книги из ГПНТБ / Кислородные магнитные газоанализаторы (зарубежный обзор)
..pdf
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ
И МАШИНОСТРОЕНИЮ ПРИ ГОСПЛАНЕ СССР |
|
_______________________________'• Oj»4. . |
, |
... "A.L.C...*.ДЦ, Д'Д'**$
553.27.002.56(73) + (420) + + (44) (430—11) (430—15).
КИСЛОРОДНЫЕ МАГНИТНЫЕ
ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ
(ЗАРУБЕЖНЫЙ ОБЗОР)
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОМЫШЛЕННОСТИ
И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ
Москва |
1963 г. |
f |
r u c . ПУБЛИЧНАЯ |
|
|
i нАУчн-тех».*1чсскАЯ |
л \р ? |
||
I |
ВИВЛИО*Ён* СССР |
|
|
|
|
|
|
|
S |
& |
Щ |
|
|
||
Гоа. публсчй*:!' J
/чио - техник ■к.'д.ч
л о л и о т э к й < СОР
ЭКЗГМПЛ'1^ . .
ГАЛЬНОГ^ О " 1* ■
т у - |
А Н Н О Т А Ц И Я |
|
В брошюре дан обзор зарубежных конструкций автома тических магнитных газоанализаторов на кислород. Рассмот рены измерительные схемы и конструкции датчиков магнит ных кислородомеров, выпускаемых фирмами США, Англии.
L . Франции, ФРГ и ГДР, приведены основные технические ха рактеристики приборов.
130^
|
|
ТС-15 |
|
|
|
|
|
|
Составитель Е. А. Заеи |
|
|
|
|
Редактор канд. техн. наук В. И. Лошак |
Техн. редактор Э. М. Прейс |
|||||
Редактор ЦИНТИ Э. В. Лескова |
Корректор Н. И. Сударикова |
|||||
Т-04267. |
К печати |
10/IV-63 г. |
Объем 3 п. л., уч.-изд. л. 2,89 |
|||
Формат 60x92'/ie. |
Тираж 2000. |
Цена 31 к. |
Подписное. |
Зак. |
281 |
|
Тип. |
ЦИНТИПРИБОРЭЛЕКТРОПРИБОР. Москва, Е-123, 2-й |
Плехановский |
туп., |
12 |
||
В последнее десятилетие в металлургической, химической отраслях промышленности, при производстве кислорода и инерт ных газов* анализе отходящих газов котельных топок и печей, а также при анализе воздуха для непрерывного измерения кон центрации кислорода широкое применение нашли автоматиче ские магнитные газоанализаторы, действие которых основано на использовании парамагнетизма молекул кислорода.
Из всех газов кислород обладает наиболее резко выражен ными парамагнитными свойствами, отличающими его от всех других газов. Вследствие значительного превосходства величи ны удельной магнитной восприимчивости кислорода в сравне нии с другими газами магнитная восприимчивость кислородосо держащей смеси практически однозначно связана с содержанием в ней кислорода независимо от соотношения других компонен
тов.
Имеется .несколько методов измерения магнитной восприим чивости газовой смеси, базируясь на которых созданы различ ные типы автоматических магнитных газоанализаторов на кис лород. По принципу действия эти газоанализаторы можно раз делить на две большие группы: термомагнитные и магнитомеха нические.
ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ
Объемная магнитная восприимчивость парамагнитных газов выражается уравнением:
х = X d = X- |
РМ |
’ |
О) |
|
RT |
|
где X — удельная магнитная восприимчивость, d — плотность,
Р— давление,
М— молекулярный вес, R — газовая постоянная,
Т — абсолютная температура.
Удельная магнитная восприимчивость определяется соотно шением закона Кюри:
(2)
где С — константа Кюри, Т — абсолютная температура.
Подставляя в уравнение (1) значение X из уравнения (2), получаем следующее выражение для определения объемной маг нитной восприимчивости парамагнитных газов:
х |
СМ |
_Р_ |
(3) |
|
R |
' Т г |
|||
|
|
Эта обратно пропорциональная зависимость между объем ной магнитной восприимчивостью и температурой кислорода ис пользуется при создании термомагнитных кислородных газоана лизаторов.
Датчик газоанализатора состоит из нагревательных элемен тов, расположенных в неоднородном магнитном поле. Проходя вблизи этих элементов, кислородосодержащая смесь нагревает ся. С повышением температуры смеси снижается ее магнитная восприимчивость и нагретый газ выталкивается из зоны силь ного магнитного поля холодными слоями газовой смеси. В по стоянном неоднородном магнитном поле вблизи нагревательный
элементов возникает конвективный поток кислородосодержащей смеси, называемый термомагнитной конвекцией («магнитный ве тер»). Изменение концентрации кислорода в смеси изменяет ве личину термомагнитной конвекции, а> следовательно, и степень охлаждения нагревательных элементов и их электрическое со противление.
Таким образом, значение электрического сопротивления на гревательного элемента является мерой содержания кислорода в анализируемой смеси. При включении нагревательных (чувст вительных) элементов в схему электрического моста измерение содержания кислорода сводится к измерению напряжения в диа гонали этого моста. Возникающее в измерительном мосте на пряжение разбаланса подается на вторичный прибор, градуиро ванный в объемных процентах кислорода.
Нагревательные элементы изготовляются обычно из чистой платины, обладающей высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления.
Интенсивность термомагнитной конвекции, обусловленная ве личиной объемной магнитной восприимчивости кислорода, за висит от температуры и давления кислородосодержащей сме си.
Число парамагнитных молекул кислорода в единице объема пропорционально давлению смеси и определяет величину объ емной магнитной восприимчивости смеси. Таким образом, изме нения давления влияют на интенсивность термомагнитной кон векции аналогично изменению концентрации кислорода в смеси.
Имеется несколько конструктивных решений датчиков термо магнитных газоанализаторов: в одних — газовая смесь проте кает внутри трубки с нагревательной обмоткой («кольцевые ка меры» с термоанемометрами), в других — чувствительные эле менты омываются анализируемым газом.
ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ С «КОЛЬЦЕВЫМИ КАМЕРАМИ»
Термомагнитные газоанализаторы с датчиками в виде «коль цевой камеры» (рис. 1, 2) конструктивно наиболее просты.
По диаметру кольцевой камеры (см. рис. 1) горизонтально располагается термоанемометр — тонкостенная стеклянная труб ка с намотанной на нее платиновой спиралью, состоящей из двух секций, образующих два плеча измерительного моста. Оддо плечо находится в магнитном поле постоянного подковооб разного магнита, что обусловливает неодинаковые условий ох лаждения секций спирали при протекании по стеклянной трубке кислородосодержащей газовой смеси.
Газовая смесь поступает в камеру в вертикальном направ лении и проходит по кольцу камеры. При наличии в смеси кис лорода газ втягивается в трубку, нагревается, а затем выталки вается из магнитного поля более холодной смесью, поступающей
в
в камеру. Таким образом, в поперечном канале создается непрерывный поток газа («маг нитный ветер») от магнитного конца канала к немагнитному. При этом первый чувствитель ный элемент (первая по ходу газа секция спирали), распо ложенный в магнитном поле, охлаждается, а второй чувст вительный элемент нагревает ся уже подогретыми слоями газа. Электрическое сопротив ление чувствительных элемен тов меняется и возникает раз баланс моста, пропорциональ ный содержанию кислорода в анализируемом газе.
Рис. 1. Принципиальная измеритель ная схема термомагнитных газоана лизаторов с кольцевой камерой
I — магнит; 2, 4 — чувствительные элемен ты; 3 — термоанемометр; 5 — кольцевая ка мера; 6—показывающий прибор; 7—источ ник питания; 8, 9 — постоянные электри
ческие сопротивления измерительного мо
ста; |
10 — реостат регулировки |
тока |
пита |
ния |
измерительного моста; 2, |
4, 8, |
9 — из |
|
мерительный мост |
|
|
При отсутствии парамагнитных компонентов в газовой сме си в термоанемометре потока нет, температура обеих секций спирали одинакова, разбаланс моста равен нулю.
Нулевая точка кольцевой камеры зависит также от угла на клона термоанемометра к горизонтали. При негоризонтальном положении в термоанемометре возникает поток свободной теп ловой конвекции, изменяющий тепловой режим чувствительных элементов и, следовательно, влияющий на величину разбаланса измерительного моста. Поэтому приборы с кольцевыми камера ми снабжаются уровнем для правильной установки на месте эксплуатации.
Чувствительность термомагнитных газоанализаторов с коль
цевой |
камерой неодинакова при |
измерении малых |
и |
больших |
|||||||
|
|
|
|
|
|
концентраций |
|
кислоро |
|||
|
|
|
|
|
|
да. |
В последнем |
случае |
|||
|
|
|
|
|
|
термомагнитная |
|
конвек |
|||
|
|
|
|
|
|
ция |
становится |
настоль |
|||
|
|
|
|
|
|
ко интенсивной, что ох |
|||||
|
|
|
|
|
|
лаждаются |
обе |
|
секции |
||
|
|
|
|
|
|
спирали, и величина раз |
|||||
|
|
|
|
|
|
баланса |
измерительного |
||||
Рис. 2. Принципиальная измерительная схе |
моста уменьшается. На |
||||||||||
ма термомагнитных |
газоанализаторов |
с |
ступает |
как |
бы |
|
явление |
||||
кольцевой камерой для измерения высоких |
насыщения. Для повыше |
||||||||||
|
концентраций |
кислорода |
4 — |
ния |
|
чувствительности |
|||||
/ — магнит; 2, 3 — чувствительные элементы; |
прибора |
при |
измерении |
||||||||
гермоанемометр; |
5 — кольцевая |
камера; 6 — пока |
|||||||||
постоянные электрические сопротивления измери |
высоких |
концентраций |
|||||||||
зывающий прибор; 7 — источник питания; 8, |
9 — |
|
|
|
|
|
|
||||
тельного |
моста; |
10 — реостат |
регулировки тока |
кислорода применяют ме |
|||||||
питания |
измерительного моста; |
2, 3, 8, 9 — изме |
тод |
«подавления» |
термо- |
||||||
|
|
рительный мост |
|
||||||||
7
магнитной конвекции противоположно направленным потоком свободной тепловой конвекции, для чего термоанемометр распо лагают вертикально (см. рис. 2).
В кольцевых камерах с вертикально расположенным термо анемометром навстречу потоку термомагнитной конвекции, дви гающейся сверху вниз, направлен поток тепловой конвекции. В зависимости от соотношения между потоками направление ре зультирующего потока может совпадать с направлением тер момагнитной или тепловой конвекции. Как в одном, так и в дру гом случае нуль прибора будет «подавлен», но влияние измене ния давления смеси будет значительным, так как плотность га зовой смеси влияет на величину обоих потоков.
При равенстве потоков термомагнитной и тепловой конвек ций результирующий поток равен нулю, т. е. движения газа в термоанемометре нет. Таким образом, нулевая точка кольце вой камеры является компенсирующей точкой, не зависящей от изменений атмосферного давления. Равенство указанных пото ков достигается либо изменением угла наклона трубки (регули рованием скорости потока тепловой конвекции), либо измене нием напряженности магнитного поля (регулированием скорос ти термомагнитной конвекции), либо изменением температур ных режимов чувствительных элементов.
Влияние изменения температуры окружающей среды на по казания газоанализаторов с кольцевой камерой обычно устра няют термостатированием датчика.
Недостатком газоанализаторов с кольцевой камерой являет ся их большая тепловая инерционность, необходимость дли тельного прогрева приборов перед запуском (1,5—4 ч) *.
Кроме того, жесткая связь чувствительных элементов с труб кой термоанемометра затрудняет электрическую компенсацию влияния изменений атмосферного давления и концентрации неизмеряемых компонентов в анализируемой смеси на показания приборов. Принудительно направленный поток термомагнитной конвекции в кольцевой камере чувствителен к наклону датчика,
что также ограничивает |
применение |
газоанализаторов этой |
||||
конструкции. |
|
|
|
|
|
|
ПРИБОРЫ, РАЗРАБОТАННЫЕ И ВЫПУСКАЕМЫЕ |
|
|||||
ФИРМАМИ АНГЛИИ, ФРАНЦИИ, ФРГ И ГДР |
|
|||||
Hartmann & Braun (ФРГ). |
Газоанализаторы |
«Magnos |
1» |
|||
и «Magnos 2» (модификация |
1957 г,) |
[16]. |
В |
отличие |
от |
|
«Magnos 1» кольцевая |
камера |
«Magnos 2» |
термостатирована |
|||
при 40 или 50°, что обеспечивает независимость показаний при бора от температуры окружающей среды, а также предотвраща ет конденсацию паров воды внутри камеры.
* Время прогрева датчика определяется временем достижения темпера туры термостатирования и установления теплового равновесия в термостати рованной системе.
8
«Magnos 1» и «Magnos 2» предназначены только для стацио нарных установок, так как термомагнитная конвекция в их коль цевых камерах направлена горизонтально и на показания при боров влияет угол наклона датчика и скорость протекания га зовой смеси через камеру.
Для устранения влияния изменения атмосферного давления на показания газоанализаторов (в зависимости от высоты мес та установки прибора над уровнем моря) предназначен ручной корректор.
«Magnos 2», обладающий высокой чувствительностью и ма лой инерционностью, применяется для автоматического регули рования наряду с другими модификациями газоанализаторов «Magnos», выпущенными в 1959—1960 гг., датчики которых построены по компенсационным схемам измерения.
Время начала реагирования газоанализаторов «Magnos 2» 6 сек, время запаздывания при изменении концентрации кисло рода на входе в камеру— 16 сек. Допустимые колебания ско рости протекания газовой смеси в камере + 15 л/ч.
Газоанализаторы «Magnos 1» и «Magnos 2» выпускаются на пределы измерения:
а) нулевые шкалы: 0 1 ; 0—2; 0—6; 0—10; 0—21; 0—50%
объемных кислорода;
б) безнулевые — 90—100; 95—100; 20—50; 70—100; 18—21%
объемных кислорода. В качестве вторичного прибора применяет ся миллиамперметр.
Jun Kalor (ГДР) [2]. Измерительная схема датчика термомаг нитных газоанализаторов представляет собой одинарный мост Уитстона, двумя плечами которого являются секции нагревате ля термоанемометра (рис. 3,4).
Для исключения влияния колебаний температуры измери тельная ячейка выполнена как единое конструктивное целое — блок чувствительных элементов вместе с магнитной системой датчика и нуль-потенциометром, встроенные в термостат. Термо стат — также отдельный конструктивный блок, замена которого не требует дополнительной юстировки прибора.
Температура термостатирования датчика +60°, что исключа ет влияние температуры окружающей среды на показания при бора.
Постоянство температуры в термостате поддерживается тер морегулятором — двухпозиционным регулятором с ртутным контактным термометром, связанным с тиратроном, анодный ток ко торого является источником питания нагревательных элементов термостата. Терморегуляторы работают на малом токе (сила то ка 8 мка), поэтому срок их службы довольно продолжителен.
Вследствие ограниченности величины анодного тока тира трона (применяется тиратрон типа S 1,3/0 iv) время прогрева массы магнитной системы датчика велико (около 3 ч).
9
