Датчик парамагнитного газа Советский патент 1979 года по МПК G01R17/02 G01N27/72 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к при борам для измерения магнитных величин, а именно, к измерительным приборам, в которых осуществляется срав нение с эталонной величиной, точнее к тем из них, в которых подлежащая измерению величина автоматически сравнивается с эталонной величиной, например, к датчикам парамагнитного газа, в частности, кислорода. Изобретение может быть использо вано в системах контроля и управления технологическими процессамив; различных отраслях.промышленности,. там, где требуется анализировать парамагнитные газы, в особенности кислород, В частности, изобретение может применяться в энергетике для ;обеспечения сштимальных условий сжигания теплив а на тепловых электростанциях, где необходимо измерение содержания кислорода в уходящих газах для регулирования подачи топлива и воздуха. Известен датчик парамагнитного га за, содержащий камеру, в которой соз дано неоднородное магнитное поле и через которую пропускают анализируемую газовую смесь. В камере установлена платиновая спираль, состоящая из двух секций, которые являются ктивными плечами мостовой схемы. Ра-,,. бота датчика оснЬвана на принципе термрмагнитной конвекции, возникающей в парамагнитной газовой смеси, помещенной в неоднородное магнитное поле В этом датчике, который называют газонализатором, газовая смесь, магнитная восприимчивость которой всильной степени зависит от наличия в ней кислорода, предварительно очищенная .вредных приМесей, охлажденная до темпе атуры 20,с и осушенная селикагелем при регулируемом постоянном расходе подается в рабочую камеВ рабочейкамере гйзовая смесь, попадая в неоднородное магнитное. поле, вызывает ;так называемьд магнитный ветерг скорость потока которого пропорциональна магнитной восприимчивости газовой смеси, и охлаждает платиновую спираль, помещенную в измерительную трубку. Первая по ходу газовой смеси секция платиновой спирали охлаждается интенсивнее второй секции, в результате чего изменение сопротивления активных плеч неодинакрво и балансноесостояние моста нарушается. При этом разбаланс пропорционален содержанию кислорода в анализируемой газово.й смеси. Напряжение разбаланса подаетсяна вторичный прибор, имеющий шкалуf градуированную в процентах содержания кислорода.

К недостаткам известного датчика парамагнитного газа относится следую щее. Контроль содержания кислорода в анализируемой газовой смеси осуществляется косвенны 4 методом, что не обеспечивает достаточной :рочностн измерения. Предъявляются высокие требования к анализируемой .газовой смеси: отклонение давления.газовой смеси в рабочей камере на.10мм ртутног столба от номинального дает дополнительную погрешность до 3% от верхне го предела измерений изменение расхода газовой смеси на 10% от номиналного. вызывает дополнительную погрешность порядка 1%, при изменении борометрического давления на пять миллиметров ртутного столба и температуры окружающей среды на 10.С .допоЛнитель ная погрешность прибора.составляет 1,5% от,Максимального значения шкалы

Известен таклсе датчик парамагнитного газа, содёржашлй мостовую магнитную систему с двумя -зазорами для эталонного и анализируемого, газа и с датчиком инд5 циимагнитного поля 2 , -- В этом датчике затруднена балдасировкаплеч моста, а также наблюдается смещение нуля во время работы. В связи с этим, точность и особенно стабильность этого датчика не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к подобным датчикам на производстве, в частности, при регулировании процесса сгорания топлива на тепловых электростанциях. .

Известен датчик парамагнитного ,наиболее близкий по технической сущности, содержащий анализатор парамагнитного газа с входным и выходным каналами для подвода и отвЬда анализируемого газа и выходным, электрическим каналом и источник анализируемого газа. Устройство содержит магнит, часть магнитопровода которого выполнена в виде трубопровода с анализируемым газом, и датчик индукции магнитного поля 3,

Этот датчик при изменении парамет ров магнита из-за изменения темпера- Typtd .окружающей среды и других причин не обеспечивает достаточную точность и не может- быть использован дая7- ЯИСЬкЬточйы5 измерений анализируемой смеси газов.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности датчика,

Для этого в датчике установлены три клапана с дискретным управлением

два блока памяти аналоговых сигналов с дискретным управлением, два блока памяти дискретных сигналов с дискретным управлением, две логические схрмы, реализующие каждая логическую операцию отрицания импликации, сумматор аналоговых сигналов, блок формирования сигналов управления и источник эталонного газа, вход первого клапана соединен с источником эталонного газа, вход второго клапана соединен с источником анализируемого газа, а выходы первого и второго клапанов соеди нены со входным каналом указанного анализатора парамагнитного газа, ,вход третьего клапана связан с выходным каналом анализатора, выход третьегоклапана связан со сбросной полостью, например, с атмосферой, электрический выход анализатора парамагнитного газа связа н со входом первого блока памяти аналогового сигнала, выход которого сообщен с плюсовым входом сумматора, выход сумматора связан с первыми входами упомянутых логических cxesM и со входом второго блока памяти аналогового сигнала, выход которого соединен с минусовым входом сумматора и совторыми входами указанных логических схем, выходы которых связаны со входами блоков памяти дискретных, сигналов ; выходы которьах являютйя выходами датчика,управляющие-входы клапанов и блоков памяти соедине: ны с выходами блока формирования управления,

На чертеже показанапринципиальная схема предлагаемого датчика па-рамаг;нитного газа..Датчик содержит электромагнит 1, часть, магнйтопровода 2 квягорого выполнена в виде трубопровода 3 с анализируемым газом, и датчик 4 индукции магнитного поля. Электромагнит 1 с магнитопроводом 2, трубопроводом 3 и датчиком 4 индукции магнитного поля представляют собойанализатор парамагнитного газа с входным и выходным, каналами для подвода и отвода анализируемого газа и выходным электрическим каналом. Входной канал для подвода анализируемого газа есть вход трубопровода 3, а выходной канал для отвода анализируемого, газа ectb выход трубопровода 3. Вькодной электрический канал анализатора есть выход датчика 4 индукции магнитного поля. Используется пример выполнения датчика, в котором анализатор выполнен в виде электромагнита 1, часть магнитопровода которого выполнена в виде трубопровода 3, и датчика 4 индукции магнитного поля, который может быть выполнен, например, в виде датчика Холла. В датчике, парамагнитного газа установлены три клапана 5, б и 7 с дискретным управлением два блока 8 и 9 памяти для запоминания аналоговыхсигналов с дискретным управлением и два блока 10 и 11 памяти дискретных сигналов с дискрет ным управлением. Кроме того, в датчике установлены две логические схемы 12 и 13, реализую14ие каждая логическую операцию отрицания импликации сумматор 14 аналоговых сигналов и блок 15 формирования Сигналов управления. Вход первого клапана 5 соединен с источником 16 эталонного газа, вход второго клапана б соединен с источником 17 анализируемого газа, а выходы первого 5 и второго б клапанов соединены со входом трубопровода .3, установленного в магнитопроводе 2 Вход третьего клапана 7 связан с выходом указанного трубопровода 3, а выход - со сбросной полостью, например, ,с атмосферой. Выход датчика 4 индукции магнитного поля непосредственно или через усилитель выходного сигнала этого датчика 4, или через преобразователь 18 вида сигнала, который, например, может быть выполнен в виде преобразователя электрического сигнала в гидравлический сигнал, связан со входом первого блока 8 памяти аналогового сигнала. Выход первого блока 8 памяти аналогового сигнала сообщен с плюсовым входом сумматора 14, выход которого связан с первыми входами логических схем 12 и 13 и со входом второго блока 9 памяти аналогового сигнала. Выход второго блока 9 памяти аналогового сиг.нала соединен с минусовым входомсум матора 14 и со вторыми входами указанных логических схем 12 и 13, выхо ды которых связанна со входами блоков 10 и 11 памяти.дискретных сигналов, являющимися выходами датчика. Управляющие входы клапанов 5,6 и 7 блоков 8, 9, 10 и11 памяти соединены со входами блока 15 формирования сигналов управления. Предлагаемый датчик работает следующим образом. Сначала от блока 15 формирования сигналов управления подают сигналы к блокам 10 и 11 паМяти дискретных сигналов, на выходахкоторых запоминают текущие сигналы. За тем подают сигналы к блокам 8 и 9 па мяти, которые переводят эти блоки в режим следящей системы, т.е. в такой режим, при котором на выходах этих блоков отрабатывается автоматически такой же сигнал, какой подают на их входы. В этом режиме сумматор 14 работает также в режиме следящей системы, т.е. на его минусовом входе повторяется сигнал выхода сумматора 14, и при этом сигнал выхода, сигнал на минусовом входе и сигнал на плюсовом входе сумматора 14 равны между собой, хотя и могут практически от- личаться один от другого на величину погрешности сумматора 14 и блока 9 памяти. Кроме тога, с блока 15 фррмирования сигналов управления поступает сигнал на клапан 5, через который эталонный газ или смесь газов поступает в трубопровод 3. При этом в первыйМомент в течение некоторого времени клапан 7 может быть открыт, для того чтобы сбросить газ, который был в трубопроводе 3 до поступления эталонного газа. Клапан 7 может быть открытым и большее время или всегда открытым, если система рассчитана на работу в режиме протока эталонного и анализируемого газа. Когда эт алонный газ заполнит трубопровод 3 или будет непрерывно и равномерно протекать через этот трубопровод, через магнитопровод 2 установится постоянный магнитный поток, которьпЯ будет определяться содержанием в эталонном газе парамагнитного газа. Предположим, что в эталонном газе будет содержаться 2% кислорода. При этом на выходе Датчика 4 индукции магнитного поля установи ся сигнал, соответствующий двухпроцентному содержанию кислорода В эталонном газе. Необходимо-отметить, что элементы схемы предлагэемого датч:икапарамагнитного газа могут быть реализованы электрическими, гидравлическими, пневматическими И Д рУГйЙи средствами. Для пояснения работы датчика парамагнитного газа имеет значение лишь функциональные зависимости, реализуемые тем IЛИ иным элементом, а не егокрнстру тйвная реализация и даже не физическая природа сигналов, над которыми.Выполняется та иЛи иная функция. Поскольку описываемые функции элементарны, каждая из них в отдельности мОжет быть реализована на тех или Hrfbix. элементах специалистом в той- или иной области в соответствии с конкретными условиями эксплуатации. Поступающий:от усилителя или преобразователя 18 вида сигнала сигнал повторяется блоком 8 памяти и поступает на сумматор 14. При этом, как уже было рассаютрено, на выходе и минусовом входе сумматора отрабатывается почти такой же сигнал, т.е. сигнал с некоторой погрешностью. Величина этого (ригнала может изменяться в некотором диапазоне, обычно в стандартном диапазоне сигналов, принятых для электрических и гидравлических средств. При этом на выходах логических схем 12 и 13 сигналы будут равны единице, поскольку сигналы на их входах равны и каждый из них можно считать единичным сигналом, нвсмотря на то, что они могут изменяться в достаточно .большом диапазоне, Рассмотренный режим может быть назван режимом настройки датчика парамагнитного газа.. Для перехода во. второй режим, который назвать измерительным ре жимом,от блока 15 формирования сигналов управления подают сигналы на блоки 8 и 9 памяти аналоговых сигна лов, которые переводят эти блоки памяти в режим запоминания. При этом .сигналы на выходах этих блоков оста.ютс.я постоянными и не зависят от сиг налрв на их входах. Затем от блока 15 формирования сигналов управления подают сигнал к клапану 5 на его закрытие и сигнал к клапану 6 на его открытие. При этом через трубопровод 3 начйнает проходить ана тизируемый; газ или смесь газов. Если/количеству кислорода в это смеси равнЪ вточности количеству кислорода в эталонной смеси, т.е. двум- процентам, то сигнал датчика ин дукции магнитного поля не изменится. При этомочевидно, что при переводе . блока 8 памяти в режим слежейий ни-. чего не должно измениться, так как н его выходе и входе окажутся в, точнбйти6йийа1 :с вйё сигналы, что и при режиме настройки. Если же количество Кислорода в смеси анализируемого газа больше или меньше, чем количество кислорода, которое было в эталоннойсмеси в режиме настройки, то .сигнал навыходе датчика индукции магнитнрг поля также изменится, станет больше . или меньше. Изменитсяи сигнал на вы ходе блока 8 памяти, что Приведет к разбалансу сумматора 14, который в этом режиме, при .фиксированном сигна ле, от блок.а 9памяти, рабЬ &ёткак элемент сравненияс дискретным выходом. Сигнал на выходе сумматора 14 л.ибо уменьшится до нуля, либо увеличится до возможного максимума. При этом произойдет срабатыв ание одной и.з логических схем 12 или 13, Причем та схем а т которая выполняет логическую операцию отрицания импликации 44 1 . - выходной сигнал сумматора 14 - выходной сигнал блока па мяти 9; . - - знак логической операции импликация : - означает отрицание, над буквами В.- В. . При увеличении выходного сигнала сумматора 14 перебросится q единицы Н ануль, а та схема, которая выполняет логическую операцию - В. 9 f4 npiisTOM же увеличении выходного сиг нала сумматора 14 будет поддерживать насвоем выходе сигнал, равный еди-. нице, а при уменьшении выходного сиг нала сумматора 14 вторая схема поме-. няет сигнал, а первая оставит прежний сигнал. В конце второго измерительного режима работы подают от бло-ка 15 формирования сигналов управления сигналы на блоки 10 и 11 памяти дискретных сигналов 10 и 11 сигналы, которые Переводят их из режима запоминания в режим отслеживания входных сигналов. При этом сигналы от логических схем 12 и 13 проходят на выход датчика и могут быть использоваиы для контроля и управления. Предлагаемый датчик парамагнитного газа имеет.более высокую точность, чем известные датчики. По предварительным расчетам точность повышается в5-8 раз. Это Объясняется тем, что в предлагаемом датчике обеспечена автоматическая настройка, при которой устраняется погрешность, свя.занная с нестабильностью магнитной системы, погрешность, вызванная изменением температуры, погрешность от нестабильности других элементов датчика. Эти погрешности полностью в принципе устраняются благодаря самонастройке датчика. Необходимо отметить, что речь идет о погрешностях, вызванных относйтельно медленнйми изменениями параметров. Если за время от начала первого режима до конца второго эти параметры изменятся, то погрешность будет расти. Но.первый и второй режимы могут.быть проведены за нескблько секунд, и за это время вероятность измененйя параметров мала. Если в дальнейшем за более длительное время, чем переходные процессам от начала первого режима до конца второго, произойдут даж% значительные изменения параметров датчика, это не вызовет внесения погрешности, так как каждый раз датчик будет подстраиваться под измененные параметры и автоматически устранять погрешность. . .Формула изобретения Датчик парамагнитного газа, содержащий анализатор парамагнитного газа с входным и йыходным каналами для подвода и отвода анализируемого.газа и выходным электрическим каналом и источник: анализируемого газа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в датчике установлены три клапана с дискретным управлением, два блока памяти аналоговых сигналов с дискретным управлением, два блока памяти дискретных сигналов с дискретным управлением, : две логические схемы, реализующие каждая логическую операцию отрицания ийпликации, сумматор аналоговых