УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ КОМПОНЕНТОВ ГАЗОВОЙ ИЛИ ЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ

Техническое решение относится к области аналитического приборостроения, а именно к устройствам, предназначенным для измерения концентрации компонентов как газовой, так и жидкостной смеси путем создания условий для вытекания смеси в ламинарном режиме при определенных условиях и измерения статического давления в разные моменты времени, и может быть использовано для контроля состояния окружающей среды в системах управления объектов в разных отраслях, в системах транспортировки газовых и жидкостных смесей, в том числе взрывоопасных, в нефтяном и химическом производствах и в других областях.
Из существующего уровня техники известно устройство определения концентраций компонентов газовой смеси, содержащее газовую камеру с оптическими окнами и разрядником, подключенным к источнику высокочастотного высоковольтного напряжения, датчик давления, светофильтр, пропускающий излучение азота, фотодиоды и связанный с ними вычислитель. Концентрации кислорода и азота по данному техническому решению предлагают определять с помощью измерений сигналов фотодиодов в диапазоне 350-1100 нм, затем с учетом заранее полученных калибровочных кривых по формуле вычисляют искомые величины (см., напр., RU 2232982, опубл. 20.07.2004). Недостатком данного решения необходимо отметить использование высокочастотного тлеющего разряда, что требует сложного и громоздкого оборудования.
Наиболее близким по технической сути является устройство определения концентрации компонентов газовой смеси, содержащее газовую камеру, разделенную на два отсека запирающим устройством. После его открытия газовая смесь проходит через пористую мембрану, при этом регистрируются показания датчика измерения давления в различные моменты времени. Затем, с учетом заранее полученных калибровочных кривых, по формуле вычисляют концентрации компонентов смеси (см. напр. RU 137917, опубл. 27.02.2014). Недостатком данного решения необходимо отметить использование форвакуумного насоса, что непрактично при контроле технологических процессов.
Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является создание простого в изготовлении устройства, обеспечивающего достоверность и точность измерений.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве определения концентраций компонентов газовой или жидкостной смеси, включающем герметичные дополнительную камеру с датчиком давления и измерительную камеру, выполненную с возможностью изолирования анализируемой смеси запирающими устройствами, размещенными с двух ее концов, и снабженную демпфером, датчиками давления и температуры, согласно техническому решению на входе в измерительную камеру установлен объем для анализируемой смеси, соединенный с измерительной камерой через устройство для подачи смеси и напрямую посредством каналов закачки, оборудованных запирающими устройствами, при этом демпфер установлен на выходе измерительной камеры после запирающих устройств, датчик давления измерительной камеры снабжен демпфером, а объем для анализируемой смеси снабжен датчиком температуры и нагревателем.
Запирающие устройства могут быть выполнены в виде вентилей или заслонок. В некоторых вариантах выполнения вентили или заслонки могут быть снабжены электроприводом.
В качестве датчика измерения давления может быть использован, по крайней мере, один преобразователь давления, состоящий из измерительного блока и электронного устройства для обработки данных.
В качестве датчика измерения температуры может быть использован, по крайней мере, один термометр.
Дополнительная камера может быть выполнена съемной. Объем для анализируемой смеси может быть выполнен сменным.
Измерительная и дополнительная камеры могут быть снабжены стравливающими клапанами.
Измерительная камера может быть снабжена реле давления.
Техническим результатом, достигаемым с помощью приведенной совокупности признаков, является повышение достоверности и точности измерений за счет обеспечения проведения измерений при ламинарном истечении анализируемой смеси за счет выполнения герметичными дополнительной и измерительной камеры, выполненной с возможностью изолирования анализируемой смеси запирающими устройствами, размещенными с двух ее концов, и снабженной установленным на выходе измерительной камеры после запирающих устройств демпфером, под постоянным контролем давления и температуры за счет снабжения датчиками давления измерительной и дополнительной камер и снабжения датчиками температуры измерительной камеры и объема для анализируемой смеси при создании условий измерения статичного давления посредством демпфера, которым снабжен датчик давления измерительной камеры, а также поддержания постоянной температуры и одинакового начального перепада давления в измерительной и дополнительной камерах при проведении измерений для анализируемой смеси и для построения калибровочных кривых посредством установки на входе в измерительную камеру объема для анализируемой смеси, снабженного нагревателем и соединенного с измерительной камерой через устройство для подачи смеси и напрямую посредством каналов закачки, оборудованных запирающими устройствами.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежом, не охватывающим и, тем более, не ограничивающим объем притязаний по данному решению, а лишь являющимся иллюстрирующим материалом частного случая выполнения устройства.
На фиг. 1 схематически изображено устройство определения концентраций компонентов смеси;
на фиг. 2 схематически изображено устройство определения концентраций компонентов смеси в предпочтительном варианте выполнения.
Устройство определения концентраций компонентов газовой или жидкостной смеси включает герметичную измерительную камеру 1, герметичную дополнительную камеру 2 для сбора проанализированной смеси, объем 3 для анализируемой смеси и устройство 4 для подачи смеси.
Измерительная камера 1 выполнена с возможностью изолирования анализируемой смеси запирающими устройствами 5 и 6, размещенными с двух ее концов. Они могут быть выполнены в виде вентилей или заслонок. Для обеспечения ламинарного истечения смеси из измерительной камеры 1 она снабжена демпфером 7, который установлен на выходе измерительной камеры после запирающих устройств 5 и 6. Демпфер 7 может быть выполнен в виде диафрагмы, капилляров, трубок разной формы и т.п. Кроме того, измерительная камера 1 снабжена датчиком 8 давления M1 и датчиком 9 температуры Т1, выполненным, например, в виде термометра. Для обеспечения точности показаний датчика 8 давления при быстром истечении анализируемой смеси датчик 8 давления измерительной камеры 1 снабжен демпфером 10.
Объем 3 для анализируемой смеси установлен на входе в измерительную камеру 1 и соединен с ней через устройство 4 для подачи смеси и напрямую посредством каналов закачки. В качестве устройства 4 для подачи смеси может быть выбран компрессор в случае, если анализируемая смесь газовая, и насос в случае, если анализируемая смесь жидкостная. Каналы закачки оборудованы запирающими устройствами 11, 12, которые могут быть выполнены в виде вентилей или заслонок. Объем 3 для анализируемой смеси снабжен датчиком 13 температуры Т2 и нагревателем 14.
Дополнительная камера 2 снабжена датчиком 15 давления М2.
В предпочтительном варианте выполнения устройства для автоматизации процесса измерений запирающие устройства 5, 6, 11, 12, выполненные в виде вентилей или заслонок, могут быть снабжены электроприводом. В качестве датчика 8 давления может быть использован, по крайней мере, один преобразователь давления, состоящий из измерительного блока и электронного устройства для обработки данных, а измерительная камера 1 может быть снабжена реле 16 давления. В целях обеспечения безопасности устройства измерительная камера 1 и дополнительная камера 2 могут быть снабжены стравливающими клапанами 17 и 18 соответственно.
Для обеспечения более широких возможностей проведения измерений как на самом объекте, так и в лабораторных условиях дополнительная камера 2 может быть выполнена съемной, а объем 3 для анализируемой смеси может быть выполнен сменным.
Работа устройства заключается в определении концентраций компонентов многокомпонентной газовой или жидкостной смеси с учетом подготовленных заранее калибровочных кривых возможных компонентов путем измерения давления с помощью датчика 8 давления M1 в измерительной камере 1 при ламинарном истечении анализируемой смеси из измерительной камеры 1 в дополнительную камеру 2.
Перед забором пробы устройство необходимо прокачать анализируемой смесью из объема 3 для анализируемой смеси, чтобы исключить влияние предыдущего измерения. Для этого включают устройство 4 для подачи смеси и открывают запирающие устройства 11 и 5, либо, при достаточном давлении смеси в объеме 3 для анализируемой смеси, открывают запирающие устройства 11, 12, 5 и смесь поступает в измерительную камеру 1 самотеком. После достижения требуемого давления в измерительной камере 1, измеряемого датчиком 8 давления M1, отключают устройство 4 для подачи смеси, закрывают запирающие устройства 11, 12, 5 и открывают запирающее устройство 6 на время прокачки. Дополнительная камера 2 нужна для сбора экологически вредных смесей.
Для забора пробы многокомпонентной смеси повторяют все вышеописанные действия: включают устройство 4 для подачи смеси и открывают запирающие устройства 11 и 5, либо, при достаточном давлении смеси в объеме 3 для анализируемой смеси, открывают запирающие устройства 11, 12, 5 и смесь поступает в измерительную камеру 1 самотеком. После достижения требуемого давления в измерительной камере 1, измеряемого датчиком 8 давления M1, отключают устройство 4 для подачи смеси, закрывают запирающие устройства 11, 12, 5 и открывают запирающее устройство 6. После этого начинается процесс измерения.
Благодаря демпферу 7 анализируемая смесь ламинарно истекает из измерительной камеры 1 в дополнительную камеру 2, при этом давление в измерительной камере 1 меняется. С помощью датчика 8 давления проводят несколько измерений давления в измерительной камере 1 и соответствующих им временных интервалов. Демпфер 10, установленный на входе датчика 8 давления, предотвращает пульсации показаний прибора при быстром истечении смеси, что позволяет избежать ошибок в определении концентраций компонентов смеси. Температуру измеряют датчиком 9 температуры Т1. Измерения проводят при той же температуре, при которой были получены калибровочные кривые. При необходимости смесь можно подогреть в объеме 3 с помощью нагревателя 14. Начальный перепад давления в измерительной и дополнительной камерах 1 и 2 при проведении измерений для анализируемой смеси и для калибровочных кривых одинаковый. Для контроля давления в дополнительной камере 2 используют датчик 15 давления М2. После проведения измерений запирающее устройство 6 закрывают. Результаты измерений давления обрабатывают.
В предпочтительном варианте выполнения устройства процесс закачки анализируемой смеси в измерительную камеру 1 и открытие запирающего устройства 6 происходит автоматически. При достижении нужного давления в измерительной камере 1 реле 16 давления выключает устройство 4 для подачи смеси в случае закачки смеси с его помощью, и открывает запирающее устройство 6. В случае заполнения измерительной камеры 1 «самотеком» реле 16 давления приводит в положение «закрыто» запирающие устройства 11, 12, 5 и в положение «открыто» запирающее устройство 6. Для этого запирающие устройства 5, 6, 11, 12 оборудованы электроприводом. Реле 16 давления и стравливающий клапан 17 обеспечивают заданное давление в измерительной камере 1. В случае несрабатывания реле 16 давления устройство 4 для подачи смеси будет без остановки закачивать смесь в измерительную камеру 1, и стравливающий клапан 17 сработает при чуть большем давлении, чем реле 16. Стравливающий клапан 18 необходим для создания одинаковых условий истечения смеси.
Для автоматизации процесса измерения давления в качестве датчика 8 давления может быть использован преобразователь давления, состоящий из измерительного блока и электронного устройства для обработки данных с целью получения цифрового электрического сигнала, пропорционального измеренному давлению. Кроме того, при выполнении датчика 8 давления с возможностью подсоединения к процессору 19 возможна обработка данных с помощью процессора 19, их вывод на экран и распечатка.
Построение калибровочных кривых является подготовительным этапом. Для каждого предположительного компонента смеси оно проводится единожды по описанной выше схеме.
Эти измерения проводятся при той же температуре, и начальном перепаде давления в измерительной и дополнительной камерах 1, 2 соответственно, что при анализе смеси. Нагреватель 14 обеспечивает подогрев смеси в случае необходимости. В дальнейшем эти данные можно использовать для всех смесей, содержащих исследованные компоненты. Если калибровочные кривые уже есть, достаточно провести измерения давления для смеси в разные моменты времени. Далее эти данные сравниваются с калибровочными кривыми, и по методике, описанной ниже, определяются концентрации компонентов в смеси. Поскольку формулы для ламинарного течения газов и жидкостей одинаковы, методика справедлива как для газовой, так и для жидкостной смесей.
Калибровочные кривые для каждого компонента смеси отдельно предварительно получают, исходя из следующих формул:
i
m
m
где р(t) - давление i-ой компоненты смеси в момент t, m=1…v≥n - число компонентов смеси, Т - температура смеси,
mi
m
f - калибровочный коэффициент для i-ой компоненты смеси в момент времени t
i
1
1
P(t) - давление i-ой компоненты смеси в момент t
m
Общее давление в момент времени t рассчитывается по формуле:
i
1
Находим решение системы уравнений (2) при p(t) i=1…n.
Соответственно относительная концентрация i-ой компоненты смеси при условии одинаковой температуры всех компонентов
Абсолютную концентрацию i-компоненты находим по формуле:
где i=1…n - число компонентов смеси
k - постоянная Больцмана,
Т - температура, К.
mi
При v≥n можно провести контроль точности измерений. Для учета возможного загрязнения демпфера необходимо ввести поправочный коэффициент a(t,p) в выражение (1), которое примет вид:
где i=1…n, m=1…v≥n
р' - давление за загрязненным демпфером.
При измерениях мы получаем
где i=1…n, m=1…v≥n.
m
m0
0
m
0
m
mi
mi
m0
Абсолютную и относительную концентрацию i - компоненты при условии одинаковой температуры всех компонентов смеси можно найти по формулам (3) и (4). Степень загрязнения демпфера в момент времени t для тестовой смеси положим b=p'(t)/p(t). Из калибровочных кривых можно найти связь a=F(b) и после проведения измерений по формулам (3), (4) найти абсолютную и относительную концентрацию нужной компоненты смеси.
Предлагаемое устройство универсально для неагрессивных компонентов смеси, компоненты которой не взаимодействуют между собой и с материалами устройства. Оно позволяет достоверно и точно производить измерения за счет обеспечения проведения измерений при ламинарном истечении анализируемой смеси под постоянным контролем давления и температуры при создании условий измерения статичного давления, а также постоянной температуры и одинакового начального перепада давления в измерительной и дополнительной камерах при проведении измерений для анализируемой смеси и для построения калибровочных. При этом устройство просто в изготовлении, что делает его надежным в эксплуатации и ремонтопригодным при выходе из строя при максимальном снижении материальных расходов, как на изготовление, так и на ремонт.