|
ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ
Кислород обладает особым физическим свойством — парамагнетизмом. Магнитные свойства веществ проявляются в способности намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. Для газов, которые относятся к неферромагнитным веществам, намагниченность , где Н — напряженность магнитного поля; — коэффициент пропорциональности, называемый объемной магнитной восприимчивостью вещества. Для парамагнитных веществ, которые притягиваются магнитным полем, > 0, а для диамагнитных веществ, которые выталкиваются из магнитного поля, < 0.
Удельная магнитная восприимчивость газа (отнесенная к 1 г вещества)
(1)
где — плотность газа.
В зависимости от абсолютного давления р и температуры Т плотность газа
(2)
где М — молекулярная масса; R — газовая постоянная.
С учетом выражения (1) и (2) можно записать выражение для объемной восприимчивости диамагнитных газов или
(3)
где — объемная магнитная восприимчивость при нормальных условиях (температура Т0 = 273,15 К и давление р0 = 101 325 Па).
Для кислорода (парамагнитного газа) согласно закону Кюри k = С/Т (где С — постоянная Кюри) и или
(4)
Из выражения (4) следует, что х зависит от температуры и давления, а следовательно, и от плотности.
Объемная магнитная восприимчивость смеси газов, которые не вступают в химическое взаимодействие, подчиняется правилу аддитивности:
где и — магнитная восприимчивость и относительная объемная концентрация i-гo компонента; п — общее число компонентов смеси.
Из всех газов наибольшей магнитной восприимчивостью обладает кислород, магнитная восприимчивость которого на 2— 3 порядка больше по сравнению с другими газами (кроме кислорода, парамагнитными газами можно считать только N0 и N02, но эти газы не подчиняются закону Кюри). Это позволяет использовать магнитные свойства кислорода для избирательного измерения его концентрации в промышленных газовых смесях.
Непосредственное измерение объемной магнитной восприимчивости сложно, поэтому измерения содержания кислорода в газовых смесях основаны на косвенных методах, связанных с магнитными свойствами кислорода. Из косвенных методов наибольшее применение получил термомагнитный метод, основанный на использовании изменения объемной магнитной восприимчивости кислорода при изменении его температуры. В основе термомагнитного метода лежит явление термомагнитной конвенкции, сущность которого заключается в следующем. Если нагретый электрическим током проводник поместить в неоднородное магнитное поле, то вследствие уменьшения объемной магнитной восприимчивости кислорода, обусловленной нагреванием газовой смеси вблизи проводника, создается движение газовой смеси в направлении от больших напряженностей магнитнго поля к меньшим. Усилие, перемещающее объем газа, можно рассчитать по уравнению
где dH/dl — градиент напряженности магнитного поля в направлении действия силы; V — объем газа. С учетом формулы (4) можно записать
где - коэффициент пропорциональности.
Из уравнения (4) следует, что с повышением температуры объемная магнитная восприимчивость газа уменьшается. Это приводит к возникновению вынужденного потока газовой смеси, в котором нагретая газовая смесь непрерывно вытесняется холодной смесью. Создающийся поток называют потоком термомагнитной конвекции.
На рис. 1 приведена принципиальная схема термомагнитного газоанализатора. Датчик газоанализатора состоит из кольцевой камеры с горизонтальной стеклянной трубчатой перемычкой, помещенной между полюсами постоянного магнита так, что магнитное поле создается на одной стороне измерительной перемычки. На стеклянную перемычку навита двухсекционная нагреваемая обмотка из тонкой платиновой проволоки. Секции обмоток представляют собой два плеча неуравновешенного моста и служат измерительными элементами. Двумя другими плечами являются манганиновые резисторы R1 и R2.
При наличии в газовой смеси кислорода часть потока ответвляется в перемычку, где образуется поток газа в направлении слева направо (от большей напряженности магнитного поля к меньшей). Образующийся конвекционный поток газа переносит теплоту от обмотки R3 к R4, вследствие чего изменяются температура секций (R3 охлаждается, R4 нагревается) и их сопротивление. Разность сопротивлений функционально связана с концентрацией кислорода в исследуемой газовой смеси.
Разбаланс моста измеряется вторичным прибором, шкала которого отградуирована в единицах концентрации кислорода. Измерительный мост питается постоянным током от стабилизированного источника питания. Резистор R5 служит для регулирования силы тока питания моста.
Для обеспечения постоянства температуры датчик термостатирован. Система термостатирования обеспечивает постоянство температуры с точностью ±1 °С. Основная погрешность прибора не превышает ±2,5 % диапазона шкалы.
При больших концентрациях кислорода скорость термомагнитной конвекции становится настолько большой, что перераспределение температур между секциями измерительной обмотки нарушается, и чувствительность прибора падает. Если кислород содержится в больших количествах, то применяют газоанализаторы, в которых для уменьшения скорости термомагнитного потока создается противоположно направленный поток тепловой конвекции. С этой целью измерительную перемычку датчика располагают вертикально так, что конец трубки в магнитном поле расположен сверху. Для повышения чувствительности прибора уменьшают напряженность магнитного поля и повышают температуру измерительной обмотки.
Такие газоанализаторы используют для контроля чистоты кислорода при его содержании от 20 до 100 %. Основная погрешность прибора ±5 %. Основными источниками погрешностей при термомагнитном методе измерения являются изменения: температуры окружающей среды, влияющей на объемную магнитную восприимчивость газовой смеси; температуры нагрева чувствительного элемента (напряжения питания измерительного моста); давления анализируемой газовой смеси или атмосферного давления; напряженности магнитного поля в результате старения магнитов. Для устранения погрешностей измерения в рассмотренных термомагнитных газоанализаторах применяют специальные системы термостатирования, различные системы стабилизации питания измерительной схемы и устройства для стабилизации давления анализируемой смеси (регуляторы давления, регулирующие ротаметры).
Рис. 1. Принципиальная схема термомагнитного газоанализатора
Рис. 2. Компенсационная измерительная схема термомагнитных газоанализаторов
Указанных погрешностей лишены термомагнитные газоанализаторы с компенсационными мостовыми измерительными схемами (рис. 2). В этих газоанализаторах один или два элемента плеч 1—8 (противоположные плечи) каждого из мостов помещены в неоднородное магнитное поле, создаваемое магнитами 9. Смежными плечами этих элементов являются чувствительные элементы, помещенные в такие же тепловые условия, но без магнитного поля. Чувствительные элементы сравнительного моста I омываются воздухом, рабочего моста II — анализируемой газовой смесью. Изменения температуры, давления и силы тока питания одинаково влияют на напряжения в измерительных диагоналях каждого из мостов, поэтому на показаниях газоанализатора эти изменения не сказываются. Применение кольцевых магнитных систем позволяет исключить влияние изменения напряженности магнитного поля из-за старения магнитов. Газоанализаторы изготовляют на различные пределы измерения.
Do'stlaringiz bilan baham: |
