RU2441228C2

RU2441228C2 - Gas analyser measurement system for oxygen in gaseous mixture

Info

Publication number: RU2441228C2
Application number: RU2007143123/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Васильевич Рязанов (RU); Алексей Васильевич Рязанов; Сергей Владимирович Антонов (RU); Сергей Владимирович Антонов; Александр Николаевич Докичев (RU); Александр Николаевич Докичев
Original assignee: Алексей Васильевич Рязанов
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2012-01-27
Also published as: RU2007143123A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: gas analyser measurement system has one pair of magnetic and one pair of false poles. The false poles are tips made from nonmagnetic material, having a shape similar to magnetic tips in the working space. Near the magnetic and false poles there is a working and a comparative sensitive element. According to the invention, the magnetic and false poles lie horizontally. Each sensitive element is a micro-spiral made from cast micro-wire with conductor diameter of 10-12 mcm in a high-thermal insulation, where the spiral is wound such that the insulation of the windings is fused. The sensitive element is mounted on the base of the chamber opposite the gap between the tips of magnetic poles such that its spiral lies inside the gap on the axial line at a distance of 0.3-0.5 mm from the inner edge of the tips of magnetic poles, and the comparative sensitive element is placed symmetrical to the working sensitive element such that its spiral lies in the gap of the tips of the false poles on the axial line at distance of 0.3-0.5 mm from their outer edge. The tips of the magnetic and false poles lie symmetrically. The tips of the poles lie on the outer sides of the chamber of the measurement system.

EFFECT: reduced weight and size, reduced loss of energy and providing a linear relationship between the output signal and concentration of oxygen in the gaseous mixture.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерения концентрации газов в газовых смесях, то есть к датчикам, служащим для измерения концентрации кислорода.The present invention relates to the field of measuring the concentration of gases in gas mixtures, that is, to sensors used to measure the concentration of oxygen.

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.In the literature [Pavlenko V.A. Gas analyzers. M.-L.: Mechanical Engineering. 1965. pp. 72-93] describes devices designed to measure the concentration of oxygen in gas mixtures based on the magnetic susceptibility of oxygen, which exceeds the magnetic susceptibility of other gases by hundreds of times.

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.A known measuring system based on an annular chamber [Ibid p. 76 of Fig. 35]. The chamber is a hollow metal ring with a thin-walled glass tube installed in its diametrical channel. A platinum coil is wound on the tube, heated by electric current. A thin-walled tube with a platinum coil wound around it is a sensitive element. The spiral consists of two sections, one of which is placed between the poles of the magnet. The platinum wire sections are adjacent working arms of the DC measuring bridge. The other two shoulders are constant resistance.

Измерительные системы такого типа вследствие высокой тепловой инерции требуют длительного времени запуска, относительно низкую чувствительность, достаточно большие массогабаритные и энергетические характеристики.Due to the high thermal inertia, measuring systems of this type require a long start-up time, relatively low sensitivity, and sufficiently large weight and size and energy characteristics.

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.Closest to the proposed invention is a measuring system [Ibid p. 78, FIG. 38] comprising one or two pairs of magnetic poles and one or two pairs of false poles; false poles are tips made of non-magnetic material, having a shape in the working space similar to magnetic tips, and working and comparative sensitive elements are placed near the magnetic and false poles.

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%.The aim of the invention is to reduce weight and size characteristics, reducing energy consumption and ensuring a linear dependence of the output signal on the oxygen concentration in the gas mixture in the range of 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.The goal is achieved in that in a measuring system containing one pair of magnetic and one pair of false poles, the false poles are tips made of non-magnetic material having a shape in the working space similar to magnetic tips, the magnetic and false poles are arranged horizontally. At the base of the chamber, under the gaps of the tips of the magnetic and false poles, the working and comparative sensitive elements are rigidly fixed, so that the spiral of the working sensitive element is located inside the gap between the tips of the magnetic poles along the axial line at a distance of 0.3-0.5 mm from the outer edge of the tips, and the comparative sensitive the element is installed symmetrically to the worker in the gap of the tips of the false poles. Each sensitive element is a microcoil from a cast microwire with a core diameter of 10-12 μm in a highly thermal insulation 1-1.2 μm thick, the coil being wound so that the insulation of the coils during winding was fused. The tips of the magnetic and false poles are mounted symmetrically, with the tips of the poles mounted to the outer sides of the chamber of the measuring system.

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.Figure 1 shows a variant of the measuring system, which contains the camera of the measuring system 1, inside which the poles of the permanent magnets 2 and the false magnets 3 are rigidly fixed, the working sensing element 4 is fixed at the base of the chamber of the measuring system so that the spiral of the working sensing element is located in the gap of the tips magnetic poles 2 on the axial line at a distance of 0.3-0.5 mm from the outer edges of the tips. The comparative sensor 5 is installed symmetrically to the working sensor 4 at the base of the chamber of the measuring system 1 so that the spiral of the comparative sensor 5 is located in the gap of the tips of the false poles 3, on an axial line at a distance of 0.3-0.5 mm from the outer edges of the tips. Against the gaps of the magnetic poles 2 and the false poles 3, holes 6 are provided in the side walls of the chamber of the measuring system 1 for the passage of the gas mixture.

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.Figure 2 shows a sensitive element containing a transistor rack 7, containing a spiral 8, the ends of which are welded to the electrical terminals 9 of the transistor rack 7. The second ends of the electrical terminals 9 are used to connect the sensitive elements 4 and 5 to the electrical circuit of the gas analyzer.

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.Figure 3 shows a spiral 8 of the sensing elements 4 and 5, which is made of a microwire 10 with a core thickness of 10-12 μm, in a high-thermal insulation 11 with a thickness of 1-1.2 μm, and the insulation is fused when wound and forms an alloy weld 12.

Для подключения чувствительных элементов 4 и 5 к электрической схеме их соединяют последовательно.To connect the sensitive elements 4 and 5 to the electrical circuit they are connected in series.

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.The measuring system operates as follows. To the free electrical terminals 9 of the transistor racks 7 voltage is applied. In this case, the spiral 8 of the sensing elements 4 and 5 are heated to a temperature of 200-250C °. If there is oxygen in the gas medium, then under the influence of the magnetic field created by the permanent magnets 2, oxygen is drawn in in the direction of the magnetic field intensity drop through the hole 6 in the side wall of the chamber of the measuring system 1. The movement of oxygen in the magnetic field cools the spiral 8 of the working sensing element 4 , which leads to a change in its ohmic resistance, which does not happen with the comparative sensitive element 5. A change in ohmic resistance leads to a change in the voltage drop yazheniya desktop sensing element 4, which is proportional to the oxygen concentration in the gas mixture. Sensitive elements 4 and 5 can be connected in a bridge circuit using additional elements. In this case, the bridge is balanced on pure nitrogen. The mismatch of the bridge in the presence of oxygen in the gas mixture is proportional to its concentration.

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].Feasibility due to the fact that the spiral of the working and comparative sensitive elements has an ohmic resistance of 30-32 Ohms, in contrast to the prototype, which has a resistance of 40 Ohms [Ibid p. 77] and, therefore, requires less energy to heat the spirals to a temperature of 200-250 ° C. In addition, the spiral of the proposed sensing element actually has a point shape, which allows you to set it to a point of the magnetic field, where the maximum product of the magnetic field strength and the first derivative of the intensity over distance is reached, therefore, the maximum force of thermomagnetic convection is achieved, which, causing the movement of oxygen, contributes to more cooling of the spiral of the working sensing element. This circumstance indicates an increase in the sensitivity of the measuring system, ceteris paribus. The location of the point of the magnetic field at which the maximum product of the magnetic field strength and the first derivative of the field strength with respect to distance is reached was detected by computer simulation. In addition, this circumstance allows the use of permanent magnets of smaller physical dimensions as magnetic poles, which helps to reduce the overall dimensions of the measuring system. With a horizontal arrangement of magnetic and false poles and the indicated arrangement of sensitive elements, linear characteristics of the dependence of the output signal on the concentration of oxygen in the gas mixture in the range of 0-100% were experimentally obtained unlike the characteristics of the measuring system [Ibid. P. 80 of Fig. 40].

Claims

A gas analyzer measuring system containing one pair of magnetic and one pair of false poles, the false poles are non-magnetic material tips having a shape similar to magnetic tips in the working space, working and comparative sensitive elements are placed near the magnetic and false poles, characterized in that the magnetic and false poles are located horizontally, each sensitive element is a microcoil from a cast microwire with a core diameter of 10-12 microns in high temperature insulation, and the spiral is wound so that the insulation of the coils is fused, the working sensing element is mounted at the base of the chamber opposite the gap between the tips of the magnetic poles so that its spiral is located inside the gap along the center line at a distance of 0.3-0.5 mm from the outer edge of the tips of the magnetic poles and the comparative sensitive element is installed symmetrically to the worker so that his spiral is located in the gap of the tips of the false poles along the axial line at a distance of 0.3-0.5 mm from their outer edge, the tip and magnetic and false poles are mounted symmetrically, with the tips of the poles located to the outer sides of the chamber of the measuring system.