АКУСТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к устройствам для определения концентрации компонентов промышленных газов и может быть применена в нефтегазовой, угольной и других отраслях промышленности.
Известен акустический газоанализатор, действие которого основано на зависимости скорости звука в газе от его состава (см. а.с. №853520, МКИ G 01 N 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 G 01 № 29/00, 1981). Камера резонатора выполняется в виде отрезка трубы, ограниченной мембранами, либо в виде сосуда специальной формы, например, в виде резонатора Гемгольца. 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 Гемгольца не позволяет вести непрерывное измерение концентрации газа.
Наиболее близким к предлагаемому устройству аналогом является акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с длиной, равной нечетному числу звуковых полуволн и отверстиями для прохода газа, расположенными в середине длины, 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 С1, МПК G 01 № 29/00, 1999). В этом газоанализаторе источник и приемник звука находятся в цепи обратной связи генератора частоты.
Известный газоанализатор обладает высокой чувствительностью, связанной с высокой добротностью резонатора, но обладает следующими недостатками:
- недостаточная стабильностью работы и низкая ремонтопригодность вследствие влияния собственных резонансов излучателя и приемника звука, что приводит к необходимости тщательного подбора пар излучатель/приемник;
- неконтролируемые изменения частоты при изменении температуры вследствие невозможности учета изменений значений собственных
индуктивности и емкости приемника/излучателя звука, включенных в цепь обратной связи генератора;
- невозможности выбора диапазона рабочих частот (использование гармоники выше первой);
- нестабильности нуля вследствие влияния на его показания различных внешних факторов, таких, как температура, влажность анализируемого газа;
- линейное расширение резонатора вследствие изменения температуры;
- сбой генерации звука при наличии внешних источников звука и др.
Эти недостатки, в частности, не обеспечивают стабильность работы газоанализатора в реальных условиях эксплуатации. Особо надо отметить снижение добротности резонаторов при воздействии коррозионно-активных газов, вызывающих коррозию внутренней поверхности резонатора и влияние температуры на собственные резонансные частоты источника и приемника звука, включенных в обратную связь генератора. Задача полезной модели состояла в повышении стабильности работы газоанализатора, исключении влияния параметров приемника/излучателя звука на работу и настройку газоанализатора, снижение влияния внешних факторов на показания газоанализатора.
Указанная задача решается тем, что предложен акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с отверстиями для прохода газа, выполненными в средней части длины резонатора, источник и преемник звука, установленные в противоположных торцах резонатора и схему измерения, в котором согласно полезной модели в схему измерения введены блок формирования частотно-модулированного сигнала, соединенный с источником звука, блок выделения резонансной частоты, включающий цифровой фильтр и соединенный с приемником звука, и микропроцессорный блок для обработки сигналов и управления работой газоанализатора, причем один из управляющих выходов микропроцессорного блока соединен со входом блока формирования частотно-модулированного сигнала, второй управляющий выход микропроцессорного блока соединен с цифровым фильтром блока выделения резонансной частоты, а выход блока выделения резонансной частоты соединен со входом микропроцессорного блока. Этим обеспечивается исключение влияния на показания газоанализатора таких факторов как внешние источники звука, собственные резонансные частоты, а также влияния индуктивности и емкости источника и приемника звука.
Другим отличием газоанализатора является то, что он снабжен датчиком температуры, установленным максимально близко к внутренней стенке резонатора и теплоизолированным от внешней среды, причем выход датчика температуры соединен со входом микропроцессорного блока. Это обеспечивает исключение влияния колебаний температуры окружающей среды на показания газоанализатора.
Еще одним отличием газоанализатора является то, что он снабжен датчиком влажности, установленным вблизи одного из отверстий для прохода анализируемого газа в резонатор, причем выход датчика влажности соединен со
входом микропроцессорного блока. Это обеспечивает исключение влияния колебаний влажности анализируемого газа на показания газоанализатора.
В числе отличий следует отметить то, что на торцах резонатора в непосредственной близости от источника и приемника звука установлены диафрагмы с центральным отверстием. Это обеспечивает повышение точности измерения при сохранении достаточной добротности резонатора.
Таким образом, технический результат полезной модели состоит в исключении влияния на показания газоанализатора таких факторов, как внешние источники звука, собственные резонансные частоты, индуктивность и емкость источника и приемника звука, температура и влажность анализируемого газа и коррозия внутренней поверхности измерительной камеры. Как следствие повышается точность измерения и надежность работы газоанализатора в промышленных условиях.
Сущность предлагаемого газоанализатора поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого газоанализатора.
На фиг.2 изображена схема формирования звуковых полуволн в резонаторе газоанализатора с максимумом на торцах резонатора.
На фиг.3 представлены градуировочные характеристики газоанализатора по основным измеряемым компонентам.
На фиг.4 представлена схема и алгоритм поиска, захвата и удержания резонансной частоты.
Акустический газоанализатор содержит (фиг.1) измерительную камеру 1, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр, выполненный из коррозионностойкого материала, имеющего малый коэффициент линейного расширения, например, из инвара. Сумма длины и половины диаметра камеры 1 (L+0,5D) в условиях резонанса равна нечетному числу звуковых полуволн (фиг.2). В средней части по длине камеры 1, выполнены сквозные отверстия 2 для прохода анализируемого газа, например, атмосферного воздуха.
На торцах измерительной камеры 1 установлен источник 3 и приемник 4 звука.
Источник 3 звука соединен с выходом блока 5 формирования частотно-модулированного сигнала. Приемник 4 звука соединен со входом блока 6 выделения резонансной частоты, включающий перестраиваемый полосовой фильтр 7. Внутри корпуса измерительной камеры 1 в максимальной близости к ее внутренней стенке установлен датчик 8 температуры, выполненный в виде платинового терморезистора с малой постоянной времени. Датчик 8 установлен на теплопроводящем слое 9 пасты. Со стороны внешней среды датчик 8 защищен слоем теплоизолятора 10.
Кроме того, измерительная камера 1 снабжена датчиком 11 влажности, который может быть установлен внутри камеры 1 или снаружи непосредственно в атмосфере контролируемой газовой среды (например, воздуха). Выходы блока 6, датчика 8 температуры и датчика 11 влажности подсоединены к микропроцессорному блоку 12, который по установленной
программе производит сканирование частоты, нахождение резонансной частоты, непрерывное отслеживание резонансной частоты, рассчитывает температуру, влажность, вносит поправки, связанные с показаниями датчика 8 температуры и датчика 11 влажности, рассчитывает концентрацию измеряемого газа в соответствии с запрограммированной градуировочной зависимостью.
На торцах резонатора в непосредственной близости от источника 3 и приемника 4 звука установлены диафрагмы 13 и 14 с центральными отверстиями. Управляющие выходы 15 и 16 микропроцессорного блока соединены соответственно со входами блока 5 формирования частотно-модулированного сигнала и цифрового фильтра 7. Выход фильтра 7 соединен с блоком 17 усиления, выход которого соединен со входом микропроцессорного блока 12.
Газоанализатор работает следующим образом.
При включении питания, после проверки работоспособности и внутреннего теста по команде микропроцессорного блока 12 включаются блок 5 формирования частотно-модулированного сигнала и блок 6 выделения резонансной частоты, соединенные с источником 3 и приемником 4 резонатора 1 и газоанализатор переходит в режим нахождения резонансной частоты
Частота резонанса определяется в трех режимах: поиск, захват, удержание.
В режиме поиска на резонатор подается сигнал с частотой F, изменяющейся в пределах диапазона сканирования F1 и F2 с заданным шагом S. Начальная частота F1 диапазона сканирования определяется автоматически микропроцессорным блоком 12 на основании измерения температуры резонатора датчиком 8 и максимальным диапазоном измерения концентрации. Конечная частота F2 диапазона сканирования определяется автоматически по снижению уровня выходного сигнала с приемника 4 звука Uм не менее чем на 80% от значения при резонансе.
Условием захвата является увеличение амплитуды выходного сигнала с приемника звука выше уровня захвата Uз. Шаг S подбирается автоматически из условия нескольких шагов сканирования в области резонанса.
Переход к режиму удержания происходит после нахождения максимума выходного сигнала и, соответственно, резонансной частоты Fp. Работа в режиме удержания сводится к формированию частотно модулированного сигнала в диапазоне частот Fp±δf с целью точного определения частоты резонанса и автоподстройки диапазона модуляции. При изменении резонансной частоты (изменение температуры, изменение состава измеряемого газа) происходит автоподстройка диапазона частотной модуляции δf. В режиме удержания датчик находится все время работы. За счет большой скорости сканирования частоты характерное время определения и выделения резонансной частоты составляет несколько секунд.
С целью защиты от помех и дискретности АЦП введена рекурсивная цифровая фильтрация сигнала, при этом частично решается задача помехозащитны от коротких звуковых воздействий (хлопков, ударов и др.).
Для увеличения помехозащищенности газоанализатора от внешнего звука выходное напряжение с приемника 4 подается на перестраиваемый полосовой фильтр 7, установленный в блоке 6, управляемый от микропроцессорного блока 12. При перестройке частоты, частота, выдаваемая блоком 5 на излучатель 3, соответствует центру полосы пропускания перестраиваемого фильтра.
Частота резонанса (f) определяется скоростью звука в газе, заполняющем резонатор 1:
где V - скорость звука в газе
Kp - приведенная длина резонатора (L+0.5D).
Скорость звука (v) рассчитывается по следующей формуле:
где:
γ - показатель адиабаты ()
Cp - теплоемкость газа при постоянном давлении;
Cv=Cp-R - теплоемкость газа при постоянном объеме;
μ - молекулярная масса газа;
R - универсальная газовая постоянная;
T - температура газа (К)
При этом в резонаторе 1 образуется нечетное количество полуволн (1, 3, 5 ...) звуковой волны (фиг.2), имеющей максимум давления на торцах резонатора. Количество полуволн определяется задаваемым блоком 5 и микропроцессорным блоком 12 диапазоном рабочих частот. При отсутствии измеряемого газа в резонаторе 1 резонансная частота fp определяется только температурой среды, ее составом (например влажностью). При изменении состава среды резонаторе 1, вызванном появлением другого газа, молекулярная масса среды изменяется и, соответственно, изменяется резонансная частота. Изменение резонансной частоты прямо пропорционально изменению концентрации измеряемой примеси газа (см. фиг.3). Текущая резонансная частота определяется микропроцессорным блоком 12. При этом микропроцессорный блок 12 рассчитывает текущую температуру среды по сигналу с датчика 8 температуры и датчика 11 влажности.
Расчет концентрации производится по следующему алгоритму.
P
1. Определяется значение резонансной частоты F.
2. Рассчитывается температура измеряемой среды T=t+273,15, где t - температура с датчика 8 температуры.
3. Рассчитывается значение концентрации паров воды Ф в измеряемой среде
Ф
Ф=U·D(T), где:
Ф
U - относительная влажность, измеряемая датчиком 11 относительной влажности $
D(T) - полином, описывающий зависимость давления насыщенных паров воды от температуры (табулируется в микропроцессорном блоке 12) в виде
2
D(T)=D0+D1·(Т/1000)+D2·(Т/1000)
4. Производится корректировка резонансной частоты на нулевую влажность:
РФ
Р
2
F=F(1-G1·Ф-G2·Ф)
5. Расчет концентрации производится исходя из следующего соотношения
РФ
Р
0
1
2
2
2
(F/K)=А+A·С+А·С, где
i
i0
i1
i2
2
A=В+В·(Т/1000)+В·(Т/1000)
ij
Коэффициенты В рассчитываются как коэффициенты полинома, аппроксимирующего точные расчеты зависимости скорости звука для выбранного газа от температуры и концентрации и записываются в память микропроцессорного блока 12
На фиг.3 представлена зависимость изменения резонансной частоты (ΔFp) резонатора 1 от концентрации различных газов и паров (измеряемые примеси в контролируемой газовой среде) - градуировочная характеристика газоанализатора.
Градуировочная характеристика для конкретной измеряемой смеси (газа или пара) в виде полинома записывается в память микропроцессорного блока 12. По данным измерения температуры (Т) и влажности (φ), осуществляемого датчиком 8 температуры и датчиком 11 влажности, микропроцессорный блок 12 рассчитывает текущую концентрацию газа по градуировочной хараткристике, заданной в явном виде.
P
Для расчета градуировочной характеристики, вводимой в память микропроцессорного блока 12 требуется только информация о молекулярной массе газа (μ), его теплоемкости (С) (справочные данные) и диапазоне измеряемых концентраций и рабочих температур.
Таким образом, благодаря использованию внешнего генератора, управляемого микропроцессором, резонатора, выполненного из материала, имеющего малый коэффициент линейного расширения и обладающего коррозионной стойкостью, наличию датчиков температуры и влажности, наличия фильтров частот на выходе приемника звука, обеспечивается исключение влияния изменения основных внешних факторов (температура, влажность, внешние источники звука) на показания газоанализатора. Благодаря этому существенно упрощается изготовление, настройка газоанализатора, повышается его стабильность, надежность, точность и обеспечивается возможность использования расчетной градуировочной характеристики, вводимой в память микропроцессорного блока.