ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к аналитической технике, а именно, к анализаторам концентраций горючих газов и средствам контроля основных показателей качества топливных газов.
Известен термохимический газоанализатор (Тарасевич В.Н. Металлический терморезисторные преобразователи горючих газов. Киев. Наукова думка. 1985. стр.198, табл.30 средний рисунок), содержащий проточную камеру, в которой установлены два миниатюрных проволочных терморезистора, размещенных в абсорбенте. Причем, один из терморезисторов является измерительным. Он размещен в абсорбенте, пропитанном палладием, а второй - сравнительный. Второй терморезистор служит для уменьшения влияния изменения температуры газового потока на результат измерений. Терморезисторы включены в смежные плечи неуравновешенного электрического моста и нагреваются его током. При попадании в проточную камеру воздуха, содержащего горючие газы, последний частично каталитически сгорает на поверхности измерительного терморезистора, что вызывает увеличение его температуры, сопротивления и вызывает разбаланс неуравновешенного электрического моста. Этот разбаланс несет информацию о концентрации горючего газа и его теплоте сгорания.
Недостатком такого анализатора является то, что степень каталитического сгорания различных горючих веществ на измерительном терморезисторе различна, что зависит от природы газов. Это ограничивает области применения такого анализатора.
Наиболее близким по технической сущности является термохимический газоанализатор (патент на полезную модель №108625 «Термохимический газоанализатор». Бюл.№26, 2011. Аль-Дахми A.M., Илясов Л.В.), содержащий цилиндрическую проточную камеру с крышками, нижняя из которых снабжена входным, а верхняя - выходным штуцерами, установленными по вертикальной оси симметрии камеры, микрореактор, в виде кварцевой трубки, заполненной гранулированным катализатором и установленной в проточной камере по ее вертикальной оси симметрии, нижний торец которой укреплен в нижней крышке камеры, а на внешней поверхности размещен спиральный электронагреватель, соединенный со стабилизированным источником питания, стабилизатор расхода воздуха с выходным штуцером, переменный дроссель, выход которого соединен со штуцером дополнительного потока воздуха, вмонтированным в нижнюю крышку проточной камеры, термоприемник, установленный на оси симметрии проточной камеры на фиксированном расстоянии от верхнего торца кварцевой трубки, нормирующий преобразователь сигнала термоприемника, подключенный к выходу последнего.
Недостатком такого термохимического газоанализатора являются ограниченные информационные возможности, сводящиеся к контролю качества газов только по одному параметру - низшей объемной удельной теплоте сгорания.
Задача полезной модели - расширение информационных возможностей термохимического газоанализатора при использовании его для контроля качества газовых топлив.
Технический результат - создание термохимического газоанализатора, позволяющего контролировать основные показатели качества газовых топлив: низшую объемную удельную теплоту сгорания, плотность и индекс Воббе.
Технический результат достигается тем, что термохимический газоанализатор, содержащий цилиндрическую проточную камеру с крышками, нижняя из которых снабжена входным, а верхняя - выходным штуцерами, установленными по вертикальной оси симметрии камеры, микрореактор, в виде кварцевой трубки, заполненной гранулированным катализатором и установленной в проточной камере по ее вертикальной оси симметрии, нижний торец которой укреплен в нижней крышке камеры, а на внешней поверхности размещен спиральный электронагреватель, соединенный со стабилизированным источником питания, стабилизатор расхода воздуха с выходным штуцером, переменный дроссель, выход которого соединен со штуцером дополнительного потока воздуха, вмонтированным в нижнюю крышку проточной камеры, термоприемник, установленный на оси симметрии проточной камеры на фиксированном расстоянии от верхнего торца кварцевой трубки, нормирующий преобразователь сигнала термоприемника, подключенный к выходу последнего, согласно полезной модели дополнительно содержит два тройника, три вспомогательных переменных дросселя, дозатор анализируемого газа, две колонки, выполненные в виде трубок, постоянный турбулентный дроссель, преобразователь разности давлений с «плюсовой» и «минусовой» камерами и вычислительное устройство, при этом один из тройников включен между выходным штуцером стабилизатора расхода воздуха, входом переменного дросселя и входом одного из вспомогательных дросселей, выход которого соединен с входом дозатора, причем к выходу дозатора подключен вход второго тройника, а его два выхода соединены через второй и третий вспомогательные дроссели с входами колонок, выход одной из колонок соединен с входным штуцером газоанализатора, а выход другой колонки подключен к входу постоянного турбулентного дросселя, выход которого соединен с атмосферой, при этом «плюсовая» и «минусовая» камеры преобразователя разности давлений соединены, соответственно, с входом и выходом турбулентного дросселя, а выходы нормирующего преобразователя и преобразователя разности давлений подключены к вычислительному устройству.
Такая конструкция термохимического газоанализатора обеспечивает в одном цикле измерения получение информации об основных показателях качества топливных газов, а именно о низшей объемной удельной теплоте сгорания, плотности и индексе Воббе, за счет измерения разности давлений на турбулентном дросселе при постоянном объемном расходе газа через него, причем индекс Воббе определяется как результат косвенного измерения теплоты сгорания и плотности анализируемого газа.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Схема термохимического газоанализатора показана на фиг.1.
На фиг.2 и 3 показаны сигналы измерительных устройств термохимического газоанализатора, полученные при испытаниях его лабораторного макета.
Термохимический газоанализатор содержит вертикальную цилиндрическую камеру 1 с крышками, нижняя 2 из которых снабжена входным 3, а верхняя 4 - выходным 5 штуцерами, установленными на вертикальной оси симметрии 6 камеры 1.
В проточной камере 1 размещен микрореактор 7, выполненный в виде кварцевой трубки заполненной катализатором 8 и установленной по вертикальной оси симметрии 6 камеры. Нижний торец 9 кварцевой трубки укреплен в нижней крышке 2 камеры, а на внешней поверхности 10 кварцевой трубки размещен спиральный электронагреватель 11, соединенный со стабилизированным источником питания 12. Кроме этого, термохимический газоанализатор содержит стабилизатор расхода воздуха 13 с выходным штуцером 14, переменный дроссель 15, выход которого 16 соединен со штуцером 17 дополнительного потока воздуха, вмонтированным в нижнюю крышку 2 проточной камеры 1, термоприемник 18, установленный на оси симметрии проточной камеры на фиксированном расстоянии от верхнего торца 19 кварцевой трубки, нормирующий преобразователь 20, подключенный к выходу термоприемника.
Термохимический газоанализатор дополнительно содеожит два тройника, три вспомогательных переменных дросселя, две колонки, выполненные в виде трубок, постоянный турбулентный дроссель, преобразователь разности давлений с «плюсовой» и «минусовой» камерами и вычислительное устройство.
Один из тройников 21 включен между выходным штуцером 14 стабилизатора расхода воздуха 12, входом переменного дросселя 15 и входом 22 одного из вспомогательных дросселей 23, выход которого соединен со входом 25 дозатора 26. К выходу 27 дозатора подключен вход второго тройника 28, его два выхода соединены через второй 29 и третий 30 вспомогательные дроссели с входами 31 и 32 колонок 33 и 34, выполненных в виде трубок. Выход 35 колонки 33 соединен с входным штуцером 9 газоанализатора, выход 36 колонки 34 подключен ко входу 37 постоянного турбулентного дросселя 38, выход 39 которого соединен с атмосферой. «Плюсовая» 40 и « минусовая» 41 камеры преобразователя разности давлений 42 соединены, соответственно, с входом и выходом турбулентного дросселя. Выходы нормирующего преобразователя 20 и преобразователя разности давлений 42 подключены к вычислительному устройству 43.
Термохимический газоанализатор работает следующим образом. В газоанализатор непрерывно поступает поток сжатого воздуха, расход которого поддерживается постоянно с помощью стабилизатора расхода 13. С выхода стабилизатора расхода поток воздуха поступает через тройник 21 на вход переменного дросселя 15 с выхода которого 16 - в штуцер 17 и далее в камеру 1 газоанализатора. Этот дополнительный поток воздуха обеспечивает быстрое вымывание продуктов каталитического сгорания компонентов из камеры 1 газоанализатора. Через тройник 21 другая часть потока воздуха из стабилизатора расхода через вспомогательный переменный дроссель 23 поступает на вход 25 дозатора 26, в который также подается непрерывно (в автоматическом варианте реализации газоанализатора) или периодически (в лабораторном варианте реализации газоанализатора) поток анализируемого газа. С выхода 27 дозатора поток воздуха направляется через тройник 28 в два вспомогательных переменных дросселя 29 и 30, через которые поток воздуха поступает в колонки 33 и 34. С выхода 35 колонки 33 поток воздуха поступает в штуцер 3 газоанализатора, а поток воздуха с выхода 36 колонки 34 поступает на вход 37 постоянного турбулентного дросселя 38. Затем этот поток через выход 39 сбрасывается в атмосферу. Давления, возникающие на постоянном турбулентном дросселе, поступают в «плюсовую» 40 и «минусовую» 41 камеры преобразователей разности давлений 42, которые преобразуют эту разность в унифицированный электрический сигнал, поступающий на вход вычислительного устройства 43.
В описываемом газоанализаторе используется импульсный метод ввода пробы анализируемого газа (Фарзане Н.Г, Илясов Л.В. Импульсный ввод анализируемого в автоматических газоанализаторах. Журнал измерительная техника, №4, 1971, с.69-71) в поток воздуха, используемого в качестве газа-носителя. Такой термохимический газоанализатор является устройством циклического действия и имеет два режима работы «подготовка» и «анализ». В режиме «подготовка» каналы дозатора 26 соединены так, что газ-носитель(воздух) протекает непосредственно с входа дозатора на выход. Причем газа-носителя поступает через тройник 28, дроссели 29 и 30, колонки 33 и 34 в микрореактор и турбулентный дроссель. При этом устанавливается некоторая начальная температура потока газа на выходе микрореактора 7 и постоянный сигнал термоприемника 18, а также начальный сигнал нормирующего преобразователя 20 (см. фиг.2). Одновременно на постоянном турбулентном дросселе 38 возникает некоторая начальная разность давлений, соответствующая протеканию через него воздуха (см. фиг.3). Так как при определении индекса Воббе используется относительная плотность анализируемого газа, а топливные газы имеют, как правило, плотность меньшую чем плотность воздуха, то сигнал на выходе преобразователя разности давлений максимален и соответствует относительной плотности, равной 1 (см. фиг.3). В режиме «продувка» происходит промывка дозирующей трубки дозатора 26 (на фиг.1 не показана) анализируемым газом.
θ
ρ
отн
отн
В режиме «анализ» канал дозатора 26 переключается так, что поток газа-носителя (воздуха) проходит через дозирующую трубку, заполненную анализируемым газом, и транспортирует отобранную в трубке пробу анализируемого газа в тройник 28. С помощью дросселей 29 и 30, составляющих дроссельный делитель потока, проба разделяется на две части, одна из которых транспортируется потоком газа носителя в колонку 33, а вторая - колонку 34. Наличие колонок 33 и 34 обеспечивает создание транспортного запаздывания, которое необходимо для исключения наложения паразитных сигналов термоприемника и преобразователя разности давлений, возникающих при переключении каналов дозатора (см. фиг.2 и 3), на полезные сигналы, несущие информацию об измеряемых физических величинах. Эти сигналы имеют форму импульсов (пиков), показанных на фиг.2 и 3. Сигналы нормирующего преобразователя 20 и преобразователей разности давлений 42 поступают в вычислительное устройство 43, которое подсчитывает площади этих пиков. Причем площадь сигнала U термоприемника определяет низшую объемную удельную теплоту сгорания анализируемого газа в, а площадь сигнала U преобразователя разности давлений - разность относительных плотностей воздуха и анализируемого газа, т.е. (1-ρ) (здесь: 1-относительная плотность воздуха; ρ - относительная плотность анализируемого газа).
По сигналам названных измерительных устройств вычислительное устройство 43 рассчитывает индекс Воббе, определяемый отношением  Таким образом на выходе вычислительного устройства 43 формируются сигналы о трех основных показателях качества топливных газов: низшей объемной удельной теплоте сгорания газа, относительной плотности и индексе Воббе.
В последующих циклах работы термохимического газоанализатора, описанные выше операции повторяются. Время одного цикла работы анализатора составляет 3,5 мин., объем пробы анализируемого газа - 10 мл., расход воздуха - 10 л/час.
Преимуществом предлагаемого технического решения являются широкие информационные возможности термохимического газоанализатора, обеспечивающие в одном цикле измерение основных показателей качества топливных газов.
Предлагаемый термохимический газоанализатор может быть реализован на базе стандартной измерительной и вспомогательной аппаратуры.
Термохимический газоанализатор может найти применение в лабораторном и промышленном контроле основных показателей, определяющих качество топливных и других горючих газов.