СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТАВА ГАЗОВОЙ СМЕСИ И ЖИДКИХ СРЕД (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к системам контроля состава газовых смесей и жидких сред в технологических процессах промышленных производств, а также к системах контроля промышленных источников загрязнений окружающей среды.

При контроле газовых смесей и жидких сред в технологических процессах в различных отраслях производства при выбросах вредных веществ (газовых смесей) а атмосфере и состава сточных вод (жидких сред) возникает задача оперативного, периодического получения и записи информации при использовании простых методов и средств контроля.

Известные устройства контроля состава газовых смесей [1] и жидких средств [2] , используемые для получения оперативной информации о составе среды, имеют функциональные узлы, выполняющие следующие операции: создание программного возмущающего воздействия на исследуемую среду; обеспечение идентичных условий для сравнения сигнала отклика эталонного образца; получение выходной информации в виде разности двух сравниваемых сигналов; обработка сигнала; получение информации о составе газовой смеси (жидкой среды).

В известном способе [1] программное возмущающее воздействие на исследуемую среду создается механическим реверсивным приводом, идентичность условий для сравнения сигналов откликов отобранной пробы газовой смеси и эталонного образца обеспечивается размещением (вводом) устройства, реализующего этот способ, в газовом потоке исследуемой среды; в виде выходного сигнала получается разность частот электрических сигналов в исследуемой пробе и эталонном образце газовой смеси.

В известном устройстве [2] программное воздействие на исследуемую жидкую среду создается генератором синусоидальных колебаний; изменение состава исследуемой среды вызывает изменения амплитуды акустических колебаний и скорости распространения звука в исследуемой среде, которые регистрируются приемником (датчиком) и далее обрабатываются в вычислительном блоке, который выдает информацию о составе газа в жидкой среде согласно введенной заранее в память формулы.

Основными недостатками устройства [1] являются сложность конструкции, реализующей способ, ограниченность применения, необходимость эталонного образца, большая трудоемкость изготовления эталонного образца газовой смеси, относительно низкая надежность и точность системы из-за влияния многих конструктивных элементов на частоту колебаний. Например, трудно обеспечить при изготовлении мембранных насосов одинаковые характеристики по расходу газа, следовательно, одинаковые характеристики струйных генераторов, а также одинаковые характеристики пьезодатчиков и других элементов.

Наиболее близким по существу технического решения и достигаемому результату является устройство для определения газосодержания в жидкости [2]. Техническое решение [2] принято за прототип.

Недостатками способа и устройства по [2] являются ограниченность его применения из-за невозможности использования в случае многокомпонентных сред (жидких сред), значительные погрешности измерений из-за неучета влияния температуры среды и относительная сложность устройства.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей, упрощение устройства, повышение точности контроля за счет реализации по одному алгоритму контроля состава многокомпонентных газовой смеси и жидких сред, использования и возбуждения синусоидальных акустических колебаний в волноводе с известными параметрами, периодического измерения с высокой точностью периода колебаний в среде, скорости изменения акустического давления, температуры, последующих пародических расчетов и получения по приведенным формулам сведений по составу газовой смеси или жидких сред с учетом изменения температуры.

Задача решается способом контроля состава газовой смеси и жидких сред, заключающимся в том, что периодически или непрерывно попускают контролируемую газовую смесь (или наполняют периодически контролируемой жидкой средой) с известным на момент первого контрольного измерения составом, через волновод с известными длиной и диаметром, возбуждают в ней акустические кратковременные синусоидальные колебания, преобразуют их в электрические сигналы, усиливают и измеряют амплитуду U_то этого сигнала, период T₀ колебаний, температуру T00

среды внутри волновода, после чего вычисляют скорость a₀ звука и скорость изменения акустического давления (dp/dt)₀ для момента перехода электрического сигнала через нулевое значение, далее периодически возбуждают кратковременные синусоидальные колебания, измеряют интервалы Δt времени между моментами возбуждения; амплитуду U_mk сигнала, период T_k колебаний, температуру T0k среды, где k = 0...m, вычисляют скорость a_k звука по выражению (1) и скорость изменения акустического давления (lp/dt)_k по выражению (2) при k-м измерении, при этом, начиная со второго измерения (k = 1) значений a_k, dp/dt)_k, T0k судят об изменении состава контролируемой среды по выражению (3); при этом если скорость изменения объемных долей (dα_i/dt)_k= 0, судят о постоянстве состава, при (dα_i/dt)_k≠ 0 вычисляют для всех n составляющих среды величину изменения объемных долей Δα_i по выражению (4) и если в этом случае , судят о неизменности числа компонентов (n = const), а при - о появлении новых компонентов в контролируемой среде.

Задача решается также способом контроля состава газовой смеси и жидких сред, заключающимся в том, что периодически или непрерывно пропускают контролируемую газовую смесь (или наполняют периодически контролируемой жидкой средой) с известным на момент первого контрольного измерения составом, через волновод с известной длиной l и диаметром d, возбуждают в этой среде кратковременные акустические синусоидальные колебания, преобразуют из в электрические сигналы, усиливают и измеряют период T₀ колебаний, температуру T00

среды внутри волновода, вычисляют скорость a₀ звука и скорость изменения акустического давления (dp/dt)₀ для контрольного измерения, далее в контролируемой среде периодически возбуждают кратковременные колебания, измеряют интервалы Δt времени моментами возбуждения, период T_k колебаний, температуру среды T0k , вычисляют скорость a_k звука по выражению (1) и скорость изменения акустического давления (dp/dt)_k при k-м измерении, при этом, начиная со второго измерения (k = 1) значений a_k, (dp/dt)_k, T0k , судят об изменении состава контролируемой среды по выражению (3); когда скорость изменения объемных долей (dα_i/dt)_k= 0, судят о постоянстве состава, при (dα_i/dt)_k≠ 0 вычисляют для всех n составляющих среды величину изменения объемных долей Δα_t по выражению (4) и если в этом случае , судят о неизменности числа компонентов, а при - о появлении новых компонентов, причем на нарастающем участке изменения сигнала выделяют два заданных пороговых значения напряжения (U_n1, U_n2), измеряют длительность интервала τ_нк, соответствующего указанным пороговым значениям, и вычисляют скорость изменения акустического давления (dp/dt)_k в интервале по выражению (6).

Выражения (1) - (6) приведены в формуле изобретения.

Это позволяет достаточно просто, с высокой точностью непрерывно контролировать и фиксировать изменение состава многокомпонентных газовых смесей и жидких сред, а также определять новые значения параметров компонентов. Высокая точность достигается за счет, во-первых, измерения относительно малого числа параметров (T_k,U_mk.T0k

) или (T_k,τ_нк,T0k) , во-вторых, возможности с высокой точностью измерять эти параметры, учета изменения температуры среды, а также за счет использования полученного алгоритма вычисления по выражению (3), что позволяет исключить влияние абсолютных значений погрешностей при измерениях в процессе контроля.

Схема устройства, реализующего способ по п. 1, приведена на фиг. 1 и содержит генератор запускающих импульсов 1, электромагнит 2 с подвижным клапаном, волновод 3, через который пропускают контролируемую среду (например газ подается через патрубок 4), датчик акустических пульсаций 5, датчик температуры среды внутри волновода 6, усилитель электрических сигналов 7, ключ 8, амплитудный детектор 9, пороговое устройство 10, Т-триггер 11, Д-триггер 12, преобразователь температуры в частоту 13, преобразователь частоты в код 14, преобразователь амплитуды U_m электрического сигнала в код 15, преобразователь интервала времени в код 16, логическая схема И 17, интерфейс 18, микропроцессор 19 и тактовый генератор 20.

На фиг. 2 приведена схема устройства, позволяющего реализовать способ по п. 2, где обозначения и реализация блоков и элементов идентичны приведенным на фиг. 1, за исключением: блок 9 - двухпороговое устройство, выход которого подключен к преобразователю интервала времени (длительности импульсов) в код 16. В качестве элементов, блоков могут быть использованы известные ИМС аналоговой и цифровой электроники. В качестве датчика 5 может быть использован, например, пьезоэлектрический датчик акустических пульсаций типа ЛХ-610, в качестве датчика 6 - терморезисторы. Волновод 3, например, для газовой смеси может быть выполнен в виде цилиндрического патрубка, как показано на фиг. 1, длиной l и диаметром d, причем l/d ≥ 8/10. С торцевой стороны волновода закреплен датчик акустических пульсаций 5, а с другой стороны с помощью электромагнита 2 с клапаном создается возвратно-поступательное движение и возбуждаются синусоидальные акустические колебания, частота которых зависит от параметров волновода (l, l/d) и состава среды, которая подается через патрубок 4.

Способ контроля состава газовой смеси и жидких сред по п. 1 и работа устройства, реализующего этот способ, осуществляются следующим образом.

Генератор запускающих импульсов 1 формирует через определенны промежутки времени импульсы для включения электромагнита 2 и ключа 8, который управляется триггером 12. Ключ 8 служит для подключения в момент времени возбуждения акустических колебаний электромагнитом 2 с клапаном в волноводе 3 сигнала с датчика 5 через усилитель 7 на время одного периода этого сигнала к преобразователю амплитуды напряжения его в код 15 и к преобразователю длительности периода сигнала в код 16. Сигнал акустический, преобразованный в электрический в датчике 5, усиленный усилителем 7, через ключ 8 и амплитудный детектор 9 подается в преобразователь сигнала 15, а также после ключа 8 через пороговое устройство 10 и триггер 11 подается в преобразователь длительности периода сигнала в код 16, работа которого осуществляется от тактового генератора 20. Преобразователь 14 выполнен идентично преобразователю 16 и управляется также от генератора 20, причем температура среды измеряется с помощью, например, терморезистора 6, напряжение с которого преобразуется в частоту (период) в преобразователе 13 и подается в преобразователь 14. Таким образом, за счет поступательного движения клапана электромагнита 2 в волноводе 3 с контролируемой средой возбуждаются акустические синусоидальные колебания, преобразуются в электрические сигналы, фиксируются и преобразуются в код такие параметры, как амплитуда U_m напряжения электрического сигнала, период T колебаний и температура T⁰ среды, далее эти сигналы (коды) поступают через интерфейс 18 в микропроцессор 19, где запоминаются и обрабатываются согласно приведенным ниже формулам. Микропроцессор 19 работает в режиме прерываний, которые осуществляются по сигналу схемы И 17, когда зафиксированы все сигналы в преобразователях 14, 15, 16, причем запоминается и время Δt между очередными прерываниями. Параметры сигнала фиксируются только в течение одного периода колебаний, после чего ключ 8 запирается до прихода очередного запускающего сигнала с генератора 1. В момент контрольного (нулевого) включения (возбуждения) пропускают через волновод 3 контролируемую среду с известным на этот момент составом, измеряют параметры сигнала U_mo, T₀, T00

, далее вычисляют скорость a₀ звука и скорость изменения акустического давления (dp/dt)₀ для момента перехода колебания акустического давления через нулевое значение по известным формулам [3];
a₀=N1,
(dp/dt)₀= ω₀P_mo= ω₀U_mok₀/k_y,
ω₀= 2π/T₀,
ω_k= 2π/T_k,
где N - коэффициент, зависящий от l, d волновода 3;
k₀ - коэффициент передачи акустического датчика 5;
k_у - коэффициент усиления усилителя 7.

Далее запоминают в микропроцессоре 19 a₀, (dp/dt)₀, T00

и при последующих включениях измеряют Δ_tk,U_mk,T_k,T0k , вычисляют a_k, (dp/dt)_k, а затем по полученной формуле (3), связывающей изменение концентрации, числа компонентов среды с изменениями скорости звука и скорости изменения акустического давления, определяют скорость изменения объемных долей каждого компонента среды в данный момент времени с учетом температурных изменений [4]:

где
ρ_i -плотность I-й составляющей контролируемой среды. При этом, если (dα_i/dt)_k= 0 - судят о постоянстве состава, при (dα_i/dt)_k≠ 0 - судят об изменениях состава. Для уточнения изменений сначала вычисляют для всех "n" составляющих среды изменения объемных долей3 Δα_ik по выражению (4):
,
а затем
. Если - судят об изменении только концентрации компонентов при неизменности их числа, при этом новые значения объемных долей каждой составляющей определяют по выражению (5):
.

Если
- судят о появлении новых компонентов в контролируемой среде.

Принцип действия способа по п. 2 формулы изобретения и работа устройства (фиг. 1), реализующего этот способ осуществляется идентично описанному выше, за исключением того, что значения пороговых напряжений U_n1, U_n2 двухпорогового устройства 9 известны и поэтому заранее вводятся в микропроцессор 19, а затем в процессе возбуждения колебаний вместо амплитуды сигнала измеряют интервал τ_нк времени (длительность импульса), соответствующий изменению сигнала с U_n1 до U_n2. Преобразование длительности τ_нк в код осуществляется в преобразователе 16 и тогда (dp/dt)_k определяется по выражению (6):
.

Предложенный способ и устройство позволяют контролировать состав и многокомпонентных жидких сред, например периодически наполняя волновод контролируемой жидкой средой, возбуждая в ней синусоидальные колебания и выполняя все действия, согласно формуле изобретения.

Изобретение относится к системам контроля состава газовых смесей и жидких сред в технологических процессах промышленных производств. Расширение функциональных возможностей, упрощение устройства, повышение точности контроля достигается тем, что периодически или непрерывно пропускают (наполняют) контролируемую среду, с известным на момент первого контрольного измерения составом, через волновод с известными параметрами, возбуждают в ней кратковременные акустические синусоидальные колебания, преобразуют их в электрические сигналы, усиливают, измеряют и преобразуют в код периода колебаний, измеряют и преобразуют в код температуру среды в волноводе, после чего вычисляют скорость звука, скорость изменения акустичечкого давления для момента перехода напряжения электрического сигнала через нулевое значение, далее периодически возбуждают кратковременные синусоидальные колебания, измеряют интервалы времени между моментами возбуждения, амплитуду сигнала, период колебаний, температуру среды, вычисляют скорость звука, скорость изменения акустического давления, при этом, начиная со второго измерения, судят об изменении состава среды по вычислению скорости изменения объемных долей составляющих среды. На нарастающем участке изменения сигнала выделяют два пороговых значения напряжений с помощью двухпорогового устройства, измеряют длительность интервала, соответствующего этим пороговым значениям, и вычисляют скорость изменения акустического давления в этом интервале по соответствующему выражению. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля состава газовой смеси и жидких сред, заключающийся в периодическом возбуждении акустических колебаний в контролируемой среде и в последующем измерении параметров колебаний, по которым судят о составе среды, отличающийся тем, что периодически или непрерывно пропускают контролируемую газовую смесь (или периодически наполняют контролируемой жидкой средой) с известным на момент первого контрольного измерения составом через волновод с известной длиной l и диаметром d, возбуждают в этой среде кратковременные акустические синусоидальные колебания, преобразуют их в электрические сигналы, усиливают и измеряют амплитуду U_mo сигнала, период T_o колебаний, температуру T0o

среды внутри волновода, после чего вычисляют скорость A_o звука и скорость изменения акустического давления (dp/dt)_o для момента перехода напряжения электрического сигнала через нулевое значение, далее в контролируемой среде периодически возбуждают кратковременные синусоидальные колебания, измеряют интервалы Δt времени между моментами возбуждения, амплитуду U_mk сигнала, период T_k колебаний, температуру T0k среды, вычисляют скорость A_k звука по выражению (1) и скорость изменения акустического давления (dp/dt)_к по выражению (2) при к-ом измерении, при этом, начиная с второго измерения (k=1) значений A_k, (dp/dt)_k, T0k судят об изменении состава контролируемой среды по выражению (3), при этом, если скорость изменения объемных долей (dα_i/dt)_k = 0, судят о постоянстве состава, при (dα_i/dt) ≠ 0 вычисляют для всех n составляющих среды величину изменения объемных долей Δα_i по выражению (4) и, если в этом случае , судят о неизменности числа компонентов (n - const), а при судят о появлении новых компонентов в контролируемой среде. 2. Способ контроля состава газовой смеси и жидких сред, заключающийся в том, что периодически или непрерывно пропускают контролируемую газовую смесь (или наполняют периодически контролируемой жидкой средой) с известным на момент первого контрольного измерения составом через волновод с известной длиной l и диаметром d, возбуждают в этой среде кратковременные акустические синусоидальные колебания, преобразуют их в электрические сигналы, усиливают и измеряют период T_о колебаний, температуру T0o среды внутри волновода, вычисляют скорость A_о звука и скорость изменения акустического давления (dp/dt)_о для контрольного измерения, далее в контролируемой среде периодически возбуждают кратковременные колебания, измеряют интервалы Δt времени между моментами возбуждения, период T_k колебаний, температуру T0k среды, вычисляют скорость A_k звука по выражению (1) и скорость изменения акустического давления (dp/dt)_k при k-ом измерении, при этом, начиная со второго измерения (k = 1) значений A_k, (dp/dt)_k, T0k судят об изменении состава контролируемой среды по выражению (3), когда скорость изменения объемных долей (dα_i/dt)_k= 0 , судят о постоянстве состава при (dα_i/dt)_k≠ 0 , вычисляют для всех n составляющих среды величину изменения объемных долей Δα_i по выражению (4) и, если в этом случае , судят о неизменности числа компонентов, а при судят о появлении новых компонентов, отличающийся тем, что на нарастающем участке изменения сигнала выделяют два заданных пороговых значений напряжения (U_n1, U_n2), измеряют длительность τ_нk интервала, соответствующего указанным пороговым значениям, и вычисляют скорость изменения акустического давления (dp/dt)_k в этом интервале по выражению (6).

Выражения для вычислений:
1.

A_о = Nl/T_о,
A_k = Nl/T_k,
где N - коэффициент, зависящий от l, d.

2.

(dp/dt)_o= ω_oP_mo,
ω_o= 2π/T_o,
P_mo=U_mo=K_д/K_у,
(dp/dt)_o= ω_kP_mk
ω_k= 2π/T_k,
P_mk=U_mkK_д/K_у,
где k=0...m;
m - число измерений;
K_у - коэффициент усиления усилителя электрических сигналов;
K_д - коэффициент передачи акустического датчика.

3.

где


ρ_i - плотность i-й составляющей контролируемой среды.

4.

5.

где α_io, α_ik - начальная и новая объемные доли i-й составляющей контролируемой среды.

6.

где U_n1, U_n2 - заданные пороговые значения напряжения сигнала; τ_нk - интервал времени нарастания значения напряжения сигнала от U_n1 до U_n2 при k-м измерении.