УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОВЕРОЧНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Настоящая полезная модель относится к области аналитического приборостроения, в частности, к устройствам для приготовления поверочных газовых смесей, используемых при градуировке, проверке и поверке стационарных и носимых датчиков-газоанализаторов.
Известно устройство для приготовления поверочных газовых смесей по патенту RU №2208783 C1 (опубл. 20.07.2003), содержащее коллектор, к которому, через отдельные запорные элементы, подключены сосуд с поверочным газом с редуктором, сосуд-смеситель с датчиком давления, набор сосудов с эталонными поверочными газовыми смесями различной концентрацией с датчиком газоанализатором, набор сосудов для приготовленной поверочной газовой смесью с редуктором.
Данное устройство для приготовления поверочных газовых смесей применяется при поверке и калибровке. Смешивание газов в данном устройстве производится при атмосферном давлении первоначально до избыточной концентрации поверочного газа, после чего в поток газовой смеси добавляют воздух до требуемой концентрации.
Недостатком данного устройства является низкая производительность производимой поверочной газовой смеси, обусловленная атмосферным давлением при котором получается поверочная газовая смесь.
Известно устройство для приготовления поверочных газовых смесей по патенту RU №2383007 C1 (опубл. 27.02.2010 бюл. №6), содержащее коллектор, к которому, через отдельные запорные элементы, подключены сосуд с одним из газовых компонентов, компрессор, сосуд-смеситель, вакуумный насос и набор сосудов для приготавливаемой газовой смеси с вентилями.
Данное устройство для приготовления поверочных газовых смесей обеспечивает более высокую производительность получения поверочных газовых смесей за счет получения поверочных газовых смесей под высоким давлением.
Данное устройство для приготовления поверочных газовых смесей является наиболее близким техническим решением к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту и в дальнейшем рассматривается в качестве прототипа.
Однако недостатком прототипа является низкое качество получаемой поверочной смеси за счет нестабильности концентрации смеси обусловленной методическим и конструктивными ограничениями, отсутствием системы автоматического управления подачей газовых компонентов получения поверочных смесей определенной концентрации.
Так дозирование газовых компонентов в прототипе осуществляется с помощью ручных вентилей, а точность дозирования зависит от опыта оператора.
Дозирование первого компонента газовой смеси осуществляется следующим образом.
Вентиль с первым газовым компонентом, имеющим меньшее давление и меньшее количество в общей смеси, открывается.
Полное открытие ручного вентиля соответствует нескольким оборотам маховика вентиля.
Время удержания вентиля в открытом состоянии контролируется по давлению, которое создается в сосуде смесителе.
При подходе к требуемому давлению вентиль необходимо закрыть, а так как для этого требуется какое-то время, то необходимо так закрыть вентиль, чтобы после закрытия вентиля, в сосуде установилось требуемое давление газового компонента. После выдержки времени на термостабилизацию газа в сосуде-смесителе устанавливается точное давление, при этом если давление ниже требуемого, то открытием вентиля нужно добиться необходимого давления. Если давление выше требуемого, то его нужно сбросить до требуемого давления.
Дозирование второго компонента газовой смеси осуществляется следующим образом.
Вентиль со вторым газовым компонентом или воздух из компрессора, имеющим большее давление и большее количество в общей смеси, открывается.
Время удержания вентиля в открытом состоянии контролируется по давлению, которое создается в сосуде-смесителе.
При подходе к требуемому давлению вентиль необходимо закрыть, при этом в сосуде должно быть требуемое давление газового компонента. После временной выдержки на термостабилизацию газа в сосуде-смесителе устанавливается точное давление, при этом если давление ниже требуемого, то открытием вентиля нужно добиться необходимого давления. Если давление выше требуемого, то нужно сбросить давление, но это будет сброс общего давления смеси. Поэтому, необходимо затем поднять давление подачей второго компонента смеси до требуемого, однако при этом получается уже концентрация смеси не соответствующая заданной. Если такая концентрация не требуется, то приходится просто утилизировать данную смесь и готовить ее заново.
Таким образом, получение необходимых концентраций смесей на такой установке процесс многостадийный, длительный и во многом зависит от индивидуальных способностей и опыта оператора. При изменении концентрации оператору необходимо заново набирать опыт и отлаживать технологический процесс.
В результате не достигается стабильности качества поверочной смеси, которое сильно зависит от человеческого фактора.
Другим недостатком прототипа является наличие сосуда-смесителя и датчика газоанализатора с набором эталонных смесей. Необходимость сосуда смесителя и датчика газоанализатора с набором эталонных смесей также связана с тем, что ручное дозирование вентилями приводит к необходимости постоянного контроля концентрации полученной газовой смеси и при необходимости корректировки концентрации в сосуде-смесителе.
Кроме того, недостатком данного устройства является неудобство в его использовании, обусловленное тем, что не предусмотрено оборудованного места для размещения сосудов с приготавливаемой газовой смесью.
Обычно сосуды размещаются вертикально и каждый сосуд необходимо закреплять. Для этого используются хомуты, охватывающие сосуд, или же делаются гнезда, в которые вставляются сосуды. Все это приводит к довольно сложной конструкции оборудованного места для сосудов с приготавливаемой смесью. Кроме того, работать с сосудами расположенными вертикально крайне неудобно, так как, если они закреплены хомутами, то каждый сосуд необходимо освободить от хомута, затем наклонить и поднять, чтобы снять с устройства. При установке каждый сосуд необходимо установить на место и закрепить с помощью хомута. Если сосуды установлены в гнезда, то для их демонтажа с устройства необходимо каждый сосуд поднять вертикально, чтобы он вышел из гнезда, а затем перенести к месту загрузки. При установке каждый сосуд необходимо поднять и установить в гнездо. Все это приводит к неудобству работы с сосудами для приготавливаемой смеси и при большом объеме производимой смеси такие операции становятся довольно трудоемкими.
Кроме того, часто обвязку сосудов производят металлическими трубками, а это предполагает довольно точное расположение сосудов, в частности ось каждой трубки должна быть строго перпендикулярна уплотнительной поверхности на вентиле подключаемого сосуда, иначе герметичного соединения не обеспечивается. Такую обвязку обеспечить можно, но для конкретных сосудов, а при смене сосудов неизбежны неточности, связанные с различными допусками и размерами на их изготовление. В результате, для обеспечения герметичного соединения неизбежна подгонка трубок, путем их гибки. Таким образом, при каждой установленной партии сосудов неизбежны подгонки трубок, что является крайне неудобным и требует дополнительных затрат ручного труда оператора. Это также может привести к преждевременному выходу трубок из строя.
Целью данной полезной модели является повышение качества приготавливаемых смесей за счет качественного увеличения стабильности получения смесей заданной концентрации, упрощение конструкции, снижение трудозатрат при эксплуатации устройства.
Для достижения этой цели, известное устройство для приготовления поверочных газовых смесей, содержащее коллектор, к которому, через запорные элементы, подключены сосуд с одним из газовых компонентов, сосуд с другим газовым компонентом или компрессор, вакуумный насос и набор сосудов для приготавливаемой газовой смеси с вентилями, снабжено электромагнитными клапанами и датчиками давления, установленными на каждой газовой магистрали, при этом на каждой газовой магистрали установлено два электромагнитных клапана, один из которых установлен в обводном канале, а каждый электромагнитный клапан снабжен дросселем, при этом дроссели, установленные в одной газовой магистрали, имеют разные поперечные проходные сечения.
Снабжение устройства для приготовления поверочных газовых смесей электромагнитными клапанами и датчиками давления, установленными на каждой газовой магистрали, при этом на каждой газовой магистрали установлено два электромагнитных клапана один из которых установлен в обводном канале, а каждый электромагнитный клапан снабжен дросселем, при этом дроссели, установленные в одной газовой магистрали, имеют разные поперечные проходные сечения, что позволяет повысить качество приготавливаемой смеси за счет обеспечения стабильной концентрации компонентов смеси.
Это обосновывается следующим образом.
Электромагнитные клапаны и датчики давления, установленные на каждой газовой магистрали, позволяют автоматически поддерживать в сосудах заданное давление с высокой точностью.
Время открытия и закрытия электромагнитного клапана является определенным и составляет (для примера электромагнитный клапан фирмы Burkert):
- время открытия порядка 0,1 сек.
- время закрытия составляет, порядка 0,3 сек.
Дроссели, установленные в электромагнитных клапанах, обеспечивают вполне определенный и стабильный расход газа.
Датчики давления имеют необходимую точность измерения давления.
Кроме того, установка двух электромагнитных клапанов на каждой газовой магистрали, один из которых установлен в обводном канале, и снабжение их дросселями с разным поперечным сечением установленными в одной газовой магистрали позволяет более плавно производить заполнение сосудов за счет того, что вначале, при большом объеме заполнения газовый поток направляется через дроссель с большим поперечным сечением. При подходе к требуемому давлению этот электромагнитный клапан выключается и включается электромагнитный клапан, установленный в обводном канале, имеющим дроссель с меньшим поперечным сечением. В результате расход газа снижается и происходит более плавный подход к требуемому давлению. Это обеспечивает точную подачу необходимого количества компонентов газа.
Время закрытия клапана составляет, порядка 0,3 сек.
Обработка этих данных на ПЭВМ с соответствующим программным обеспечением, позволяет автоматизировать процесс получения смеси с любой необходимой концентрацией компонентов.
Так при заданной концентрации смеси из двух компонентов ПЭВМ производит расчет парциальных давлений составляющих компонентов по формуле:
О
ОСТ
P=PC+P.
где: P - парциальное давление одного из компонентов смеси, бар;
О
P - конечное давление смеси, бар;
C - концентрация дозируемого компонента в приготовленном сосуде для поверочной газовой смеси, об. доли;
ОСТ
P - остаточное давление в сосуде, бар.
О
Вторым компонентом сосуд заполняется до давления смеси (P).
Таким образом, с помощью ПЭВМ можно просчитать любые необходимые концентрации газовой смеси и соответствующие этому парциальные давления компонентов смеси, и, управляя электромагнитными клапанами, получить их с высокой степенью точности без участия оператора.
Кроме того, заявляемое устройство позволяет исключить из конструкции сосуд-смеситель, как в прототипе, так как приготовление смеси производится сразу в сосудах для приготавливаемой смеси.
Высокая точность полученных концентраций не требует постоянного контроля, поэтому не требуется датчик газоанализатор и набор образцовых смесей в данном устройстве.
Окончательное определение полученных концентраций в сосудах определяется на специализированных стендах.
Снабжение устройства столом с горизонтальными направляющими, на которые размещаются сосуды для приготавливаемой смеси, при этом подсоединение сосудов к коллектору выполнено гибкими шлангами, и пультом управления, выполненным в виде стойки с передней и задней крышкой, позволяет повысить безопасность и удобство, снизить трудозатраты при использовании устройства.
Это обосновывается следующим образом.
Размещение сосудов для приготавливаемой смеси на столе с горизонтальными направляющими не требует закрепления сосудов. Кроме того установка и снятие сосудов со стола является наиболее удобным, так как сосуды располагаются на удобном для работы уровне, порядка 700 мм от уровня пола. Высота расположения сосудов может регулироваться. Подсоединение сосудов к коллектору с помощью гибких шлангов является наиболее удобным, так как не требуется четкая ориентация сосудов и при этом гарантировано герметичное соединение.
Снабжение устройства пультом управления, выполненным в виде стойки с передней и задней крышками, позволяет значительно повысить удобство пользования устройством, его ремонтопригодность и обслуживание. Так демонтировав переднюю и заднюю крышки, получается удобный доступ к пневмоаппаратуре и электрической схеме устройства.
Таким образом, представленное устройство для приготовления поверочных газовых смесей обеспечивает высокое качество и низкую трудоемкость приготовления смесей различного состава за счет точного получения требуемой концентрации смесей газов путем автоматического поддержания требуемого давления компонентов смеси с помощью электромагнитных клапанов и датчиков давления, является более простым за счет исключения из устройства сосуда-смесителя, набора сосудов с образцовыми смесями и датчика газоанализатора, является более удобным и безопасным в пользовании за счет стола с горизонтальными направляющими, на которых расположены сосуды для приготавливаемой смеси, при этом подсоединение сосудов к коллектору выполнено гибкими шлангами и пульта управления, выполненного в виде стойки с двумя крышками, обеспечивающими удобный доступ к пневматической и электрической аппаратуре устройства.
На фиг. 1 изображена принципиальная пневматическая схема устройства;
На фиг. 2 изображен стол для сосудов, изометрия;
На фиг. 3 изображена стойка пульта управления, изометрия;
На фиг. 4 изображена стойка пульта управления со снятой передней крышкой, изометрия;
На фиг. 5 изображена стойка пульта управления со снятой задней крышкой, изометрия;
На фиг. 6 изображена компоновка устройства, изометрия;
Конструкция устройства для приготовления поверочных газовых смесей содержит коллектор 1, к которому, через запорные элементы 2, 3, подключен сосуд 4 с одним из газовых компонентов; через запорный элемент 5 подключен сосуд 6 с другим газовым компонентом или через запорный элемент 7 подключен компрессор 8; через запорный элемент 9 подключен вакуумный насос 10; к выходным штуцерам коллектора 1 подключены сосуды для приготовления поверочной смеси 11 с вентилями 12, 13, 14, 15, 16.
Кроме того, устройство снабжено электромагнитным клапаном 17 с дросселем 18 и датчиком давления 19, установленными в газовую магистраль одного из газовых компонентов, и электромагнитным клапаном 20 с дросселем 21 и датчиком давления 22, установленных в газовую магистраль другого газового компонента. Кроме того, электромагнитный клапан 17 имеет обводной канал 23, в котором установлен дополнительный электромагнитный клапан 24 с дросселем 25.
Электромагнитный клапан 20 имеет обводной канал 26, в котором установлен дополнительный электромагнитный клапан 27 с дросселем 28. Дроссели, установленные в одной газовой магистрали, имеют разные поперечные проходные сечения. Дроссель 18 имеет поперечное сечение больше приблизительно в 10 раз, чем дроссель 25. Дроссель 21 имеет поперечное сечение больше приблизительно в 10 раз, чем дроссель 28.
Сброс давления из устройства осуществляется через запорный элемент 34.
Кроме того, устройство снабжено столом 35, имеющим горизонтальные направляющие 36 для сосудов приготавливаемой смеси 11, а подсоединение вентилей сосудов 12, 13, 14, 15, 16 к коллектору 1 осуществляется с помощью гибких шлангов 29, 30, 31, 32,33.
Для управления устройством предусмотрен пульт управления, выполненный в виде стойки 37, имеющей переднюю крышку 38 и заднюю крышку 39.
Перед началом работы устройства необходимо сосуды для приготавливаемых поверочных смесей 11 разместить на столе 35 на горизонтальных направляющих 36, при этом вентили 12, 13, 14, 15, 16 должны быть направлены в одну сторону. С помощью гибких шлангов 29, 30, 31, 32, 33 произвести подключение вентилей 12, 13, 14, 15, 16 к коллектору 1.
После этого устройство проверяется на герметичность и, при получении положительного результата, устройство готово к работе.
Приготовление газовых смесей осуществляют путем смешивания исходного чистого газа с воздухом или другим газом в заданных соотношениях манометрическим методом парциальных давлений, который заключается в последовательном дозировании компонентов смеси в сосуд.
При приготовлении газовой смеси первым дозируют компонент, имеющий меньшее парциальное давление в смеси, затем дозируют второй компонент до заданного давления смеси.
Работа устройства для приготовления поверочных газовых смесей осуществляется в следующих автоматических режимах:
- режим вакуумирования пневматической системы с сосудами для приготавливаемых смесей;
- режим дозирования одного из газовых компонентов;
- режим дозирования другого газового компонента и получение смеси заданной концентрации.
Работа устройства в режиме вакуумирования пневматической системы с сосудами для приготавливаемых смесей осуществляется следующим образом.
Открывают вентили 12, 13, 14, 15, 16, расположенные на сосудах 11. Запорные элементы 2 и 9 должны быть в открытом состоянии. В таком положении включается вакуумный насос 10 и осуществляется вакуумирование сосудов 11. Остаточное давление измеряется датчиком давления 19. При достижении максимально возможного и необходимого для качественного приготовления смеси остаточного давления, вакуумный насос 10 выключается и закрывается запорный элемент 9.
Далее устройство работает в режимах дозирования газовых компонентов. Первым дозируется газовый компонент, имеющий в смеси меньшее количество.
Работа устройства в режиме дозирования одного из газовых компонентов осуществляется следующим образом.
Открывается запорный элемент 3 и включается электромагнитный клапан 17, при этом газ из сосуда 4 через дроссель 18 и электромагнитный клапан 17 поступает в сосуды 11, а давление контролируется датчиком давления 19.
При подходе к заданному давлению электромагнитный клапан 17 отключается, и включается электромагнитный клапан 24, находящийся в обводном канале 23, при этом газ начинает протекать через дроссель 25, имеющий поперечное сечение приблизительно в десять раз меньше, чем поперечное сечение дросселя 18, в результате скорость наполнения сосудов значительно снижается и происходит более плавный и точный подход к заданному давлению.
При достижении заданного давления электромагнитный клапан 24 отключается, при этом дается время на термостабилизацию давления газа в сосудах. Если давление газа снизилось, то включается электромагнитный клапан 24 и давление доводится до требуемого. На этом дозирование данного компонента газовой смеси заканчивается, и запорный элемент 2 закрывается.
Работа устройства в режиме дозирования другого газового компонента осуществляется следующим образом.
В данном режиме устройство может работать с сосудом 6, заполненным газом под давлением или с компрессором 8, который создает необходимое давление воздуха.
При работе с сосудом 6 необходимо открыть запорный элемент 5, а при работе с компрессором 8 запорный элемент 7.
После этого включается электромагнитный клапан 20, при этом газ из сосуда 6 или из компрессора 8 через дроссель 21 и электромагнитный клапан 20 поступает в сосуды 11, а давление контролируется датчиком давления 22.
При подходе к заданному давлению электромагнитный клапан 20 отключается и включается электромагнитный клапан 27, находящийся в обводном канале 26, при этом газ начинает протекать через дроссель 28, имеющий поперечное сечение приблизительно в десять раз меньше, чем поперечное сечение дросселя 21, в результате скорость наполнения сосудов значительно снижается и происходит более плавный и точный подход к заданному давлению.
При достижении заданного давления электромагнитный клапан 27 отключается, при этом необходимо выдержать систему для термостабилизации газов в сосудах. Время выдержки примерно 30 мин.
После этого, если показания датчика давления изменились, то включением электромагнитного клапана 27 давление доводится до требуемого.
На этом дозирование данного компонента газовой смеси заканчивается, и смесь с заданной концентрацией готова и запорный элемент 5 или запорный элемент 7 закрываются.
После этого вентили 12, 13, 14, 15, 16 на сосудах закрываются, из каналов устройства производится сброс остатков смеси, путем открытия запорного элемента 34. Гибкие шланги 29, 30, 31, 32, 33 отсоединяются от вентилей сосудов и сосуды могут транспортироваться на пункт приема продукции, а устройство готово для приготовления следующей смеси с новыми сосудами.
Таким образом, производится приготовление газовых смесей с заданными концентрациями в большом количестве под высоким давлением.
По сравнению с прототипом, в качестве которого выбрано устройство для приготовления поверочных газовых смесей по патенту RU №2383007 C1 (опубликованному 27.02.2010 бюл. №6) как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому эффекту техническое решение и имеющее наибольшее число общих признаков, предлагаемое техническое решение обладает преимуществом, так как обеспечивает более точную установку требуемого давления как одного, так и другого газового компонента, в результате повышается качество приготавливаемой поверочной смеси, работает автоматически, что обеспечивает высокую производительность, безопасность и качество приготавливаемых смесей является более простым, из-за отсутствия сосуда-смесителя, датчика газоанализатора и сосудов с образцовыми смесями, удобным в пользовании, так как сосуды устанавливаются на горизонтальных направляющих, не требующих дополнительного крепления и находятся на удобном для работы уровне и соединены с коллектором с помощью гибких шлангов, а пульт управления выполнен в виде стойки с двумя крышками, обеспечивающими удобный доступ к пневматической и электрической аппаратуре устройства.