SU1157444A1

SU1157444A1 - Gas analyser

Info

Publication number: SU1157444A1
Application number: SU772536372A
Authority: SU
Inventors: Иван Николаевич Сапранков; Еген-Дурды Валиев
Original assignee: Физико-технический институт АН ТССР
Priority date: 1977-10-17
Filing date: 1977-10-17
Publication date: 1985-05-23

Abstract

ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий две катушки.индуктивности, размещенные на камере с анализируемой смесью, генератор питани одной из катушек индуктивности, блок подстройки коэффициента взаимной св зи катушек, и регистрирующий прибор, отличающийс тем, что, с целью повьшени чувствительности и точности измерений, он снабжен акустическим возбудителем, сопр женным с камерой, выполненной в виде акустического резонатора, и двум фазочувствительными усилител ми, при этом к сигнальному входу первого фазочувствительного усилител подключена втора катушка индуктивности , к его опорному входу - генератор питани : первой катушки, а к его выходу - блок подстройки коэффициента взаимной св зи катушек и сигнальньй вход второго усилител , опорный вход которого св зан с возбудителем посредством преобразовател акустических колебаний в злектрические, а его выход подключен к регистрирующему прибору, причем катушки ивдуктивности выполнены секционированными, а их секции размещены в пучност х акустической в олны.A GAS ANALYZER containing two coils. Inductances placed on a chamber with the analyzed mixture, a power generator of one of the inductors, a unit for adjusting the mutual coupling coefficient of the coils, and a recording device, characterized in that in order to increase the sensitivity and accuracy of measurements, it is equipped with an acoustic the causative agent associated with the camera, made in the form of an acoustic resonator, and two phase-sensitive amplifiers, while the signal input of the first phase-sensitive amplifier is connected The second inductance coil, to its reference input, is a power generator: the first coil, and to its output, a unit for adjusting the mutual coupling coefficient of the coils and a signal input of the second amplifier, whose reference input is connected to the exciter through an acoustic oscillation transducer, and its the output is connected to a recording device, the coils and inductances being made sectioned, and their sections are placed in the antinodes of the acoustic coil.

Description

CJ1CJ1

Изобретение относитс к средствам анализа веществ по их магнитным свойствам и, в частности, может быть использовано при определении концентрации свободного кислорода в продуктах сгорани .The invention relates to the analysis of substances by their magnetic properties and, in particular, can be used in determining the concentration of free oxygen in combustion products.

Известны различные устройства, предназначенные дл определени концентрации свободного кислорода в газовой среде. Наиболее предпочтительными вл ютс приборы, в основу работы которых положено использование зависимости магнитной проницаемости газа от его состава и, в основном , от концентрации в нем свобод него кислорода. Дл подавл ющего большинства газовых смесей, встречающихс в практике, магнитна проницаемость этих смесей пропорциональна концентрации свободного кислорода в нем. Это объ сн етс тем, что кислород , по сравнению с другими газами , обладает рко выраженными парамагнитными свойствами. Таким образом по значению магнитной проницаемости анализируемой смеси может быть определена концентраци в ней свободного кислорода. Определение магнитной проницаемости газовой смеси осуществл етс по измерению одной из физичес ких величин, однозначно св занной с магнитной проницаемостью исследуемой среды. Такими величинами вл ютс : магнитна индукци , индуктивность соленоида, объем которого заполнен исследуемой смесью, взаимна индуктивность между двум катушками, помещенными в исследуемую среду и т.д. lj.Various devices are known for determining the concentration of free oxygen in a gaseous medium. The most preferable are devices, which are based on the use of the dependence of the magnetic permeability of a gas on its composition and, mainly, on its free oxygen concentration. For the vast majority of gas mixtures encountered in practice, the magnetic permeability of these mixtures is proportional to the concentration of free oxygen in it. This is due to the fact that oxygen, in comparison with other gases, has pronounced paramagnetic properties. Thus, the concentration of free oxygen in it can be determined from the magnetic permeability of the analyzed mixture. The determination of the magnetic permeability of the gas mixture is carried out by measuring one of the physical quantities uniquely related to the magnetic permeability of the medium under study. These values are: magnetic induction, inductance of a solenoid, the volume of which is filled with the test mixture, mutual inductance between two coils placed in the test medium, etc. lj.

Наиболее близким техническим ре- . шением к изобретению вл етс устройство , содержащее две катушки индуктивности , размещенные на камере с анализируемой смесью, генератор питани одной из катушек индуктивности , блок подстройки коэффициента взаимной св зи катушек, и регистрирующий прибор. При этом одна из катушек выполнена подвижной относительно другой и снабжена механизмом перемещени , управл емого блоком автоматики таким образом, что ее положение относительно другой катушки соответствует срьгоу (или возбуждению ) автоколебаний генератора. Эти конструктивные элементы предназначены дл поддержани необходимогоThe closest technical re-. The invention provides a device comprising two inductors placed on a chamber with the mixture to be analyzed, a power generator of one of the inductors, a unit for adjusting the mutual coupling coefficient of the coils, and a recording device. In this case, one of the coils is made movable relative to the other and is equipped with a movement mechanism controlled by the automation unit in such a way that its position relative to the other coil corresponds to the spring (or excitation) of the oscillator self-oscillations. These structural elements are designed to maintain the necessary

коэффициента взаимной св зи между катушками 2),the coupling coefficient between the coils 2),

Недостатками известного устройства вл ютс низка чувствительность и точность измерений, обусловленные дрейфом нул измерений. Дрейф нул измерений обусловлен нестабильностью параметров системы.The disadvantages of the known device are low sensitivity and measurement accuracy due to zero measurement drift. Drift zero measurements due to instability of system parameters.

Цель изобретени - повьшение чуствительности и точности измерений.The purpose of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of measurements.

Эта цель достигаетс тем, что , газоанализатор снабжен акустическим возбудителем, сопр женным с камерой , выполненной в виде акустического резонатора, и двум фазочувствительными усилител ми, при этом к сигнальному входу первого фазочувствительного усилител подключена втора катушка индуктивности , к его опорному входу - генерато питани первой катушки, а к его выходу - блок подстройки коэффициента взаимной св зи катушек и сигнаный вход второго усилител ,опорный вход которого св зан с возбудителем посредством преобразовател акустических колебаний в электрические, а его выход подключен к регистрирующему прибору, причем катушки индуктивности выполнены секциониро .ванными, а их секции размещены в пучност х акустической волны.This goal is achieved by the fact that the gas analyzer is equipped with an acoustic exciter coupled to a chamber made in the form of an acoustic resonator and two phase-sensitive amplifiers, while the second inductance coil is connected to the signal input of the first phase-sensitive amplifier, its first input is the first power supply generator coils and, to its output, a unit for adjusting the mutual coupling coefficient of the coils and the signal input of the second amplifier, the reference input of which is connected to the exciter by means of an acus converter ble oscillations in power, while its output is connected to the recording device, the inductor formed .vannymi partitioned, and the sections are arranged in the x antinodes of the acoustic wave.

На чертеже изображена схема газоанализатора .The drawing shows a diagram of the detector.

Камера 1, заполн ема анализируемым газом, выполнена в виде акустического резонатора, сочлененного открытой торцовой частью е вихревым акустическим генератором 2. Часть мощности акустических колебаний с резонатора поступает на преобразователь 3 акустических колебаний в электрические. На акустическом резонаторе 1 в местах размещени пучностей акустических колебаний расположены секции катушки 4, которые подключены между собой согласованно , и питаютс от генератора 5 переменного тока.Chamber 1, filled with the analyzed gas, is made in the form of an acoustic resonator articulated by an open end part e by a vortex acoustic generator 2. A part of the power of acoustic oscillations from the resonator is supplied to the transducer 3 of acoustic oscillations into electrical ones. At the acoustic resonator 1, at the locations of the antinodes, there are located sections of the coil 4, which are interconnected together, and are powered by the alternator 5.

В этих же местах резонатора размещены секции приемной катушки 6, которые соединены встречно по отношению к р дом расположенным секци м этой же катушки. Катушка 6 подключена к сигнальному входу фазочувствительного усилител 7, к опорному входу которого подводитс сигнал с генератора 5. Выходной сигнал фазочувствительного усилите3 1 л 7 поступает на вход блока 8 подстройки коэффициента св зи между катушками 4 и 6 индуктивности, а также поступает на сигнальный вход второго фазочувствительного усилите л 9, опорным сигналом которого вл етс выходное напр жение преобразовател 3. К выходу второго фазо чувствительного усилител 9 подключен регистрирующий прибор 10. При продувании вихревого генератора 2 газом в нем возбуждаютс акустические (звуковые или ультразв ковые) колебани , передаваемые акус тическому резонатору 1, в котором устанавливаетс режим сто чих волн. Это приводит к тому, что в полости ре.зонатора наблюдаетс периодическое изменение локальной плотности исследуемого газа, которое происходит с частотой акустических колебаний . Этот факт можно отобразить в виде следующей зависимости j.,i.,(umcos x)c.s(2/7Fi.c/ ) , плотность газа в пространfx стве с текущей координатой р - средн плотность газа в резонаторе; m - коэффициент глубины модул ции, он пропорционален амплитуде сто чих акустических колебаний, т.е. его значение определ етс мощностью акустических волн; 1 F - длина волны и частота акус т .тических колебаний соответственно; Ifjj - начальна фаза. Поскольку магнитна Проницаемость газовой среды пр мо пропорциональна ее плотности, то в случае возбуждени в газовой среде акустической сто чей волны дл магнитной проницаемости газа, наход щегос в объеме с текущей координатой х, можно записать следующее выражение: «х N Ч -Ч -f- °Ч 0) Л где магнитна посто нна , равна 4 If- Ю- гн/м; |U- относительна магнитна про ницаемость исследуемого газа при его номинальных (средних дл всего объема резонатора) давлении и температуре . Эти выражени показывают, что в резонаторе , длина которого находитс .в кратном соотношении с длинойвозбужденной в нем акустической волны, уредненные значени плотности и магнитной проницаемости газа остаютс неизменными, в то врем как названные величины претерпевают вблизи пучностей волны значительные, периодические во времени, изменени . Приращени этих величин в р дом расположенных (смежных) пучност х волны нос т во времени противофазный характер . Это обсто тельство отражено на чертеже пунктирной косинусоидой. Таким образом, размеща в пучност х волны взаимосв занные секции катушек, можем наблюдать колебани коэффициентов взаимной св зи между секци ми катушек, так как они пр мо пропорциональны магнитной проницаемости среды объема, охватываемого этими секци ми. Причем одновременно с ростом коэффициента взаимной св зи секций одной группы будет наблюдатьс падение коэффициента св зи секций другой группы в полном соответствии с фазой колебаний сто чей волны в пучност х, соответствующих этим секци м . Использу четное количество идентичных секций и располага их равномерно в пучност х с синфазными и противофазными колебани ми,а также поставив в соответствие с ними фазировку секций катушек, можно достичь нулевого коэффициента взаимной св зи между катушками при отсутствии акустических колебаний. При возбуждении акустической волны дл коэффициента взаимной св зи может быть записано катушек К выражение .c.k ( где п - количество взаимосв занных секций катушек; Л К - амплитудное значение приращени коэффициента взаимной св зи изолированной секции . где Kjg j. - коэффициент взаимной св зи отдельных секций, - коэффициент, учитывающий эффективность использова ни пучностей волны; F - частота акустических кол баний . Подобна конструкци катушек поз вол ет (выражение 3) суммировать полезные сигналы отдельных секций и использовать высокочувствительные фазочувствительные усилители. Все эти особенности по сравнению с известным увеличивают чувствительность измерений на несколько пор дков , что позвол ет использовать пре лагаемое устройство дл анализа газов. Выделение информации о магнитных свойствах,а следовательно, и о концентрации парамагнитного газа в среде происходит следующим образом. При запитке одной из катушек переменным током в секци х другой катушки навод тс ЭДС взаимоиндукции . Поскольку секции приемной катушки попарно рассогласованы по отношению к секци м первичной катуш ки, то результирующа ЭДС в ней будет равна нулю при отсутствии акустических колебаний. При возбуждении акустических сто чих колебаний в св зи с периодическими отклонени ми коэффициента взаимной св зи катушек от нулевого значени (согласно выражению 3) на выходе по вит с сигнал разбаланса, который может быть записан в виде UBbix Ko(M-l)co5(27rFt;cos(2)/ i-fVp) ,(4 где К- - посто нна , учитывающа эффективность используемой конструкции, т.е. такие параметры, как т, п. /ЗК и подводимое от генератора напр жение Up. Таким образом, в амплитуде этого сигнала заложена информаци о концентрации парамагнитного газа. Дл ее вьщелени используютс два каска но включенных фазочувствительных усипител . На выходе первого из них будем иметь напр жение, дл которого можно написать выражение Uetixi N4()«27rFi , is где К - коэффициент передачи первого фазочувствительного усипител . Дл выходного напр жени второго фазочувствительного усилител ,которое подаетс на регистрирующий прибор , можно записать выражение 8ыx2 к2()5(lu-1j , (И где К - коэффициент передачи второго фазочувствительного усипител ; S - чувствительность газоанализатора к магнитной проницаемости газа. Выражение дл чувствительного газоанализатора может быть выражено через частные параметры системы . Учитьша , что значение относительной магнитной проницаемости дл газовых смесей незначительно отличаетс от единицы, т.е. (-1) 10 , дл реализации предлагаемого газоанализатора необходимо обеспечение высоких значений чувствительности. Это достигаетс увеличением подводимой мощности от генератора (и.. максимально допустимое, определ етс конструктивными особенност ми и экономическими соображени ми), числа секций (ограничено габаритами), коэффициента св зи секций катушек (кс.с.) (-у), мощности акустических колебаний (го), коэффициентов передачи К и К , которые ограничены уровнем собственных шумов и уровнем нескомпенсированного сигнала,который может наблюдатьс из-за расстройки баланса системы под вли нием старени элементов системы, изменени температуры окружающей среды и изменени ее магнитной проводимости. С целью компенсации дестабилизирующих факторов в предлагаемом газоанализаторе используетс автоматическа подстройка коэффициента взаимной св зи катушек. Действительно , разбаланс системы приводит к по влению посто нного напр жени на выходе первого фазочувствительного усилител , пол рность этого напр жени будет однозначно указывать на направление разбаланса. Воздействие этого напр жени на блок подстройки коэффициента св зи между 7 катушками приведет к тому, что блок отреагирует на наго таким образом, чтобы минимизировать этот разбаланс , т.е. автоматическа компенсаци разбаланса позвол ет использовать высокочувствительный измерительный тракт. Основной причиной увеличени чувствительности и точности измерений предлагаемого газоанализатора вл етс устранение его аддитивной погрешности, так как спектр информа тивной составл ющей о концентрации парамагнитного газа располагаетс в пределах частот (f + F) и (f - F), в то врем как спектр помехи, вызываемой нестабильностью элементов системы, занимает полосу частот в пределах f ±4f, где 4f 100 200 Гц, т.е. в этом газоанализаторе осуществл етс частотное разделение помехи и полезного сигнала с последующей фильтрацией помехи. Другим преимуществом газоанализатора вл етс высокое быстродейст вие, которое в основном ограничиваетс временем замещени газа в резо наторе, так как другие функциональные -узлы газоанализатора имеют зна48 ЩГтёльно меньшую инерционность. Снижение инерционности газоанализатора может производитьс за счет увеличени давлени подводимого газа, уменьшени объема резонатора и повышени частоты акустических колеба-. Таким образом, облада высокой чувствительностью и быстродействием, предлагаемый газоанализатор найдет широкое применение в промьшшенности , например в металлургии, при раскислении сплавов, в энергетике при управлении процессами горени в тепловых электростанци х и т.д. Газоанализатор можно сделать экономичным с точки зрени расхода исследуемого газа, дл этого в качестве возбудител акустических волн вместо вихревого генератора необходимо использовать электродинамические , пьезоэлектрические и преобразователи электрических колебаний. Подобное исполнение возбудител откроет широкий доступ дл внедрени газоанализатора в лабораторную практику.In the same places of the resonator, sections of the receiving coil 6 are placed, which are connected in opposite directions with respect to a number of located sections of the same coil. The coil 6 is connected to the signal input of the phase-sensitive amplifier 7, to the reference input of which is supplied a signal from the generator 5. The output signal of the phase-sensitive amplifier 3 1 l 7 is fed to the input of the coupling coefficient adjustment unit 8 between the inductance coils 4 and 6, and also the second signal input phase-sensitive amplifier 9, the reference signal of which is the output voltage of the converter 3. To the output of the second phase of the sensitive amplifier 9 a recording device 10 is connected. When blowing the vortex g 2 generators of gas therein are excited acoustic (sound or Ultrasound kovye) vibration transmitted ACUNS cally resonator 1 wherein the set mode standing waves. This leads to the fact that in the cavity of the resonator there is a periodic change in the local density of the test gas, which occurs with the frequency of acoustic oscillations. This fact can be displayed in the form of the following dependence j., I., (Umcos x) c.s (2 / 7Fi.c /), the gas density in the space with the current coordinate p is the average gas density in the resonator; m is the modulation depth coefficient, it is proportional to the amplitude of hundred acoustic oscillations, i.e. its value is determined by the power of the acoustic waves; 1 F is the wavelength and frequency of acoustic oscillations, respectively; Ifjj - the initial phase. Since the magnetic permeability of a gaseous medium is directly proportional to its density, when an acoustic standing wave is excited in a gaseous medium, the magnetic permeability of the gas in the volume with the current coordinate x can be written as: "x N H -F -f- ° H 0) L where the magnetic constant is 4 If-Yun / m; | U is the relative magnetic permeability of the test gas at its nominal (average for the entire cavity volume) pressure and temperature. These expressions show that in a resonator whose length is in a multiple ratio with the length of an acoustic wave excited in it, the averaged values of the density and magnetic permeability of the gas remain unchanged, while the values mentioned above undergo considerable, periodic in time changes near the antinodes. The increments of these quantities in a number of located (adjacent) wave antinodes are antiphasic in time. This circumstance is reflected in the drawing by a dotted cosine. Thus, placing in the antinodes of the waves interconnected sections of the coils, we can observe variations in the mutual coupling coefficients between the sections of the coils, since they are directly proportional to the magnetic permeability of the medium of the volume covered by these sections. Moreover, simultaneously with an increase in the mutual coupling coefficient of sections of one group, a decrease in the coupling coefficient of sections of another group will be observed in full accordance with the phase of the standing wave oscillations in the antinodes corresponding to these sections. Using an even number of identical sections and placing them evenly in the antinodes with in-phase and anti-phase oscillations, and also by matching the phasing of the coil sections with them, it is possible to achieve a zero mutual coupling coefficient between the coils in the absence of acoustic oscillations. When an acoustic wave is excited for the mutual coupling coefficient, the coils K can be written. The expression .ck (where n is the number of interconnected coil sections; LK is the amplitude value of the increment of the mutual coupling coefficient of the isolated section. Where Kjg j. Is the mutual coupling coefficient of individual sections, a coefficient that takes into account the effectiveness of the use of wave antinodes; F is the frequency of acoustic oscillations. A similar design of coils allows (expression 3) to sum up the useful signals of individual sections and use high These phase-sensitive amplifiers. All these features, compared with the known, increase the sensitivity of measurements by several orders of magnitude, which makes it possible to use the proposed device for gas analysis. Information on magnetic properties, and hence on the concentration of paramagnetic gas in the medium, is extracted as follows. When one of the coils is energized, alternating current in the sections of the other coil is induced by EMF of mutual induction. Since the sections of the receiving coil are pairwise mismatched with respect to the sections of the primary coil, the resulting emf in it will be zero in the absence of acoustic oscillations. When acoustic standing oscillations are excited due to periodic deviations of the mutual coupling coefficient of the coils from zero (according to expression 3), the output signal is unbalanced, which can be written as UBbix Ko (Ml) co5 (27rFt; cos (2) / i-fVp), (4 where K- is constant, taking into account the efficiency of the construction used, i.e. parameters such as m, p. / 3K, and the voltage Up applied from the generator. Thus, in amplitude This signal contains information about the concentration of paramagnetic gas. For its release, two Ascade of the phase-sensitive amplifiers included. At the output of the first one we will have voltage for which we can write the expression Uetixi N4 () "27-Fi, where K is the transmission coefficient of the first phase-sensitive amplifier. For the output voltage of the second phase-sensitive amplifier, which is fed to the recording device, you can write the expression 8xx2 K2 () 5 (lu-1j, (And where K is the transmission coefficient of the second phase-sensitive amplifier; S is the sensitivity of the gas analyzer to the magnetic permeability of the gas. The expression for the sensitive gas analyzer can be expressed in terms of the particular parameters of the system. Learning that the value of the relative magnetic permeability for gas mixtures is slightly different from unity, i.e. (-1) 10, for the implementation of the proposed gas analyzer it is necessary to ensure high values of sensitivity. This is achieved by increasing the input power from the generator (and ... the maximum allowable, is determined by design features and economic considerations), the number of sections (limited by dimensions), the coupling coefficient of the coil sections (x.s.) (-y), the acoustic power oscillations (go), transmission factors K and K, which are limited by the level of intrinsic noise and the level of uncompensated signal, which can be observed due to detuning of the balance of the system under the influence of the aging of system elements, changes in the ambient temperature Food and changes its magnetic conductivity. In order to compensate for the destabilizing factors in the proposed gas analyzer, automatic adjustment of the coupling coefficient of the coils is used. Indeed, an imbalance of the system leads to the appearance of a constant voltage at the output of the first phase-sensitive amplifier, the polarity of this voltage will unambiguously indicate the direction of the imbalance. The effect of this voltage on the tuning unit of the coupling coefficient between the 7 coils will cause the unit to react to it in such a way as to minimize this imbalance, i.e. automatic unbalance compensation allows the use of a highly sensitive measuring path. The main reason for increasing the sensitivity and accuracy of measurements of the proposed gas analyzer is to eliminate its additive error, since the spectrum of the informative component of the concentration of paramagnetic gas is located within the frequency range (f + F) and (f - F), while the interference spectrum, caused by instability of system elements, occupies a frequency band within f ± 4f, where 4f 100 200 Hz, i.e. In this gas analyzer, frequency separation of the interference and the desired signal is performed, followed by filtering the interference. Another advantage of the gas analyzer is high speed, which is mainly limited by the time of gas replacement in the resonator, since other functional nodes of the gas analyzer have a sign of 48 times less inertia. A decrease in the inertia of the gas analyzer can be produced by increasing the pressure of the supplied gas, reducing the volume of the resonator, and increasing the frequency of the acoustic oscillations. Thus, it has high sensitivity and speed, the proposed gas analyzer will find wide application in industry, for example, in metallurgy, in deoxidation of alloys, in power engineering, in controlling combustion processes in thermal power plants, etc. The gas analyzer can be made economical from the point of view of the flow rate of the test gas, for this purpose it is necessary to use electrodynamic, piezoelectric and electrical oscillation transducers as the exciter of acoustic waves instead of a vortex generator. Such an execution of the exciter will open wide access for the introduction of a gas analyzer into laboratory practice.

Claims

A gas analyzer containing two inductance coils, placed on the chamber with the mixture to be analyzed, a power generator of one of the inductors, a unit for adjusting the mutual coupling coefficient of the coils, and a recording device, characterized in that, in order to increase the sensitivity and accuracy of measurements, it is equipped with an acoustic exciter coupled to the camera, made in the form of an acoustic resonator, and two phase-sensitive amplifiers, while the second signal is connected to the signal input of the first phase-sensitive amplifier ohm inductor, to its reference input is the power generator of the first coil, and to its output is the unit for adjusting the coefficient of mutual coupling of the coils and the signal input of the second amplifier, the reference input of which is connected to the exciter by means of a transducer of acoustic vibrations into electric ones, and its output is connected to the recording instrument, and the inductance coils are partitioned, and their sections are placed in the antinodes of the acoustic wave.

.. SU „p 1157444