Газоанализатор

 

ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий две катушки.индуктивности, размещенные на камере с анализируемой смесью, генератор питания одной из катушек индуктивности, блок подстройки коэффициента взаимной связи катушек, и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности и точности измерений, он снабжен акустическим возбудителем, сопряженным с камерой, выполненной в виде акустического резонатора, и двумя фазочувствительными усилителями, при этом к сигнальному входу первого фазочувствительного усилителя подключена вторая катушка индуктивности , к его опорному входу - генератор питания: первой катушки, а к его выходу - блок подстройки коэффициента взаимной связи катушек и сигнальньй вход второго усилителя , опорный вход которого связан с возбудителем посредством преобразователя акустических колебаний в злектрические, а его выход подключен к регистрирующему прибору, причем катушки ивдуктивности выполнены секционированными, а их секции размещены в пучностях акустической в олны.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (50+ С 01 N 29/00 опиолнии изоБрятини1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2536372/18-25 (22) 17.10.77 (46) 23.05.85. Бюл. Н - 19 (72) И.Н.Сапранков и ЕтД.Валиев (71) Физико-технический институт

АН Туркменской ССР (53) 543.27(088.8) (56) 1. Агейкин Д.И. Магнитные газо.анализаторы. М.-Л., 1963.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 463080, кл. G 01 R 33/16, 1975. (54)(57) ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий две катушки.индуктивности, размещенные на камере с анализируемой смесью, генератор питания одной из катушек индуктивности, блок под-. стройки коэффициента взаимной связи катушек, и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, он снабжен

„„ЯУ„„1157444 А акустическим возбудителем, сопряженным с камерой, выполненной в виде акустического резонатора, и двумя фазочувствительными усилителями, при этом к сигнальному входу первого фазочувствительного усилителя подключена вторая катушка индуктивности, к его опорному входу — генератор питания первой катушки, а к его выходу - блок подстройки коэффициента взаимной связи катушек и сигнальный вход второго усилителя, опорный вход которого связан с возбудителем посредством преобразователя акустических колебаний в электрические, а его выход подключен к регистрирующему прибору, причем катушки индуктивности выполнены секционированными, а их секции размещены в пучностях акустической волны! 11574

Изобретение относится к средствам анализа веществ по их магнитным свойствам и, в частности, может быть использовано при определении концентрации свободного кислорода в продуктах сгорания.

Известны различные устройства, предназначенные для определения концентрации свободного кислорода в газовой среде. Наиболее предпочти- 10 тельными являются приборы, в основу работы которых положено использование зависимости магнитной проницаемости газа оч его состава и, в основном, от концентрации в нем свобод-д5 ного кислорода. Для подавляющего большинства газовых смесей, встречающихся в практике, магнитная проницаемость этих смесей пропорциональна концентрации свободного кислорода 20 в нем. Это объясняется тем, что кислород, по сравнению с другими газами, обладает ярко выраженными парамагнитными свойствами. Таким образом, по значению магнитной проницаемости 25 анализируемой смеси может быть определена концентрация в ней свободного кислорода. Определение магнитной проницаемости газовой смеси осуществляется по измерению одной из физичес--Э0 ких величин, однозначно связанной с магнитной проницаемостью исследуемой среды. Такими величинами являются: магнитная индукция, индуктивность соленоида, объем которого заполнен исследуемой смесью, взаимная индуктивность между двумя катушками, помещенными в исследуемую среду и т.д. (! ).

Наиболее близким техническим решением к изобретению яВляется устройство, содержащее две катушки индуктивности, размещенные на камере с анализируемой смесью, генератор 45 питания одной из катушек индуктивности, блок подстройки коэффициента взаимной связи катушек, и регистрирующий прибор. При этом одна иэ катушек выполнена подвижной относитель- 50 но другой и снабжена механизмом перемещения, управляемого блоком автоматики таким образом, что ее положение относительно другой катушки соответствует срыву (или возбуж- .55 дению) автоколебаний генератора.

Эти конструктивные элементы предназначены для поддержания необходимого

44 2 коэффициента взаимной связи между катушками 2 .1.

Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность и точность измерений, обусловленные дрейфом нуля измерений. Дрейф нуля измерений обусловлен нестабильностью параметров системы.

Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерений.

Эта цель достигается тем, что газоанализатор снабжен акустическим возбудителем, сопряженным с камерой, выполненной в виде акустического резонатора, и двумя фазочувствительными усилителями, при этом к сигнальному входу первого фазочувствительного усилителя подключена вторая катушка индуктивности, к его опорному входу — генератор питания первой катушки, а к его выходу — блок подстройки коэффициента взаимной связи катушек и сигнальный вход второго усилителя, опорный вход которого связан с возбудителем посредством преобразователя акустических колебаний в электрические, а его выход подключен к регистрирующему прибору, причем катушки индуктивности выполнены секционированными, а их секции размещены в пучностях акустической волны.

На чертеже изображена схема газоанализатора.

Камера 1, заполняемая анализируемым газом, выполнена в виде акустического резонатора, сочлененного открытой торцовой частью с вихревым акустическим генератором 2. Часть мощности акустических колебаний с резонатора поступает на преобразователь 3 акустических колебаний в электрические. На акустическом резонаторе l в местах размещения пучностей акустических колебаний расположены секции катушки 4, которые подключены между собой согласованно, и питаются от генератора 5 переменного тока.

В этих же местах резонатора размещены секции приемной катушки

6, которые соединены встречно по отношению к рядом расположенным секциям этой же катушки. Катушка 6 подключена к сигнальному входу фазочувствительного усилителя 7, к опорному входу которого подводится сигнал с генератора 5. Выходной сигнал фазочувствительного усилите1157444 ля 7 поступает на вход блока 8 подстройки коэффициента связи между катушками 4 и 6 индуктивности, а также поступает на сигнальный вход второго фазочувствительного усилите- 5 ля 9, опорным сигналом которого является выходное напряжение преобразователя 3. К выходу второго фазочувствительного усилителя 9 подключен регистрирующий прибор 10.

При продувании вихревого генератора 2 газом в нем возбуждаются акустические (звуковые или ультразвуковые) колебания, передаваемые акустическому резонатору 1, в котором 15 устанавливается режим стоячих волн.

Это приводит к тому, что в полости резонатора наблюдается периодическое изменение локальной плотности

20 исследуемого газа, которое происходит с частотой акустических колебаний. Этот факт можно отобразить в виде следующей зависимости где плотность газа в пространстве с текущей координатой х, средняя плотность газа в резонаторе; — коэффициент глубины модуляции, он пропорционален амплитуде стоячих акустических колебаний, т.е. его значение определяется мощностью акустических волн; длина волны и частота акус.тических колебаний соот30

2О

Л,Р

40 ветственно; — начальная фаза.

Поскольку магнитная проницаемость газовой среды прямо пропорциональна ее плотности, то в случае возбуждения в газовой среде акустической стоячей волны для магнитной проницаемости р газа, находящегося в объеме с текущей координатой х, можно записать следующее выражение:

2xsx=2cs(2x+(fx-2)slc0s xcos(22t F2+X Ц,(2)

27) где и. — магнитная постоянная, равная 55

4 7 10 7 гн/м; и- относительная магнитная проницаемость исследуемого

Ps=Pc(L+cxccs — x)cos(2I7F2xx2 ) 22222 газа при его номинальных (средних для всего объема резонатора) давлении и температуре.

Эти выражения показывают, что в резонаторе, длина которого находится.в кратном соотношении с длиной воэбуж" денной в нем акустической волны, уредненные значения плотности и магнитной проницаемости газа остаются неизменными, в то время как названные величины претерпевают вблизи пучностей волны значительные, периодические во времени, изменения ° Приращения этих величин в рядом расположенных (смежных) пучностях волны носят во времени противофазный характер. Это обстоятельство отражено на чертеже пунктирной косинусоидой.

Таким образом, размещая в пучностях волны взаимосвязанные секции катушек, можем наблюдать колебания коэффициентов взаимной связи между секциями катушек, так как они прямо пропорциональны магнитной проницаемости среды объема, охватываемого этими секциями.

Причем одновременно с ростом коэффициента взаимной связи секций одной группы будет наблюдаться падение коэффициента связи секций другой группы в полном соответствии с фазой колебаний стоячей волны в пучностях, соответствующих этим секциям. Используя четное количество идентичных секций и располагая их равномерно в пучностях с синфазными и противофазными колебаниями,а также поставив в соответствие с ними фазировку секций катушек, можно достичь нулевого коэффициента взаимной связи между катушками при отсутствии акустических колебаний.

При возбуждении акустической волны для коэффициента взаимной связи катушек К может быть записано выражение

Кз с < = пй К соз(2ГР ) . (gj где и — количество взаимосвязанных секций катушек;

Д К вЂ” амплитудное значение приращения коэффициента взаимной связи изолированной секции К= Ксв с m T

1157444 6

: где К,9 — коэффициент передачи первого фазочувствительного усилителя.

Для выходного напряжения второго фазочувствительного усилителя, которое подается на регистрирующий прибор,можно записать выражение где К вЂ” коэффициент взаимной связи отдельных секций, — коэффициент, учитывающий эффективность использования пучностей волны;

F — - частота акустических коле баний.

Подобная конструкция катушек nosволяет (выражение 3) суммировать полезные сигналы отдельных секций и использовать высокочувствительные фазочувствительные усилители. Все эти особенности по сравнению с известным увеличивают чувствительность измерений на несколько порядков, что позволяет использовать предлагаемое устройство для анализа газов.

Выделение информации о магнитных свойствах,а следовательно, и о концентрации парамагнитного rasa в среде происходит следующим образом.

При запитке одной из катушек переменным током в секциях другой катушки наводятся ЭДС взаимоиндук- 25 ции. Поскольку секции приемной катушки попарно рассогласованы по отношению к секциям первичной катушки, то результирующая ЭДС в ней будет равна нулю при отсутствии 30 акустических колебаний. При возбуждении акустических стоячих колебаний в связи с периодическими отклонениями коэффициента взаимной связи катушек от нулевого значения (согласно выражению 3) на выходе появится сигнал разбаланса, который может быть записан в виде

90 где К вЂ” коэффициент передачи второго фазочувствительного усилителя;

S — чувствительность газоанали" затора к магнитной прони95 цаемоети гаэ а.

Выражение для чувствительного газоанализатора может быть выражено через частные параметры системы

="Г СВСУ 9 9 где К о — постоянная, учитывающая эффективность используемой конструкции, т.е. такие параметры, как m, и. йК и подводимое от генератора напряжение U

Таким образом, в амплитуде этого сигнала заложена информация о концентрации парамагнитного газа. Для ее выделения используются два каскад-5О но включенных фазочувствительных усилителя. На выходе первого из них будем иметь напряжение, для которого можно написать выражение ВЬ999 9 9Ко Ь (ЖИВЫХ= о (9 -1}СоЗИН ) со& (2Т(У++ fO}, (9}

Учитывая, что значение относительной магнитной проницаемости для газовых смесей незначительно отличается от единицы, т.е. (p — 1) ((10 — 10

-в для реализации предлагаемого газоанализатора необходимо обеспечение высоких значений чувствительности.

Это достигается увеличением подводимой мощности от генератора (U максимально допустимое, определяется конструктивными особенностями и экономическими соображениями), числа секций (ограничено габаритами), коэффициента связи секций катушек (кс.с.) (у ), мощности акустических колебаний (m), коэффициентов передачи К и К2, которые ограничены уровнем собственных шумов и уровнем нескомпенсированного сигнала, который может наблюдаться из-эа расстройки баланса системы под влиянием старения элементов системы, изменения температуры окружающей среды и изменения ее магнитной проводимости.

С целью компенсации дестабилизирующих факторов в предлагаемом газоанализаторе используется автоматическа.я подстройка коэффициента взаимной связи катушек. Действительно, разбаланс системы приводит к появлению постоянного напряжения на выходе первого фазочувствительного усилителя, полярность этого напряжения будет однозначно указывать на направление разбаланса. Воздействие этого напряжения на блок подстройки коэффициента связи между

Составитель С. Карманова

Техред С.Мигунова Корректор Е Сирохман

Редактор Н. Тупица

Заказ 5055 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 11 катушками приведет к тому, что блок отреагирует на него таким образом, чтобы минимизировать этот разбаланс, т.е. автоматическая компенсация раэбаланса позволяет использовать высокочувствительный измерительный тракт.

Основной причиной увеличения чувствительности и точности измерений предлагаемого газоаналиэатора является устранение его аддитивной погрешности, так как спектр информативной составляющей о концентрации парамагнитного газа располагается в пределах частот (f + F) и (f - Г), в то время как спектр помехи, вызываемой нестабильностью элементов системы, занимает полосу частот в пределах f + Л f, где 8 f 100—

200 Гц, т.е. в этом газоанализаторе осуществляется частотное разделение помехи и полезного сигнала с последующей фильтрацией помехи.

Другим преимуществом газоаналиэатора является высокое быстродейст вие, которое в основном ограничивается временем замещения газа в резонаторе, так как другие функциональ" ные узлы гаэоанализатора имеют зна57444 8 чительно меньшую инерционность.

Снижение инерционности газоаналиэатора может производиться за счет увеличения давления подводимого газа, уменьшения объема резонатора и повышения частоты акустических колеба-. ний.

Таким образом, обладая высокой чувствительностью и быстродействием, 10 предлагаемый газоанализатор найдет широкое применение в промьппленности, например в металлургии, при раскислении сплавов, в энергетике при управлении процессами горения

f5 в тепловых электростанциях и тад в

Гаэоанализатор можно сделать экономичным с точки зрения расхода исследуемого газа, для этого в качестве возбудителя акустических волн вместо вихревого генератора необходимо использовать электродинамические, пьезоэлектрические и другие преобразователи электрических колебаний. Подобное исполнение возбудителя откроет широкий доступ для внедрения газоанализатора в лабораторную практику.