Устройство для определения объемной концентрации парамагнитного газа

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРАМАГНИТНОГО ГАЗА, содержащее магнитную систему, ;В зазоре .которой помещена камера в виде акустического резонатора, за- .полняемого анализируемой смесью и :снабженного преобразователем электрических колебаний в акустические, подключенного к генератору переменного тока, и преобразователь магнитного потока, выход которого подключен к входу измерительного тракта, о тлича .ющее ся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерения, в зазор магнитной системы помещен магнитный концентратор , выполненный в виде пластины из магнитопроводящего материала, нормально расположенной по отношению к силовым линиям магнитной системы и рассеченной в направлении продольной оси резонатора зигзагообразным разрезом с шагом, равным длине акустической волны, причем (Л преобразователь магнитного потока установлен на перемычке соединя- , ющей обе части концентратора. 4 4:: 4 35

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 4(51) G 01 N 27/72

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВМ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbITHA,(21) 2586325/18-25 (22) 24.02.78 (46) 07.03.85. Бюл. №- 9 .(72) И.Н. Сапранков и Е.Д. Валиев (71) Физико-технический институт

AH Туркменской ССР (53) 543.274(088.8) (56) 1. Агейкин Д. Магнитные гаэоанализаторы. H. — Ë., 1963, с. 3-41.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке ¹ 2536372/25, кл. G 01 N 27/72, 1977 (прототип) ° (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОБЪЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРАИАГНИТНОГО

ГАЗА, содержащее магнитную систему, в зазоре .которой помещена камера в виде акустического резонатора, за.полняемого анализируемой смесью и снабженного преобразователем электрических колебаний в акустические, подключенного к генератору переменного тока, и преобразователь магнитного потока, выход которого подключен к входу измерительного тракта, о тлича.ющее ся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерения, в зазор магнитной системы помещен магнитный концентратор; выполненный в виде пластины иэ магнитопроводящего материала, нормально расположенной по отношению к силовым линиям магнитной системы и рассеченной в направлении продольной оси резонатора зигзагообразным разрезом с шагом, равным длине акустической волны причем преобразователь магнитного потока установлен на перемычке соединя-! ющей обе части концентратора.

1144046 3 вой среды можно записать в этом случае следующее выражение:

Изобретение относится к анализу веществ (материалов) по их магнитным свойствам и может быть использо- вано, например, при определении концентрации свободн» го кислорода в со- 5 ставе топочных I «зов.

Существуют .различные устройства, предназначенные цля онределения концентрации свободного кислорода в газовой среде, Наиболее предпочтитель-. 10 ны приборы, в основу работы которых заложено испол,зование зависимости магнитной .проницаемости газовой смеси от ее состава, в основном от концентрации в ней свободного кислорода, 15

Для большинства газовых смесей, встречающихся на .практике, магнитная проницаемость пропорциональна концентра- ции свободного кислорода в ней. Это объясняется тем, что Кислород по .20 сравнению с другими газами обладает ярко выраженными парамагнитными свой,ствами. Таким образом, концентрация свободного кислорода в анализируемой смеси может быть определена по эначе-25 нию магнитной проницаемости последней. Определение магнитной проница" емостью газовой смеси осуфествляетcsr измерением одной из физических величин, однозначно связанных с маг".5р нитной проницаемостью исследуемой среды. Такими величинами являются х магнитная индукция, индуктивность

)соленоида, объем которого заполнен исследуемой смесью, взаимная индуктив; ность между. двумя катушками, помещенными в исследуемую среду и т.д. Я.

Однако данный метод измерения и устройство не имеют достаточной, точности и чувствительности, 4О

Наиболее близким к изобретению я ляется устройство для определения объемной концентрации парамагнитного газа, содержащее магнитную систему., в зазоре которой помещена камера в 15 виде акустического резонатора, запой няемого анализируемой смесью и снабженного преобразователем электрических колебаний в акустические подклю 1

Ф ченного к генератору переменного 5,, тока, и преобразователь магнитного потока, выход которого подключен к входу измерительного. тракта. 1ри возбуждении акустической стоячей волны в резонаторе наблюдается 55 модуляция плотности и магнитной проницаемости исследуемой газовой среды.

Для магнитной проницаемости ру газо) о о(i(Sx-l)mooscx cos2xt)xÎ)

Я где р, ()) — магнитная постоянная и относительная магнитная проницаемость исследуемого газа при его нормальных давлении и температуре соответственно

У.

Ф вЂ” коэффициент глубины модуляции:;

- длина акустической волны; — координата пространства; частота акустических колебаний.

Модуляция магнитной проницаемости сопровождается модуляцией магнитной индукции В. поля в межполюсном пространстве магнитной системы, т.е.

6 Н рд()xi(p-i) m oos — x cosScFtf (X)

Яа ф ) где Н вЂ” напряженность магнитного поля в статическом режиме, т.е. при отсутствии акустических колебаний.

Из выражения (2) следует, что переменная составляющая магнитной индукции в зазоре является знакопе-, ременной функцией продольной оси резонатора Х

B Hp©(fU- 1п .cos — x со5 29И. (p) Следовательно, суммарная величина переменного магнитного потока системы;является также периодической функцией координаты )(, а ее максимальное значение не превышает переменного магнитного потока, действующего в пределах одной пучности акустической волны, т.е. при

О» x» — °

Ф

Увеличение чувствительности известного гаэоанализатора достигают размещением в зазоре магнитной системы многоэлектродного датчика Холла, конструкция, схема запитки и расположение которого приводит к тому, что амплитуда Ux выходного сигнала

3 I f44 пропорциональна сумме абсолютных значений элементарных переменных потоков, пронизывающих объем с иссле-. дуемым газом, т.е.

IJ,е3(Ч ° Н мо(р i) т (4) где К вЂ” коэффициент пропорциональности;

U - объем исследуемого газа, находящегося в иежполюснои пространстве (2) .

К недостаткам известного устрой-,: ства следует отнести ограниченную чувствительность и точность измерений. Чувствительность устройства пропорциональна используемому объему исследуемого газа. Этот объем в реальной конструкции ограничен макси- мально допустимыии размерами датчика Холла. Как известно, изготовление значительных по:размерам датчиков

Холла является достаточно сложной задачей. Это объясняется тем, что чувствительные датчики Холла изготавливаются из монокристаллов, раз- меры которых. ограничены, а экономические затраты на их производство увеличиваются с ростом размеров дат- 30 чика. Исходя из этого необходима конструкция газоанализатора, которая позволяла бы использовать унифицированные датчики при неограниченных размерах акустической камеры. Более 35 того, точность измерений s этом га зоанализаторе ограничена малым, ро сравнению с другими датчиками магнитного поля, коэффициентом передачи датчика Холла, а также 4р значительно большей.его температурной погрешностью. Это также требу.ет создания газоанализаторов, в которых возможно применение эффективных и дешевых магниточувствительных датчиков. Цель изобретения — повышение точности и чувствительности измерений.

Поставленная цель достигается теи, что в устройстве для определе- 50 ния объемной концентрации парамагнитного газа, содержащем магнитную систему, в зазоре которой помещена камера в виде акустического резонатора, заполняемого анализируемой 55 смесью и снабженного преобразователеи электрических колебаний в акустические, подключенного к генератору

046 . 4 переменного тока, и преобразователь магнитного пот . ка, выход которого подключен к входу измерительного тракта, в sasop магнитной системы помещен магнитный концентратоР, выполненньй в «идс пластины из иагнитопроводяше 0 материала, норма.i. ."." расположенной по отношению,к силовым линиям магнитной системы и рассеченной т !вправлении продольндй оси реэонат, ;I зигзагообразным разрезам с шагом, равным длине акусти-., ческой волны, причем преобразователь магнитного потока установлен на.пере,мычке, соединяющей обе части концентратора.

Акустический резонатор нри этом выполнен в ви4е отрезков полой трубы, соединенных колейои, продольный размер которого равен длине нечетного количества полуволн акустической волны, На фиг. I схематически изображено. устройство, конструкция. плоского маг нитного концентратора и"ображена совместно с магнитной системой и вынесена из нее; на фиг. 2 — эквива1 лентная схема участка магнитной цепи газоанал затора.

Устройство содержит магнитную систему 3, в зазоре котдрой помещена камера 2 в виде акустического резонатора, заполняемая анализируемым газом, преобразователь 3 электрических колебаний в акустические, подключенный к генератору 4 переменного тока преобразователь 5 магнитного потока, выход которого подключен к сигнальному входу фазочувствительного усилителя 6, опорно .вход которого связан с гейератором 4 пе,реиенного тока, нри этом выход усили. .теля 6 подключен к регистрирующему

:прибору 7. В зазоре магнитной системы также помещен магнитный концентратор 8, выполненный в виде пласти ны из магнитопроводящего материала, нормально расположенной по отношению к силовым линиям магнитной системы 1 и рассеченной в направлении продоль,ной оси резонатора на две части зигзагообразным разрезом с шагом, равным длине акустической BOJIEibl (напри/ мер, выполнен в виде меандра), причем преобразователь 5 иагнитного потока установлен на перемычке, соединяющей обе части концентратора 8.

1144046

Акустический резонатор может быть выполнен в виде двух отрезков полой трубы, соединенных коленом, продольный размер У которого выбран из со5 где k= .отношения = О, 1, 2, ..., n вследствие чего в нижней части резонатора в каждой из его точек объема акустические

10 колебания находятся в противофазе с колебаниями в рядом расположенных точках верхней части резонатора.

Между нижней и верхней частями резонатора 2 расположен плоский магнитный концентратор 8, выполненный в виде меандра, таким образом, что концентратор образован двумя смещенными гребенками, зубцы которых чере-. дуются. Магнитный концентратор установлен s межполюсном пространстве таким образом,. что местоположение его зубцов приходится на пучности акустической волны в резонаторе.

При работе преобразователя 3 электрических колебаний в акустические в камере 2 с анализируемым газом устанавливаются стоячие акустические колебания. При этом, аналогично известному устройству, в резонаторе с частотой акустических колебаний происходит модуляция плотности и, соответственно, магнитной проницаемости п анализируемого газа. Поэтому для процессов, происходящих в нем, справедливы выражения (1) (3), учитывая, что для изогнутого резонатора координатой М является продольная ось резонатора 7.: Следует отметить, что модуляция:магнитной

40. проводимости среды приводит не только к модуляции нормальной составляющей магнитной индукции, но и к воз- никновению переменных тангендиальных магнитных потоков (вдоль продольной

45 оси резонатора), амплитуда и направление которых являются гармонической функцией продольной оси .резонатора. !

Увеличение,чувствительности в пред-:

50 лагаемом газоанализаторе достигается размещением в зазоре магнитной системы нормально расположенного о отно- ." шению к силовым линиям магнитной системы плоского магнитного концентратора, расположение зубцов которого согласовано с местоположением пучностей стоячей акустической волны. В ре- зультате такого исполнения концентратора в его перемычке циркулирует переменный магнитный поток, равный сумме абсолютных значений элементарных переменных тангенциальных потоков, пронизывающих полость, заклю ченную между трубами резонатора, Следовательно, выходное напряжение

Ц Вьц преобразователя, установленного на перемычке концентратора, про,порционально этой сумме и для него, по аналогии с выражением (4), можно записать следующее выражение где К . — коэффициент пропорциональ1 ности, учитывающий эффективность конструкции. г

К этому выводу можно прийти рас смотрев эквивалентную схему участка магнитной цепи предлагаемого устройства.

Схема содержит эквивалентный источник 9 магнитного потока, сопротивления 10-,13, учитывающие магнитное сопротивление газовой среды в пределах одной длины акустической волны (т.е. в пределах двух смежных противофаэних пучностей волны) для обоих участков (нижнего и верхнего) акустического резонатора, сопротивлейие, учитывающее магнитное сопротивление концентратора, сопротивление учитывающее шунтирующее действие воздушных промежутков между зубцами концентратора, и измерительный прибор, отражающий на эквивалентной схеме взаимосвязь потока, проходящего в перемычке, с показаниями измерительного прибора 7.

Как показано ранее, в смежных пучностях акустической волны изменение во времени магнитной проницаемости происходит в противофазе, что вызывает переменные во времени и знакочередующиеся вдоль продольной оси концентратора магнитные потоки, которые циркулируют по контуру с наименьшим магнитным сопротивлением, т.е. при наличии магнитного концентратора в основном через его перемычку (сопротивление 14) и частично через шунтирующие воздушные промежутки между его зубцами (сопротивление 15).

Для увеличения эффективности концентратора следует уменьшать сопротивление (т.е. брать для концентраl

/

1 с

Фиг.2

Составитель В. Екаев

Редактор В. Петраш Техред А.Ач Корректор Л. Пилипенко

Заказ 898/37 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 тора материал с более высокой магм нитной проницаемостью) и обеспечи вать минимальную магнитную проницаемость промежутков между зубцами концентратора. Для этой цели можно заполнить эти промежутки немагнитным электропроводящим материалом, магнитная нро ницаемая емкость которого для переменного магнитного поля меньше единицы. Не маловажным Фактором в увеличении эффек тивности концентратора является расчет и выбор оптимальных размеров и

КонФигурации зубцов концентратора.

Использование резонатора в виде двух труб, соединенных 0 -образным, коленом, длина которого кратна нечет ному количеству акустических полуволн, позволяет, как это видно из ,эквивалентной схемы, удвоить коэфйи-

1144046 8 .циент преобразования устройства.

В зазоре магнитной системы могут располагаться и два резонатора (один— для эталонной среды) . В этом случае реализуется дифФеренциальный метод измерения, позволяющий минимизировать влияние дестабилизирующих фак-. торов.

В предлагаемом устройстве нет or}0 раничений рабочего объема с газом, поскольку магнитный концентратор легко выполнить с различным числом зубцов, а следовательно, получить возможность интегрирования магнитных

1 .потоков с большого рабочего объема с газом. Устройство технологично, надежно н обладает повышенной по сравнению с известным устройством .точностью и чувствительностью.