ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ГАЗОАНАЛИЗАТОРА КИСЛОРОДА В ГАЗОВОЙ СМЕСИ
GAS ANALYSER MEASUREMENT SYSTEM FOR OXYGEN IN GASEOUS MIXTURE

Предлагаемое изобретение относится к области измерения концентрации газов в газовых смесях, то есть к датчикам, служащим для измерения концентрации кислорода.
В литературе [Павленко В.А. Газоанализаторы. М.-Л.: Машиностроение. 1965. стр.72-93] описаны устройства, предназначенные для измерения концентрации кислорода в газовых смесях на основе магнитной восприимчивости кислорода, которая превышает магнитную восприимчивость других газов в сотни раз.
Известна измерительная система на основе кольцевой камеры [Там же стр.76 Фиг.35]. Камера представляет собой полое металлическое кольцо, в диаметральном канале которого установлена тонкостенная стеклянная трубка. На трубке намотана платиновая спираль, нагреваемая электрическим током. Тонкостенная трубка с намотанной на ней платиновой спиралью является чувствительным элементом. Спираль состоит из двух секций, одна из которых помещается между полюсами магнита. Секции платиновой проволоки являются смежными рабочими плечами измерительного моста постоянного тока. Двумя другими плечами служат постоянные сопротивления.
Измерительные системы такого типа вследствие высокой тепловой инерции требуют длительного времени запуска, относительно низкую чувствительность, достаточно большие массогабаритные и энергетические характеристики.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является измерительная система [Там же стр.78, фиг.38], содержащая одну или две пары магнитных полюсов и одну или две пары ложных полюсов; ложные полюса представляют собой наконечники из немагнитного материала, имеющие в рабочем пространстве форму, аналогичную магнитным наконечникам, вблизи магнитных и ложных полюсов размещены рабочий и сравнительный чувствительные элементы.
Целью изобретения является сокращение массогабаритных характеристик, уменьшение потребления энергии и обеспечение линейности зависимости выходного сигнала от концентрации кислорода в газовой смеси в диапазоне 0-100%.
Цель достигается тем, что в измерительной системе, содержащей одну пару магнитных и одну пару ложных полюсов, ложные полюса представляют собой наконечники из немагнитного материала, имеющие в рабочем пространстве форму, аналогичную магнитным наконечникам, магнитные и ложные полюса располагают горизонтально. В основании камеры под зазорами наконечников магнитных и ложных полюсов жестко укреплены рабочий и сравнительный чувствительные элементы соответственно, так, что спираль рабочего чувствительного элемента расположена внутри зазора между наконечников магнитных полюсов по осевой линии на расстоянии 0.3-0.5 мм от внешнего края наконечников, а сравнительный чувствительный элемент установлен симметрично рабочему в зазоре наконечников ложных полюсов. Каждый чувствительный элемент представляет собой микроспираль из литого микропровода с диаметром жилы 10-12 мкм в высокотермической изоляции толщиной 1-1,2 мкм, причем спираль намотана так, чтобы изоляция витков при намотке была сплавлена. Наконечники магнитных и ложных полюсов установлены симметрично, причем наконечники полюсов установлены к внешним сторонам камеры измерительной системы.
На фиг.1 изображен вариант измерительной системы, которая содержит камеру измерительной системы 1, внутри которой жестко закреплены полюса постоянных магнитов 2 и ложных магнитов 3, рабочий чувствительный элемент 4 закреплен в основании камеры измерительной системы так, что спираль рабочего чувствительного элемента расположена в зазоре наконечников магнитных полюсов 2 на осевой линии на расстоянии 0,3-0,5 мм от внешних краев наконечников. Сравнительный чувствительный элемент 5 установлен симметрично рабочему чувствительному элементу 4 в основании камеры измерительной системы 1 так, что спираль сравнительного чувствительного элемента 5 расположена в зазоре наконечников ложных полюсов 3, на осевой линии на расстоянии 0,3-0,5 мм от внешних краев наконечников. Против зазоров магнитных полюсов 2 и ложных полюсов 3 в боковых стенках камеры измерительной системы 1 выполнены отверстия 6 для прохождения газовой смеси.
На фиг.2 изображен чувствительный элемент, содержащий транзисторную стойку 7, содержащую спираль 8, концы которой приварены к электрическим выводам 9 транзисторной стойки 7. Вторые концы электрических выводов 9 служат для подключения чувствительных элементов 4 и 5 к электрической схеме газоанализатора.
На фиг.3 изображена спираль 8 чувствительных элементов 4 и 5, которая выполнена из микропровода 10 с толщиной жилы 10-12 мкм, в высокотермической изоляции 11 толщиной 1-1,2 мкм, причем изоляция сплавлена при намотке и образует сплавной шов 12.
Для подключения чувствительных элементов 4 и 5 к электрической схеме их соединяют последовательно.
Измерительная система работает следующим образом. К свободным электрическим выводам 9 транзисторных стоек 7 подводят напряжение. При этом спирали 8 чувствительных элементов 4 и 5 нагреваются до температуры 200-250С°. Если в газовой среде есть кислород, то под действием магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 2, кислород втягивается в направлении падения напряженности магнитного поля через отверстие 6 в боковой стенке камеры измерительной системы 1. Движение кислорода в магнитном поле способствует охлаждению спирали 8 рабочего чувствительного элемента 4, что приводит к изменению ее омического сопротивления, чего не происходит со сравнительным чувствительным элементом 5. Изменение омического сопротивления приводит к изменению падения напряжения на рабочем чувствительном элементе 4, которое пропорционально концентрации кислорода в газовой смеси. Чувствительные элементы 4 и 5 могут быть соединены по мостовой схеме с применением дополнительных элементов. В этом случае балансировку моста проводят на чистом азоте. Рассогласование моста при наличии кислорода в газовой смеси пропорционально его концентрации.
Технико-экономическая эффективность обусловлена тем, что спираль рабочего и сравнительного чувствительных элементов имеет омическое сопротивление 30-32 Ом, в отличие от прототипа, который имеет сопротивление 40 Ом [Там же стр.77] и, следовательно, требует меньших затрат энергии для разогрева спиралей до температуры 200-250°С. Кроме того, спираль предлагаемого чувствительного элемента фактически имеет точечную форму, что позволяет установить ее в точку магнитного поля, где достигается максимум произведения напряженности магнитного поля на первую производную напряженности по расстоянию, следовательно, достигается максимум силы термомагнитной конвекции, которая, вызывая движение кислорода, способствует большему охлаждению спирали рабочего чувствительного элемента. Данное обстоятельство свидетельствует об увеличении чувствительности измерительной системы при прочих равных условиях. Местоположение точки магнитного поля, в которой достигается максимум произведения напряженности магнитного поля на первую производную напряженности по расстоянию, было выявлено методом математического моделирования на ЭВМ. Кроме того, это обстоятельство позволяет использовать в качестве магнитных полюсов постоянные магниты меньших физических размеров, что способствует снижению массогабаритных характеристик измерительной системы. При горизонтальном расположении магнитных и ложных полюсов и указанном расположении чувствительных элементов экспериментально получены линейные характеристики зависимости выходного сигнала от концентрации кислорода в газовой смеси в диапазоне 0-100% в отличие от характеристик измерительной системы [Там же стр.80 фиг.40].