Термомагнитный газоанализатор Советский патент 1981 года по МПК G01N27/72 

(54) ТЕРМОМАГНИТНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

f

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для -определения концентрации кислорода при контроле состава газовых сред.

Известно измерительное устройство вырабатывающее зависящий от угла наклона электрический сигнал, которое можно было бы, использовать в качестве компенсатора наклона. В резистивном преобразователе углов отклонения от вертикалей 1 корпус заполнен электропроводящей жидкостью с частично погруженными в нее резистивными элементами, включенными в измерительный мост. При изменении угла наклона изменяются вследствие перемещения электропроводящей жидкости сопро-. тивления плеч моста, который и вырабатывает зависящий от угла наклона сигнал.

Недостатком этого устройства является наличие зависимости удельного сопротивления электролита, а, следовательно, и выходного сигнала устройства от окружающей температуры.

Известно также устройство, состоящее из двух сообщающихся узких трубок, заполненных диэлектрической

жидкостью, в каждую из которых помещена пара электродов, образующих обкладки конденсаторовf2j. Конденсаторы подключены по дифференциальной схеме к электронному преобразователю и показывающему прибору. При наклонах устрюйства изменяется отношение между емкостями обоих конденсаторов, определяемое, в свою очередь, соот10ношением долей диэлектрических проницаемостей жидкостей и воздуха в эффективной диэлектрической проницаемости везцества каждого конденсатора.

Недостатком этого устройства как

15 возможного компенсатора наклонов газоанализатора является необходимость использования дополнительных электронных устройств, которые согласовывали бы реактивный сигнал данного на20клономера с активным сигналом газоанализатора, что привело бы к усложнению прибора и увеличению его габаритов и энергопотрёВлення. Кроме того, общим недостатком измерителей

25 наклона является несоответствие их инерционностей инерционности газоанализатора, обусловленной временем пере.годного процесса изменения условий теплообмена на поверхности чувстви30тельных элементов газоанализатора

при его наклонах. Это обстоятельство приводит к появлению ложных срабатываний при наклонах газоанализатора, снабженного выходным сигнальным устройством с релейной характеристикой.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности с учетом известности компенсаторов наклона является термомагнитный газоанализатор с чувствительными элементами-терморезисторами в виде проволочньлх цилиндрических стержней, выполненный по двухмостовой схеме отношения, содержащей рабочий мост с горизонтално расположенными.в термомагнитной ячейке чувствительными элементами и сравнительный мост с аналогичными чувствительными элементами З .

Рабочий мост содержит рабочий и сравнительный чувствительные элементы, включенные в смежные плечи моста и представляющие собой терморезисторы. Два другие плеча образованы постоянными резисторами. Рабочий чувствительный элемент -рабочего моста находится в термомагнитной измерительной ячейке в неоднородном магнитном поле, создаваемом магнитнойсистемой, а сравнительный элемент, в этой же ячейке,но вне поля. Сравнительный мост газоанализатора выполнен в виде моста теплопроводности, в смежные плечи которого включены чувствительные элементы - терморезисторы, помещенные в измерительной ячейке, в которых отсутствует передача тепла конвенцией. Один чувствительный элемент (рабочий находится в ячейке, заполненной воздухом, а другой (сравнительный - в ячейке с двуокисью углерода. Вьоходное напряжение рабочего моста пропордионально концентрации кислорода в термомагнитной ячейке, квазипостоянное выходное напряжение сравнительного моста является опорным. Выходы мостов соединены с входами электронного блока, формирующего напряжение, пропорциональное отношению сигнала рабочего моста к сигналу сравнительного моста.

Недостатком описанного газоанализатора является то, что в случае наиболее распространенной конструкции термомагнитной ячейки (магнитное поле в однородной области вертикально, а оси чувствительных элементов горизонтальны) показания газоанализатора существенно зав-исят от угла наклона прибора к плоскости горизонта при повороте его относительно оси чувствительного элемента.

Целью изобретения является устраНение влияния наклонов на показания приборов и повышение надежности его работы.

Поставленная цель достигается тем, что в термомагнитном газоанализаторе с чувствительными элементамитерморезисторами в виде проволочных цилиндрических спиралей, выполненном f по двухмостовой схеме отношения, содержащей рабочий мост с горизонтально расположенными в термомагнитной ячейке чувствительными элементами и сравнительный мост с аналогичными

и чувствительными элементами, два чувствительных элемента сравнительного моста помещены в заполненную частично жидким теплоносителем герметичную камеру и по крайней мере частично погружены в теплоноситель, а их оси

5 расположены в плоскости, перпендикулярной осям чувствительных элементов термомагнитной ячейки рабочего моста.

На фиг. 1 изображен схематически 0 газоанализатор с герметичной камерой, на фиг. 2 - герметичная камера в наклонном положении.

Термомагнитный газоанализатор состоит из рабочего и сравнительного 5 мостов. Рабочий мост содержит иден- тичные рабочий и сравнительный чувствительные элементы, образующие смежные плечи моста 1 и 2 соответственно. Каяддый из чувствительных элементов

1 и 2 представляет собой терморезистор, выполненный из тонкой металлической проволоки с высоким температурным коэффициентом сопротивления в виде остеклованной цилиндрической

спирали малого диаметра. Рабочий чувствительный элемент 1 находится в термомагнтной измерительной ячейке (на чертежах не показанаj в неоднородном магнитном поле,создаваемом магнитной системой, а сравнительный

элемент 2 - в этой же ячейке, но вне поля. Два другие плеча рабочего моста образованы постоянными резистора 3 и 4. При нахождении газоанализатора в нормальном рабочем положеНИИ вектор магнитного поля в ячейке в области.однородного поля направлен по вертикали, а оси чувствительных элементов расположены в горизонтальной плоскости. Сравнительный мост

газоанализатора содержит идентичные рабочий и сравнительный чувствительные элементы 5 и б, включенные в смежные плечи моста и выполненные аналогично чувствительным элемеитам 1 и 2, но помещенные соответственно в две ячейки теплопровод- . нести, в которых отсутствует конвективный теплообмен. Ячейка рабочего чувствительного элемента 5 заполнена углекислым газом, а ячейка сравнительного чувствительного элемента б воздухом. В два других смежных плеча моста включены постоянные резисторы 7 и 8,а также компенсационные терморезисторы 9 и 10. Каждый из терморезисторов выполнен из тонкой металлической проволоки с высоким температурным коэффициентом сопротивления в виде остеклованной цилиндрической спирали малого диаметра. Терморезисторы 9 и 10 помещены в заполненную частично например на половину, жидким теплоносителем 11 камеру 12. Плоскость, в которой находятся оси элементов 9 и 10, перпендикулярна осям чувствительных элементов термомагнитной ячейки. При нахождении газоанализатора в нормальном рабочем положении терморезисторы 9 и 10 погружены по крайней мере частично в теплоноситель, а их оси вертикальны. Измерительные диагонали рабочего и сравнительного мостов соединены с входом операционного усилителя 13 вырабатывающего напряжение .U, пропорциональное отношению выходных напряжений рабочего L) и сравнительного U2 мостов согласно равенству: где К const Рассмотрим работу газоанализатора в двух случаях: при нахождении прибора в нормальном рабочем положаНИИ и при наклоне его к плоскости горизонта поворотом относительно оси одного из чувствительных элементов рабочего моста. В первом случае при появлении в термомагнитной ячейке газовой смеси, содержащей кислород, вблизи рабо чего чувствительного элемента 1 рабочего моста возникает термомагнитная конвекция, вследствие чего, температура элемента 1 понижается, рабо чий мост выходит из состояния равновесия и в измерительной диагонали моста появляется напряжение (J , пропорциональное концентрации кислорода в контролируемой газовой смеси. При этом терморезисторы 9 и 10 погру жены в жидкость 11 на одинаковую часть длины и имеют одинаковые темпе ратуры и сопротивления, благодаря чему содержащая терморезисторы ветвь сравнительного моста симметрич на относительно измерительной диагонали и выходное напряжение сравнительного моста Uj равно задаваемому номинальному значению, обусловленном разностью температур сопротивлений/ чувствительных элементов 5 и 6. В оп рационном усилителе 3 осуществляется деление напряжений рабочего моста и. на напряжение сравнительного мост в соответствии с соотношением (1, в результате чего на выходе усилителя 13 вырабатывается масштабированны сигнал и,- пропорциональный концентрации (измеряемой кислорода/. . При наклоне газоанализатора к плоскости горизонта происходит поворот вектора термомагнитной конвекции, относительно вектора естественной тепловой конвекции, в результате чего изменяется результирующий вектор конвекции газа вблизи рабочего чувствительного элемента 1. Одновременно вследствие поворота термомагнитной ячейки и несимметричности конфигурации ее рабочего объема изменяется интенсивность конвективной теплоотдачи сравнительного элемента 2, что приводит к одновременному, но неодинаковому изменению температур (и сопротивлений) чувствительных элементов 1 и 2, не связанному с изменением концентрации кислорода. Вследствие этого в измерительной диагонали рабочего моста появляется дополнительный сигнал AU, представляющий собой погрешность, пропорциональную углу наклона прибора. Однако, синхронно с этим происходит перетекание теплоносителя в камере 12, например, как показано на фиг.2 для случая поворота прибора по часовой стрелке. При этом теплоотдача терморезистора 9 ослабевает вследствие его обнажения и уменьшения коэффициента теплоотдачи на его поверхности, а теплоотдача терморезистора 10 остается практически неизменной. Вследствие этого повышается температура и сопротивление терморезистора 9, симметрия ветви моста, содержащей терморезисторы 9 и 10, нарушается, и выходной сигнал сравнительного моста получает приращение uU2, пропорциональное углу наклона прибора. В процессе настройки прибора приращения, ди и U 2 регулируют до равенства с заданной точностью, например, подбором шунтирующих сопротивлений для терморезисторов 9 и 10 ив результате операции деления, осуществляемой в усилителе 13, выходной сигнал газоанализатора и становится независимым от наклона. Схема включения терморезисторов 9 и 10 в сравнительный мост, приведенная на фиг.1, соответствует случаю, когда знаки приращений сигнала рабочего моста при поворотах прибора по и против часовой стрелки противоположны. В случае же, когда знаки приращений сигнала при повороте прибора по и против часовой стрелки совпадают, терморезисторы 9 и 10 включены последовательно в одно плечо сравнительного моста (этот вариант включения ввиду его очевидности графичес- ки не представлен). Из фиг.2 следует, что при выбранных значениях длины Н рабочей части компенсационных терморезисторов 9 и 10 и расстояния L между их осями, компенсация погрешности от наклонов прибора осуществляется в

предложенном устройстве вплоть до предельного угла наклона , определяемого соотношением:

r-J-rr .

- 2 н

Таким образом, в предложенном газоанализаторе введена автоматическая компенсация, устраняющая влияние наклона на показания, присущее нзвecтнo J газоанализатору. Преимущество предложенного газоанализатора перед известными измерителями угла наклона заключается также в том, что в нем компенсирунадий наклоны сигнал вырабатьшается синхронно с паразитным сигналом и имеет тот же характер благодаря тому, что оба сигнала формируются с помощью процесса одной природы - согласованным изменением теплоотдачи идентично изготовленных терморезисторов, включенных в идентичные измерительные мосты и нагреваемых проходящим через них током. Это исключает возможность появления вследствие наклона ложных срабатываний газоанализатора, в случаях если он снабжен выходным сигнализирующим устройством релейного типа,т.е. повышает надежность, газоанализирующих устройств.

Формула изобретения Термомагнитный газоанализатор с чувствительными элементами-терморезисторами в виде проволочных цилиндрических спиралей, выполненный по двухмостовой схеме отношения, содержащей рабочий мост с горизонтально расположенньми в термомагнитной .ячейке чувствительными элементами и сравнительный мост с аналогичными чувствительными элементами, отличающийся тем, что, с целью устранения влияния наклонов на показания прибора и повышения надежности его работы, два чувствительных элемента сравнительного моста помещены в заполненную частично жидким теплоносителем герметичную камеру, а их оси расположены в плоскости, перпендикулярной осям чувствительных элементов термомагнитной ячейки рабочего моста.

Источники информации. принятые во внимание при экспертизе

3.Авторское свидетельство СССР № 627391, кл. G 01 N 27/72, 1977 (прототип).