УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОВЕРОЧНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ В ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано в газоаналитических комплексах для тестирования чувствительных элементов и датчиков измерения параметров газовых сред с целью проведения калибровки и поверки газоаналитических приборов и сенсоров в серийном производстве.
Калибровка и метрологическая поверка анализаторов состава газов производится с использованием соответствующих эталонов, в качестве которых могут выступать поверочные газовые смеси (ПГС). ПГС могут либо выпускаться в виде аттестованных смесей, хранящихся в баллонах под давлением, либо приготавливаться по заданной процедуре непосредственно в месте использования с помощью генераторов смесей, имеющих аттестованные метрологические характеристики.
Опыт исследования технических и метрологических характеристик газосигнализаторов, газоанализаторов, газовых и ионных хроматографов убедительно показал преимущества непрерывных (динамических) методов приготовления газовых смесей с известным содержанием анализируемых веществ. В газовой аналитике применяются два основных динамических метода приготовления поверочных газовых смесей: смешивание газовых потоков и диффузионное дозирование анализируемых веществ.
Метод термодиффузионного дозирования микропотоков анализируемых веществ в поток газа-разбавителя получил наибольшее применение в эколого-аналитическом контроле. Принцип работы термодиффузионного генератора газовых смесей основан на смешении потоков целевого компонента и газа-разбавителя. Поток целевого компонента задается источником микропотока (ИМ), находящимся в термостате с контролируемой температурой. Поток газа-разбавителя регулируется и измеряется тепловым регулятором массового расхода газа. Заменяя источники микропотоков с различными веществами в установке, можно создавать высокостабильные газовые потоки заданной концентрации разного состава (патент RU 2219516, опубликовано 20.12.2003; патент RU 2275661, опубликовано 27.04.2006; патент RU 2284498, опубликовано 27.09.2006).
Особых преимуществ по сравнению с готовыми газовыми смесями термодиффузионные генераторы газовых смесей не имеют. Продолжительность работы источников микропотока напрямую зависит от интенсивности эксплуатации. Особенность ИМ в том, что ИМ могут применяться для нестойких и агрессивных веществ, которые не могут долго храниться в баллоне.
Принцип действия динамических установок с регуляторами массового расхода газа основан на смешении потоков целевого компонента и газа-разбавителя, каждый из которых измеряется и регулируется отдельным регулятором массового расхода газа. Приготовление бинарных газовых смесей осуществляется методом динамического разбавления аттестованных исходных поверочных газов (целевой газ) аттестованным газом-разбавителем (воздухом или азотом). В качестве исходных газов могут использоваться технически чистые газы или газовые смеси.
Основные преимущества установок данного типа заключаются в простом и удобном управлении и плавном задании коэффициента разбавления в широком диапазоне, что позволяет существенно уменьшить количество необходимых баллонов с целевым газом.
Известно устройство для приготовления поверочных газовых смесей (патент RU 2208783, опубликовано 20.07.2003), содержащее источник поверочного газа или смеси газов в виде баллона высокого давления, смеситель газов и систему разбавления газовой смеси после смесителя дополнительным потоком газа-разбавителя. В устройстве смеситель газов выполнен в виде емкости, имеющей два канала для подвода смешиваемых газов, один из которых соединен через управляемый запорный клапан с источником поверочного газа или смеси газов, а второй канал соединен с атмосферным воздухом, канал для вывода смеси газов, который соединен с системой разбавления газовой смеси и в котором установлены детектор для контроля содержания поверочного газа и побудитель расхода, причем в устройство введен дополнительный детектор для контроля содержания поверочного газа в смесителе.
В известном устройстве требуется контролировать содержание газовой смеси на выходе, что возможно при наличии детектора на конкретный газ, погрешность которого определяет точность приготовления газовой смеси. Временная нестабильность характеристик детектора влияет на точность приготавливаемой газовой смеси. В данном устройстве необходима фильтрация атмосферного воздуха, используемого в качестве газа-разбавителя. Устройство не позволяет готовить газовую смесь заданной относительной влажности.
Однако часто для градуировки и поверки газоаналитических приборов и сенсоров (например, полупроводниковых, электрохимических) требуется увлажнять поверочную газовую смесь, для чего используют дополнительно различные виды увлажнителей газов, с помощью которых увлажняют газовую смесь, подаваемую из смесителя на тестируемое устройство, что приводит к увеличению материальных затрат и повышению себестоимости ПГС.
По технической сущности из известных устройств наиболее близким к заявленному устройству является устройство для приготовления ПГС, представленное в материалах Всемирного Конгресса IMEKO по Фундаментальной и Прикладной Метрологии, а именно: Nuno J.F. Rodrigues, Paulo Gomes. GAS ANALYZERS CALIBRATION BY DYNAMIC DILUTION FOR MONITORING AIR POLLUTION AND AIR EMISSIONS // XIX IMEKO World Congress Fundamental and Applied Metrology, September 6-11, 2009, Lisbon, Portugal, p.2217-2220 (http://www.imeko2009.it.pt/Papers/FP_222.pdf). Газосмесительное устройство представляет собой динамический газовый смеситель, принцип действия которого заключается в смешении потоков исходного целевого газа и газа-разбавителя, расход которых регулируется и измеряется с помощью регуляторов массового расхода газа. Устройство содержит один или несколько каналов для подвода целевого газа в смеситель, несколько каналов для подвода газа-разбавителя в смеситель и канал для вывода газовой смеси из смесителя. В каждом канале для подвода газов в смеситель последовательно установлены регулятор массового расхода газа и электромагнитный клапан.
Использование в составе известного устройства регуляторов массового расхода газа позволяет получать газовые смеси в широком диапазоне концентраций, что увеличивает возможности применения устройства. Недостатком данного устройства является невозможность приготовления газовых смесей с заданными параметрами влажности, а также повышенная себестоимость ПГС, подаваемых на тестируемое устройство, обусловленная материальными затратами на дополнительную установку увлажнителя для газовых смесей.
Указанное устройство для приготовления поверочных газовых смесей принимается за прототип.
Неоспоримым удобством для пользователей является возможность одновременного получения газовых смесей заданной концентрации и влажности. Однако в существующих системах до сих пор не решена задача по обеспечению возможности получения и увлажнения поверочных газовых смесей в одном устройстве.
Цель изобретения - получение влажных поверочных газовых смесей в широком диапазоне концентраций и относительной влажности, а также снижение себестоимости ПГС, подаваемых на тестируемое устройство, в случае необходимости приготовления влажных поверочных газовых смесей.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для приготовления поверочных газовых смесей в динамическом режиме, содержащем смеситель газов, по меньшей мере, один канал для подвода целевого газа в смеситель газов, по меньшей мере, два канала для подвода газа-разбавителя в смеситель газов и канал для вывода газовой смеси из смесителя газов, где в каждом канале для подвода газа в смеситель газов последовательно установлены регулятор массового расхода газа и электромагнитный клапан, по меньшей мере, в одном канале для подвода газа-разбавителя в смеситель газов установлены увлажнитель газа и дополнительный электромагнитный клапан, причем выход регулятора расхода газа данного канала соединен через электромагнитный клапан с входом увлажнителя газа, выход которого соединен с дополнительным электромагнитным клапаном.
Установка увлажнителя газа, по меньшей мере, в одном из каналов для подвода газа-разбавителя в смеситель газов позволяет создать на выходе данного канала 100% относительную влажность газа-разбавителя. Требуемая относительная влажность получаемой в смесителе газов поверочной газовой смеси создается путем смешивания сухого газа-разбавителя, влажного газа-разбавителя и сухого целевого газа. С помощью автоматически переключаемых электромагнитных клапанов, в том числе дополнительного электромагнитного клапана в канале подачи влажного газа-разбавителя, и выбора режимов работы регуляторов массового расхода газа обеспечивается приготовление поверочной газовой смеси не только с широким диапазоном по концентрации, но и одновременно с широким диапазоном по относительной влажности.
Установка увлажнителя газа, по меньшей мере, в одном из каналов для подвода газа-разбавителя в смеситель газов исключает задачу дополнительного приобретения и установки различных устройств для увлажнения полученных поверочных газовых смесей, в случае необходимости приготовления влажных ПГС, уменьшает материальные затраты и снижает себестоимость ПГС, подаваемых на тестируемое устройство.
Выявленный отличительный признак в предложенной совокупности не встречался в ранее известных технических решениях, обеспечивает достижение поставленной цели и может быть квалифицирован как существенное отличие.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1 - структурная схема устройства для приготовления поверочных газовых смесей в динамическом режиме, содержащая три канала для подачи смешиваемых газов;
Фиг.2 - структурная схема устройства для приготовления поверочных газовых смесей в динамическом режиме, содержащая семь каналов для подачи смешиваемых газов.
Предлагаемое устройство для приготовления поверочных газовых смесей в динамическом режиме (фиг.1) содержит смеситель газов 1, канал 2 для подвода целевого газа в смеситель газов 1 от источника целевого газа, два канала 3 для подвода газа-разбавителя в смеситель газов 1 от источника газа-разбавителя и канал 4 для вывода приготовленной газовой смеси из смесителя газов 1. В каждом канале для подвода газов в смеситель газов 1 последовательно установлены регулятор массового расхода газа 5, предназначенный для регулирования и измерения расхода подаваемого газа, и автоматически переключаемый электромагнитный клапан 6. В одном из каналов 3 для подачи газа-разбавителя между регулятором расхода газа 5 и смесителем газов 1 установлены увлажнитель газа 7 и дополнительный автоматически переключаемый электромагнитный клапан 6, причем выход регулятора расхода газа 5 данного канала 3 для подвода увлажненного газа-разбавителя в смеситель газов 1 соединен через автоматический электромагнитный клапан 6 с входом увлажнителя газа 7, выход которого соединен с дополнительным автоматическим электромагнитным клапаном 6. Увлажнитель газа 7 представляет собой увлажняющий картридж (влажный песчаный фильтр), при прохождении через который необходимой части потока газа-разбавителя, на выходе устройства формируется поверочная газовая смесь требуемой относительной влажности. Коммутация газовых каналов 2 и 3 к газовому смесителю 1 производится автоматическими электромагнитными клапанами 6. Ручные вентили 8, расположенные на входах газовых каналов 2 и 3, предназначены для направления в соответствующие каналы целевого газа от источника целевого газа и газа-разбавителя от источника газа-разбавителя, а также для очистки газовых каналов при смене целевого газа.
Для получения большего разнообразия газовых смесей с различной концентрацией и относительной влажностью для поверки широкой номенклатуры газоанализаторов, газосигнализаторов и сенсоров, как один из вариантов исполнения, возможен вариант устройства для приготовления ПГС с семью каналами для подачи смешиваемых газов (фиг.2). В данном исполнении устройство содержит смеситель газов 1, три канала 2 для подачи целевого газа, четыре канала 3 для подачи газа-разбавителя в смеситель газов 1 и канал 4 для вывода приготовленной газовой смеси из смесителя газов 1. В каждом из каналов 2 и 3 для подачи смешиваемых газов также последовательно установлены регулятор массового расхода газа 5 и автоматически переключаемый электромагнитный клапан 6. В двух каналах 3 для подачи газа-разбавителя между регулятором расхода газа 5 и газовым смесителем 1 последовательно установлены увлажнитель газа 7 и дополнительный электромагнитный клапан 6. На входах газовых каналов 2 и 3 расположены ручные вентили 8, предназначенные для направления в соответствующие каналы целевого газа и газа-разбавителя, а также для очистки газовых каналов при смене целевого газа. Применение большего количества каналов 2 и 3 для подачи газов, с установленными в них регуляторами расхода газа 5, позволяет обеспечить на выходе устройства приготовление ПГС с более широкими параметрами по концентрации и расходу, а также увеличить диапазон относительной влажности ПГС при больших расходах смешиваемых газов за счет использования двух увлажнителей газа 7.
Предложенное устройство конструктивно выполнено в виде отдельного настольного блока, в котором производится размещение всех компонентов устройства и их коммутация.
Устройство для приготовления поверочных газовых смесей в динамическом (непрерывном) режиме работает следующим образом.
Приготовление поверочных газовых смесей производят путем дозирования целевого газа с установленной объемной долей целевого компонента в чистый газ-разбавитель. При работе устройства (фиг.1) целевой газ от источника целевого газа и газ-разбавитель от источника газа-разбавителя через ручные вентили 8 направляют в соответствующий канал 2 для подвода целевого газа в смеситель газов 1 и каналы 3 для подвода газа-разбавителя в смеситель газов 1. Целевой газ и газ-разбавитель поступают в смеситель газов 1 через регуляторы массового расхода газа 5 и автоматически переключаемые электромагнитные клапаны 6 под действием перепада давлений между входом и выходом в каналах для подвода смешиваемых газов. В смесителе газов 1 полученная смесь целевого газа и газа-разбавителя приводится к однородному составу и по каналу 4 для вывода приготовленной газовой смеси подается на потребление.
Для получения влажной газовой смеси часть газового потока газа-разбавителя направляют через канал 3 с установленным в нем увлажнителем газа 7, который создает на выходе 100% относительную влажность газа-разбавителя. Увлажнение газа основано на эффекте естественного «холодного» испарения воды (без нагревания), при котором газ-разбавитель, проходя через увлажнитель газа, насыщается влагой. Путем изменения расходов сухого и влажного газа-разбавителя задают относительную влажность приготавливаемой газовой смеси на выходе устройства. Требуемую относительную влажность газовой смеси создают путем смешивания сухого газа-разбавителя, влажного газа-разбавителя и сухого целевого газа.
Требуемые расходы целевого газа, сухого газа-разбавителя и влажного газа-разбавителя в каждом из каналов, задаваемые пользователем и контролируемые регуляторами массового расхода газа, формируют с помощью автоматически переключаемых электромагнитных клапанов и выбора режимов работы регуляторов массового расхода газа. Требуемые значения расходов газов по каналам и значения молярной (объемной) доли компонентов в приготавливаемой смеси задают при помощи ПЭВМ. Основу расчета состава смеси составляет материальный баланс по определяемому компоненту в дозируемом газе, сухом и влажном газе-разбавителе и полученной смеси.
Предложенное устройство имеет линейный режим работы, который предполагает соединение всех каналов сухого и влажного газа-разбавителя и целевого газа на выходе устройства. Данный режим работы обеспечивает на выходе устройства приготовление поверочной газовой смеси с широким диапазоном регулирования по концентрации, расходу и одновременно влажности, а также поддерживает заданные характеристики необходимое время для тестирования чувствительных элементов газоаналитических приборов и сенсоров.
Устройство обеспечивает:
2
2
2
4
2
- автоматизированное приготовление газовых смесей на основе N, CO, CO, NO, NO, CH, SO и других газов требуемой концентрации;
- диапазон относительной влажности газовой смеси 0,10-90%.
Заполнение увлажнителя водой не требует проведения монтажных работ. Замену увлажнителя производят при закрытии электромагнитных клапанов (основного и дополнительного) соответствующего канала подачи влажного газа-разбавителя. Очистку газовых каналов при смене целевого газа осуществляют с помощью газа-разбавителя при переключении соответствующих ручных вентилей.
Работа устройства осуществляется в автоматическом режиме, управление производят с помощью персонального компьютера. Обмен информацией с ПЭВМ по интерфейсу последовательному радиальному RS 232. Программное обеспечение для удаленного управления режимами работы устройства для приготовления ПГС позволяет ускорить проведение поверки газоанализаторов за счет автоматизации расчетов параметров и процесса смешивания газов.
Аналогичным образом работает устройство для приготовления поверочных газовых смесей, содержащее семь каналов для подачи смешиваемых газов (фиг.2). Применение устройства в данном исполнении расширяет диапазон газовых смесей с различной концентрацией и относительной влажностью
Таким образом, предложенная конструкция устройства для приготовления поверочных газовых смесей в динамическом режиме обеспечивает достижение поставленной цели, а именно:
- получение влажных поверочных газовых смесей в широком диапазоне концентраций и относительной влажности;
- снижение себестоимости ПГС, подаваемых на тестируемое устройство, в случае необходимости приготовления влажных поверочных газовых смесей.