Високоточний термомагнітний газоаналізатор

Високоточний термомагнітний газоаналізатор, що містить з'єднані газовими трактами блок підготовки газу і первинний вимірювальний перетворювач, який являє собою диференційний датчик, між полюсами постійного магніту якого розташовано паралельно один одному два термоанемометри, в одному з яких розташовано перегородку для зменшення неламінарності руху газової суміші, проміжний перетворювач, який служить для підсилення сигналу, 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, який відрізняється тим, що проміжний перетворювач додатково містить блок, в якому знаходиться різниця між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів, блок, в якому сигнал порівняльного каналу помножується на постійний коефіцієнт, блок, в якому знаходиться величина, зворотна добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок, в якому перемножуються різниця між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величина, зворотна добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок, в якому вилучається корінь квадратний з добутку різниці між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величини, зворотної добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок, в якому змінюється знак вихідного сигналу блока, в якому вилучається корінь квадратний з добутку різниці між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величини, зворотної'добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок, на виході якого формується сигнал, величина якого дорівнює одиниці, та блок, в якому знаходиться сума вихідних сигналів блока, на виході якого формується сигнал, величина якого дорівнює одиниці, та блока, в якому змінюється знак вихідного сигналу блока, в якому вилучається корінь квадратний з добутку різниці між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величини, зворотної добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта. СО CD to 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 магнітопневматичний газоаналізатор (Амманозанов А.А., Шарнопольский А И "Методы 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 влас тивостей та зміни складу некисневої частини аналізуємої газової суміші, що зменшує точність вимірювання. Статична характеристика магнітопневматичного газоаналізатора є нелінійна, що не дозволяє використовувати один газоаналізатор для вимірювання концентрацій кисню в діапазоні від 0 до 100%. Крім того статичні характеристики газоаналізатора для різних газових сумішей суттєво відрізняються між собою. Відомий 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 стабілі 5163 зованої напруги, з'єднаний електричними проводами з первинним вимірювальним і проміжним перетворювачами і з блоком індикації. (А.св. № 1218321 "Термомагнитный газоанализатор", G 01 N27/72, 15.03. 1986). До недоліків цього газоаналізатора слід віднести низьку чутливість перетворення, залежність показань приладу від зміни складу некисневої частини аналізованої 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. Крім того статичні характеристики газоаналізатора для різних газових сумішей суттєво відрізняються між собою 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, який являє собою диференційний датчик між полюсами постійного магніту якого розташовано паралельно один одному два термоанемометрами, в одному з яких розташовано перегородка для зменшення неламінарності руху газової суміші, проміжний перетворювач, з'єднано 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 (О.Б. Целіщев, Й.І. Стенцель "Термомагнітний газоаналізатор", G 01 N 27/72, заявка № 20031211211 26. 01. 2004) прийнято за прототип, п. №2941, 15. 09. 2004. 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 висуваються 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 покладено 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 перемі щаються. 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 некисневої частини аналізованої газової суміші, за рахунок чого статичні характеристики цих приладів для різних газових сумішей суттєво різняться між собою. Для вирішення різного роду практичних задач, що пов'язано з визначенням концентрації кисню в аналізованої' газовій суміші, необхідно визначити діапазон зміни концентрації кисню, склад некисневої 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 невиміряної 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 аналізованої газовій суміші, збільшити чутливість і виключити вплив властивостей і зміни складу некисневої частини газової суміші на покази прилаДУ Зазначений технічний результат при здійсненні корисної моделі досягається тим, що високоточний термомагнітний газоаналізатор, що включає з'єднані газовими трактами блок підготовки газу І первинний вимірювальний перетворювач, який являє собою диференційний датчик, між полюсами постійного магніту якого розташовано паралельно один одному два термоанемометра, в одному з яких розташовано перегородка для зменшення нелашнарності руху газової суміші, проміжний перетворювач, який служить для підсилення сигналу, 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, який відрізняється тим, що проміжний перетворювач додатково містить блок, в якому знаходиться різниця між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів, блок, в якому сигнал порівняльного каналу помножується на постійний коефіцієнт, блок, в якому знаходиться величина, зворотна добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок, в якому перемножуються різниця між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величи 5163 постійного коефіцієнта, блок, в якому перемножуються різниця між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величина, зворотна добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок, в якому вилучається корінь квадратний з добутку різниці між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величини, зворотної' добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок, в якому змінюється знак вихідного сигналу блоку, в якому вилучається корінь квадратний з добутку різниці між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величини, зворотної добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок, на виході якого формується сигнал, величина якого дорівнює одиниці, та блок, в якому знаходиться сума вихідних сигналів блоку, на виході якого формується сигнал, величина якого дорівнює одиниці, та блоку, в якому змінюється знак вихідного сигналу блоку, в якому вилучається корінь квадратний з добутку різниці між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величини, зворотної добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта. За рахунок того, що з вихідної напруги першої мостової схеми U.j(Q) відіймається вихідна напруга другої вимірювальної мостової схеми U2(Q) і ця різниця ділиться на добуток bU 2 (G), а результат піднесено до ступені 1/2, статична характеристика стає абсолютно лінійна, повністю виключається вплив зміни температури аналізовано) суміші на вході приладу (зміни температури навколишнього середовищам), барометричного тиску, напруги живлення. Встановлено, що значення коефіцієнта b (5) де т]к та тін - В'ЯЗКІСТЬ кисневої та нешсневої частини аналізованої газової суміші; L T , D - довжина та діаметр трубки термоанемометра; -2 р н 1 , р Н 2 , р н - густина нешсневої частини газової суміші відповідно при температурах Ті - на вході приладу, Тг - в області максимального термомагнітного поля та середньо квадратична густина. Значення коефіцієнта b можуть бути розраховано теоретично або практично. При роботі приладу зміна значень коефіцієнта b може відбуватися переключенням ВІДПОВІДНИХ кнопок, в залежності від складу невиміряної частини аналізованої газової суміші, або за допомогою задатчика, вихідний сигнал якого плавно може бути змінено у деяких межах. Отриманні таким чином статичні характеристики (залежність показів приладу від концентрації кисню в аналізованої газової суміші) приладу, що заявляється, є абсолютно лінійними для усіх газових сумішей і абсолютно співпадають. Тобто за 8 пропонований прилад можна використати на всьому діапазоні вимірювань від 0 до 100% кисню в аналізованої газової суміші для сумішей різного составу. На підставі викладеного можна затверджувати, що сукупність відмінних ознак, викладених у формулі корисної моделі, необхідна і достатня для одержання необхідного технічного результату. На Фіг. 1 наведено структурна схема високоточного термомагнітного газоаналізатора, на Фіг.2 наведено схема диференційного датчика високоточного термомагнітного газоаналізатора, на Фіг.З наведено структурно схема проміжного перетворювача високоточного термомагнітного газоаналізатора. 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 цифрової 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 аналізованої 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 5163 на, зворотна добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок, в якому вилучається корінь квадратний з добутку різниці між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величини, зворотної добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок в якому змінюється знак вихідного сигналу блоку, в якому вилучається корінь квадратний з добутку різниці між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величини, зворотної добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта, блок, на виході якого формується сигнал, величина якого дорівнює одиниці, та блок, в якому знаходиться сума вихідних сигналів блоку, на виході якого формується сигнал, величина якого дорівнює одиниці, та блоку, в якому змінюється знак вихідного сигналу блоку, в якому вилучається корінь квадратний з добутку різниці між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів та величини, зворотної добутку сигналу порівняльного каналу та постійного коефіцієнта. 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 некисневої частини аналізованої газової суміші на покази приладу за допомогою термомагнітного газоаналізатора. Статичні характеристики вимірювальних каналів термомагнітного газоаналізатора з повною кінетичною дією молекул кисню (без перегородки) та зі зменшеною кінетичною дією молекул кисню (з перегородкою) ілюструються графіками (криві 1 та 2 відповідно). 6 U 2 (точка В на кривий 2). Різниця між двома напругами U, та І_)2 дорівнює величині, на яку зменшено "роторний" ефект (Стенцель Й. И. Пути уменьшения погрешностей термомагнитных газоанализаторов Д и с канд. техн. наук: 05 11, 13. Львов, 1973.-130С). Статична характеристика термомагнітного газоаналізатора з повною кінетичною дією молекул кисню (без перегородки) достатньо точно описується рівнянням вигляду (Целіщев О Б Математична модель термомагнітного газоаналізатора // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2003. -№2 С. 69-72) де Q - концентрація кисню в аналізованої газової суміші; а - параметр моделі, який враховує вплив температури, тиску, напруги живлення, напруженості магнітного поля; b - параметр моделі, який залежить від природи невиміряного компонента Основною причиною виникнення нелінійності статичної' характеристики термомагнітного газоаналізатора є "роторний" ефект. (Стенцель Й.І., Целіщев О.Б., Єлисєєв П Й. Теплофізичні моделі перетворень в термомагнітному полі // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах - 2003. - №1. С 26-29) При використанні ламінеризуючих перегородок для зменшення "роторного" ефекту вигляд статичної характеристики суттєво змінюється (крива 2), а рівняння статичної характеристики набуває вигляду U 2 (Q) = UoaQ , (2) З (2) визначимо коефіцієнт а та підставимо в О) 1 200 U - l 100 . — j If t /к / —L /f V 1/ 1 л (3) z = U 2 (Q)(l+b(1-QJ ) 1, /B З рівняння (3) знайдемо концентрацію кисню в газової суміші Q . Фактично це цифрове значення буде не чим іншим, як показом приладу І . Після відповідних перетворень отримуємо рівняння вигляду 1 1 1 1 1 Qo.« ба В О 100 Якщо в аналізованої газової суміші з'являється кисень з концентрацією С^, то вихідний сигнал мостової вимірювальної схеми, де чутливим елементом є термоанемометр з повною кінетичною дією молекул кисню (без перегородки), буде дорівнювати Ц (точка А на кривій 1), а вихідний сигнал мостової вимірювальної схеми, де чутливим елементом є термоанемометр з перегородкою, bU 2 (Q) [4) Дане перетворення може відбувається в проміжному перетворювачі. Для реалізації цього перетворення проміжний перетворювач додатково містить блок, в якому знаходиться різниця між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів, блок, в якому сигнал порівняльного каналу помножується на постійний коефіцієнт, блок, в якому знаходиться величина, зворотна добутку сигналу порівняльного каналу та 5163 електричного моста, який заживлено постійною стабілізованою напругою від блока стабілізованої напруги 5 за допомогою електричних проводів Вимірювальний сигнал подається на проміжний перетворювач 3. Проміжний перетворювач газоаналізатора З призначений для перетворення сигналу 0-100мВ 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. Аналізована газова суміш з блоку підготовки газу 1 з постійною витратою і тиском подається в кільцеву камеру 7 первинного вимірювального перетворювача 2. Якщо в аналізованої газовій суміші кисень відсутній, то на виході вимірювальної схеми вихідна напруга U=0 і прилад показує нуль. З появою в аналізованої 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 (основного та порівняльного) обробляються в проміжному перетворювачі. Проміжний перетворювач додатково містить блоки 13-20 (Фіг.З). Обробка вимірювальних сигналів ведеться наступним чином. В блоці 13 знаходиться різниця між вихідними сигналами основного та порівняльного вимірювального каналів, а в блоці 14 сигнал порівняльного каналу помножується на постійний коефіцієнт, величина якого залежить від складу невиміряної частини газової суміші. В блоці 15 знаходиться величина, зворотна вихідному сигналу блока 14. В блоці 16 перемножуються вихідні сигнали блоків 13 та 15 В блоці 17 вилучається корінь квадратний з вихідного сигналу блока 16. В блоці 18 змінюється знак вихідного сигналу блоку 17. В блоці 19 формується сигнал, величина якого дорівнює одиниці. В блоці 20 знаходиться сума «Г.1 10 вихідних сигналів блоків 18 та 19. Результат обробки перетворюється на напругу 0-1 В, яка є пропорційною вмісту кисню в газовій суміші. З проміжного перетворювача 3 напруга 0-1В 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 сукупності умов: - термомагнітний газоаналізатор, що реалізує заявлену корисну модель, при його здійсненні призначено для використання в приладобудуванні, в хімічній, в металургійній, 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. Високоточний термомагнітний газоаналізатор відноситься до розряду вимірювальної техніки і становить великий інтерес як універсальний високоточний термомагнітний газоаналізатор. Він має лінійну статичну характеристику в діапазоні від 0 до 100% кисню в аналізованої газовій суміші, його показання практично не залежать від зміни складу некисневої частини газової суміші та впливу зміни таких факторів як температура, тиск, напруга живлення, напруженість магнітного поля. Сказане повною мірою відноситься до високоточного 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. 11 5163 12 b XT, 13 14 15 18 19 r 20 ФІг.З Комп'ютерна верстка М Мацело Підписне Тираж 37 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького 45, м Київ, МСП 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1 м Київ-42, 01601