RU2582487C1

RU2582487C1 - Device for determining concentration of oxygen

Info

Publication number: RU2582487C1
Application number: RU2015107436/28A
Authority: RU
Inventors: Гурам Николаевич Ахобадзе
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2016-04-27

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and analytical instrument making and can be used in process control systems. Device for determining concentration of oxygen has a primary converter, which is a magnetic system with operating and comparative sensitive elements connected in bridge circuit to two resistors connected to first input of power supply unit and measuring device. Device additionally comprises a second power supply unit, a microwave generator with a varactor frequency tuning and voltage amplifier, wherein output of primary converter through a voltage amplifier is connected to first input of microwave generator with a varactor frequency tuning, second input is connected to second power supply unit, output of microwave generator with varactor frequency tuning is connected to input of meter.

EFFECT: invention provides more accurate measurement of oxygen concentration due to increased stability of its measurement.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и аналитического приборостроения и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.The present invention relates to the field of measuring equipment and analytical instrumentation and can be used in process control systems.

Известно устройство для измерения концентрации кислорода, содержащее нагреватель, термопару и пробирку из твердого электролита, обладающую при температуре от 950 до 1100 K кислород-ионной проводимостью. В этом устройстве (см. патент на полезную модель МПК №63534, 2007 г.), использующем в качестве датчика кулонометрическую ячейку с элементами из порошка мелкодисперсной платины, нанесенными на внутреннюю и внешнюю часть пробирки, измерением тока переноса ионов кислорода определяют массовую концентрацию кислорода.A device for measuring oxygen concentration is known, comprising a heater, a thermocouple and a tube of solid electrolyte having oxygen-ionic conductivity at a temperature of from 950 to 1100 K. In this device (see patent for utility model IPC No. 63534, 2007), using a coulometric cell with elements of fine platinum powder deposited on the inside and outside of the tube as a sensor, the oxygen mass transfer is determined by measuring the oxygen ion transfer current.

Недостатком этого известного технического решения является низкая точность, связанная с изменением объемного расхода анализируемого газа. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятая автором за прототип измерительная система газоанализатора кислорода в газовой смеси (см. патент на полезную модель МПК: G01N №71771, 2008 г.). Данная измерительная система содержит герметичную камеру, внутри которой жестко закреплены полюса постоянных и ложных магнитов, рабочий и сравнительный чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей, расположенных в зазорах наконечников постоянных и ложных магнитов соответственно. Камера в боковых стенках для прохождения газовой смеси имеет отверстия. Рабочий и сравнительный чувствительные элементы соединенны последовательно между собой и подключены по мостовой схеме к дополнительным элементам (сопротивлениям). При подаче на вход мостовой схемы (в первую диагональ моста) напряжения, по выходному (вторая диагональ моста) ее напряжению, из-за изменения омического сопротивления рабочего чувствительного элемента (рассогласование моста), можно получить информацию о величине концентрации кислорода в газовой смеси.The disadvantage of this known technical solution is the low accuracy associated with a change in the volumetric flow rate of the analyzed gas. The closest technical solution to the proposed one is the measuring system of the oxygen gas analyzer in the gas mixture adopted by the author for the prototype (see patent for the useful IPC model: G01N No. 71771, 2008). This measuring system contains a sealed chamber, inside which the poles of permanent and false magnets are rigidly fixed, working and comparative sensitive elements made in the form of spirals located in the gaps of the tips of the permanent and false magnets, respectively. The chamber in the side walls for the passage of the gas mixture has openings. The working and comparative sensitive elements are connected in series with each other and connected via a bridge circuit to additional elements (resistances). When applying voltage to the input of the bridge circuit (to the first diagonal of the bridge), to the output voltage (second diagonal of the bridge) of its voltage, due to a change in the ohmic resistance of the working sensing element (bridge mismatch), one can obtain information about the oxygen concentration in the gas mixture.

Недостатком этого технического решения можно считать нестабильность измерения концентрации кислорода напряжением, изменяющимся из-за влияния возмущающихся факторов окружающей среды.The disadvantage of this technical solution can be considered the instability of measuring oxygen concentration by voltage, changing due to the influence of disturbing environmental factors.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение стабильности измерения концентрации кислорода.The technical result of the claimed technical solution is to increase the stability of the measurement of oxygen concentration.

Технический результат достигается тем, что устройство для определения концентрации кислорода, содержащее первичный преобразователь, представляющий собой магнитную систему с рабочим и сравнительным чувствительными элементами, подключенными по мостовой схеме к двум сопротивлениям, соединенный входом с первым блоком питания, и измеритель, отличается тем, что в него введены второй блок питания, микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты и усилитель напряжения, причем выход первичного преобразователя через усилитель напряжения соединен с первым входом микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, второй вход которого подключен ко второму блоку питания, выход микроволнового генератора с варактоной перестройкой частоты соединен с входом измерителя.The technical result is achieved in that the device for determining the oxygen concentration, comprising a primary transducer, which is a magnetic system with a working and comparative sensitive elements connected via a bridge circuit to two resistances, connected by an input to the first power supply, and a meter, characterized in that he introduced a second power supply, a microwave generator with varactor frequency tuning and a voltage amplifier, and the output of the primary Converter through the amplifier voltage is connected to the first input of the microwave generator with varactor frequency tuning, the second input of which is connected to the second power supply, the output of the microwave generator with varactor frequency tuning is connected to the input of the meter.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты дает возможность определить концентрацию кислорода.The essence of the claimed invention, characterized by a combination of the above features, is that measuring the frequency of a microwave generator with varactor frequency tuning makes it possible to determine the oxygen concentration.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу определения концентрации кислорода на основе проведения измерения частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты с желаемым техническим результатом, т.е. повышением стабильности измерения концентрации кислорода. На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства. Данное устройство содержит первый блок питания 1, соединенный с входом первичного преобразователя 2, усилитель напряжения 3, микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты 4, второй блок питания 5 и измеритель 6.The presence in the inventive method of a combination of the listed existing features allows us to solve the problem of determining the oxygen concentration based on measuring the frequency of a microwave generator with varactor frequency tuning with the desired technical result, i.e. increasing the stability of measuring oxygen concentration. The drawing shows a functional diagram of the proposed device. This device contains a first power supply 1 connected to the input of the primary transducer 2, a voltage amplifier 3, a microwave generator with varactor frequency tuning 4, a second power supply 5 and a meter 6.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При отсутствии кислорода в зоне измерения, с выхода первого блока питания 1 подают напряжение на вход первичного преобразователя 2, представляющего собой мостовую схему с рабочим, сравнительным чувствительными элементами и дополнительными сопротивлениями R₁ и R₂. При этом сопротивления R₁ и R₂ (регулируемые) включены параллельно сравнительному чувствительному элементу и рабочему чувствительному элементу соответственно. После этого настраивают мост таким образом, чтобы на выходе моста (вход усилителя напряжения 3) отсутствовало напряжение (сбалансированный мост). При наличии в зоне измерения кислорода омическое сопротивление рабочего чувствительного элемента изменяется и на выходе первичного преобразователя появляется напряжение (разбаланс моста). В рассматриваемом случае при постоянном входном напряжении первичного преобразователя его выходное напряжение будет меняться в зависимости от изменения омического сопротивления рабочего чувствительного элемента, т.е. изменения концентрации кислорода в газовой смеси в камере. Далее этот выходной сигнал первичного преобразователя поступает на вход усилителя напряжения 3. Здесь сигнал усиливается и подается на первый вход (вход варактора) микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты 4. Предварительно, с выхода второго блока питания 5 подают напряжение на второй вход (вход питания) микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты.The proposed device operates as follows. In the absence of oxygen in the measurement zone, the output of the first power supply 1 is supplied with voltage to the input of the primary transducer 2, which is a bridge circuit with a working, comparative sensitive elements and additional resistances R ₁ and R ₂ . In this case, the resistances R ₁ and R ₂ (adjustable) are connected in parallel with the comparative sensitive element and the working sensitive element, respectively. After that, the bridge is adjusted so that there is no voltage (balanced bridge) at the output of the bridge (input of voltage amplifier 3). If there is oxygen in the measurement zone, the ohmic resistance of the working sensing element changes and voltage appears on the output of the primary transducer (bridge imbalance). In the case under consideration, at a constant input voltage of the primary converter, its output voltage will change depending on the change in the ohmic resistance of the working sensing element, i.e. changes in the concentration of oxygen in the gas mixture in the chamber. Further, this output signal of the primary converter is fed to the input of voltage amplifier 3. Here, the signal is amplified and fed to the first input (varactor input) of the microwave generator with varactor frequency tuning 4. Previously, from the output of the second power supply unit 5, voltage is supplied to the second input (power input) microwave generator with varactor frequency tuning.

Из принципа функционирования микроволновых генераторов с варактроной перестройкой частоты известно, что изменением напряжения на варакторном входе можно перестроить частоту колебаний генератора. Следовательно, если при нулевом напряжении на входе варактора обозначить частоту колебаний генератора f_о, а при появлении напряжения на входе варактора частоту колебаний - f_п, то по разности этих величин можно вычислить разность частот при перестройке микроволнового генератора по частоте. Отсюда следует, что изменение частоты микроволнового генератора, связанное с изменением напряжения на варакторном входе микроволнового генератора, может быть использовано для оценки изменения напряжения на выходе усилителя напряжения. Согласно предлагаемому устройству, так как входным сигналом усилителя напряжения служит выходной сигнал первичного преобразователя, изменяющийся пропорционально изменению концентрации кислорода в зоне измерения, то частота микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты может быть использована для вычисления концентрации кислорода.From the principle of operation of microwave generators with a varactron frequency tuning, it is known that by varying the voltage at the varactor input, it is possible to tune the oscillation frequency of the generator. Therefore, if at zero voltage at the input of the varactor the frequency of oscillations of the generator is designated f _о , and when the voltage at the input of the varactor appears, the frequency of oscillations is f _p , then the difference of these values can be used to calculate the frequency difference when the microwave generator is tuned in frequency. It follows that the change in the frequency of the microwave generator associated with a change in voltage at the varactor input of the microwave generator can be used to assess the change in voltage at the output of the voltage amplifier. According to the proposed device, since the input signal of the voltage amplifier is the output signal of the primary transducer, which varies in proportion to the change in the oxygen concentration in the measurement zone, the frequency of the microwave generator with varactor frequency tuning can be used to calculate the oxygen concentration.

В данном устройстве для измерения частоты колебаний микроволнового генератора, связанной с концентрацией кислорода, выходной сигнал генератора поступает на вход измерителя 6. Здесь измеряют частоту и определяют величину концентрации кислорода. В качестве измерителя в данном случае может быть использован частотомер. При этом при отсутствии кислорода в зоне измерения (нулевое напряжение на входе варактора микроволнового генератора) частота, измеренная измерителем, будет соответствовать нулевому значению концентрации кислорода. Изменение (увеличение) концентрации кислорода в зоне измерения (при наличии в камере газовой смеси) приведет к пропорциональному изменению (увеличению напряжения на входе варактора микроволнового генератора и его частоты) частоты микроволнового генератора, которая далее в измерителе частоты 6 даст возможность судить о текущем значении концентрации кислорода в газовой смеси.In this device for measuring the oscillation frequency of the microwave generator associated with the oxygen concentration, the output signal of the generator is supplied to the input of the meter 6. Here, the frequency is measured and the oxygen concentration value is determined. In this case, a frequency meter can be used as a meter. In this case, in the absence of oxygen in the measurement zone (zero voltage at the input of the varactor of the microwave generator), the frequency measured by the meter will correspond to zero oxygen concentration. A change (increase) in the oxygen concentration in the measurement zone (if there is a gas mixture in the chamber) will lead to a proportional change (increase in voltage at the input of the varactor of the microwave generator and its frequency) of the frequency of the microwave generator, which further in frequency meter 6 will make it possible to judge the current concentration value oxygen in the gas mixture.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении, на основе измерения частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, можно обеспечить повышение стабильности определения концентрации кислорода в газовой смеси.Thus, in the proposed technical solution, based on measuring the frequency of a microwave generator with varactor frequency tuning, it is possible to increase the stability of determining the concentration of oxygen in the gas mixture.

Предлагаемое устройство успешно может быть применено на объектах энергетики для обеспечения пожарной безопасности и в потенциально опасных для людей замкнутых пространствах.The proposed device can be successfully applied at energy facilities to ensure fire safety and in potentially dangerous confined spaces for people.

Кроме того, одним из преимуществ данного технического решения по сравнению с прототипом является то, что выходной информативный сигнал устройства в виде частоты может быть передан на расстояние дистанционно.In addition, one of the advantages of this technical solution in comparison with the prototype is that the output informative signal of the device in the form of a frequency can be transmitted remotely.

Claims

A device for determining the concentration of oxygen, containing a primary Converter, which is a magnetic system with a working and comparative sensitive elements connected via a bridge circuit to two resistances, connected by an input to the first power supply, and a meter, characterized in that the second power supply is introduced into it, a microwave generator with varactor frequency tuning and a voltage amplifier, and the output of the primary converter through a voltage amplifier is connected to the first micro new oscillator varactor frequency tuning, the second input of which is connected to the second power supply, the microwave oscillator output frequency tuning varactor coupled to the input of the meter.