Расчет термокондуктометрического газоанализатора

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.  Расчет детектора термокондуктометрического газоанализатора

1.1 Построение физической и математической моделей детектора

1.2 Определение функции преобразования

1.3 Расчет конструктивных параметров чувствительного элемента

1.4 Определение статической характеристики по каналу первичный преобразователь – схема включения

1.5 Расчет погрешности измерения

2. Расчет датчика силы

2.1 Разработка технического задания

2.2 Анализ технического задания

2.3 Обзор методов преобразования силы

2.4 Обзор датчиков силы

2.5 Выбор тензорезистора

2.6 Выбор и расчет упругого элемента

2.7 Расчет частотного диапазона датчика

2.8 Расчет термокомпенсирующего сопротивления мостовой схемы

2.9 Расчет зависимости напряжения разбаланса мостовой измерительной схемы от значения действующей на упругий элемент силы.

Заключение

Список используемых источников

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

ВВЕДЕНИЕ

Датчики, измерительные преобразователи, приборы и системы являются неотъемлемой частью испытательных стендов, применяемых в сертификационных испытаниях материалов и изделий (продукции).

Понятием «датчик» в общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник и преобразователь измеряемой величины, обладающий умеренной точностью и пригодный для серийного изготовления. С ростом автоматизации измерений к датчикам физических величин стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается следующим показателям:

·  миниатюрность (возможность встраивания);

·  дешевизна (серийное производство);

·  механическая прочность;

·  точность.

Датчики, предназначенные для определения химического состава газовой смеси, получили широкое распространение, связанное прежде всего с контролем за процессами горения в целях экономии энергии и сокращения загрязнения атмосферы. Многие из новых датчиков газового состава предназначены для анализа газового состава горючих смесей или продуктов сгорания; O₂, СО, СО₂, Н₂О, SO₂, SO₃, NO_x, CH_x, и т. д.

Характеристики датчиков газового состава также претерпевают заметную эволюцию: появляются новые датчики с более высокой селективностью, происходит их миниатюризация, приспособление к измерению непосредственно в рабочем объеме; некоторые из них способны заменить сложные и громоздкие анализаторы.

Кислород в качестве объекта газового анализа занимает особое место: возможности точного и быстрого анализа этого газа, предоставляемые сегодня некоторыми датчиками и, прежде всего, датчиками на основе твердых электролитов, находят многочисленные применения в таких весьма различных областях человеческой деятельности, как химическая промышленность, металлургия, сельское хозяйство, пищевая промышленность, медицина, биология, системы кондиционирования и контроля атмосферы в лаборатории. Применение таких датчиков все расширяется, стимулируя разработку новых специальных зондов для таких газов, как Cl₂, SO₂, HCl, H₂S, H₂ и т. п.

Граница между "датчиками" и "анализаторами" в случае анализа газа является расплывчатой. При ее определении используются три критерия:

·  возможность оперативного использования в непрерывном или квазинепрерывном режиме для контроля газовой среды либо определения ее физических параметров (температуры, давления, скорости циркуляции, содержания пыли и т.п.);

·  отсутствие необходимости в использовании химических реагентов;

·  невмешательство оператора в каждое измерение (для отбора проб, поверки и т. д.).

Это определение датчиков специально дается нестрого. Анализаторы, которые не рассматриваются как датчики газового состава, — это масс-спектрометры, анализаторы на основе хемолюминесценции (ионизация газа под действием высокоэнергетического ультрафиолетового излучения) и приборы ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Возможна следующая классификация датчиков газового состава

·  электрохимические датчики на основе твердых электролитов;

·  электрические датчики;

·  катарометры;

·  парамагнитные датчики;

·  оптические датчики

В мостовую цепь детектора по теплопроводности (катарометра) включены две ячейки для измерения теплопроводности; через них протекают потоки чистого газа-носителя и бинарная смесь. Теплопроводность последней отличается от теплопроводности чистого газа-носителя; поэтому при прохождении бинарной смеси через чувствительный элемент детектора - нагретую спираль с сопротивлением 10-80 Ом - меняются температура и сопротивление спирали в зависимости от концентрации компонента. Такой детектор позволяет определять концентрации веществ в пределах 10^-1 -10^-2%.

Термокондуктометрический детектор характеризуется чувствительностью (минимально определяемая концентрация вещества), селективностью (способность избирательно определять в смеси отдельные компоненты), прямой зависимостью сигнала от концентрации.

Газоанализаторы, в которых в качестве детектора используется катарометр, применяют для определения H₂, He, CO₂, NH₃, Ar, Cl₂, HCl в технологических смесях различного состава.

Действие пламенно-ионизационного детектора основано на том, что при горении чистого водорода почти не образуются ионы (слабый ионный ток). При внесении в пламя водорода органических соединений, содержащих группу С-Н, сила ионного тока возрастает. Детектор состоит из сопла для подачи смеси газа-носителя, водорода и воздуха, при горении которых образуется микропламя. Над соплом расположен электрод-коллектор, вторым электродом является сопло. Возникающий ионный ток усиливают и измеряют. Пламенно-ионизационный детектор на 2 порядка превосходит по чувствительности катарометр и пригоден для определения следовых количеств веществ. Обслуживание и работа ПИД требует больших производственных затрат, чем при использовании детектора по теплопроводности. Поскольку необходимо применять усилитель и 3 газа (газ-носитель, водород и воздух), скорость которых регулируют одновременно. Такой детектор неприменим для определения веществ, не содержащих группу С-Н (CO₂, CCl₄, CO₂, O₂, N₂, благородные газы) или содержащих ее в небольшом количестве.

Наряду с катарометрами и ПИД выпускаются детекторы и других типов:

- детектор по измерению плотности газов;

- сенсорный детектор;

- пламенно-фотометрический, основан на измерении интенсивности излучения некоторых элементов пробы в пламени;

- электроннозахватный (или детектор по постоянству рекомбинации), основан на поглощении определяемым веществом b-излучения радиоактивного никеля;

- фотоионизационный детектор основан на измерении тока, исследуемое соединение ионизируется с помощью ренгеновских лучей.

Многоканальный газоанализатор горючих газов и паров «СИГМА-1»

Назначение: измерение довзрывных концентраций многокомпонентных воздушных смесей горючих газов и паров (метана, пропана, бутана, гептана, гексана, паров бензина, дизельного топлива и т.п.), выдача звуковых и световых сигналов оповещения, а также сигналов управления для отключающей аппаратуры при превышении заданного уровня концентрации газа в атмосфере взрывоопасных зон, производственных помещений класса В-1а и наружных установок класса В-1г.

Применение: оборудование промышленных помещений насосных станций; нефтебаз; АЗС; объектов нефтедобывающих, газодобывающих и перерабатывающих предприятий; объектов газовых хозяйств; помещений котельных; всех других объектов, где необходим постоянный контроль за концентрацией накапливающихся взрывоопасных и пожароопасных газов и паров.

Достоинства: цифровая индикация результатов измерения; удобная микропроцессорная система сбора данных; два перенастраиваемых в цифровом виде порога сигнализации; помехозащищенность.

Дополнительные возможности: передача данных в центральный компьютер с помощью интерфейсов RS-232C, RS-485.

Оптико–акустический газоанализатор КЕДР

Назначение: газоанализатор является автоматическим и непрерывно действующим прибором, предназначенным для определения концентрации одного из компонентов в сложной газовой смеси.

КЕДР может быть использован для:

• технологического контроля различных производств, в т.ч. в производстве аммиака, ацетилена, метанола

• оптимизации процессов горения по данным о составе дымовых газов

• контроля содержания окиси углерода в отходящих газах топливосжигающих установок различных типов, водогрейных котлов, ТЭЦ, асфальтовых заводов

• научных исследований и др.

Принцип работы газоанализатора основан на избирательном поглощении инфракрасного излучения определяемым компонентом анализируемой газовой смеси.

Газоанализатор переносной ТП1123 42 1514

Для измерения объемной доли водорода в воздухе помещений в пределах 1…4%.

Диапазон измерений объемной доли: 0...4%. Цена деления шкалы 0,1%. Основная погрешность при питании: от элементов 373 0,15%; от сети переменного тока 127 В 0,20%. Количество измерений без замены элементов питания 400. Потребляемая мощность 0,5 Вт. Время одного измерения 2 мин. Срок службы 8 лет.

Масса 4,2 кг.

1. Расчёт детектора термокондуктометрического газоанализатора 1.1 Построение физической и математической моделей детектора

Принцип действия детектора основан на зависимости температуры нагреваемой током проволочки 1 (см. рис.1) от теплопроводности омывающей ее газовой смеси. Подобный детектор (датчик) часто называют катарометр.

2

1

Рисунок 1 – Физическая модель детектора термокондуктометрического газоанализатора

Проволочка, натянутая по оси трубки, выполняет одновременно роль нагревателя и термометра сопротивления. С этой целью берется проволока из материала с большим температурным коэффициентом электрического сопротивления, например вольфрама или платины. Если газовая смесь бинарная и теплопроводности компонентов различны, то теплопроводность газовой смеси, а, следовательно, температура и сопротивление нагреваемой током металлической нити зависят от концентрации одного из компонентов смеси.

Температура Т_с внутренней поверхности корпуса детектора определяется по результатам измерения температуры ее внешней поверхности с помощью термометра сопротивления или термопар, заделанных в трубку на контролируемом расстоянии.

Метод нагретой нити обычно используется в стационарном варианте. При этом поддерживается постоянной либо мощность, выделяемая в нити, либо температура нити. В нашем случае будем полагать, что электрическая мощность, подводимая к нити, постоянная.

Для того, чтобы получить расчетную формула для температуры нити, примем следующие допущения:

·  нить натянута точно по оси трубки;

·  перенос тепла излучением и конвекцией отсутствует;

·  теплоемкость газа настолько мала, что ею можно пренебречь;

·  на внутренней поверхности камеры 2 (см. рисунок 1) поддерживаются граничные условия первого рода.

·  торцевые эффекты (т.е. утечка тепла в торцевые части камеры 2 через нить) отсутствуют.

Тогда, математическая модель температурного поля в газовой смеси, омывающей нить запишется в виде:

Граничные условия:

1.  Температура стенки корпуса – постоянная, т.е

T(r₂)=const=T_c.

Такие условия называют граничными условиями первого рода.

2.  Тепловой поток на поверхности нити известен и принимается постоянным, т.е.

Q(r₁)=const.

Такие граничные условия называют условиями второго рода.

3.  Тепловой поток на поверхности нити известен и принимается постоянным, т.е.

Q(r₁)=const.

Такие граничные условия называют условиями второго рода.

1.2 Определение функции преобразования

Определим функцию преобразования (статическую характеристику) катарометра, т.е. зависимость температуры и сопротивления нити от концентрации определяемого компонента .

Тепловой поток Q на расстоянии r от оси нити определяется по закону Фурье:

. (1)

Выразив дифференциал температуры, получим:

. (2)

Проинтегрируем полученное выражение:

, т.е.

.

Отсюда температура нити:

. (3)

Если концентрация определяемого компонента в газовой смеси равна нулю, то Т_н=Т₀; λ=λ₀

Если концентрация не равна нулю, то Т_н=Т₀+DT; λ=λ₀+Dl. В соответствии с этими условиями имеем два уравнения:

(4)

(5)

Вычитая из уравнения (4) уравнение (5), получим:

(6)

Сопротивление металлической нити можно считать линейно зависящей от температуры:

. (7)

Здесь R₀ – сопротивление нити при 0 °С, a - температурный коэффициент сопротивления.

При изменении температуры на DT сопротивление нити изменится на DR.

. (8)

Выразим DR из (8) и (7) с учетом (6):

, (9)

Теплопроводность газовой смеси из двух компонентов, один из которых воздух, в соответствии с законом аддитивности, определяется выражением:

где С₂ –концентрация определяемого компонента.

Учитывая, что  получаем следующее выражение теплопроводности газовой смеси:

Если l₀=l₁ – теплопроводность при нулевой концентрации определяемого компонента, то:

;

Подставляя Dl в DR , получаем искомую функцию преобразования термокондуктометрического детектора: