Способ организации средств для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического разбавления газов Устройство для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического разбавления газов
METHOD OF ORGANISATION OF MEANS FOR PREPARATION OF TEST GAS MIXTURES BY DYNAMIC DILUTION OF GASES AND DEVICE FOR PREPARATION OF TEST GAS MIXTURES BY DYNAMIC DILUTION OF GASES

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к устройствам для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического разбавления газов. Изобретение может найти применение при создании средств измерений, используемых для калибровки и метрологической поверки газоаналитического оборудования.
Используемые термины
Организация - совокупность процессов или действий, ведущих к образованию и совершенствованию взаимосвязей между частями целого. // Большой Энциклопедический словарь. URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc3p/221386 (дата обращения: 09.01.2016).
Целевой компонент - компонент поверочной газовой смеси, используемый для определения погрешности измерения объемной доли данного компонента при метрологической поверке газоаналитического оборудования.
Исходный целевой газ - технически чистый целевой компонент или промежуточная газовая смесь с целевыми компонентами, которые используются для приготовления поверочной газовой смеси методом динамического разбавления.
Газ-разбавитель - технически чистый газ, используемый для разбавления исходного целевого газа с целью приготовления поверочной газовой смеси. В качестве газа-разбавителя чаще всего используют азот или воздух.
Измеряемый поток газа - поток однокомпонентного или многокомпонентного исходного целевого газа, направляемый в блок газового расходомера с целью измерения объемного расхода.
Газовая метка потока - неоднородность, создаваемая в измеряемом потоке газа импульсным вводом газа метки, отличающегося по физическим характеристикам от измеряемого потока.
Известно техническое решение, в котором описаны способ организации средств для приготовления поверочной газовой смеси методом динамического разбавления и устройство для приготовления поверочной газовой смеси методом динамического разбавления, которые взяты в качестве прототипов для заявляемого технического решения («Генератор газовых смесей. ГГС-03-03 руководство по эксплуатации ШДЕК 418313.001 РЭ, ООО «Мониторинг», г. С.Петербург, 2008 г.). В известном техническом решении для приготовления поверочной газовой смеси методом динамического разбавления используют способ и устройство, при котором регулятором расхода исходного целевого газа и регулятором расхода газа-разбавителя, входящими в состав блока генератора газовых смесей, создают потоки исходного целевого газа и газа-разбавителя с заданными расходами, перемешивают их в камере смешения до однородного состояния и направляют на выход устройства поток поверочной газовой смеси с заданным значением объемной доли целевого компонента. Для создания потока исходного целевого газа используют регуляторы расхода газа, которые откалиброваны по чистым газам. На практике при использовании генераторов газовых смесей применяются исходные целевые газы с самым различным составом и с разным процентным содержанием целевых компонентов. Для задания расхода исходного целевого газа с определенным содержанием целевого компонента пользуются пересчетом калибровки регулятора расхода по чистому газу в калибровку для исходного целевого газа по приближенным формулам.
Недостаток известного способа и устройства состоит в том, что при приготовлении поверочной газовой смеси может быть использован ограниченный набор исходных целевых газов, поскольку приближенные формулы пересчета калибровок регуляторов расхода газов применимы только для бинарных смесей и с объемной долей целевого компонента не более 10%. Для многокомпонентных исходных целевых газов и при объемной доле целевого компонента более 10% погрешность заданной объемной доли целевого компонента в поверочной газовой смеси превышает допустимую.
Задачей заявляемого технического решения является разработка способа организации средств для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического разбавления газов и устройства для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического смешения газов, которые обеспечивают возможность применения для разбавления многокомпонентных исходных целевых газов с объемной долей целевых компонентов до 100% и имеют малую погрешность объемной доли целевого компонента поверочной газовой смеси.
Поставленная задача решается тем, что в способе организации средств для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического разбавления газов, включающем использование корпуса, в котором размещают блок генератора газовых смесей, последний выполняют содержащим регулятор расхода исходного целевого газа, регулятор расхода газа-разбавителя и камеру смешения; обеспечение реализации режима приготовления газовых смесей, дополнительно используют и располагают в корпусе коммутатор потока, который выполняют с возможностью переключения направления потока газовой смеси, выходящей из блока генератора газовых смесей; блок газового расходомера, который выполняют содержащим регулятор давления газа метки потока, измерительный канал, который выполняют с возможностью измерения объемного расхода измеряемого потока газа, и содержащим линию потока, которую выполняют с возможностью пропускания измеряемого потока газа, а также газа метки потока, и содержащую размещенные по направлению движения потока в порядке упоминания, газовую линию задержки, первый детектор, который выполняют с возможностью измерения концентрации газа метки потока в измеряемом потоке газа, измерительный объем, второй детектор, который выполняют с возможностью измерения концентрации газа метки потока в измеряемом потоке газа, а также модуль импульсного ввода газа метки потока, выход которого подключают к входу газовой линии задержки, датчик температуры, который выполняют с возможностью измерения температуры в измеряемом потоке газа и который подключают к выходу газовой линии задержки, первый датчик абсолютного давления, который соединяют с первым детектором, второй датчик абсолютного давления, который соединяют со вторым детектором, при этом выход регулятора давления газа метки потока соединяют с входом модуля импульсного ввода газа метки потока; дополнительно обеспечивают реализацию режима калибровки, при котором калибруют регулятор расхода исходного целевого газа по исходному целевому газу, кроме того, реализацию выбора либо режима калибровки, либо режима приготовления газовых смесей. Камеру смешения выполняют с возможностью перемешивания до однородного состояния потоков газа-разбавителя и исходного целевого газа и с возможностью подключения ее выхода к входу коммутатора потока. Корпус выполняют в виде термостатированного корпуса с возможностью поддержания внутри корпуса заданного значения температуры. Регулятор расхода газа-разбавителя выполняют с возможностью подключения к его входу источника газа-разбавителя. Регулятор расхода исходного целевого газа выполняют с возможностью подключения к его входу источника исходного целевого газа. Регулятор давления газа метки потока выполняют с возможностью подключения к его входу источника газа метки потока. Коммутатор потока выполняют на основе трехходового двухпозиционного электропневмоклапана. Модуль импульсного ввода газа метки потока выполняют на основе двухходового электропневмоклапана и газового дросселя с возможностью ввода в поток необходимого для данного расхода измеряемого потока газа объема газа метки потока. Линию потока выполняют с возможностью пропускания газа метки потока с теплопроводностью, значительно отличающейся от теплопроводности измеряемого потока газа. Первый, а также второй детекторы выполняют либо в виде чувствительных элементов детекторов по теплопроводности с малыми геометрическими размерами спиралей чувствительных элементов, либо в виде планарных микроэлектронных чувствительных элементов детекторов по теплопроводности. Газовую линию задержки выполняют либо в виде металлической трубки, диаметр которой много меньше ее длины, либо в виде полимерной трубки, диаметр которой много меньше ее длины. Измерительный объем выполняют либо в виде металлической трубки, диаметр которой много меньше ее длины, либо в виде полимерной трубки, диаметр которой много меньше ее длины. Линию задержки и измерительный объем выполняют в виде трубок, свернутых в спираль. В качестве источника газа метки потока используют баллон с газом метки потока, в качестве источника газа-разбавителя используют баллон с газом-разбавителем, в качестве источника исходного целевого газа используют баллон с исходным целевым газом.
А устройство для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического разбавления газов, содержащее корпус, в котором размещены блок генератора газовых смесей, последний включает регулятор расхода исходного целевого газа, регулятор расхода газа-разбавителя, камеру смешения, дополнительно содержит коммутатор потока, который выполнен с возможностью переключения направления потока газовой смеси, выходящей из блока генератора газовых смесей; блок газового расходомера, который содержит регулятор давления газа метки потока, который выполнен с возможностью подключения к его входу источника газа метки потока, измерительный канал, который выполнен с возможностью измерения объемного расхода измеряемого потока газа, и содержащим линию потока, которая выполнена с возможностью пропускания измеряемого потока газа, а также газа метки потока заданного объема, и содержит размещенные по направлению движения потока в порядке упоминания, газовую линию задержки, первый детектор, который выполнен с возможностью измерения концентрации газа метки потока в измеряемом потоке газа, измерительный объем, второй детектор, который выполнен с возможностью измерения концентрации газа метки потока в измеряемом потоке газа, а также модуль импульсного ввода газа метки потока, выход которого подключен к входу газовой линии задержки, датчик температуры, который выполнен с возможностью измерения температуры в измеряемом потоке газа и подключен к выходу газовой линии задержки, первый датчик абсолютного давления, который соединен с первым детектором, второй датчик абсолютного давления, который соединен со вторым детектором, при этом выход регулятора давления газа метки потока соединен с входом модуля импульсного ввода газа метки потока, при этом выход регулятора расхода исходного целевого газа подключен к одному входу камеры смешения, выход регулятора расхода исходного целевого газа подключен к другому входу камеры смешения, а выход камеры смешения подключен к входу коммутатора потока. Камера смешения выполнена с возможностью перемешивания до однородного состояния потоков газа-разбавителя и исходного целевого газа. Корпус выполнен в виде термостатированного корпуса с возможностью поддержания заданного значения температуры. Регулятор расхода газа-разбавителя выполнен с возможностью подключения к его входу источника газа-разбавителя. Регулятор расхода исходного целевого газа выполнен с возможностью подключения к его входу источника исходного целевого газа. Коммутатор потока выполнен на основе трехходового двухпозиционного электропневмоклапана. Модуль импульсного ввода газа метки потока выполнен на основе двухходового электропневмоклапана и газового дросселя с возможностью ввода в поток необходимого для данного измеряемого объемного расхода измеряемого потока газа объема газа метки потока. Линия потока выполнена с возможностью пропускания газа метки потока с теплопроводностью, значительно отличающейся от теплопроводности измеряемого потока газа. Первый, а также второй детекторы выполнены либо в виде чувствительных элементов детекторов по теплопроводности с малыми геометрическими размерами спиралей чувствительных элементов, либо в виде планарных микроэлектронных чувствительных элементов детекторов по теплопроводности. Газовая линия задержки выполнена либо в виде металлической трубки, диаметр которой много меньше ее длины, либо в виде полимерной трубки, диаметр которой много меньше ее длины. Измерительный объем выполнен либо в виде металлической трубки, диаметр которой много меньше ее длины, либо в виде полимерной трубки, диаметр которой много меньше ее длины. Линия задержки и измерительный объем выполнены в виде трубок, свернутых в спираль.
Технический эффект от заявляемого технического решения заключается в расширении средств данного назначения, в возможности использования для разбавления многокомпонентных исходных целевых газов и с объемной долей целевых компонентов до 100%, с малой погрешностью воспроизведения объемной доли целевых компонентов в поверочной газовой смеси.
Заявляемое устройство поясняется чертежом, на котором показана блок-схема, поясняющая суть заявляемого технического решения, где 1 - корпус, 2 - блок генератора газовых смесей, 3 - блок газового расходомера, 4 - коммутатор потока, 5 - баллон с газом-разбавителем, 6 - баллон с исходным целевым газом, 7 - баллон с газом метки потока, 8 - регулятор расхода газа-разбавителя, 9 - регулятор расхода исходного целевого газа, 10 - камера смешения, 11 - регулятор давления газа метки потока, 12 - модуль импульсного ввода газовой метки потока, 13 - газовая линия задержки, 14 - датчик температуры, 15 - первый детектор, 16 - первый датчик абсолютного давления, 17 - измерительный объем, 18 - второй детектор, 19 - второй датчик абсолютного давления.
Заявляемое техническое решение осуществляется следующим образом.
Для организации средств для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического разбавления газов используют корпус 1, в котором размещают блок генератора газовых смесей 2 и блок газового расходомера 3. Блок генератора газовых смесей 2 выполняют содержащим регулятор расхода исходного целевого газа 9, регулятор расхода газа-разбавителя 8 и камеру смешения 10. Блок генератора газовых смесей 2 выполняют обеспечивающим реализацию режима приготовления газовых смесей, при этом камеру смешения 10 выполняют с возможностью перемешивания до однородного состояния потоков газа-разбавителя и исходного целевого газа и с возможностью подключения ее выхода к входу коммутатора потока 4. Коммутатор потока выполняют с возможностью переключения направления потока газовой смеси, выходящего из блока генератора газовых смесей. Блок газового расходомера 3 выполняют содержащим регулятор давления газа метки потока 11 и измерительный канал, который выполняют с возможностью измерения объемного расхода измеряемого потока газа, и содержащим линию потока, последнюю выполняют с возможностью пропускания измеряемого потока газа, а также газа метки потока. В линию потока размещают по направлению движения потока в порядке упоминания газовую линию задержки, первый детектор, который выполняют с возможностью измерения концентрации газа метки потока в измеряемом потоке газа, измерительный объем, второй детектор, который выполняют с возможностью измерения концентрации газа метки потока в измеряемом потоке газа, а также модуль импульсного ввода газа метки потока, выход которого подключают к входу газовой линии задержки, датчик температуры, который выполняют с возможностью измерения температуры в измеряемом потоке газа и который подключают к выходу газовой линии задержки, первый датчик абсолютного давления, который соединяют с первым детектором, второй датчик абсолютного давления, который соединяют со вторым детектором, при этом выход регулятора давления газа метки потока соединяют с входом модуля импульсного ввода газа метки потока. С помощью блока газового расходомера 3 обеспечивают реализацию режима калибровки, при котором калибруют регулятор расхода исходного целевого газа по исходному целевому газу. Организация средств для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического разбавления газов описанным выше способом позволяет в одном приборе реализовать выбор либо режима калибровки, либо режима приготовления газовых смесей.
Устройство для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического разбавления газов реализовано известными способами следующим образом.
Блок генератора газовых смесей 2, блок газового расходомера 3 и коммутатор потока 4 расположены в корпусе 1. Вход регулятора расхода газа-разбавителя 8 подключают к источника газа-разбавителя, например, к баллону с газом-разбавителем 5. Вход регулятора расхода исходного целевого газа 9 подключают к источнику исходного целевого газа, например, к баллону с исходным целевым газом 6. Вход регулятора давления газа метки потока 11 подключают к источнику газа метки потока, например, к баллону с газом метки потока 7. Выходы регулятора расхода газа-разбавителя 8 и регулятора расхода исходного целевого газа 9 подключены к входам камеры смешения 10, а выход камеры смешения подключен к входу коммутатора потока 4.
Выход регулятора давления газа метки потока 11 подключен к входу модуля импульсного ввода газа метки потока 12, выход модуля импульсного ввода газа метки потока 11 подключен к входу газовой линии задержки 13. Датчик температуры 14 выполнен с возможностью измерения температуры измеряемого потока газа и подключен к выходу газовой линии задержки 13. Первый датчик абсолютного давления 16 герметично соединен с первым детектором 15, второй датчик абсолютного давления 19 герметично соединен со вторым детектором 18. В линии потока расположены в порядке упоминания и герметично соединены между собой газовая линия задержки 13, первый детектор 15, измерительный объем 17, второй детектор 18.
К линии потока, в месте соединения одного из выходов коммутатора потока 4 с входом линии задержки 13 герметично присоединен модуль импульсного ввода газовой метки потока 12, в месте соединения линии задержки 13 с первым детектором 15 герметично присоединен датчик температуры 14, первый датчик абсолютного давления 16 герметично присоединен к первому детектору 15, второй датчик абсолютного давления 19 герметично присоединен ко второму детектору 18. Коммутатор потока 4, блок генератора газовых смесей 2, блок газового расходомера 3 расположены в термостатированном корпусе 1.
Коммутатор потока 4 имеет два состояния. В первом состоянии коммутатора потока 9 измеряемый поток газа с выхода блока генератора газовых смесей 2 подается на вход блока газового расходомера 3. Во втором состоянии коммутатора потока 9 поток поверочной газовой смеси подается на выход устройства.
Пример применения устройства для приготовления поверочных газовых смесей методом динамического разбавления газов.
Задают и устанавливают в термостатированном корпусе 1 рабочую температуру. На вход регулятора расхода 8 подают газ-разбавитель из баллона 5, на вход регулятора расхода 9 подают исходный целевой газ из баллона 6, на вход регулятора давления газа метки потока 11 подают газ метки потока из баллона 7. Регулятором давления газа метки потока 11 устанавливают заданное значение давления на входе модуля импульсного ввода газа метки потока 12.
Устройство реализует два режима работы - калибровка регулятора расхода 9 по исходному целевому газу и рабочий режим приготовления блоком генератора газовых смесей 2 поверочной газовой смеси заданного состава.
В режиме калибровки коммутатор потока 4 устанавливают в первое состояние. Регулятор расхода газа-разбавителя 8 отключают. Регулятором расхода исходного целевого газа задают объемный расход , используя имеющуюся калибровочную кривую для однокомпонентного газа, создают поток исходного целевого газа и подают на вход блока газового расходомера. Модулем импульсного ввода газа метки потока вводят в измеряемый поток газа заданный объем газа метки потока. Изменение во времени концентрации газа метки потока в измеряемом потоке исходного целевого газа контролируют первым 15 и вторым 18 детекторами газовой метки потока, при этом регистрируют два пика. Разделение во времени пиков и паразитных колебаний сигнала детекторов газовой метки потока обеспечивает газовая линия задержки. Измеряют счетчиком времени временной интервал между максимумами регистрируемых пиков, соответствующий времени прохождения газовой меткой потока расстояния между первым и вторым детекторами. Измеряют давление в измеряемом потоке газа на входе измерительного объема первым датчиком абсолютного давления 16 и на выходе измерительного объема вторым датчиком абсолютного давления 19. Определяют температуру в потоке измеряемого газа датчиком температуры 5.
0
1
2
0
0
Объемный расход измеряемого потока газа, приведенный к нормальным условиям (0°C и 760 мм рт.ст.), рассчитывают по формуле W=V×P×T/(P×T×t), где V - величина измерительного объема между контрольными точками, Р=(Р+Р)/2 - среднее арифметическое значение давления газа в измерительном объеме в мм рт.ст., T - температура газа в потоке в °K, T=273,15°K, P - нормальное атмосферное давление (760 мм рт.ст.), t - время прохождения газовой метки потока между первым и вторым детекторами.
Повторяют описанную процедуру для заданного набора значений  и на основании полученных данных строят калибровочную кривую регулятора расхода 9 для используемого исходного целевого газа.
p
ицг
В рабочем режиме приготовления поверочной газовой смеси заданного состава коммутатор потока 4 устанавливают во второе состояние. Задают и создают регулятором расхода 8 поток газа-разбавителя с объемным расходом W, создают регулятором расхода 9 поток исходного целевого газа с объемным расходом W, при этом при задании объемного расхода исходного целевого газа используют калибровочную кривую, полученную для используемого исходного целевого газа при проведении процедуры калибровки, перемешивают потоки в камере смешения 10 и направляют приготовленную поверочную смесь на выход устройства.
ицг
гр
Концентрацию i-го целевого компонента в приготовленной поверочной газовой смеси рассчитывают по формуле , где  - концентрация i-го целевого компонента в исходном целевом газе, W - объемный расход исходного целевого газа, W- объемный расход газа-разбавителя.
Предложенное устройство имеет следующие преимущества:
1. Возможность использования для разбавления исходных целевых газов произвольного состава и с произвольной объемной долей целевых компонентов.
Эта возможность обеспечивается наличием в устройстве встроенного блока расходомера с газовой меткой потока, который позволяет измерять объемный расход газовых смесей произвольного состава и с произвольной концентрацией целевых компонентов.
2. Малую погрешность объемной доли целевого компонента в приготовленной поверочной газовой смеси.
Обеспечивается точной калибровкой регулятора расхода исходного целевого газа с использованием блока расходомера с газовой меткой потока, имеющего предел допускаемой погрешности измерения объемного расхода ± 1%.