ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЛОТНОСТИ ГАЗОВ
PNEUMATIC GAS DENSITY SENSOR

Изобретение относится к области анализа материалов путем определения их плотности, более конкретно, к автоматическим датчикам газового анализа.
Из уровня техники известен принимаемый в качестве ближайшего аналога изобретения газовый плотномер, работающий по принципу сравнения плотностей пробного и сравнительного газов [патент RU 2350925 С1, опубл. 27.03.2009]. Указанный плотномер содержит измерительный сосуд известной высоты для пробного газа, устройство для выравнивания между собой давлений сравнительного газа и пробного газа в верхней части сосуда и устройство выработки измерительного сигнала с чувствительным элементом, реагирующим на перепад давлений, вызванный разностью плотностей равных столбов пробного и сравнительного газов, и с датчиком перемещения указанного чувствительного элемента, при этом устройство для выравнивания давлений выполнено в виде дросселя, сообщенного с атмосферой и с сосудом со стороны его верхнего торца, чувствительный элемент - в виде эластичной мембраны, а устройство выработки измерительного сигнала - в виде камеры, разделенной перегородкой на два отсека, причем, по меньшей мере, частью перегородки служит указанная мембрана, сосуд со стороны своего нижнего торца подключен к одному из отсеков камеры, а другой отсек сообщен с атмосферой.
Недостатком известного газового плотномера является недостаточно высокая чувствительность к изменению плотности газов и связанная с этим нестабильность показаний.
Технический результат, который достигается в настоящем изобретении, заключается в повышении чувствительности и увеличении показаний за счет использования измерительной компенсационной схемы силового действия струи на подвижную преграду, регистрации этого воздействия с помощью пневматической компенсационной схемы и тем, что в подключенной цепи сравнительного газа обеспечивается более тонкое регулирование подачи сравнительного и пробного газов с помощью пневмораспределителя в измерительную камеру.
Более конкретно, технический результат достигается пневматическим датчиком плотности газов, содержащим измерительную камеру для пробного газа, цепь сравнительного газа, измеряющие давление газов устройства в виде микроманометров, и характеризующийся тем, что цепь сравнительного газа, в одну из веток которой подключен обеспечивающий импульсный режим работы указанного пневматического датчика пневмораспределитель, также соединенный с измерительной камерой для пробного газа, подключена к соплам входной дифференциальной пневматической схемы регулирующего давления пневматического устройства, состоящего из подвижной части, включающей в себя пластину, жестко закрепленную с двумя соплами газовой опоры, считывающего элемента в виде узла типа «считывающее сопло-заслонка», охваченного двумя соплами, расположенными до и после пневматического мембранного усилителя мощности, и образующего вместе с указанным усилителем и соплом обратной связи регенеративную обратную связь с коэффициентом усиления, большим единицы.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого пневматического датчика плотности газов.
1
2
O
Пневматический датчик плотности включает в себя регулирующее давление пневматическое устройство и цепь сравнительного газа с пневмораспределителем и измерительной камерой для пробного газа. Регулирующее давление пневматическое устройство состоит из подвижной части, входной дифференциальной пневматической схемы, считывающего элемента и пневматического мембранного усилителя мощности. Подвижная часть включает пластину 1, подвешенную на газовой опоре 2. Входная дифференциальная пневматическая схема представляет собой входные сопла 3, из которых вытекают струи воздуха под давлением Р и Р. Считывающий элемент выполнен в виде считывающего сопла 4 и заслонки 5, жестко закрепленной на пластине 1. Между считывающем соплом 4 и питающем дросселем 6 расположена измерительная камера 7, связанная со входом усилителя 8 (пневматический мембранный усилитель мощности). Выходной канал усилителя 8 соединен с вторичным прибором (манометром 9) и соплом обратной связи 10. Для компенсации силового действия струи, исходящей из считывающего сопла 4, предусмотрено компенсирующее сопло 11, соединенное с измерительной камерой 7. Через сопло задания нулевого сигнала 12 подается условный нулевой сигнал P.
Изменение чувствительности достигается изменением соотношения плеч  и  (расстояний от газовой опоры 2 до входных сопел 3 и от газовой опоры 2 до заслонки 5 соответственно) путем вращения винта 13. Считывающее сопло 4 совместно с усилителем 8 и соплом обратной связи 10 образует регенеративную обратную связь с коэффициентом усиления больше единицы, которая основана на равновесии подвижной системы.
1
2
Входные сопла 3 подключены к пневмораспределителю 14, с помощью которого зациклено осуществляется пуск пробного газа ПГ через измерительную камеру для пробного газа 15 в цепь сравнительного газа СГ. При подаче пробного газа ПГ происходит накопление в течение времени измерения, в это время сравнительный газ СГ проходит к входным соплам 3 и одинаково давит на пластину 1. Для контроля давлений Р и Р в цепи сравнительного газа СГ используются микроманометры 16, настройка которых обеспечивается переключением клапанов 17.
c
При натекании струи сравнительного газа на пластину сила F действия струйного потока на поверхность определяется выражением:
cp
c
где ρ - плотность сравнительного газа, S - площадь «следа» струи на пластине,  - объемная скорость.
ср
пр
При переключении пневмораспределителя 13 в поток сравнительного газа СГ плотностью ρ вносится доза пробного газа ПГ плотностью ρ, при этом сила действия струи меняется на:
i
где Y(t) - концентрация пробного газа в объеме накопления.
c
Разность силовых воздействий ΔF, рассчитанных по формулам (1) и (2), составляет величину:
i
i
Учитывая, что N=QΔt, N=nV, а молекулярная плотность  то концентрация пробного газа в объеме накопления будет рассчитываться так:
Из выражений (3) и (4), следует:
Основываясь на выведенной формуле (5), определяется чувствительность к изменению плотности пробного газа:
где I - ток в цепи, dP - разность давлений в входных соплах 3, Q - молекулярный расход.
Анализ результатов проведенных исследований привел к выводу, что дозированная подача измеряемых величин и цикличная работа пневматического датчика плотности газов обеспечивают значительное повышение чувствительности к изменению плотности и стабильности показаний.