АКУСТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к устройствам для определения концентрации компонентов промышленных, в том числе - пожароопасных, газов и может быть применено в нефтегазовой, угольной, химической и других отраслях промышленности, на транспорте, а также для научных целей (исследований).
Известен акустический газоанализатор, действие которого основано на зависимости скорости звука в газе от его состава (см. а.с. №853520, МКИ G01N 29/00, 1981). Акустический газоанализатор содержит акустический преобразователь, установленный на волноводе, рабочую камеру, отражательную шайбу, установленную на конце волновода, побудитель расхода, датчик температуры и электронную измерительную схему. Такое устройство имеет низкую точность измерения времени прохождения зондирующего импульса (единицы процентов), повысить которую можно только за счет увеличения габаритов устройства.
Известны также акустические газоанализаторы, действие которых основано на изменении резонансной частоты камеры резонатора, заполняемой контролируемым газом, при изменении состава этого газа, (см. а.с. №832447, МКИ G01 №29/00, 1981). Камера резонатора выполняется в виде отрезка трубы, ограниченной мембранами, либо в виде сосуда специальной формы, например, в виде резонатора Гельмгольца. Возбуждение и прием колебаний в них осуществляется электроакустическими преобразователями. Измеряемой величиной является резонансная частота. Такие газоанализаторы также имеют низкую точность измерения, обусловленную низкой добротностью резонатора из-за связи его с проточным устройством, влияния мембран и дисперсией фронта звуковой волны. Кроме того, газоанализатор на базе резонатора Гельмгольца не позволяет вести непрерывное измерение концентрации газа.
Наиболее близким к предлагаемому устройству - прототипом, является акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с высотой равной нечетному числу звуковых полуволн и отверстиями для прохода газа, расположенными в середине высоты, источник и приемник звука, установленные на противоположных торцах резонатора, и блок генерации, приема звука и измерения частоты, соединенный с источником и приемником звука (см. патент RU 2142131, МПК G01 №29/00, 1999). В этом
газоанализаторе источник и приемник звука находятся в цепи обратной связи генератора частоты. Данный газоанализатор обладает высокой чувствительностью, связанной с высокой добротностью резонатора, достигаемой благодаря тому, что входные отверстия для анализируемого газа просверлены в середине цилиндрического корпуса резонатора, где достигается минимум звукового давления продольной акустической волны. Но он обладает следующими существенными недостатками:
1. Недостаточная стабильность работы, характеризующаяся сбоями генерации звука при включении, при наличии внешних источников звука, генерацией звука на другой гармонике и др.;
2. Невозможность выбора диапазона рабочих частот (использование гармоники выше первой);
3. Нестабильность нуля вследствие влияния различных внешних факторов, в том числе температуры и влажности анализируемого газа.
Эти недостатки, в частности, не обеспечивают стабильность работы газоанализатора в реальных условиях эксплуатации.
Акустический газоанализатор (см. патент RU 57467, МПК G 01 №29/00, 2006) преодолевает вышеуказанные недостатки путем создания сложной цифровой измерительной схемы, предполагающий отказ от автогенерации сигнала в аналоговом генераторе, имеющем цепь положительной обратной связи по акустическому каналу измерительной камеры-резонатора. В этом газоанализаторе применяется постоянная принудительная генерация звукового сигнала в резонаторе в определенном диапазоне частот сканирования, соответствующих определенной гармонике резонатора, определяемой нечетным количеством полуволн звуковой волны (1, 3, 5...). Резонансная частота определяется во время сканирования частоты в указанном диапазоне по максимуму амплитуды звукового сигнала, детектируемого приемником звука и оцифровываемым микропроцессорным блоком обработки сигнала. При этом в блоке обработки сигнала применяется перестраиваемый цифровой полосовой фильтр, выделяющий именно ту частоту, на которой в данный момент происходит сканирование частоты звуковым генератором. Подобная сложная схема позволяет преодолеть указанные выше недостатки акустического газоанализатора, основанного на цилиндрическом резонаторе нечетного числа полуволн звуковой волны. Однако это схема является во-первых, довольно сложной и дорогой из-за необходимости использования дорогостоящих цифровых электронных компонентов, таких как АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и перестраиваемые цифровые фильтры и т.п.. Во-вторых,
из-за необходимости сканирования частоты в определенном диапазоне, характерное время измерения концентрации составляет несколько секунд, что в некоторых случаях (например в научных измерениях) является неприемлемо большим.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение стабильности работы газоанализатора, снижение влияния внешних факторов на показания газоанализатора, повышение скорости измерения концентрации газов в бинарных газовых смесях при сохранении простоты выполнения устройства.
Для этого предложен акустический газоанализатор для определения концентрации компонента в газовой смеси, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с высотой равной нечетному числу звуковых полуволн для прохода газа, и отверстиями для прохода газа, расположенными в середине высоты, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах резонатора, электронный блок генерации, приема звука и измерения частоты, выход которого соединен с приемником звука, кроме того он дополнительно содержит блок периодического принудительного возбуждения генерации звука в измерительной камере, состоящий из микропроцессорного блока, вырабатывающего прямоугольные импульсы с частотой, близкой к одной из резонансных частот измерительной камеры, усилителя и коммутатора-переключателя, при этом микропроцессорный блок соединен через усилитель с первым входом коммутатора-переключателя, управляющий выход микропроцессорного блока соединен с коммутатором-переключателем, выход последнего соединен с источником звука, а второй вход - с электронным блоком генерации, приема звука и измерения частоты, соединенного по измерительной линии с микропроцессорным блоком.
Кроме того, микропроцессорный блок соединен с датчиками температуры и влажности, установленными на внешней поверхности измерительной камеры.
Такое выполнение газоанализатора позволит исключить влияния изменений основных внешних факторов (таких как внешние источники звука, температура и влажность контролируемой среды) на процесс измерения концентрации газа. Кроме того, исключается влияние внутренней нестабильности автогенераторной схемы газоанализатора. Все это обеспечивает повышение стабильности и точности измерения без существенного усложнения измерительной схемы прототипа.
Сущность предлагаемого газоанализатора поясняется фигурами.
На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого газоанализатора, где 1 - измерительная камера, 2 - сквозные отверстия, 3 - источник звука, 4 - приемник звука, 5 - электронный блок генерации, приема звука и измерения частоты, 6 - коммутатор-переключатель, 7 - усилитель сигнала, 8 - микропроцессорный блок, 9 - датчик температуры, 10 - датчик влажности.
На фиг.2 изображена схема формирования звуковых полуволн в резонаторе газоанализатора с максимумом на торцах резонатора и минимумом в его середине.
Акустический газоанализатор содержит (фиг.1) измерительную камеру 1, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр, выполненный, например, из нержавеющей стали. Высота цилиндра (Н) равна нечетному числу звуковых полуволн (фиг.2). В середине камеры 1, где давление звуковой волны минимальное, выполнены сквозные отверстия 2 для прохода анализируемого газа, например, атмосферного воздуха.
На торцах измерительной камеры 1 (резонатора) установлен источник 3 и приемник 4 звука, который соединен с электронным блоком генерации, приема звука и измерения частоты 5, который, в свою очередь соединен с микропроцессорный блок измерения и управления 8 процессом работы газоанализатора. Источник и приемник звука могут представлять собой коммерческие малогабаритные телефон и микрофон (например, электретный). Усилитель сигнала 7, микропроцессорный блок 8 и коммутатор-переключатель 6 составляют блок периодического принудительного возбуждения генерации звука в измерительной камере-резонаторе 1.
рез
Электронный блок генерации 5 представляет собой автогенератор на основе схемы ГУН (генератор, управляемый напряжением), в цепь положительной обратной связи которого включен резонатор. Блок генерации 5 также содержит триггер, выделяющий сигнал на частоте генерации F в виде меандра, удобного для обработки микропроцессорным блоком 8. Генерация возникает автоматически при включении схемы на одной из резонансных частот измерительной камеры-резонатора 1 (как правило, это первая резонансная гармоника): положительная обратная связь мгновенно усиливает любое случайное звуковое колебание, возникающее при включении источника звука. Однако при этом имеется известная неопределенность: колебания могут и не возникнуть, если начальный уровень случайного звукового сигнала невысок, или имеется внешний источник звука вблизи одной из гармоник резонатора, на которой не предполагается вести измерения. Также генерация может и сорваться или перейти на другую гармонику в
случае наличия внешних источников звука вблизи газоанализатора. Все это порождает нестабильность его работы.
Для преодоления этого недостатка в схему газоанализатора включен дополнительный блок периодического принудительного возбуждения генерации звука в измерительной камере-резонаторе. Он представляет собой усилитель 7 сигнала-мощности прямоугольных импульсов, генерируемых микропроцессорным блоком 8 с заданной частотой и скважностью. Выход усилителя 7 соединен с источником звука 3 посредством коммутатора-переключателя 6, управляемого микропроцессором 8. При этом от источника звука отключается электронный блок генерации 5.
рез
Работает газоанализатор следующим образом. Микропроцессорный блок 8, сделанный, например, на основе однокристального микроконтроллера на короткое время (порядка нескольких десятков миллисекунд) соединяет выход усилителя прямоугольных импульсов 7 с источником звука 3. При этом на источник звука 3 подают прямоугольные импульсы со скважностью, равной 2 на частоте, соответствующей частоте резонанса на одной из нечетных гармоник, определяемой нечетным количеством полуволн звуковой волны (1, 3, 5...), укладывающихся на длине резонатора, когда в нем присутствует чистый атмосферный воздух. Прямоугольные импульсы со скважностью, равной 2 характеризуются максимальной амплитудой основной гармоники, нулевыми амплитудами второй и всех четных гармоник, амплитудами нечетных гармоник, обратно пропорциональными их номеру. При этом в резонаторе возникают вынужденные колебания с частотой, равной частоте возбуждения. После этого микропроцессорный блок 8 дает команду коммутатору-переключателю 6 отсоединить выход усилителя 7 от источника звука 3 и подсоединить к нему выход электронного блока генерации 5. Сразу же вслед за этим в возбужденном предварительно резонаторе возникает автогенерация на частоте, близкой к частоте возбуждения и соответствующей резонансной частоте F, определяемой скоростью звука в газе, заполняющем резонатор:
р
где V - скорость звука в газе, К - приведенная длина резонатора.
Скорость звука рассчитывается по следующей формуле:
где γ - показатель адиабаты, R - универсальная газовая постоянная, Т - температура газа (К), М - молярная масса газа.
рез
рез
При этом измерительная камера-резонатор 1 заполняется нечетным количеством полуволн (1, 3, 5...) звуковой волны (фиг.2), имеющей максимум давления на торцах резонатора и минимум в середине его высоты (Н/2). Измерение частоты (F) производится микропроцессорным блоком 8, получающем сигнал с триггера блока генерации 5 в виде меандра. Измерение частоты микропроцессором 8 происходит после короткого временного интервала после коммутации входа блока генерации 5 с источником звука 3 в течение нескольких десятков микросекунд. После этого цикл измерения повторяется, т.е. снова усилитель прямоугольных импульсов 7 коммутируется с источником звука и возбуждает резонатор на частоте, близкой к F, а потом опять происходит запуск автогенерации предварительно возбужденного резонатора и цикл измерения частоты резонанса и т.д. Время измерения полного цикла, таким образом, составляет несколько десятых долей секунды. Наличие цикла предварительного возбуждения резонатора, производимого дополнительным блоком периодического принудительного возбуждения генерации звука, гарантирует последующее возбуждение автогенерации на нужной гармонике резонатора, независимо от внешних дестабилизирующих источников звука и внутренней нестабильности автогенератора. Во время процесса измерения микропроцессорный блок 8 вносит в результат измерений поправки, связанные с выходными сигналами датчиков температуры 9 и влажности 10, укрепленных на внешней стенке измерительной камеры 1.
Микропроцессорный блок содержит стандартный последовательный интерфейс, позволяющий соединять акустический газоанализатор с внешними устройствами контроля со стандартными интерфейсами RS232/485.
Таким образом, благодаря использованию дополнительного блока периодического принудительного возбуждения генерации звука в газоанализаторе, основанном на использовании цилиндрического резонатора нечетного числа полуволн звуковой волны, служащего каналом положительной обратной связи аналогового автогенератора частоты, обеспечивается стабильность работы акустического газоанализатора, нечувствительность его к внешним источникам звука и достаточное быстродействие, которое позволяет использовать его не только для промышленного измерения состава бинарных газовых смесей, но и для научно-исследовательских приложений.