ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2008 года по МПК G01N27/64 

Изобретение относится к устройствам для контроля примесей в газовых смесях с использованием преимущественно фотоионизационного детектора.

Известен газоанализатор, содержащий газовую линию, в которой установлены фотоионизационный детектор и побудитель расхода. Газовая линия соединена с источником анализируемой газовой смеси, например с окружающим воздухом (см. патент РФ 2298177, G01N 27/64, 2007).

Хотя известный газоанализатор имеет высокую чувствительность и успешно решает многие задачи мониторинга воздуха, диапазон измерения газоанализатора не выходит за пределы нескольких тысяч мг/м³. Это ограничивает его применение при высоких концентрациях измеряемых веществ, имеющих место, например, на выходе технологических аппаратов в химической промышленности, при разливах нефтепродуктов в закрытых помещениях и т.д.

Наиболее близким к предлагаемому газоанализатору по совокупности существенных признаков является газоанализатор, содержащий газовую линию, в которой установлен детектор и побудитель расхода и адсорбер-поглотитель. Газовая линия, в которой установлен детектор, непосредственно соединена с источником анализируемой газовой смеси (см. патент РФ 2293311, G01N 27/64, 2007).

Данный газоанализатор, принятый за прототип, также обладает ограниченным диапазоном измерения концентраций.

Задача изобретения состояла в расширении диапазона измерения в сторону измерения повышенных концентраций измеряемых веществ (вплоть до нескольких процентов) путем контролируемого их разбавления.

Указанная задача решается тем, что предложен газоанализатор, содержащий газовую линию, в которой установлен детектор и побудитель расхода, адсорбер-поглотитель, и газовую линию, соединенную с источником анализируемой газовой смеси, в который согласно изобретению введены по меньшей мере две калиброванные по объему емкости, одна из которых установлена в газовой линии, в которой установлен детектор, а вторая установлена в газовой линии, соединенной с источником анализируемой газовой смеси, побудитель расхода, установленный в газовой линии, соединенной с источником анализируемого газа, управляемые запорные элементы для прерывания потока анализируемой газовой смеси через калиброванную емкость, установленную в газовой линии, соединенной с источником анализируемого газа, и переключатель потоков, осуществляющий поочередное подключение адсорбера-поглотителя и калиброванной емкости, установленной в газовой линии, соединенной с источником анализируемой газовой смеси, к газовой линии, в которой установлен детектор.

Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения газоанализатора обеспечивается возможность контролируемого разбавления концентрации измеряемых компонентов в анализируемой газовой смеси, вводимой в газовую линию, в которой установлен детектор.

Другим отличием газоанализатора является то, что в него введена дополнительная калиброванная по объему емкость, установленная параллельно газовой линии, в которой установлен детектор, и отделенная от этой линии управляемыми запорными элементами.

Еще одним отличием газоанализатора является то, что запорные элементы для прерывания потока анализируемого газа через калиброванную емкость, установленную в газовой линии, соединенной с источником анализируемой газовой смеси, и запорные элементы, отделяющие дополнительную калиброванную емкость от газовой линии, в которой установлен детектор, выполнены в виде электромагнитных клапанов.

Технический результат изобретения состоит в том, что в предложенном газоанализаторе обеспечивается возможность контролируемого разбавления анализируемой газовой смеси газовой смесью, очищенной фильтром-поглотителем. В результате такого разбавления происходит уменьшение концентрации измеряемых компонентов до величины, находящейся в диапазоне измерения газоанализатора. Это позволяет расширить диапазон измерения газоанализатора в сторону высоких концентраций.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 изображена принципиальная схема газоанализатора в период подготовки газоанализатора к анализу.

На Фиг.2 изображена принципиальная схема газоанализатора в период, когда в газовую линию детектора осуществляется ввод дозированного количества анализируемой газовой смеси.

На Фиг.3 изображена схема газоанализатора с подключением дополнительной калиброванной емкости.

Газоанализатор содержит газовую линию 1, в которой последовательно установлены детектор 2, например фотоионизационный детектор, и побудитель 3 расхода газа. В газовой линии 1 установлена калиброванная по объему емкость 4, имеющая объем V₁. Параллельно участку газовой линии 1 может быть установлена дополнительная калиброванная по объему дополнительная емкость 5, отделенная от газовой линии 1 с помощью запорных клапанов 6 и 7. Газоанализатор содержит также отдельную газовую линию 8, соединенную с источником анализируемой газовой смеси (воздухом), в которой установлен дополнительный побудитель 9 расхода. В этой линии 8 установлена вторая калиброванная по объему емкостью, имеющая объем V₂, меньший объема V₁ калиброванной по объему емкости 4. В газовой линии 8 установлены также управляемые запорные элементы 11 и 12, предназначенные для прерывания потока анализируемой газовой смеси через калиброванную емкость 10. Газоанализатор содержит также адсорбер-поглотитель 13, представляющий собой емкость, заполненную частицами сорбента, поглощающего измеряемые компоненты и влагу (например, активированный уголь и силикагель). Газоанализатор снабжен переключателем потоков 14, выполненным, например, в виде набора электромагнитных клапанов 15, 16, 17, 18, с помощью которых осуществляется поочередное подключение адсорбера-поглотителя 13 и калиброванной емкости 10 в газовую линию 1, соединенную с детектором 2. В участок газовой линии 1, параллельный дополнительной емкости 5, включен запорный клапан 19, предназначенный для прерывания потока через участок при переключении его протекания через дополнительную калиброванную емкость 5. Запорные элементы 6, 7, 11, 12 и 19 могут быть выполнены в виде электромагнитных клапанов.

Газоанализатор имеет два режима работы. В первом режиме осуществляется забор пробы и одновременно происходит очистка измерительного тракта газоанализатора и подготовка его к измерениям. Этот режим характеризуется тем (см. фиг.1), что открыты запорные элементы 11 и 12 и поток анализируемого газа с помощью побудителя 9 расхода пропускается через калиброванную емкость 10, заполняя ее. При этом открыты запорные элементы 15 и 17, соединяющие адсорбер-поглотитель 13 с газовой линией 1. Поток газа циркулирует под действием побудителя 3 расхода в газовой линии 1, проходя через адсорбер-поглотитель 13, калиброванную емкость 4 и детектор 2. При этом происходит очистка газа (воздуха) от измеряемых компонентов и влаги, сохранившихся в газовом потоке от предыдущего режима работы. Фотоионизационный детектор в течение этого режима производит измерение концентрации компонентов, которая уменьшается по мере поглощения их адсорбером-поглотителем 13. После поглощения всех измеряемых компонентов (на это требуется несколько десятков секунд) фотоионизационный детектор 2 показывает нулевое значение. Следует отметить, что в этом режиме работы запорный элемент 19 открыт, а запорные элементы 16 и 18, а также элементы 6 и 7 закрыты.

После достижения "нулевого сигнала" детектора 2 газоанализатор переводится во второй режим работы (фиг.2), когда запорные элементы 11 и 12, а также запорные элементы 15 и 17 закрываются и открываются запорные элементы 16 и 18, соединяющие калиброванную емкость 10, заполненную анализируемой газовой смесью с газовой линией 1, соединенной с детектором 2. Запорный элемент 19 остается открытым. При этом дозированное количество анализируемой газовой смеси газа вводится в линию 1 путем подключения к ней калиброванной емкости 10, где разбавляется предварительно очищенным газом (воздухом), содержащимся в калиброванной емкости 4 и других объемах, включенных в газовую линию 1, включая внутренний объем детектора 2, побудителя 3 расхода и всех трубопроводов, составляющих газовую линию 1. Процесс разбавления происходит за время, требуемое для достижения одинаковой концентрации во всем объеме газовой смеси, и определяется объемом смеси и производительностью побудителя 3 расхода, осуществляющего размешивание. После стабилизации сигнала величина, регистрируемая газоанализатором, фиксируется и используется для вычисления концентрации измеряемых веществ.

Величина концентрации измеряемых компонентов С определяется по формуле С=А×K, где А - показания газоанализатора, K - коэффициент разбавления. Коэффициент разбавления K₁ концентрации измеряемых компонентов может быть рассчитан по формуле:

K₁=(V₁+V₂+V₃)/V₂,

где V₁ - объем калиброванной емкости 4, установленной в газовой линии 1, V₂ - объем калиброванной емкости 10, заполняемой анализируемой газовой смесью, V₃ - суммарный внутренний объем всех других элементов, входящих в газовую линию 1. При этом объемы V₁ и V₂ известны из условий калибровки выбираемых емкостей, причем большим измеряемым концентрациям должно соответствовать большее значение V₁/V₂. Объем V₃ может быть измерен или рассчитан исходя из геометрических размеров элементов, входящих в газовую линию 1.

В тех случаях, когда измерение или расчет затруднены, что может иметь место для внутренних объемов детектора 2 и побудителя 3 расхода, возможно экспериментальное определение коэффициента K₁ путем подачи анализируемой смеси с известным содержанием измеряемого компонента

Отношение величины концентрации измеряемого компонента в смеси к величине концентрации, измеренной детектором 2, равно величине коэффициента разбавления K₁.

Если в результате измерения будет установлено, что, несмотря на разбавление, измеряемая величина выходит за величину верхнего предела измерения газоанализатора, газоанализатор переводится в режим работы, соответствующий фиг.3. Этот режим характеризуется тем, что запорные элементы 6 и 7 открыты, а запорный элемент 19 закрыт. В результате дополнительная калиброванная емкость 5, имеющая объем V₄, заполненный предварительно очищенным газом (воздухом), добавляется к объемам V₁ и V₃, в которых происходит процесс разбавления. Это приводит к увеличению коэффициента разбавления, который в этом случае рассчитывается по формуле K₂=(V₁+V₂+V₃+V₄)/V₂. Определение объема V₄ производится аналогично тому, как это делается для объемов V₁ и V₂. После стабилизации сигнала и фиксирования концентрации газоанализатор переводится в режим работы, соответствующий фиг.1, с тем отличием, что запорные элементы 6 и 7 также открыты. После достижения нулевого сигнала запорные элементы 6 и 7 закрываются и газоанализатор переходит в режим, полностью соответствующий фиг.1.

Таким образом, используя дополнительные калиброванные емкости большого объема, можно измерять практически сколь угодно высокие значения концентраций. Отметим, что при этом измерение производится с помощью газоанализатора, имеющего обычный диапазон измерения, не требующий градуировки при больших концентрациях, что снимает ряд серьезных технических проблем, связанных с отсутствием соответствующих газовых смесей.

Пример

Производится измерение концентрации паров нефтепродуктов в помещении насосной. Фотоионизационный детектор, аналогичный тому, что использован в качестве прототипа, и имеющий верхний предел измерения 2000 мг/м³, показывает фиксированное максимальное значение, что говорит о том, что измеряемая концентрация выше верхнего предела. Разработанный газоанализатор был отградуирован по нефтепродуктам в том же диапазоне измерений. Величины K₁ и K₂ были определены экспериментальным путем с помощью поверочной смеси гексан-воздух и составляли соответственно 5,5 и 11, 8. При введении калиброванной емкости V₁ измеряемая величина оказалась также выше верхнего предела.

При введении дополнительной калиброванной емкости V₄ показания газоанализатора составили 1560 мг/м³, что соответствует измеряемой концентрации 18408 мг/м³.

Газоанализатор содержит газовую линию (1), в которой установлены фотоионизационный детектор (2) и побудитель (3) расхода газа, адсорбер-поглотитель (13), и газовую линию (8), соединенную с источником анализируемого газа, в который согласно изобретению введены по меньшей мере две калиброванные по объему емкости (4) и (10), одна из которых (4) установлена в газовой линии (1), а вторая (10) установлена в газовой линии (8), дополнительный побудитель (9) расхода газа, установленный в газовой линии (8), управляемые запорные элементы (11) и (12) для прерывания расхода анализируемого газа через калиброванную емкость (10), причем входы и выходы калиброванной емкости (10) и адсорбера-поглотителя (13) соединены с газовой линией (1) через переключатель (14) потоков, осуществляющий поочередное подключение калиброванной емкости (10) и адсорбера-поглотителя (13) к газовой линии (1). Изобретение обеспечивает расширение диапазона измерения в сторону измерения повышенных концентраций измеряемых веществ (вплоть до нескольких процентов) путем контролируемого их разбавления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газоанализатор, содержащий газовую линию, в которой установлен детектор и побудитель расхода, адсорбер-поглотитель, и газовую линию, соединенную с источником анализируемой газовой смеси, отличающийся тем, что в него введены по меньшей мере две калиброванные по объему емкости, одна из которых установлена в газовой линии, в которой установлен детектор, а вторая установлена в газовой линии, соединенной с источником анализируемой газовой смеси, дополнительный побудитель расхода, установленный в газовой линии, соединенной с источником анализируемой газовой смеси, управляемые запорные элементы для прерывания потока анализируемой газовой смеси через калиброванную емкость, установленную в газовой линии, соединенной с источником анализируемой газовой смеси, причем входы и выходы калиброванной емкости, установленной в линии анализируемой газовой смеси, и адсорбера-поглотителя, соединены с газовой линией, в которой установлен детектор, через переключатель потоков, осуществляющий поочередное подключение калиброванной емкости и адсорбера-поглотителя к газовой линии, в которой установлен детектор, и отделены от нее управляемыми запорными элементами.2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что в него введена дополнительная калиброванная по объему емкость, установленная параллельно газовой линии, в которой установлен детектор.3. Газоанализатор по п.2, отличающийся тем, что запорные элементы газоанализатора выполнены в виде электромагнитных клапанов.