Пробоотборник постоянного давления поршневого типа
PISTON TYPE CONSTANT PRESSURE SAMPLER

Пробоотборник относится к области машиностроения и может быть использован в условиях научно-исследовательских и заводских лабораторий для измерения процентного состава кислородно-водородных и других газовых смесей, применяемых для испытания в их среде работоспособности авиационной и космической техники.
Известен промышленный пробоотборник постоянного давления типа ППД-0,150, представляющий собой цилиндрическую камеру с поршнем и торцевыми фланцами.
Для разделения анализируемой газовой смеси в рабочей части камеры и инертного газа установлен поршень. В каждой части камеры как в рабочей, так и инертного газа установлены приборы для измерения давления манометры и запирающие вентили. Подачей необходимого количества инертного газа через редуктор поддерживается постоянное давление в рабочей части пробоотборника.
Недостатками данного пробоотборника поршневого типа является:
наличие внешнего источника инертного газа и отсутствие автоматической поддержки постоянной величины давления газовой смеси при подаче ее из рабочего объема на анализ в газовый хроматограф.
Наиболее близким аналогом к предложенному пробоотборнику является пробоотборник постоянного давления, (патент №2735135 Опубл. 28.10.2020 Бюл. №31). В корпусе пробоотборника установлены две упругие газонепроницаемые перегородки одного размера, одна перегородка разделяет корпус на два равных герметичных объема верхний и нижний, а вторая перегородка герметично закреплена под верхним фланцем корпуса, обе перегородки соединены между собой жестко штоком, верхняя выступающая часть штока соединена съемной гайкой с верхним фланцем корпуса, при этом верхний и нижний объемы корпуса соединены трубопроводом с запирающими вентилями с вакуумным насосом и емкостью с анализируемой газовой средой, при этом нижняя часть корпуса соединена трубопроводом через запирающий вентиль с газовым хроматографом.
Недостатком данного пробоотборника является сложность конструкции из-за применения упругих перегородок и системы вакуумной откачки.
Цель изобретения повышение надежности, безопасности и упрощение конструкции.
Поставленная техническая задача решается тем, что пробоотборник постоянного давления поршневого типа, состоит из вертикально расположенного цилиндрического корпуса с герметичным нижним фланцем, пробоотборник разделен на два объема, нижний герметичный рабочий объем для размещения анализируемой газовой смеси, соединен трубопроводами с запирающими вентилями и приборами для измерения давления с емкостью с анализируемой газовой смесью и газовым хроматографом, в цилиндрическом корпусе размещен поршень, отделяющий нижний герметичный рабочий объем для анализируемой газовой смеси от верхнего объема, находящегося под атмосферным давлением, при этом на поршне установлены верхнее и нижнее кольцевые уплотнения, образующие между собой герметичную полость, соединенную с одной стороны через трубопровод и запирающий вентиль с атмосферой, а с другой стороны через трубопровод и запирающие вентили и трубопровод с емкостью, заполненной анализируемой газовой смесью под давлением равным рабочему давлению газовой смеси, заполняющей нижний герметичный объем, при этом каналы в корпусе не выходят из зоны герметичной кольцевой полости поршня при нахождении его как в крайнем верхнем так и в крайнем нижнем положении, а на выступающей из ограничительного фланца части поршня, при нахождении его в крайнем верхнем положении устанавливается дополнительно груз для уравнивания давления газовой смеси действующей на поршень из нижнего рабочего объема.
Предлагаемый пробоотборник постоянного давления поршневого типа изображен на чертеже в промежуточном положении.
1 - Цилиндрический корпус;
2 - Нижний фланец;
3 - Ограничительный фланец;
4 - Поршень;
5 - верхние и нижние кольцевые уплотнения поршня;
6 - Полость между кольцевыми уплотнениями;
7 - Емкость с анализируемой газовой смесью;
8, 13, 15 - трубопроводы;
9, 10, 11, 14, 16 - Запирающие вентили;
12 - Рабочий объем;
17 - Газовый хроматограф;
18 - Груз;
19 - Каналы в стенках корпуса;
20, 21 - Манометры;
22 - Мановакууметр.
Пробоотборник постоянного давления поршневого типа состоит из вертикально расположенного цилиндрического корпуса 1 с герметичным нижним фланцем 2 и закрепленным в его верхней части подвижным ограничительным фланцем 3. Размещенный в корпусе 1 поршень 4 отделяет от атмосферы рабочий объем 12, образованный нижней торцевой поверхностью поршня 4, стенками корпуса 1 и нижним фланцем 2. Рабочий объем предназначен для заполнения его анализируемой газовой смесью. Поршень 4 снабжен верхним и нижним кольцевыми уплотнениями 5, при этом образованная между ними кольцевая полость 6 с одной стороны соединена через соединительный трубопровод 8 с запирающими вентилями 9 и 10 с емкостью 7, заполненной анализируемой газовой смесью под давлением, а с другой стороны через запирающий вентиль 11 с атмосферой. Для избежания разгерметизации полости 6 в стенках корпуса 1 выполнены каналы 19, соединяющие полость 6 с емкостью 7 и с атмосферой, и при этом они расположены ниже верхнего кольцевого уплотнения 5, в случае если поршень 4 находится в крайней нижней точке, и расположены выше нижнего кольцевого уплотнения 5, если поршень 4 находится в крайнем верхней точке в корпуса 1, Положение верхней точки поршня на корпусе 1 определяется расположением ограничительного фланца 3.
Рабочий объем 12 соединен трубопроводом 13 через запирающие вентили 14 и 9 с емкостью 7, а трубопроводом 15 через запирающий вентиль 16 с газовым хроматографом 17. Между вентилем 11 и полостью 6 установлен манометр 20. На трубопроводах 8 и 13 установлен манометр 21. Между вентилем 14 и 16 установлен мановакууметр 22. На выступающей из ограничительного фланца 3 верхней части поршня 4 установлен груз 18.
Пробоотборник постоянного давления поршневого типа работает следующим образом:
В исходном положении все запирающие вентили 9, 10, 11, 14, 16 закрыты, а поршень 4 находится в крайней нижней точке в корпусе 1 пробоотборника. При открытых запирающих вентилях 11, 10 и 9 через соединительный трубопровод 8 газовая смесь, поступающая из емкости 7 под избыточным давлением 1,1 атм. вытеснит воздух из полости 6 в атмосферу. После заполнения полости 6 газовой смесью, под давлением 1,1 атм., измеряемым по манометру 20, вентили 11, 10 и 9 закрывают. При этом поддерживание постоянного давления в полости 6 на уровне 1,1 атм. будет осуществляться за счет поступления газовой смеси из емкости 7 через соединительный трубопровод 8 при открытии вентилей 9 и 10. Создание буферной полости 6 с равным давлением газовой смеси в ней и рабочем объеме 12 позволяет избежать утечек газовой смеси из рабочего объема 12, тем самым обеспечит его герметичность. При открытых запирающих вентилях 9 и 14 через соединительный трубопровод 13 из емкости 7 газовая смесь под давлением 1,1 атм. поступает в рабочий объем 12, поднимая при этом поршень 4 в крайнюю верхнюю точку до упора его в ограничительный фланец 3, установленный на определенной высоте в корпусе 1, при которой каналы 19 в стенках корпуса 1 будут находиться выше нижнего кольцевого уплотнения 5 при расположении поршня 4 в крайнем верхнем положении. Подбором массы груза 18, закрепленного на выступающей из ограничительного фланца 3 верхней части поршня 4, осуществляется сравнивание давления газовой смеси, находящейся в рабочем объеме 12 и равное 1,1 атм. с давлением оказываемым весом поршня с грузом.
Для полного вытеснения остатков воздуха газовой смесью из рабочего объема 12 такой цикл проводится не менее 5-6 раз. После последнего заполнения рабочего объема 12 газовой смесью до рабочего давления 1,1 атм. пробоотборник готов к работе. При открытии вентиля 16 газовая смесь под действием перепада давлений пойдет через трубопровод 15 в газовый хроматограф 17, в котором осуществляется измерение ее процентного состава. При этом при падении давления газовой смеси в рабочем объеме 12 будет уменьшаться его объем, за счет опускания поршня 4 с грузом 18, происходящего под действием на него возникающего перепада давлений. После взятия первой пробы, при закрытии вентиля 16 поршень 4 остановится.
Так как давление, оказываемое весом поршня 4 с грузом 18 на газовую смесь, находящуюся в рабочем объеме 12, величина постоянная, то и прохождение ее через газовый хроматограф 17 под постоянным давлением 1,1 атм. будет происходить автоматически на протяжении всего времени измерения ее процентного состава. Количество взятых проб газовой смеси на анализ при одной заправке рабочего объема 12 может фиксироваться по величине выступающей из подвижного ограничительного фланца 3 верхней части поршня 4 с закрепленным на нем грузом 18. Контроль и измерение давления в трубопроводах 8, 13 осуществляется по манометру 21; в полости 6 манометром 20; в рабочем объеме 12 и трубопроводе 15 по мановакууметру 22.
Существенные преимущества данной конструкции пробоотборника:
1. Повышение безопасности при определении процентного состава кислородо-водородных и других взрывоопасных газовых смесей из-за отсутствия электрических соединений и вакуумного насоса предварительного разрежения, оставляющего пары вакуумного масла в рабочем объеме;
2. Обеспечение автономной автоматической поддержки постоянного давления при прохождении пробы газовой смеси через газовый хроматограф;
3. Повышенный ресурс работы.
Данное изобретение с наибольшим эффектом можно использовать для безопасного и точного измерения процентного состава различных взрывоопасных газовых смесей, применяемых при испытаниях в их среде работоспособности авиационной и космической техники.