АНАЛИЗАТОР ПАРАМАГНИТНЫХ ГАЗОВ
PARAMAGNETIC GAS ANALYSER

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для определения содержания концентрации кислорода в различных газовых средах в химической, нефтегазовой, металлургической промышленности, медицине, в системах контроля жизнеобеспечения в замкнутых объемах и др. Анализатор парамагнитных газов, в дальнейшем - анализатор, по принципу действия является термомагнитным газоанализатором, в котором в анализируемом газе, проходящем по камере анализатора, расположенной в зоне неоднородного магнитного поля, создается градиент магнитной восприимчивости парамагнитного газа в анализируемой среде за счет нагрева части анализируемого газа. Нагретый парамагнитный газ частично теряет свои магнитные свойства и выталкивается более холодным, в результате чего возникает движение газа, которое воспринимается, например, термочувствительным элементом, расположенным в камере анализатора и являющимся элементом моста, на выходе которого появляется напряжение, пропорциональное концентрации парамагнитного газа. Это явление носит название термомагнитной конвекции, а приборы, использующие этот метод, - термомагнитные. Известен анализатор парамагнитных газов - авторское свидетельство SU №1411652, М. Кл. G 01 N 27/72 «Анализатор парамагнитных газов», в котором используется термомагнитный метод с периодическим включением электромагнита, создающего импульсы магнитного поля в зазоре магнитной системы анализатора, в поле которого расположена рабочая камера анализатора с термочувствительными элементами, через которую проходит анализируемая газовая смесь.
Этот анализатор обладает высокой стабильностью нулевых показаний, но имеет ограниченную чувствительность и большое потребление энергии для создания магнитного поля в зазоре магнитопровода. Для того чтобы достичь высокой чувствительности, например получить диапазон измерения концентрации кислорода 0-0,5% об., необходимо создать напряженность магнитного поля в зазоре электромагнита порядка 1 Тл. При конструктивном зазоре порядка 8-10 мм между полюсами магнитопровода мощность, потребляемая электромагнитом, может достигать нескольких десятков Вт, что создаст недопустимый перегрев внутри анализатора, большие габаритные размеры и делает нерациональным применение такого анализатора.
Цель изобретения - уменьшение потребляемой мощности и повышение чувствительности и точности анализатора.
Эта цель достигается тем, что в анализаторе импульсное магнитное поле в камере анализатора в зоне расположения термочувствительных элементов создается путем периодического перемещения полюсов постоянного магнита с высокой энергией магнитного поля. Современные постоянные магниты на основе соединений «самарий-кобальт», «неодим-железо-бор» позволяют получать напряженность магнитного поля порядка 1 Тл и более в зазоре магнитопровода 8-10 мм при малых размерах магнитов. При этом для создания магнитного поля в зазоре не требуется затрат энергии и снижаются габаритные размеры устройств. Для периодического перемещения полюсов магнита требуется небольшая мощность порядка 2-3 Вт.
Применение постоянных магнитов с высокой энергией магнитного поля позволяет получать высокую напряженность магнитного поля в зазоре магнитопровода, что полностью исключает потребление энергии на создание магнитного поля и тем самым устраняет перегрев анализатора, повышает точность анализатора за счет устранения перегрева.
С целью повышения чувствительности анализатора в рабочей камере термочувствительные элементы измерительного моста расположены так, что при этом перемещении полюсов магнита в одном положении полюсов магнита в магнитном поле находится термочувствительный элемент(ы) одного из плеч измерительного моста, а термочувствительный элемент(ы) другого плеча находится вне магнитного поля. На чувствительный элемент(ы), расположенный в магнитном поле, действует термомагнитная конвекция, вызывающая появление на выходе измерительного моста напряжения одной полярности. После перемещения полюсов магнита в другое положение магнитное поле воздействует на термочувствительный элемент(ы) другого плеча измерительного моста, вызывая появление на выходе измерительного моста напряжения противоположной полярности, что вызывает увеличение амплитуды измерительного сигнала в два раза при текущей концентрации измеряемого парамагнитного газа и действующей напряженности магнитного поля в магнитной системе анализатора, чем достигается повышение чувствительности анализатора также в два раза. При отсутствии в анализируемом газе парамагнитного газа термомагнитная конвекция отсутствует и выходной сигнал с моста также отсутствует. При этом другие внешние воздействия не вызывают появления ложного сигнала, что обеспечивает функциональную стабильность нулевых показания и, следовательно, повышает точность анализатора.
На чертеже показана схема анализатора.
Анализатор содержит постоянный магнит 1 с полюсными наконечниками 2, 3, намагниченность магнита показана условно - полюс 2-"N", полюс 3 -"S", детали магнитопровода 4, 5, 6, образующие зазоры А и Б, термочувствительные элементы 7, 8, расположенные в немагнитной камере 9, через которую пропускают анализируемую газовую смесь, образующие с резисторами 10, 11 электрический мост, на выходе которого формируется измерительный сигнал. Анализатор содержит схему усиления и преобразования измерительного сигнала 12 и устройство индикации и регистрации сигнала 13, привод 14 магнита 1 с полюсными наконечниками 2, 3, устройство управления и питания 15, производящее управление приводом 14 и синхронизацию работы схемы усиления и преобразования сигналов 12.
Анализатор работает следующим образом.
Нагретые выше точки Кюри кислорода чувствительные элементы 7, 8 расположены в магнитном поле зазоров А и Б магнитопровода 4, 5, 6 в камере 9, через которую пропускают анализируемую газовую смесь, в зоне максимальной неоднородности магнитного поля. При замыкании магнитного потока магнита 1 через полюса 2 и 4 в зазоре А действует магнитное поле, а в зазоре Б магнитное поле отсутствует. При наличии в анализируемой среде парамагнитного газа на термочувствительный элемент 7 воздействует термомагнитная конвекция, вызывающая изменение его температуры, что приводит к появлению электрического сигнала с выхода моста одной полярности. При перемещении полюсов магнита 1 в другое положение магнитный поток замыкается через полюса 2 и 6, создает в зазоре Б магнитное поле а в зазоре А магнитное поле. отсутствует и, следовательно, термомагнитная конвекция воздействует на термочувствительный элемент 8, вызывающая появление с выхода моста электрического сигнала противоположной полярности, вследствие чего амплитуда выходного сигнала и следовательно, чувствительность анализатора увеличиваются в два раза. Полюс 3 магнита 1 постоянно имеет магнитный контакт с полюсом 5 магнитопровода, обеспечивая создание магнитного поля в зазорах А и Б. Периодическое перемещение полюса 2 магнита 1 к полюсам 4, 6 вызывает появление на выходе моста переменного низкочастотного напряжения, пропорционального концентрации измеряемого газа, которое поступает на устройство 12 усиления и преобразования сигнала и устройство 13 индикации и регистрации измерительного сигнала, пропорционального концентрации измеряемого газа. Привод 14 осуществляет периодическое перемещение полюса 2 магнита 1 из одного положения в другое к полюсам 4 и 6, создавая попеременно импульсы магнитного поля в зазорах А и Б. Управление приводом 14 и синхронизацию работы устройства преобразования сигнала 12 и питание измерительного моста осуществляет устройство управления и питания 15.
Стрелка 16 условно показывает периодическое перемещение полюса 2 магнита 1 к полюсам 4, 6. Направление подачи газа через камеру 9 условно показано стрелками «вход газа», «выход газа».