Газоанализатор Советский патент 1985 года по МПК G01N29/00 

CJ1

ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий две катушки.индуктивности, размещенные на камере с анализируемой смесью, генератор питания одной из катушек индуктивности, блок подстройки коэффициента взаимной связи катушек, и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности и точности измерений, он снабжен акустическим возбудителем, сопряженным с камерой, выполненной в виде акустического резонатора, и двумя фазочувствительными усилителями, при этом к сигнальному входу первого фазочувствительного усилителя подключена вторая катушка индуктивности, к его опорному входу - генератор питания: первой катушки, а к его выходу - блок подстройки коэффициента взаимной связи катушек и сигнальньй вход второго усилителя, опорный вход которого связан с возбудителем посредством преобразователя акустических колебаний в злектрические, а его выход подключен к регистрирующему прибору, причем катушки ивдуктивности выполнены секционированными, а их секции размещены в пучностях акустической в олны.

Изобретение относится к средствам анализа веществ по их магнитным свойствам и, в частности, может быть использовано при определении концентрации свободного кислорода в продуктах сгорания.

Известны различные устройства, предназначенные для определения концентрации свободного кислорода в газовой среде. Наиболее предпочтительными являются приборы, в основу работы которых положено использование зависимости магнитной проницаемости газа от его состава и, в основном, от концентрации в нем свобод него кислорода. Для подавляющего большинства газовых смесей, встречающихся в практике, магнитная проницаемость этих смесей пропорциональна концентрации свободного кислорода в нем. Это объясняется тем, что кислород, по сравнению с другими газами, обладает ярко выраженными парамагнитными свойствами. Таким образом по значению магнитной проницаемости анализируемой смеси может быть определена концентрация в ней свободного кислорода. Определение магнитной проницаемости газовой смеси осуществляется по измерению одной из физичес ких величин, однозначно связанной с магнитной проницаемостью исследуемой среды. Такими величинами являются: магнитная индукция, индуктивность соленоида, объем которого заполнен исследуемой смесью, взаимная индуктивность между двумя катушками, помещенными в исследуемую среду и т.д. lj.

Наиболее близким техническим ре- . шением к изобретению является устройство, содержащее две катушки индуктивности, размещенные на камере с анализируемой смесью, генератор питания одной из катушек индуктивности, блок подстройки коэффициента взаимной связи катушек, и регистрирующий прибор. При этом одна из катушек выполнена подвижной относительно другой и снабжена механизмом перемещения, управляемого блоком автоматики таким образом, что ее положение относительно другой катушки соответствует срьгоу (или возбуждению) автоколебаний генератора. Эти конструктивные элементы предназначены для поддержания необходимого

коэффициента взаимной связи между катушками 2),

Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность и точность измерений, обусловленные дрейфом нуля измерений. Дрейф нуля измерений обусловлен нестабильностью параметров системы.

Цель изобретения - повьшение чуствительности и точности измерений.

Эта цель достигается тем, что , газоанализатор снабжен акустическим возбудителем, сопряженным с камерой, выполненной в виде акустического резонатора, и двумя фазочувствительными усилителями, при этом к сигнальному входу первого фазочувствительного усилителя подключена вторая катушка индуктивности, к его опорному входу - генерато питания первой катушки, а к его выходу - блок подстройки коэффициента взаимной связи катушек и сигнаный вход второго усилителя,опорный вход которого связан с возбудителем посредством преобразователя акустических колебаний в электрические, а его выход подключен к регистрирующему прибору, причем катушки индуктивности выполнены секциониро.ванными, а их секции размещены в пучностях акустической волны.

На чертеже изображена схема газоанализатора.

Камера 1, заполняемая анализируемым газом, выполнена в виде акустического резонатора, сочлененного открытой торцовой частью е вихревым акустическим генератором 2. Часть мощности акустических колебаний с резонатора поступает на преобразователь 3 акустических колебаний в электрические. На акустическом резонаторе 1 в местах размещения пучностей акустических колебаний расположены секции катушки 4, которые подключены между собой согласованно, и питаются от генератора 5 переменного тока.

В этих же местах резонатора размещены секции приемной катушки 6, которые соединены встречно по отношению к рядом расположенным секциям этой же катушки. Катушка 6 подключена к сигнальному входу фазочувствительного усилителя 7, к опорному входу которого подводится сигнал с генератора 5. Выходной сигнал фазочувствительного усилите3 1 ля 7 поступает на вход блока 8 подстройки коэффициента связи между катушками 4 и 6 индуктивности, а также поступает на сигнальный вход второго фазочувствительного усилите ля 9, опорным сигналом которого является выходное напряжение преобразователя 3. К выходу второго фазо чувствительного усилителя 9 подключен регистрирующий прибор 10. При продувании вихревого генератора 2 газом в нем возбуждаются акустические (звуковые или ультразв ковые) колебания, передаваемые акус тическому резонатору 1, в котором устанавливается режим стоячих волн. Это приводит к тому, что в полости ре.зонатора наблюдается периодическое изменение локальной плотности исследуемого газа, которое происходит с частотой акустических колебаний. Этот факт можно отобразить в виде следующей зависимости j.,i.,(umcos x)c.s(2/7Fi.c/ ) , плотность газа в пространfxстве с текущей координатой р - средняя плотность газа в резонаторе; m - коэффициент глубины модуля ции, он пропорционален амплитуде стоячих акустических колебаний, т.е. его значение определяется мощностью акустических волн; 1 F - длина волны и частота акус т .тических колебаний соответственно;Ifjj - начальная фаза. Поскольку магнитная Проницаемость газовой среды прямо пропорциональна ее плотности, то в случае возбуждения в газовой среде акустической стоячей волны для магнитной проницаемости газа, находящегос в объеме с текущей координатой х, можно записать следующее выражение: «х N Ч -Ч -f- °Ч 0) Л где магнитная постоянная, равна 4 If- Ю- гн/м; |U- относительная магнитная про ницаемость исследуемого газа при его номинальных (средних для всего объема резонатора) давлении и температуре. Эти выражения показывают, что в резонаторе, длина которого находится.в кратном соотношении с длинойвозбужденной в нем акустической волны, уредненные значения плотности и магнитной проницаемости газа остаются неизменными, в то время как названные величины претерпевают вблизи пучностей волны значительные, периодические во времени, изменения. Приращения этих величин в рядом расположенных (смежных) пучностях волны носят во времени противофазный характер. Это обстоятельство отражено на чертеже пунктирной косинусоидой. Таким образом, размещая в пучностях волны взаимосвязанные секции катушек, можем наблюдать колебания коэффициентов взаимной связи между секциями катушек, так как они прямо пропорциональны магнитной проницаемости среды объема, охватываемого этими секциями. Причем одновременно с ростом коэффициента взаимной связи секций одной группы будет наблюдаться падение коэффициента связи секций другой группы в полном соответствии с фазой колебаний стоячей волны в пучностях, соответствующих этим секциям. Используя четное количество идентичных секций и располагая их равномерно в пучностях с синфазными и противофазными колебаниями,а также поставив в соответствие с ними фазировку секций катушек, можно достичь нулевого коэффициента взаимной связи между катушками при отсутствии акустических колебаний. При возбуждении акустической волны для коэффициента взаимной связи может быть записано катушек К выражение .c.k ( где п - количество взаимосвязанных секций катушек; Л К - амплитудное значение приращения коэффициента взаимной связи изолированной секции . где Kjg j. - коэффициент взаимной связи отдельных секций, - коэффициент, учитывающий эффективность использова ния пучностей волны; F - частота акустических кол баний . Подобная конструкция катушек поз воляет (выражение 3) суммировать полезные сигналы отдельных секций и использовать высокочувствительные фазочувствительные усилители. Все эти особенности по сравнению с известным увеличивают чувствительность измерений на несколько порядков, что позволяет использовать пре лагаемое устройство для анализа газов. Выделение информации о магнитных свойствах,а следовательно, и о концентрации парамагнитного газа в среде происходит следующим образом. При запитке одной из катушек переменным током в секциях другой катушки наводятся ЭДС взаимоиндукции. Поскольку секции приемной катушки попарно рассогласованы по отношению к секциям первичной катуш ки, то результирующая ЭДС в ней будет равна нулю при отсутствии акустических колебаний. При возбуждении акустических стоячих колебаний в связи с периодическими отклонениями коэффициента взаимной связи катушек от нулевого значения (согласно выражению 3) на выходе появит ся сигнал разбаланса, который может быть записан в виде UBbix Ko(M-l)co5(27rFt;cos(2)/ i-fVp) ,(4 где К- - постоянная, учитывающая эффективность используемой конструкции, т.е. такие параметры, как т, п. /ЗК и подводимое от генератора напряжение Up. Таким образом, в амплитуде этого сигнала заложена информация о концентрации парамагнитного газа. Для ее вьщеления используются два каска но включенных фазочувствительных усипителя. На выходе первого из них будем иметь напряжение, для которого можно написать выражение Uetixi N4()«27rFi , is где К - коэффициент передачи первого фазочувствительного усипителя. Для выходного напряжения второго фазочувствительного усилителя,которое подается на регистрирующий прибор, можно записать выражение 8ыx2 к2()5(lu-1j , (И где К - коэффициент передачи второго фазочувствительного усипителя; S - чувствительность газоанализатора к магнитной проницаемости газа. Выражение для чувствительного газоанализатора может быть выражено через частные параметры системы . Учитьшая, что значение относительной магнитной проницаемости для газовых смесей незначительно отличается от единицы, т.е. (-1) 10 , для реализации предлагаемого газоанализатора необходимо обеспечение высоких значений чувствительности. Это достигается увеличением подводимой мощности от генератора (и.. максимально допустимое, определяется конструктивными особенностями и экономическими соображениями), числа секций (ограничено габаритами), коэффициента связи секций катушек (кс.с.) (-у), мощности акустических колебаний (го), коэффициентов передачи К и К , которые ограничены уровнем собственных шумов и уровнем нескомпенсированного сигнала,который может наблюдаться из-за расстройки баланса системы под влиянием старения элементов системы, изменения температуры окружающей среды и изменения ее магнитной проводимости. С целью компенсации дестабилизирующих факторов в предлагаемом газоанализаторе используется автоматическая подстройка коэффициента взаимной связи катушек. Действительно, разбаланс системы приводит к появлению постоянного напряжения на выходе первого фазочувствительного усилителя, полярность этого напряжения будет однозначно указывать на направление разбаланса. Воздействие этого напряжения на блок подстройки коэффициента связи между 7 катушками приведет к тому, что блок отреагирует на наго таким образом, чтобы минимизировать этот разбаланс, т.е. автоматическая компенсация разбаланса позволяет использовать высокочувствительный измерительный тракт. Основной причиной увеличения чувствительности и точности измерений предлагаемого газоанализатора является устранение его аддитивной погрешности, так как спектр информа тивной составляющей о концентрации парамагнитного газа располагается в пределах частот (f + F) и (f - F), в то время как спектр помехи, вызываемой нестабильностью элементов системы, занимает полосу частот в пределах f ±4f, где 4f 100 200 Гц, т.е. в этом газоанализаторе осуществляется частотное разделение помехи и полезного сигнала с последующей фильтрацией помехи. Другим преимуществом газоанализатора является высокое быстродейст вие, которое в основном ограничивается временем замещения газа в резо наторе, так как другие функциональные -узлы газоанализатора имеют зна48ЩГтёльно меньшую инерционность. Снижение инерционности газоанализатора может производиться за счет увеличения давления подводимого газа, уменьшения объема резонатора и повышения частоты акустических колеба-. Таким образом, обладая высокой чувствительностью и быстродействием, предлагаемый газоанализатор найдет широкое применение в промьшшенности, например в металлургии, при раскислении сплавов, в энергетике при управлении процессами горения в тепловых электростанциях и т.д. Газоанализатор можно сделать экономичным с точки зрения расхода исследуемого газа, для этого в качестве возбудителя акустических волн вместо вихревого генератора необходимо использовать электродинамические, пьезоэлектрические и преобразователи электрических колебаний. Подобное исполнение возбудителя откроет широкий доступ для внедрения газоанализатора в лабораторную практику.