ЛАБОРАТОРНЫЙ АНАЛИЗАТОР ПЛОТНОСТИ ГАЗОВ
LABORATORY ANALYSER OF GAS DENSITY

Изобретение относится к средствам аналитической лабораторной техники, а именно, к анализаторам плотности газов.
Известен лабораторный анализатор плотности газов (Кириллин В.А., Шейндлин А.Е. Исследования термодинамических свойств веществ. М.: Госэнергоиздат, 1963, с.176-178), который содержит напорный сосуд, заполненный ртутью и установленный вертикально в штативе на определенной высоте, стеклянную трубку с открытым нижним торцом, в верхней части которого установлено миниатюрное турбулентное сужающее устройство для истечения анализируемого газа. Нижняя часть трубки расположена в стеклянной емкости с ртутью, служащей затворной жидкостью. При перемещении напорного сосуда проба анализируемого газа, отобранная в трубку, за счет перемещения уровня ртути, перетекающей из напорного сосуда в емкость, начинает вытесняться последней через отверстие турбулентного сужающего устройства. В процессе истечения измеряется последовательно (с помощью секундомера) время достижения уровнем ртути двух электрических контактов, расположенных по высоте трубки, через которые замыкаются сигнальные электрические цепи. Расстояние по высоте между двумя контактами постоянно. Этим определяется постоянство объема, истекающей через турбулентное сужающее устройство пробы анализируемого газа. Время истечения этой пробы анализируемого газа однозначно определяется его плотностью.
Недостатком такого анализатора является необходимость использования в нем ртути, в качестве запорной жидкости, что является нежелательным с позиции техники безопасности.
Наиболее близким по технической сущности является лабораторный анализатор плотности газа (RU №44388, G01N 9/32, 2005 г. «Анализатор плотности газов», Л.В. Илясов, А.В. Буянов), содержащий миниатюрное турбулентное сужающее устройство, вход которого связан через тройник с камерой для сжатия анализируемого газа, выполненной в виде спирали из тонкостенной металлической трубки, и выходом измерительной камеры индикатора давления, одна из стенок которой выполнена в виде упругой мембраны, а ее вход соединен через вентиль с линией анализируемого газа, пневмотумблер, подключенный к выходу турбулентного сужающего устройства, шприц, входной канал которого соединен с выходным каналом камеры для сжатия анализируемого газа, а корпус снабжен штуцером, местоположение которого обусловлено возможностью образования из шприца проточной камеры при максимальном выдвижении поршня, измеритель временных интервалов с включающим и выключающим входами.
Измерение плотности газа данным анализатором осуществляется путем измерения интервала времени истечения пробы анализируемого газа через турбулентное сужающее устройство после ее отбора и сжатия с помощью поршня в замкнутой емкости. При этом время истечения определяется как разность моментов времени, при которых в камере для сжатия анализируемого газа при непрерывно изменяющемся давлении достигаются выбранные заранее максимальное и минимальное значение давления.
Недостатком данного анализатора является наличие в его составе электромеханического устройства, состоящего из металлической мембраны и двух игольчатых контактов, при замыкании которых определяются значения двух названных выше давлений. Наличие электромеханического устройства определяет невысокую точность измерения плотности газа, связанную с постепенным окислением игольчатых контактов, которое приводит к изменению переходного электрического сопротивления.
Задачей изобретения является создание лабораторного анализатора плотности газа без электромеханических элементов.
Технический результат - увеличение точности измерения плотности газа.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что лабораторный анализатор плотности газов, содержит миниатюрное турбулентное сужающее устройство, вход которого связан через тройник с камерой для сжатия анализируемого газа, выполненной в виде спирали из тонкостенной металлической трубки, и выходом измерительной камеры индикатора давления, одна из стенок которой выполнена в виде упругой мембраны, а ее вход соединен через вентиль с линией анализируемого газа, пневмотумблер, подключенный к выходу турбулентного сужающего устройства, шприц, входной канал которого соединен с выходным каналом камеры для сжатия анализируемого газа, а корпус снабжен штуцером, местоположение которого обусловлено возможностью образования из шприца проточной камеры при максимальном выдвижении поршня, измеритель временных интервалов с включающим и выключающим входами. Согласно изобретению анализатор дополнительно содержит пьезорезистивный преобразователь силы в электрический сигнал, возникающей на упругой мембране, электронные компараторы максимального и минимального сигналов пьезорезистивного преобразователя и емкость с охлаждающей жидкостью, в которой размещена камера для сжатия анализируемого газа, причем выход пьезорезистивного преобразователя соединен с входами компараторов, выход компаратора максимального сигнала пьезорезистивного преобразователя подключен к включающему входу измерителя временных интервалов, а выход компаратора минимального сигнала пьезорезистивного преобразователя подключен к выключающему входу этого измерителя.
Такая конструкция позволяет измерять принятые максимальные и минимальные значения давления по значениям электрического сигнала преобразователя силы путем определения соответствующих электрических сигналов с помощью электронных компараторов и электронного измерителя временных интервалов, т.е. обеспечивает полностью электрическое измерение названных давлений. Конструкция позволяет также использовать для измерения высокоточные, в частности пьезорезистивный преобразователи силы в электрический сигнал, что определяет возможность увеличения точности измерения плотности газа.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Схема лабораторного анализатора плотности газов показана на фиг.
Лабораторный анализатор плотности содержит миниатюрное турбулентное сужающее устройство 1, связанное через тройник 2 с камерой 3 для сжатия анализируемого газа, выполненной в виде спирали из тонкостенной металлической трубки, и выходом измерительной камеры 4, индикатора давления 5, одна из стенок которого выполнена в виде упругой мембраны 6. Входной штуцер камеры 4 соединен через вентиль 7 с линией 8 анализируемого газа. Анализатор содержит также тумблер 9, подключенный к выходу турбулентного сужающего устройства 1, шприц 10, выходной канал 11 которого соединен с входным каналом 12 камеры 3 для сжатия анализируемого газа. Корпус шприца 10 снабжен штуцером 13, местоположение которого обусловлено возможностью образования из шприца 10 проточной камеры при максимальном выдвижении поршня 14. Измеритель 15 временных интервалов содержит включающий вход 16 и выключающий вход 17.
Анализатор также содержит пьезорезистивный преобразователь 18 силы, возникающей на упругой мембране 6, в электрический сигнал, электронные компараторы 19 и 20 максимального и минимального сигнала пьезорезистивного преобразователя 18, и емкость 21 с охлаждающей жидкостью, в которой размещена камера 3 для сжатия анализируемого газа. Выход пьезорезистивного преобразователя 18 силы соединен с входами компараторов 19 и 20, выход компаратора 19 максимального сигнала пьезорезистивного преобразователя 18 подключен к включающему входу 16 измерителя 15 временных интервалов, а выход компаратора 20 минимального сигнала пьезорезистивного преобразователя 18 подключен к выключающему входу 17 измерителя 15 временных интервалов. Компараторы 19 и 20 снабжены, соответственно, устройствами задания уровней срабатывания максимального 22 и минимального 23 значений сигналов пьезорезистивного преобразователя 18 силы.
а
Лабораторный анализатор плотности газов работает следующим образом. После включения в работу пьезорезистивного преобразователя 18, компараторов 19 и 20, устройств 22 и 23 и измерителей 15 временных интервалов выход турбулентного сужающего устройства 1 с помощью тумблера 9 соединяют с атмосферой. При этом поршень 14 устанавливают в крайнее правое, показанное на чертеже положение. После этого открывают вентиль 7 и анализируемый газ начинает поступать в атмосферу, протекая через камеры 3, 4 и шприц 10, а также через турбулентное сужающее устройство 1. Таким образом, турбулентное сужающее устройство 1, камеры 3, 4 и шприц 10 промываются анализируемым газом. Промывка длится 1-1,5 минуты. Затем с помощью тумблера 9 турбулентное сужающее устройство 1 отключают от атмосферы, а избыток анализируемого газа истекает в атмосферу через шприц 10 и штуцер 13. На этом заканчивается режим работы анализатора «Подготовка». После перемещения поршня 14 шприца 10 влево, на некоторое заранее выбранное положение, анализируемый газ сжимается до некоторого постоянного давления и его температура несколько увеличивается. По истечении некоторого отрезка времени, в течение которого температура газа принимает некоторое постоянное значение, например, равное температуре охлаждающей жидкости, в камерах 3 и 4 устанавливается постоянное давление. Далее с помощью тумблера 9 сужающее устройство 1 сообщается с атмосферой, и анализируемый газ начинает истекать через сужающее устройство 1 в атмосферу (режим работы «Анализ»). При этом давление в камере 1 начинает постепенно уменьшаться. Поэтому уменьшается и электрический сигнал, возникающей на выходе преобразователя силы 18, то есть сила, возникающая на мембране 6 под действием давления, постепенно уменьшается. Этот сигнал поступает одновременно на вход компараторов 19 и 20. Когда сигнал на выходе преобразователя 18 достигает принятого максимального значения (заданный компаратором 19), соответствующего принятому максимальному давлению, на выходе компаратора 19 формируется сигнал, который через вход 16 включает в работу измеритель 15 временных интервалов. Начинается отсчет времени. Когда при постепенном уменьшении давления в камере 4 и уменьшении сигнала преобразователя 18 последний достигает принятого минимального значения, соответствующему минимальному давлению, (задается компаратором 20), компаратор 20 вырабатывает сигнал, который через вход 17 отключает счет времени, осуществляемый измерителем 15 временных интервалов. В результате измеряется значение - τ интервала времени истечения анализируемого газа через турбулентное сужающее устройство 1, которое обычно составляет 50-100 с. Для увеличения точности измерения аналогичную операцию целесообразно проводить 3 раза и определять среднее значение времени
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>в</mi></msub></mrow>
Для определения значения плотности анализируемого газа все описанные операции необходимо повторить для эталонного газа, которым может служить осушенный воздух, при этом определяется среднее время истечения воздуха
.
Расчет плотности анализируемого газа осуществляется по формуле
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>а</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>а</mi></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>τ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>в</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
,
в
где ρ - плотность воздуха в нормальных условиях.
Экспериментальные исследования макета лабораторного анализатора плотности газов показали, что он при использовании высокоточных современных преобразователей силы в электрический сигнал способен обеспечить измерение плотности газа с погрешностью ±0,2%.
Преимущества предлагаемого технического решения:
- простота конструкции и отсутствие электромеханических элементов;
- высокая точность;
- низкая стоимость.
Предлагаемый лабораторный анализатор плотности газов может быть реализован на базе стандартного пьезорезистивного преобразователя силы, измерителя временных интервалов и распространенных электронных устройств - компараторов электрических сигналов
Лабораторный анализатор плотности может найти широкое применение в практике заводских и исследовательских лабораторийразличных предприятий газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.