УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧИСТОТЫ ПРОВЕРЯЕМОГО ХЛАДАГЕНТА
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINATION OF PURITY OF CHECKED COOLANT

Изобретение относится к устройству и способу для определения чистоты проверяемого хладагента.
По причине законодательных предписаний нельзя использовать различные хладагенты. В автомобильной промышленности, например, вместо использовавшегося до сих пор хладагента R134a в будущем будет использоваться хладагент HF01234yf. При последующем ремонте кондиционеров должно быть возможным обнаружение загрязнений, например загрязнения хладагента HF0123yf в автомобильных кондиционерах другим хладагентом, таким как, например, R134a.
Для обнаружения хладагентов используется их разное поглощение инфракрасных лучей. При этом газовая кювета заполняется подлежащим проверке хладагентом, и через нее пропускается инфракрасное излучение. Затем датчик на противоположной стороне принимает излучение, причем в зависимости от имеющегося в газовой кювете хладагента различные части излучения поглощаются сильнее, чем другие. Измеренный спектр поглощения инфракрасным датчиком преобразуется в измеримое электрическое напряжение.
У известных измерений с помощью инфракрасного поглощения изменения температуры, атмосферного давления, старение или загрязнение газовой кюветы приводят к погрешностям измерения. Долговременная стабильность результатов измерений достижима лишь со значительными затратами.
В основу изобретения положена задача создания усовершенствованного устройства и усовершенствованного способа идентификации хладагентов, в частности, для определения чистоты проверяемого хладагента.
Поставленная задача решена в устройстве для определения чистоты проверяемого хладагента, содержащем газовую кювету, которая имеет входной патрубок для газа и выходной патрубок для газа, просвечивающий газовую кювету инфракрасный источник и по меньшей мере один регистрирующий проходящее через газовую кювету инфракрасное излучение датчик. Для решения указанной задачи между инфракрасным источником и датчиком предусмотрен по меньшей мере один широкополосный фильтр, полоса пропускания которого включает в себя спектры поглощения проверяемого хладагента и не включает в себя спектр поглощения углеводородов, причем входной патрубок для газа соединен с входным патрубком для проверяемого газа, предназначенным для впуска в газовую кювету проверяемого хладагента, и с картриджем, который содержит проверяемый хладагент в чистой форме в качестве эталонного газа.
Предлагаемый в изобретении способ определения чистоты проверяемого хладагента с использованием описанного выше устройства включает измерение инфракрасного поглощения в полосе пропускания широкополосного фильтра при заполненной эталонным хладагентом газовой кювете, измерение инфракрасного поглощения в полосе пропускания широкополосного фильтра при заполненной проверяемым хладагентом газовой кювете и формирование частного из измеренных значений с эталонным хладагентом и проверяемым хладагентом. Полученное частное позволяет сделать вывод об относительной чистоте проверяемого хладагента по сравнению с чистым эталонным хладагентом.
Предпочтительно, кроме того, проводятся измерения также по меньшей мере с одним узкополосным фильтром. При этом должен быть предусмотрен узкополосный фильтр, полоса пропускания которого имеет только длины волн поглощения чистого, подлежащего обнаружению хладагента, то есть эталонного хладагента. Еще один узкополосный фильтр должен быть согласован с длиной волны поглощения другого хладагента, который загрязняет подлежащий обнаружению хладагент. Подлежащим обнаружению хладагентом обычно является HF01234yf, длина волны поглощения которого, в частности, лежит вблизи примерно 7,4 мкм. Соответственно этому, полоса пропускания первого узкополосного фильтра должна находиться в диапазоне между 7,2 мкм и 7,6 мкм. Другим типичным хладагентом, который мог бы загрязнять HF01234yf, является хладагент R134a, длина волны поглощения которого, в частности, лежит примерно вблизи 7,69 мкм. Для обнаружения HF0123yf полоса пропускания широкополосного фильтра должна иметь нижнюю граничную частоту 8 мкм и верхнюю граничную частоту 14 мкм. При этом длины волн поглощения углеводородов фильтром не пропускаются, так как они лежат ниже 8 мкм.
Для обнаружения хладагента тогда может быть измерена по меньшей мере одна длина волны за пределами полосы пропускания широкополосного фильтра. Это длина волны поглощения других, нежелательных хладагентов (например, R134a с 7,69 мкм и/или углеводородов с 3,38 мкм). При этом, наряду с широкополосным фильтром, используется узкополосный фильтр для определения углеводородов с 3,38 мкм, узкополосный фильтр для определения R134a с 7,69 мкм и третий узкополосный фильтр для определения исключительно HF0123yf с 7,3 мкм. Полученные при использовании каждого из этих четырех фильтров измеренные величины сравниваются с полученными ранее во время процесса калибровки измеренными величинами для разных газовых композиций. При этом как обнаруженная принимается та из использованных при калибровке газовых композиций, которая в наибольшей степени соответствует измеренным величинам.
В способе идентификации хладагента в случае, когда поглощение по меньшей мере одной длины волны в полосе пропускания широкополосного фильтра соответствует известному загрязняющему хладагенту, предпочтительно измеряется поглощение по меньшей мере одной длины волны за пределами полосы пропускания фильтра, которая соответствует исключительно загрязняющему хладагенту. Затем составляется линейная система уравнений, в которой для каждого фильтра общее поглощение в его полосе пропускания приравнивается линейной комбинации соответствующих поглощений отдельных линий. Другими словами это означает, что поглощения отдельных линий, то есть присвоенные соответствующему хладагенту поглощения, соответственно получают коэффициент и затем складываются, причем сумма поглощений отдельных линий приравнивается к общему поглощению в соответствующей полосе пропускания длин волн фильтра. Путем решения линейной системы уравнений затем может быть вычислена каждая неизвестная концентрация хладагента, в то время как система уравнений решается относительно соответствующих искомых коэффициентов.
Наконец, альтернативно также возможно, что каждый хладагент измеряется с помощью соответствующего узкополосного фильтра с подходящей, согласованной с соответствующим хладагентом длиной волны пропускания.
Далее с использованием фигур будут более подробно разъяснены примеры осуществления изобретения. Показано на:
Фиг. 1 - пример осуществления устройства согласно изобретению,
Фиг. 2 - полосы пропускания длин волн использованных фильтров,
Фиг. 3 - спектры поглощения смеси из трех хладагентов,
Фиг. 4 - блок-схемы процесса к способу согласно изобретению.
Устройство 10 согласно изобретению имеет газовую кювету 12 с входным патрубком 14 газа и выходным патрубком 16 газа. Газовая кювета на двух расположенных напротив друг друга сторонах оснащена окнами 18 из CaF2, которые пропускают инфракрасное излучение от инфракрасного источника 20 к датчику 22 через газовую кювету 12.
Входной патрубок 14 газа газовой кюветы 12 через управляемый клапан V1 соединен с входным патрубком воздуха. Входной патрубок 14 газа через обратный клапан V4 соединен с входным патрубком для подлежащего обнаружению газа. Через управляемый клапан V2 входной патрубок 14 газа через редукционный клапан 24 соединен с картриджем 26, который содержит подлежащий обнаружению хладагент HF01234yf в чистом виде как эталонный газ. Картридж 26 эталонного газа является составной частью устройства согласно изобретению.
На пути луча между инфракрасным источником 20 и датчиком 22 в зависимости от измерения устанавливаются различные оптические фильтры 28, 30.
Выходной патрубок 16 газа газовой кюветы 12 через управляемый клапан V3 и через мембранный насос 32 соединен с патрубком выпуска газа в атмосферу.
При каждом измерении подлежащий проверке хладагент сравнивается с эталонным хладагентом в картридже 26. Поскольку все условия окружающей среды как для подлежащего проверке хладагента, так и для эталонного хладагента идентичны, то они больше не имеют значения как мешающие величины.
Используемый датчик 22 содержит четыре отдельных чувствительных элемента, к которым уже заранее подключен собственный инфракрасный фильтр 30 для обнаружения специфических длин волн. Четыре чувствительных элемента вырабатывают, следовательно, разные напряжения для имеющейся в газовой кювете 12 газовой смеси. Четыре измеренных напряжения сравниваются с определенными ранее во время процесса калибровки результатами измерений для разных составов газов, причем считается обнаруженным тот из откалиброванных составов газов, который по измеренным напряжениям является наиболее близким.
На фиг. 4 в виде блок-схемы процесса показана последовательность выполнения способа согласно изобретению с помощью устройства согласно фиг. 1. После начала сначала открывается клапан V1, клапан V3 переключается на мембранный насос 32 и включается мембранный насос 32. Вследствие этого газовая кювета 12 продувается воздухом из входного патрубка воздуха. Затем клапан V1 к входному патрубку воздуха закрывается, и клапан V3 отключается от мембранного насоса 32, и насос останавливается. Чтобы заполнить газовую кювету 12 эталонным газом из картриджа 26, клапан V2 открывается в течение 0,2 секунды. Затем измеряются напряжения чувствительных элементов датчика 30.
Затем клапан V1 открывается, клапан V3 переключается на насос 32 и включается насос 32 для продувки газовой кюветы воздухом. Затем клапан V1 снова закрывается, клапан V3 отключается от насоса, насос 32 выключается и газовая кювета через обратный клапан V4 заполняется проверяемым газом. После заполнения газовой кюветы 12 проверяемым газом измеряются напряжения чувствительных элементов датчика 22, и доля газа HF01234yf в проверяемом газе определяется, как описано ниже:
Согласно первому варианту, используются чувствительные элементы S1, S2, S3 и S4. Чувствительному элементу S1 поставлен в соответствие широкополосный фильтр с полосой пропускания 8-14 мкм. Чувствительному элементу S2 поставлен в соответствие узкополосный фильтр с частотой пропускания 3,38 мкм для углеводородов. Чувствительному элементу S3 поставлен в соответствие узкополосный фильтр с полосой пропускания 7,69 мкм для хладагента R134a. Чувствительному элементу S4 поставлен в соответствие узкополосный фильтр с частотой пропускания 7,3 мкм для подлежащего обнаружению хладагента HF0123yf.
Meas,S1
Ref,S1
На чувствительном элементе S1 при заполненной проверяемым газом газовой кювете измеряется напряжение V, а при заполненной эталонным газом из картриджа 26 газовой кювете - эталонное напряжение V.
Meas,S(i)
Ref,S(i)
Результатом измерения является частное V и V
<mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>S</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>Re</mi><mi>f</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>S</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>S</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>Re</mi><mi>f</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>S</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>S</mi><mn>3</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>Re</mi><mi>f</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>S</mi><mn>3</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>S</mi><mn>4</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>Re</mi><mi>f</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>S</mi><mn>4</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
,
,
Cal
Cal
Cal
Cal
a, b, c, d → измеренные значения для S1, S2, S3, S4, считанные из файла с калибровочными значениями для специфических газовых смесей.
Meas
Ref
Содержащиеся в файле калибровочные значения являются однократно измеренными во время процесса калибровки значениями отношений V/V четырех чувствительных элементов S1, S2, S3 и S4.
Примерная выписка из файла с калибровочными значениями
Первый ряд (1,00000 1,00000 1,00000 1,00000) представляет собой значения отношения напряжений для 100% чистого HF01234yf. Поскольку измеренные напряжения сигнала для подлежащего проверке газа и эталонного газа (который состоит из 100% чистого HF01234yf) одинаковы по величине, частное из обоих напряжений дает, соответственно, «1.000».
Второй ряд показывают соответствующие значения для смеси из 99,5% HF01234yf и 0,5% R134a, третий - значения для 99% HF01234yf и 1% R134a, и т.д.
Чтобы определить чистоту хладагента HF01234yf или состав подлежащей проверке газовой смеси, посредством метрики по «методу наименьших квадратов» определяется отклонение измеренных поглощений и ожидаемых для определенных смесей поглощений. Таким образом может быть определено, какой ряд калибровочных данных из файла, сравненный с измеренными значениями для подлежащего проверке газа, имеет наименьшие отклонения
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>S</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mo>…</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>              </mtext><mo>…</mo><mo>+</mo><mtext> </mtext><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo><mo>−</mo><msub><mi>c</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo><mo>−</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>M</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mtd></mtr></mtable>
Это вычисление проводится для всех рядов калибровочного файла, [i] в вышеприведенной формуле является номером ряда. Результат является матрицей с таким количеством значений, которое равно числу рядов в калибровочном файле. Наименьшее значение в этой матрице является искомым значением или газовой смесью, которой оно соответствует.
В альтернативном примере осуществления способа измерения согласно изобретению датчик 22 имеет три инфракрасных фильтра с разной шириной полосы. Первый фильтр настроен на длину волны 7,4 мкм для HF01234yf. Еще один фильтр настроен длину волны 7,69 мкм для R134a. Четвертый фильтр, как широкополосный фильтр, рассчитан на диапазон длин волн от 8 до 14 мкм для всех существующих хладагентов. Еще один узкополосный фильтр рассчитан на длину волны 3,45 мкм для углеводородов. Полосы пропускания этих фильтров показаны на фиг. 2.
Принцип измерения
Для определения концентрации смеси хладагентов из газовых компонентов j измеряется поглощение на длине волны k и решается система линейных уравнений
<mrow><msub><mi>A</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>A</mi><mi>K</mi></mrow></munderover><mrow><msub><mi>c</mi><mi>j</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>a</mi><mrow><mi>j</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mstyle><mtext>                                          </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
причем используются следующие обозначения:
k
A - общее поглощение газовой смеси в диапазоне длин волн k;
j
c - концентрация газового компонента j;
jk
a - поглощение компонента j в диапазоне длин волн k;
K
A - число газовых компонентов.
Особенности решения
Один из диапазонов длин волн выбирается настолько широким, что он охватывает все, в принципе неизвестные, хладагенты (8…14 мкм) и делает возможным суждение о чистоте без анализа по отдельности всех спектральных линий.
Поэтому не нужен никакой инфракрасный спектрофотометр и также не требуется знать полностью все содержащиеся компоненты.
Процесс измерения подробно
Калибровка:
jk
jk
0. Предварительно каждый датчик подвергается заводской калибровке, причем отдельно определяются коэффициенты a (для выравнивания допусков фильтров). Для этого впускаются соединения j (то есть cj=1) и определяется поглощение a из уравнения (1).
Измерение:
k,0
1. Измерение начинается с определения нулевой точки, в то время как в кювету впускается воздух. При этом определяются все «нулевые поглощения» A;
2. Собственно измерение происходит после впускания неизвестной смеси хладагентов при определенном давлении (точность атмосферного давления или измеренного манометром): измеряются все поглощения Ak в диапазоне длин волн k.
Оценка:
k,0
k
k
k,0
3. С известными «нулевыми поглощениями» A теперь вычисляются чистые поглощения A=A-A;
jk
4. С чистыми поглощениями и известными из калибровки a теперь может быть составлена система (1) уравнений. Решение происходит известным способом, например, обращением матриц;
5. Если теперь с одной и той же смесью проводятся более чем одно измерение, то имеется возможность провести уравнительное вычисление с тогда переопределенной системой уравнений (например, несколько линейных регрессий) и этим самым определить стандартное отклонение концентрации. На фиг. 3 показаны типичные спектры поглощения хладагентов HF01234yf, R134a и r12.
а) Исходная величина для суммы хладагентов
Диапазон длин волн 8…14 мкм является репрезентативным для всех обычных хладагентов, однако исключает углеводороды, такие как метан, пропан, бутан, …, CO2 и водяной пар. Этот диапазон длин волн идеально пригоден для того, чтобы представлять сумму всех хладагентов и чтобы образовывать 100% исходную величину для требуемого измерения чистоты HF01234yf (этот диапазон используется также в промышленном масштабе для универсальных детекторов хладагентов, таких как приборы D-TEKselect или HLD5OOOsmart фирмы INFICON).
Сигнал поглощения в этом общем диапазоне, таким образом, является мерой суммы парциальных давления всех хладагентов.
б) Измеряемая величина для доли HF01234yf
В идеальном случае была бы достаточна одна свободная линия поглощения HF01234yf, чтобы измерить только сигнал для парциального давления HF01234yf. Линия HF01234yf при 7,2 мкм была бы такой линией, если бы здесь уже поглощение водяного пара не было заметно мешающим.
Поэтому для определения парциального давления HF01234yf должны быть исключены две линии:
- линия 8,34 мкм представляет сумму R134a и HF01234yf, и
- линия при 7,69 мкм представляет только R134a.
Путем вычитания известной на основании линии 7,69 мкм доли R134a из линии при 8,43 мкм может быть определено парциальное давление HF01234yf.
в) Определение чистоты HF01234yf и загрязнения хладагентом R134a путем образования отношения парциального давления HF01234yf из б) к суммарному парциальному давлению всех хладагентов из а) получается чистота HF01234yf в процентах. Так как, кроме того, из поглощения на 7,69 мкм определяется парциальное давление R134a, то можно также получить указание на то, состоит ли загрязнение только из R134a или также из других (неизвестных) хладагентов.