1. Дроссельные газоанализаторы

В дроссельных газоанализаторах реализуется газодинамический дроссельный метод анализа, основанный на определении интенсивности истечения анализируемой газовой смеси через соответствующие дроссельные элементы в зависимости от параметров смеси, например ее вязкости μ, плотности ρ и показателя адиабаты k. Такие газоанализаторы включают дроссельные элементы, создающие газодинамическое сопротивление потоку газа. В зависимости от природы газодинамического сопротивления дроссельные элементы подразделяются на ламинарные и турбулентные.

К ламинарным относят дроссели, имеющие, как правило, цилиндрический проходной канал с большим отношением длины к диаметру; в канале обеспечивается ламинарное течение газа, и потери давления в дросселе обсуловлены в основном трением при протекании газа по каналу.

Свойство ламинарного дросселя оказывать газодинамическое сопротивление протекающему через него потоку газа отражает его расходная характеристика, связывающая перепад давления Δр на дросселе с объемным расходом газа через него, конструктивными размерами дросселя и параметрами газа. Для канала цилиндрической формы эта характеристика имеет вид

где d и l — диаметр и длина цилиндрического канала дросселя; ρ и μ — плотность и динамическая вязкость газа.

Если одну из величин — Q или Δр — поддерживать постоянной, то другая однозначно определяется значениями параметров ρ и μ газовой смеси, так как конструктивные размеры дросселя d и l постоянны. Таким образом, при изменении состава газовой смеси меняются параметры ρ и μ, вследствие чего изменяется сопротивление дросселя, определяемое величинами Q и Δр.

В качестве ламинарных дросселей применяют стеклянные или металлические капилляры.

К турбулентным относят дроссели, имеющие канал цилиндрической формы с малым отношением длины к диаметру; течение в канале является турбулентным, и эффект дросселирования вызывается местными сопротивлениями на входе и потерями на выходе, причем силы трения при течение газа по каналу дросселя заметно не влияют на эффект дросселирования. В зависимости от скорости течения газа в канале дросселя различают докритический и надкритический режимы истечения. Уловие перехода докритического режима истечения в надкритический можно выразить через давление газа до и после дросселя (соответственно p₁ и р₂) и показатель адиабаты k газа:

При — режим течения докритический, а при — надкритический.

Расходная характеристика турбулентного дросселя с докритическим режимом истечения газа имеет вид

(1)

где и s — коэффициент расхода и площадь проходного сечения дросселя.

Как видно из (1), сопротивление такого дросселя зависит от плотности и показателя адиабаты газа, протекающего через дроссель.

В качестве турбулентных дросселей обычно применяют тонкостенные диафрагмы.

Газодинамические дроссельные преобразователи состава с указанными дроссельными элементами могут быть построены по различным измерительным схемам: дроссельных делителей давления, дифференциальным или мостовым. В зависимости от измерительной схемы и применяемых в ней дроссельных элементов выходной сигнал газоанализатора является функцией вязкости μ, плотности ρ или показателя адиабаты k либо соотношения указанных параметров, например, комплекса анализируемой смеси.

Дроссельные делители давления образуются последовательным соединением дроссельных элементов и в зависимости от типа применяемых дросселей могут быть ламинарно-ламинарными, турбулентно-турбулентными, ламинарно-турбулентными и турбулентно-ламинарными.

Дифференциальные схемы преобразователей образуются из двух, работающих независимо один от другого, дроссельных делителей; при этом один из делителей (рабочий) питается анализируемым газом, а другой (сравнительный) — эталонным газом.

На рис. 1 дана принципиальная измерительная схема дроссельного газоанализатора, построенного по дифференциальной схеме. Оба делителя измерительной схемы выполнены ламинарно-турбулентными. Через рабочий делитель I газоанализатора проходит анализируемый газ; при этом давления газа р₁ на входе делителя и р₂ на выходе делителя должны быть постоянны. Сравнительный делитель II питается сравнительным газом постоянного состава (например, воздухом), также имеющим постоянные давления питания р₃ и р₄. При изменении состава анализируемой газовой смеси меняются значения ее параметров ρ, μ и k. Вследствие различного изменения газодинамических сопротивлений дросселей 1 я 2 соответственно изменяется междроссельное давление р_а, регистрируемое дифманометром 5. Применение сравнительного делителя (дроссели 3 и 4) позволяет повысить чувствительность измерения и уменьшить влияние неинформативных параметров (температура, барометрическое давление) на результат измерения.

Мостовую измерительную схему дроссельного газоанализатора образуют также из двух делителей давления, однако в отличие от дифференциальной схемы мостовая схема имеет общий источник питания — на вход обоих делителей поступает один и тот же анализируемый газ с одинаковыми для обоих делителей давлениями питания. Возможны разнообразные варианты построения мостовых измерительных схем с различным сочетанием турбулентных и ламинарных дросселей в различных режимах снятия выходного сигнала моста. В частности, различают мостовые схемы с бесконечным входным сопротивлением вторичного преобразователя (при фиксировании выходного сигнала дифманометром) и с нулевым входным сопротивлением вторичного преобразователя (для случая, когда в выходной диагонали моста имеется проточный канал, в котором установлен чувствительный элемент расходомера).

На рис. 2 показана принципиальная измерительная схема газоанализатора, построенного на базе мостовой дроссельной схемы. Измерительная схема составлена из двух разнотипных делителей давления: турбулентно-ламинарного, составленного из дросселей 1 и 2, и ламинарно-турбулентного, составленного из дросселей 3 и 4. В одно из плеч моста входит также подстроечный дроссель 6, служащий для начального уравновешивания измерительной схемы. Схема работает в безнагрузочном режиме, так как в измерительную диагональ включен дифманометр 5. Регуляторы 7 и 8 абсолютного давления р_а устанавливают давления питания р₁ и р₂ измерительной схемы.

Рис. 1. Принципиальная измерительная дифференциальная схема дроссельного газоанализатора

Рис. 2. Принципиальная измерительная мостовая схема дроссельного газоанализатора

При изменении состава анализируемой газовой смеси, поступающей в регулятор 7, изменяются газодинамические сопротивления всех дросселей моста, вследствие чего изменяются междроссельные давления р_а и р_б, причем за счет применения в схеме разнотипных делителей давления р_а и р_б изменяются в противоположные стороны. Таким образом, мостовая схема обеспечивает большую чувствительность измерения, чем дифференциальная измерительная схема.