Лабораторный анализатор плотности газов
LABORATORY GAS DENSITY ANALYZER

Изобретение относится к средствам аналитической лабораторной техники, а именно, к анализаторам плотности газов.
Известен лабораторный анализатор плотности газов (Кириллин В.А., Шейндлин А.Е. Исследования термодинамических свойств веществ. М.: Госэнергоиздат, 1963, с. 176-178), который содержит напорный сосуд, заполненный ртутью и установленный вертикально в штативе на определенной высоте, стеклянную трубку с открытым нижним торцом, в верхней части которого установлено миниатюрное турбулентное сужающее устройство для истечения анализируемого газа. Нижняя часть трубки расположена в стеклянной емкости, в которой размещена ртуть, служащая затворной жидкостью.
При перемещении напорного сосуда проба анализируемого газа, отобранная в трубку, за счет перемещения уровня ртути, перетекающей из напорного сосуда в емкость, начинает вытесняться последней через отверстие турбулентного сужающего устройства. В процессе истечения измеряется последовательно (с помощью секундомера) время достижения уровнем ртути двух электрических контактов, расположенных по высоте трубки, через которые замыкаются сигнальные электрические цепи. Расстояние по высоте между двумя контактами постоянно. Этим определяется постоянство объема, истекающей через турбулентное сужающее устройство пробы анализируемого газа. Время истечения этой пробы анализируемого газа однозначно определяется его плотностью.
Недостатком такого анализатора является необходимость использования в нем ртути в качестве запорной жидкости, что является нежелательным с позиции техники безопасности.
Наиболее близким по технической сущности является лабораторный анализатор плотности газа (RU №140253, G01N 9/00, 10.05.2014), содержащий турбулентное сужающее устройство, вход которого соединен через тройник с камерой для сжатия анализируемого газа, выполненной в виде спирали из тонкостенной металлической трубки и размещенной в емкости с охлаждающей жидкостью и выходом измерительной камеры датчика давления, а вход этой камеры соединен через вентиль с линией анализируемого газа, пневмотумблер, подключенный к выходу турбулентного сужающего устройства, и устройство для сжатия анализируемого газа, входной канал которого соединен с выходным каналом камеры для сжатия анализируемого газа.
Измерение плотности газа данным анализатором осуществляется путем измерения интервала времени истечения пробы анализируемого газа через турбулентное сужающее устройство после ее отбора и сжатия с помощью поршня в замкнутой емкости. При этом время истечения определяется как разность моментов времени, при которых в камере для сжатия анализируемого газа при непрерывно изменяющемся давлении достигаются выбранные заранее максимальное и минимальное значение давления.
Недостатками данного анализатора является необходимость использования большого числа вспомогательных элементов (измерители временных интервалов, компараторы минимального и максимального сигналов, устройства задания уровней срабатывания максимального и минимального значений сигналов) для определения времени истечения и необходимость дополнительной ручной обработки результатов измерений для получения искомых значений плотностей газов, что ведет к уменьшению точности измерения плотности.
Технической проблемой изобретения является создание лабораторного анализатора плотности газа, обладающего более высокой точностью и предоставляющего измерительную информацию в форме удобной для передачи, хранения и дальнейшей обработки.
Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерения плотности газа.
Технический результат достигается тем, что лабораторный анализатор плотности газов содержит турбулентное сужающее устройство, вход которого соединен через тройник с камерой для сжатия анализируемого газа, выполненной в виде спирали из тонкостенной металлической трубки и размещенной в емкости с охлаждающей жидкостью, и выходом измерительной камеры датчика давления. Вход этой камеры соединен через вентиль с линией анализируемого газа, пневмотумблер, подключенный к выходу турбулентного сужающего устройства. Устройство для сжатия анализируемого газа, входной канал которого соединен с выходным каналом камеры для сжатия анализируемого газа. Согласно изобретению анализатор содержит два дополнительных пневмотумблера, микрокомпрессор и аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью подключения к компьютеру. Устройство для сжатия анализируемого газа выполнено в виде сильфона, размещенного в сильфонной коробке, снабженной входным штуцером. Сильфон снабжен дополнительным штуцером, соединенным с первым дополнительным тумблером, входной штуцер сильфонной коробки через второй дополнительный тумблер подключен к микрокомпрессору, а выход датчика давления соединен с входом аналого-цифрового преобразователя.
Такая конструкция позволяет измерять принятые максимальные и минимальные значения давления по значениям электрического сигнала преобразователя давления, после аналого-цифрового преобразования, использовать уже в цифровой сигнал в дальнейшей обработке, например, на компьютере или микропроцессорном устройстве. Такая структура обработки сигнала обеспечивает, в свою очередь, более высокую точность измерения за счет исключения возможных ошибок обслуживающего персонала и использования алгоритмов обработки сигнала, позволяющих уменьшить случайную погрешность измерения.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
1
2
Лабораторный анализатор плотности газов поясняется чертежами, где на фиг. 1 - показана схема лабораторного анализатора плотности газов, на фиг. 2 - показаны примеры выбора пар максимального P и минимального Р давлений и соответствующие им значения времени истечения τ.
Лабораторный анализатор плотности газов содержит турбулентное сужающее устройство 1, вход 2 которого связан через тройник 3 с камерой 4 для сжатия анализируемого газа, выполненной в виде спирали из тонкостенной металлической трубки и размещенной в емкости с охлаждающей жидкостью 5, и выходом 6 измерительной камеры 7 датчика давления 8, а вход 9 этой камеры соединен через вентиль 10 с линией анализируемого газа 11, пневмотумблер 12, подключенный к выходу 13 турбулентного сужающего устройства.1, и устройство для сжатия анализируемого газа 14, входной канал которого 15 соединен с выходным каналом 16 камеры 4 для сжатия анализируемого газа.
Анализатор содержит два дополнительных пневмотумблера 17 и 18, микрокомпрессор 19 и аналого-цифровой преобразователь 20, выполненный с возможностью подключения к компьютеру, причем устройство для сжатия анализируемого газа выполнено в виде сильфона 21, размещенного в сильфонной коробке 22, снабженной входным штуцером 23, при этом сильфон 21 снабжен дополнительным штуцером 24, соединенным с первым дополнительным тумблером 18, входной штуцер 23 сильфонной коробки 22 через второй дополнительный тумблер 17 подключен к микрокомпрессору 19, а выход датчика давления 8 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 20.
Лабораторный анализатор плотности газов работает следующим образом.
После включения в работу датчика давления 8 и аналого-цифрового преобразователя 20 выход турбулентного сужающего устройства 1 с помощью пневмотумблера 12, входной штуцер 23 сильфонной коробки 22 с помощью пневмотумблера 17 и дополнительный штуцер 24 с помощью пневмотумблера 18 соединяют с атмосферой. После этого открывается вентиль 10 и анализируемый газ из линии 11 начинает поступать в атмосферу, протекая через камеры 4, 7 и сильфон 21, а также через турбулентное сужающее устройство 1. Таким образом, турбулентное сужающее устройство 1, камеры 4, 7 и сильфон 21 промываются анализируемым газом. Промывка длится 1-1,5 минуты. Затем с помощью тумблера 12 турбулентное сужающее устройство 1 отключается от атмосферы, а избыток анализируемого газа истекает в атмосферу через сильфон 21 и штуцер 24. На этом заканчивается режим работы анализатора «Подготовка».
ai
1i
2i
После переключения пневмотумблеров 12, 17 и 18 и включения микрокомпрессора 19 анализируемый газ за счет перемещения сильфона 21, обусловленного увеличением давления в сильфонной коробке 22, сжимается до некоторого постоянного давления и микрокомпрессор 19 выключается. При сжатии газа его температура несколько увеличивается. По истечении некоторого отрезка времени, в течение которого температура газа принимает некоторое постоянное значение, например, равное температуре охлаждающей жидкости, в камерах 4 и 7 устанавливается постоянное давление, затем с помощью пневмотумблера 12 сужающее устройство 1 сообщается с атмосферойи анализируемый газ начинает истекать через сужающее устройство 1 в атмосферу (режим работы «Анализ»). При этом давление в камере начинает постепенно уменьшаться. Поэтому уменьшается и электрический сигнал, возникающей на выходе датчика давления 8. Этот сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 20. С выхода аналого-цифрового преобразователя 20 сигнал измерительной информации поступает на компьютер или микропроцессорное устройство, где значения давления в определенные моменты времени записываются в виде массива данных, содержащего значения соответствующих давлений и времени, в которые эти давления измерены. Причем для повышения точности измерения в пределах одного анализа вычисляется несколько значений времени истечения анализируемого газа τ, определенных при нескольких разностях максимального Р минимального P давлений в измерительной камере (фиг. 2).
вi
1i
2i
Все описанные операции необходимо повторить для эталонного газа, которым может служить осушенный воздух, при этом определяется несколько значений времени истечения эталонного газа τ, определенных при выбранных ранее разностях максимального Р и минимального Р давлений в измерительной камере
1i
2i
Для каждой пары максимального Р и минимального Pдавлений рассчитывается значение плотности анализируемого газа по формуле:
,
в
где ρ - плотность воздуха в нормальных условиях.
1i
2i
Результат измерения плотности анализируемого газа определяется как среднее арифметическое полученных для каждой пары максимального Р и минимального Р давлений значений плотности анализируемого газа:
,
ai
вi
1i
2i
где n - число значений времени истечения анализирумого τ и эталонного τ газов, определенных при выбранных разностях максимального Р и минимального P давлений в измерительной камере.
Экспериментальные исследования макета лабораторного анализаторов плотности газов показали, что он при использовании высокоточных современных преобразователей давления в электрический сигнал способен обеспечить измерение плотности газа с погрешностью ±0,2%.
Преимущества предлагаемого технического решения:
- простота конструкции и измерений
- высокая точность;
- низкая стоимость.
Предлагаемый лабораторный анализатор плотности газов может быть реализован на базе стандартного пьезорезистивного преобразователя давления и аналого-цифрового преобразователя.
Лабораторный анализатор плотности может найти широкое применение в практике заводских и исследовательских лабораторий различных предприятий газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.