Измерительная камера магнитомеханического газоанализатора Советский патент 1992 года по МПК G01N27/72 

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению и может быть использовано в промышленной медицине и других областях, где требуется определить содержание компонента в газовых смесях, а также в качестве первичного преобразователя в системах контроля и автоматического регулирования, содержания газовых компонентов в дыхательных и других газовых смесях.

Известен магнитомеханический газоанализатор нэ кислород, содержащий магнитную систему (МС), формирующую неоднородное магнитное поле, между полюсами которой расположена приемная камера 1.

Недостатком такого устройства является низкая чувствительность и точность измерений в связи с низкой интенсивностью поля в рабочем объеме.

Известен также магнитомеханический компенсационный газоанализатор кислорода, содержащий МС, создающую неоднородное поле в рабочей зоне за счет формы полюсных наконечников 2.

Недостатком этой конструкции является низкая чувствительность и точность измерений, а также большая его масса, значительную часть которой составляет маг- нитопровод МС.

Наиболее близкой по технической сущности -к предполагаемому изобретению является измерительная камера магнитомеханического газоанализатора на кислородсодержащая МС с полюсными наконечниками,.между которыми расположен

3 3

00

VJ

р arctg -f + 3е

О)

чувствительный элемент (ротор) 3. Указанная конструкция измерительной камеры газоанализатора выбрана за прототип.

Недостатком этого устройства является низкая чувствительность и точность измерений, а также большая масса его. Указан- ные недостатки связаны с неоптимальной конструкцией МС.

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений, а также снижение массы газоанализатора.

Поставленная цель достигается путем выполнения в измерительной камере маг- нитомеханического газоанализатора, содержащей МС с рабочим зазором, размещенную в корпусе с входным и выходным патрубками, и поворотный ротор, расположенный в рабочем зазоре магнитной системы, а направление намагниченности элементов составных магнитов магнитной системы составляет с поперечной осью симметрии магнитной системы в плоскости ротора угол, определяемый из соотношения

BJ, Blc

к поперечной оси системы, совпадающей с

направлением расположения поворотного

ротора,

где j - номер участка магнитной системы:

BxJ / BxdS; By / BjdS(2)

SjS

Sj - площадь поперечного сечения j-ro участка;

Bx, By - компоненты вектора индукции в рабочей области газоанализатора.

Для обеспечения указанной ориентации намагниченности (ОН) на участках МС последняя должна быть выполнена из высококоэрцитивных ПМ, например, КС37, Nd- Fe-B и т.д.

Отличительной особенностью предлагаемой измерительной камеры магнитоме- ханического газоанализатора является МС, представляющая из себя сборную конструкцию с оптимальной ОН на участках, что ранее не использовалось.

Предлагаемая конструкция измерительной камеры магнитомеханического газоанализатора позволит существенно повысить чувствительность и точность измерений концентрации газа в смеси за счет повышения интенсивности магнитного поля в рабочей зоне газоанализатора. Кроме того значительно уменьшается масса измерительной камеры, т.к. МС предполагаемой конструкции из высококоэрцитивных магнитотвердых материалов выполняется без магнитопровода.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемой измерительной камеры магнитомеханического газоанализатора, состоящая из магнитной системы 1 и ротора 2. На фиг.2 показано сечение МС, состоящей из 16 участков, и оптимальная ориентация намагниченности на участках, полученная по

формуле (1). В случае, когда участки имеют в сечении размеры 5x5 мм, а рабочий зазор равен 3 мм, оптимальные значения показанных углов равны: у ф 36°;у (pi -28°,у рз 61°, 13°. На остальных участках МС

оптимальную ОН легко получить, учитывая симметрию распределения намагниченности относительно продольной d - d и поперечной q - q осей МС, Нужно учесть, что оптимальная ОН на участках МС не зависит

от величины намагниченности, т.е. от вида магнитотвердого материала (МТМ). В связи с этим возможно изготовление МС из различных высококоэрцитивных МТМ. Однако участки их МТМ одного типа должны располагаться в МС симметрично относительно продольной d - d и поперечной q - q осей МС. Допустимый угол отклонения ОН от оптимального значения равен + 3°. Увеличение этого угла снижает интенсивность поля в

рабочей зоне газоанализатора на 5% и более. Угол разориентации намагниченности отдельных участков МС меньше, чем на 3° практически трудно достичь при технологии обработки, намагничивания и сборки МС.

Для снижения трудоемкости сборки МС возможны варианты, приведенные на фиг.З.

Магнитную систему изготавливают следующим образом.

Вырезают указанные участки из заготовок ПМ прямоугольной конфигурации или прессуют указанные профильные участки МС в специальных пресс-формах, форма и размеры таких участков ПМ с прямолинейной текстурой определяются на этапе проектирования МС. Затем участки намагничивают каждый в отдельности вдоль текстуры и производят сборку, соединяя отдельные части МС. например, эпоксидным клеем. При сборке необходимо

обеспечить совпадение осей легкого намагничивания участком МС с рассчитанной по формуле (1) ориентацией намагниченности. После сборки МС готова к работе и ее можно поместить в корпус измерительной камеры

газоанализатора.

Предлагаемая конструкция измерительной камеры мзгнитомеханического газоанализатора по сравнению с прототипом обеспечивает более высокую интенсивность поля в рабочей зоне, что приводит к увеличению вращающегося механического момента, действующего на рабочее тело газоанализатора.

В связи с увеличением поля повышается чувствительность газоанализатора и точность измерения концентрации газа, т.к. ротор газоанализатора поворачивается на больший угол.

Кроме того, МС газоанализатора может быть выполнена без магнитопровода(ярма), т.к. и без него обеспечивается высокая интенсивность поля за счет предлагаемой конструкции. Последнее преимущество весьма важно для бортовых приборов.

Указанные преимущества обеспечиваются путем оптимальной ОН на участках сборной МС. Ориентация намагниченности, описываемая формулой (1), обеспечивает наивысшую интенсивность поля МС в центре рабочей зоны газоанализатора. Последнее является одним из .условий эффективной работы газоанализатора, т.к. механический вращающий момент, деист- вующий на рабочее тело газоанализатора, равен

М fcvHAHI.(3)

где к - объемная магнитная восприимчивость исследуемого газа;

v - объем, занимаемый газом на рабочем теле (роторе);

Н - интенсивность ПРТЯ МС в центре рабочей зоны;

ЛН - градиент поля МС;

I - длина ротора.

Покажем, что ОН описывается формулой (1). Согласно теории о потокосцеплении, магнитный поток, создаваемый ПМ сквозь заданную поверхность, равен

J ,(4)

1 V

где I - ток, протекающий по контуру поверхности, согласованным в направлением положительной нормали к поверхности правилом правоходового винта,

v - объем ПМ,

J3 - поле, создаваемое током,

О - намагниченность ПМ.

Из (4) следует, что для обеспечения мак- симума магнитного потока (в данном случае и магнитной индукции) необходимо совпадение ориентации векторов В и 5. Таким образом, оптимальная ОН совпадает с ориентацией поля указанного тока.

В случае МС газоанализатора в качестве поверхности, сквозь которую максимизируется магнитный поток, необходимо взять весьма узкую полосу, проходящую через

центр рабочей области и параллельную продольной оси МС. Контур, по которому течет ток, создающий оптимальное ориентирующее магнитное поле, представляет двухпроводную линию (для двухмерной модели МС, т.е. в случае плоскопараллельного поля).

Как известно, виток с током эквивалентен (в смысле создания поля) магнитному листку. В данном случае двухпроводная линия эквивалентна линейному магнитному диполю, т.к. магнитный листок представляет собой бесконечно тонкую полоску. В связи с этим ОН совпадает с ориентацией поля линейного диполя, т.к. участки МС выполнены из ПМ с прямолинейной текстурой, то для определения среднего (на j-м участке) значения оптимальной ОН, необходимо проинтегрировать каждую компоненту поля диполя и подставить указанные интегралы в (1).-Арктангенс в (1) должен быть вычислен с учетом знаков числителя и знаменателя,

Испытания показатели, что МС, выполненная по схеме фиг.2, обеспечивает на 50% большую интенсивность поля, чем МС- прототип. При этом масса газоанализатора с предлагаемой МС на 30% меньше, Предлагаемая измерительная камера магнито- механическогогазоанализатора

обеспечивает достижение указанной цели, а положительный эффект имеет ярко зыра- женный характер.

Формула изобретения

1. Измерительная камера магнитомеха- нического газоанализатора, содержащая магнитную систему с рабочим зазором, размещенную в корпусе с входным и выходным патрубками, и поворотный ротор, расположенный в рабочем зазоре магнитной системы, отличающаяся тем, что, с целью повышения чувствительности, магнитная система выполнена в виде двух противолежащих составных постоянных магнитов, а направление намагниченности элементов составных постоянных магнитов составляет с поперечной осью симметрии магнитной системы в плоскости поворотного ротора угла, определяемый из соотношения

BL

де агсгд -Ј±3°. Bi

гдеВх / BxdS; Ву / BydS,

SlSi

Si - площадь поперечного сечения j-ro элемента составного постоянного магнита;

Вх, By - компоненты поля линейного магнитного диполя, ориентированного вдоль продольной оси магнитной системы.

2. Камера по п.1,отличающаяся тем, что, с целью повышения технологичности, элементы составных постоянных магнитов выполнены с треугольным сечением.

Сущность изобретения: используется сборная конструкция магнитной системы, входящей в состав измерительной камеры газоанализатора и состоящей из однород- нонамагниченных участков. Направление их намагниченности вычисляется по приведенным соотношениям. Кроме того, сечение элементов магнитной системы могут быть треугольным. 3 ил. сл С

ft./