4. Магнітні газоаналізатори

Магнітні газоаналізатори застосовуються для визначення концентрації кисню в різних газових сумішах: у надвинному просторі в резервуарах, у робочих просторах випарних і сушильних камер і в інших випадках.

Принцип дії магнітних газоаналізаторів заснований на розходженні магнітних властивостей компонентів газових сумішей. Магнітні властивості газів оцінюються питомої магнитною сприйнятливістю х, що показує реакцію 1 г газу на дію магнітного поля. По магнітних властивостях гази діляться на парамагнітні

(і>0) і діамагнітні (і<0). Парамагнітні гази втягуються в магнітне поле, а діамагнітні виштовхуються з нього. Магнітні властивості газів змінюються зі зміною температури. З ростом температури парамагнітних газів їхня магнітна сприйнятливість зменшується. Нижче наведені значення відносної магнітної сприйнятливості деяких газів і їх сумішей стосовно кисню при 20° С.

Кисень – Азот – Водень – Повітря + 1. -0,004 -0,0011 -0,21

Диоксид вуглецю -0,0057

Оксид азоту +0,362

Метан —0,0068

Кисень і оксид азоту мають найбільшу магнітну сприйнятливість у порівнянні з іншими газами. Таким чином, магнітна сприйнятливість газової суміші, що містить кисень, змінюється в основному за рахунок зміни в ній концентрації кисню.

Магнітні газоаналізатори підрозділяються на термомагнітні й магнітопневматичні, однак останні широкого розповсюдження не одержали.

Принцип дії термомагнітних газоаналізаторів полягає у наступному. Якщо парамагнітний газ помістити в неоднорідне магнітне поле із градієнтом напруженості d/dl, то на кожний елементарний обсяг газу. d буде діяти сила Fv, що прагне перемістити його в область більшої напруженості. Величина цієї сили:

(Х.6)

Відомо, що питома магнітна сприйнятливість парамагнітних газів залежить від температури й виражається формулою:

(X7)

де х і хо — значення магнітної сприйнятливості відповідно при тисках , р – при температурах Т і Та.

Підставляючи (Х.7)'в (Х.6), одержуємо:

(X8)

де ДО — коефіцієнт пропорційності;

(X9)

З рівняння (Х.8) треба, що із двох елементарних обсягів парамагнітного газу, що перебувають у магнітному полі, але які мають різну температуру, на обсяг більше холодного газу буде впливати більша сила, у результаті чого цей обсяг може «виштовхнути» обсяг газу, більше нагрітого, в область меншої напруженості магнітного поля. Таким чином, виникає рух газу, яке називають термомагнітною конвенцією. У вимірювальному перетворювачі термомагнітного газоаналізатора (мал. Х.4) аналізований газ протікає через кільцеву камеру, що представляє собою порожнє кільце з тонкою трубкою (перемичкою, установленої по діаметрі цього кільця. На перемичці намотана спіраль із платинового дроту. Спіраль складається із двох секцій, резисторів R1 і R2, що нагріваються до температури 200—250° С від джерела електричного струму Е. Платинові резистори є одночасно й нагрівальними, і чутливими елементами, включеними у вимірювальну схему,, (складену з резисторів R1 і R2 і постійних резисторів R3 і R4).

Рис. Х.4 Принципова електрична схема вимірювального перетворювача термомагнітного газоаналізатора.

При відсутності кисню в аналізованій газовій суміші її обсяг, який заповнює перемичку, не рухається, тобто термомагнітна конвекція відсутня. При наявності кисню в суміші внаслідок взаємодії його молекул з магнітним полем усередині перемички утвориться конвективний потік газу, спрямований уздовж її осі (на малюнку ліворуч праворуч). Цей потік охолоджує секцію, що перебуває у міжполюсному просторі магніту, і передає частину теплоти секції R2. Це викликає відповідну зміну температури секцій, а отже, і електричного опору, що сприймається вимірювальним приладом ИП, включеним у діагональ мостової вимірювальної схеми.

Для підвищення чутливості і зменшення похибки вимірів у промислових магнітних газоаналізаторах використовуються компенсаційні вимірювальні схеми із двома (або чотирма) кільцевими камерами, включеними у відповідні плечі двох мостів — вимірювального й порівняльного. Зміна температури й тиску аналізованого газу, а також напруги живлення вимірювальної схеми однаково впливає на напруги у вимірювальних діагоналях кожного з мостів, тому на показаннях газоаналізатора ці зміни не позначаються. З метою виключити вплив, зовнішніх факторів у термомагнітних газоаналізаторах температура аналізованого газу й внутрішнього обсягу корпуса вимірювального перетворювача звичайно стабілізується за допомогою спеціального вузла термостатування. Крім того, напруга живлення вимірювальної схеми й величина витрати аналізованого газу, що пропускається через кільцеву камеру, повинні бути стабілізовані.

Термомагнітні газоаналізатори, що випускаються, охоплюють всі діапазони виміру -від 0-0,5 до 90-100% з основною погрішністю ±0,5-10% від діапазону виміру й призначені для визначення концентрацій кисню в різні газові середовища.