы которых заложено использование зависимости магнитной проницаемости газовой смеси от ее состава, в основном от коицеитрагщи в ней свободного кислорода.IS Для большинства газовых смесей, встречающихся на практике, магнитная проницаекость пропорциональна концеитрацни свободного кислорода в ней. Это объясиггется тем, что кислород по 20 сравнению с другими газами обладает ярка выраженными парамагйитными свой,ствами. Таким образом, концентрацигя , свободного кислорода в анализируемой смеси может быть определена по значе-25 нию магнитной проницаемости посдедней. Определение магнитной проницаемостью газовой смеси осу111ествляется измерением одной из физических величин, однозначио связанных с ЗО нитной проницаемостью исследуемой среды. Такими величинами являются магнитная индукция, индуктивность соленоида, объем которого заполнен исследуемой смесью, взаимная индуктнв-, . ность между.двумя помещенными в исследуемую среду ит.д. 0

Однако данный метод измерения . и устройство Не имеют Достаточной .. точности и чувствительности.

Наиболее близким к изобретению лгдяется устройство для определения . объемной концентрации парамагнитного газа, содержащее магнитную систему, S зазоре которой помещена камера в виде акустического резонатора, заполняемого анализируемой смесью и снабженного преобразователем-электрических колебаний в акустические, подключенного к генератору переменного «. тока, и преобразователь магнитного потока, выход которого подключен к, входу измерительного тракта,

При возбуждении акустической стойчей волны в резонаторе наблюдается 55 модуляция плотности и магнитной проницаемости исследуемой газовой среды. Для магнитной проницаемости газовой среды можно записать в этом случае следующее выражение:

fa((|U-ll

2J

IJ-FtljCi

(О т ов- Х-соб2

где П|д, nj - магнитная постоянная и относительная магнитная проницаемость исследуемого газа при его нормальных давлении и температуре соответственно;W - коэффициент глубины

модуляции:;

Л - длина акустической волны;

Х - координата пространства F - частота акустических

колебаний.

Модуляция магнитной проницаемости -сопровоадается модуляцией магнитной индукции В поля в мёжполюсном пространстве магнитной системы, т.е

6-H((W-)-m-co5 x-co52ffFt ,(

где Н - напряженность магнитного поля в статическом режиме, т.е. при отсутствии акустических колебаний. Из выражения (2) следует, что переменная составляющая магнитной индукции в зазоре является знакопеременной функцией продольной оси резонатора X

. ((«-)m.coS- x-co52JFt. (3)

Следовательно, суммарная величина переменного магнитного потока системы является также периодической функцией координаты X , а ее максимальное значение не превышает переменного магнитного потока, действующего в пределах одной пучности акустической волны, т.е. при

.

Увеличениечувствительностн известного газоанализатора достигают .размещением в зазоре магнитной системы многоэлектродного датчика Холла, конструкция, схема запитки и расположение которого приводит к тому, .что амплитуда Uy выходного сигнала

пропорциональна сумме абсолютных значений элементарных переменных по токов, пронизывающих объем с исследуемым газом, т.е.

- .

I ll, kV-H.(U,((U-l).m,(4)

где К - коэффйциеит пропорциональности;

V - объем исследуемого газа, иаходя1цегося в мелшолюсном пространстве zj . К недостаткам известного устройства следует отнести оТраниченную чувствительность и точность измерений. Чувствительность устройства пропорциональна используемому объем исследуемого газа. Этот объём в реальной к&нструкции ограничен максимаЛьно допустимыми размерами датчика Холла. Как «звзстно, изготовлени значительных по размерам датчиков Холла является достаточносложной задачей. Это объясняется тем, что чувствительные датчики Холла изготавливаются из монокристаллов, размеры которых ограничены, а экономические затраты на их производство увеличиваются с ростом размеров дат чикд. Исходя из этого необходима конструкция газоанализатора, котора позволяла бы использовать унифицированные датчики при неограниченных размерах акустической камеры. Более того, точность измерений в этом гаэоанализаторе ограничена малым, fto сравнению с другими датчиками iмагнитного поля, коэффициентом передачи датчика Холла, а также значительно большей-его температурной погрешностью. Это также требу.ет создания газоанализаторов, в которых возможно применение эффективных и дешевых магниточувствительных датчиков. Цель изобрет1вния - повьш1ение точности и чувствительности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения объемной концентрации парамагнитного газа, содержащем магнитную систему, в зазоре которой помещена камера в виде акустического резонатора, заполняемого анализируемой смесью и снабженного преобразователем электрических колебаний в акустические, подключенного к генератор

переменного тика, и преобразователь магнитного , выход которбго подключен к входу измерительного тракта, в зазор магнитной системы помещен магнитныл концентратор, выполненньиЧ W виде пластины из магнитопроводяшр о материала, норма.. : расположенной по отношению к силовым линиям могнитной системы И рассеченной п ii;nti ;iBJieimH продольной оси реаонат)рп зигзагообразным разрезом с шагом, р;п«ньтм длине: акустической волны, причем преобразователь магнитного потока установлен на пере.мычке, соединяющей обе части концентратора .

Акустический резонатор при этом выполнен в вице отрезков полой трубы, соединенных коленом, продольный размер которого равен длине нечетного количества полуволн акустической волны.

На фиг. схематически изображено устройство, конструкция плоского магнитного концентратора ипображена совместно с магнитной системой и вынесена из нее; на фиг. 2 - эквивалентная схема участка магнитной цепи газоанализатора.

Устройство содержит магнитную систему 1, в зазоре котброй помещена камера 2-В виде акустического резонатора, заполняемая анализируемым газсш, преобразователь 3 электрических колебаний в аку1стические, подключенный к генератору 4 пер- менного тока,.преобразователь 5 магнитного потока, выход которого подключен к сигнальному входу фазочувствительного усилителя 6, опорньл .вход которого связан с генератором 4 пе-. ременного тока, при этом выход усили теля 6 подключен к регистрирующему прибору 7. зазоре магнитной системы также помещен магнитный концентратор 8, выполненный в виде пластины из магнитопроводящего материала, нормально расположенной по отношению к силовым линиям магнитной системы 1 и.рассеченной в направлении продоль 1ой оси резонатора на две части зигзагообразным разрезом с шагом, равным длИнё акустической волны (например, выполнен в виде меандра), причем преобразователь 5 магнитного потока установлен на перемычке, соединяющей обе части концентратора 8. Акустический резонатор может быть выполнен в виде двух отрезков полой трубы, соединенных коленом, продольный размер которого выбраниз со.отношения 2-( где k О, 1, 2, ..,, п, вследствие чего IB низшей части резонатора в каждой из его точек объема акустические колебания находятся в противофазе с колебаниями в рядом расположенных точках верхней части резонатора. Между нижней и верхней частями резонатора 2 расположен плоский магБИТНЫЙ концентратор 8, выполненный в виде меандра, таким образом, что колцентратор образован двумя смещен- ными гребенками, зубцы которых чередуются. Магнитный концентратор установлен в межполюсном пространстве таким образом,, что местоположение его зубцов приходится на пучности акустической волны в резонаторе. При рйботе преЬбразсгвателя 3 рических колебаний в акустические в камере 2 с анализируемым газом устанавливаются стоячие акустические колебания. При этом, аналогично из вестному устройству, в резонаторе с частотой акустических колебаний происходит модуляция плотности и, соответственно, магнитной проницаемости (Уд анализируемого газа. Поэтому для процессов, происходящих в нем, справедливы выражения (Т) (3), учитывая, что для изогнутого резонатора координатой X является продольная ось резонатора , Следует отметить, что модуляция.магнитной проводимости среды приводит не только к модуляции нормальной составляющей магнитной индукции, но и к возникновению переменных тангенциальных магнитных потоков (вдоль продольной оси резонатора), амплитуда и направление которых являются гармонической функцией продольной оси .резонатора. Увеличение,Чувствительности в пред лагаемом газоанализаторе достигается размещением в зазоре магнитной систе мы нормально расположенного по отношен1да к силовым линиям {Магнитной системы плоского магнитного концентра тора, расположение зубцов которого согласовано с местоположением пучнос тей стоячей акустической волны. В ре зультате такого исполнения концентратора в его перемычке циркулирует переменный магнитный поток, равный сумме абсолютных значений элементарных переменных тангенциальных потоков, пронизывающих полость, заклю1ченную между трубами резонатора. Следовательноi выходное напряжение и о(,(х преобразователя, установленного на перемычке концентратора, про|Порционально этой сумме и для него, по аналогии с выражением (4), можно записать следующее выражение Bbixl -V -f o(lW-)-, (5) . - коэффициент пропорциональности, учитывающий эффективность конструкции. к этому выводу можно прийти, рас смотрев эквивалентную схему участка магнитной цепи предлагаемого устройства. Схема содержит эквивалентный источник 9 магнитного потока, сопротивления 10-13, учитывающие магнитное сопротивление газовой среды в пределах одной длины акустической волны (т.е. в пределах двух смежных противофазных пучностей волны) для обоих участков (нижнего и верхнего) акустического резонатора, сопротивлейие, учитывающее магнитное сопротивление концентратора, сопротивление учитывающее шунтирующее действие воздушных промежутков между зубцами концентратора, и измерительный прибор, отражающий на эквивалентной схеме взаимосвязь потока, проходящего в перемычке, с показаниями измерительного прибора 7. Как показано ранее, в смежных . пучностях акустической волны изменение во времени 1у1агнитной проницаемости происходит в противофазе, что вызьгеает переменные во времени и знакочередующиеся вдоль продольной оси концентратора магнитные потоки, которые циркулируют по контуру с наименьшим магнитным сопротивлением, т.е. цри наличии магнитного концентратора в основном через его перемычку (сопротивление 14) и частично через шунтирующие воздушные промежутки между его зубцами (сопротивление 15) . Для увеличения эффективности концентратора следует уменьшать сопротивление (т.е. брать для концентра7 .1

тора материал с более высокой магнитной проницаемостью) и обеспечи0ать минимальную магнитную проницаемость промежутков между зубцами концентратора. Для этой цели можно заполнить эти промежутки немагнитньа электропроводящим материалом,магнитная проницаемая емкость которого для переменного магнитного поля меньше единицы. Немал оважнкм фактором в увеличе1ши эффективности концентратора является раг.чёт и выбор оптимальных размеров и конфигурации зубцов концентратора. ИспользоЕганйе резонатора в виде двух труб, соединенных U -образным . коленом, длина которого кратна нечет,ному количеству акустических полу- : .волн, позволяет, как это видно из .эквивалентной схемы, удвоить коэффи440468

циент преобразования устройства. В зазоре магнитной системы могут располагаться и два резонатора (один для эталонной среды). В этом случае 5 реализуется дифференциальный метод измерения, позволяющий минимизировать влияние дестабилизирующих фак-. i торов..

В предлагаемом устройстве нет огO раничений рабочего объема с газом, поскольку магнитный концентратор легко вьтолнить с различным числом зубцов, а следовательно, получить возможность интегрирования магнитных

5 потоков с большого рабочего объема с газом. Устройство технологично, надежно и обладает повьш1ен«ой по сравнению с известным устройством -ТОЧНОСТЬЮ и чувствительностью.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРАМАГНИТНОГО ГАЗА, содержащее магнитную систему, ;В зазоре .которой помещена камера в виде акустического резонатора, за-.полняемого анализируемой смесью и :снабженного преобразователем электрических колебаний в акустические, подключенного к генератору переменного тока, и преобразователь магнитного потока, выход которого подключен к входу измерительного тракта, о тлича.ющее ся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерения, в зазор магнитной системы помещен магнитный концентратор, выполненный в виде пластины из магнитопроводящего материала, нормально расположенной по отношению к силовым линиям магнитной системы и рассеченной в направлении продольной оси резонатора зигзагообразным разрезом с шагом, равным длине акустической волны, причем (Л преобразователь магнитного потока установлен на перемычке соединя- , ющей обе части концентратора. 4 4:: 4 35