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热磁对流氧浓度传感器的实验台

时间:2016/6/6 20:26:46

热磁对流氧浓度传感器的实验台

热磁对流实验系统主要包括三部分,分别为配气系统、氧浓度分析仪及测量系统。配气系统可以提供任意比例的混合气体。氧浓度分析仪为实验的核心部件,其可形成热磁对流现象发生所需要的磁场及温度场。测量系统用于实验数据的采集,包括氧浓度、温度、功率等参数的测量。实验所需气样由连续配气装置配得,并进行减压、减温、净化和稳流,使达到传感器所要求的状态进入分析室。然后根据热磁对流原理,气样中的O2的含量信号转变成相应的毫伏电势信号,该信号送到二次仪表放大后由显示部分作指示记录。热磁对流氧浓度测试仪的取样及预处理装置是连续配气装置,这样可以调整氧气在混合气中所占的百分比。其原理如下:两种纯净的气体源(如O2N 2)来自高压贮气瓶,经一级减压器、调节阀、流量稳定器的稳定及流量计会合于混合器再送至传感器,在温度相同(接近室温)的条件下调节各阀门及二级减压阀,然后由连续配气装置调配出稳定的气流后,混合气流流到传感器。

热磁对流氧浓度传感器的实验台

热磁对流氧浓度传感器的实验台

1热磁对流氧浓度测试仪实验系统图


在热磁式传感器中,从气样氧含量变化转换成测量桥路输出信号变化,中间经历了较为复杂的过程,它的实验系统图如图1所示。气样中的O2的含量信号转变成相应的电阻信号,该信号送到二次仪表放大后由显示部分作指示记录。可概括为:O2%变化磁化率κ变化 QUOTE 磁化力FM变化带走热量Q1变化管壁测温R1变化输出ΔU变化。凡影响这些转换过程的因素,都会给仪表带来误差,需要在设计和制造时采取相应措施加以消除或减小其影响。1、氧浓度分析仪主体

氧浓度分析仪由上下主体、外壳、磁极、石英玻璃管构成。上下主体中间开有沟槽,恰好将磁极及石英管置于其中。上下主体的材料均为胶木,胶木可作为保温材料,使用胶木可抑制加在石英管壁面的热量向外流失。外壳的材料为铝,有利于经热磁对流带到外壳腔内的热量的散失。

本实验所采用的热磁对流氧浓度测试仪是内对流式的传感器结构,其结构原理如图3所示。传感器的主要部分是一个带有水平通道的空心圆环1,称为测量环室,在水平通道4的内壁面上绕有铂丝加热电阻R1。在水平通道左端装有一对磁极2,它具有不均匀的强磁场。电桥由电源U供电,在通路的输出线上接有仪表3

热磁对流氧浓度传感器的实验台                                        2 氧浓度发生器                                                 图 3 内对流式传感器图

                             1-测量环室;2-磁极;3-二次仪表;4-水平通道;U-电源


这种传感器的工作过程为:被分析气样从圆环上部中间的气样入口送入,然后分两路沿圆环(一部分从水平通道经过)流动,再会合于下部中间流出。其中沿左侧流动的气样由于磁场的吸引作用,含氧的顺磁性气体即被吸入水平通道并形成热滋对流向右端移动,随右侧气流一起排出。在形成热磁对流的同时,由于刚进入水平通道的左侧气流是冷的,向右流动时带走了电阻R1部分热量,使电阻R1温度降低,电阻值发生变化,从而使得仪表3的输出值发生变化。

本实验所设计了一个直径为6 mm的玻璃石英管构成的热磁对流通道,壁厚为0.2mm,长度为28mm,在石莹管外均匀地绕有线径为0.03 mm的金属铂丝,铂丝两端用铜丝加锡焊固定在石英管壁上。为了避免实验过程中损坏铂丝,避免铂丝之间接触发生短路,在绕有铂丝的石英管壁外面涂覆一层耐高温无机胶。其结构如图4所示。


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4  热磁对流氧浓度测试仪的传感元件

1-石英玻璃管;2-引线φ0.2 mm3-铂丝φ0.03 mm4-水平通道


R1在通电加热后,短时间内散发的热量越大,这样气流在流入通道经过R1时,由于温度梯度及磁场梯度的存在,流体内部就会形成的热磁对流,这样就导致了壁面温度发生变化,我们就可以根据这个变化的壁面温度进而得知流体中氧气的含量。

2、磁场的布置

只有在磁场与温度场的共同作用下才会发生热磁对流现象。磁场的布置对于氧浓度传感器是至关重要的。根据磁化力FM的数学描述我们可以知道磁场梯度与温度场梯度的大小决定了热磁对流现象的强弱。为了获得较大的磁场梯度,本实验采用剩磁强度为1.32 T的钕铁硼永久磁铁。磁铁尺寸参数如下:长度10 mm,宽度8 mm,高度4 mm。磁铁的长度方向与石英玻璃管的轴线平行,在轴线方向磁铁的中心距离石英玻璃管

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5 永久磁铁布置示意图

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6竖直方向磁场测量方法示意图

进口端10.5 mm。在石英玻璃管轴向方向磁铁的中心与两段电阻丝的中心重合。为了在试验段形成较大的磁场梯度,特意用磁阻较小的硅钢制成了三棱柱及U形的磁场通路。磁感线都是闭合曲线,在永磁体外磁感线从N级出发回到S级,在永磁体内磁感线从S级出发到N级,形成一个闭合的圆环。除测试段外,磁感线大部分从硅钢中通过。在测试段很小的空间内有大量的磁感线通过,意味着测试段有较强的磁场密度。











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