RU2503957C1 - Датчик для измерения концентрации компонентов газовой смеси - Google Patents
Датчик для измерения концентрации компонентов газовой смеси Download PDFInfo
- Publication number
- RU2503957C1 RU2503957C1 RU2012127052/28A RU2012127052A RU2503957C1 RU 2503957 C1 RU2503957 C1 RU 2503957C1 RU 2012127052/28 A RU2012127052/28 A RU 2012127052/28A RU 2012127052 A RU2012127052 A RU 2012127052A RU 2503957 C1 RU2503957 C1 RU 2503957C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- sensor
- concentration
- gas mixture
- sensitive element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Использование: для измерения концентрации компонентов газовой смеси. Сущность изобретения заключается в том, что датчик для измерения концентрации одного из компонентов газовой смеси содержит канал в корпусе с насадком на входе и звуковым соплом на выходе, термоанемометрическим чувствительным элементом в канале, в стенке которого имеется отверстие для измерения давления. Насадок выполнен сменным с постоянным или переменным диаметром канала по длине насадка, а в канале датчика дополнительно установлен термочувствительный элемент для измерения температуры смеси внутри канала, при этом концентрацию газовой смеси определяют по тарировочным зависимостям, полученным в контролируемых условиях. Сменный насадок может быть выполнен конической или обтекаемой цилиндрической формы, а также в виде переходника для соединения с замкнутым источником исследуемой газовой смеси. Технический результат: возможность измерения концентрации в потоках смесей с градиентом температуры. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Изобретение относится к аналитическому приборостроению, к измерительной технике, а именно к конструкциям датчиков для измерения концентрации компонентов газовой смеси.
Во многих практических приложениях имеется необходимость измерения концентрации компонентов газовой смеси. В основу создания датчиков концентрации положен тот факт, что изменение термодинамических характеристик газовой смеси оказывает влияние на теплообмен между газом и нагретым телом, помещенным в него. Суть этого метода заключается в использовании известного физического эффекта изменения электрического сопротивления нагретого чувствительного элемента, помещенного в движущуюся среду, из-за конвективных тепловых потерь, которые зависят от параметров потока, свойств и состава газа.
Известно устройство, применяемое в аналитическом приборостроении для измерения концентрации водорода, гелия, фреонов и других газов, коэффициент теплопроводности которых отличается от коэффициента теплопроводности воздуха (патент RU №2173454, МПК G01N 27/18, 2001). Термокондуктометрический газовый датчик содержит рабочую камеру, в которой установлены рабочий и сравнительный чувствительные элементы в виде пленочных терморезисторов, выполненных на диэлектрических подложках. Рабочий чувствительный элемент расположен между верхней и нижней стенками рабочей камеры и закреплен на нижней стенке с применением промежуточных вставок, а сравнительный чувствительный элемент расположен под рабочим чувствительным элементом. Между чувствительными элементами, а также между рабочим чувствительным элементом и верхней стенкой рабочей камеры образуются зазоры для доступа анализируемого газа через отверстия, выполненные в стенке рабочей камеры.
К недостаткам данного устройства следует отнести сложную конструкцию датчика, необходимость использования чистого газа в качестве опорного. Кроме того, необходимость поддержания высокой температурной стабильности и обеспечение малого расхода смеси в рабочей камере приводят к увеличению инерционности датчика.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является датчик для измерения концентрации смеси двух газов в сверхзвуковом потоке (статья «А concentration probe for the study of mixing in supersonic shear flows» T.A.Ninnemann and W.F.Ng, VA 24061-0238, Experiments in Fluids 13, 98-104, 1992). Датчик концентрации, описанный в статье (см. фиг.1 - прототип), представляет собой канал в корпусе 1 с коническим насадком 2 на входе и звуковым соплом 3 на выходе для поддержания постоянного числа Маха внутри канала. Внутри канала датчика установлен термоанемометрический чувствительный элемент 4. В стенке канала имеется дренажное отверстие 5 для подсоединения датчика давления. Благодаря острой передней кромке конического насадка 2 и низкому давлению на выходе датчика концентрации набегающий поток разделяется на внешнюю часть, проходящую через присоединенный скачок уплотнения а, и внутреннюю часть, проходящую через сам датчик (см. фиг.1). При этом давление потока восстанавливается в прямом скачке уплотнения b внутри датчика.
Для определения концентрации одного из газов смеси расчетным путем одновременно измерялись величины давления внутри датчика концентрации, электрического напряжения на термоанемометрическом чувствительном элементе и, независимо от них, температура потока вне датчика. Измерение первых двух величин обеспечивается с помощью указанных датчика давления и термоанемометрического датчика соответственно. Измерение температуры внутри данной конструкции датчика концентрации не предусматривалось, а при расчете концентрации использовалась температура набегающего потока, что приводит к погрешности определения состава газовой смеси при наличии градиента температуры в потоке.
Задачей предлагаемого технического решения является возможность измерения концентрации в потоках смесей с градиентом температуры.
Положительный результат достигается тем, что измерение температуры смеси производится с помощью термочувствительного элемента, дополнительно установленного внутри канала.
Технический результат достигается тем, что датчик для измерения концентрации одного из компонентов газовой смеси содержит канал в корпусе с насадком на входе и звуковым соплом на выходе, термоанемометрическим чувствительным элементом в канале, в стенке которого имеется отверстие для измерения давления. Согласно изобретению насадок выполнен сменным с постоянным или переменным диаметром канала по длине насадка, а в канале датчика дополнительно установлен термочувствительный элемент для измерения температуры смеси внутри канала, при этом концентрацию газовой смеси определяют по тарировочным зависимостям, полученным в контролируемых условиях. Сменный насадок может быть выполнен конической или обтекаемой цилиндрической формы, а также в виде переходника для соединения с замкнутым источником исследуемой газовой смеси.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг.1 - датчик концентрации (прототип); фиг.2 - предлагаемый датчик концентрации с дополнительным термочувствительным элементом 6; фиг.3 - сменный насадок выполнен цилиндрической обтекаемой формы; фиг.4 - сменный насадок выполнен в виде переходника для соединения с источником исследуемой газовой смеси; фиг.5 - пример тарировки датчика концентрации.
Согласно изобретению датчик концентрации (фиг.2) содержит аналогично прототипу канал в корпусе 1 с коническим насадком 2 на входе и звуковым соплом 3 на выходе, термоанемометрическим чувствительным элементом 4 в канале, в стенке которого имеется отверстие 5 для измерения давления. В отличие от прототипа внутри канала датчика дополнительно устанавливается термочувствительный элемент 6 для измерения температуры.
Входной участок датчика выполнен сменным в виде насадка различного типа: конического, для измерений концентрации компонентов газовой смеси в сверхзвуковом потоке (фиг.2), цилиндрического обтекаемой формы, для измерений концентрации компонентов газовой смеси в дозвуковом потоке (фиг.3), в виде переходника, обеспечивающего соединение датчика с источником исследуемой газовой смеси (фиг.4).
Датчик для измерений концентрации компонентов газовой смеси работает следующим образом.
Через термоанемометрический чувствительный элемент пропускается электрический ток, что приводит к его нагреву. Выделяемое при этом тепло отводится в поток смеси газов посредством конвективного теплообмена. Изменение условий теплообмена приводит к изменению электрического напряжения Е на чувствительном элементе 4. Потеря тепла на термоанемометрическом чувствительном элементе определяется параметрами течения газовой смеси: давлением р, температурой T, числом Маха М и концентрацией х. Следовательно, падение напряжения Е на чувствительном элементе может быть представлено в виде функциональной многопараметрической зависимости Е=Е(х, р, Т, М). В итоге, для определения концентрации х одного из компонентов смеси газов с помощью датчика концентрации необходимо знать электрическое напряжение Е на термоанемометрическом чувствительном элементе, давление р, температуру Т и число Маха М потока внутри канала. Эти величины измеряются во время эксперимента, а число Маха определяется внутренней геометрией канала.
Благодаря измерению температуры газовой смеси с помощью термочувствительного элемента стало возможным представление взаимосвязи величин Е, х, р, Т, М в критериальной форме Nu=Nu(x, Re), где Nu - число Нуссельта, Re - число Рейнольдса.
Произведя измерения Е, р, Т, при известном М, можно определить концентрацию одного из компонентов газовой смеси, используя универсальные тарировочные зависимости, полученные в контролируемых условиях для известных значений концентрации. Пример такой зависимости показан на фиг.5.
Пример. С помощью предлагаемого датчика (фиг.2) было проведено тестовое измерение концентрации гелия в воздушно-гелиевой смеси, содержащейся в некоторой емкости. Концентрация гелия задавалась по парциальным давлениям гелия и воздуха с высокой точностью. В тестовом эксперименте она составляла 0,140±0,002. Затем при нескольких значениях давления данной смеси с помощью датчика определялась концентрация гелия (фиг.5). Полученные значения х равнялись 0,135±0,005.
Источники информации
1. Патент RU№2173454, МПК G01N 27/18, 2001.
2. Т.A.Ninnemann and W.F. Ng, A concentration probe for the study of mixing in supersonic shear flows. Experiments in Fluids 13, 98-104, 1992 - прототип.
Claims (3)
1. Датчик для измерения концентрации компонентов газовой смеси, содержащий канал в корпусе с насадком на входе и звуковым соплом на выходе, термоанемометрическим чувствительным элементом в канале, в стенке которого имеется отверстие для измерения давления, отличающийся тем, что насадок выполнен сменным с постоянным или переменным диаметром канала по длине насадка, а в канале датчика дополнительно установлен термочувствительный элемент для измерения температуры смеси внутри канала, при этом концентрацию газовой смеси определяют по тарировочным зависимостям, полученным в контролируемых условиях.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что сменный насадок выполнен обтекаемой цилиндрической формы.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что сменный насадок выполнен в виде переходника для соединения с источником исследуемой газовой смеси.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012127052/28A RU2503957C1 (ru) | 2012-06-27 | 2012-06-27 | Датчик для измерения концентрации компонентов газовой смеси |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012127052/28A RU2503957C1 (ru) | 2012-06-27 | 2012-06-27 | Датчик для измерения концентрации компонентов газовой смеси |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2503957C1 true RU2503957C1 (ru) | 2014-01-10 |
Family
ID=49884784
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012127052/28A RU2503957C1 (ru) | 2012-06-27 | 2012-06-27 | Датчик для измерения концентрации компонентов газовой смеси |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2503957C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU941896A1 (ru) * | 1980-10-16 | 1982-07-07 | Московский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Серго Орджоникидзе | Устройство дл измерени концентраций в потоке газовой смеси |
WO1994015206A1 (de) * | 1992-12-23 | 1994-07-07 | Robert Bosch Gmbh | Sensor zur bestimmung von gaskomponenten und/oder von gaskonzentrationen von gasgemischen |
RU2173454C2 (ru) * | 1999-06-01 | 2001-09-10 | ООО Научно-производственная фирма "РОДОС" | Термокондуктометрический газовый датчик |
-
2012
- 2012-06-27 RU RU2012127052/28A patent/RU2503957C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU941896A1 (ru) * | 1980-10-16 | 1982-07-07 | Московский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Серго Орджоникидзе | Устройство дл измерени концентраций в потоке газовой смеси |
WO1994015206A1 (de) * | 1992-12-23 | 1994-07-07 | Robert Bosch Gmbh | Sensor zur bestimmung von gaskomponenten und/oder von gaskonzentrationen von gasgemischen |
RU2173454C2 (ru) * | 1999-06-01 | 2001-09-10 | ООО Научно-производственная фирма "РОДОС" | Термокондуктометрический газовый датчик |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
T.A. Ninnemann, W.F. Ng, A concentration probe for the study of mixing in supersonic shear flows, Experiments in Fluids, 13, 98-104, 1992. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI635258B (zh) | 具有用於流體成份補償之微機電系統熱流感測器及用於量測一流體之流率之方法 | |
Corrsin | Extended Applications of the Hot‐Wire Anemometer | |
US5339695A (en) | Fluidic gas flowmeter with large flow metering range | |
US20190060591A1 (en) | Device, system and method for thermal capnography | |
US20150316401A1 (en) | Thermal, flow measuring apparatus and method for determining and/or monitoring flow of a medium | |
US3167956A (en) | Calorimetric probe | |
Kliche et al. | Sensor for gas analysis based on thermal conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity | |
Laurantzon et al. | A flow facility for the characterization of pulsatile flows | |
Darisse et al. | Investigation of passive scalar mixing in a turbulent free jet using simultaneous LDV and cold wire measurements | |
RU2503957C1 (ru) | Датчик для измерения концентрации компонентов газовой смеси | |
Ding et al. | Experimental and numerical studies on self-excited periodic oscillation of vapor condensation in a sonic nozzle | |
Arevalo et al. | Simulation of thermal transport based flow meter for microfluidics applications | |
Yang | Experimental and numerical analysis of gas forced convection through Microtubes and Micro Heat Exchangers | |
RU2743511C1 (ru) | Поточный способ для измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей с помощью щелевого сужающего устройства | |
Wehbi et al. | Heat transfer based flowmeter for high temperature flow rate measurements: Design, implementation and testing | |
RU2737243C1 (ru) | Поточный прибор для измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей с помощью щелевого сужающего устройства | |
RU2455618C1 (ru) | Устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу | |
Kurtulus et al. | Forces Acting on and Flow Behind a Sphere | |
RU2548123C1 (ru) | Способ измерения параметров газовых и жидких сред | |
Hewes | Development of an interference probe for the simultaneous measurement of turbulent concentration and velocity fields | |
Dhahad et al. | Digital Flow Rate Measurement System Design for Minichannel based on Cross Correlation Technique | |
Koshelev et al. | Simulation of a Gas Flow Sensor Based on ThinFilm Thermistor Elements Taking into Account the Effect of Thermal Correction | |
US3498126A (en) | Apparatus for measuring the enthalpy of high temperature gases | |
Nimbalkar | Quantitative observations on multiple flow structures inside Ranque Hilsch vortex tube | |
Medvescek et al. | Calibration of a Wall-Shear-Stress Sensor Made of a Flush-Mounted Hot-Wire Over a Shallow Rectangular Slot |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150628 |