УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ КОМПОНЕНТОВ ГАЗОВОЙ СМЕСИ

Техническое решение относится к области аналитического приборостроения, к устройствам, предназначенным для измерения концентрации газовых компонентов путем создания условий для диффузии компонентов газовой смеси через пористую мембрану и измерения давления в разные моменты времени, и может быть использовано в системах управления котельными теплоэлектростанций для контроля состояния окружающей среды, в системах транспортировки газовых смесей, в том числе взрывоопасных, в нефтяном и химическом производствах и в других областях.
Из существующего уровня техники известно устройство определения концентраций компонентов газовой смеси, содержащее источник электромагнитного излучения с наличием опорной и рабочей длин волн, интерференционные фильтры для выделения вышеуказанных длин волн, расположенную по ходу излучения источника газовую кювету с фокусирующими линзами на входе и выходе и основной фотоприемник. Определение концентраций компонентов смеси производится по изменению интенсивности инфракрасного излучения, регистрируемого светодиодной матрицей с нанесенными на нее интерференционными фильтрами (см., напр., RU 2187093, опубл. 10.08.2002). Недостатком данного решения является сложность и дороговизна изготовления матрицы с фильтрами.
Наиболее близким по технической сути является устройство определения концентраций компонентов газовой смеси, содержащее газовую камеру с оптическими окнами и разрядником, подключенным к источнику высокочастотного высоковольтного напряжения, датчик давления, светофильтр, пропускающий излучение азота, фотодиоды и связанный с ними вычислитель. Концентрации кислорода и азота по данному техническому решению предлагают определять с помощью измерений сигналов фотодиодов в диапазоне 350-1100 нм, затем с учетом заранее полученных калибровочных кривых по формуле вычисляют искомые величины (см., напр., RU 2232982, опубл. 20.07.2004). Недостатком данного решения необходимо отметить использование высокочастотного тлеющего разряда, что требует сложного и громоздкого оборудования.
Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является создание простого в изготовлении устройства, обеспечивающего долгий срок службы, надежность и ремонтопригодность.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве определения концентраций компонентов газовой смеси, включающем измерительную камеру, согласно техническому решению, измерительная камера состоит из двух герметичных отсеков, причем первый отсек выполнен с возможностью изолирования газовой смеси от основного потока запирающими устройствами, размещенными с двух концов отсека, а на вход второго отсека установлена мембрана, при этом каждый из отсеков снабжен датчиками измерения давления и температуры, а устройство снабжено форвакуумным насосом, подключенным к измерительной камере для откачки газовой смеси из каждого отсека через подсоединенные каналы откачки.
Запирающие устройства могут быть выполнены в виде вентилей, или заслонок. При этом вентили или заслонки могут быть снабжены электроприводом.
В качестве датчика измерения давления может быть использован, по крайней мере, один манометр.
В качестве датчика измерения температуры может быть использован, по крайней мере, один термометр.
Первый отсек может быть снабжен стравливающим клапаном.
Подсоединенные каналы откачки могут быть снабжены обратными клапанами или вентилями.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение долгого срока службы, надежности и ремонтопригодности за счет достижения простоты изготовления устройства, измерительная камера которого состоит из двух герметичных отсеков, причем отсек, куда вначале поступает газовая смесь, может изолироваться от основного потока газовой смеси запирающими устройствами с двух концов, а на вход второго отсека установлена мембрана, и каждый из отсеков снабжен датчиками измерения давления и температуры, а к камере подключен форвакуумный насос для откачки газовой смеси из каждого отсека через подсоединенные каналы откачки.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежом, не охватывающим и, тем более, не ограничивающим объем притязаний по данному решению, а лишь являющимся иллюстрирующим материалом частного случая выполнения устройства. На фиг. 1 схематически изображено устройство определения концентраций компонентов газовой смеси.
Устройство определения концентраций компонентов газовой смеси включает измерительную камеру 1, в которой установлены запирающие устройства 2, 3. Измерительная камера 1 разделена посредством запирающего устройства 3 на два отсека 4 и 5. Каждый отсек 4, 5 снабжен датчиками измерения давления 6, 7 и температуры 8, 9. На входе в отсек 5 установлена мембрана 10. Устройство снабжено форвакуумным насосом 11 для откачки газовой смеси из каждого отсека 4, 5 через подсоединенные каналы откачки 12.
В предпочтительном варианте исполнения заявленного устройства в качестве датчиков 6, 7 измерения давления используют манометры М1 и М2, а в качестве датчиков 8, 9 измерения температуры используют термометры Т1 и Т2. Каналы откачки снабжены вентилями или обратными клапанами 13. Для достижения нужного давления перед проведением измерений отсек 4 камеры 1 может быть снабжен стравливающим клапаном 14. Запирающие устройства выполнены в виде вентилей, или заслонок, которые в некоторых вариантах исполнения могут быть снабжены электроприводом.
Работа устройства заключается в определении концентраций компонентов многокомпонентной газовой смеси, состав которой известен, путем измерения давления с помощью датчика 6 измерения давления, в частности манометра М1, в измерительной камере 1 при диффузии многокомпонентной газовой смеси через мембрану 10, производящую сепарацию многокомпонентной газовой смеси.
Перед забором пробы запирающие устройства 2, 3 переводятся в положение «закрыто», тем самым отсеки 4, 5 герметично закрыты. Из отсеков 4, 5 с помощью форвакуумного насоса 11 по каналам откачки 12 откачивается находящаяся в них газовая смесь до достижения необходимого низкого давления, которое контролируется датчиками 6,7 измерения давления, в частном случае манометрами М1 и М2. После достижения требуемого разрежения в отсеках 4, 5 каналы откачки перекрываются вентилями или обратными клапанами 13.
Начинается забор пробы многокомпонентной газовой смеси. Для этого открывается запирающее устройство 2 и в отсек 4 поступает многокомпонентная газовая смесь. По достижении достаточного давления, контролируемого устройством измерения давления 6, в частности манометром М1, запирающее устройство 2 закрывают, отсекая измерительную камеру 1 от основного потока смеси. Для точной подгонки давления в ряде случаев можно использовать стравливающий клапан 14.
Начинается процесс измерения. Для этого открывают запирающее устройство 3 для диффузии многокомпонентной газовой смеси в отсек 5 через мембрану 10. С помощью датчика измерения давления 6 (М1), проводят несколько измерений давления смеси в отсеке 4 и соответствующих им временных интервалов. Датчики измерения температуры 8,9, в частном случае термометры Т1 и Т2, контролируют температуру. Для разных газов разный процент проницаемости через мембрану 10.
Вначале для каждого компонента смеси проводятся индивидуальные измерения. Далее показатели давления и температуры сравниваются с калибровочными кривыми, в результате чего определяется концентрация каждого компонента в многокомпонентной газовой смеси.
Калибровочные кривые для каждого компонента смеси отдельно именно с этой мембраной предварительно получают, исходя из следующих формул:
i
m
m
где p(t) - давление 1-ой компоненты смеси в момент t, m=1, … v≥n - число компонентов смеси, Т-температура смеси,
mi
m
f - калибровочный коэффициент для i-ой компоненты смеси в момент времени t
i
1
1
p(t) - давление i-ой компоненты смеси в момент t
m
Общее давление в момент времени t расчитывается по формуле:
i
1
Находим решение системы уравнений (2) p(t)=1…n.
1
Соответственно относительная концентрация i-ой компоненты смеси в момент времени t при условии одинаковой температуры всех компонентов
Абсолютную концентрацию 1-компоненты находим по формуле:
где i=1…n - число компонентов смеси
k - постоянная Больцмана,
T - температура, K.
i
1
m
Зная p(t), по формуле (1) можно найти концентрацию в любой другой момент времени t.
Повышение точности измерений можно получить при v≥n (v - общее число измерений, n - число компонентов смеси) или при проведении измерений давления в отсеках 4, 5 с помощью датчиков 6, 7 (М1, М2).
mi
Для учета возможного загрязнения мембраны необходимо ввести поправочный коэффициент a(t, p) в выражение (1), которое примет вид:
где i=1…n, m=1…v≥n
p' - давление в отсеке 4 с загрязненной мембраной 10.
При измерениях мы получаем
где i=1…n, m=1…v≥n.
i
1
m
m0
0
m
0
m
mi
mi
m0
Можно найти решения p(t), i=1…n системы уравнений (6). Абсолютную и относительную концентрацию i-компоненты при условии одинаковой температуры всех компонентов смеси можно найти по формулам (3) и (4). Степень загрязнения мембраны в момент времени t для тестового газа положим b=p'(t)/p(t). Из калибровочных кривых можно найти связь a=F(b) и после проведения измерений по формулам (3), (4) найти абсолютную и относительную концентрацию нужной компоненты смеси.
Это устройство универсально для неагрессивных компонентов смеси, то есть для газовой смеси, компоненты которой не взаимодействуют между собой, с мембраной и со стенками измерительной камеры. Оно просто в изготовлении, что делает его надежным в эксплуатации и ремонтопригодным при выходе из строя при максимальном снижении материальных расходов как на изготовление, так и на ремонт.