Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глава 1. МАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ НА О₂

Принцип работы магнитных газоанализаторов основан на изменении физических свойств газовой смеси под воздействием магнитного поля.

Газоанализатор МН-5130-1 предназначен для непрерывного автоматического измерения содержания О₂ в невзрывоопасной среде поочередно в четырех точках и сигнализации о достижении двух заданных предельных значений в любом поддиапазоне от 0 до 100 %. Для работы газоанализатора требуется сравнительная газовая смесь, содержащая 80 % кислорода в азоте. Расход смеси 12 л/ч. Применение сравнительного газа компенсирует влияние изменения температуры окружающего воздуха и атмосферного давления. Газоанализатор предназначен для работы при температуре окружающего воздуха 5-50 °С и относительной влажности до 95 %. Газовые линии выполняются в виде трубы диаметром 8 и толщиной 1 мм из коррозионностойкой стали. Вторичный прибор может быть удален до 300 м от первичного преобразователя. Габаритные размеры преобразователя первичного 400x300x240 мм.

Схема газоанализатора

Как правило, при установке газоанализатора, следует ссылаться на схему, которая находится в документации к данному прибору. У каждого газоанализатора своя схема и зависит она от принципа действия конкретного устройства.

Соответственно, газоанализаторы бывают пневматические, электрохимические, магнитные, полупроводниковые и другие. Рассмотрим схемы наиболее распространенных газоанализаторов.

Термокондуктометрические устройства.

Действие данного типа устройств основано на зависимости теплопроводности смеси газов от ее состава. Их используют тогда, когда контролируемая составляющая по теплопроводности заметно отличается от других, к примеру для определения концентраций Не, Н2, СО2, Аг в газовых смесях, включающих в себе N2, О2 и иные.

Рис. 1. Термокондуктометрический газоанализатор:

R0 и - потенциометры;

R1 и R3 - терморезисторы для работы;

R2 и R4 - терморезисторы для сравнения;

1 - источник напряжения, которое стабилизировали;

2 - прибор вторичный;

Вход и выход газовой смеси, анализ которой производится, показан стрелками.

Термохимические газоанализаторы

Эти приборы служат для определения теплового эффекта химической реакции, в которой принимает участие конкретный элемент. Обычно используется окисление данного компонента кислородом воздуха; катализаторы - мелкодисперсная Pt, которую наносят на поверхность пористого носителя или марганцевомедный (гопкалит). Ниже приведена схема данного газоанализатора.

Рис. 2. Термохим. газоанализатор:

1 - источник напряжения (стабилизированного);

2 - вторичный прибор;

R2 и R3 - терморезисторы для работы и для сравнения;

R1 и R4 - постоянные резисторы;

Магнитные газоанализаторы

Применяют данный тип газоанализатора для нахождения количества кислорода, а действие его основано на принципе зависимости магнитной чувствительности газовой смеси от концентрации кислорода. Они очень хорошо определяют O₂ при работе в сложных газовых смесях.

Рис. 3. Магнитомеханический газоанализатор:

1 - ротор;

2 - магнитные полюсы;

3 - растяжка;

4 - зеркальце;

5 - осветитель;

6 - шкала прибора (вторичного);

Также существуют схемы для пневматических и инфракрасных, люминесцентных и фотоколориметрических, электрохимических и амперометрических, ионизационных и полупроводниковых газоанализаторов. 10 Нм).

В последние годы широкое распространение в ФРГ получил магнитомеханический анализатор фирмы Servomex Controls Ltd (Великобритания, Кроуборо) [4]. Измерение концентрации кислорода в измерительной камере объемом 5 мл производится не прямым измерением вращающего момента, а путем электромагнитной компенсации. Схема измерительного устройства прибора показана на рис. 1--12. Между клинообразными наконечниками магнитных полюсов подвешен ротор с заполненными азотом стеклянными шариками. К вертикальной платиновой торсионной нити, на которой подвешен ротор, укреплено зеркальце. Вокруг ротора намотана проволочная петля. В петле от прилагаемого напряжения протекает ток, создающий магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянного магнита и таким образом компенсирующее поворот ротора. Компенсация осуществляется автоматически с помощью чувствительного дифференциального фотоэлемента, который освещается лучом источника света, отраженным от зеркальца. В нулевом положении луч света освещает одинаковые части обоих фотоэлементов. При отклонении гантели в любую сторону один из фотоэлементов освещается сильнее. Фототок усиливается и направляется в проволочную петлю. Возникающий противодействующий момент возвращает ротор в нулевое положение. Ток, протекающий через компенсирующую обмотку, является мерой концентрации кислорода.

Газоанализатор фирмы Servomex термостатирован (при 45 или 55 °С), чем устраняется зависимость показаний от температуры. Прибор отличается строго линейной градуировкой, что позволяет переходить на разные диапазоны измерения переключением электрической схемы.

Для промышленного применения особенно удобна возможность переключения после калибровки по воздуху на диапазоне 0--25 % 0₂ на различные диапазоны от 0--100 до 0--1 % 0₂ без дополнительной градуировки.

Точность газоанализатора составляет ± 1 % от диапазона измерения. В связи с запаздыванием прибора довольно мало чистое запаздывание (~4 с); время выхода на 90 %-ное показание 7 с. При этом, однако, надо учесть, что большое количество газа сбрасывается через байпас. Выходным сигналом может быть как напряжение постоянного тока, так и токовый сигнал 0--20 мА. Газоанализатор фирмы Servomex отличается независимостью показаний от состава неизмеряемых компонентов. Влияние неизмеряемых компонентов на сдвиг нуля газоанализаторов кислорода при 20 °С показано ниже (шкала 0--100 % 0₂; нуль установлен по азоту):

Фирма Hartmann und Braun запатентовала чисто электрический способ компенсации вращающего момента магнитомеханиче-ского газоанализатора, отличающийся от описанного выше оптического способа [51. Прибор, действующий по этому принципу, не выпускается. Несмотря на это, способ, схема которого показана на рис. 1--13, следует кратко пояснить. Оба стеклянных шарика находятся между полюсами двух U-образных магнитов. Коромысло крутильных весов выполнено в виде короткозамкну-того витка из проволоки, который сверху и снизу имеет ось вращения. Виток охватывает стеклянные шарики под углом 90° к оси вращения кольца так, что возникающий в нем ток создает компенсационное магнитное поле. Над проволочным кольцом и под ним установлена система жестко закрепленных возбуждающих и приемных катушек. При этом рамка одновременно является индуктивным связующим звеном. При помощи генератора в ней индуцируется напряжение высокой частоты (например, 470 кГц), которое в свою очередь индуцирует напряжение в приемной катушке, установленной внизу. Это напряжение по величине и фазе строго линейно зависит от отклонения рамки -- коромысла. Оно усиливается, выпрямляется строго по фазе и направляется к нитям подвески рамки. При этом по коромыслу протекает постоянный ток, который создает в петле вокруг стеклянных шариков компенсирующее магнитное поле. Величина тока, необходимого для указанной компенсации, является мерой концентрации кислорода.

Осенью 1977 г. фирма Hartmann and Braun начала выпускать новый газоанализатор Magnos 3, использующий принцип гантели (рис. 1--14). Гантель состоит из двух тонкостенных цилиндрических пустотелых камер, соединенных между собой тонкой пустотелой осью. Цилиндрическая форма особенно благоприятна для потока и обеспечивает прямую циркуляцию анализируемого газа. Этим достигнуто очень низкое запаздывание (чистое запаздывание ~1 с, время установления 90 %-ного показания <2 с,

Компенсация вращающего момента в основном аналогична применяемой в газоанализаторе фирмы Servomex, причем для индикации отклонения ротора применен светодиод инфракрасного излучения.

Магнитопневматические газоанализаторы

Для газоанализатора, основанного на использовании магнито-пневматического принципа, необходима подача вспомогательного газа. В качестве вспомогательного можно использовать газ, не содержащий кислорода, а иногда и воздух. Вспомогательный газ служит в качестве пневматического связующего звена между анализируемым газом и чувствительным элементом. За счет притягивания магнитным полем кислорода анализируемой смеси повышается давление (примерно на 10~⁴ мбар), которое передается вспомогательному газу и регистрируется различными способами. Величина приращения давления определяется уравнением

Ар = A (k_m - k_h) ц.#^а

где Др -- приращение давления; А -- коэффициент пропорциональности; km -- магнитная восприимчивость анализируемого газа; k_h -- магнитная восприимчивость вспомогательного газа; Н -- напряженность магнитного поля.

Отсюда видно, что на магнитопневмат и ч е с к и е газоанализаторы кислорода не оказывают влияния немагнитные свойства неизмеряемых компонентов.

Устройство, предложенное Кундтом [6], измеряет приращение давления непосредственно с помощью микроманометра. Однако этот способ не получил распространения, что, возможно, определяется несовершенством измерения перепада давления.

Другой способ, предложенный Люфтом и Морманом [7], использует термоанемометрический мост, состоящий из проволочных нагревателей, равновесие которого нарушается при изменении скорости потока. Сравнительный газ под постоянным давлением по двум каналам через прорези попадает в канал анализируемого газа. Одна из двух прорезей находится в сильном неоднородном магнитном поле. Пневматическое сопротивление обоих каналов с помощью винта настраивается так, чтобы при одинаковой концентрации кислорода в анализируемом и вспомогательном газе движение газов в измерительной системе было полностью симметричным. При снижении, например, содержания кислорода в анализируемом газе возникает давление, направленное от магнитов в сторону измерительного канала, так как противодавление кислорода в анализируемом газе против прорези становится меньше. Симметричное распределение потоков нарушается, и в соединительном канале возникает поперечное течение. Один из находящихся здесь проволочных нагревателей охлаждается. Вместе с находящимися в кольцевом канале нагревателями он образует мост Уитстона. Под действием протекающего тока температура нагревателей достигает примерно до 100 °С. Вызванное охлаждением изменение сопротивления нарушает баланс моста и является мерой разности концентраций кислорода. На сравнительные элементы, установленные в кольцевом канале, не влияет поперечный поток, так как этот канал связан с каналом капиллярами. Эти элементы служат для сохранения нулевой точки газоанализатора при изменении давления и температуры. Влияние зависящих от положения нагревателей конвективных потоков в сравнительном канале устраняется при помощи установочного винта. В противоположность термомагнитным приборам сигнал этих газоанализаторов не зависит от немагнитных свойств компонентов анализируемой смеси, таких как теплопроводность, удельная теплоемкость и вязкость. Они особенно пригодны для измерения концентрации кислорода в газовых смесях с сильно изменяющимся составом и для измерения разности содержания кислорода в двух газах, которые используют как анализируемый и сравнительный (например, в процессах окисления в химии или биологии). Измерение содержания кислорода в агрессивных газах возможно, но из-за диффузии агрессивных компонентов в сравнительный газ промышленное применение такого метода измерения проблематично. Вспомогательный газ, в качестве которого используют азот, диоксид углерода или воздух, можно подавать из баллона или с помощью насоса. Применение С0₂ имеет по сравнению с азотом преимущество вследствие ее более высокой теплоемкости, более низкой теплопроводности и вязкости, что приводит почти к удвоению чувствительности анализа.

Описанный выше газоанализатор под названием Oxygor выпускает фирма Maihak (Гамбург, ФРГ). Минимальный диапазон измерения 0--0,1 % (объемн.) О; прибор может работать также с. подавлением нуля при соответствующем сравнительном газе (для газа, содержащего 20--21 % 0₂ -- с воздухом, 99--100 % 0₂ -- с кислородом) с точностью ±2 % от диапазона измерения. Прибор термостатирован. Чистое запаздывание его ~5 с, время выхода на 90 %-ное показание 15 с. При расходе сравнительного газа 10 см³/мин 10-кг баллон с СО₂ может работать около года.

В 1970 г. фирма Siemens начала выпускать газоанализатор Oxymat [8]. Измерение изменения давления вспомогательного газа в нем производится с помощью недавно разработанного микродетектора потока газа. Этот детектор позволяет работать с периодически изменяющейся силой магнитного поля, создаваемого электромагнитом. Возникающие при этом пульсирующие изменения газового потока измеряются микродетектором и усиливаются. Схема устройства показана на рис. 1--16. В плоскую измерительную камеру, изготовленную из коррозионностойкой стали, с двух сторон подается вспомогательный газ. Левая половина измерительной камеры находится между полюсами электромагнита (поле меняется с частотой 8 Vs Г n)- Вспомогательный газ под давлением в несколько бар поступает в систему через диафрагму (с отверстием, выполненным при помощи луча лазера), выполняющую роль дросселя. При наличии в анализируемом газе кислорода возникающие между двумя половинами измерительной камеры периодические импульсы перепада давления через изогнутую в форме восьмерки трубку (для компенсации изменений потока, вызванных инерционными силами при импульсном движении газа) передаются детектору расхода. Малейшие пульсации потока детектор преобразует с большой точностью в электрические сигналы.

Он состоит из двух никелевых сеток, имеющих форму меандров, установленных поперек потока очень близко друг от друга. Между обогреваемыми током сетками существует тепловая связь, сильно зависящая от расхода газа. При появлении пульсирующего потока газа электрические сопротивления сеток рассогласовываются и измеряются при помощи моста сопротивлений. Малая инерционность детектора позволяет получать очень низкие значения времени установления показаний (выход на 90 %-ное показание <1 с). Можно, в частности, зафиксировать скачкообразные изменения концентрации кислорода. Это особенно важно для измерений в медицине, где этот детектор и был первоначально использован. До настоящего времени минимальный диапазон измерения составляет 0--2 % 0₂.

Дальнейшая разработка фирмы Siemens -- газоанализатор Oxymat 3, имеющий улучшенную электронную схему (например, более благоприятное отношение сигнал/шум) и противоударную защиту за счет применения двойного корпуса, разделенного на аналитический и электронный отсеки; минимальный диапазон измерения 0--0,5 % Су Соответствующим выбором вспомогательного газа можно получить диапазон измерения с подавлением нуля. Погрешность измерения составляет ±2 % от диапавона измерения. Выходным сигналом является постоянный ток величиной 0--20 или 4--20 мА или напряжение 0/2/--10В; раслод вспомогательного газа от 3 до 10 мл/мин. При применении вспомогательного насоса для отбора пробы газа необходимо обеспечить гашение пульсации расхода пробы.

Измерительные камеры газоанализатора Oxymat--2 и Oxymat--3 изготовлены из листов коррозионностойкой стали VA--4 и сварены при помощи электронного луча; однако при анализе коррозионноактивных газов необходимы меры, указанные при рассмотрении газоанализатора Oxygor.

Для определения кислорода в агрессивных газах на приборе Oxymat разработана измерительная камера из тантала. Взрыво-защищенные модели приборов Oxymat--2 и Oxymat--3 выполнены в герметичном исполнении. Так же как и другие анализаторы кислорода, эти приборы неприменимы для анализа взрывоопасных смесей газов.

Быстродействующий газоанализатор на кислород [9] также работает с помощью вспомогательного газа. Электромагнит прибора возбуждается переменным током (50 Гц). Результирующее переменное давление преобразуется в электрический сигнал конденсаторным микрофоном. Схема этого газоанализатора показана на рис. 1--17.

В узкий зазор между полюсами электромагнита вводится с одной стороны анализируемый, с другой -- сравнительный газы. Оба газа отсасываются вместе через выпускное отверстие между магнитными полюсами перпендикулярно плоскости полюсного наконечника. В области неоднородного магнитного поля в присутствии кислорода возникает давление, которое через канал передается в одну половину камеры конденсаторного микрофона. При одинаковой концентрации кислорода в анализируемом и сравнительном газах возникающие под действием переменного магнитного поля импульсы давления имеют одинаковую амплитуду и взаимно компенсируются. При изменении концентрации кислорода в одном из газов мембрана начинает отклоняться и на усилителе возникает напряжение, пропорциональное ее отклонению.

Фирма Hartmann und Braun с 1970 г. выпускала быстро действующий газоанализатор Oxytest S, действовавший по изложенному выше принципу. Выпуск этого прибора прекращен в связи с началом производства прибора Magnos 4G. Линейность градуировки во всем диапазоне, независимость показаний от неизмеряемых компонентов анализируемого газа и особенно крайне малое запаздывание делают этот газоанализатор особенно пригодным для использования в медицине, например для контроля процесса дыхания. Длительность цикла дыхания иногда может быть меньше 1 с. Для точного контроля дыхания запаздывание должно составлять ~0А с. Газоанализатор Oxytest S, имеющий время выхода на 90 %-ное показание 150 мс и объем камеры 20 см³, хорошо справляется с это,й задачей. Конструкция прибора и выбор диапазонов измерения рассчитаны на его использование в медицине. В качестве сравнительного газа обычно можно использовать воздух, что полностью) устраняет затруднения, связанные с выбором сравнительного газа.

Принцип Действия прибора Magnos 4G фирмы Hartmann und Braun такой же, как и показанного на рис. 1--17 прибора Oxytest S. Конструктивные улучшения и использование современных электронных устройств позволили заменить прибор Oxytest S. Система распределения газовых потоков обеспечивает независимость выходного сигнала от расхода газа. Аналитическая и электронная части прибора раздельно размещены в стандартном 19-дюймовом двухкамерном корпусе. Прибор предназначен для работы в промышленных условиях. Наличие переключаемых диапазонов измерения 0--2/5/10/25 % (объемн.) 0₂ обеспечивает возможность калибровки по воздуху, причем сдвиг нуля при переключениях диапазонов измерений не превышает 0,5 % соответствующего диапазона.

Пневматический газоанализатор, разработанный Люфтом [10], работает без вспомогательного газа; в приборе использован вращающийся магнит и конденсаторный микрофон, аналогичный применяемым в инфракрасных газоанализаторах. Однако подробные сведения о нем здесь не приведены, так как он не нашел практического применения в ФРГ.

магнитный газоанализатор переносной

Глава 2. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ

АНКАТ-310 - переносной многокомпонентный газоанализатор оптимизации режимов горения

Газоанализатор АНКАТ-310 предназначен для проведения периодического измерения параметров дымовых газов и температуры при проведении регулировочных работ по оптимизации режима горения различных видов топлива (газ, уголь, мазут и др.) в котельных установках малой и средней мощности (котлов, турбин, горелок).

Область применения: может быть использован службами энергопредприятий; организациями, проводящими ремонт и наладку котельного оборудования; предприятиями, эксплуатирующими топливосжигающие установки, а также службами экологического и газового надзора.

Способ забора пробы - принудительный (встроенный побудитель расхода)

Режим работы - периодический

Принцип работы - электрохимический

Модификации газоанализатора