Акустический газоанализатор

Изобретение относится к устройствам для определения концентрации компонент промышленных газов и может быть применено в нефтегазовой, угольной, химической и других отраслях промышленности. Газоанализатор состоит из двух цилиндрических акустических резонаторов одинакового диаметра и длины, в торцах которых смонтированы источник и приемник звука, подключенные к одинаковым электронным измерительным устройствам и схеме вычисления разности частот. Один из резонаторов (рабочий) имеет отверстия для конвекционного проникновения исследуемого газа, другой (опорный) заполнен чистым сухим воздухом и герметизирован. Оба резонатора находятся в одинаковых температурных условиях. Газоанализатор работает следующим образом. Резонаторы 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. Применение датчиков температуры и влажности позволяет дополнительно улучшить параметры анализатора.

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

Известен акустический газоанализатор, действие которого основано на зависимости скорости звука в газе от его состава (см. а.с. №853520, МКИ G 01 N 29/00, 1981). Акустический газоанализатор содержит акустический преобразователь, установленный на волноводе, рабочую камеру, отражательную шайбу, установленную на конце волновода, побудитель расхода, датчик температуры и электронную измерительную схему. Такое устройство имеет низкую точность измерения времени прохождения зондирующего импульса (единицы процентов), повысить которую можно только за счет увеличения габаритов устройства.

Известны также акустические газоанализаторы, действие которых основано на изменении резонансной частоты камеры резонатора, заполняемой контролируемым газом, при изменении состава этого газа (см. а.с. №832447, МКИ G 01 №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. Такие газоанализаторы также имеют низкую точность измерения, обусловленную низкой добротностью резонатора из-за связи его с проточным устройством, влияния мембран и дисперсией фронта звуковой волны. Кроме того, газоанализатор на базе резонатора Гемгольца не позволяет вести непрерывное измерение концентрации газа.

Наиболее близким к предлагаемому устройству аналогом является акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с высотой, равной нечетному числу звуковых полуволн и отверстиями для прохода газа, расположенными в середине высоты цилиндра, источник и приемник звука, установленные на противоположных торцах резонатора, и блок генерации, приема звука и измерения частоты, соединенный с источником и приемником звука (см. патент RU 2142131 С1, МПК G 01 №29/00, 1999).

Известный газоанализатор обладает высокой чувствительностью, связанной с высокой добротностью резонатора, но не обладает необходимой стабильностью нуля вследствие влияния на его показания различных внешних факторов, таких, как температура,

температура, влажность анализируемого газа. Задача полезной модели состояла в исключении влияния изменения внешних факторов на показания газоанализатора.

Указанная задача решается тем, что предложен акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с высотой равной нечетному числу звуковых полуволн и диаметром, близким к длине полуволны, отверстиями для прохода газа, расположенными в середине высоты, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах резонатора, электронный блок генерации звуковой частоты, соединенный с источником и приемником звука, электронный блок измерения частоты генерации, в который, согласно полезной модели, введен дополнительный резонатор, выполненный в виде полого герметичного цилиндра, заполненного газом с известной молекулярной массой, на торцах которого установлены источник и приемник звука, дополнительный блок генерации звуковой частоты, соединенный с источником и приемником звука дополнительного резонатора, электронный блок измерения частоты, соединенный с блоком генерации звуковой частоты дополнительного резонатора, а также микропроцессорный блок для измерения частот основного и дополнительного резонаторов и вычисления концентрации измеряемого газа.

Еще одним отличием газоанализатора является то, что он снабжен датчиком влажности, установленным внутри основного резонатора или снаружи его. Выход датчика соединен с микропроцессорным блоком.

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

Источник и приемник звука представляют собой коммерческие малогабаритные телефон и микрофон (например, электретный).

Технический результат, достигаемый в предлагаемом газоанализаторе благодаря отмеченным выше особенностям его выполнения, состоит в том, что в нем исключаются влияние изменения основных внешних факторов, таких как температура, внешние источники звука и влажность контролируемого газа на показания газоанализатора.

Это обеспечивает повышение точности измерения и возможность градуировки газоанализатора без использования стандартных газовых на основе расчетных данных.

Это резко упрощает процедуру градуировки газоанализатора.

Сущность предлагаемого газоанализатора поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого газоанализатора.

На фиг.2 изображена схема формирования звуковых полуволн в резонаторах газоанализатора с максимумом на торцах резонатора и минимумом в середине его длины.

На фиг.3 представлены градуировочные характеристики газоанализатора по основным измеряемым компонентам.

Акустический газоанализатор содержит (фиг.1) измерительную камеру 1, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр, выполненный, например, из нержавеющей стали. Высота цилиндра 1 (Н) равна нечетному числу звуковых полуволн (фиг.2). В середине длины камеры 1, где давление звуковой волны минимальное, выполнены сквозные отверстия 2 для прохода анализируемого газа, например, атмосферного воздуха.

На торцах камеры 1 (резонатора) установлен источник 3 и приемник 4 звука, которые соединены с электронным блоком генерации, который, в свою очередь соединен с микропроцессорным блоком измерения частоты и управления.

Электронный блок генерации 5 представляет собой автогенератор на основе схемы ГУН (генератор, управляемый напряжением), в цепь обратной связи которого включен резонатор.

Газоанализатор включает в себя дополнительный резонатор 6, выполненный в виде герметичного полого цилиндра, заполненного газом с известной молекулярной массой, например, чистым воздухом. По торцам резонатора 6 также установлены источник 7 и приемник 8 звука, подключаемые к блоку 9 генерации, выполненному аналогично блоку 5. Резонатор 6 имеет длину, равную длине измерительной камеры 1, размещен рядом с камерой 1 и находится в тех же температурных условиях.

На внешней стенке измерительной камеры и дополнительного резонатора 6 установлены датчики температуры 10 и 11, выполненные в виде платиновых терморезисторов с малой постоянной времени. Кроме того, измерительная камера 1 снабжена датчиком влажности 12, который может быть установлен внутри камеры 1 или снаружи непосредственно в атмосфере контролируемой газовой среды (например, воздуха). Выходы блоков 5 и 9, датчиков температуры 10 и 11 и датчика влажности 12 подсоединены к микропроцессорному блоку 13, который по установленной программе производит измерение разности частот, измеряемых блоками 5 и 9, и вносит поправки, связанные с показаниями датчиков 10 и 11 температуры и датчика 12 влажности.

Газоанализатор работает следующим образом.

резонанс по максимуму сигнала приемников 4 и 8 звука. Частота резонанса (f) определяется скоростью звука в газе, заполняющем основной 1 и дополнительный 6 резонаторы:

где V - скорость звука в газе

Кр - приведенная длина резонатора.

Скорость звука (v) рассчитывается по следующей формуле

где:

- показатель адиабаты

Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении;

Cv=Cp-R - теплоемкость газа при постоянном объеме;

- молекулярная масса газа;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - температура газа (К)

При этом в резонаторах 1 и 6 образуется нечетное количество полуволн (1, 3, 5...) звуковой волны (фиг.2), имеющей максимум давления на торцах резонаторов и минимум в середине высоты (Н) резонаторов. Измерение частоты (f) производится микропроцессорным блоком 13. При отсутствии измеряемого газа в основном резонаторе измерительной камеры 1 разность частот (f) между основным 1 и дополнительным 6 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 6, разность частот (f) резонаторов 1 и 6 изменяется пропорционально изменению концентрации измеряемой примеси газа (см. фиг.3) и измеряется с помощью микропроцессорного блока 13. При этом блок 13 вносит в результат

измерений поправки, связанные с выходными сигналами датчиков 10 и 11 температуры и датчика 12 влажности. Кроме того, блок 13 используется для сравнения температур T ₁ и Т_о в основном (1) и дополнительном (6) резонаторах между собой и коррекции при их несовпадении, а также с рассчитанной по скорости звука в дополнительном (6) резонаторе температурой Т_оз для контроля исправности измерительных цепей газоанализатора и переходных процессов, вызванных резким изменением температуры контролируемой среды, окружающей резонаторы 1 и 6.

На фиг.3 представлена зависимость разности частот (f) основного и дополнительного резонаторов 1 и 6 от концентрации различных газов и паров (измеряемые примеси в контролируемой газовой среде) - Градуировочная характеристика газоанализатора.

Градуировочная характеристика для конкретной измеряемой примеси (газа или пара) в виде полинома записывается в память микропроцессорного блока 13. По данным измерения температуры (Т) и влажности (), осуществляемого датчиками 10 и 11 температуры и датчиком 12 влажности, микропроцессорный блок вносит поправку в измеряемую разницу частот основного и дополнительного резонаторов 1 и 6 и по градуировочной характеристике рассчитывает значение концентрации.

Для расчета градуировочной характеристики, вводимой в память микропроцессорного блока 13 требуется только информация о молекулярной массе газа (), его теплоемкости (Ср) (справочные данные) и диапазоне измеряемых концентраций и рабочих температур. При расчете градуировочной характеристики дополнительно учитывается линейное расширение корпусов резонаторов 1 и 6 при изменении температуры, что учитывается в параметре Кр.

Таким образом, благодаря использованию дополнительного резонатора 6, выбору определенного значения длины отверстий 2 и наличию датчиков 10 и 11 температуры и датчика 12 влажности обеспечивается исключение влияния изменения основных основных внешних факторов (температура, влажность) на показания газоанализатора. Благодаря этому обеспечивается возможность использования расчетной градуировочной характеристики, вводимой в память микропроцессорного блока 13. Как следствие отпадает необходимость проведения градуировки газоанализатора с использованием стандартных и нестандартных газовых смесей, особенно многоатомных газов и паров. Это резко упрощает процедуру градуировки газоанализатора.

Акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с высотой, равной нечетному количеству звуковых полуволн, диаметром, близким к длине полуволны и отверстиями для прохода газа, расположенными в середине образующей цилиндрической поверхности цилиндра, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах резонатора, электронный блок генерации, соединенный с источником и приемником звука, отличающийся тем, что в него введены дополнительный резонатор, выполненный в виде полого герметичного цилиндра с размерами, равными размерам рабочего резонатора, заполненного газом с известной молекулярной массой, на торцах которого установлены источник и приемник звука, дополнительный электронный блок генерации, соединенный с источником и приемником звука дополнительного резонатора, и микропроцессорный блок для измерения разности частот основного и дополнительного резонаторов и вычисления концентрации измеряемого газа, а также датчик температуры и влажности газа в рабочем резонаторе и датчик температуры дополнительного резонатора, соединенные с микропроцессорным блоком.