ГАЗОСМЕСИТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО СМЕШЕНИЯ И УВЛАЖНЕНИЯ ГАЗОВ

Предлагаемая газосмесительная станция предназначена для приготовления двухкомпонентных газовых смесей заданной концентрации и с заданной относительной влажностью.
Известно устройство (Nuno J.F. Rodrigues, Paulo Gomes. Gas analyzers calibration by dynamic dilution for monitoring air pollution and air emissions // XIXIMEKO World Congress Fundamental and Applied Metrology, September 6-11, 2009, Lisbon, Portugal, p. 2217-2220), применяющееся для калибровки приборов мониторинга газового состава воздуха. Описанный в материалах конгресса газовый смеситель содержит три канала регулировки расхода газа: два - для целевого газа и один - для разбавителя («нулевой газ»), позволяющих осуществлять приготовление смесей с заданной концентрацией в динамическом режиме. Для обеспечения режима динамического приготовления смеси данное устройство содержит в каждом канале регулятор массового расхода газа. Концентрация целевого газа в газовой смеси на выходе устройства пропорционально зависит от величины расходов целевого и нулевого газа, задаваемых этими регуляторами. Заявлено, что устройство позволяет получать газовые смеси широкого диапазона концентраций. Однако во многих случаях для правильной калибровки газовых датчиков необходимо, чтобы калибровочный газ имел определенное значение относительной влажности. Поскольку в данном устройстве увлажнение не реализовано, для таких случаев требуется использование дополнительного оборудования, усложняющего и удорожающего процесс калибровки.
Известно устройство для приготовления поверочных газовых смесей в динамическом режиме (патент РФ №114528, опубл. 27.03.2012, МПК G01N 30/04, G01N 30/12), содержащее смеситель газов, каналы для подвода целевого газа и газа-разбавителя в смеситель газов, канал для вывода газовой смеси из смесителя газов, при этом в каждом канале для подвода газа в смеситель газов последовательно установлены регулятор массового расхода газа и электромагнитный клапан, а один канал для подвода газа-разбавителя снабжен увлажнителем газа и 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. Несмотря на решение задачи получения увлажненной газовой смеси, данное устройство имеет недостатки, связанные с невозможностью оперативного автоматизированного получения сухой газовой смеси без снятия/установки увлажнителя, а также с отсутствием на входе подачи газов средств фильтрации газовой смеси с целью предотвращения загрязнений газовых магистралей и нарушений работы регуляторов массового расхода газа. Данное устройство как метрологическое средство является низкотехнологичным и имеет недостаточную надежность.
Недостатки предыдущего аналога частично устранены устройством приготовления поверочных газовых смесей (патент РФ №2530055, опубл. 10.10.2014, МПК G01N 1/22, G01N 30/04). Устройство для приготовления поверочных газовых смесей содержит 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. В каждом канале для подвода газа последовательно установлены регулятор массового расхода газа и электромагнитный клапан. Также, по меньшей мере, в одном канале для подвода газа-разбавителя в смеситель газов последовательно установлены увлажнитель газа и электромагнитный клапан, а также предусмотрена обходная магистраль с дополнительным электромагнитным клапаном. На входе целевого газа и входе газа-разбавителя установлены, по меньшей мере, по одному фильтру, выходы которых соединены с входами ручных вентилей.
В каждом из каналов, снабженных увлажнителем газов, установка, по меньшей мере, одной обходной магистрали с дополнительным электромагнитным клапаном позволяет обеспечить оперативное автоматизированное получение сухой или увлажненной газовой смеси, не затрачивая времени на снятие/установку увлажнителя. Однако наличие большого количества механических соединений газовых магистралей, требующих поддержания герметичности, влечет за собой усложнение процесса изготовления устройства, а также снижает его надежность. Также надежность устройства снижается и из-за введения в его конструкцию дополнительных самостоятельных электромеханических компонентов - запорных электромагнитных клапанов. Кроме того, управление режимами работы указанного устройства предусмотрено только посредством подключаемой, либо встроенной в устройство персональной ЭВМ. Данный факт влечет за собой увеличение времени, требующегося на подготовку устройства к работе и времени на смену режимов в случаях, когда устройство задействовано в стандартизированных производственных операциях. Также необходимость постоянного управления от внешней или встроенной персональной ЭВМ дополнительно снижает общую надежность устройства вследствие наличия технически сложного компонента.
Так как указанное устройство для приготовления поверочных газовых смесей по совокупности сходных признаков является наиболее близким к заявляемой станции, оно принимается за прототип.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств и создании высокотехнологичного и надежного устройство для приготовления газовых смесей заданной концентрации и с заданной относительной влажностью.
Технический результат, который будет получен при осуществлении полезной модели, заключается в повышении надежности устройства при упрощении его конструкции и уменьшении массогабаритных параметров. Также результатом является упрощение изготовления устройства при сохранении его прочих технических и эксплуатационных характеристик.
Указанный технический результат полезной модели достигается тем, что в газосмесительной станции, содержащей корпус, в котором расположены 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, при этом в каждом канале для подвода газа в смеситель газов установлены регулятор массового расхода газа и электромагнитный клапан, по меньшей мере, в одном канале для подвода газа-разбавителя в смеситель газов установлен увлажнитель газа, кроме того, на входе целевого газа и входе газа-разбавителя установлены, по меньшей мере, по одному фильтру, выходы которых соединены с входами ручных вентилей, электромагнитный клапан встроен в регулятор массового расхода газа, образуя с ним единый блок, а увлажнитель газа снабжен дополнительным подводящим каналом, при этом станция имеет средства управления режимами ее работы с индикацией, расположенные на лицевой панели корпуса.
Использование регуляторов массового расхода со встроенными отсечными электромагнитными клапанами позволяет отказаться от использования в конструкции обходных магистралей, находящихся в каналах с увлажнителем газа, и содержащих дополнительный электромагнитный клапан, а также исключить электромагнитный клапан, расположенный на выходе увлажнителя, тем самым исключив из магистрали каждого из каналов лишние механические соединения, что, таким образом, ведет к повышению надежности работы устройства, напрямую зависящую от количества примененных в конструкции сложных компонентов и количества соединений. Кроме того, данное решение позволяет существенно упростить схему газосмесительной станции и, тем самым, обеспечить высокую технологичность конструкции.
При этом увлажнитель газа данной станции снабжен дополнительным подводящим каналом, обеспечивающим возможность залива увлажняющей жидкости в камеру увлажнителя без необходимости его отсоединения от газовой магистрали. Подобное решение обеспечивает удобство эксплуатации станции.
Кроме этого, на лицевой панели корпуса станции расположены средства управления режимами с индикацией, обеспечивающие автономность ее работы при проведении стандартизированных типовых производственных операций.
Газосмесительная станция, выраженная заявленной совокупностью существенных признаков, обеспечивает эффективное решение поставленной задачи с достижением указанного технического результата.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид газосмесительной станции в корпусе. На фиг. 2 приведена структурная схема газосмесительной станции. На фиг. 3 приведен конкретный пример исполнения увлажнителя газовой смеси.
Предлагаемая газосмесительная станция выполнена в виде отдельного настольного блока и представляет собой устройство, включающее в себя электронные, механические и электромеханические узлы и блоки. Устройство представлено на фиг. 1, где введены следующие обозначения: 1 - корпус станции, 2 - лицевая панель корпуса станции, 3 - средства управления режимами с индикацией (в конкретном варианте представляют собой кнопки управления с подсветкой), 4 - уплотнительная заглушка.
Внутри корпуса 1 размещается электрогазовая часть (фиг. 2), состоящая из фильтров 5, ручных вентилей 6, регуляторов расхода газа 7 со встроенными отсечными электромагнитными клапанами, увлажнителя газовой смеси 8, каналов для подачи газа-разбавителя 9, канала целевого газа 10, смесителя газов 11, канала для вывода приготовленной газовой смеси 12.
Приготовление газовых смесей производят путем дозирования целевого газа с установленной объемной долей целевого компонента в чистый газ-разбавитель. Газ-разбавитель и целевой газ через фильтры 5 и через ручные вентили 6 поступают на регуляторы расхода газа 7 по каналам 9 и 10. Коммутация соответствующих каналов к выходному смесителю 11 производится электромагнитными клапанами, конструктивно совмещенными с регуляторами расхода 7 (пример такого регулятора - F-201CS-500-RAD-22, Bronkhorst (Нидерланды)) в едином блоке. В одном из каналов газа-разбавителя установлен увлажнитель газовой смеси 8, вход которого соединен с выходом блока регулятора массового расхода 7.
Шаровые ручные вентили 6 на входах газовых каналов предназначены для переключения режимов работы станции - штатной работы или режима продувки каналов воздухом, а также для перекрытия подачи газов в каналах.
С помощью автоматически переключаемых электромагнитных клапанов, встроенных в регуляторы расхода 7 и выбора режимов работы регуляторов расхода 7, формируются расходы целевого газа и газа-разбавителя в каждом из каналов.
С помощью увлажнителя создается требуемая относительная влажность газовой смеси путем смешивания сухого и влажного газа-разбавителя. Увлажнитель представляет собой наполненную водой стеклянную колбу 13, с входным 14 и выходным 15 штуцером (фиг. 3). В колбе находится стеклянный гранулят (не показан), позволяющий увеличить площадь контакта газа, проходящего через увлажнитель, с водой. Для обеспечения возможности залива увлажняющей жидкости в камеру увлажнителя он снабжен дополнительным подводящим каналом 16, доступ к которому организован с внешней стороны корпуса 1 станции. При этом на корпусе 1 предусмотрена заглушка 4, обеспечивающая герметичное закрытие входа подводящего канала 16 (фиг. 1, фиг. 3). Благодаря такому решению увлажняющая жидкость может заливаться без разбора станции и необходимости отсоединения увлажнителя от газовой магистрали.
Приготовленные в заданных пропорциях газ-разбавитель и целевой газ, по каналам 9 и 10 под действием перепада давлений между входом и выходом в каналах поступают в смеситель газов 11. В смесителе 11 полученная смесь дозируемого газа и газа-разбавителя приводится к однородному составу и далее приготовленная газовая смесь выводится через канал 12 на выход для дальнейшего ее применения.
Газосмесительная станция представляет собой динамический газовый смеситель, принцип действия которого заключается в смешении потоков целевого газа и газа-разбавителя, расход которых регулируется и измеряется с помощью регуляторов массового расхода газа. Требуемые значения расходов по каналам и, как следствие, значения объемной доли компонентов в приготавливаемой смеси могут задаваться с помощью прикладной программы ПЭВМ, подключаемой к газосмесительной станции по интерфейсу USB. В предложенном устройстве это возможно осуществить и в автономном режиме, по заранее записанной в память встроенного микроконтроллера программе, с помощью вынесенных на лицевую панель станции средств управления режимами работы. Данные средства (кнопки управления) снабжены системой индикации (подсветкой) для предоставления пользователю однозначно интерпретируемой информации о текущем режиме работы станции.
Газосмесительная станция имеет линейный режим работы, который предполагает соединение всех каналов газа - разбавителя и целевого газа на выходе устройства. Данный режим работы позволяет обеспечить на выходе устройства приготовление газовой смеси с широкими параметрами по концентрации, расходу и влажности и поддерживать заданные характеристики в течение требуемого времени для проведения настроечных, калибровочных и поверочных работ газоаналитических приборов.
Возможность получения величин увлажнения газовой смеси от 0% до практически 100% относительной влажности даже при отсутствии заявленной в прототипе дополнительной обходной магистрали в канале увлажнения, обеспечивается установкой в каналы газа-разбавителя регуляторов расхода газа повышенной пропускной способности, позволяющих реализовывать требуемые потоки газа-разбавителя при подключении только одного канала разбавления. Таким образом, для достижения влажности газовой смеси на выходе станции значения 0% относительной влажности, используется только канал разбавителя, в котором не установлен увлажнитель. И, наоборот, для максимального увлажнения выходной газовой смеси, используется только канал разбавителя с установленным увлажнителем.
Предложенное устройство для приготовления поверочных газовых смесей (газосмесительная станция), благодаря минимизации количества электромеханических узлов и блоков и снижению числа механических соединений в газовых магистралях, а также благодаря конкретным конструктивным решениям отдельных компонентов станции (в частности, увлажнителя), в совокупности с реализацией автономного режима работы (за счет средств управления режимами с индикацией), по сравнению со средствами аналогичного назначения, обеспечивает:
повышение степени надежности, срока службы станции, упрощение процессов изготовления и обслуживания;
упрощение конструкции устройства с уменьшением его массогабаритным параметров.
Устройство может применяться как самостоятельно, так и в составе комплексов и стендов для настройки, калибровки, поверки газоанализаторов, газосигнализаторов и других газоаналитических приборов и оборудования. Применение устройства позволяет максимально облегчить и автоматизировать указанные работы.