ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА

Изобретение относится к области измерительной техники газового анализа и может быть использовано для определения концентрации кислорода в различных газовых средах.
Из уровня техники известна измерительная система газового анализа, содержащая кольцевую камеру с платиновой спиралью в качестве чувствительного элемента [Павленко В.А. Газоанализаторы. М. - Л.: Машиностроение. 1965. стр. 76, Фиг. 35]. Кольцевая камера представляет собой полое металлическое кольцо, в диаметральном канале которого установлена тонкостенная стеклянная трубка. На поверхность трубки намотана платиновая спираль, нагреваемая электрическим током. Трубка со 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. Измерительная система такого типа вследствие высокой тепловой инерции требует длительного времени запуска, низкую чувствительность, большие массогабаритные характеристики.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению в качестве прототипа является измерительная система, которая содержит полый корпус с входным и выходным отверстиями, пару магнитных полюсов постоянного магнита и пару немагнитных полюсов, рабочий и сравнительный чувствительные термоэлектрические элементы, которые размещены между полюсами постоянного магнита и между немагнитными полюсами соответственно, магнитные полюсы постоянного магнита расположены горизонтально вокруг осевой линии входного отверстия полого корпуса, немагнитные полюсы расположены горизонтально вокруг осевой линии выходного отверстия полого корпуса, рабочий и сравнительный чувствительные термоэлектрические элементы соединены между собой по мостовой схеме в одно плечо, в другое плечо которой включены переменный и постоянный резисторы, к одной диагонали мостовой схемы подключены клеммы источника электрического питания, к другой диагонали мостовой схемы подключены электрические выводы измерителя концентрации кислорода. Каждый чувствительный термоэлектрический элемент, представляет собой микроспираль, собранную из литого платинового микропровода с диаметром жилы 10-12 мкм в высокотермической кварцоидной оболочке, толщиной 0,1-0,2 мкм. Причем спираль намотана так, чтобы изоляция витков была сплавлена, рабочий чувствительный термоэлектрический элемент укреплен в основании полой камеры напротив зазора между наконечниками магнитных полюсов так, что его спираль расположена внутри зазора по осевой линии входного отверстия на расстоянии 0.3-0.5 мм от внешнего края наконечников магнитных полюсов, а сравнительный чувствительный термоэлектрический элемент установлен аналогично рабочему термоэлектрическому элементу так, что его спираль расположена в зазоре наконечников немагнитных полюсов по осевой линии относительно выходного отверстия на расстоянии 0.3-0.5 мм от их внешнего края [Патент RU 2441228 С2, G01N 27/72, 2007].
Недостатком прототипа является нежелательная зависимость выходного измеренного сигнала от температуры газовой смеси, что снижает достоверность и точность измерения концентрации кислорода в газовой смеси.
Технической задачей изобретения является повышение объективной результативности определения концентрации кислорода в широком диапазоне температур газовой смеси.
Технический результат изобретения состоит в том, что повышается достоверность и точность измерения концентрации кислорода в широком диапазоне температур измеряемой газовой смеси.
Сущность изобретения заключается в том, что, кроме известных и общих существенных отличительных признаков, которые характеризуются тем, что измерительная система концентрации кислорода содержит полый корпус с входным и выходным отверстиями, пару магнитных полюсов постоянного магнита и пару немагнитных полюсов, рабочий и сравнительный чувствительные термоэлектрические элементы, которые размещены между полюсами постоянного магнита и между немагнитными полюсами соответственно, магнитные полюсы постоянного магнита расположены горизонтально вокруг осевой линии входного отверстия полого корпуса, немагнитные полюсы расположены горизонтально вокруг осевой линии выходного отверстия полого корпуса, рабочий и сравнительный чувствительные термоэлектрические элементы соединены между собой по мостовой схеме в одно плечо, в другое плечо которой включены переменный и постоянный резисторы, к одной диагонали мостовой схемы подключены клеммы источника электрического питания, к другой диагонали мостовой схемы подключены электрические выводы измерителя концентрации кислорода, в предлагаемом измерителе концентрации кислорода в электрическую цепь плеча мостовой схемы с рабочим чувствительным термоэлектрическим элементом включены двухпозиционный переключатель и постоянный резистор с возможностью отключать рабочий чувствительный термоэлектрический элемент и подключать вместо него постоянный резистор для учета текущего значения температуры газовой смеси при коррекции измеренной концентрации кислорода в газовой среде.
Новизна изобретения состоит в том, что в электрическую цепь плеча мостовой схемы с рабочим чувствительным термоэлектрическим элементом включены двухпозиционный переключатель и постоянный резистор с возможностью отключать рабочий чувствительный термоэлектрический элемент и подключать вместо него постоянный резистор для учета текущего значения температуры газовой смеси при коррекции измеренной концентрации кислорода в газовой среде, что обеспечивает повышение достоверности и точности измерения концентрации кислорода в широком диапазоне температур измеряемой газовой смеси.
Перечень используемых фигур:
фиг. 1 - функциональная схема измерителя концентрации кислорода;
фиг. 2 - рабочий и сравнительный чувствительные термоэлектрические элементы;
фиг. 3 - спираль рабочего и сравнительного чувствительных термоэлектрических элементов;
фиг. 4 - электрическая схема измерителя концентрации кислорода.
На фиг. 1, 2, 3 и 4 обозначено:
1 - полая камера измерителя концентрации кислорода (полая камера);
2 - полюсы N-S постоянного магнита;
3 - немагнитные полюсы;
4 - рабочий чувствительный термоэлектрический элемент;
5 - сравнительный чувствительный термоэлектрический элемент;
6 - входное и выходное отверстия для прохождения измеряемой газовой смеси;
7 - транзитная стойка;
8 - спираль;
9 - электрические выводы;
10 - микропровод, толщина которого не превышает 10-12 мкм;
11 - высокотермическая изоляция, толщина которой не превышает 1-1,2 мкм;
12 - сплавной шов;
13 и 14 - переменный (подстроечный) и постоянный резисторы;
15 - переключатель;
16 - постоянный резистор.
На фиг. 1 изображена функциональная схема измерителя концентрации кислорода, которая содержит полую камеру 1, внутри которой жестко закреплены полюсы N-S постоянного магнита 2 и немагнитные полюсы 3. Рабочий чувствительный термоэлектрический элемент 4 закреплен в основании полой камеры измерителя концентрации кислорода так, что спираль 8 рабочего чувствительного термоэлектрического элемента 4 расположена в зазоре между наконечниками магнитных полюсов 2 на осевой линии входного отверстия 6 на расстоянии 0,3-0,5 мм от внешних краев наконечников магнитных полюсов 2. Осевая линия входного и выходного отверстий 6 проходит вертикально через центр транзитной стойки 7 и на чертежах не показана. Сравнительный чувствительный термоэлектрический элемент 5 установлен диаметрально противоположно рабочему чувствительному термоэлектрическому элементу 4 в основании камеры 1 так, что спираль 8 сравнительного чувствительного термоэлектрического элемента 5 расположена в зазоре между наконечниками немагнитных полюсов 3 на осевой линии выходного отверстия 6 на расстоянии 0,3-0,5 мм от внешних краев наконечников немагнитных полюсов 3. Между зазорами магнитных полюсов 2 и немагнитных полюсов 3 в боковых стенках полой камеры 1 измерителя концентрации кислорода выполнены входное и выходное отверстия 6 для прохождения через них измеряемой газовой смеси.
На фиг. 2 изображен рабочий чувствительный термоэлектрический элемент 4, содержащий транзитную стойку 7 и спираль 8, один конец которой приварен к электрическим выводам 9 транзитной стойки 7, а другой конец электрических выводов 9 служит для подключения рабочего и сравнительного чувствительных термоэлектрических элементов 4 и 5 к электрической схеме измерителя концентрации кислорода.
На фиг. 3 изображена спираль 8 рабочего и сравнительного чувствительных термоэлектрических элементов 4 и 5, которая выполнена из микропровода 10 с толщиной жилы 10-12 мкм в высокотермической изоляции 11 с толщиной 1-1,2 мкм, причем высокотермическая изоляция сплавлена при намотке микропровода 10 и образует сплавной шов 12.
вых
На фиг. 4 представлена электрическая схема измерителя концентрации кислорода, где рабочий и сравнительный чувствительные термоэлектрические элементы 4 и 5 соединены по мостовой схеме, а полезный информационный сигнал U снимается с одной диагонали моста, к другой диагонали моста подключен источник электрического питания. Двухпозиционный переключатель 15 позволяет заменить рабочий чувствительный термоэлектрический элемент 4 на постоянное сопротивление 16. В противоположные плечи измерительного моста включены переменный 13 и постоянный 14 резисторы.
Измерительная система концентрации кислорода работает следующим образом.
вых
Перед измерением концентрации кислорода в газовой смеси двухпозиционный переключатель 15 переводится в положение, связанное с постоянным сопротивлением 16, что позволяет измерить температуру газовой смеси. При переключении двухпозиционного переключателя 15 в положение, электрически связанного с рабочим чувствительным термоэлектрическим элементом 4. производится измерение концентрации кислорода в газовой среде. При этом спирали 8 рабочего и сравнительного чувствительных термоэлектрических элементов 4 и 5 нагреваются до температуры 200-250°C. Если в газовой среде есть кислород, то под действием магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 2, молекулы кислорода втягиваются через входное отверстие 6, расположенное в боковой стенке полой камеры 1 измерителя концентрации кислорода в направлении падения напряженности магнитного поля. Движение молекул кислорода в магнитном поле способствует охлаждению в первую очередь спирали 8 рабочего чувствительного термоэлектрическою элемента 4, что приводит к изменению его омического сопротивления, чего не происходит сразу с омическим сопротивлением сравнительного чувствительного термоэлектрического элемента 5. Изменение омического сопротивления спирали 8 рабочего чувствительного термоэлектрического элемента 4 приводит к изменению падения напряжения на рабочем чувствительном термоэлектрическом элементе 4, которое пропорционально концентрации кислорода в газовой смеси. Первоначальная балансировка моста проводится в присутствии чистого азота с помощью переменного резистора 13. Рассогласование моста при наличии кислорода в газовой смеси пропорционально его концентрации. Выходное напряжение U мостовой схемы корректируется с учетом температуры газовой среды, которая была измерена на начальной стадии измерения концентрации кислорода.
вых
Спираль 8 рабочего 4 и сравнительного 5 чувствительных термоэлектрических элементов имеет омическое сопротивление 30-32 Ом при температуре 20-25°C, кроме того, спираль 8 рабочего чувствительного термоэлектрического элемента 4 фактически имеет малые габаритные размеры (точечную форму), что позволяет установить ее в такую точку магнитного поля постоянного магнита 2, где достигается максимум произведения напряженности магнитного ноля на первую производную напряженности по расстоянию. Следователь но, достигается максимальное значение силы термомагнитной конвекции, которая, вызывая движение молекул кислорода, способствует большему охлаждению спирали 8 рабочего чувствительного термоэлектрического элемент а 4. Данное обстоятельство свидетельствует об увеличении чувствительности измерителя концентрации кислорода при прочих равных условиях. Местоположение точки магнитного поля, в которой достигается максимум произведения напряженности магнитного ноля 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 измерителя концентрации кислорода. При горизонтальном расположении магнитных 2 и немагнитных 3 полюсов и указанном расположении рабочих 4 и сравнительных 5 чувствительных термоэлектрических элементов экспериментально получены линейные характеристики зависимости выходного сигнала U измерителя концентрации кислорода от концентрации кислорода в газовой смеси в диапазоне 0-100% с высокой достоверностью и точностью.
Промышленная осуществимость изобретения обосновывается тем, что в нем использованы известные в аналоге и прототипе узлы и элементы по своему прямому известному назначению. В организации - заявителе изготовлена действующая модель измерителя концентрации кислорода в 2015 году.
Положительный эффект от использования изобретения состоит в том. что повышается не менее чем на 10-15% достоверность и точность измерения концентрации кислорода в широком диапазоне температур измеряемой газовой смеси.