Устройство для определения концентрации кислорода

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в энергетических системах для повышения пожарной безопасности.

Известен газоанализатор (см. Информационно-измерительная техника и электроника. Учебник. Под редакцией Г.Г. Раннева. Издательство «Академия», 2007, стр. 391), принцип действия которого основан на изменении сопротивления проводника в зависимости от теплопроводности смеси газов. В этом измерительном приборе на основе измерения теплопроводности газовой смеси сопротивлением чувствительного элемента (теплового преобразователя) с учетом известного процентного содержания одного компонента смеси и теплопроводности этого же компонента можно вычислить процентное содержание второго компонента смеси.

Недостатком этого известного устройства является погрешность измерения из-за отсутствия информации о теплопроводности и процентном содержании неизмеряемого компонента смеси.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятая автором за прототип система пожарного мониторинга на объектах энергетики с использованием термомагнитных газоанализаторов кислорода (см. Зыков В.И., Крупин М.В., Левчук М.С. и др. Система пожарного мониторинга на объектах энергетики с использованием термомагнитных газоанализаторов кислорода // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация.- 2012. - №3. - С. 64-70), содержащая рабочий (для детектирования контролируемого параметра смеси) и сравнительный (для компенсации погрешностей, вызванных неконтролируемым параметром смеси) сравнительные элементы, представляющие собой полые спирали. Сравнительный чувствительный элемент размещается в том месте смеси, где нет искусственного магнитного поля, а рабочий чувствительный - там, где есть термомагнитная конвекция смеси (наличие магнитного поля). Чувствительные элементы соединяются по уравновешиваемой мостовой схеме. В рассматриваемом случае из-за термомагнитной конвекции изменяется температура рабочего чувствительного элемента, что в свою очередь приводит к изменению его сопротивления. В результате из-за разбаланса измерительного моста на его выходе возникает сигнал, по величине которого можно судить о концентрации кислорода в анализируемой газовой среде.

Недостатком данной системы мониторинга можно считать невысокую точность измерения из-за влияния температуры окружающей среды на вторичную цепь измерения сопротивлений спиралей.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения концентрации кислорода.

Технический результат достигается тем, что в устройство для определения концентрации кислорода, содержащее чувствительный элемент, расположенный в измерительной камере, и блок питания, введен частотомер, чувствительный элемент выполнен в виде микроволнового генератора, причем выход блока питания соединен с входом питания микроволнового генератора, выход мощности микроволнового генератора подключен к входу частотомера.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение частоты микроволнового генератора дает возможность определить концентрацию кислорода.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу определения концентрации кислорода в газовой смеси на основе измерения частоты микроволнового генератора с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения кислорода.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Данное устройство содержит блок питания 1, соединенный с входом питания микроволнового генератора 2, и частотомер 3. На рисунке цифрами 4 и 5 обозначены соответственно канал, по которому протекает контролируемая газовая смесь, и измерительная камера.

Принцип работы предлагаемого устройства основан на парамагнитных свойствах кислорода, магнитная восприимчивость которого в сотни раз выше, чем у других газов (диамагнитных). Благодаря этому представляется возможность использовать магнитные свойства кислорода для избирательного определения его концентрации в промышленных газовых смесях (наличие в смеси неоднородного магнитного поля и температурного градиента).

В рассматриваемом случае чувствительный элемент плотности кислорода в виде микроволнового генератора на диоде Ганна помещают в измерительную камеру 5 с контролируемой газовой смесью при наличии в ней неоднородного магнитного поля. Для создания магнитного поля в смеси могут быть использованы постоянные магниты, а для образования необходимого температурного градиента в смеси - сам чувствительный элемент (микроволновый генератор 2).

Известно, что при нагревании чувствительного элемента (микроволновый генератор), помещенного в газовую смесь, его теплота за счет явления конвекции отдается в окружающую среду. В результате нагретый чувствительный элемент охлаждается и его электрическое сопротивление изменяется.

Пусть контролируемой газовой смесью является кислород (парамагнитный газ) с каким-то другим газом, например промышленным газом (диамагнитный газ). При наличии в данной газовой смеси одновременно неоднородного магнитного поля и температурного градиента, в смеси возникнет термомагнитная конвекция, которая будет охлаждать чувствительный элемент.

При этом интенсивность термомагнитной конвекции зависит от магнитной восприимчивости парамагнитного газа (кислорода) и для ее определения достаточно оценить изменение электрического сопротивления чувствительного элемента, охлажденного магнитным ветром (термомагнитной конвекцией). В заявляемом техническом решении, так как в качестве чувствительного элемента используется микроволновый генератор на диоде Ганна, то охлаждающие свойства охлажденного магнитным ветром диода Ганна могут быть использованы для определения концентрации кислорода.

В рассматриваемом устройстве анализируемый парамагнитный газ, протекающий непрерывно в канале, втягивается в специальную измерительную камеру с магнитной системой, между полюсами которой находится микроволновый генератор на диоде Ганна. Генератор снабжен входным и выходным окошечками для прохождения газа. Между этими окошечками вертикально расположен диод, который нагревается током. Одновременно с этим данный диод является активным элементом микроволнового генератора, частота которого определяется вольт-амперными характеристиками диода и геометрическими размерами резонатора генератора. При взаимодействии газа с нагретым диодом возникает термомагнитная конвекция, охлаждающая диод. В силу этого сопротивление диода изменится в зависимости от интенсивности термомагнитной конвекции, которая в свою очередь является функцией восприимчивости парамагнитного газа. Изменение сопротивления диода приведет к изменению частоты микроволнового генератора. Отсюда можно заключить, что при постоянных геометрических размерах резонатора генератора и постоянном питающем напряжении (питание постоянным напряжением микроволнового генератора) изменение частоты генератора может быть использовано для оценки восприимчивости парамагнитного газа.

Как известно, для парамагнитных газов, к которым относится кислород, объемная магнитная восприимчивость χ зависит от температуры и плотности газа и может быть выражена как

χ=Cρ/ Т,

где С - постоянная Кюри, Т - температура, ρ - плотность парамагнитного газа.

Из этой формулы видно, что объемная магнитная восприимчивость одновременно является функцией плотности и температуры. Следовательно, при определенной температуре в газовой смеси скорость движения потока газа, поступающего во входное окошечко генератора, будет пропорциональна концентрации (плотности) парамагнитного газа (кислорода) в смеси. В соответствии с этим любое изменение сопротивления диода за счет изменения концентрации кислорода обеспечит изменение частоты микроволнового генератора, которая даст возможность измерить плотность (концентрации) кислорода.

Согласно предложенному устройству предварительно вход питания микроволнового генератора 2 подключается к выходу блока питания 1, а выход мощности генератора - к входу частотомера 3.

Устройство работает следующим образом. Контролируемую газовую смесь, непрерывно протекающую по каналу 4, направляют в измерительную камеру, содержащую постоянную магнитную систему и микроволновый генератор на диоде Ганна. Газ, пройдя через входное окошечко, взаимодействует с диодом и далее с помощью выходного окошечка удаляется из измерительной камеры. При этом изменение концентрации кислорода в измерительной камере, приводящее к изменению частоты генератора из-за изменения сопротивления диода, фиксируется частотомером. Следовательно, оценка частоты генератора частотомером даст возможность измерить концентрацию кислорода.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении, на основе измерения частоты микроволнового генератора, активный элемент (диод) которого используется одновременно как нагреватель газовой смеси, можно обеспечить повышение точности измерения концентрации кислорода.

Предлагаемое устройство успешно может быть использовано для обеспечения энергетической безопасности на атомных и других электростанциях при раннем обнаружении начальной фазы развития пожара.