УСТРОЙСТВО ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОВЕРОЧНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
DEVICE FOR PREPARING CONTROL GAS MIXTURES

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и приготовления поверочных газовых смесей (ПГС), что позволяет в комплексе осуществить приготовление и контроль увлажненных поверочных газовых смесей требуемых концентраций и максимально автоматизировать процесс проведения настроечных, калибровочных и поверочных работ с газоаналитическими приборами.
Известно устройство для приготовления ПГС, представленное в материалах Всемирного Конгресса IMEKO по Фундаментальной и Прикладной Метрологии, а именно: Nuno J.F. Rodrigues, Paulo Gomes. GAS ANALYZERS CALIBRATION BY DYNAMIC DILUTION FOR MONITORING AIR POLLUTION AND AIR EMISSIONS // XIX IMEKO World Congress Fundamental and Applied Metrology, September 6-11, 2009, Lisbon, Portugal, p.2217-2220 (http://www.imeko2009.it.pt/Papers/FP_222.pdf). Газосмесительное устройство представляет собой динамический газовый смеситель, принцип действия которого заключается в смешении потоков исходного целевого газа и газа-разбавителя, расход которых регулируется и измеряется с помощью регуляторов массового расхода газа. Устройство содержит один или несколько каналов для подвода целевого газа в смеситель, несколько каналов для подвода газа-разбавителя в смеситель и канал для вывода газовой смеси из смесителя. В каждом канале для подвода газов в смеситель последовательно установлены регулятор массового расхода газа и электромагнитный клапан.
Использование в составе известного устройства регуляторов массового расхода газа позволяет получать газовые смеси в широком диапазоне концентраций, что увеличивает возможности применения устройства. Недостатками данного устройства являются невозможность приготовления газовых смесей с заданными параметрами влажности, а также повышенная себестоимость ПГС, подаваемых на тестируемое устройство, обусловленная материальными затратами на дополнительную установку увлажнителя или использование дополнительно генератора влажности к установке для получения увлажненных газовых смесей.
Известно устройство для приготовления поверочных газовых смесей, содержащее источник поверочного газа или смеси газов в виде баллона высокого давления, смеситель газов и систему разбавления газовой смеси после смесителя дополнительным потоком газа-разбавителя (Патент РФ №2208783, опубл. 20.07.2003), В устройстве смеситель газов выполнен в виде емкости, имеющей два канала для подвода смешиваемых газов, один из которых соединен через управляемый запорный клапан с источником поверочного газа или смеси газов, а второй канал соединен с атмосферным воздухом, канал для вывода смеси газов, который соединен с системой разбавления газовой смеси и в котором установлены детектор для контроля содержания поверочного газа и побудитель расхода, причем в устройство введен дополнительный детектор для контроля содержания поверочного газа в смесителе.
В известном устройстве требуется контролировать содержание газовой смеси на выходе, что возможно при наличии детектора на конкретный газ, погрешность которого определяет точность приготовления газовой смеси. Временная нестабильность характеристик детектора влияет на точность приготавливаемой газовой смеси. В данном устройстве необходима фильтрация атмосферного воздуха, используемого в качестве газа-разбавителя. Устройство не позволяет приготовить газовую смесь заданной относительной влажности.
Однако часто для градуировки и поверки газоаналитических приборов и сенсоров (например, полупроводниковых, электрохимических) требуется увлажнять поверочную газовую смесь, для чего используют дополнительно различные виды увлажнителей газов или генераторов влажности, с помощью которых увлажняют газовую смесь, подаваемую из смесителя на тестируемое устройство, что приводит к увеличению материальных затрат и повышению себестоимости ПГС и установки в целом.
По технической сущности из известных устройств наиболее близким к заявленному устройству является устройство для приготовления поверочных газовых смесей в динамическом режиме (Патент РФ №114528, опубл. 27.03.2012). В устройстве для приготовления поверочных газовых смесей в динамическом режиме, содержащем 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, где в каждом канале для подвода газа в смеситель газов последовательно установлены регулятор массового расхода газа и электромагнитный клапан, по меньшей мере, в одном канале для подвода газа-разбавителя в смеситель газов установлены увлажнитель газа и дополнительный электромагнитный клапан, причем выход регулятора расхода газа данного канала соединен через электромагнитный клапан с входом увлажнителя газа, выход которого соединен с 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. С помощью автоматически переключаемых электромагнитных клапанов, в том числе дополнительного электромагнитного клапана в канале подачи влажного газа-разбавителя, и выбора режимов работы регуляторов массового расхода газа обеспечивается приготовление поверочной газовой смеси не только с широким диапазоном по концентрации, но и одновременно с широким диапазоном по относительной влажности.
Установка увлажнителя газа, по меньшей мере, в одном из каналов для подвода газа-разбавителя в смеситель газов исключает задачу дополнительного приобретения и установки различных устройств для увлажнения полученных поверочных газовых смесей, в случае необходимости приготовления влажных ПГС, уменьшает материальные затраты и снижает себестоимость ПГС, подаваемых на тестируемое устройство.
Неоспоримым удобством для пользователей является возможность автоматизированного одновременного получения газовых смесей заданной концентрации и влажности в широком диапазоне концентраций и относительной влажности в одном устройстве.
Недостатками данного устройства являются невозможность оперативно автоматизировано получить сухую газовую смесь без снятия/установки увлажнителя, а также отсутствие на входе целевого газа и газа-разбавителя фильтров для фильтрации ПГС с целью предотвращения загрязнений газовых магистралей и нарушений работы регуляторов массового расхода газа, являющихся метрологическим средством измерения (метрологическим оборудованием).
Указанное устройство для приготовления поверочных газовых смесей в динамическом режиме принимается за прототип.
Технический результат, который будет получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности оперативного автоматизированного получения сухой или увлажненной газовой смеси, не используя затрат времени на снятие/установку увлажнителя, при этом снижается количество операций в технологическом процессе при проведении настроечных, калибровочных и поверочных работ, а также возможность достоверного получения заданных значений концентраций газовых смесей на выходе устройства при использовании на входе целевого газа и входе газа-разбавителя фильтров для фильтрации целевого газа и газа-разбавителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство приготовления поверочных газовых смесей, содержащее 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 последовательно установлены регулятор массового расхода газа и электромагнитный клапан, по меньшей мере, в одном канале для подвода газа-разбавителя в смеситель газов последовательно установлены увлажнитель газа и электромагнитный клапан, в каждом из каналов, снабженных увлажнителем газов, установлена, по меньшей мере, одна обходная магистраль с дополнительным электромагнитным клапаном, причем выход регулятора расхода газа данного канала соединен со входом дополнительной магистрали, выход которой соединен с выходом последнего электромагнитного клапана, и на входе целевого газа и входе газа-разбавителя установлены, по меньшей мере, по одному фильтру, выходы которых соединены со 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 (0% относительной влажности) или увлажненной газовой смеси (до 100% относительной влажности), не затрачивая времени на снятие/установку увлажнителя, при этом снижается количество операций в технологическом процессе при проведении настроечных, калибровочных и поверочных работ.
Установка на входе целевого газа и входе газа-разбавителя, по меньшей мере, по одному фильтру позволяет достоверно получать заданное значение концентраций газовых смесей на выходе устройства с заявленными метрологическими характеристиками в части погрешности приготовления газовых смесей.
На чертеже представлено устройство приготовления поверочных газовых смесей.
Предлагаемое устройство приготовления поверочных газовых смесей содержит регуляторы расхода газа 1, автоматически переключаемые электромагнитные клапаны 2, увлажнитель 3, ручные вентили 4, канал целевого газа 5, канал 6 для вывода приготовленной газовой смеси, фильтры 7, каналы 8 для подачи газа-разбавителя, смеситель газов 9.
Газ-разбавитель и целевой газ через фильтры 7 с номинальными размерами пор 0,5 мкм (удаляют загрязняющие микрочастицы из системы) и через ручные вентили 4 поступает на регуляторы расхода газа 1 по каналам 5 и 8. Расход газов задается и поддерживается прикладной программой по обслуживанию устройства через RS232 интерфейс ПЭВМ. Коммутация соответствующих каналов к выходному коллектору производится электромагнитными клапанами 2. В одном из каналов газа-разбавителя установлен увлажнитель газовой смеси 3 с установленной, по меньшей мере, одной обходной магистралью с дополнительным электромагнитным клапаном 2, причем выход регулятора расхода газа данного канала соединен со входом дополнительной магистрали, выход которой соединен с выходом последнего электромагнитного клапана 2. Приготовленные с заданной концентрацией газ-разбавитель и целевой газ по каналам 5 и 8 поступают на смеситель газов 9, смешиваются, и приготовленная газовая смесь выводится через канал 6.
Устройство приготовления поверочных газовых смесей работает следующим образом.
В целом устройство приготовления поверочных газовых смесей 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 значения молярной (объемной) доли компонентов в приготавливаемой смеси задаются при помощи ПЭВМ, встроенной в корпус устройства.
Приготовление газовых смесей производят путем дозирования целевого газа с установленной объемной долей целевого компонента в чистый газ-разбавитель. Неоспоримым удобством для пользователей является возможность одновременного получения увлажненных газовых смесей.
При работе устройства приготовления поверочных газовых смесей целевой газ и газ-разбавитель поступают через регуляторы расхода газа в газ-разбавитель под действием перепада давлений между входом и выходом в каналах. В смесителе полученная смесь дозируемого газа и газа-разбавителя приводится к однородному составу и далее подается на потребление.
Основу расчета состава смеси составляет материальный баланс по определяемому компоненту в дозируемом газе, газе-разбавителе и полученной смеси.
С помощью увлажнителя создается требуемая относительная влажность газовой смеси путем смешивания сухого и влажного газа-разбавителя.
Устройство приготовления поверочных газовых смесей 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 необходимое время для проведения настроечных, калибровочных и поверочных работ газоаналитических приборов.
Устройство приготовления поверочных газовых смесей выполнено в виде отдельного настольного блока и представляет собой сложное устройство, включающее в себя электронные, механические и электромеханические узлы и блоки.
Устройство имеет входные фитинги для подачи газа-разбавителя и целевого газа и выходной фитинг для отбора газовой смеси на тестируемые чувствительные элементы и датчики измерения параметров газовых сред. В каждом канале располагают два переключаемых клапана и один регулятор расхода газа. Шаровые ручные вентили на входах газовых каналов также предназначены для подачи в устройство целевого газа (ПГС) или газа-разбавителя для очистки (продувки) газовых каналов.
С помощью автоматически переключаемых электромагнитных клапанов и выбора режимов работы регуляторов расхода формируются расходы целевого газа и газа-разбавителя в каждом из каналов, задаваемые пользователем и контролируемые регуляторами расхода газа.
Использование тепловых регуляторов массового расхода газа позволяет значительно уменьшить влияние окружающей среды и входного давления газа на точность поддержания расхода газа, тем самым уменьшить погрешность приготовленной газовой смеси. Управление регуляторами расхода газа и клапанами производится с помощью ПЭВМ.
Программное обеспечение для удаленного управления режимами работы устройства позволяет ускорить проведение настроечных, калибровочных и поверочных работ газоаналитических приборов за счет автоматизации расчетов параметров и процесса смешивания газов.
Таким образом, предложенная конструкция устройства для приготовления поверочных газовых смесей обеспечивает достижение технического результата, а именно:
- обеспечение оперативного автоматизированного получения сухой (0% относительной влажности) или увлажненной газовой смеси (до 100% относительной влажности), не затрачивая времени на снятие/установку увлажнителя, снижение количества операций в технологическом процессе при проведении настроечных, калибровочных и поверочных работ;
- достоверное получение заданных значений концентраций газовых смесей на выходе устройства с заявленными метрологическими характеристиками в части погрешности приготовления газовых смесей.
Источники информации
1. Материалы Всемирного Конгресса IMEKO по Фундаментальной и Прикладной Метрологии: Nuno J.F. Rodrigues, Paulo Gomes. GAS ANALYZERS CALIBRATION BY DYNAMIC DILUTION FOR MONITORING AIR POLLUTION AND AIR EMISSIONS // XIX IMEKO World Congress Fundamental and Applied Metrology, September 6-11, 2009, Lisbon, Portugal, p.2217-2220 (http://www.imeko2009.it.pt/Papers/FP_222.pdf).
2. Патент РФ №2208783, опубликован 20.07.2003.
3. Патент РФ №114528, опубликован 27.03.2012 - прототип.