Способ и автоматическая система калибровки газоанализаторов с применением источников микропотока Российский патент 2020 года по МПК G01W1/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газоаналитическим измерениям, и может быть использовано при решении задач мониторинга состояния и состава атмосферы.

Известен [RU 49288 U1, 2005], в котором раскрыт пост экологического контроля воздуха и описан способ обеспечения метрологических параметров газоанализатора, которые обеспечиваются встроенным калибратором. Калибровка, производимая с помощью поверочных газовых смесей (ПГС), проводится для проверки достоверности результатов, получаемых от газоанализаторов. Периодичность калибровки определяется оператором. При этом калибровка осуществляется следующим образом. При калибровке газоанализаторов по сигналу оператора устройство коммутации газовых потоков переключает газоанализаторы с пробоотборного зонда «Атмосфера» на баллоны со стандартными поверочными газовыми смесями (ПГС). При этом смесь из баллонов, например СО, поступает на генератор-разбавитель газовых смесей, который разбавляет ее воздухом (чистый воздух поступает из баллона) до определенной концентрации. Далее смесь заданной концентрации поступает на газоанализаторы. Затем известная концентрация смеси от генератора-разбавителя газовых смесей сравнивается с показаниями газоанализатора. Калибровка производится с помощью источника микропотока, имеющегося в газоанализаторе.

Недостатками вышеописанного аналога являются:

- наличие в калибровочном тракте генератора-разбавителя, который вносит дополнительную погрешность;

- постоянное использование для калибровки дорогостоящей эталонной газовой смеси.

В качестве ближайшего технического решения выбрана автоматическая система, калибровки газоанализаторов с помощью источников микропотока, раскрытая в статье [Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Пестунов Д.А., Покровский Е.В., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Посты для мониторинга парниковых и окисляющих атмосферу газов. Оптика атмосферы и океана, 20, №1, 2007, 53-61]. Калибровка осуществляется при помощи как смеси с нулевым содержанием SO₂ и NO₂, так и калибровочной смесью известной концентрации получаемой при помощи источников микропотока. Для реализации калибровочного процесса известная система содержит, баллон с азотом, который используется в качестве смеси с нулевым содержанием SO₂ и NO₂, термостаты с источниками микропотока, обеспечивающие создание калибровочной смеси известной концентрации, воздушные магистрали с установленными в них программно - управляемыми двухпозиционными клапанами для коммутации воздушных потоков, насосы, осуществляющие подачу в воздушные магистрали одного из источников воздушной смеси: пробы атмосферного воздуха или воздушной смеси с нулевым содержанием SO₂ и NO₂, и калибровочной смеси известной концентрации.

К недостаткам описанного в вышеприведенном документе технического решения относятся:

- в системе насосы, побуждающие расход и доставляющие воздух для анализа, расположены после приборов, что, во-первых, не является достаточным условием для обеспечения стабильного давления на входе газоанализаторов поскольку магистрали, по которым подаются газовые смеси имеют различную протяженность, а следовательно и сопротивление, а во-вторых лишает возможности изменять скорость прокачки воздушной смеси через термостат с источником микропотока, поскольку при данной компоновке расход воздушной смеси через термостат определяется расходом через газоанализатор.

- в системе, для каждого источника микропотока, используется отдельный термостат, что приводит к удорожанию и усложнению системы.

Задача изобретения - разработать автоматическую систему и способ калибровки газоанализаторов, позволяющий с высокой точностью осуществлять измерение концентрации в атмосферном воздухе, таких газов как: диоксид серы (SO₂), и оксиды азота (NO_x), преимущественно входящих в систему мониторинга состояния и состава атмосферы.

Поставленная задача достигается тем, что как и известный предлагаемый способ автоматической калибровки газоанализаторов включает:

- подачу смеси с нулевым содержанием SO₂ и NO₂ и калибровочной смеси известной концентрации получаемой при помощи источников микропотока на газоанализатор поочередно с пробами атмосферного воздуха в автоматическом режиме с использованием программно - управляемых клапанов.

Новым является то, что подача нулевой и калибровочной смесей, а также проб атмосферного воздуха, с двух высотных уровней, осуществляется при помощи нагнетающих насосов.

При этом объем, подаваемой воздушной смеси, на вход газоанализаторов, превышает значение расхода самих газоанализаторов.

Кроме того на входе каждого прибора организован сброс излишков воздуха, контролируемый электронным измерителем расхода.

При этом, для получения смеси с нулевым содержанием SO₂ и NO₂ применены скрубберы.

Кроме того, в процессе калибровки существует возможность изменять концентрацию калибровочной смеси получаемой при помощи источников микропотока.

При этом в системе используется один термостат для двух различных источников микропотока.

Поставленная задача достигается тем, что, как и известная предлагаемая автоматическая система калибровки газоанализаторов содержит программно - управляемые двухпозиционные клапаны, установленные в воздушных магистралях для коммутации воздушных потоков, насосы, осуществляющие подачу в систему одного из источников воздушной смеси: пробы атмосферного воздуха или поверочной газовой смеси.

Новым является то, что в системе подача нулевой и калибровочной смесей, а также проб атмосферного воздуха, с двух высотных уровней, осуществляется при помощи нагнетающих насосов.

Кроме того, в системе организован сброс излишков воздуха, контролируемый электронным измерителем расхода..

Система так же содержит скрубберы, для получения нулевой смеси и очистки отработанных калибровочных смесей от содержащихся в них токсичных примесей SO₂ и NO₂.

Предлагаемый способ и автоматическая система калибровки, основана на использовании программно - управляемых двухпозиционных клапанов, осуществляющих подачу одного из источников газовой смеси в газоанализаторы: пробы атмосферного воздуха с двух высотных уровней, газовая смесь с нулевым содержанием SO₂ и NO₂, калибровочная смесь известной концентрации, получаемая с использованием источников микропотока. Насосы, доставляющие пробу с верхнего и нижнего высотных уровней работают в непрерывном режиме, нагнетая воздух в так называемые ресиверы, из которых проба через систему клапанов подается в газоанализаторы. Нулевая смесь получается при прохождении воздуха забираемого непосредственно из помещения через скруббер, калибровочная при прохождении через скруббер и кюветы в которых находятся источники микропотока. Конструктивно кюветы с источниками микропотока находятся в одном термостате, который обеспечивает заданную температуру. Газоанализаторы, применяемые для измерения NO_x и SO₂, имеют собственные побудители расхода. Поэтому газовая смесь подается на вход прибора в избыточном количестве, в связи с этим на входе каждого прибора организован сброс излишков воздуха, контролируемый электронным измерителем расхода.

Подача воздушной смеси в газоанализаторы осуществляется посредством создания избыточного давления в подводящих воздушных трактах. Газоанализаторы, применяемые для измерения NO_x и SO₂, имеют собственные побудители расхода, в связи с этим существует необходимость обеспечения одинаковых условий на входах газоанализаторов при наличии различных источников воздушной смеси.

В предлагаемой системе для решения этой проблемы использованы нагнетающие насосы и организован контролируемый сброс избытков воздушной пробы непосредственно на входах газоанализаторов. При этом, поскольку газоанализаторы обладают собственными побудителями расхода, нет необходимости точного контроля давления на входе каждого газоанализатора.

Изобретение поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 приведена функциональная схема автоматической системы калибровки газоанализаторов SO₂ и NO_x с использованием газовая смеси с нулевым содержанием SO₂ и NO₂ и калибровочной смеси известной концентрации.

На фиг. 2 приведена временная диаграмма концентрации SO₂ в процессе калибровки.

На фиг. 3 приведена временная диаграмма концентрации NO_x в процессе калибровки.

Предлагаемая автоматическая система калибровки газоанализаторов, приведенная на фиг. 1 содержит термостат 1, внутри которого размещены источники микропотока (SO₂) 2 и (NO₂) 3. Подача воздушной смеси в термостат осуществляется насосом 4 с использованием регуляторов расхода 5 и 6, клапанов 7, 8, 9, 10 и скрубберов 11, 12, предназначенных для создания нуль-газа. Клапаны 13, 14, 15 и 16 служат для подачи поверочной газовой смеси в газоанализаторы диоксида серы 17 и оксидов азота (NO_x) 18. Для очистки воздушной смеси от содержащихся в ней токсичных примесей SO₂ и NO₂ в системе используется скруббер 19. Электронные измерители расхода 20 и 21 предназначены для контроля сброса избытков ПГС на входах газоанализаторов 17 и 18. Для подачи пробы атмосферного воздуха используется воздушная магистраль, содержащая насосы 22 и 23, ресиверы 24 и 25, а также клапаны 26 и 27.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Для подачи калибровочной смеси используются воздушные магистрали, содержащие насос 4, регуляторы расхода 5 и 6, клапаны 7 и 8, скрубберы 11 и 12, клапаны 9, 10, термостат 1 с источниками микропотока 2 и 3, клапана 13, 14, 15, 16. Подача нулевой смеси осуществляется по тому же пути, что и калибровочная смесь, минуя термостат и клапаны 13 и 14.

Процесс измерения и калибровки осуществляется следующим образом: ХХч 00мин насос 4 через регуляторы расхода 5 и 6, клапаны К7, 8, 9, 10, 13 и 14 обеспечивает продув кювет с источниками микропотока 2 и 3. Для экономии ресурса скрубберов 11 и 12 продув осуществляется неочищенным воздухом минуя скрубберы. Подача пробы осуществляется через клапаны 26, 27, 15, 16 с XXч 00мин до ХХч 20мин - проба с первого высотного уровня, с ХХч 20мин до ХХч 40мин - проба со второго высотного уровня В XXч 40мин клапаны 7 и 8 направляют потоки через скрубберы 11, 12 и далее очищенный воздух (нулевая смесь) попадает через клапаны 9, 15 и 10, 16 на входы газоанализаторов. В XXч 50мин через клапаны 7, 8, скрубберы 11, 12, клапаны 9, 10, 13, 14 происходит продувка кювет с капсулами нулевой смесью, в XXч 51мин клапаны 13 и 14 переключаются, и калибровочная смесь через 15, 16 подается на входы приборов. В XXч 00мин цикл повторяется.

Для подтверждения технического результата были проведены сравнительные измерения концентраций SO₂ и NO₂. Пример результатов восстановления концентраций SO₂ и NO₂ в ходе одного калибровочного цикла представлены в таблице 1 и в графическом виде фиг. 2 и фиг. 3.

Таблица 1 Пример результатов калибровки газоанализаторов Thermo Environmental Instruments Model 42iTL и Model 43i-TLE в ходе одного измерительного цикла

Газ С _ПС, млрд^-1 C _{Model 43i}, млрд^-1 * σ, млрд^-1* C _{Model 43i}, млрд^-1 ** σ, млрд^-1 ** SO₂ 0 3,1 ±0,02 0,1 ±0.02 34,287 34,7 ±0,02 34.3 ±0.02 Газ С _ПС, млрд^-1 C _{Model 42i}, млрд^-1 * σ, млрд^-1 * C _{Model 42i}, млрд^-1 ** σ, млрд^-1 ** NO₂ 0 6,2 ±0,03 -0,1 ±0.05 101,338 82,7 ±0,04 101.3 ±0.05

С_ПС - концентрация поверочной смеси.

* средние показания газоанализаторов Model 43i-TLE и Model 42iTL за 10 мин во время проведения калибровки с целью определения поправочных коэффициентов; σ - среднеквадратическое отклонение;

** средние показания газоанализаторов Model 43i-TLE и Model 42iTL за 10 мин после внесения поправочных коэффициентов; σ - среднеквадратическое отклонение.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газоаналитическим измерениям, и может быть использовано для мониторинга состояния и состава атмосферы. Способ автоматической калибровки газоанализаторов включает подачу смеси с нулевым содержанием SO₂ и NO_2, калибровочной смеси известной концентрации, получаемой при помощи источников микропотока, на газоанализатор поочередно с пробами атмосферного воздуха в автоматическом режиме с использованием программно-управляемых клапанов, при этом подача нулевой и калибровочной смеси, а также проб атмосферного воздуха, с двух высотных уровней, осуществляется при помощи нагнетающих насосов, при этом объем подаваемой воздушной смеси на вход газоанализаторов превышает значение расхода самих газоанализаторов. Техническим результатом является разработка автоматической системы и способа калибровки газоанализаторов, позволяющий с высокой точностью осуществлять измерение концентрации в атмосферном воздухе, таких газов как: диоксид серы (SO₂) и оксид азота (NO₂). 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ автоматической калибровки газоанализаторов, включающий следующие шаги: подачу смеси с нулевым содержанием SO₂ и NO₂, калибровочной смеси известной концентрации, получаемой при помощи источников микропотока, на газоанализатор поочередно с пробами атмосферного воздуха в автоматическом режиме с использованием программно-управляемых клапанов, отличающийся тем, что подача нулевой и калибровочной смеси, а также проб атмосферного воздуха, с двух высотных уровней, осуществляется при помощи нагнетающих насосов, при этом объем подаваемой воздушной смеси на вход газоанализаторов превышает значение расхода самих газоанализаторов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на входе каждого прибора организован сброс излишков воздуха, контролируемый электронным измерителем расхода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения смеси с нулевым содержанием SO₂ и NO₂ используются скрубберы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе калибровки существует возможность изменять концентрацию калибровочной смеси, получаемой при помощи источников микропотока, при этом используется один термостат для двух различных источников микропотока.

5. Автоматическая система калибровки газоанализаторов, содержащая программно- управляемые двухпозиционные клапаны, установленные в воздушных магистралях для коммутации воздушных потоков, насосы, осуществляющие подачу в систему одного из источников газовой смеси, отличающаяся тем, что в системе подача нулевой и калибровочной смеси, а также проб атмосферного воздуха, с двух высотных уровней, осуществляется при помощи нагнетающих насосов.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что в системе организован сброс излишков воздуха.

7. Система по п. 5, отличающаяся тем, что она содержит скрубберы для очистки отработанных калибровочных смесей и получения нулевой смеси.