Термомагнитные газоанализаторы

Действие термомагнитных газоанализаторов основано на термомагнитной конвекции газовой смеси, содержащей О2, в неоднородных магнитном и температурном полях. Часто применяют приборы с кольцевой камерой (рис.4), которая представляет собой полое металлическое кольцо. Вдоль его диаметра установлена тонкостенная стеклянная трубка, на которую намотана платиновая спираль, нагреваемая электрическим током. Спираль состоит из двух секций - R1 и R2, первая из которых помещается между полюсами магнита. При наличии в газовой смеси О2 часть потока направляется через диаметральный канал, охлаждая первую секцию платиновой спирали и отдавая часть тепла второй. Изменение сопротивлений R1 и R2 вызывает изменение выходного напряжения U, пропорциональное содержанию О2 в анализируемой смеси.

Рис.4. Термомагнитный газоанализатор: 1 - кольцевая камера; 2-стеклянная трубка; 3-постоянный магнит; 4-источник стабилизированного напряжения; 5-вторичный прибор; Rt и R2 - соответственно рабочий и сравнительные терморезисторы (секции платиновой спирали); R3 и R4 - постоянные резисторы.

Датчик состоит из кольцевой камеры с горизонтальной стеклянной трубкой,помещенной между полюсами постоянного магнита так, что магнитное поле создается на одной стороне измерительной перемычки. На стеклянную перемычку навита двухсекционная нагреваемая обмотка из тонкой платиновой проволоки. Секции обмоток представляют собой два плеча неуравновешенного моста и служат измерительными элементами. Двумя другими плечами являются манганиновые резисторы R1 и R2.При наличии в газовой смеси кислорода часть потока ответвляется в перемычку, где образуется поток газа в направлении слева направо (от большей напряженности магнитного поля к меньшей). Образующийся конвекционный поток газа переносит теплоту от обмотки R3 к R4,вследствие чего изменяются температура секций (R3 охлаждается, R4 нагревается) и их сопротивление. Разность сопротивлений функционально связана с концентрацией кислорода в исследуемой газовой смеси. Разбаланс моста измеряется вторичным прибором, шкала которого отградуирована в единицах концентрации кислорода. Измерительный мост питается постоянным током от стабилизированного источника питания. Резистор R5 служит для регулирования силы тока питания моста. Для обеспечения постоянства температуры датчик необходимо термостатировать. При больших концентрациях кислорода скорость термомагнитной конвекции становится настолько большой, что перераспределение температур между секциями измерительной обмотки нарушается, и чувствительность прибора падает. Если кислород содержится в больших количествах, то применяют газоанализаторы, в которых для уменьшения скорости термомагнитного потока создается противоположно направленный поток тепловой конвекции. С этой целью измерительную перемычку датчика располагают вертикально так, что конец трубки в магнитном поле расположен сверху. Для повышения чувствительности прибора уменьшают напряженность магнитного поля и повышают температуру измерительной обмотки. Такие газоанализаторы используют для контроля чистоты кислорода при его содержании от 20 до 100 %. Основная погрешность прибора ±5 %. Основными источниками погрешностей при термомагнитном методе измерения являются изменения температуры окружающей среды, влияющей на объемную магнитную восприимчивость газовой смеси

Рисунок 2.34. Схема термомагнитного газоанализатора с кольцевой камерой

Иначе чем выше описанный прибор работает газоанализатор с диффузионными камерами,

содержащими четыре нагретые до 300 °С платиновыми нагревательными элементами со стеклянным покрытием, установленными по одному в каждой из двух измерительных 4 и двух сравнительных камер (рис. 2.35) и включенными в мостовую измерительную схему.

Соответственно наконечникам магнитных полюсов измерительных камер сравнительные камеры для компенсации термической асимметрии имеют по два ложных наконечника. Обновление анализируемого газа 1 происходит путем диффузии сверху через продольную щель в камерах. Холодный кислород, попавший в камеру, поступает в зону действия источника тепла 2, нагревается до температуры выше точки Кюри, становится диамагнитным и выталкивается из магнитного поля. Образуется движение газа – термомагнитная конвекция, интенсивность которой определяется концентрацией кислорода в анализируемой смеси. При этом происходит изменение температуры и сопротивления нагревателя – платиновой проволочки. На рис. 2.35 показана схема газоанализатора, работающего по дифференциальной схеме. Два других нагревательных элемента находятся в газовой среде 5 с постоянным составом. Напряжение разбаланса такого моста, зависит от концентрации О2.

Минимальный диапазон измерения составляет 0—2 % (объемн.) О2. Выходным сигналом

является напряжение постоянного тока, уровень которого может быть выбран различным, или другой унифицированный сигнал. Создание диапазонов с подавлением нуля происходит путем подачи в одну измерительную и одну сравнительную камеры сравнительного газа, например, чистого кислорода при диапазоне 95— 100 % О2 или воздуха при диапазоне 18—21 % О2, что позволяет выполнить дифференциальные измерения.

Кислород обладает особым физическим свойством – парамагнетизмом. Магнитные свойства

веществ проявляются в способности намагничиваться под действием внешнего магнитного поля.Для газов, которые относятся к неферромагнитным веществам, намагниченность J = H, где H –напряженность магнитного поля; – коэффициент пропорциональности, называемый объемной магнитной восприимчивостью вещества. Для парамагнитных веществ, которые притягиваются магнитным полем, > 0, а для диамагнитных веществ, которые выталкиваются из магнитного поля, < 0. Удельная магнитная восприимчивость газа (отнесенная к 1кг вещества) k / , (2.25) где р – плотность газа. В зависимости от абсолютного давления и температуры Т плотность газа  pM / RT , (2.26) где М – молекулярная масса; R – газовая постоянная. С учетом выражения (2.26) и (2.27) можно записать выражение для объемной восприимчивости диамагнитных газов, k  k  M / RT , или /, 0 0 0 T  T (2.27) где 0 – объемная магнитная восприимчивость при нормальных условиях (температура Т0 =273,15 К и давление 0 P = 101 325 Па). В основном все газы немагнитные и диамагнитные. И только кислород и окислы азота являются парамагнитными в интервале температур до 80 С. Для кислорода (парамагнитного газа) согласно закону Кюри k = С / Т (где, С – постоянная Кюри) и 2  C / T  CpM / RT или /. 2

Дата добавления: 2015-11-16