МИНИАТЮРНАЯ ЯЧЕЙКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАЗОВ В ПОТОКЕ
MINIATURE CELL FOR DETECTING GASES IN STREAM

Изобретение относится к технике проведения экспрессного анализа воздуха или смесей газов, в том числе потоков воздуха или другой газовой смеси с остаточным содержанием опасных газов с целью экспресс-анализа без пробоотбора и подготовки в режиме «in-line».
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является газоанализатор на основе матрицы пьезосенсоров, включающий корпус с патрубками, внутри которого расположены пьезосенсоры с чувствительными пленочными покрытиями для фиксирования основных компонентов газовой смеси, устройства для возбуждения колебаний и фиксирования сигналов пьзосенсоров в проточном или статическом режиме, при этом патрубки снабжены полиуретановыми прокладками и заглушками, а крышки и заглушки соединены с цилиндрическим корпусом и патрубками посредством резьбы, при этом возможен анализ газообразных проб различного состава, в том числе неустановленного, в двух режимах детектирования - проточном или статическом [Газоанализатор на основе матрицы пьезосенсоров. / Кучменко Т.А. пат. RU №2267775, МПК G01N 27/12. - №2004106385; заявл. 04.03.2004; опубл. 10.01.2006. Бюл. №01 // Изобретения, 2006. №1].
Недостатками существующего газоанализатора являются сложность размещения его в закрытых объектах, необходимость отбора проб и проведенеия исследования в лабораторных условиях; эксплуатации в потоке, а при использовании одного сенсора - низкая эффективность сорбции детектируемых газов из потока.
Техническая задача изобретения - увеличение мобильности, значительное снижение габаритных размеров датчика, возможность совмещения его с непрерывной безоператорной системой контроля при размещении внутри газопроводов, в том числе в агрессивных средах, а также увеличение эффективности сорбции детектируемых веществ в потоке за счет особой конструкции ячейки детектирования, размещения пьезосенсора, применения встроенного микропроцессора, позволяющих оперативно обращаться к датчику без помощи оператора, в том числе при проведении экспресс-анализа воздуха или смесей газов в режиме «in-line» без пробоотбора и пробоподготовки.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в миниатюрной ячейке детектирования газов в потоке на основе одного или нескольких пьезосенсоров, включающем корпус с крышкой, на которой расположены держатели для пьезосенсора (пьезосенсоров) с чувствительными пленочными покрытиями для фиксирования компонентов газовой смеси, миниатюрную схему возбуждения, новым является то, что корпус ячейки детектирования выполнен в виде полой полусферы высотой 2,0-2,5 см с рядами отверстий, расположенными с двух сторон параллельно потоку воздуха, в качестве устройства для возбуждения колебаний, регистрации и преобразования сигнала пьезосенсоров и передачи его на цифровое табло или пункт сбора информации применяется микропроцессор, причем корпус и крышка ячейки детектирования выполнены из фторопласта, чтобы обеспечить устойчивость корпуса и измерительного элемента в агрессивных средах, плотное соединение крышки и ячейки детектирования без резьбы, при этом пьезосенсор (пьезосенсоры) и отверстия в ячейке расположены в линию, что определяет максимальную эффективность сорбции детектируемых газов из потока на поверхности пьезосенсора, ячейка детектирования крепится с внутренней стороны труб, крышек вентилей и других частей агрегатов.
Технический результат заключается в повышении мобильности, значительном снижении габаритных размеров датчика за счет конструкции корпуса (полая сфера с отверстиями) и крышки ячейки детектирования с плотно расположенными отверстиями под крепежные элементы пьезосенсоров, применения миниатюрных пьезосенсоров, возможности совмещения его с непрерывной безоператорной системой контроля при размещении внутри газопроводов за счет применения программированного микропроцессора, а также в увеличении эффективности сорбции детектируемых веществ в потоке за счет расположения отверстий вверху полусферы с двух сторон и пьезосенсора(ов) в держателях на крышке «в линию» относительно потока воздуха или смеси газов, в упрощении эксплуатации газоанализатора за счет применения для изготовления корпуса и крышки фторопласта, позволяющего без резьбы просто и плотно соединять обе детали, проводить анализ без пробоотбора и пробоподготовки в режиме «in-line» даже в агрессивных средах, длительно не заменять пьезосенсор при сохранении его эксплуатационных характеристик.
Фиг.1 - Общая схема миниатюрной ячейки детектирования газов в потоке.
Фиг.2 - Пример размещения миниатюрной ячейки детектирования газов в потоке.
Миниатюрная ячейка детектирования газов в потоке (фиг.1) представляет собой корпус 1, выполненный в виде полой полусферы высотой 2,0-2,5 см с рядами отверстий 3, расположенными с двух сторон параллельно потоку воздуха, жестко сцепленной с крышкой 2 с держателями 4, устанавливающими пьезосенсоры параллельно потоку воздуха или газов («в линию»), от которых отходят крепления на микропроцессор 4, расположенный над крышкой и обеспечивающий возбуждение колебаний, регистрацию и преобразование сигнала пьезосенсоров 6 и передачу его на цифровое табло или пункт сбора информации. Корпус и крышка выполнены из фторопласта, позволяющего обеспечить плотное соединение крышки и ячейки детектирования без резьбы, устойчивость корпуса и измерительного элемента в агрессивных средах, при этом пьезосенсор (пьезосенсоры) и отверстия в ячейке расположены параллельно потоку воздуха («в линию»), чем достигается максимальная эффективность сорбции детектируемых газов из потока на поверхности пьезосенсора.
Миниатюрная ячейка детектирования газов в потоке работает следующим образом.
Пьезосенсор (пьезосенсоры) 6 с селективной пленкой сорбента на электродах помещается в держателе(-ях) 4 на крышке 2, расположенном так, чтобы сенсор функционировал в режиме «в линию» относительно потока воздуха. При этом крышка жестко закреплена, например, на крышках входных или выходных отверстий трубопроводов, реакторов и т.п. (фиг.2-а) или непосредственно на стенках корпуса или трубы (фиг.2-б), и совмещена с миниатюрным микропроцессором 5 для возбуждения колебаний, регистрации и преобразования сигнала пьезосенсоров и передачи его на цифровое табло или пункт сбора информации. На крышку 2 плотно надевается корпус 1 ячейки детектирования, который выполнен в виде полой полусферы высотой 2,0-2,5 см вверху с двух сторон с рядами отверстий 3, расположенными в одну линию с сенсором и параллельно относительно потока воздуха или газа. Корпус и крышка выполнены из фторопласта, позволяющего обеспечить их плотное соединение без резьбы, устойчивость корпуса и измерительного элемента в агрессивных средах.
Через отверстия 3 с одной и другой стороны корпуса поток воздух рассеянно и равномерно омывает регистрирующий элемент (пьезосенсор) 6, выходит из ячейки детектирования. На пьезосенсоре с двух сторон нанесено пленочное покрытие, которое избирательно сорбирует компоненты из потока (например, аммиак, сероводород). В результате этого изменяется частота колебаний пьезосенсора, что регистрируется и ежесекундно передается на пульт оператора. По изменению сигнала сенсора и градуировочному графику или уравнению, построенному или рассчитанному соответственно для каждого сенсора по стандартным смесям тестируемого газа, находят содержание этого вещества в контролируемом потоке газов или воздуха.
Сравнение некоторых характеристик предлагаемого технического решения и ближайшего аналога представлено в таблице.
Предложенная миниатюрная ячейка детектирования газов в потоке портативное устройство для определения концентрации газов позволяет:
1) увеличить мобильность и компактность датчика газов в 3-5 раз на основе ячейки детектирования с одним или несколькими пьезосенсорами;
2) совместить его с непрерывной безоператорной системой контроля при размещении внутри газопроводов за счет применения программированного микропроцессора;
3) увеличить эффективности сорбции детектируемых веществ из потока за счет особой полусферической конструкции корпуса с рядами отверстий вверху с двух сторон и размещения пьезосенсора(ров) «в линию» относительно потока воздуха;
4) упростить эксплуатацию ячейки детектирования за счет применения для изготовления корпуса и крышки фторопласта, позволяющего без резьбы просто и плотно соединять обе детали, применять датчик в анализе без пробоотбора и пробоподготовки в режиме «in-line»;
5) увеличить аналитические возможности ячейки детектирования за счет эксплуатации даже в агрессивных средах.
Сравнение аналога и предлагаемого решения
Параметры сравнения
Аналог
Техническое решение
Достоинства решения
Анализ газовых проб в потоке
Возможен
Возможен
-
Обработка информации
Автоматическая регистрация сигналов на табло частотомера или на компьютере
Автоматическая посекундная регистрация сигналов абсолютном (F) и относительном (ΔF) виде, в автономном режиме с передачей информации на пульт управления.
+
Сопоставление размеров
1
0,3-0,2
+
Возможность размещения в трубопроводе либо в реакторе
Невозможно
Возможно, в том числе в агрессивных средах
+
Режимы эксплуатации
Дискретного действия
Дискретный или непрерывный (в режиме датчика)
+