Способ определения концентрации компонента в двухкомпонентной газовой смеси
METHOD FOR DETERMINING COMPONENT CONCENTRATION IN TWO-COMPONENT GAS MIXTURE

Предлагаемый способ относится к области информационно-измерительной техники и может быть использован для предотвращения пожаров на объектах энергетики и других отраслей промышленности.
Известна система, реализующая способ пожарного мониторинга на объектах энергетики с использованием термомагнитных газоанализаторов кислорода (см. Зыков В.И., Крупин М.В., Левчук М.С. и др. Система пожарного мониторинга на объектах энергетики с использованием термомагнитных газоанализаторов кислорода // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2012. - №3. - С. 64-70). Данная система содержит рабочий (для детектирования контролируемого параметра смеси) и сравнительный (для компенсации погрешностей, вызванных неконтролируемым параметром смеси) элементы, представляющие собой полые спирали. Сравнительный чувствительный элемент размещается в том месте смеси, где нет искусственного магнитного поля, а рабочий чувствительный - там, где есть термомагнитная конвекция смеси (наличие магнитного поля). Чувствительные элементы соединяются по уравновешиваемой мостовой схеме. В рассматриваемом случае из-за термомагнитной конвекции изменяется температура рабочего чувствительного элемента, что в свою очередь приводит к изменению его сопротивления. В результате из-за разбаланса измерительного моста на его выходе возникает сигнал, по величине которого можно судить о концентрации кислорода в анализируемой газовой среде.
Недостатком этой известной системы мониторинга можно считать невысокую точность измерения из-за влияния температуры окружающей среды на вторичную цепь измерения сопротивлений спиралей.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является принятый автором за прототип газоанализатор, реализующий способ определения процентного содержания компонента газовой смеси (см. Информационно-измерительная техника и электроника. Учебник. Под редакцией Г.Г. Раннева. Издательство «Академия», 2007, с. 391), принцип действия которого основан на изменении сопротивления проводника в зависимости от теплопроводности смеси двух газов. В этом способе на основе измерения теплопроводности газовой смеси сопротивлением чувствительного элемента (теплового преобразователя) с учетом известного процентного содержания одного компонента смеси и теплопроводности этого же компонента, можно вычислить процентное содержание второго компонента смеси.
Недостатком данного способа является невысокая точность измерения из-за отсутствия информации об объеме, занимаемом контролируемым компонентом в измерительной камере.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения концентрации компонента в двухкомпонентной газовой смеси.
Технический результат достигается тем, что в способе определения концентрации компонента в двухкомпонентной газовой смеси, помещенной в измерительной камере, основанный на использовании теплопроводности контролируемой газовой смеси, сначала вычисляют массу m контролируемого компонента в газовой смеси по формуле
к
см1
см2
см12
см2
m=ρ v (λ+λ-λ)/λ,
к
см1
см2
см12
где ρ - плотность контролируемого компонента, v - объем камеры, λ - теплопроводность первого компонента, λ - теплопроводность второго контролируемого компонента, λ - теплопроводность газовой смеси, и затем с учетом массы одной молекулы контролируемого второго компонента, определяют концентрацию искомого параметра.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение объема второго компонента в двухкомпонентной газовой смеси через ее теплопроводность дает возможность определить концентрацию контролируемого компонента в газовой смеси.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу определения концентрации компонента в двухкомпонентной газовой смеси на основе измерения объема второго компонента через теплопроводность газовой смеси с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения концентрации.
Устройство содержит измерительную камеру 1, проволоку 2, термопару 3, усилитель 4, измеритель напряжения 5, блок преобразования 6 и блок ввода 7. Способ работает следующим образом. Наличие в измерительной камере двухкомпонентной газовой смеси и разогретой проволоки обусловливает теплообмен в камере. В рассматриваемом случае теплообмен осуществляется путем теплопроводности самой газовой среды. Как известно при теплообмене в зависимости от теплоотдачи температура проволоки изменяется. В соответствии с этим, если теплопроводность данной газовой смеси будет меняться, то будет меняться температура разогретой проволоки. Следовательно, при изменении теплопроводности газовой смеси по величине изменения температуры проволоки при постоянном значении тока, протекающего через проволоку, можно судить о теплопроводности газовой среды. Для теплопроводности двухкомпонентной газовой смеси, состоящей из двух газов, например, не вступающих в реакцию друг с другом, можно записать
см12
см1
см2
где λ, λ, λ - соответственно теплопроводности смеси и компонентов; a - и b - процентное содержание компонентов смеси.
см12
Из приведенной выше формулы видно, что если измерить теплопроводность данной двухкомпонентной газовой смеси λ, то при известных значениях теплопроводностей компонентов можно вычислить процентное содержание одного (при известном процентном содержании второго компонента) из компонентов газовой смеси. В силу этого формулу (1) можно переписать как
к
кис
к
кис
Зная процентное содержание одного компонента в газовой смеси, можно вычислить объем, занимаемый этим компонентом в измерительной камере. Пусть объем измерительной камеры V, а объем, занимаемый искомым компонентом в измерительной камере, например кислородом, V. Тогда для процентного содержания кислорода а в измерительной камере с учетом объемов V и V можно записать, что
кис
к
a=(V/V)100.
кис
к
см1
см2
см12
см2
Если значение а из последней формулы подставить в формулу (2), то получим V=V(λ+λ-λ)/λ.
Из полученной формулы видно, что при известных значениях теплопроводностей компонентов и объема измерительной камеры измерением электропроводности газовой смеси можно вычислить объем искомого компонента в камере.
кис
Согласно предлагаемому способу измерение объема искомого компонента через электропроводность газовой смеси дает возможность далее вычислить массу искомого компонента в газовой смеси. Для этого необходимо знать плотность контролируемого компонента. После этого по известной плотности материала (компонента) и известному объему данного материала можно вычислить массу материала. Следовательно, зная массу одной молекулы материала (из таблиц, например, для кислорода) и общую массу кислорода в объеме V, можно рассчитать концентрацию материала в измерительной камере.
В данном способе определение массы материала через электропроводность газовой смеси можно осуществить измерением температуры разогретой проволоки.
Устройство, реализующий предлагаемый способ, работает следующим образом. Помещенная двухкомпонентная газовая смесь в измерительную камеру 1 посредством проволоки 2 разогревается. При теплообмене за счет электропроводности газовой смеси температура проволоки изменятся (значение тока, прошедшего через проволоку, остается постоянным) в зависимости от изменения электропроводности смеси. Так как электропроводность данной смеси напрямую зависит от концентрации (массы) одного компонента (при постоянной величине концентрации (массы) второго компонента), то измерив температуру проволоки, можно получить информацию об искомом параметре. В рассматриваемом способе для измерения температуры проволоки используется термопара 3. Выходной сигнал термопары (термоЭДС) далее усиливается в усилителе 4 и поступает на вход измерителя напряжения 5. После этого напряжение последнего подается на первый вход блока преобразования 6. Одновременно на второй вход блока преобразования с выхода блока ввода 7 подается сигнал, соответствующий массе одной молекулы, определяется концентрация контролируемого вещества (компонента) в двухкомпонентной газовой смеси.
Таким образом, согласно предлагаемому способу измерение массы одного компонента в двухкомпонентной газовой смеси с дальнейшей поправкой массы одной молекулы контролируемого вещества можно определить концентрацию искомого компонента в двухкомпонентной газовой смеси.
Предлагаемый способ успешно может быть использован для предотвращения пожаров на объектах энергетики и других отраслей промышленности.