ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА КИСЛОРОДА, ПРИСУТСТВУЮЩЕГО В ГАЗЕ, И МОДУЛЬ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
MEASURING DEVICE FOR MEASURING OXYGEN AMOUNT PRESENT IN GAS AND AIR SEPARATION MODULE CONTAINING SUCH MEASURING DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к измерительному устройству для измерения количества кислорода, присутствующего в газе, а также к модулю разделения воздуха, содержащему такое измерительное устройство. В частности, «количество кислорода» относится к доле или процентному содержанию кислорода.
Настоящее изобретение преимущественно применимо для проверки процентного или парциального давления кислорода, содержащегося в газе, генерируемом, например, системой для производства инертного газа на борту летательного аппарата, такого как самолет.
Другое преимущественное применение относится к измерению процентного содержания кислорода, присутствующего в объеме, например, в топливном баке, для проверки его свойств воспламеняемости.
Уровень техники
В области аэронавтики известны системы инертирования топливных баков летательного аппарата, содержащие модули разделения воздуха, имеющие проницаемые мембраны, такие как полимерные мембраны, через которые проходит поток воздуха. Из-за различной проницаемости мембран для азота и кислорода система разделяет поток воздуха так, чтобы получать поток воздуха с высоким содержанием азота и поток воздуха с высоким содержанием кислорода.
Воздушная фракция, обогащенная азотом, подается в топливные баки летательного аппарата так, что концентрация кислорода в смеси воздуха и паров керосина, присутствующих в этом месте, уменьшается, чтобы сделать указанный бак инертным.
Альтернативно воздушная фракция, обогащенная кислородом, может повторно вводиться в пассажирский салон после обработки с использованием надлежащих средств.
В этих применениях важно точно знать количество кислорода, присутствующего в газе, выпускаемом указанным модулем разделения воздуха, особенно в отношении газа, предназначенного для того, чтобы делать топливный бак инертным.
Для этой цели известно использование измерительного устройства, реализующего средство измерения, снабженное циркониевым зондом, для выполнения необходимых измерений в указанном газе с целью определения количества кислорода. Циркониевый зонд, в частности, питается от постоянного напряжения.
Однако этот тип измерительного устройства чувствителен к условиям окружающей среды, и измерение, которое оно предоставляет, может бесконтрольно смещаться. Действительно, измерения, выполняемые циркониевым зондом, являются переменными в зависимости от условий среды использования указанного зонда и, в частности, в зависимости от температуры окружающего пространства, в которой хранится средство измерения.
Кроме того, измерение, проводимое зондом, смещается случайным образом с течением времени, поскольку в нем не учитывается старение чувствительного элемента на основе циркония.
Еще один недостаток заключается в управлении зондом, который также не учитывает несоответствия, связанные с его производственным процессом.
Наконец, в рассматриваемом применении, включающем анализ инертного газа, проверки точности измерительного устройства с целью убедиться, что сигнал, выдаваемый зондом, не сместился, выполняются достаточно редко, в частности, только во время технического обслуживания. Кроме того, описанный анализатор имеет функцию, позволяющую определять причину любых неисправностей, что позволяет сэкономить время при проведении технического обслуживания.
Раскрытие изобретения
Исходя из этого, одной из целей настоящего изобретения является устранение этих недостатков посредством предоставления устройства, которое позволяет надежно и точно измерять количество кислорода, присутствующего в газе, с течением времени.
Другой целью настоящего изобретения является, в частности, предоставление такого измерительного устройства, которое не чувствительно к условиям окружающей среды, чтобы ограничить смещение его измерения или даже устранить его.
Другой целью настоящего изобретения является предоставление такого измерительного устройства, которое можно установить на выпускное отверстие модуля разделения воздуха системы инертирования топливных баков летательного аппарата.
С этой целью было разработано устройство для измерения количества кислорода, присутствующего в газе, подлежащем анализу, в соответствии с известным уровнем техники, в котором содержится по меньшей мере один элемент для измерения количества кислорода, первое впускное отверстие, предназначенное для сообщения с измерительным элементом для подачи газа, подлежащего анализу, и выпускное отверстие для выпуска указанного проанализированного газа.
Согласно настоящему изобретению устройство содержит второе впускное отверстие, предназначенное для сообщения с измерительным элементом, что позволяет избирательно снабжать указанное устройство калибровочным газом, содержащим известное количество кислорода, так что измерение количества кислорода, присутствующего в калибровочном газе, позволяет определить потенциальное смещение измерения указанного измерительного элемента относительно фактического известного количества кислорода, присутствующего в калибровочном газе.
Действительно, калибровочный газ позволяет проверить, что измерения, данные измерительным устройством, не изменены и на самом деле соответствуют действительности. Например, используемый калибровочный газ может представлять собой воздух окружающего пространства, в составе которого, как известно, в любой точке земного шара и на высоте до 15 километров содержится 20,9% кислорода. Таким образом, сравнивая значение фактического количества кислорода, присутствующего в воздухе окружающего пространства, со значением измерения, предоставленным устройством согласно настоящему изобретению, можно, с одной стороны, проверить потенциальное смещение измерительного элемента и, с другой стороны, откалибровать указанный измерительный элемент так, чтобы он обеспечивал точное измерение.
Преимущественно измерительное устройство согласно настоящему изобретению содержит микроконтроллер, под воздействием измерительного элемента выполняющий автоматическую повторную калибровку измерительного элемента на основе определенного смещения. Эта операция может быть выполнена в режиме реального времени и в любой момент, просто и быстро. Таким образом, нет необходимости ожидать техническое обслуживание для того, чтобы проверить смещение измерительного элемента и повторно откалибровать его при необходимости. Следовательно, измерительное устройство согласно настоящему изобретению имеет оптимальную точность измерения во всем диапазоне использования.
В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления измерительное устройство согласно настоящему изобретению содержит модуль выбора, находящийся под управлением микроконтроллера и выполненный с возможностью переводить, по выбору, первое или второе впускное отверстие в сообщение с измерительным элементом, чтобы анализировать или газ, поступающий из первого впускного отверстия, или калибровочный газ, поступающий из второго впускного отверстия.
В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления модуль выбора, предпочтительно пневматический, содержит электромагнитный клапан, содержащий два впускных отверстия, соответственно соединенных с первым и вторым впускными отверстиями измерительного устройства, и выпускное отверстие в сообщении с измерительным элементом.
Например, элемент для измерения количества кислорода содержит циркониевый зонд, выполненный с возможностью измерения парциального давления кислорода, присутствующего в газе, из которого можно вывести количество кислорода, присутствующего в газе.
Преимущественно устройство содержит датчик температуры, расположенный на циркониевом зонде и находящийся под управлением микроконтроллера так, что микроконтроллер может изменять напряжение питания циркониевого зонда на основе измеренной температуры, чтобы поддерживать постоянную температуру сердечника зонда.
Преимущественно устройство согласно настоящему изобретению содержит датчик давления, расположенный на циркониевом зонде, для измерения давления в точке измерения. Указанный датчик давления находится под управлением микроконтроллера, чтобы позволять указанному микроконтроллеру рассчитывать процент кислорода, присутствующего в газе, по парциальному давлению кислорода.
Настоящее изобретение также направлено на предоставление модуля разделения воздуха для генерации инертного газа в системе для инертирования по меньшей мере одного топливного бака летательного аппарата. Модуль имеет внутри по меньшей мере одну проницаемую мембрану и содержит впускное отверстие для сжатого воздуха, который должен проходить через мембрану, выпускное отверстие для обогащенного кислородом воздуха и выпускное отверстие для обедненного по кислороду воздуха, называемого инертным газом. Согласно настоящему изобретению модуль разделения воздуха содержит измерительное устройство в соответствии с вышеупомянутыми признаками, первое впускное отверстие которого соединено с выпускным отверстием для обедненного по кислороду воздуха модуля разделения воздуха и второе впускное отверстие которого соединено или предназначено для соединения с источником калибровочного газа.
Краткое описание графических материалов
Другие преимущества и характеристики будут лучше понятны из последующего описания настоящего изобретения, представленного в качестве неограничивающего примера, измерительного устройства, на основе прилагаемых графических материалов, где:
- на фиг. 1 изображен подробный схематический вид, показывающий эксплуатационную схему измерительного устройства согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 2 изображена схематическая иллюстрация, показывающая соединение между пневматическим модулем выбора и измерительным элементом измерительного устройства согласно настоящему изобретению, для измерения количества кислорода, присутствующего в газе, например, поступающем из модуля разделения воздуха;
- на фиг. 3 изображена схематическая иллюстрация, подобная изображенной на фиг. 2, для измерения количества кислорода, присутствующего в калибровочном газе, таком как, например, воздух окружающего пространства;
- на фиг. 4 изображена схематическая иллюстрация модуля разделения воздуха согласно настоящему изобретению, содержащего устройство для измерения количество кислорода.
Подробное описание изобретения
Со ссылкой на фиг. 1, настоящее изобретение относится к устройству (1) для измерения количества кислорода, присутствующего в газе, и преимущественно применимо для измерения количества кислорода, присутствующего в газе, выпускаемом модулем разделения воздуха системы инертирования летательного аппарата.
Измерительное устройство (1) согласно настоящему изобретению, например, содержит корпус (2), содержащий по меньшей мере один элемент (3) для измерения количества кислорода, например, содержащий циркониевый зонд (4). Корпус (2) содержит первое впускное отверстие (5), предназначенное для сообщения с указанным зондом (4) для подачи газа, подлежащего анализу, второе впускное отверстие (6), предназначенное для избирательного сообщения с зондом (4), чтобы подавать на него калибровочный газ, такой как воздух окружающего пространства, имеющий известное количество кислорода, и выпускное отверстие (7) для выпуска указанного проанализированного газа.
Для этого измерительный элемент (3) содержит впускное отверстие (3a), предназначенное для обеспечения газом, и выпускное отверстие (3b) для выпуска газа, соединенное с выпускным отверстием (7) корпуса (2). Как известно, зонд (4) содержит камеру обнаружения (8), изготовленную из стабилизированного циркония, и использует электроды для измерения парциального давления кислорода, присутствующего в газе. Циркониевый зонд (4) хорошо известен из уровня техники, например, относящийся к типу KGZ10, и питается от микроконтроллера (9) постоянным напряжением, приблизительно равным 4,5 В. Для выявления процентного содержания кислорода, присутствующего в газе, устройство (1) согласно настоящему изобретению содержит датчик (10) давления, расположенный на циркониевом зонде (4) для измерения давления в точке измерения, и управляется микроконтроллером (9) так, чтобы сделать возможным расчет процентного содержания кислорода по парциальному давлению кислорода.
На практике, ссылаясь на фиг. 4, и в рассматриваемом преимущественном применении измерительное устройство (1) соединено посредством первого впускного отверстия (5) с выпускным отверстием (21) для инертного газа модуля (20) разделения воздуха, предназначенного, например, для подачи обедненного по кислороду газа в топливный бак, чтобы сделать его инертным. Более конкретно, модуль (20) разделения воздуха имеет внутри по меньшей мере одну проницаемую мембрану и содержит впускное отверстие (22) для сжатого воздуха, который должен проходить через мембрану, выпускное отверстие (23) для обогащенного кислородом воздуха и выпускное отверстие (21) для обедненного по кислороду воздуха, называемого инертным газом. Поток обедненного по кислороду газа проходит через устройство (1), проходя через впускное отверстие (5), взаимодействует с циркониевым зондом (4) для измерения как такового и посредством впускного отверстия (3a) измерительного элемента (3), и затем выпускается через выпускное отверстие измерительного элемента (3b) и через выпускное отверстие (7) устройства (1). Измерение количества кислорода, присутствующего в этом газе, анализируется непрерывно и в режиме реального времени. В данном применении впускные отверстия (5, 6) и выпускное отверстие (7) измерительного устройства (1) содержат фильтры и элементы для остановки распространения пламени (11). Устройство (1) также содержит дренажное отверстие (12), позволяющее поддерживать постоянное давление внутри измерительного устройства (1) и не искажать измерение.
На практике, когда необходимо проверить смещение измерения, предоставленного измерительным устройством (1), и в частности переключиться на второе впускное отверстие (6), соединенное с источником (24) калибровочного газа, такого как воздух окружающего пространства, устройство (1) содержит модуль (13) выбора, предпочтительно пневматический, содержащий электромагнитный клапан (14), имеющий два впускных отверстия (15, 16), соответственно соединенных с первым (5) и вторым (6) впускными отверстиями устройства (1), и выпускное отверстие (17) в сообщении с циркониевым зондом (4).
Со ссылкой на фиг. 2 и 3, электромагнитный клапан (14) управляется микроконтроллером (9) так, чтобы закрывать первое впускное отверстие (15) или второе впускное отверстие (16) электромагнитного клапана (14) и открывать другое, чтобы переводить второе впускное отверстие (6) или первое впускное отверстие (5) устройства (1) в сообщение с циркониевым зондом (4).
Следовательно, микроконтроллер (9) может переводить второе впускное отверстие (6) измерительного устройства (1) в сообщение с зондом (4) для выполнения периодических измерений количества кислорода, присутствующего в калибровочном газе, чтобы сделать возможным определение потенциального смещения зонда (4) относительно известного фактического количества кислорода, присутствующего в калибровочном газе. Действительно, в сравнении с измерением, полученным при известном фактическом количестве, а именно при 20,9% кислорода в воздухе окружающего пространства в любой точке земного шара и до высоты 15 км, микроконтроллер (9) определяет потенциальное смещение измерения, проводимого циркониевым зондом (4).
Микроконтроллер (9) находится под воздействием циркониевого зонда (4) так, чтобы делать возможным выполнение автоматической повторной калибровки указанного зонда (4) на основе определенного смещения. Микроконтроллер (9), например, приписывает некоторый вес значению, измеренному циркониевым зондом (4), чтобы подрегулировать указанное измерение до известного фактического значения. Следовательно, зонд (4) повторно калибруется автоматически, в режиме реального времени и без необходимости в техническом обслуживании.
Для оптимизации точности измерения устройство (1) содержит датчик (18) температуры, расположенный на циркониевом зонде (4) и находящийся под управлением микроконтроллера (9) так, что микроконтроллер (9) может изменять напряжение питания циркониевого зонда (4) на основе измеренной температуры, в частности, чтобы поддерживать постоянную температуру сердечника зонда. Для этого резистор (19) позволяет нагревать зонд при необходимости.
Следовательно, измерительное устройство (1) согласно настоящему изобретению позволяет, с одной стороны, изменять напряжение питания в зависимости от температуры окружающего пространства и индивидуальных характеристик зонда (4). Результатом такого управления является поддержание постоянной температуры сердечника зонда, чтобы повышать точность измерения и устранять чувствительность к условиям окружающей среды, и с другой стороны, чтобы при необходимости повторно калибровать измерение во время работы.
Измерение подает парциальное давление кислорода, которое используется как таковое для применений OBOGS, в соответствии с акронимом «On-Board Oxygen Generating», которые, в частности, относятся к реализации автономных систем генерации кислорода для дыхания при удалении воздуха двигателя, но при этом оно преобразуется в процентное содержание кислорода посредством датчика абсолютного давления (10), расположенного рядом с зондом (4), или для применений OBIGGS, в соответствии с акронимом «On-Board Inert Gas Generation Systems», которые относятся к реализации систем генерации инертного газа для инертирования топливных баков, например.
Все логические схемы команд и управления приходят из микроконтроллера (9), интегрированного в устройство (1) согласно настоящему изобретению. Этот микроконтроллер (9) также используется для генерации сигналов тревоги или правильного срабатывания различных компонентов измерительного устройства (1).
Микроконтроллер (9) связан с программным обеспечением, которое принимает кривые коррекции, характеризующие по меньшей мере дюжину циркониевых зондов (4), например, проверенных в переменных условиях окружающей среды для определения среднего отклика указанных зондов в зависимости от различных циклов температуры окружающего пространства, давлений окружающего пространства, давлений подачи и уровней содержания кислорода. Эти кривые интегрированы в устройство (1) и позволяют при необходимости корректировать смещение устройства (1).
Программное обеспечение также содержит данные, относящиеся к испытаниям на старение зонда, чтобы определять его естественное смещение и позволять включать функции самостоятельной проверки и самостоятельной калибровки. В частности, программное обеспечение содержит правила калибровки и адаптации управления зондом.
Микроконтроллер (9) также позволяет управлять электромагнитным клапаном (14), например, чтобы извлекать измерения количества кислорода, присутствующего в калибровочном газе, с регулярными интервалами времени, и исходя из указанных измерений создает график смещения циркониевого зонда (4) как функцию времени.
Таким образом, из предыдущего следует, что измерительное устройство (1) согласно настоящему изобретению позволяет надежно и точно измерять количество кислорода, присутствующего в газе, при этом не будучи чувствительным к условиям окружающей среды, так, чтобы ограничивать смещение его измерения или даже устранять его, и в то же время позволяя осуществлять повторную калибровку измерения, проводимую автоматически и в режиме реального времени, тем самым ограничивая объем операций технического обслуживания.