книги / Теплотехнические измерения и приборы

Сила термомагнитной конвекции, действующая в направлении падения напряженности поля Н, равна:

где хх и «2 магнитная восприимчивость газовой смеси при дав­ лении р и температурах 7\ и Т2\ х — координата.

После замены % и в уравнении (21-4-13) согласно (21-4-10) получим:

Следует отметить, что сила q.t всегда сопутствует силе q„, причем они могут иметь различные направления в пространстве. Вслед­ ствие этого результирующая сила q определяется как сумма век­ торов:

Непосредственное измерение силы q„ не производят, так как это сопряжено с большими трудностями. В широко используемых термомагнитных газоанализаторах применяют, как отмечалось выше, метод измерения интенсивности термомагнитной конвекции с помощью чувствительного элемента, который одновременно явля­ ется и нагревателем. Этот метод обладает достаточно высокой чувствительностью. Возможен вариант реализации этого метода при конструктивном разделении нагревателя и чувствительного элемента, но такая модификация метода широкого распространения не получила.

Процесс теплообмена нагретого чувствительного элемента, уста­ новленного в измерительной камере с неоднородным магнитным по­ лем, осуществляется посредством теплопроводности окружающей газовой среды, тепловой и термомагнитной конвекции и лучеис­ пускания. При этом будет иметь место утечка тепла через токоотводы, В применяемых измерительных камерах газоанализаторов лучеиспускание и теплоотвод через токоподводы незначительно влияют на процесс теплообмена [89, 90].

Следует отметить, что изменение содержания неопределяемых компонентов (например, Н2 и С02) от градуировочных значений в анализируемой газовой смеси может привести к изменению пока­ заний газоанализатора, так как теплопроводность, вязкость и дру­ гие свойства их влияют на процесс теплообмена.

Уменьшение влияния теплопроводности неопределяемых компо­ нентов газовой смеси на показания газоанализатора может быть достигнуто путем выбора для каждого случая измерения концентра­ ции кислорода оптимального удаления чувствительного элемента в измерительной камере от кромки полюсов магнита, что, однако, может снизить чувствительность газоанализатора по кислороду. Небольшое удаление чувствительного элемента от кромки полюсов магнита позволяет приблизить характер потока к естественной кон-

векции, что в свою очередь уменьшает влияние изменения давления газовой смеси (см. рис. 21-4-1, а).

Подробно процесс теплообмена в измерительных камерах, вли­ яние различных факторов на показания термомагнитных газоанали­ заторов и мероприятия, уменьшающие их воздействие, рассматри­ ваются в 190].

Следует отметить, что комплекс задач по измерению кислорода в различных условиях не может быть решен на базе одного типа термомагнитного газоанализатора с использованием одной универ­ сальной измерительной камеры. Поэтому в зависимости от состава газовой смеси, диапазона измерения и других факторов применяют термомагнитные газоанализаторы с различными по устройству измерительными камерами, в которых направление потока термомаг­ нитной и естественной тепловой конвекций выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к прибору.

Измерительные камеры в применяемых термомагнитных газо­ анализаторах в зависимости от характера конвективных потоков по отношению к чувствительному элементу выполняют с внутренней и внешней конвекцией. Газовая смесь к измерительной камере подводится прямоточным, диффузионным или прямоточным со сбросом части газа перед камерой способами.

Измерительная камера с прямоточным подводом газа применена в термомагнитном газоанализаторе типа МГК-348. В этой камере термомагнитная и тепловая конвекции взаимно перпендикулярны. Недостатком газоанализатора с такой камерой является зависи­ мость его показаний от угла наклона камеры.

Измерительные камеры с диффузионным теплообменом широко применяются в разработанных приборах в СССР и за рубежом. При диффузионном подводе газа к камере уменьшается влияние на по­ казание прибора изменения расхода газа. Однако при диффузион­ ном теплообмене несколько увеличивается инерционность газоана­ лизатора. Уменьшение транспортного запаздывания в подводящей линии осуществляется путем сброса части газа перед камерой.

Термомагнитные газоанализаторы с кольцевой измерительной камерой, с внутренней конвекцией используют одинаковую изме­ рительную схему (рис. 21-4-2) и являются одними из первых типов термомагнитных приборов на кислород.

Измерительная камера приемного преобразователя газоанали­ затора выполнена в виде полого металлического кольца, по горизон­ тальному диаметру которого установлена тонкостенная стеклянная трубка. На этой трубке расположены два рабочих чувствительных элемента и Rz, которые нагреваются током примерно до 100° С, а в некоторых модификациях — до 200° С. Элементы Rx и R2 вы­ полнены в виде спиралей из тонкой платиновой проволоки диа­ метром 0,04—0,05 мм. Чувствительный элемент Rx расположен между полюсами постоянного магнита NS. Рабочие чувствительные

В измерительную диагональ моста включен вторичный прибор ВП (автоматический потенциометр или милливольтметр). Питание моста

осуществляется постоянным током от стабилизированного источ­ ника ИПС.

При протекании через кольцевую камеру преобразователя контрольного газа, не содержащего кислород, схема моста должна быть уравновешена, а указатель вторичного прибора должен нахо­ диться на начальной отметке шкалы. Незначительное отклонение

пунктирной стрелкой). При этом поток термомагнитной конвекции охлаждает чувствительный элемент Ri и часть тепла отдает чувст­ вительному элементу R2, который нагревается. Это приводит к уменьшению сопротивления плеча Ri и некоторому увеличению сопротивления R2. Изменение сопротивления рабочих чувствитель­ ных элементов Ri и R2 нарушает равновесие моста и вызывает из­ менение напряжения на вершинах измерительной диагонали моста, пропорциональное содержанию кислорода в анализируемой газо­ вой смеси. Измерение напряжения на вершинах моста осущест­ вляется вторичным прибором, шкала которого отградуирована в процентах по объему кислорода.

Термомагнитные газоанализаторы на 0 2, выполняемые на основе рассмотренной схемы (рис. 21-4-2), изготовляются в СССР (например,

типа МГК-2 и МГК-4) и рядом зарубежных фирм. Эти приборы

Рассмотренные газоанализаторы чувствительны к изменениям температуры окружающего воздуха, давления и расхода газовой смеси, кроме того, их показания зависят от угла наклона кольце­ вой камеры. Для уменьшения влияния изменения температуры окру­ жающего воздуха приемные преобразователи термостатируют. В некоторых случаях приборы этого типа выполняются с компен­ сацией по температуре и давлению. Для уменьшения транспортного запаздывания в подводящей линии предусмотрен канал КС для частичного сброса газа, контроль расхода газа производится с по­ мощью ротаметра РМ (на рис. 21-4-2 канал и ротаметр показаны пунктиром).

Безнулевую шкалу получают, изменяя наклон стеклянной трубки путем поворота кольца по часовой стрелке. В приборе МГК-4 и приборах аналогичного типа с диапазоном измерения 80—100 или 90—100% 0 2 стеклянная трубка установлена вертикально. В этом случае термомагнитная конвекция направлена вниз, а тепловая конвекция вверх. За счет тепловой конвекции нуль шкалы газо­ анализатора подавлен. В диапазоне измерения 80—100% 0 2 чувствительность прибора возрастает, так как термомагиитная конвекция превышает тепловую. В некоторых типах газоана­ лизаторов с кольцевой камерой наклон стеклянной трубки ис­ пользуется для уменьшения влияния изменения атмосферного давления.

Газоанализаторы МГК-2, МГК-4 и другие модификации прибо­ ров этого типа [75] применяются главным образом в металлургиче­ ской промышленности для определения кислорода в продуктах горе­ ния, в обогащенном дутье и в других технологических газовых сме­ сях. Термомагнитные газоанализаторы этого типа на ТЭС не при­ меняются.

В получивших распространение на ТЭС и в промышленности тер­ момагнитных газоанализаторах для определения 0 2 в продуктах горения и в газовых смесях используется компенсационно-мостовая измерительная схема. В этих газоанализаторах применяется диф­ фузионный способ подвода анализируемого газа в измерительную камеру приемного преобразователя. Направление термомагнитной конвекции в рабочих и сравнительных камерах совпадает с потоком тепловой конвекции. Компенсационно-мостовая измерительная схе­ ма применяется также в газоанализаторах, предназначенных для определения кислорода в воздухе, азотно-кислородной и кислородно­ азотной смесях. В этих приборах поток термомагнитной конвек­ ции перпендикулярен или направлен навстречу потоку тепловой конвекции. Газоанализаторы этих типов, разработанные СКВ аналитического приборостроения АН СССР, изготовляются серийно Выруским заводом газоанализаторов [89].

На рис. 21-4-3 приведена принципиальная схема термомагнитного газоанализатора, применяемого для определения кислорода в продуктах горения и других газовых смесях. Измерительная ком­ пенсационная схема этого прибора в принципе аналогична измери­ тельной схеме, применяемой в рассмотренных выше термокондукто­ метрических газоанализаторах.

Рис. 21-4-3. Термомагнитный газоанализатор на 0 2 с компенсационной мостовой измерительной схемой.

Газоанализатор включает в себя приемный преобразователь и вторичный прибор. Питание газоанализатора осуществляется от сети напряжением 127 или 220 В, частотой 50 Гц.

Приемный преобразователь газоанализатора состоит из рабочего РМ и сравнительного СМ измерительных мостов, соединенных между собой по компенсационной схеме. Мосты преобразователя питаются переменным током напряжением 24 В от двух вторичных обмоток трансформатора Тр, подключенного к стабилизатору СН.

Напряжение на зажимах мостов с помощью балластных резисторов R 9 и R IO устанавливается равным 10 ± 2В. Регулируемый резистор Ru служит для регулировки чувствительности газоанализатора. Вторичный прибор выполнен на базе автоматического уравновешен­ ного моста MC, КСМ2 или других типов.

Реохорд вторичного прибора Р |1р включен в измерительную диагональ сравнительного моста приемного преобразователя. К токоотводу реохорда ТО и к вершине b рабочего моста подключен вход электронного усилителя.

Чувствительные элементы рабочего моста Ri и R2, находя­ щиеся в измерительных камерах, омываются анализируемым газом. Чувствительные элементы сравнительного моста Rs и Re, разме­ щенные в камерах, омываются воздухом, поступающим через фильт­ ры. Чувствительные элементы Ri и Rr>расположены в неоднород­ ном магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами М. Чув­ ствительные элементы Ru Rz, Р Г) и R6 изготовлены из платиновой проволоки диаметром 0,02 мм в виде спирален, вплавленных в стек­ лянные капилляры, и снабжены токоподводами. Остальные плечи мостов преобразователя R3, # 4, Ri и Ra выполнены из манганино­ вой проволоки. Для уменьшения температурной погрешности измерительной схемы преобразователя последовательно с плечами мостов R3, Rt, R, и Rs включают термокомпенсирующие резисторы, выполненные из медного провода на латунном каркасе. Эти рези­ сторы на рис. 21-4-3 не показаны.

Регулировка нуля газоанализатора в процессе эксплуатации осуществляется резистором R0. Во время поверки и регулировки нуля прибора постоянный магнит должен быть зашунтирован маг­ нитным шунтом, выполненным в виде массивной скобки из стали «армко». При опущенном магнитном шунте до упора на наконеч­ ники магнита указатель каретки должен установиться на крас­ ной черте в начале шкалы. Отклонение указателя от этой отметки не должно превышать предела допускаемой основной погрешности прибора. Магнитный шунт на схеме не показан. Резистор R'0служит для установки нуля прибора при наладке газоанализатора на за- воде-изготовителе.

При равновесии измерительной схемы преобразователя напряже­ ние на вершинах рабочего моста ab уравновешивается падением напряжения на части реохорда выше движка. Условию равновесия измерительной схемы отвечает выражение

U ab = m U p,

где т отношение длины участка реохорда выше движка к полной его рабочей длине; £/р — падение напряжения на рабочей длине реохорда.

При изменении концентрации кислорода в анализируемом газе напряжение на вершинах рабочего моста вследствие изменения интенсивности термомагнитной конвекции в левой его камере изме­ нится и на входе усилителя появится напряжение небаланса AU =

= Uab— Up, которое усиливается усилителем до размера, доста­ точного для приведения в действие реверсивного двигателя. Выход­ ной вал реверсивного двигателя через систему кинематической передачи воздействует на движок реохорда, изменяя компенсирую­ щее напряжение mUp до тех пор, пока оно не уравновесит изменив­ шееся напряжение на вершинах рабочего моста Uab. Одновременно вал реверсивного двигателя перемещает в соответствующее положе­ ние каретку с указателем и пером, фиксируя новое значение кон­ центрации кислорода в анализируемом газе.

В реальной измерительной схеме приемного преобразователя имеются вспомогательные резисторы и два резистора для компен­ сации сопротивления нерабочего участка реохорда вторичного при­ бора. Кроме того, в измерительной схеме предусмотрен тумблер, который имеет два положения «измерение» и «контроль». При вклю­ чении тумблера в положение «контроль» производится контроль чувствительности газоанализатора при одновременном пропуска­ нии воздуха через измерительные камеры рабочего моста. При нор­ мальной чувствительности указатель каретки вторичного прибора (при определенном расходе воздуха и разрежении в рабочем канале преобразователя) должен установиться на красной черте в конце шкалы. Отклонение от красной черты не должно превышать одного деления. Если указатель не установится на указанную отметку, то регулировка чувствительности осуществляется с помощью рео­ стата RX1.

Для подгонки сопротивления проводов, соединяющих приемный преобразователь с реохордом вторичного прибора, служат две ка­ тушки из манганинового провода с сопротивлением по 2,5 Ом. Суммарное сопротивление каждого провода и катушки должно быть доведено до 2,5 ± 0,05 Ом.

Рассмотренная принципиальная измерительная схема термомаг­ нитного газоанализатора используется в приборах типа МН5106 и МН5130, предназначенных для определения 0 2 в продуктах горе­ ния и газовых смесях, содержащих кроме кислорода N.. Аг, СО, СОа, Н2 и СН4.

Рассмотрим газовую схему газоанализатора типа МН5106, по­ казанную на рис. 21-4-4. Анализируемый газ из отборного устрой­ ства поступает в блок очистки, в котором последовательно прохо­ дит через холодильник 1 по трубке 2, фильтр 3 для очистки его от сернистого газа, вторично через холодильник по спиральной трубке 4, а далее через фильтр тонкой очистки 5. В фильтре для очистки пробы газа от сернистого газа находятся стальная стружка и некоторый объем воды, через который газ барботирует. Вода в этот фильтр поступает в виде конденсата, образующегося при охлажде­ нии пробы газа в трубках холодильника. Излишек воды из фильтра вытекает через трубку в сливной сосуд 6, который образует одно­ временно и водяной затвор. Для контроля расхода анализируемого газа и давления в подводящей линии перед приемным преобразова­ телем установлен ротаметр — индикатор расхода 7, а за преобразо­

вателем “ жидкостный манометр 8. Регулировка расхода пробы газа и давления производится редукционными вентилями 9 и 10. Побудителем расхода служит водоструйный эжектор (насос) 11, установленный на выходе пробы газа. Измерительные камеры срав­ нительного моста преобразователя сообщаются с атмосферой через фильтры 12, которые предохраняют камеры от попадания пыли.

Рис. 21-4-4. Газовая схема термомагнитного газоанализатора на О* типа МН5106.

Газоанализаторы типа МН5106 имеют шкалу 0—10% по объему 0 2. Пределы допускаемой основной погрешности ±0,25% 0 2. Газоанализаторы типа МН5130 выпускаются со следующими шкалами: 0—0,5; 0—1; 0—2; 0—5; 0—10; 0—21; 0—50; 20—80; 50—100 и 80—100% по объему 0 2. Пределы допускаемой основной погрешности шкалы 0—0,5% 0 2 — ± 10% ; для шкал 0—1 и 0—2% 0 2 — ± 5 % ; для шкал от 0—5 до 50—100% 0 2 — ± 2 % и для шкалы 80—100% 0 2 — ± 2,5% диапазона измерения.

Данные об изменении показаний газоанализаторов при отклонении влияющих величин от нормальных значений приводятся в заводской инструкции по монтажу и эксплуатации приборов.

Время установления теплового равновесия (прогрева) газоанализатора не превышает 1 ч, а для прибора МН5130 со шкалой 80—100% 0 2 — 2 ч. Время уста­ новления постоянных показаний прибора при изменении концентрации кислорода на входном штуцере приемного преобразователя не превышает 1,5 мин для при­ бора МН5106, а для газоанализатора МН5130 со шкалами от 0—5 до 0—50% 0 2 — 0,5 мин и 1 мин с остальными шкалами.

С другими типами выпускаемых магнитных газоанализаторов можно позна­ комиться в [75].

21-5. Оптические газоанализаторы

Общие сведения. Оптические газоанализаторы основаны на ис­ пользовании зависимости изменения того или иного оптического свойства анализируемой газовой смеси от изменения концентрации измеряемого компонента. В оптических газоанализаторах исполь­

зуются такие оптические свойства, как спектральное поглощение, оптическая плотность, показатель преломления, спектральное из­ лучение газовой смеси и др.

В соответствии с оптическим свойством, положенным в основу принципа работы прибора, оптические газоанализаторы подразде­ ляются на следующие основные три группы (ГОСТ 13320-67):

1. Абсорбционные — основанные на поглощении лучистой энер­ гии в инфракрасной области спектра (в том числе оптико-акустиче­ ские), ультрафиолетовой и видимой областях спектра (фотоколори­ метрические жидкостные и ленточные).

2.Интерферометрические — основанные на использовании яв­ ления смещения интерференционных полос вследствие изменения оптической плотности газовой среды на пути одного из двух коге­ рентных лучей.

3.Эмиссионные — основанные на излучении лучистой энергии, например на измерении интенсивности спектральных линий излу­ чения компонента, зависящей от его концентрации в анализируемой газовой смеси. Этот метод, предложенный С. Эфришем, принято называть методом эмиссионного спектрального анализа газовой смеси.

Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лучей, получили широкое применение в различных отраслях про­ мышленности и применяются для определения концентрации окиси углерода (СО), двуокиси углерода (С02), метана (СН4), аммиака (NH3) в сложных газовых смесях, а также и других газов. Это объясняется тем, что в инфракрасной области спектра газы имеют весьма интенсивные и отличительные друг от друга по положению

вспектре полосы поглощения.

Газоанализаторы, основанные на поглощении ультрафиолетовых лучей, применяются в химической, нефтяной и пищевой промыш­ ленности. Благодаря высокой чувствительности они широко исполь­ зуются для определения токсических и взрывоопасных концентра­ ций различных газов в воздухе промышленных предприятий. Газо­ анализаторы этого типа позволяют определять содержание паров ртути, хлора и других газов и паров как в воздушной среде, так и в технологических газовых смесях.

Газоанализаторы фотоколориметрические, основанные на погло­ щении лучей в видимой области спектра, подразделяются на жид­ костные и ленточные. Жидкостные газоанализаторы являются при­ борами с непосредственным (прямым) поглощением излучения определяемым компонентом при взаимодействии анализируемого компонента с жидким реактивом. В газоанализаторах второго типа измеряется светопоглощение поверхностью бумажной или текстиль­ ной ленты, предварительно пропитанной или смоченной соответ­ ствующим реактивом. Фотоколориметрические газоанализаторы широко применяют для измерения микроконцентрации различных газов в воздушной среде и в сложных газовых смесях. Эти газоана­ лизаторы широко используются также для определения в воздухе

промышленных предприятий токсической концентрации различных газов и паров, вредных для человека. Фотоколориметрические газо­ анализаторы для определения больших концентраций не применя­ ются. Следует отметить, что фотоколориметрический метод находит широкое применение для анализа жидкостей, в частности для ана­ лиза воды на ТЭС.

Спектрофотометрнческие газоанализаторы, основанные на ме­ тоде эмиссионного спектрального анализа газовой смеси, исполь­ зуются для анализа аргона, гелия, азота, водорода и кислорода на примеси.

Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лу­ чей (оптико-акустические). Известно, что способностью поглощать инфракрасные лучи обладают все газы, которые содержат в моле­ куле два и более различных атомов, например окись углерода (СО), двуокись углерода (Ш 2), метан (СН4). Способность к поглощению инфракрасных лучей не проявляется у таких газов, как кислород (02), азот (N2), водород (Н2), одноатомные газы — гелий (Не), неон (Ne), аргон (Аг), криптон (Кг), ксенон (Хе), радон (Rn), ко­ торые имеют один тип атомов.

Основным законом, определяющим интенсивность монохрома­ тического излучения, прошедшего известную толщину поглощаю­ щего слоя газа х, является закон Ламберта-—Бера

поглощения, характерный для данного газа и определенной длины волны с — объемная концентрация газа, поглощающего излу­ чение (в долях единицы).

Известно, что каждый газ поглощает инфракрасное излучение в свойственных ему участках спектра. Это различие спектров поглощения в инфракрасной области в большинстве случаев позво­ ляет вести избирательный анализ данного компонента в сложной газовой смеси при переменной концентрации неопределяемых ком­ понентов.

В зависимости от принципа действия лучеприемника газоанали­ затора, а вместе с тем и характера реакции его на поток инфракрас­ ного излучения (селективного и неселективного) существующие газоанализаторы этого типа делятся на несколько групп и имеют различные наименования. Наибольшее распространение имеют газоанализаторы, в которых используется селективный оптико­ акустический лучеприемник.

На рис. 21-5-1,а схематично показан оптико-акустический луче­ приемник 1, в котором находится газ, способный поглощать инфра­ красные лучи. Окно 2 этого лучеприемника выполнено из материала, пропускающего инфракрасное излучение. Через это окно поступает поток инфракрасного излучения от источника 5, прерываемый с определенной частотой обтюратором 4, приводимым в действие