СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ
METHOD FOR CALIBRATING GAS ANALYZERS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газоаналитическим измерениям и может быть использовано для калибровки газоанализаторов.
Известен способ калибровки детекторов газоанализаторов, включающий подготовку калибровочного раствора, использование калибровочной смеси, в том числе растворов различной концентрации, разбавление дозы образцового раствора растворителем (патент №2359267, кл. G01N30/04, опубликовано 20.06.2009, Бюл. №17).
Недостатком известного способа является его высокая трудоемкость и продолжительность, связанные с необходимостью стабилизации температуры сосуда, жидких сред и изделий, термостатированием в устройстве термостатирования сосуда и жидких сред, участвующих в калибровке.
Известен способ калибровки полупроводниковых сенсоров газа, включающий измерение электрического сигнала на выходе сенсора и определение по его значению величины проводимости сенсора (патент №2523089, кл. G01N27/12 опубликовано 20.07.2014, Бюл. №20).
Недостатком известного способа является применение дорогостоящего специального программного обеспечения, что ограничивает универсальность его применения.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ калибровки газоанализаторов с применением эталонных газовых смесей. Способ автоматической калибровки газоанализаторов включает подачу стандартной поверочной газовой смеси (ПГС) на газоанализатор поочередно с пробами атмосферного воздуха и формирование еще одной поверочной смеси перед процессом измерения - опорной газовой смеси (ОГС), в качестве которой используют атмосферный воздух, и ее подачу на газоанализатор в дальнейшем в процессе измерения поочередно с пробами атмосферного воздуха в качестве поверочной газовой смеси (ПГС). При этом в процессе калибровки и измерения контроль и поддержание заданных значений давления и расхода опорной газовой смеси (ОГС), поверочной газовой смеси (ПГС) и проб атмосферного воздуха осуществляют непосредственно на входе газоанализаторов (патент №2610947, кл. G01C15/02 опубликовано 17.02.2017, Бюл. №5). Данный способ принят за прототип.
Признаки прототипа, являющиеся общими заявленным изобретением, – подача стандартной поверочной газовой смеси (ПГС) на газоанализатор поочередно с пробами в автоматическом режиме с использованием  клапанов; формирование еще одной поверочной смеси (опорной газовой смеси ОГС) перед процессом измерения с использованием поверочной газовой смеси (ПГС); в процессе калибровки и измерения контроль и поддержание заданных значений давления и расхода опорной газовой смеси (ОГС), поверочной газовой смеси (ПГС) и проб осуществляют на входе газоанализаторов.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является необходимость применения большой номенклатуры ПГС, что приводит к большой длительности процесса калибровки, сложности алгоритма приготовления ОГС и необходимости ее хранения. Поэтому данный способ калибровки невозможно применять для других газоанализаторов, реализующих иные методы измерения.
Задачей изобретения являетсяэкономия поверочных газовых смесей (ПГС) и снижение их номенклатуры, сокращение времени и трудоемкости процесса калибровки газоанализатора, универсализация способа калибровки газоанализатора.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе, включающем подачу стандартной поверочной газовой смеси (ПГС) на газоанализатор поочередно с пробами в автоматическом режиме с использованием клапанов; формирование еще одной поверочной смеси - опорной газовой смеси ОГС перед процессом измерения с использованием поверочной газовой смеси (ПГС); в процессе калибровки и измерения контроль и поддержание заданных значений давления и расхода опорной газовой смеси (ОГС), поверочной газовой смеси (ПГС) и проб осуществляют на входе газоанализаторов, согласно изобретению калибровку газоанализатора осуществляют в динамическом режиме; закон изменения концентрации формируется естественным образом в аппарате-смесителе с интенсивным перемешиванием; опорную газовую смесь (ОГС) формируют с использованием двух ПГС; при этом эти ПГС подают последовательно; при этом аппарат-смеситель с интенсивным перемешиванием первоначально заполняется газом-носителем с известной концентрацией в нем анализируемого компонента (ПГС-1); далее аппарат-смеситель продувается газом-носителем с известным постоянным расходом или импульсным вводом в продуваемый аппарат известного количества анализируемого компонента (ПГС-2); при этом ОГС пропускают через расходомер на вход газоанализатора; далее определяют изменение концентрации веществ в ОГС во времени; затем по полученному отклику газоанализатора получают градуировочную характеристику газоанализатора.
Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа, – калибровку газоанализатора осуществляют в динамическом режиме; закон изменения концентрации формируется естественным образом в аппарате-смесителе с интенсивным перемешиванием; опорную газовую смесь (ОГС) формируют с использованием двух ПГС; ПГС подают последовательно; при этом аппарат-смеситель с интенсивным перемешиванием первоначально заполняется газом-носителем с известной концентрацией в нем анализируемого компонента (ПГС-1); далее аппарат-смеситель продувается газом-носителем с известным постоянным расходом или импульсным вводом в продуваемый аппарат известного количества анализируемого компонента (ПГС-2); при этом ОГС пропускают через расходомер на вход газоанализатора; далее определяют изменение концентрации веществ в ОГС во времени; затем по полученному отклику газоанализатора получают градуировочную характеристику газоанализатора.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют обеспечить экономию поверочных газовых смесей (ПГС) и снижение их номенклатуры, сокращение времени и трудоемкости процесса калибровки газоанализатора, универсализацию способа калибровки газоанализатора.
Последовательная подача ПГС-1 и ПГС-2 в аппарат-смеситель с целью формирования естественным образом опорной газовой смеси, концентрация которой изменяется непрерывно, позволяет снизить номенклатуру применяемых поверочных газовых смесей. Согласно изобретению за один эксперимент можно провести калибровку газоанализатора для всего диапазона измерения, что обеспечивает зкономию поверочных газовых смесей.
Первоначально в аппарат-смеситель подается газ-носитель с известной концентрацией в нем анализируемого компонента (ПГС-1), таким образом, газовая система заполняется газовой смесью с известной концентрацией, соответствующей, например, верхнему пределу измерения. Далее аппарат-смеситель продувается газом-носителем с известным постоянным расходом, контролируемым по расходомеру, или импульсным вводом в продуваемый аппарат известного количества анализируемого компонента (ПГС-2) с концентрацией, соответствующей, например, верхнему пределу измерения. В результате этого получается опорная газовая смесь (ОГС), подаваемая на вход газоанализатора, расход которой контролируется расходомером. Концентрация искомого компонента в ОГС изменяется во времени так, что в любой момент времени ее можно определить по известным уравнениям. Таким образом, нет необходимости подключать и отключать баллоны с различными ПГС, с промежуточными опрессовками всей газовой системы, что обеспечивает сокращение трудоемкости процесса калибровки газоанализатора.
Согласно изобретению нет необходимости воспроизводить множество точек из диапазона измерения газоанализатора. На вход газоанализатора нужно подавать только ОГС, концентрация которой изменяется непрерывно от начальной концентрации, соответствующей ПГС-2, до конечной, соответствующей ПГС-1, что обеспечивает сокращение времени проведения эксперимента по определению градуировочной характеристики газоанализатора.
Так как изменение концентрации формируется естественным образом в аппарате-смесителе с интенсивным перемешиванием, то закон изменения известен и подчиняется вполне определенным законам, по которым можно определить изменение концентрации вещества в ОГС во времени. Затем по полученному отклику газоанализатора получить градуировочную характеристику газоанализатора, что обеспечивает универсализацию способа калибровки различных типов газоанализаторов.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 представлена функциональная схема системы калибровки газоанализаторов в динамическом режиме.
На фиг.2 – График изменения концентрации ОГС на входе газоанализатора во времени.
На фиг.3 – График изменения выходного сигнала газоанализатора во времени.
На фиг.4 – Статическая характеристика газоанализатора.
Предлагаемый способ  осуществляется следующим образом.
Проточный аппарат-смеситель 1 с интенсивным перемешиванием заполняют газом-носителем с известной концентрацией в нем анализируемого компонента (ПГС-1). Для этого открывают клапан 2 и подают в аппарат-смеситель ПГС-1 из баллона 3. Закрывают клапан 2. После этого открывают  клапан  4 и из баллона 5 с постоянным расходом, контролируемым при помощи расходомера 6, в аппарат-смеситель 1 подают ПГС-2.
Таким образом концентрация анализируемого компонента на входе газоанализатора 9, подаваемого через клапан 7 и расходомер 8, начинает изменяться естественным образом. Это изменение концентрации позволяет получить ОГС, концентрация анализируемого компонента в которой известна в каждый момент времени. При этом получают зависимость изменения концентрации анализируемого компонента в ОГС на входе газоанализатора в динамическом режиме.
Такое изменение концентрации анализируемого компонента позволяет получить изменение сигнала на выходе газоанализатора также в динамическом режиме.
После этого сопоставляют полученные значения сигналов на входе и выходе газоанализатора и получают его статическую характеристику.
Возможность осуществления способа подтверждается следующим примером.
Использован лабораторный проточный аппарат-смеситель с интенсивным перемешиванием для получения бинарной смеси, математическое описание которого при условии квазистационарности процесса смешения (время выравнивания концентрации по объему много меньше времени среднего пребывания элементов потока в аппарате) соответствует модели идеального смешения.
Результаты вычислительного эксперимента по варьированию среднего времени пребывания элементов потока в смесителе подтверждаются натурным экспериментом при среднем времени пребывания в смесителе равном 20 минутам. В эксперименте рассмотренный способ калибровки газоанализатора в динамическом режиме реализован для трехканального газоанализатора ГАММА-100 по каналу измерения концентрации кислорода.
Результаты градуировки измерительного канала газоанализатора с применением лабораторного аппарата-смесителя иллюстрируют фиг. 2 и 3, где представлены график изменения концентрации кислорода на входе измерительного канала (на выходе смесителя) и соответствующая ему кривая изменения во времени выходного сигнала газоанализатора.
Исключив время, как параметр, в этих зависимостях, получена зависимость изменения сигнала на выходе газоанализатора от концентрации на его входе, т.е. статическая характеристика, представленная на фиг. 4.
Полученная зависимость практически линейна в большей части диапазона изменения концентрации. Отклонение от линейной зависимости не превышает значение основной погрешности измерительного канала. Экспериментальная характеристика может быть аппроксимирована зависимостью  со сколь угодно высокой точностью.
Предлагаемый способ применим как непосредственно для калибровки газоанализаторов в лабораторных условиях, так и для проведения различных испытаний газоанализаторов в составе систем АСУ ТП и ПАЗ, в том числе и метрологической экспресс-поверки в «полевых» условиях.