книги / Теплотехнические измерения и приборы

током напряжением 6,5 В от двух вторичных обмоток трансформа­ тора Тр, подключенного к стабилизатору, питаемому от сети напря­ жением 127 или 220 В, частотой 50 Гц. В качестве вторичного при­ бора в газоанализаторах этого типа используется электронный прибор, выполненный на базе автоматических уравновешенных мо­ стов типа КСМ2 и др., снабженный реохордом R„ p.

Реохорд вторичного прибора включен в измерительную диаго­ наль сравнительного моста преобразователя. К токоотводу рео­ хорда и к нижней вершине рабочего моста преобразователя подклю­ чен вход электронного усилителя.

Чувствительные элементы рабочего моста R2 и R4 находятся

визмерительных камерах и омываются анализируемой газовой смесью. В газоанализаторах типа ТП2220, предназначенных для определения С02, чувствительные элементы рабочего моста 7?! и R2 помещены в закрытые камеры, заполненные воздухом. Чувстви­ тельные элементы сравнительного моста Raи Р.анаходятся в закры­ тых камерах, заполненных газовой смесью (воздух + 20% С02), соответствующей конечному значению шкалы. Два других чувст­ вительных элемента сравнительного моста (Æ5, R7) находятся также

взакрытых камерах, заполненных воздухом, что соответствует начальному значению шкалы. Резисторы Re и Rl0 предназначены для установки тока питания рабочего и сравнительного мостов при градуировке газоанализаторов. Резистор R0 служитдля корректи­ ровки нуля газоанализатора, когда чувствительные элементы рабо­

чего моста R2и Ri омываются воздухом.

При равновесии измерительной схемы преобразователя напряже­ ние на вершинах рабочего моста ab уравновешивается частью напряжения, снимаемого с реохорда выше движка. В этом случае напряжение на входе усилителя практически равно нулю. При изме­ нении концентрации С02 в газовой смеси напряжение на вершинах рабочего моста изменится и на входе усилителя появляется напря­ жение разбаланса, которое усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя. Выходной вал реверсивного двигателя через систему кинематиче­ ской передачи воздействует на движок реохорда, изменяя компен­ сирующее напряжение на верхнем участке реохорда до тех пор,

в действие каретку с указателем и пером, фиксируя значение изме­ ряемой концентрации С02 в анализируемой газовой смеси.

Условию равновесия измерительной схемы отвечает выраже­ ние

Uа1)= tîlUp,

где m — отношение длины участка реохорда выше движка к полной его длине; Up— падение напряжения на рабочей длине реохорда.

Газоанализаторы типа ТП1120, применяемые для определения На в системе водородного охлаждения турбогенераторов, имеют шкалу

80^-100% На. У этих газоанализаторов измерительные камеры рабо­ чего моста с чувствительными элементами Rt и Ra заполнены газо­ вой смесью (80% Н2 + 20% воздуха), соответствующей начальному значению шкалы. Камеры чувствительных элементов в сравнитель­ ном мосте (R6 и RB) заполнены 100% Н2, что соответствует конеч­

Газоанализаторы с другими диапазонами измерений отличаются от рассмотренных приборов только процентным содержанием газовой смеси в закрытых камерах рабочего и сравнительного мостов.

Основным преимуществом компенсационной измерительной схе­ мы является то, что показания газоанализаторов в меньшей сте­ пени зависят от колебаний напряжения питания и от изменения температуры воздуха, окружающего приемный преобразователь, так как эти влияющие величины одинаково действуют на рабочий и сравнительный мосты. Изменения показаний газоанализатора при изменении температуры воздуха, окружающего преобразова­ тель, будут тем меньше, чем с большей точностью соблюдено ра­ венство сопротивлений чувствительных элементов мостов.

Компенсационная измерительная схема позволяет создавать газоанализаторы для измерения малых концентраций определяе­ мого компонента в бинарных и многокомпонентных газовых смесях. В этом случае приемный преобразователь снабжается двумя рабо­ чими мостами и одним сравнительным мостом. Для устранения влияния на показания газоанализатора переменного содержания какого-либо неопределяемого компонента газовой смеси компенса­ ционная измерительная схема позволяет кроме рабочего и сравни­ тельного мостов включить в схему компенсационный мост. Рассмот­ ренная измерительная схема газоанализатора позволяет также осу­ ществлять автоматическую корректировку возможного изменения показаний и от других влияющих величин.

Для газоанализаторов, показанных на рис. 21-3-2, сопротивле­ ние каждого провода, соединяющего приемный преобразователь с реохордом вторичного прибора, должно быть равно 2,5 ± 0,05 Ом, Пределы допускаемой основной погрешности ± 2,5% диапазона измерения. Изменения показаний газоанализаторов при изменении температуры окружающего воздуха от 20 ± 5° С до любой темпе­ ратуры в пределах от 5 до 50° С на каждые 10° С не превышают

± 2% диапазона измерения. Изменение показаний газоанализаторов при изменении напряжения питания на ±10% не более ±2,5% диапазона измерения. Запаздывание показаний газоанализаторов при изменении концентрации газовой смеси на входном штуцере приемного преобразователя не превышает 4 мин.

Рассмотрим устройство рабочих и сравнительных чувствитель­ ных элементов и измерительных камер, применяемых в термокон­ дуктометрических газоанализаторах. Устройство измерительных камер приемного преобразователя газоанализатора должно быть

таково, чтобы незначительные колебания скорости газового потока не вызывали изменения показаний прибора при одном и том же процентном содержании определяемого компонента в анализируе­ мой газовой смеси. Температура стенок рабочих и сравнительных камер преобразователя должна быть одинакова. Для этой цели измерительные камеры выполняются массивными и из высокотеп­ лопроводного материала.

В газоанализаторах с компенсационно-мостовой измерительной схемой применяются чувствительные элементы в стеклянных ампу­

ачувствительные элементы в и

г— 40 Ом. Чувствительные эле­ менты в и г обладают лучшей

вертикальных камерах(каналах)

общего массивного блока с одним или двумя горизонтальными центральными каналами, через которые протекает анализируемый газ. Указанное расположение чувствительных элементов в блоке обеспечивает одинаковые условия их работы. Блок для чувстви­ тельных элементов в зависимости от агрессивных свойств анализи­ руемой газовой смеси изготовляют из латуни, нержавеющей стали и других материалов.

На рис. 21-3-4 показана схема камеры приемного преобразова­ теля термокондуктометрического газоанализатора, в которой уста­ новлен чувствительный элемент с остеклованной платиновой спи­ ралью. Как видно из схемы, анализируемый газ протекает через горизонтальный канал, перпендикулярный каналу камеры. Газ поступает в камеру, омывая чувствительный элемент, только за счет диффузии. Чувствительный элемент может быть также уста­ новлен в вертикальном прямоточном канале. В этом случае чувстви­

тельный элемент непосредственно омывается потоком анализируе­ мого газа.

При диффузионном подводе газа в камеру показания газоанали­ затора в значительно меньшей степени зависят от расхода газовой пробы. При установке чувствительных элементов в прямоточных каналах приемный преобразователь будет иметь меньшую инерцион­ ность, но в этом случае на показания газоанализатора будет значи­ тельно влиять изменение расхода анализируемого газа.

Термохимические газоанализаторы. Из числа термохимических газоана­ лизаторов наибольшее распростране­ ние получили газоанализаторы, осно­ ванные на измерении полезного тепло­ вого эффекта реакции каталитического окисления (горения) определяемого компонента анализируемой газовой смеси. Газоанализаторы этого типа на­ ходят применение для определения СО -г Н2 или СО в продуктах горения и в других газовых смесях, а также СН4 в рудничной атмосфере.

Имеются две модификации термо­ химических газоанализаторов, в ко­ торых используется реакция катали­

тического окисления. К первой модификации относятся газоана­ лизаторы, в которых реакция каталитического горения определяе­ мого компонента осуществляется на поверхности на гретой ката­ литически активной тонкой проволоки (например, платиновой). Эта проволока является одновременно чувствительным эле­ ментом.

Ко второй модификации относятся газоанализаторы, в которых каталитическое окисление определяемого компонента осущест­ вляется на твердом гранулированном катализаторе при протекании через него анализируемой газовой смеси. В этом случае полезный тепловой эффект каталитического горения измеряют в рабочей камере с помощью чувствительного элемента, выполненного из тонкой платиновой проволоки или термобатареи. В переносном газоанализаторе для определения СН4 в рудничной атмосфере ка­ талитическое горение осуществляется на твердом шарообразном катализаторе, выполненном из окиси алюминия, с нанесенной на его пористую поверхность платинопалладиевого катализатора. Внутри шарообразного катализатора находится платиновая спираль, которая выполняет функции чувствительного элемента. Такое вы­ полнение чувствительного элемента обеспечивает более высокую надежность и стабильность характеристик прибора по сравнению с газоанализаторами первой модификации.

Мостовая измерительная схема термохимического газоанализа­ тора показана на рис. 21-3-5. Газоанализатор состоит из приемного

преобразователя, линии связи (Ry— резистор для подгонки сопро­ тивления линии связи до заданного значения), вторичного измери­ тельного прибора (милливольтметра) и источника стабилизирован­ ного питания (ИПС).

Плечи неуравновешенного моста приемного преобразователя R2 и R3, являющиеся соответственно рабочим и сравнительным чув­ ствительными элементами, изготовлены из тонкой платиновой про­ волоки. Рабочий чувствительный элемент R2, на поверхности кото­ рого происходит каталитическое горен ие определяемого компонен­ та, помещен в камеру. Через эту камеру непрерывно протекает анализируемый газ. Сравнитель­

ный чувствительный элемент R3, аналогичный по устройству ра­ бочему, помещен в герметически закрытую камеру, заполненную воздухом. Плечи моста Rt и Rt выполнены из манганиновой проволоки.

Рабочий и сравнительный чувствительные элементы нагре­ ваются до определенной темпе­

колебания напряжения питания и температуры воздуха, окру­ жающего приемный преобразователь, практически не вызывают изменения показаний газоанализатора.

В рабочей камере горение в присутствии катализатора происхо­ дит за счет свободного кислорода в анализируемом газе или за счет дополнительно поступающего через специальное сопло камеры воз­ духа в количестве около 30% общего объема анализируемого газа. Благодаря выделению тепла при сгорании определяемого компо­ нента возрастает температура чувствительного элемента R2, а сле­ довательно, и его сопротивление, вследствие чего равновесие моста нарушается. Разность потенциалов, возникшая при этом на верши­ нах моста, будет пропорциональна количеству выделившегося тепла, а следовательно, и содержанию определяемого компонента в анали­ зируемом газе. Это дает возможность градуировать шкалу милли­ вольтметра непосредственно в процентах по объему СО, СО + Н2 или СН4.

Для коррекции нуля газоанализатора служит регулируемый резистор R0. В момент проверки нуля чувствительные элементы R» и R3 омываются воздухом.

21-4. Магнитные газоанализаторы

Общие сведения. Магнитные газоанализаторы на кислород, ос­ нованные на измерении магнитных свойств кислорода, получили широкое применение в различных отраслях промышленности для определения концентрации кислорода в газовых смесях, и, в част­ ности, в продуктах горения.

Магнитные свойства газов обычно характеризуют значениями объемной магнитной восприимчивости и удельной или массовой маг­ нитной восприимчивости. Все известные газы по характеру и абсолютным значениям магнитных свойств разделяются на диамаг­ нитные и парамагнитные.

Для неферромагнитных веществ, к которым относятся газы, намагниченность J или интенсивность намагничивания (т. е. сумма магнитных моментов, приходящихся на единицу объема) пропорцио­

магнитной восприимчивостью вещества. Для диамагнитных веществ х имеет отрицательное значение, так как прецессионные круговые токи ослабляют внешнее поле, т. е. оси их имеют противоположное внешнему магнитному полю направление. Диамагнитные явления выражены весьма слабо.

Для парамагнитных веществ х имеет положительное значение, так как под действием внешнего магнитного поля оси магнитных моментов молекулярных круговых токов, образованных вращением электронов вокруг ядра атомов, наклоняются в сторону внешнего поля, в силу чего оно усиливается.

Следует отметить, что вследствие незначительности энергии молекулярного кругового тока в магнитном поле по сравнению с энергией теплового движения отдельных молекул и атомов внутри неферромагнитного вещества явление парамагнетизма, хотя оно и значительно больше по сравнению с явлением диамагнетизма, про­ является также очень слабо.

Удельная магнитная восприимчивость % определяется отноше­

Плотность газа в зависимости от абсолютного давления р и температуры Т определяется выражением

(21-4-3)

где М — молекулярная масса; R — газовая постоянная.

Значения плотности для наиболее распространенных газов в нор­ мальном состоянии приведены в табл. П14-3-2. Плотность газа или

с магнитными свойствами кислорода. К таким явлениям, исполь­ зуемым для создания магнитных газоанализаторов, относятся следующие:

1.В среде парамагнитного газа при наличии нагретого тела и неоднородного магнитного поля возникает термомагнитная конвек­ ция (магнитный ветер), вызывающая охлаждение тела.

2.Парамагнитный газ, находящийся в магнитном поле, изме­ няет свою теплопроводность.

3.Парамагнитный газ при наличии магнитного поля изменяет свою вязкость.

4.Тело, находящееся в парамагнитной газовой среде и неодно­ родном магнитном поле, испытывает выталкивающее или втягиваю­ щее воздействие при одновременном изменении магнитной воспри­ имчивости окружающего его газа.

Всоответствии с физическим явлением, положенным в основу принципа работы прибора, магнитные газоанализаторы подразде­

ляют на четыре группы по ГОСТ 13320-67: 1) термомагнитные; 2) магнитотермокондуктометрические; 3) магнитовискозиметрические; 4) магнитомеханические — роторные, эффузионные (безроторные).

Подробные сведения о принципах построения, теории и методике инженерных расчетов магнитных газоанализаторов приведены в мо­ нографии Д. И. Агейкина [90].

Ниже рассматриваются термомагнитные газоанализаторы, кото­ рые широко применяются для измерения концентрации кислорода в продуктах горения и в смесях промышленных газов.

Термомагнитные газоанализаторы. Термомагнитные газоанали­ заторы основаны на использовании явления термомагнитной конвек­ ции парамагнитного газа, возникающей при наличии неоднородного магнитного поля и нагретого тела (температурного градиента). Между термомагнитной конвекцией и естественной тепловой кон­ векцией (свободным движением) имеется аналогия. Известно, что естественная тепловая конвекция возникает около горячей (или холодной) поверхности, окруженной газом (жидкостью), при нали­ чии гравитационного поля. От соприкосновения с горячей поверх­ ностью тела газ нагревается, его температура по сравнению с тем­ пературой остальной массы повышается, а плотность уменьшается. Вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц газа возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы поднимаются кверху, т. е. в сторону падения гравитацион­ ного поля. На их место поступают другие, холодные частицы, кото­ рые также нагреваются и поднимаются. Возникновение и интенсив­ ность естественной конвекции всецело определяются тепловыми условиями процесса и зависят от рода жидкости, разности темпера­ тур и объема пространства, в котором протекает процесс.

В термомагнитном газоанализаторе анализируемый парамагнит­ ный газ, протекающий непрерывно в канале, втягивается в специ­ альную измерительную камеру с магнитной системой, между полю­

сами которой находится нагреваемый током чувствительный эле­ мент (рис. 21-4-1). Газ, соприкасаясь с чувствительным элементом, нагревается, и магнитная восприимчивость его уменьшается. Вслед­ ствие этого нагретый газ выталкивается из магнитного поля холод­ ным газом, протекающим в канале, и около нагретого чувствитель­ ного элемента возникает непрерывный поток газа (на рис. 21-4-1 показан пунктирными стрелками), движущийся в сторону падения напряженности магнитного поля. Зтот поток газа, носящий название

термомагнитной конвекции или магнитного ветра, охлаждает чув­ ствительный элемент. Интенсив­ ность термомагнитной конвекции, зависящую от магнитной воспри­ имчивости парамагнитного газа, оценивают по изменению электри­ ческого сопротивления чувстви­ тельного элемента, вызванного его охлаждением. Для измерения из­ менения сопротивления чувстви­ тельного элемента применяют не­ уравновешенную мостовую или компенсационную мостовую схему.

Магнитное поле в зоне чувст­ вительного элемента обычно соз­ дают с помощью постоянного маг­ нита. Неоднородное магнитное поле, как правило, возникает вблизи кромок полюсов постоян­

ного магнита, около которых в измерительной камере распола­ гают чувствительный элемент или нагреватель.