UA123930U

UA123930U - Magnetoelectronic gas analyzer

Info

Publication number: UA123930U
Application number: UAU201710231U
Authority: UA
Inventors: Іван Михайлович Вікулін; Лідія Федорівна Вікуліна; Віктор Едуардович Горбачов; Олександр Наумович Софронков
Original assignee: Одеська Національна Академія Зв'Язку Ім. О.С. Попова
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-03-12

Abstract

Магнітоелектронний газоаналізатор складається з газової камери з досліджуваним газом, в якій знаходиться постійний магніт, між гострими полюсами якого розташований чутливий до змін магнітного поля датчик. При цьому як датчик використовується напівпровідниковий двоколекторний магнітотранзистор.The magnetoelectronic gas analyzer consists of a gas chamber with a gas under test in which there is a permanent magnet, between which the sensor is sensitive to changes in the magnetic field between the sharp poles. In this case, a semiconductor two-collector magnetotransistor is used as the sensor.

Description

Корисна модель належить до аналізаторів складу газової суміші і може бути використана в пристроях вимірювальної техніки, автоматики і екології.The useful model belongs to gas mixture composition analyzers and can be used in measuring equipment, automation and ecology devices.

Відомі конструкції магнітних газоаналізаторів, в яких контейнер з досліджуваним газом розташовується між гострими полюсами магніту. Всередині контейнера розміщується чутливий до зміни магнітного поля датчик тієї чи іншої конструкції. При зміні складу газу змінюється густина магнітного потоку крізь камеру з газом, за величиною цієї зміни датчиком і визначається концентрація вимірюваної компоненти газу (кисень, водень та інші (11):There are known designs of magnetic gas analyzers in which the container with the tested gas is located between the sharp poles of the magnet. Inside the container is placed a sensor of one design or another, sensitive to changes in the magnetic field. When the composition of the gas changes, the density of the magnetic flux through the gas chamber changes, and the sensor determines the concentration of the measured gas component (oxygen, hydrogen, and others) by the magnitude of this change (11):

Найближчим аналогом є газоаналізатор для визначення вмісту кисню в навколишньому газовому середовищі (2). Він складається з постійного магніту, між гострими полюсами якого розташована камера з досліджуваним повітрям. Усередині камери розміщений механічний датчик, який являє собою ротор у вигляді "гантелі", що складається з двох зазвичай скляних тонкостінних кульок, жорстко пов'язаних між собою і підвішених на осі в неоднорідному магнітному полі. Кульки всередині порожнисті (вакуум) або наповнені діамагнітним газом (зазвичай азотом). Магнітне поле створюється одним або двома постійними магнітами.The closest analogue is a gas analyzer for determining the oxygen content in the surrounding gas environment (2). It consists of a permanent magnet, between the sharp poles of which there is a chamber with the tested air. A mechanical sensor is placed inside the camera, which is a rotor in the form of a "dumbbell", consisting of two usually thin-walled glass balls, rigidly connected to each other and suspended on an axis in a non-uniform magnetic field. The spheres are hollow inside (vacuum) or filled with a diamagnetic gas (usually nitrogen). The magnetic field is created by one or two permanent magnets.

Спеціальна конфігурація полюсних наконечників забезпечує неоднорідність магнітного поля.The special configuration of the pole tips ensures the inhomogeneity of the magnetic field.

При надходженні у вимірювальну камеру парамагнітного кисню він буде втягуватися в область між гострими полюсами магніту з більшою напруженістю магнітного поля. Відбувається виштовхування діамагнітних тіл-кгульок парамагнітним газом. Момент опари цих сил виштовхування повертає ротор, закручуючи торсіонну розтяжку до тих пір, допоки протидіючий момент пружної розтяжки не врівноважить момент обертання. В цьому випадку вимірюваною величиною служить кут повороту ротора. Слід мати на увазі, що момент обертання надзвичайно малий (порядку 1079 Н.м), тому кут повороту зазвичай реєструється оптичним індикатором кутових переміщень.When paramagnetic oxygen enters the measuring chamber, it will be drawn into the region between the sharp poles of a magnet with a stronger magnetic field. Diamagnetic bodies-balls are pushed out by paramagnetic gas. The torque of these pushing forces rotates the rotor, twisting the torsional tension until the opposing torque of the elastic tension balances the torque. In this case, the measured value is the rotation angle of the rotor. It should be borne in mind that the moment of rotation is extremely small (about 1079 N.m), so the angle of rotation is usually registered by an optical indicator of angular movements.

Недоліком такого газоаналізатора є складність зняття показників 3 датчика, низька чутливість і мала механічна міцність, в промислових умовах їх складно юстирувати.The disadvantage of such a gas analyzer is the difficulty of reading the indicators of the 3 sensors, low sensitivity and low mechanical strength, it is difficult to adjust them in industrial conditions.

В основу корисної моделі поставлена задача спрощення схеми зняття показників, збільшення чутливості газоаналізатора і підвищення його механічної міцності.The basis of a useful model is the task of simplifying the scheme of taking indicators, increasing the sensitivity of the gas analyzer and increasing its mechanical strength.

Технічним рішенням є використання двоколекторного магнітотранзистора (ДМТ) як датчика зміни магнітного потоку, що пронизує газову камеру. ДМТ підключається за компенсаційноюThe technical solution is the use of a double-collector magnetotransistor (DMT) as a sensor for changing the magnetic flux penetrating the gas chamber. DMT is connected by compensation

Зо схемою вимірювань, тому є найчутливішим приладом, який реагує на надмалі флуктуації магнітного поля.With the measurement scheme, it is therefore the most sensitive device that responds to extremely small fluctuations of the magnetic field.

На фіг. 1 показана конструкція газоаналізатора, яка ілюструє взаємне розташування полюсів магніту М та 5 і чутливої площини ДМТ. Полюси магнітів повинні бути загостреними для створення неоднорідного магнітного поля. Неоднорідне магнітне поле втягує молекули парамагнітного кисню в область розташування ДМТ і виштовхує молекули діамагнітних газів, що значно збільшує чутливість газоаналізатора. Пунктиром показані лінії індукції магнітного поля В.In fig. 1 shows the design of the gas analyzer, which illustrates the relative location of the poles of the magnet M and 5 and the sensitive plane DMT. The poles of the magnets must be pointed to create a non-uniform magnetic field. The inhomogeneous magnetic field pulls paramagnetic oxygen molecules into the DMT location and pushes diamagnetic gas molecules out, which significantly increases the sensitivity of the gas analyzer. Lines of magnetic field induction B are shown dotted.

На фіг. 2 показана електрична схема включення датчика на основі ДМТ, що визначає величинуIn fig. 2 shows the electrical circuit of the DMT-based sensor, which determines the value

В. ДМТ є пластинкою з напівпровідника п-типу, в якій сформовані емітер р-типу - Е, база п"-типу - Б і два колектори р-типу - К. На колектори подається негативна напруга.B. DMT is a p-type semiconductor plate, in which a p-type emitter - E, a p"-type base - B and two p-type collectors - K are formed. A negative voltage is applied to the collectors.

ДМТ діє наступним чином |З). Інжектовані з р-емітера носії заряду (позитивні дірки) за відсутності магнітного поля розподіляються порівну між колекторами К, струми, які протікають крізь них рівні, і їх потенціали рівні, відповідно різниця потенціалів між ними дорівнює нулю 0-0.DMT acts as follows |Ж). In the absence of a magnetic field, the charge carriers (positive holes) injected from the p-emitter are distributed equally between the K collectors, the currents flowing through them are equal, and their potentials are equal, respectively, the potential difference between them is zero 0-0.

У поперечному магнітному полі, при напрямку, зазначеному на фіг. 2, на дірки діє сила Лоренца, через що вони відхиляються в бік лівого колектора. Такий перерозподіл носіїв заряду призводить до збільшення струму крізь лівий колектор і зменшення струму крізь правий колектор. Відповідно, потенціал лівого колектора зменшується, а правого - збільшується. Зі збільшенням індукції магнітного поля В напруга І) між колекторами збільшується. Таким чином, вихідним параметром такого датчика магнітного поля є напруга:In the transverse magnetic field, with the direction indicated in fig. 2, the Lorentz force acts on the holes, due to which they are deflected towards the left collector. This redistribution of charge carriers leads to an increase in the current through the left collector and a decrease in the current through the right collector. Accordingly, the potential of the left collector decreases, and the right one increases. As the induction of the magnetic field B increases, the voltage I) between the collectors increases. Thus, the output parameter of such a magnetic field sensor is the voltage:

Охо-В, де с - постійна, яка визначається конструктивними параметрами ДМТ.Okho-B, where c is a constant determined by the design parameters of the DMT.

Газоаналізатор на основі ДМТ працює наступним чином. ДМТ розташовується між загостреними полюсами магніту, весь пристрій поміщається в газову камеру і відбувається калібрування. Якщо визначається концентрація кисню в газовій суміші, то спочатку необхідно заповнити газову камеру сумішшю без кисню і змінними резисторами в колах колекторів установити стрілку вольтметра М на "нуль". Потім камера повністю заповнюється киснем, а показники вольтметра Отах приймаються за 100 95 концентрацію кисню. Також опорною точкою при калібруванні газоаналізатора може служити значення концентрації кисню в повітрі за нормальних умов (21,95 95). Після калібрування газоаналізатор готовий до роботи.The gas analyzer based on DMT works as follows. DMT is placed between the pointed poles of a magnet, the entire device is placed in a gas chamber and calibration takes place. If the concentration of oxygen in the gas mixture is determined, then first it is necessary to fill the gas chamber with a mixture without oxygen and set the needle of the voltmeter M to "zero" with variable resistors in the collector circuits. Then the chamber is completely filled with oxygen, and the Otach voltmeter readings are taken as 100 95 oxygen concentration. Also, the value of the concentration of oxygen in the air under normal conditions (21.95 95) can serve as a reference point when calibrating the gas analyzer. After calibration, the gas analyzer is ready for operation.

При заповненні камери досліджуваним газом за показниками вольтметра ШОм легко бо визначити процентний вміст кисню в газі:When filling the chamber with the gas being tested, it is easy to determine the percentage of oxygen in the gas according to the readings of the SHOm voltmeter:

по - УОлах. у, 100.according to UOla. in, 100.

Слід зазначити, що кисень є парамагнітним газом, який концентрує магнітний потік.It should be noted that oxygen is a paramagnetic gas that concentrates the magnetic flux.

Більшість інших газів - це діамагнетики, в яких магнітний потік розширюється, а відповідно В зі зростанням концентрації такого газу буде зменшуватися і напруга на виході ДМТ буде змінюватися у зворотний бік.Most of the other gases are diamagnetic, in which the magnetic flux expands, and accordingly B will decrease as the concentration of such gas increases and the voltage at the DMT output will change in the opposite direction.

При експериментальній перевірці дії газоаналізатора ДМТ розміщувався між полюсами магніту з заліза. ДМТ виготовлявся методом дифузії домішок у пластину з кремнію п-типу з питомим опором 200 Ом:см. Розміри ДМТ близько 500х500 мкм, емітер 30х30 мкм, відстань між колекторами 150 мкм. Чутливість експериментального зразка газоаналізатора при вимірюванні відсоткового вмісту кисню в повітрі за нормальних умов близько 0,15 мВ на кожен відсоток змінення концентрації кисню.During the experimental testing of the gas analyzer, DMT was placed between the poles of an iron magnet. DMT was produced by the method of diffusion of impurities into a p-type silicon plate with a resistivity of 200 Ω:cm. The dimensions of the DMT are about 500x500 microns, the emitter is 30x30 microns, the distance between the collectors is 150 microns. The sensitivity of the experimental sample of the gas analyzer when measuring the percentage of oxygen in the air under normal conditions is about 0.15 mV for each percentage change in the oxygen concentration.

Джерела інформації: 1. Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальнье методь контроля загрязнений атмосферь!. - Л.: Химия, 1981. - 297 с. 2. Шарапов В.М. и др. Датчики. - Черкассьі: Брама-Украина, 2008. - С. 641. 3. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковьїх приборов. - М.: Радио и связь, 1990. - б. 228.Sources of information: 1. Perehud E.A., Gorelyk D.O. An instrumental method of controlling the polluted atmosphere! - L.: Chemistry, 1981. - 297 p. 2. Sharapov V.M. etc. Sensors. - Cherkassy: Brama-Ukraine, 2008. - P. 641. 3. Vykulyn I.M., Stafeev V.I. Physics of semiconductor devices. - M.: Radio and communication, 1990. - b. 228.

Claims

FORMULA OF THE USEFUL MODEL Magnetoelectronic gas analyzer consisting of a gas chamber with the gas being tested, in which there is a permanent magnet, between the sharp poles of which there is a sensor sensitive to changes in the magnetic field, which is characterized by the fact that a semiconductor double-collector magnetotransistor is used as a sensor. . . BOTH which 0 x ; : ОХ и ше Пи з В х и г У х ж Й и У

Fig. 1

; U. I shchi skkkkk and. p.

Fig.

2 Ministry of Economic Development and Trade of Ukraine, str. M. Hrushevskyi, 12/2, Kyiv, 01008, Ukraine