Термомагнітний газоаналізатор

Корисна модель відноситься до вимірювальної техніки, зокрема до газоаналізаторів для визначення концентрації кисню, і може бути використана в приладобудуванні, хімічної, металургійної і гірської промисловості. Відомий магнітомеханічний газоаналізатор, що складається з блоку живлення, первинного вимірювального перетворювача, проміжного перетворювача, блоку індикації, що з'єднані між собою електричними проводами, а первинний вимірювальний перетворювач газовими трактами з'єднаний із блоком підготовки газу (А.с. СССР №1396762 А "Измерительная камера компенсационного магнитомеханического газоанализатора", G01N27/72, 02.07.1986). Газоаналізатор призначено для визначення концентрації кисню в газових суміша х. До причин, що перешкоджають досягненню зазначеного нижче технічного результату при використанні відомого газоаналізатора, відноситься те, що даний прилад має механічно рухливий чутливий елемент, а також оптичну систему, що в значній мірі ускладнює роботу та обслуговування газоаналізатора. Відомий магнітопневматичний газоаналізатор (Амманозанов А.А., Шарнопольский А.И. "Ме тоды и приборы для определения кислорода (газовый анализ)": Справочник. М.: Химия, 1988. 144 с.: ил.). До причин, що перешкоджають досягненню зазначеного нижче технічного результату при використанні відомого газоаналізатора, відноситься те, що для здійснення аналізу слід використовувати порівняльний газ, показання приладу залежать від витрати порівняльного газу, а також від властивостей та зміни складу не кисневої частини аналізуємої газової суміші, що зменшує точність вимірювання. Крім того статична характеристика магнітопневматичного газоаналізатора є нелінійна, що не дозволяє використовувати один газоаналізатор для вимірювання концентрацій кисню в діапазоні від 0 до 100%. Найбільш близьким до приладу, що заявляється того ж призначення, є термомагнітний газоаналізатор, що включає з'єднані газовими трактами блок підготовки газу і первинний вимірювальний перетворювач, проміжний перетворювач, з'єднаний електричними проводами з первинним вимірювальним перетворювачем і блоком індикації, а також блок стабілізованої напруги, з'єднаний електричними проводами з первинним вимірювальним і проміжним перетворювачами і з блоком індикації. (А.с. №1218321 "Термомагнитный газоанализатор", G01N27/72, 15.03.1986) прийнято за прототип. До недоліків цього газоаналізатора слід віднести низьку чутливість перетворення, залежність показань приладу від зміни складу не кисневої частини аналізуючий газовій суміші, а також той факт, що для вимірювання концентрації кисню в діапазоні від 0 до 100% слід використовувати не менш п'яти приладів цього типу. Суть корисної моделі полягає в наступному. Оптимальне ведення технологічних процесів, економічне використання сировини й енергоресурсів, якість виробленої продукції в багатьох випадках залежать від компонентного складу газових сумішей (у тому числі і від змісту кисню). Аналіз газових сумішей необхідний у багатьох випадках хімічній, металургійній, нафтопереробній і іншій областях промисловості, а також у медицині, космічних дослідженнях і т.д. Основні вимоги, що пред'являються до засобів вимірювання, є експресність і точність вимірювання, а також автоматизація процесу вимірювання і вірогідність вимірювальної інформації. Фізико-хімічні методи в багатьох випадках не задовольняють таким вимогам, тому останнім часом широке поширення знаходять методи автоматичного контролю складу газових сумішей. Найбільш ефективними приладами для визначення концентрації кисню в газових сумішах є магнітні газоаналізатори. В основу їх роботи покладені парамагнітні властивості кисню, що у даного газу більш ніж на порядок вище, ніж у всіх інших газів (відносна магнітна сприйнятливість кисню - 1.0; повітря - 0.21; двоокису азоту - 0.0616; окису азоту (1) - 0.02; ацетилену -0.0068 і т.д.). Наслідком цього є той факт, що магнітні засоби вимірювання мають високу чутливість до зміни концентрації кисню в газовій суміші. З усіх відомих магнітних приладів термомагнітні газоаналізатори характеризуються високою надійністю, простотою конструкції, відсутністю оптичних елементів і частин, що механічно переміщаються. Вони прості в експлуатації і не вимагають складного технічного обслуговування. Не дивлячись на всі переваги, термомагнітні газоаналізатори мають істотні недоліки: - статична характеристика приладу нелінійна. Це унеможливлює вимірювання концентрації кисню від 0 до 100%, використовуючи один термомагнітний газоаналізатор; - крім того, показання приладу істотно залежать від властивостей і складу не кисневої частини аналізованої газової суміші. Для рішення різного роду практичних задач, зв'язаних з визначенням концентрації кисню в аналізуючій газовій суміші необхідно визначити діапазон зміни концентрації кисню, склад не кисневої частини суміші і вибрати модель термомагнітного газоаналізатора, в якій на даній ділянці залежність вихідного сигналу від концентрації лінійна. З іншої сторони при виготовленні приладів виникає ряд складностей, зв'язаних з настроюванням і перевіркою приладів, оскільки кожен прилад вимагає використання своєї методики і спеціальних перевірочних сумішей, склад яких залежить від робочого діапазону приладу і складу не вимірюваної частини газової суміші. Усе перераховане вище значним чином ускладнює процес вибору приладу, його виготовлення, настроювання і перевірку, роблячи ці операції трудомісткими і дорогими. Задача корисної моделі - уніфікація технологічних параметрів термомагнітного газоаналізатора та покращення його метрологічних характеристик. Технічний результат - розширити діапазон вимірювання концентрації кисню від 0 до 100% в аналізуючій газовій суміші, збільшити чутливість і виключити вплив властивостей і зміни складу не кисневої частини газової суміші. Зазначений технічний результат при здійсненні корисної моделі досягається тим, що в термомагнітному газоаналізаторі, що включає з'єднані газовими трактами блок підготовки газу і первинний вимірювальний перетворювач, проміжний перетворювач, з'єднаний електричними проводами з первинним вимірювальним перетворювачем і блоком індикації, а також блок стабілізованої напруги, з'єднаний електричними проводами з первинним вимірювальним і проміжним перетворювачами і з блоком індикації, особливість полягає у тому, що вимірювальна кільцева проточна камера первинного вимірювального перетворювача містить додатковий термоанемометр, з перегородкою, який розташовано між полюсами постійного магніту паралельно основному термоанемометру. При дослідженні відмітних ознак описуваного приладу, не виявлено аналогічних рішень, що дозволяють вимірювати концентрацію кисню від 0 до 100%, одночасно збільшуючи чутливість приладу і виключаючи вплив властивостей та зміни складу не кисневої частини аналізуючої газової суміші за допомогою термомагнітного газоаналізатора. Для зменшення не лінійності статичної характеристики додатковий термоанемометр має перегородку, яка розташована в зоні максимального термомагнітного поля. Перегородка виготовляється зі слюди і має розмір, що визначається розміром зони максимального термомагнітного поля. Спіралі термоанемометрів є плечами двох електричних нерівнозважених мостів. У наслідок того, що парамагнітні властивості кисню досить великі, газ втягується в магнітне поле по трубках термоанемометрів. Потрапляючи в зону максимального термомагнітного поля, кисень нагрівається і, відповідно до закону Кюрі, частково втрачає свої магнітні властивості, а отже, він буде проштовхуватися в канали термоанемометрів більш холодним, тобто більш магнітним газом. У трубках термоанемометрів створюється потік газу (термомагнітна конвекція), сила якого залежить від об'ємної концентрації кисню в пробі аналізуючої газової суміші. У свою чергу потік газу, що виникає в термоанемометрах, викликає охолодження першої спіралі за напрямком руху потоку секції в більшій мірі, ніж другої. Зміна температури змінює їх опори, а отже, приводить до розбалансу електричних мостів. На вихода х мостових вимірювальних схем з'являються напруги U1 і U2. Як показано в [Стенцель Й.И. "Пути уменьшения погрешностей термомагнитного газоанализатора" Диссертация на соискание научной степени к. т. н., Львов. 1973.], не дивлячись на невеликі швидкості руху газу в каналі термоанемометра (до 10мм/сек), в зоні максимального термомагнітного поля характер руху є турбулентним. Це приводить до додаткового охолодження першої спіралі, а статична характеристика приладу стає нелінійною. Для зменшення цього ефекту, всередину додаткового термоанемометра встановлюється перегородка. Напруги U і U відрізняються одна від другої на величину DU = U1 - U2 , обумовлену ослабленням 1 2 турбулентності потоку, і обробляються за сумарно-різницевим методом за допомогою обчислювального пристрою за наступним алгоритмом: - знаходиться сумарна напруга U = U1 + U 2 ; (1) å - величина ослаблення турбулентності потоку (2) DU = U1 - U2 - величина ослаблення турбулентності потоку збільшується на коригувальний коефіцієнт і віднімається із сумарної напруги U =U - kD U (3) å За рахунок того, що вихідні напруги двох мостових схем U 1 і U2 складаються, збільшується чутливість, а за U рахунок того, що з їхньої суми å віднімається різниця між ними D U , виключається вплив не кисневої частини аналізуючої газової суміші на показання термомагнітного газоаналізатора. Установлено, що значення коригувального коефіцієнта k практично лінійно залежать від молекулярної маси невимірювального компонента аналізуючої газової суміші і складають: для газової суміші кисень - гелій - 1.8, кисень - водень - 1.8, для газової суміші кисень - азот - 1.4, для газової суміші кисень - двоокис вуглецю - 1.08. На підставі викладеного можна затверджувати, що сукупність відмінних ознак, викладених у формулі корисної моделі, необхідна і достатня для одержання необхідного технічного результату. Проведений заявниками аналіз рівня техніки, що включає пошук по патентних і науково-технічних джерелах інформації, і виявлення джерел, що містять відомості про аналоги заявленої корисної моделі, дозволив установити, що заявники не знайшли аналог, що характеризується ознаками, тотожними всім існуючим ознакам заявленої корисної моделі. Отже, заявлена корисна модель відповідає умові «новизна». На фіг.1 представлена структурна схема термомагнітного газоаналізатора, а на фіг.2 кільцева вимірювальна камера з двома паралельно розташованими між полюсами магнітів термоанемометрами. Докази, що підтверджують можливість здійснення корисної моделі з одержанням вищевказаного технічного результату, полягають в наступному. Термомагнітний газоаналізатор складається з блоку підготовки газу 1, первинного вимірювального перетворювача 2, проміжного перетворювача З, блоку ци фрової індикації 4 та блоку стабілізованої напруги 5. Блок підготовки газу 1 являє собою конструкцію, що має окремі вхід і вихід газу, а газові тракти з'єднані з первинним перетворювачем. Схема блоку підготовки газу (на рис. не показана) складається з фільтра, призначеного для контролю чистоти проби аналізуючої газової суміші, що підключається в розрив вхідного газового тракту; опору - вентиля для регулювання кількості проби, що надходить на аналіз; стабілізатора абсолютного тиску для підтримки постійного заздалегідь заданого тиску газу в газовому тракті газоаналізатора; індикатора витрати газу для візуального контролю й установки за допомогою вентиля загальної витрати газу; стабілізатора витрати газу для підтримки постійної витрати через первинний вимірювальний перетворювач; індикатора витрати через первинний перетворювач. Первинний перетворювач 2 газоаналізатора відноситься до групи НН (не допускає нахилу). Магнітний вузол первинного перетворювача постачений рівнем для установки його в робоче положення. Камера первинного перетворювача 6 виконана з нержавіючої сталі і має кільцеву проточку 7, по діаметру якої розташовані паралельно один одному два термоанемометри (основний 8 та додатковий 9), кожний з яких представляє собою скляну кварцову трубку з намотаної на ній двосекційною спіраллю з платини 10, при чому в додатковий термоанемометр уставлена поздовжня перегородка 11 для зменшення турбулентності потоку. Перегородка виготовляється зі слюди, так як слюда має мали коефіцієнт лінійного розширення, і встановлюється в зоні максимального термомагнітного поля і має довжину, що залежить від розміру зони максимального термомагнітного поля (приблизно 7мм). Термоанемометри 8 та 9 знаходяться в неоднорідному магнітному полі, створюваному постійним магнітом 12. Секції 10 чутливих елементів 8 та 9 разом з додатковими опорами (на рис. не показано) включаються за схемою нерівнозваженного електричного моста, який заживлено постійною стабілізованою напругою від блока стабілізованої напруги 5 за допомогою електричних проводів. Вимірювальний сигнал у вигляді струму 0-1мА подається на проміжний перетворювач 3. Проміжний перетворювач газоаналізатора 3 призначений для перетворення струмового сигналу 0-1мА у напругу 0-1В і для видачі його на пристрій індикації. Проміжний перетворювач 3 з'єднано з первинним вимірювальним перетворювачем 2, з блоком індикації 4. Блок стабілізованої напруги 5 призначено для живлення первинного вимірювального 2 та проміжного 3 перетворювачів, а також блоку індикації 4, з якими він з'єднаний електричними проводами за схемою. Прилад працює таким чином. Аналізуюча газова суміш з блоку підготовки газу 1 з постійною витратою і тиском подається в кільцеву камеру 7 первинного вимірювального перетворювача 2. Якщо в аналізуючій газовій суміші кисень відсутній, то на виході вимірювальної схеми вихідна напруга U=0 і прилад показує нуль. З появою в аналізуючій газовій суміші кисню, в каналах термоанемометрів 8 і 9 з'являються витрати газу, що приводить до розбалансів двох електричних мостів. Вихідні сигнали двох вимірювальних мостів обробляються сумарно-різницевим методом з врахуванням коефіцієнта корегування, а результат перетворюється на струмовий сигнал 0-1мА, що є пропорційним вмісту кисню в газовій суміші. Далі цей сигнал передається по електричному проводу в проміжний перетворювач 3, в якому постійний струм 0-1мА перетворюється в напругу 0-1В. З проміжного перетворювача 3 напруга 0-1 В подається на блок індикації 4, за показаннями якого судять про концентрацію кисню в газовій суміші. Всі електричні блоки приладу за допомогою електричних проводів заживлено стабілізованою напругою від блоку стабілізованої напруги 5. Таким чином, вище викладені докази свідчать про виконання при використанні заявленої корисної моделі наступної сук упності умов: - термомагнітний газоаналізатор, що реалізує заявлену корисну модель, при його здійсненні призначено для використання в приладобудуванні, в хімічної, в металургійної, в гірничій промисловості, зокрема для визначення концентрації кисню в газових сумішах і може бути використаний як універсальний термомагнітний газоаналізатор; - для заявленого термомагнітного газоаналізатора в тому вигляді, як він охарактеризований в незалежному пункті викладеної формули корисної моделі, підтверджена можливість його здійснення за допомогою описаних у заявці засобів; - термомагнітний газоаналізатор, що реалізує заявлену корисну модель при її здійсненні здатний забезпечити досягнення результату, що вбачається заявниками. Термомагнітний газоаналізатор відноситься до розряду вимірювальної техніки і становить великий інтерес як універсальний термомагнітний газоаналізатор. Він має лінійну статичну характеристику в діапазоні від 0 до 100% кисню в аналізуючій газовій суміші, практично вдвічі більшу чутливість і його показання практично не залежать від зміни складу не кисневої частини газової суміші. Сказане повною мірою відноситься до термомагнітного газоаналізатора, що заявляється, перевага якого також полягає в тому, що його виробництво не потребує великих додаткових витрат, і воно може бути швидко реалізована в промисловому масштабі. Отже, корисна модель, що заявляється, відповідає умові «промислова застосовність».