SU879434A1

SU879434A1 - Thermomagnetic gas analyzer

Info

Publication number: SU879434A1
Application number: SU792834249A
Authority: SU
Inventors: Николай Арсентьевич Давыдов; Виктор Семенович Двас; Александр Иванович Мочалкин
Original assignee: Специальное Конструкторское Бюро Аналитического Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср
Priority date: 1979-10-30
Filing date: 1979-10-30
Publication date: 1981-11-07

Description

(54) ТЕРМОМАГНИТНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР(54) THERMOMAGNETIC GAS ANALYZER

ff

Изобретение относитс к области аналитического приборостроени и может быть использовано дл -определени концентрации кислорода при контроле состава газовых сред.The invention relates to the field of analytical instrumentation and can be used to determine the oxygen concentration in controlling the composition of gaseous media.

Известно измерительное устройство вырабатывающее завис щий от угла наклона электрический сигнал, которое можно было бы, использовать в качестве компенсатора наклона. В резистивном преобразователе углов отклонени от вертикалей 1 корпус заполнен электропровод щей жидкостью с частично погруженными в нее резистивными элементами, включенными в измерительный мост. При изменении угла наклона измен ютс вследствие перемещени электропровод щей жидкости сопро-. тивлени плеч моста, который и вырабатывает завис щий от угла наклона сигнал.A measuring device that produces a tilt-dependent electrical signal is known that could be used as a tilt compensator. In the resistive transducer of the deviation angles from the verticals 1, the housing is filled with an electrically conducting fluid with resistive elements partially embedded in it included in the measuring bridge. When the angle of inclination changes, they change due to the movement of the electrically conductive fluid res. of the shoulders of the bridge, which produces a signal depending on the angle of inclination.

Недостатком этого устройства вл етс наличие зависимости удельного сопротивлени электролита, а, следовательно, и выходного сигнала устройства от окружающей температуры .The disadvantage of this device is the dependence of the resistivity of the electrolyte, and, consequently, the output signal of the device on the ambient temperature.

Известно также устройство, состо щее из двух сообщающихс узких трубок , заполненных диэлектрическойIt is also known a device consisting of two communicating narrow tubes filled with dielectric

жидкостью, в каждую из которых помещена пара электродов, образующих обкладки конденсаторовf2j. Конденсаторы подключены по дифференциальной схеме к электронному преобразователю и показывающему прибору. При наклонах устрюйства измен етс отношение между емкост ми обоих конденсаторов, определ емое, в свою очередь, соот10 ношением долей диэлектрических проницаемостей жидкостей и воздуха в эффективной диэлектрической проницаемости везцества каждого конденсатора.liquid, in each of which is placed a pair of electrodes that form the plates of capacitors f2j. The capacitors are connected in a differential circuit to an electronic converter and indicating instrument. When the slopes of an asteroid change, the ratio between the capacitors of both capacitors changes, determined, in turn, by the ratio of the shares of the dielectric constant of liquids and air to the effective dielectric constant of each capacitor.

Недостатком этого устройства как The disadvantage of this device is as

15 возможного компенсатора наклонов газоанализатора вл етс необходимость использовани дополнительных электронных устройств, которые согласовывали бы реактивный сигнал данного на20 клономера с активным сигналом газоанализатора , что привело бы к усложнению прибора и увеличению его габаритов и энергопотрёВленн . Кроме того, общим недостатком измерителей A possible compensator for tilting the gas analyzer is the need to use additional electronic devices that would reconcile the reactive signal of this 20 klone-meter with the active signal of the gas analyzer, which would complicate the device and increase its size and energy efficiency. In addition, a common disadvantage of meters

25 наклона вл етс несоответствие их инерционностей инерционности газоанализатора , обусловленной временем пере .годного процесса изменени условий теплообмена на поверхности чувстви30 тельных элементов газоанализатора25 tilting is the incompatibility of their inertia of the inertia of the gas analyzer, due to the time of the overwhelming process of changing the conditions of heat exchange on the surface of the sensitive elements of the gas analyzer

при его наклонах. Это обсто тельство приводит к по влению ложных срабатываний при наклонах газоанализатора, снабженного выходным сигнальным устройством с релейной характеристикой .at its slopes. This circumstance leads to the appearance of false alarms when the gas analyzer is tilted, equipped with an output signaling device with a relay characteristic.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности с учетом известности компенсаторов наклона вл етс термомагнитный газоанализатор с чувствительными элементами-терморезисторами в виде проволочньлх цилиндрических стержней, выполненный по двухмостовой схеме отношени , содержащей рабочий мост с горизонтално расположенными.в термомагнитной чейке чувствительными элементами и сравнительный мост с аналогичными чувствительными элементами З .The closest to the invention according to the technical essence, taking into account the fame of the tilt compensators, is a thermomagnetic gas analyzer with sensitive elements-thermistors in the form of wire cylindrical rods, made according to a two-bridge ratio scheme containing a working bridge with sensitive elements in the thermomagnetic cell and a comparative bridge with similar sensitive elements

Рабочий мост содержит рабочий и сравнительный чувствительные элементы , включенные в смежные плечи моста и представл ющие собой терморезисторы . Два другие плеча образованы посто нными резисторами. Рабочий чувствительный элемент -рабочего моста находитс в термомагнитной измерительной чейке в неоднородном магнитном поле, создаваемом магнитнойсистемой , а сравнительный элемент, в этой же чейке,но вне пол . Сравнительный мост газоанализатора выполнен в виде моста теплопроводности, в смежные плечи которого включены чувствительные элементы - терморезисторы , помещенные в измерительной чейке, в которых отсутствует передача тепла конвенцией. Один чувствительный элемент (рабочий находитс в чейке, заполненной воздухом, а другой (сравнительный - в чейке с двуокисью углерода. Вьоходное напр жение рабочего моста пропордионально концентрации кислорода в термомагнитной чейке, квазипосто нное выходное напр жение сравнительного моста вл етс опорным. Выходы мостов соединены с входами электронного блока, формирующего напр жение, пропорциональное отношению сигнала рабочего моста к сигналу сравнительного моста.The working bridge contains working and comparative sensing elements included in the adjacent shoulders of the bridge and representing thermistors. The other two arms are formed by constant resistors. The working sensing element of the working bridge is in a thermomagnetic measuring cell in a non-uniform magnetic field created by the magnetic system, and the comparative element in the same cell but outside the floor. The comparative bridge of the gas analyzer is made in the form of a thermal conductivity bridge, the adjacent arms of which include sensitive elements - thermistors, placed in a measuring cell, in which there is no heat transfer by convention. One sensing element (the worker is in a cell filled with air and the other (comparative - in a cell with carbon dioxide. The atomic voltage of the working bridge is proportional to the oxygen concentration in the thermomagnetic cell, the quasi-constant output voltage of the comparative bridge is reference. The outputs of the bridges are connected to the inputs of an electronic unit that generates a voltage proportional to the ratio of the signal of the working bridge to the signal of the comparative bridge.

Недостатком описанного газоанализатора вл етс то, что в случае наиболее распространенной конструкции термомагнитной чейки (магнитное поле в однородной области вертикально, а оси чувствительных элементов горизонтальны ) показани газоанализатора существенно зав-ис т от угла наклона прибора к плоскости горизонта при повороте его относительно оси чувствительного элемента.The disadvantage of the described gas analyzer is that in the case of the most common thermomagnetic cell design (the magnetic field is in a uniform area vertically, and the axes of the sensing elements are horizontal), the gas analyzer readings are significantly reduced from the angle of inclination of the device to the plane of the horizon .

Целью изобретени вл етс устраНение вли ни наклонов на показани приборов и повышение надежности его работы.The aim of the invention is to eliminate the influence of slopes on instrument readings and increase its reliability.

Поставленна цель достигаетс тем, что в термомагнитном газоанализаторе с чувствительными элементамитерморезисторами в виде проволочных цилиндрических спиралей, выполненном f по двухмостовой схеме отношени , содержащей рабочий мост с горизонтально расположенными в термомагнитной чейке чувствительными элементами и сравнительный мост с аналогичнымиThe goal is achieved by the fact that in a thermomagnetic gas analyzer with sensitive elements of thermistors in the form of wire cylindrical spirals made f according to a two-bridge ratio scheme containing a working bridge with sensitive elements horizontally in a thermomagnetic cell and a comparative bridge with similar

и чувствительными элементами, два чувствительных элемента сравнительного моста помещены в заполненную частично жидким теплоносителем герметичную камеру и по крайней мере частично погружены в теплоноситель, а их осиand sensitive elements, two sensitive elements of the comparative bridge are placed in a sealed chamber filled partly by a liquid heat carrier and at least partially immersed in the heat carrier, and their axes

5 расположены в плоскости, перпендикул рной ос м чувствительных элементов термомагнитной чейки рабочего моста.5 are located in a plane perpendicular to the axis of the sensitive elements of the thermomagnetic cell of the working bridge.

На фиг. 1 изображен схематически 0 газоанализатор с герметичной камерой, на фиг. 2 - герметична камера в наклонном положении.FIG. 1 shows schematically a 0-gas analyzer with a hermetic chamber; FIG. 2 - hermetic chamber in an inclined position.

Термомагнитный газоанализатор состоит из рабочего и сравнительного 5 мостов. Рабочий мост содержит иден- тичные рабочий и сравнительный чувствительные элементы, образующие смежные плечи моста 1 и 2 соответственно. Ка ддый из чувствительных элементовThe thermomagnetic gas analyzer consists of a working and comparative 5 bridges. The working bridge contains identical working and comparative sensing elements that form the adjacent shoulders of bridge 1 and 2, respectively. Each of the sensitive elements

1 и 2 представл ет собой терморезистор , выполненный из тонкой металлической проволоки с высоким температурным коэффициентом сопротивлени в виде остеклованной цилиндрической1 and 2 is a thermistor made of thin metal wire with a high temperature coefficient of resistance in the form of vitrified cylindrical

спирали малого диаметра. Рабочий чувствительный элемент 1 находитс в термомагнтной измерительной чейке (на чертежах не показанаj в неоднородном магнитном поле,создаваемом магнитной системой, а сравнительныйspirals of small diameter. The working sensor element 1 is in a thermomagnetic measuring cell (not shown in the drawings j in a non-uniform magnetic field created by a magnetic system, but comparative

элемент 2 - в этой же чейке, но вне пол . Два другие плеча рабочего моста образованы посто нными резистора 3 и 4. При нахождении газоанализатора в нормальном рабочем положеНИИ вектор магнитного пол в чейке в области.однородного пол направлен по вертикали, а оси чувствительных элементов расположены в горизонтальной плоскости. Сравнительный мостelement 2 - in the same cell, but outside the floor. The other two arms of the working bridge are formed by resistor 3 and 4 constants. When the gas analyzer is in a normal working position, the magnetic field vector in the cell is in the area. The uniform field is vertical, and the axes of the sensing elements are in the horizontal plane. Comparative bridge

газоанализатора содержит идентичные рабочий и сравнительный чувствительные элементы 5 и б, включенные в смежные плечи моста и выполненные аналогично чувствительным элемеитам 1 и 2, но помещенные соответственно в две чейки теплопровод- . нести, в которых отсутствует конвективный теплообмен. Ячейка рабочего чувствительного элемента 5 заполнена углекислым газом, а чейка сравнительного чувствительного элемента б воздухом . В два других смежных плеча моста включены посто нные резисторы 7 и 8,а также компенсационные терморезисторы 9 и 10. Каждый из терморезисторов выполнен из тонкой металлической проволоки с высоким температурным коэффициентом сопротивлени в виде остеклованной цилиндрической спирали малого диаметра. Терморезисторы 9 и 10 помещены в заполненную частично например на половину , жидким теплоносителем 11 камеру 12. Плоскость, в которой наход тс оси элементов 9 и 10, перпендикул рна ос м чувствительных элементов термомагнитной чейки. При нахождении газоанализатора в нормальном рабочем положении терморезисторы 9 и 10 погружены по крайней мере частично в теплоноситель, а их оси вертикальны . Измерительные диагонали рабочего и сравнительного мостов соединены с входом операционного усилител 13 вырабатывающего напр жение .U, пропорциональное отношению выходных напр жений рабочего L) и сравнительного U2 мостов согласно равенству: где К const Рассмотрим работу газоанализатора в двух случа х: при нахождении прибора в нормальном рабочем положаНИИ и при наклоне его к плоскости горизонта поворотом относительно оси одного из чувствительных элементов рабочего моста. В первом случае при по влении в термомагнитной чейке газовой смеси , содержащей кислород, вблизи рабо чего чувствительного элемента 1 рабочего моста возникает термомагнитна конвекци , вследствие чего, температура элемента 1 понижаетс , рабо чий мост выходит из состо ни равновеси и в измерительной диагонали моста по вл етс напр жение (J , пропорциональное концентрации кислорода в контролируемой газовой смеси. При этом терморезисторы 9 и 10 погру жены в жидкость 11 на одинаковую часть длины и имеют одинаковые темпе ратуры и сопротивлени , благодар чему содержаща терморезисторы ветвь сравнительного моста симметрич на относительно измерительной диагонали и выходное напр жение сравнительного моста Uj равно задаваемому номинальному значению, обусловленном разностью температур сопротивлений/ чувствительных элементов 5 и 6. В оп рационном усилителе 3 осуществл етс деление напр жений рабочего моста и. на напр жение сравнительного мост в соответствии с соотношением (1, в результате чего на выходе усилител 13 вырабатываетс масштабированны сигнал и,- пропорциональный концентрации (измер емой кислорода/. . При наклоне газоанализатора к плоскости горизонта происходит поворот вектора термомагнитной конвекции , относительно вектора естественной тепловой конвекции, в результате чего измен етс результирующий вектор конвекции газа вблизи рабочего чувствительного элемента 1. Одновременно вследствие поворота термомагнитной чейки и несимметричности конфигурации ее рабочего объема измен етс интенсивность конвективной теплоотдачи сравнительного элемента 2, что приводит к одновременному, но неодинаковому изменению температур (и сопротивлений) чувствительных элементов 1 и 2, не св занному с изменением концентрации кислорода. Вследствие этого в измерительной диагонали рабочего моста по вл етс дополнительный сигнал AU, представл ющий собой погрешность, пропорциональную углу наклона прибора. Однако, синхронно с этим происходит перетекание теплоносител в камере 12, например , как показано на фиг.2 дл случа поворота прибора по часовой стрелке. При этом теплоотдача терморезистора 9 ослабевает вследствие его обнажени и уменьшени коэффициента теплоотдачи на его поверхности, а теплоотдача терморезистора 10 остаетс практически неизменной. Вследствие этого повышаетс температура и сопротивление терморезистора 9, симметри ветви моста, содержащей терморезисторы 9 и 10, нарушаетс , и выходной сигнал сравнительного моста получает приращение uU2, пропорциональное углу наклона прибора. В процессе настройки прибора приращени , ди и U 2 регулируют до равенства с заданной точностью, например, подбором шунтирующих сопротивлений дл терморезисторов 9 и 10 ив результате операции делени , осуществл емой в усилителе 13, выходной сигнал газоанализатора и становитс независимым от наклона. Схема включени терморезисторов 9 и 10 в сравнительный мост, приведенна на фиг.1, соответствует случаю, когда знаки приращений сигнала рабочего моста при поворотах прибора по и против часовой стрелки противоположны . В случае же, когда знаки приращений сигнала при повороте прибора по и против часовой стрелки совпадают , терморезисторы 9 и 10 включены последовательно в одно плечо сравнительного моста (этот вариант включени ввиду его очевидности графичес- ки не представлен). Из фиг.2 следует, что при выбранных значени х длины Н рабочей части компенсационных терморезисторов 9 и 10 и рассто ни L между их ос ми, компенсаци погрешности от наклонов прибора осуществл етс вthe gas analyzer contains identical working and comparative sensing elements 5 and b, included in the adjacent shoulders of the bridge and made similarly to the sensitive elements 1 and 2, but placed respectively in two cells of the heat conductor -. carry in which there is no convective heat transfer. The cell of the working sensitive element 5 is filled with carbon dioxide, and the cell of the comparative sensitive element is air. Permanent resistors 7 and 8, as well as compensation thermistors 9 and 10, are included in the other two adjacent shoulders of the bridge. Each of the thermistors is made of thin metal wire with a high temperature coefficient of resistance in the form of a vitrified cylindrical spiral of small diameter. Thermistors 9 and 10 are placed in a chamber 12 partially filled, for example, with heat-transfer fluid 11. The plane, in which the axes of elements 9 and 10 are located, is perpendicular to the axis of the sensitive elements of the thermomagnetic cell. When the gas analyzer is in the normal operating position, thermistors 9 and 10 are at least partially immersed in the coolant and their axes are vertical. The measuring diagonals of the working and comparative bridges are connected to the input of the operational amplifier 13 of the generating voltage .U proportional to the ratio of the output voltages of the working L) and comparative U2 bridges according to equality: where K const Consider the operation of the gas analyzer in two cases: when the device is in normal working position and when it is tilted to the horizon plane by turning about the axis of one of the sensitive elements of the working bridge. In the first case, when a gas mixture containing oxygen is found in a thermomagnetic cell, thermomagnetic convection occurs near the working sensing element 1 of the working bridge, as a result of which the temperature of element 1 decreases, the working bridge goes out of equilibrium and in the measuring diagonal of the bridge voltage (J, proportional to the concentration of oxygen in the controlled gas mixture. At the same time, thermistors 9 and 10 are immersed in the liquid 11 at the same part of the length and have the same temperature and resistance Therefore, the thermo-resistors branch of the comparative bridge is symmetric with respect to the measuring diagonal and the output voltage of the comparative bridge Uj is equal to the specified nominal value due to the temperature difference between the resistance / sensing elements 5 and 6. The operational amplifier 3 divides the operating bridge voltage and . The voltage of the comparative bridge in accordance with the ratio (1, as a result of which the output of the amplifier 13 produces a scaled signal and, is proportional ontsentratsii (measured by the oxygen /. . When the gas analyzer is tilted to the horizon plane, the thermomagnetic convection vector rotates relative to the natural heat convection vector, resulting in a change in the resulting gas convection vector near the working sensing element 1. At the same time, due to the thermomagnetic cell rotation and asymmetry of its working volume configuration, the intensity of convective heat transfer from the comparative one changes element 2, which leads to a simultaneous, but unequal temperature change (and occurrences) of sensing elements 1 and 2 are not zannomu communication with changing oxygen concentration. As a consequence, an additional signal AU appears in the measuring diagonal of the working bridge, which is an error proportional to the angle of the instrument. However, synchronously with this, flow of heat-transfer medium occurs in chamber 12, for example, as shown in FIG. 2 for the case of turning the instrument clockwise. At the same time, the heat output of the thermistor 9 weakens due to its exposure and the decrease in the heat transfer coefficient on its surface, and the heat output of the thermistor 10 remains almost unchanged. As a result, the temperature and resistance of thermistor 9, the symmetry of the bridge branch containing thermistors 9 and 10, are violated, and the output signal of the comparative bridge is incremented by uU2, proportional to the angle of the instrument. In the process of adjusting the device, the increments, di and U 2 are adjusted to equality with a given accuracy, for example, by selecting shunt resistances for thermistors 9 and 10 and as a result of the division operation carried out in amplifier 13, the gas analyzer output signal becomes independent of slope. The circuit for inserting thermistors 9 and 10 into the comparative bridge, shown in Fig. 1, corresponds to the case when the signs of the increments of the signal of the working bridge when the device turns in a clockwise and counterclockwise direction are opposite. In the case when the signs of the signal increments when the device is turned clockwise and counterclockwise coincide, thermistors 9 and 10 are connected in series into one shoulder of the comparative bridge (this option of switching on is not graphically represented because of its obviousness). From Fig. 2, it follows that with the selected values of the length H of the working part of the compensation thermistors 9 and 10 and the distance L between their axes, the error of tilt of the device is compensated for

предложенном устройстве вплоть до предельного угла наклона , определ емого соотношением:The proposed device up to the limiting angle of inclination, determined by the ratio:

r-J-rr .r-j-rr.

- 2 н - 2 n

Таким образом, в предложенном газоанализаторе введена автоматическа компенсаци , устран юща вли ние наклона на показани , присущее нзвecтнo J газоанализатору. Преимущество предложенного газоанализатора перед известными измерител ми угла наклона заключаетс также в том, что в нем компенсирунадий наклоны сигнал вырабатьшаетс синхронно с паразитным сигналом и имеет тот же характер благодар тому, что оба сигнала формируютс с помощью процесса одной природы - согласованным изменением теплоотдачи идентично изготовленных терморезисторов, включенных в идентичные измерительные мосты и нагреваемых проход щим через них током. Это исключает возможность по влени вследствие наклона ложных срабатываний газоанализатора , в случа х если он снабжен выходным сигнализирующим устройством релейного типа,т.е. повышает надежность , газоанализирующих устройств.Thus, in the proposed gas analyzer, automatic compensation is introduced, eliminating the influence of the slope on the readings inherent in the master J gas analyzer. The advantage of the proposed gas analyzer over the known tilt angle gauges is also that it compensates for the slope of the signal generated synchronously with the parasitic signal and has the same character due to the fact that both signals are formed using the same nature — a consistent change in heat transfer from identical thermistors made included in identical measuring bridges and heated by the current passing through them. This eliminates the possibility of occurrence due to the inclination of the false alarms of the gas analyzer, in cases where it is equipped with a relay-type output signaling device, i.e. increases the reliability of gas analyzing devices.

Claims

1. USSR author's certificate number 614323, cl. G 01 N 27/72, 1977.

2. The patent of Germany No. 2711620, cl. .G 01 C - 5/04, 1977.

3. USSR author's certificate number 627391, cl. G 01 N 27/72, 1977 (prototype).