Акустический газоанализатор

Изобретение относится к устройствам для определения концентрации компонент промышленных газов и может быть применено в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности.

Газоанализатор состоит из двух цилиндрических акустических резонаторов одинакового диаметра, толщины стенок и длины, определяемых из условий максимальной добротности, в торцах которых смонтированы источник и приемник звука, подключаемые коммутатором поочередно к электронному устройству генерации, приема звука, фильтрации и вычисления частоты. Один из резонаторов (рабочий) имеет в образующей цилиндра отверстия для конвекционного или принудительного проникновения исследуемого газа, другой (опорный) заполнен известным газом и герметизирован. Оба резонатора находятся в одинаковых температурных условиях.

Газоанализатор работает следующим образом. Резонаторы поочередно коммутатором подключаются к электронному устройству генерации, приему, фильтрации и настраиваются на резонанс по максимуму сигнала приемника звука Частота резонанса определяется скоростью звука в газе, заполняющем резонаторы, то есть усредненным молекулярным весом газа. При отсутствии примеси газа в рабочем резонаторе разность частот между ними постоянна (равна нулю). При наличии примеси газа с отличным от чистого воздуха молекулярным весом в рабочем резонаторе появляется разность частот, пропорциональная проценту примеси и корню из разности молекулярных весов чистого воздуха и исследуемого газа.

Техническим результатом является акустический газоанализатор с высокой чувствительностью и стабильностью нуля, а также с быстрой реакцией на изменение состава газа.

Применение датчиков температуры позволяет дополнительно улучшить параметры анализатора.

Полезная модель относится к устройствам для определения концентрации компонентов промышленных газов и может быть применена в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности.

Известны акустические газоанализаторы, действие которых основано на изменении резонансной частоты камеры резонатора, заполняемой контролируемым газом, при изменении состава этого газа (см., например, а.с. 832447, МКИ G01N 29/00,1981). Камера резонатора выполняется в виде отрезка трубы, ограниченной мембранами, либо в виде сосуда специальной формы, например, в виде резонатора Гемгольца. Возбуждение и прием колебаний в них осуществляется электроакустическими преобразователями. Измеряемой величиной является резонансная частота. Конструкции их варьируются (фиг.1), например, известны однокамерная (фиг.1а), трехкамерная с перегородками (фиг.1б), трехкамерная с соединительными трубками (фиг.1в) [1]. Все они имеют недостатки: а) однокамерная имеет низкую добротность из-за широкой мебраны с плохим отражением звука и, как следствие, большую погрешность измерения; трехкамерная с соединительными трубками из-за присутствия длинных акустических линий задержки звукового сигнала также не может обеспечить высокую точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству аналогом является трехкамерная конструкция с перегородкой, однако, однако и она имеет три существенных недостатка. Во-первых, относительно толстые торцевые стенки, необходимые для сохранения добротности при подводе газа с торца, представляют собой линии задержки, включенные последовательно с резонатором и следовательно понижают точность измерения. Во-вторых, приведенный на рисунке резонатор имеет не максимально возможную добротность из-за невыгодного соотношения длины и диаметра. В-третьих, конструкция резонатора очень сложна и нетехнологична, способ подачи испытуемого газа в резонатор через те же отверстия, через которые проходит и звук (фиг.2) порождает непреодолимое противоречие между стремлением повысить добротность резонатора за счет уменьшения диаметра отверстия и необходимостью обеспечить приемлемую скорость реакции на изменение состава газа.

Для обеспечения высокой точности измерения и одновременно быстрой реакции, также простоты в изготовлении необходима конструкция, обеспечивающая высокую добротность резонатора и одновременно быструю подачу газа в резонатор.

Указанная задача решается тем, что предложен акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с длиной равной одной звуковой полуволне и диаметром на несколько процентов менее длины, отверстиями для подвода газа, расположенными в образующей цилиндра, причем толщина стенки выбирается большей, чем глубина проникновения плоской волны, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах резонатора, причем торцевые перегородки имеют малую толщину, составляющую несколько процентов от длины, определяемую только условиями отражения падающей звуковой волны, а отверстия в них также имеют минимальный диаметр для обеспечения высокой добротности, причем камеры по торцам, как показано на фиг.1 а и б и фиг.2, исключаются, а также электронный блок генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, соединенные с источником и приемником звука.

С целью исключения влияния на измерения температуры в полезную модель введен дополнительный резонатор, аналогичный описанному выше измерительному, заполненный газом с известной молекулярной массой, причем резонаторы поочередно коммутатором подсоединяются к электронному блоку.

Кроме того, в состав прибора включен микропроцессорный блок для измерения разности частот основного и дополнительного резонаторов и вычисления концентрации измеряемого газа.

В числе отличий газоанализатора следует отметить, что он снабжен датчиками температуры, установленными на внешней стенке основного и дополнительного резонаторов. Выходы датчиков соединены с микропроцессорным блоком.

Технический результат, достигаемый в предлагаемом газоанализаторе благодаря отмеченным выше особенностям его выполнения, состоит в том, что в нем обеспечивается точность измерения за счет высокой добротности измерительного резонатора, быстрота реакции на изменение состава газа за счет кратчайшего пути его проникновения в камеру, исключаются влияние изменения основных внешних факторов, таких как температура, внешние источники звука, резонатор очень прост в изготовлении. Контроль соответствия частоты дополнительного резонатора температуре его гарантирует от ошибочных измерений из-за дрейфа параметров электронных компонент.

Сущность предлагаемого газоанализатора поясняется чертежами.

На фиг.3 изображена блок-схема предлагаемого газоанализатора.

Акустический газоанализатор содержит измерительную камеру 1, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр, выполненный из металла. Длина камеры равна звуковой полуволне. Подвод анализируемого газа осуществляется через отверстия 2 в образующей.

На торцах камеры 1 (резонатора) установлен источник 3 и приемник 4 звука, которые сообщаются с полостью резонатора через отверстия 5 диаметром около 1 мм, и соединены через коммутатор 6 с блоком генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты 7.

Газоанализатор имеет дополнительный резонатор 8, выполненный в виде герметичного полого цилиндра, заполненного газом с известной молекулярной массой, например, чистым воздухом. По торцам резонатора 8 также установлены источник 9 и приемник 10 звука, подключаемые через коммутатор 6 к блоку 7 генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты. Оба резонатора 1 и 8 имеет равную длину, диаметр, толщину стенки, диаметр отверстий и находится в одинаковых температурных условиях.

На внешней стенке измерительной камеры 1 и дополнительного резонатора 8 установлены датчики температуры 11 и 12, выполненные в виде платиновых терморезисторов с малой постоянной времени. Выход блока 7, а также датчиков температуры 11 и 12 подсоединены к микропроцессорному блоку 13, который по установленной программе производит измерение разности частот резонаторов 1 и 8 и вносит поправки, связанные с показаниями датчиков 11 и 12 температуры.

Газоанализатор работает следующим образом.

При включении питания по команде от микропроцессорного блока 13 включается блок 7 генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты. Резонаторы 1 и 8 поочередно по команде микропроцессорного блока 13 подключаются к блоку генерации 7 и настраиваются на резонанс. Частота резонанса (f) определяется скоростью звука в газе, заполняющем резонатор:

где V - скорость звука в газе,

К_P - приведенная длина резонатора.

Скорость звука (v) рассчитывается по следующей формуле

где:

- показатель адиабаты ()

С_P - теплоемкость газа при постоянном давлении;

C=C_P-R - теплоемкость газа при постоянном объеме;

µ - молекулярная масса газа;

R - универсальная газовая постоянная;

T- температура газа (К)

При этом в резонаторах 1 и 8 образуется звуковая полуволна с максимумом давления на торцах резонаторов и минимумом в середине длины резонаторов.

При отсутствии измеряемого газа в основном резонаторе измерительной камеры 1 разность частот (f) между основным 1 и дополнительным 8 резонаторами постоянна (равна нулю в частном случае). При наличии в основном резонаторе измерительной камеры 1 примеси газа с молекулярной массой, отличной от молекулярной массы газа, заполняющего дополнительный резонатор 8, разность частот (f) резонаторов 1 и 6 изменяется пропорционально изменению концентрации измеряемой примеси газа и измеряется с помощью микропроцессорного блока 13. При этом микропроцессорный блок 13 вносит в результат измерений поправки, связанные с выходными сигналами датчиков 11 и 12 температуры, он также используется для контроля исправности измерительных цепей газоанализатора по соответствию температуры и частоты дополнительного резонатора 8.

Таким образом, благодаря применению измерительной камеры оптимальной конструкции - высоко добротного резонатора 1, использованию дополнительного резонатора 8, выбору минимального значения длины отверстий 5 и наличию датчиков 11 и 12 температуры обеспечивается высокоточное измерение частот резонаторов, и следовательно концентрации примеси в измеряемом газе, исключение влияния нестабильности электропитания, нестабильности параметров электронных компонент и электроакустических преобразователей, изменения основных внешних факторов (температура, внешние источники звука) на показания газоанализатора.

Цитируемая литература

1. Докукина Н.Б. Исследование методов построения электроакустических частотных датчиков цифровых газоанализаторов, плотномеров, уровнемеров и манометров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. ЛПИ им. М.И.Калинина, 1967.

1. Акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с длиной, равной одной звуковой полуволне, с подводом измеряемого газа через отверстия в боковой стенке, причем толщина стенки и диаметр отверстий выбираются так, чтобы обеспечить высокое волновое сопротивление, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах резонатора, блок генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, соединенный с источником и приемником звука, отличающийся тем, что за счет соотношения длины и диаметра резонатора, оптимальной толщины торцевых стенок, размещения источника и приемника звука вне резонатора, минимального диаметра отверстий для прохода звука, подвода измеряемого газа через боковую стенку обеспечивается максимальная добротность резонатора, и как следствие высокая чувствительность, с одной стороны, и быстрое проникновение испытуемого газа в камеру с другой стороны, простота изготовления, дополнительный резонатор, выполненный в виде полого герметичного цилиндра с размерами, равными размерам основного резонатора, заполненного газом с известной молекулярной массой, на торцах которого установлены источник и приемник, блок генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, к которому поочередно подключаются резонаторы, микропроцессорный блок для измерения разности частот основного и дополнительного резонаторов и вычисления концентрации измеряемого газа.

2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен датчиками температуры, установленными на внешней стенке основного и дополнительного резонаторов, выходы которых соединены с микропроцессорным блоком.