СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ПОТОКА ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01F1/708 

Изобретение относится к способам для измерения расходов газовых потоков и может найти применение для целей контроля потоков газа в газоанализаторах и пробоотборных устройствах. Преимущественно изобретение предназначено для использования в анализаторах состава газа переносного типа.

Известны способы определения скорости газового потока, основанные на формировании в потоке газа индикаторной метки и измерении времени пробега индикаторной меткой известного расстояния в трубопроводе с контролируемым потоком газа
В способе по авт. cвид. СССР 340968 индикаторную метку в газовом потоке низкой плотности формируют путем ионизации молекул газа электронным пучком. Недостатком этого способа является то, что он применим только для газовых потоков низкой плотности. Кроме того, для его реализации используется очень сложная и дорогостоящая аппаратура.

Известен способ измерения расхода потока газа, в котором индикаторную метку создают путем добавления в контролируемый поток газа индикаторного газа, незначительно отличающегося по плотности и температуре от основного газа (см. авт. cвид. СССР 710005 G 01 P 5/20, 1980). Недостатком способа является сложность его воплощения, что ограничивает область его применения.

Известен способ измерения расхода потока газа и устройство для его осуществления, в которых индикаторную метку формируют путем импульсного нагрева потока газа (см. патент США N 5347876, 73/861.95, 1994). Недостатком этого способа является ограниченный диапазон измерения расходов газа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения расхода потока газа путем измерения времени прохождения индикаторной меткой известного расстояния в трубопроводе с контролируемым газом, Индикаторную метку в потоке газа образуют путем импульсного воздействия на поток контролируемого газа на входе в трубопровод, например, путем импульсного воздействия излучением лазера (см. патент США N 5708495, НКИ 356-28, 1998).

Под действием излучения лазера появляется флуоресценция, которая служит началом отсчета, и образуется компонент, который, двигаясь вместе с потоком газа, подвергается воздействию излучения второго лазера, что также вызывает флуоресценцию. Промежуток времени между двумя явлениями служит для измерения расхода газа.

Устройство для осуществления этого способа содержит средство (лазер), которое возбуждает флуоресценцию в начале отсчета и создает компонент, являющийся меткой, средство (второй лазер) для возбуждения флуоресценции компонента (метки), созданного первым лазером, средства для детектирования флуоресценции, а также средство для измерения временного интервала между актами флуоресценции.

Недостатками известных способа и устройства для определения расхода потока газа, принятых за прототип, являются сложность и высокая стоимость технических средств, используемых для их осуществления. Это резко ограничивает возможные области их применения. Практически эти средства не могут быть использованы в переносных приборах контроля состава газовых сред.

Задача изобретения состояла в разработке таких способа и устройства для определения расхода потока газа, которые не требуют применения сложных технических средств для их осуществления и обеспечивают широкий диапазон измерения расхода газа.

Указанная задача решается тем, что предложен способ определения расхода потока газа путем измерения времени пробега индикаторной меткой известного расстояния в трубопроводе с контролируемым потоком газа, при котором индикаторную метку образуют путем энергетического воздействия на контролируемый газовый поток на входе в трубопровод, в котором, согласно изобретению, регистрируют изменение химического состава газа на выходе трубопровода и по появлению сигнала об изменении химического состава судят о времени пробега индикаторной меткой расстояния от входа до выхода трубопровода.

При этом время пробега индикаторной меткой от входа до выхода трубопровода определяют как промежуток времени между началом импульсного энергетического воздействия на контролируемый поток газа и моментом начала возрастания сигнала изменения химического состава газа.

Еще одним отличием предлагаемого способа является то, что импульсное энергетическое воздействие на контролируемый поток газа осуществляют путем проведения импульсного энергетического воздействия в контролируемом газовом потоке.

В одном из вариантов осуществления способа импульсное энергетическое воздействие на контролируемый поток осуществляется путем проведения в нем импульсного коронного разряда
Еще один вариант осуществления способа характеризуется тем, что импульсное энергетическое воздействие на контролируемый поток осуществляют путем облучения газа импульсным УФ-излучением.

В предпочтительном варианте осуществления способа импульсное энергетическое воздействие производят на поток кислородсодержащего газа, а изменение химического состава газа регистрируют с помощью датчика озона.

В другом варианте осуществления способа импульсное энергетическое воздействие производят на поток воздуха или газовых смесей, содержащих воздух, а изменение химического состава регистрируют с помощью датчика оксидов азота.

Указанная задача решается тем, что предложено устройство для определения расхода потока газа, содержащее измерительный трубопровод, соединенный с каналом для подвода контролируемого газового потока, источник импульсного энергетического воздействия на контролируемый газовый поток, установленный на входе трубопровода и служащий для образования в потоке индикаторной метки, приспособление для регистрации индикаторной метки, установленное на выходе трубопровода, и приспособление для измерения промежутка времени между моментом образования и регистрации индикаторной метки, в котором, согласно изобретению, приспособление для регистрации индикаторной метки выполнено в виде датчика изменения химического состава газа.

Другим отличием предлагаемого устройства является то, что источник импульсного энергетического воздействия на контролируемый поток газа выполнен в виде генератора импульсного электрического разряда, возбуждаемого в контролируемом газовом потоке.

В предпочтительном варианте выполнения устройства генератор импульсного электрического разряда выполнен в виде высокочастотного индукционного генератора, охватывающего начальный участок трубопровода.

В другом возможном варианте выполнения устройства генератор импульсного разряда выполнен в виде высокочастотного емкостного генератора.

Еще один возможный вариант выполнения устройства характеризуется тем, что на входе трубопровода герметично установлены электроды, размещенные во внутреннем объеме трубопровода и соединенные с генератором импульсного электрического разряда.

Другим отличием предлагаемого устройства является то, что измерительный трубопровод на входе имеет участок, выполненный из материала, прозрачного для УФ-излучения, а источник импульсного энергетического воздействия выполнен в виде УФ-лампы, установленной напротив этого участка трубопровода.

В предпочтительном варианте выполнения устройства датчик изменения химического состава газа выполнен в виде фотоионизационного датчика.

Сущность изобретения поясняется чертежами и приведенными ниже примерами осуществления предлагаемого способа.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства для определения расхода потока газа с импульсным источником УФ-излучения.

На фиг.2 представлена принципиальная схема варианта выполнения устройства с высокочастотным емкостным генератором.

На фиг.3 изображена принципиальная схема варианта выполнения устройства с высокочастотным индукционным генератором.

На фиг.4 изображена принципиальная схема варианта выполнения устройства с использованием импульсного коронного разряда.

Устройство (фиг.1) содержит измерительный трубопровод 1, выполненный из химически инертного материала, например фторопласта, и соединенный с каналом 2 для подвода контролируемого потока газа. На входе трубопровод 1 имеет участок 3, выполненный из материала, прозрачного для УФ-излучения, например из кварца. Напротив участка 3 трубопровода 1 установлена УФ-лампа 4, соединенная с генератором 5 импульсного напряжения. На выходе трубопровода 1 установлен детектор 6 для регистрации изменения химического состава, выполненный в виде полупроводникового датчика озона и соединенный с усилителем 7 Устройство снабжено приспособлением 8 для измерения промежутка времени между образованием и регистрацией индикаторной метки, выполненным в виде микропроцессорного блока и соединенным с генератором 5 импульсного напряжения и усилителем 7.

В соответствии с предлагаемым способом описанное устройство работает следующим образом.

Контролируемый поток газа, например воздух, по каналу 2 поступает в измерительный трубопровод 1, проходя по начальному его участку 3, выполненному из материала, прозрачного для УФ-излучения. На этом участке 3 с помощью УФ-лампы 4 и генератора 5 импульсного напряжения осуществляется импульсное энергетическое воздействие на контролируемый поток газа. Одновременно вырабатывается синхронизирующий импульс, включающий таймер в микропроцессорном блоке 8. Под влиянием энергетического воздействия (импульс УФ-излучения) часть кислорода, содержащегося в контролируемом потоке газа. превращается в озон, что приводит к изменению химического состава газа. Пакет образовавшихся молекул озона, служащий индикаторной меткой, вместе с контролируемым потоком газа перемещается по трубопроводу 1, на выходе которого датчик озона 6 регистрирует изменение химического состава газа (появление озона). Сигнал с выхода датчика 6, усиленный в усилителе 7, поступает в микропроцессорный блок 8, который осуществляет измерение промежутка времени от начала энергетического воздействия (определяется по сигналу от генератора 5) до начала возрастания сигнала изменения химического состава газа, поступающего от датчика озона 6 через усилитель 7. Микропроцессорный блок 8 осуществляет не только измерение указанного промежутка времени, который равен времени пробега индикаторной меткой расстояния от входа до выхода трубопровода 1, но и пересчитывает это время в расход газа, значение которого отображается на дисплее микропроцессорного блока.

Вариант устройства, представленный на фиг.2, отличается от описанного выше тем, что для импульсного энергетического воздействия на контролируемый поток используют емкостный высокочастотный генератор 5, пластины 9 и 10 которого наложены на начальный участок 3 трубопровода 1.

Этот вариант выполнения устройства работает аналогично описанному выше. Различие состоит в том, что индикаторную метку формируют путем возбуждения в контролируемом потоке газа импульсного безэлектродного разряда от высокочастотного емкостного генератора.

Вариант устройства, представленный на фиг.3, отличается от описанного выше (фиг.1) тем, что для импульсного энергетического воздействия на контролируемый поток газа используют высокочастотный индукционный генератор, индукционная катушка 11 которого охватывает начальный участок 3 измерительного трубопровода 1,
Этот вариант выполнения устройства работает аналогично описанному выше (фиг. 1). Различие состоит в том, что его используют для определения расхода потоков инертных газов и индикаторную метку формируют путем возбуждения в контролируемом потоке газа импульсного безэлектродного разряда от высокочастотного индукционного генератора.

Вариант устройства, представленный на фиг.4, отличается от описанного выше (фиг.1) тем, что для импульсного энергетического воздействия на контролируемый поток газа используют коаксиальную систему электродов 12 и 13, установленных в потоке контролируемого газа на внутренней поверхности начального участка 3 трубопровода 1. Центральный электрод 13 закреплен на изоляторах 14 и соединен с генератором 5 импульсного напряжения. Цилиндрический электрод 12 также соединен с генератором 5. Этот вариант выполнения устройства работает аналогично описанному выше (фиг.1). Различие состоит в том, что индикаторную метку формируют путем возбуждения в контролируемом потоке газа импульсного коронного разряда между электродами 12 и 13.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления способа.

ПРИМЕР 1.

Измеряли расход потока аргона, содержащего кислород на уровне 10^-2%.

Для импульсного энергетического воздействия использовали высокочастотный генератор, работающий на емкостную нагрузку в импульсном режиме (фиг.2). Частота генератора составляла 20 кГц, выходное напряжение 20 кВ. Продолжительность импульса была выбрана равной 0,1 с. Трубопровод представлял собой фторопластовую трубку внутренним диаметром 0,5 мм и длиною 5 м. Объем трубопровод составлял 0,8 см³. На входной части трубопровода были установлены металлические электроды, соединенные с генератором. Объем внутреннего пространства между электродами составлял 0,5 см³. Для детектирования озона использовался полупроводниковый датчик, установленный в стеклянной камере, соединенный с выходом трубопровода. Объем камеры составлял 0,7 см³. Порог детектирования озонового датчика был равен 4 х10^-9г/м³. От генератора и датчика сигналы подавались на микропроцессорный блок, который измерял время пробега озона по трубопроводу и пересчитывал его в расход (в см³/мин). Значения расхода лежали в пределах от 50 см³/мин до 1000 см³/мин. Результаты измерений контролировались по показаниям мыльно-пенного расходомера. Различие в показаниях не превышало 2% во всем диапазоне измерений.

ПРИМЕР 2.

Измерялся расход потока гелия, содержащего кислород на уровне 10^-2%.

Для импульсного энергетического воздействия использовался высокочастотный генератор с частотой 120 МГц, работающий на индуктивную нагрузку. Продолжительность импульса составляла 0,1 с. Трубопровод был выполнен в виде кварцевой трубки внутренним диаметром 4 мм и длиной 30 см. Начальная часть трубопровода была заключена в индуктор. Объем внутреннего пространства трубопровода, ограниченного индуктором, составлял 0,2 см³. Остальные элементы установки были выполнены как в примере 1. Значения расхода лежали в диапазоне 1-20 см³/мин. Результаты измерений сравнивались с результатами, полученными с помощью мыльно-пенного расходомера (в диапазоне 10-20 см³/мин). Различие в показаниях не превышало 5%.

ПРИМЕР 3.

Измерялся расход потока воздуха в диапазоне от 0,1 до 2 см³/мин.

Для импульсного энергетического воздействия использовалась импульсная ультрафиолетовая лампа ксенонового наполнения, излучающая континум с максимумом на 172 нм. Излучение лампы выводилось через окно, выполненное из кварца. Лампа питалась от генератора, аналогичного описанному в примере 2. Продолжительность светового импульса составляла 0,05 с. Излучение лампы поступало на входную часть трубопровода, выполненного из кварца и имеющего длину 10 см, внутренний диаметр трубопровода составлял 3 мм. Остальные элементы установки были аналогичны описанным в примере 1. Результаты измерений сравнивались с показания мыльно-пенного расходомера.

ПРИМЕР 4.

Измерялся расход воздушно-метановой смеси с содержанием метана 1%.

Для импульсного энергетического воздействия использовался генератор, описанный в примере 1. Остальные элементы устройства также были аналогичны, описанным в примере 1, за исключением датчика. В качестве датчика использовался фотоионизационный детектор, имеющий высокую чувствительность к оксидам азота. Значения расхода изменялись в диапазоне 100-500 см³/мин. Разница в показаниях испытываемого устройства и мыльно-пенного расходомера составляла менее 2%.

Изобретения могут найти применение в переносных приборах контроля состава газа - газоанализаторах и пробоотборных устройствах. На входе в измерительный трубопровод в контролируемом потоке кислородсодержащего газа возбуждают импульсный электрический разряд для образования озона, служащего индикаторной меткой. С помощью датчика озона, установленного на выходе трубопровода, регистрируют изменение химического состава газа. По сигналам таймера микропроцессорного блока измеряют промежуток времени между образованием и регистрацией индикаторной метки, по которому определяют расход газа. Генератор импульсного разряда выполнен в виде высокочастотного индукционного или емкостного генератора. Изобретения реализуются с помощью простых технических средств и обеспечивают широкий диапазон измерения. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения расхода кислородсодержащего газа путем измерения времени пробега индикаторной меткой известного расстояния в трубопроводе с контролируемым потоком газа, при котором индикаторную метку образуют путем импульсного энергетического воздействия на контролируемый поток газа на входе в трубопровод и регистрируют на выходе трубопровода изменение химического состава газа, вызванное энергетическим воздействием на него, отличающийся тем, что энергетическое воздействие производят путем возбуждения в потоке газа импульсного электрического разряда, а изменение химического состава газа измеряют с помощью датчика озона. 2. Устройство для определения расхода потока кислородсодержащего газа, содержащее измерительный трубопровод, соединенный с каналом для подвода контролируемого газового потока, источник импульсного энергетического воздействия на контролируемый газовый поток, установленный на входе в трубопровод, приспособление для регистрации изменения химического состава газа, вызванного энергетическим воздействием на него, установленное на выходе трубопровода, и приспособление для измерения промежутка времени между импульсным воздействием на поток газа и появлением сигнала об изменении химического состава газа, отличающееся тем, что источник импульсного энергетического воздействия на контролируемый поток газа выполнен в виде генератора импульсного электрического разряда, возбуждаемого в контролируемом газовом потоке, а приспособление для регистрации изменения химического состава газа выполнено в виде датчика озона. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что генератор импульсного разряда выполнен в виде высокочастотного емкостного генератора, охватывающего начальный участок трубопровода. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что генератор импульсного разряда выполнен в виде высокочастотного индукционного генератора, охватывающего начальный участок трубопровода. 5. Устройство по п.2, или 3, или 4, отличающееся тем, что датчик озона выполнен в виде полупроводникового датчика озона.