АНАЛИЗАТОР ПЛОТНОСТИ ГАЗОВ

Полезная модель относится к средствам аналитической лабораторной техники, а именно, к анализаторам плотности газов.
Известен 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, в которой размещена ртуть, служащая 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 анализатор плотности газа (Патент на полезную модель №44388, бюл. №7, 2004 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.
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 полезной модели является создание анализатора плотности газа, обладающего более высокой точностью измерений и не содержащего электромеханических элементов.
Технический результат - увеличение точности измерения плотности газа.
Технический результат достигается тем, что анализатор плотности газов, содержащий миниатюрное турбулентное сужающее устройство, вход которого связан через тройник с камерой для сжатия анализируемого газа, выполненный 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, согласно полезной модели дополнительно содержит пьезорезистивный преобразователь силы, возникающей на упругой мембране, в электрический сигнал, электронный компаратор начального уровня сигнала пьезорезистивного преобразователя силы к выходу которого подключен временной селектор, электронный усилитель, к выходу которого последовательно подключены аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, дешифратор, цифровое отсчетное устройство, и емкость с охлаждающей жидкостью, причем, выход пьезорезистивного преобразователя подключен ко входам компаратора и электронного усилителя, выход временного селектора подключен к управляющему входу запоминающего цифрового устройства, а камера для сжатия анализируемого газа, размещена в емкости с охлаждающей жидкостью.
Такая конструкция позволяет измерять отклонение от некоторого заранее принятого значения давления в камере для сжатия анализируемого газа за некоторый фиксированный отрезок времени. При детерминированных условиях это изменение давления определяется плотностью газа, а именно, с увеличением плотности анализируемого газа изменение давления за фиксированный отрезок времени будет меньше, а при уменьшении давления наоборот. Причем длительность отрезка времени задается с помощью временного селектора, который запускается в работу в некоторый момент времени при достижении давления в камере некоторого принятого значения. Для измерения давления в камере для сжатия анализируемого газа используют цепочку высокоточных измерительных устройств, таких как пьезорезистивный преобразователь силы в электрический сигнал, прецизионный электронный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, что определяет возможность увеличения точности измерения плотности анализируемого газа.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Схема анализатора плотности газов показана на фиг.
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 для сжатия анализируемого газа, а корпус шприца 10 снабжен штуцером 13, местоположение которого обусловлено возможностью образования из шприца проточной камеры при максимальном выдвижении поршня 14.
Анализатор дополнительно содержит пьезорезистивный преобразователь силы 15, возникающей на упругой мембране 6, в электрический сигнал, электронный компаратор начального уровня сигнала 16 пьезорезистивного преобразователя силы 15, к выходу которого подключен временной селектор 17, электронный усилитель 18, к выходу которого последовательно подключены аналого-цифровой преобразователь 19, запоминающее цифровое устройство 20, дешифратор 21, цифровое отсчетное устройство 22, и емкость с охлаждающей жидкостью 23, причем, выход пьезорезистивного преобразователя 15 подключен ко входам компаратора 16 и электронного усилителя 18, выход временного селектора 17 подключен к управляющему входу запоминающего цифрового устройства 20, а камера для сжатия анализируемого газа, размещена в емкости с охлаждающей жидкостью 23. Для подачи компаратору опорного сигнала напряжения служит устройство задания уровня срабатывания 24.
Анализатор плотности газов работает следующим образом. После включения в работу пьезорезистивного преобразователя 6, компаратора 16, устройства 24, временного селектора 17, электронного усилителя 18, аналого-цифрового преобразователя 19, запоминающего цифрового устройства 20, дешифратора 21 и цифрового отсчетного устройства 22, выход турбулентного сужающего устройства с помощью тумблера 9 соединяют с атмосферой. При этом поршень 14 устанавливается в крайнее правое (на Фиг.) положение. После этого открывается 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 отключается 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 Фиг.) 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, затем 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 начинает постепенно уменьшаться. Поэтому уменьшается и электрический сигнал, возникающей на выходе преобразователя силы 15, то есть сила, возникающая на мембране под действием давления, постепенно уменьшается. Этот сигнал поступает на вход компаратора 16. Когда давление в камере 4 достигает некоторого заранее заданного значения срабатывает компаратор 16, так как на его вход из устройства 24 подается сигнал соответствующий принятому значению давления. Сигнал компаратора включает в работу временной селектор 17. При появлении на выходе временного селектора сигнала запоминающее цифровое устройство 20 запоминает значение выходного сигнала аналого-цифрового преобразователя 19, который в цифровой форме отражает сигнал преобразователя силы 15, предварительно усиленный по уровню электронным усилителем 18. Выходной импульсный сигнал временного селектора 17 имеет строго определенную длительность. В момент времени τ, когда выходной сигнал временного селектора 17 становится равным 0, в цифровом запоминающем устройстве 20 запоминается уровень сигнала, несущий информацию о конечном значении давления в камере 4. По значениям цифровых сигналов, соответствующих начальному и конечному значениям давления в камере 4 микропроцессор вычисляет значение плотности анализируемого газа, а результат измерений через дешифратор 21 выводится на цифровое отсчетное устройство 22.
Расчет плотности анализируемого газа осуществляется по формуле
,
в
где ρ - плотность воздуха в нормальных условиях.
K - коэффициент, зависящий от начального давления в измерительной камере.
в
P - давление воздуха в камере в момент времени τ.
а
P - давление анализируемого газа в камере в момент времени τ.
атм
P - атмосферное давление.
Экспериментальные исследования макета 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 анализатор плотности газов может быть реализован на базе стандартного пьезорезистивного преобразователя силы, и распространенных электронных аналоговых и цифровых устройств.
Анализатор плотности может найти широкое применение в практике заводских и исследовательских лабораторий различных предприятий газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.