Лабораторный эффузионный анализатор плотности газов
LABORATORY EFFICIENT ANALYZER OF GAS DENSITY

Изобретение относится к средствам аналитической лабораторной техники, а именно, к анализаторам плотности и вязкости 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 установлен миниатюрный турбулентный дроссель, 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 дросселя. 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 турбулентный дроссель 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 газов (RU 2531043, МПК G01N 9/00, 2014), содержащий турбулентный дроссель, вход которого соединен через тройник с камерой для сжатия анализируемого газа, выполненной в виде спирали из тонкостенной металлической трубки, и размещенной в емкости с охлаждающей жидкостью, и выходом измерительной камеры датчика давления, а вход этой камеры соединен через вентиль с линией анализируемого газа, пневмотумблер, подключенного к выходу турбулентного дросселя, и устройство для сжатия анализируемого газа, входной канал которого соединен с выходным каналом камеры для сжатия анализируемого газа.
Измерение плотности газа данным анализатором осуществляется путем измерения интервала времени истечения пробы анализируемого газа через турбулентный дроссель 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.
Недостатками данного анализатора являются узкие информационные возможности анализатора: измерение только одного параметра - плотности.
Проблемой изобретения является узкие информационные возможности анализатора.
Техническим результатом изобретения является создание лабораторного эффузионного анализатора плотности газов, обладающего расширенными функциональными и информационными возможностями, а именно позволяющего измерять как плотность, так и динамическую и кинематическую вязкости газов.
Технический результат достигается тем, что лабораторный эффузионный анализатор плотности газов содержит турбулентный дроссель, выход которого соединен с пневмотумблером, камеру для сжатия газов, выполненною в виде спирали из тонкостенной металлической трубки, размещенную в емкости с охлаждающей жидкостью, тройник и датчик давления с измерительной камерой, снабженной входным и выходным штуцерами. Согласно изобретению, анализатор дополнительно содержит микрокомпрессор с электроприводом, аналого-цифровой преобразователь, ламинарный дроссель, три дополнительных пневмотумблера, и один дополнительный тройник. Вход микрокомпрессора соединен со входом анализатора, а его выход через один из дополнительных пневмотумблеров соединен со входом камеры для сжатия газов. Тройник соединен с выходом камеры для сжатия газов, входным штуцером измерительной камеры датчика давления и со входом дополнительного тройника, два выхода которого соединены со входами турбулентного и ламинарного дросселей. Выход датчика давления подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, а второй и третий дополнительные пневмотумблеры подключены соответственно к выходу ламинарного дросселя и выходному штуцеру измерительной камеры датчика давления. Электропривод микрокомпрессора и аналого-цифровой преобразователь выполнены с возможностью подключения к компьютеру.
Такая конструкция позволяет измерять принятые максимальные и минимальные значения давления при истечении газа через турбулентный и ламинарный дроссели по значениям электрического сигнала датчика давления, а после аналого-цифрового преобразования, использовать уже цифровой сигнал в дальнейшей обработке, например, на компьютере или микропроцессорном устройстве. Такая структура обработки сигнала обеспечивает, в свою очередь, возможность за счет использования алгоритмов обработки сигнала определять как плотность, так и динамическую и кинематическую вязкости газов.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
На рисунке показана схема лабораторного эффузионного анализатора плотности газов.
Лабораторный эффузионный анализатор плотности газов, содержит турбулентный дроссель 1 (микродиафрагму), выход 2 которого соединен с пневмотумблером 3, камеру 4 для сжатия газов, выполненную в виде спирали из тонкостенной металлической трубки и размещенной в емкости 5 с охлаждающей жидкостью, тройник 6 и датчик 7 давления с измерительной камерой 8, снабженной входным 9 и выходным 10 штуцерами.
Анализатор дополнительно содержит микрокомпрессор 11 с электроприводом 12, аналого-цифровой преобразователь 13, ламинарный дроссель 14 (например, капилляр), три дополнительных пневмотумблера 15, 16 и 17, и один дополнительный тройник 18. Вход 19 микрокомпрессора 11 соединен со входом 20 анализатора, а его выход 21 через один из дополнительных пневмотумблеров 15 соединен со входом 22 камеры 4 для сжатия газов. Тройник 6 соединен с выходом 23 камеры 4 для сжатия газов. Входной штуцер 9 соединен через тройник 6 с входом дополнительного тройника 18, два выхода которого соединены со с входами 24 и 25 турбулентного 1 и ламинарного 14 дросселей соответственно. Выход датчика 7 давления подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя 13, а второй 16 и третий 17 дополнительные пневмотумблеры подключены соответственно к выходу 26 ламинарного дросселя 14 и выходному штуцеру 10 измерительной камеры 8 датчика 7 давления. Электропривод 12 микрокомпрессора 11 и аналого-цифровой преобразователь 13 выполнены с возможностью их подключения к компьютеру. Все элементы анализатора расположены в корпусе 27.
Лабораторный эффузионный анализатор плотности газов, работает следующим образом.
После включения в работу датчика давления 7 и аналого-цифрового преобразователя 13 выход 2 турбулентного дросселя 1 с помощью пневмотумблера 3, выходной штуцер 10 измерительной камеры 8 с помощью дополнительного пневмотумблера 17 и выход 26 ламинарного дросселя 14, а также с помощью дополнительного пневмотумблера 16 соединяют с атмосферой. Выход 21 микрокомпрессора 11 с помощью дополнительного пневмотумблера 15 соединяют с входом 22 камеры 4. После этого с помощью электропривода 12 включают микрокомпрессор 11 и анализируемый газ с входа 20 анализатора начинает поступать в атмосферу, протекая через камеру 4 для сжатия газов, измерительную камеру 8 датчика 7 давления, а также через турбулентный дроссель 1 и ламинарный дроссель 14. Таким образом, турбулентный дроссель 1, ламинарный дроссель 14 измерительная камера 8 и камера 4 промываются анализируемым газом. Промывка длится от 1 до 1,5 минут. На этом заканчивается режим работы анализатора «Подготовка».
После переключения пневмотумблеров 3 и 16 и 17 анализируемый газ начинает сжиматься микрокомпрессором 11. По достижении некоторого постоянного давления пневмотумблер 15 переключается, а микрокомпрессор 11 с помощью электропривода 12 выключается. При сжатии газа его температура несколько увеличивается. По истечении некоторого отрезка времени, в течение которого температура газа принимает значение, равное температуре охлаждающей жидкости в емкости 5 с охлаждающей жидкостью, в измерительной камере 8 датчика 7 давления и камере 4 для сжатия газов устанавливается постоянное давление. Затем с помощью пневмотумблера 3 турбулентный дроссель 1 сообщается с атмосферой и анализируемый газ начинает истекать через него (режим работы «Анализ»). При этом давление в измерительной камере 8 и камере 4 для сжатия газов начинает постепенно уменьшаться. Поэтому уменьшается и электрический сигнал, возникающий на выходе датчика 7 давления. Этот сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 13. С выхода аналого-цифрового преобразователя 13 сигнал измерительной информации поступает на компьютер или микропроцессорное устройство, где значения давления в определенные моменты времени записываются в виде массива данных, содержащего значения соответствующих давлений и времени, в которые эти давления измерены. По окончании истечения анализируемого газа через турбулентный дроссель 1 пневмотумблеры 3 и 15 переключаются, включается микрокомпрессор 11 и анализируемый газ начинает сжиматься. По достижении некоторого постоянного давления пневмотумблер 15 переключается, а микрокомпрессор 11 с помощью электропривода 12 выключается. По истечении некоторого отрезка времени, в течение которого температура газа принимает постоянное значение, в измерительной камере 8 и камере 4 устанавливается постоянное давление. Затем с помощью пневмотумблера 16 ламинарный дроссель 14 сообщается с атмосферой, и анализируемый газ начинает истекать через него. При этом давление в измерительной камере 8 и камере 4 начинает постепенно уменьшаться. При этом уменьшается и электрический сигнал, возникающей на выходе датчика 7. Этот сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 13. С выхода аналого-цифрового преобразователя 13 сигнал измерительной информации поступает на компьютер или микропроцессорное устройство, где значения давления в определенные моменты времени записываются в виде массива данных, содержащего значения соответствующих давлений и времени, в которые эти давления измерены.
Все описанные операции повторяются для эталонного газа, которым может служить осушенный воздух.
Значение плотности анализируемого газа рассчитывают по формуле:
Где:
ρa
ρэ
τ и τ - времена истечения через миниатюрную диафрагму анализируемого и эталонного газов соответственно.
Значение динамической вязкости газа рассчитывают по формуле:
Где:
ηа
ηэ
τ и τ - времена истечения через капилляр анализируемого и эталонного газов, соответственно;
на
нэ
η и η - динамические вязкости анализируемого и эталонного газов в нормальных условиях, соответственно.
Значение кинематической вязкости газа рассчитывают по формуле:
Экспериментальные исследования макета лабораторного эффузионного анализатора плотности газов показали, что он, при использовании высокоточных современных датчиков давления в электрический сигнал, способен обеспечить измерение плотности газа с погрешностью ±0,2%, динамической и кинематической вязкостей газов с погрешностью ±1%.
Преимущества предлагаемого технического решения:
- простота конструкции и измерений;
- высокая точность;
- низкая стоимость.
Предлагаемый лабораторный эффузионный анализатор газов может быть реализован на базе стандартного датчика давления, микрокомпрессора и аналого-цифрового преобразователя.
Лабораторный эффузионный анализатор газов может найти широкое применение в практике заводских и исследовательских лабораторий различных предприятий газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.