21-4. Магнитные газоанализаторы

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

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

Для неферромагнитных веществ, к которым относятся газы, намагниченность или интенсивность намагничивания (т. е. сумма магнитных моментов, приходящихся на единицу объема) пропорциональна напряженности магнитного поля Н:

где коэффициент пропорциональности, называемый объемной 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 к 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, проявляется также очень слабо.

Удельная магнитная восприимчивость определяется отношением объемной магнитной восприимчивости к к плотности газа

Плотность газа в зависимости от абсолютного давления и температуры определяется выражением

где молекулярная масса; газовая постоянная.

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

смеси газов в рабочем состоянии при и может быть определена по формулам, приведенным в § 14-5,

Удельная магнитная восприимчивость диамагнитных газов не зависит от агрегатного состояния газа, температуры и давления Объемная магнитная восприимчивость диамагнитных газов с учетом приведенных выше выражений равна:

или

где - объемная магнитная восприимчивость при нормальных температуре К и давлении Из выражения (21-4-4) видно, что к для диамагнитных газов при постоянном давлении обратно пропорциональна температуре.

Удельная магнитная восприимчивость парамагнитных газов зависит от температуры. Это объясняется тем, что в нейтральном состоянии направление осей магнитных моментов молекулярных круговых токов ориентированы хаотично, но при наличии внешнего магнитного поля оси магнитных моментов стремятся расположиться вдоль этого поля. Тепловое движение отдельных молекул и атомов внутри вещества мешает этому, и, следовательно, эффект уменьшается с ростом температуры. Это положение лежит в основе закона Кюри, согласно которому для кислорода обратно пропорциональна абсолютной температуре

где С — постоянная Кюри.

Объемная магнитная восприимчивость парамагнитных газов с учетом выражений (21-4-2), (21-4-3) и (21-4-6) равна:

или

Из этого уравнения следует, что объемная магнитная восприимчивость зависит от температуры и давления, а следовательно, и от плотности газа.

Объемная магнитная восприимчивость смеси газов при отсутствии химического взаимодействия определяется по формуле

где объемная концентрация кислорода в смеси (в долях единицы); х - магнитная восприимчивость кислорода; -объемная концентрация некислородного компонента смеси (в долях единицы); магнитная восприимчивость некислородного компонента смеси; магнитная восприимчивость некислородной части смеси.

Если газовые смеси (например, продукты горения и промышленные газы) состоят из кислорода и диамагнитных газов, то уравнение (21-4-9) с учетом (21-4-5) и (21-4-8) принимает вид:

где магнитная восприимчивость диамагнитной части смеси при нормальных температуре и давлении

Из изложенного выше следует, что объемная магнитная восприимчивость газовой смеси зависит от магнитных свойств всех входящих в нее компонентов, а также от температуры и давления газа.

В табл. 21-4-1 приведены значения объемной магнитной восприимчивости некоторых газов при 0° С. Из приведенной таблицы видно, что кислород обладает значительно большей магнитной восприимчивостью по сравнению с другими газами. Благодаря этому представляется возможность использовать магнитные свойства кислорода для избирательного определения его концентрации в промышленных газовых смесях. Как видно из таблицы, лишь два газа — окись и двуокись азота — имеют относительно большую магнитную восприимчивость. Однако эти газы встречаются очень редко в смесях промышленных газов.

Таблица 21-4-1 (см. скан) Объемная магнитная восприимчивость некоторых газов при ( С

Абсолютное значение объемной магнитной восприимчивости кислорода, как видно из табл. 21-4-1, весьма мало и может быть точно измерено лишь специальными высокочувствительными методами. Поэтому в существующих магнитных газоанализаторах для измерения концентрации кислорода в газовых смесях используются косвенные методы, те или иные физические явления, связанные

с магнитными свойствами кислорода. таким явлениям, используемым для создания магнитных газоанализаторов, относятся следующие:

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

2. Парамагнитный газ, находящийся в магнитном поле, изменяет свою теплопроводность.

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

4. Тело, находящееся в парамагнитной газовой среде и неоднородном магнитном поле, испытывает выталкивающее или втягивающее воздействие при одновременном изменении магнитной восприимчивости окружающего его газа.

В соответствии с физическим явлением, положенным в основу принципа работы прибора, магнитные газоанализаторы подразделяют 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 монографии Д. И. Агейкина [90].

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

Термомагнитные газоанализаторы. Термомагнитные газоанализаторы основаны на использовании явления термомагнитной конвекции парамагнитного газа, возникающей при наличии неоднородного магнитного поля и нагретого тела (температурного градиента). Между термомагнитной конвекцией и естественной тепловой конвекцией (свободным движением) имеется аналогия. Известно, что естественная тепловая конвекция возникает около горячей (или холодной) поверхности, окруженной газом (жидкостью), при наличии гравитационного поля. От соприкосновения с горячей поверхностью тела газ нагревается, его температура по сравнению с температурой 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 гравитационного поля. На их место поступают другие, холодные частицы, которые также нагреваются и поднимаются. Возникновение и интенсивность естественной конвекции всецело определяются тепловыми условиями процесса и зависят от рода жидкости, разности температур и объема пространства, в котором протекает процесс.

В термомагнитном газоанализаторе анализируемый парамагнитный газ, протекающий непрерывно в канале, втягивается в специальную измерительную камеру с магнитной системой, между

полюсами которой находится нагреваемый током чувствительный элемент (рис. 21-4-1). Газ, соприкасаясь с чувствительным элементом, нагревается, и магнитная восприимчивость его уменьшается. Вследствие этого нагретый газ выталкивается из магнитного поля холодным газом, протекающим в канале, и около нагретого чувствительного элемента возникает непрерывный поток газа (на рис. 21-4-1 показан пунктирными стрелками), движущийся в сторону падения напряженности магнитного поля. Этот поток газа, носящий название термомагнитной конвекции или магнитного ветра, охлаждает чувствительный элемент. Интенсивность термомагнитной конвекции, зависящую от магнитной восприимчивости парамагнитного газа, оценивают по изменению электрического сопротивления чувствительного элемента, вызванного его охлаждением. Для измерения изменения сопротивления чувствительного элемента применяют неуравновешенную мостовую или компенсационную мостовую схему.

Рис. 21-4-1. Схемы измерительных камер приемного преобразователя термсмагнитного газоанализатора. а — с диффузионным подводом газа; б - прямоточная со сбросом части газа; 1 — канал, по которому протекает анализируемый газ; 2 — измерительная камера; 3 — чувствительный элемент; 4 — постоянный магнит.

Магнитное поле в зоне чувствительного элемента обычно создают с помощью постоянного магнита. Неоднородное магнитное поле, как правило, возникает вблизи кромок полюсов постоянного магнита, около которых в измерительной камере располагают чувствительный элемент или нагреватель.

Рассмотрим силы, действующие на единичный объем кислородосодержащей газовой смеси, нагретый до температуры и окруженный смесью газа того же состава с температурой

Сила, обусловленная тепловой конвекцией при наличии гравитационного поля с ускорением свободного падения равна:

где плотность газовой смеси при давлении и температурах

С учетом выражений (14-5-2), (14-5-3) и (14-5-6) уравнение (21-4-11) принимает вид:

где — плотность газовой смеси при

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

где и магнитная восприимчивость газовой смеси при давлении и температурах и координата.

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

Следует отметить, что сила всегда сопутствует силе причем они могут иметь различные направления в пространстве. Вследствие этого результирующая сила определяется как сумма векторов:

Непосредственное измерение силы 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 является 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, установленного в измерительной камере с неоднородным магнитным полем, осуществляется посредством теплопроводности окружающей газовой среды, тепловой и термомагнитной конвекции и лучеиспускания. 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, ) от градуировочных значений в анализируемой газовой смеси может привести к изменению показаний газоанализатора, так как теплопроводность, вязкость и другие свойства их влияют на процесс теплообмена.

Уменьшение влияния теплопроводности неопределяемых компонентов газовой смеси на показания газоанализатора может быть достигнуто путем выбора для каждого случая измерения концентрации 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

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

Подробно процесс теплообмена в измерительных камерах, влияние различных факторов на показания термомагнитных газоанализаторов и мероприятия, уменьшающие их воздействие, рассматриваются в [90].

Следует отметить, что комплекс задач по измерению кислорода в различных условиях не может быть решен на базе одного типа термомагнитного газоанализатора с использованием одной универсальной 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 термомагнитной и естественной тепловой конвекций выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к прибору.

Измерительные камеры в применяемых термомагнитных газоанализаторах 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 В этой камере термомагнитная и тепловая конвекции взаимно перпендикулярны. Недостатком газоанализатора с такой камерой является зависимость 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 показание прибора изменения расхода газа. Однако при диффузионном теплообмене несколько увеличивается инерционность газоанализатора. Уменьшение транспортного запаздывания в подводящей линии осуществляется путем сброса части газа перед камерой.

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

Измерительная камера приемного преобразователя газоанализатора выполнена в виде полого металлического кольца, по горизонтальному диаметру которого установлена тонкостенная стеклянная трубка. На этой трубке расположены два рабочих чувствительных элемента которые нагреваются током примерно до 100° С, а в некоторых модификациях — до 200° С. Элементы выполнены в виде спиралей из тонкой платиновой проволоки диаметром Чувствительный элемент расположен между полюсами постоянного магнита Рабочие чувствительные элементы и резисторы из манганиновой проволоки образуют четыре плеча измерительного неравновесного моста,

В измерительную диагональ моста включен вторичный прибор ВП (автоматический потенциометр или милливольтметр). Питание моста осуществляется постоянным током от стабилизированного источника МПС.

При протекании через кольцевую камеру преобразователя контрольного газа, не содержащего кислород, схема моста должна быть уравновешена, а указатель вторичного прибора должен находиться на начальной отметке шкалы. Незначительное отклонение от равновесия схемы в момент проверки нуля устраняется с помощью регулируемого резистора .

Рис. 21-4-2. Схема термомагнитного газоанализатора на с кольцевой измерительной камерой.

В рабочем режиме анализируемый газ, поступающий в измерительную кольцевую камеру через нижний канал, свободно протекает в левой и правой половине кольца и выходит через верхний канал. Если газовая смесь содержит то она втягивается в стеклянную трубку, нагревается чувствительным элементом и магнитная восприимчивость смеси уменьшается.

Нагретый газ в трубке выталкивается из магнитного поля более холодным газом, протекающим в левой половине кольца, и в зоне нагретого чувствительного элемента в трубке возникает поток внутренней термомагнитной конвекции, который направлен в сторону падения напряженности магнитного поля (на рис. 21-4-2 направление потока показано пунктирной стрелкой). При этом поток термомагнитной конвекции охлаждает чувствительный элемент и часть тепла отдает чувствительному элементу который нагревается. Это приводит к уменьшению сопротивления плеча и некоторому увеличению сопротивления Изменение сопротивления рабочих чувствительных элементов нарушает равновесие моста и вызывает изменение напряжения на вершинах измерительной диагонали моста, пропорциональное содержанию кислорода в анализируемой газовой смеси. Измерение напряжения на вершинах моста осуществляется вторичным прибором, шкала которого отградуирована в процентах по объему кислорода.

Термомагнитные газоанализаторы на 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 выпускаются обычно с диапазонами измерений и Пределы допускаемой основной погрешности не превышают ±2,5% диапазона измерений.

Рассмотренные газоанализаторы чувствительны к изменениям температуры окружающего воздуха, давления и расхода газовой смеси, кроме того, их показания зависят от угла наклона кольцевой камеры. Для уменьшения влияния изменения температуры окружающего воздуха приемные преобразователи термостатируют. В некоторых случаях приборы этого типа выполняются с компенсацией по температуре и давлению. Для уменьшения транспортного запаздывания в подводящей линии предусмотрен канал для частичного сброса газа, контроль расхода газа производится с помощью 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 и приборах аналогичного типа с диапазоном измерения 80—100 или 90—100% стеклянная трубка установлена вертикально. В этом случае термомагнитная конвекция направлена вниз, а тепловая конвекция вверх. За счет тепловой конвекции нуль шкалы газоанализатора подавлен. В диапазоне измерения чувствительность прибора возрастает, так как термомагнитная конвекция превышает тепловую. В некоторых типах газоанализаторов с кольцевой камерой наклон стеклянной трубки используется для уменьшения влияния изменения атмосферного давления.

Газоанализаторы и другие модификации приборов этого типа [75] применяются главным образом в металлургической промышленности для определения кислорода в продуктах горения, в обогащенном дутье и в других технологических газовых смесях. Термомагнитные газоанализаторы этого типа на ТЭС не применяются.

В получивших распространение на ТЭС и в промышленности термомагнитных газоанализаторах для определения в продуктах горения и в газовых смесях используется компенсационно-мостовая измерительная схема. В этих газоанализаторах применяется диффузионный 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 схема применяется также в газоанализаторах, предназначенных для определения кислорода в воздухе, азотно-кислородной и кислородноазотной смесях. В этих приборах поток термомагнитной конвекции перпендикулярен или направлен навстречу потоку тепловой конвекции. Газоанализаторы этих типов, разработанные аналитического приборостроения АН СССР, изготовляются серийно Выруским заводом газоанализаторов [89],

На рис. 21-4-3 приведена принципиальная схема термомагнит-ного газоанализатора, применяемого для определения кислорода в продуктах горения и других газовых смесях. Измерительная компенсационная схема этого прибора в принципе аналогична измерительной схеме, применяемой в рассмотренных выше термокондукто-метрических газоанализаторах.

Рис. 21-4-3. (см. скан) Термомагнитный газоанализатор на 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 измерительных мостов, соединенных между собой по компенсационной схеме. Мосты преобразователя питаются переменным током напряжением 24 В от двух вторичных обмоток трансформатора подключенного к стабилизатору

Напряжение на зажимах мостов с помощью балластных резисторов устанавливается равным Регулируемый резистор служит для регулировки чувствительности газоанализатора. Вторичный прибор выполнен на базе автоматического уравновешенного моста или других типов.

Реохорд вторичного прибора включен в измерительную диагональ сравнительного моста приемного преобразователя. К токоотводу реохорда и к вершине рабочего моста подключен вход электронного усилителя.

Чувствительные элементы рабочего моста и находящиеся в измерительных камерах, омываются анализируемым газом. Чувствительные элементы сравнительного моста размещенные в камерах, омываются воздухом, поступающим через фильтры. Чувствительные элементы расположены в неоднородном магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами Чувствительные элементы изготовлены из платиновой проволоки диаметром в виде спиралей, вплавленных в стеклянные капилляры, и снабжены токоподводами. Остальные плечи мостов преобразователя выполнены из манганиновой проволоки. Для уменьшения температурной погрешности измерительной схемы преобразователя последовательно с плечами мостов включают термокомпенсирующие резисторы, выполненные из медного провода на латунном каркасе. Эти резисторы на рис. 21-4-3 не показаны.

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

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

где отношение длины участка реохорда выше движка к полной его рабочей длине; 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 изменится и на входе усилителя появится напряжение небаланса

которое усиливается усилителем до размера, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя. Выходной вал реверсивного двигателя через систему кинематической передачи воздействует на движок реохорда, изменяя компенсирующее напряжение до тех пор, пока оно не уравновесит изменившееся напряжение на вершинах рабочего моста Одновременно вал реверсивного двигателя перемещает в соответствующее положение каретку с указателем и пером, фиксируя новое значение концентрации кислорода в анализируемом газе.

В реальной измерительной схеме приемного преобразователя имеются вспомогательные резисторы и два резистора для компенсации сопротивления нерабочего участка реохорда вторичного прибора. Кроме того, в измерительной схеме предусмотрен тумблер, который имеет два положения «измерение» и «контроль». При включении тумблера в положение «контроль» производится контроль чувствительности газоанализатора при одновременном пропускании воздуха через измерительные камеры рабочего моста. При нормальной 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 реостата

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

Рассмотренная принципиальная измерительная схема термомагнитного газоанализатора используется в приборах типа предназначенных для определения в продуктах горения и газовых смесях, содержащих кроме кислорода и

Рассмотрим газовую схему газоанализатора типа показанную на рис. 21-4-4. Анализируемый газ из отборного устройства поступает в блок очистки, в котором последовательно проходит 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 охлаждении пробы газа в трубках холодильника. Излишек воды из фильтра вытекает через трубку в сливной сосуд 6, который образует одновременно и водяной затвор. Для контроля расхода анализируемого газа и давления в подводящей линии перед приемным преобразователем установлен ротаметр — индикатор расхода 7, а за

преобразователем — жидкостныи 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 сравнительного моста преобразователя сообщаются с атмосферой через фильтры 12, которые предохраняют камеры от попадания пыли,

Рис. 21-4-4. Газовая схема термомагнитного газоанализатора на типа

Газоанализаторы типа имеют шкалу по объему Пределы допускаемой основной погрешности ±0,25% Газоанализаторы типа выпускаются со следующими шкалами: по объему Пределы допускаемой основной погрешности шкалы для шкал для шкал от до 50—100% и для шкалы 80—100% 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 а для прибора со шкалой 80—100% Время установления постоянных показаний прибора при изменении концентрации кислорода на входном штуцере приемного преобразователя не превышает 1,5 мин для прибора а для газоанализатора со шкалами от до с остальными шкалами.

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