СПОСОБ ЭКСПРЕСС-ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2002 года по МПК G01N25/20 

Изобретение относится к технике для измерения состава двухкомпонентной среды и может быть применено в системах измерения и контроля в различных технологических процессах, например, при измерении состава и концентрации, уровня, массы и т.д.

Известна газовая хроматография, заключающаяся в разделении компонентов среды, вводимой в хроматограф, между газом-носителем и сорбентом (П. Профос. Измерения в промышленности. - М.: Металлургия, 1980. - 528-540 с.).

Недостатком способа является сложность метода и реализующих метод устройств, необходимость газа-носителя и сорбента и высокая стоимость устройства и эксперимента.

Известен термокондуктометрический газовый анализ (В.А. Григорьев, В.М. Зорин. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. - М.: Энергоиздат, 1982. - 392 с.). Метод основан на различии коэффициентов теплопроводности компонентов смеси. Содержание компонентов можно определить, измеряя коэффициент теплопроводности смеси. В устройствах, реализующих метод, должны быть созданы камеры, в которых исключается конвективный и лучистый теплообмен, а температура стенок постоянна. Недостатком метода и устройств является их сложность и то, что компоненты должны иметь близкие значения коэффициентов теплопроводности.

Известен способ определения состава жидкостей (а.с. СССР 914982, МКИ G 01 N 25/20, опубл. 25.03.82 г.), включающий поддержание постоянной температуры анализируемой среды, генерацию в ней акустического сигнала посредством паров вспомогательной жидкости и регистрацию этого сигнала. Недостатком способа является его сложность в связи с необходимостью подачи в анализируемую среду пара вспомогательной жидкости.

Наиболее близким к предложенному является способ определения состава сред (а. с. СССР 775674, МКИ G 01 N 25/20, опубл. 30.10.80 г.), состоящий в нагреве пробы и регистрации изменения ее температуры, причем нагрев осуществляется энергетическим воздействием, обладающим избирательностью по отношению к анализируемым составляющим. Недостатком способа является сложность ее реализации по следующим причинам:
1. Необходимо нагревать пробу до определенной температуры, что само по себе сложно в силу конвективных токов в пробе и различных температур в различных точках пробы.

2. Установка, реализующая способ, должна иметь емкость для пробы, абсолютно теплоизолированную снаружи, что усложняет установку.

3. Необходимо осуществлять избирательное энергетическое воздействие по отношению к анализируемым составляющим.

Изобретение направлено на упрощение способа определения состава двухкомпонентных сред.

Поставленная задача достигается способом экспресс-определения состава двухкомпонентной среды, заключающимся в регистрации изменения температуры нагретого объекта, посредством которого определяют состав среды. В отличие от прототипа в качестве указанного объекта используют тепловой датчик, регистрируют до начала испытаний и в условиях испытаний темпы изменения температуры датчика последовательно в компонентах и в средах с определенными концентрациями этих компонентов, по результатам которых определяют зависимость изменения концентрации компонентов от темпа изменения температуры, после чего регистрируют темп изменения температуры датчика в испытуемой среде и по указанной зависимости определяют состав среды.

Рассмотрим тепловой датчик, помещенный в среду, имеющую температуру, отличную от температуры датчика. Изменение внутренней энергии датчика за время dτ

где с, ρ, V - удельная теплоемкость, плотность и объем датчика; Δt - отличие температуры датчика от температуры среды. С поверхности датчика путем конвекции (а в некоторых случаях путем конвекции и теплопроводности) в окружающую среду будет отведено тепло
dQ = αFΔtdτ, (2)
где α - коэффициент теплоотдачи, F - площадь контактирования датчика со средой.

Таким образом из (1) и (2)


где - коэффициент, в котором все входящие величины постоянны для датчика. После интегрирования выражения (4) получим


где К - темп изменения температуры датчика, Δt_o - отличие температуры датчика от температуры среды в первоначальный момент времени τ_o, Δt′ - отличие температуры датчика от температуры среды в текущий момент времени τ′. В свою очередь, значение К определяется концентрацией С входящих в среду компонентов.

На чертеже представлено устройство, реализующее способ.

Устройство состоит из емкости 1, в которую заливается анализируемая среда. Емкость 1 одновременно является защитой (поз. а) от механических повреждений теплового датчика 2. Между емкостью и корпусом имеется прокладка 3 для герметизации емкости в рабочем состоянии (поз. б). Датчик 2 представляет собой проволоку небольшого диаметра, покрытую слоем стекловидной массы. Нагрев датчика осуществляется электрическим током от источника питания 4. Система регистрации темпа изменения температуры и система автоматического регулирования работой установки обеспечивается микропроцессором 5 и дисплеем 6.

Способ экспресс-определения состава двухкомпонентной среды реализуется следующим образом.

Установка приводится из нерабочего состояния (поз. а) в рабочее (поз. б). До проведения основного испытания среды необходимо выполнить предварительные испытания. Берется один из компонентов среды и заливается в емкость 1. От источника питания 4 электрическим током производится нагрев теплового датчика 2 до температуры, отличающейся от температуры компонента на Δt_o= (20-30)^oС. После этого отключается источник питания 4 и включается таймер, заложенный в микропроцессоре 5. Происходит охлаждение датчика. Через время τ′-τ_o избыточная температура датчика будет Δt′. Регистрация этих величин позволяет по формуле (5) определить темп охлаждения К датчика. Аналогично выполняются испытания для сред, имеющих определенные добавки второго компонента к первому компоненту. Результаты испытаний в виде табличной зависимости С=f(K) заносятся в микропроцессор 5.

Для интересующей нас среды с неизвестной концентрацией компонентов выполняется аналогичное испытание: определяется величина К и по таблице, используя линейную или квадратичную интерполяцию, определяем состав среды.

Способ применим, когда темпы изменения температур компонентов отличаются между собой.

Использование: в измерительной технике. Сущность: способ заключается в регистрации изменения температуры нагретого датчика, который помещают последовательно в компонентах и в средах с определенными концентрациями этих компонентов. По темпам изменения температуры датчика определяют зависимость изменения концентрации компонентов. После этого регистрируют темп изменения температуры датчика в испытуемой среде и по указанной зависимости определяют состав среды. Технический результат: упрощение способа определения состава сред. 1 ил.

Способ экспресс-определения состава двухкомпонентной среды, заключающийся в регистрации изменения температуры нагретого объекта, посредством которого определяют состав среды, отличающийся тем, что в качестве объекта используют тепловой датчик, регистрируют до начала испытаний и в условиях испытаний темпы изменения температуры датчика последовательно в компонентах и в средах с определенными концентрациями этих компонентов, по результатам которых определяют зависимость изменения концентрации компонентов от темпа изменения температуры, после чего регистрируют темп изменения температуры датчика в испытуемой среде и по указанной зависимости определяют состав среды.