УСТРОЙСТВО ГАЗОВОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2023 года по МПК G01N27/407 G01N27/416 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности, к переносным малогабаритным и автономным устройствам для анализа газов и может быть использовано при проведении работ по исследованиям газовыделения в герметизированных контейнерах и замкнутых объемах. Также может найти применение в газоаналитических системах и использоваться во всех отраслях промышленности для одновременного измерения основных параметров газовых сред и объемных долей компонентов (например, водорода, кислорода).

Известен газоанализатор для анализа состава газовых смесей (патент РФ №2274855, МПК G01N 27/416, опубл. 20.04.2006). Газоанализатор включает гомогенизатор, измерительные ячейки с установленными в каждой их них измерительным датчиком, причем каждой различной измерительной ячейке установлен измерительный неселективный датчик различного физического принципа действия, имеющий линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов, у каждого из которых устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям. Выходы измерительных датчиков соединены с электронным блоком обработки измеренных напряжений и определения информативных параметров газовой смеси.

Электронный блок обработки измеренных напряжений и определения информативных параметров газовой смеси представляет собой микропроцессорный блок, в память которого записаны градуировочные функции, полученные на газовых смесях известного состава, что является известным и широко используемым техническим решением в технике анализа состава многокомпонентных газовых смесей.

Отбираемые на анализ газовые смеси пропускают через измерительные ячейки, при использовании в каждой различной ячейке измерительного неселективного датчика различного физического принципа действия, имеющего линейную или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов. Количество датчиков, по крайней мере, не меньше количества компонентов газовой смеси, а значения концентраций компонентов газовых смесей определяют на основе заранее известных качественных составов газовых смесей по измеренным величинам электрических сигналов измерительных датчиков и определенных по градуировочным функциям чувствительностям измерительных датчиков относительно каждого конкретного компонента газовой смеси как результат решения системы линейных уравнений, связывающих значения электрических сигналов, чувствительностей датчиков относительно конкретного компонента газовой смеси и концентраций, причем перед пропусканием газовых смесей в измерительные ячейки осуществляют их гомогенизацию.

Данное решение позволяет достаточно просто с использованием небольшого количества измерительных датчиков произвести анализ газовых смесей, которые могут включать большое количество компонентов. Однако данный газоанализатор не имеет возможности дистанционной обработки результатов.

Известен газоанализатор водорода (патент РФ №2371710, МПК G01N 27/14, опубл. 27.10.2009), содержащий сенсорную камеру, выполненную с возможностью присоединения к контролируемому объему. Сенсорная камера содержит датчик и пористую или диффузионную мембранную стенку, селективную к водороду, сенсорная камера заполнена водородочувствительным веществом с экзотермическим откликом, датчик выполнен в виде, по крайней мере, одной термопары или терморезистора. Мембранная стенка выполнена из ударопрочного материала. Сенсорная камера снабжена герметичным патроном с крепежным кронштейном для присоединения ее к контролируемому объему. Данный газоанализатор надежен, прост и достаточно дешев, при этом обладает длительным сроком службы.

Однако:

- использование экзотермического метода определения концентрации водорода приводит к изменению температуры газовой среды;

- не позволяет проводить измерение давления и влажности газовой среды;

- не позволяет проводить измерение концентрации кислорода газовой среды;

- не производит сохранение полученных данных во внутреннюю память газоанализатора.

Известен газоанализатор (патент РФ №84563, МПК G01N 27/416, опубл. 10.07.2009), содержащий съемный сенсорный модуль, включающий последовательно соединенный чувствительный элемент, устройство для предварительной обработки аналогового сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, вторичный прибор, включающий микропроцессор, считывающий информацию с выхода сенсорного модуля. Сенсорный модуль и вторичный прибор выполнены с возможностью соединения между собой через разъемы путем вставки друг в друга. В съемный сенсорный модуль введен блок энергонезависимой памяти, подключенный к микроконтроллеру сенсорного модуля и содержащий данные о всех паспортных и градуировочных параметрах сенсорного модуля, а также о пороговых концентрациях измеряемого газа. Усилитель сенсорного модуля выполнен в виде усилителя с изменяемым коэффициентом усиления, а аналого-цифровой преобразователь модуля выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя с изменяемой разрядностью. Усилитель и аналого-цифровой преобразователь связаны с микроконтроллером сенсорного модуля посредством обратной связи.

Данный газоанализатор обеспечивает простую замену одного типа чувствительного элемента на другой тип чувствительного элемента путем автоматической корректировки параметров элементов сенсорного модуля.

Однако данный газоанализатор:

- не позволяет проводить измерение давления, влажности газовой среды;

- не подходит для использования в гермообъемах с малым свободным объемом;

- не позволяет проводить измерение двух газов одновременно.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является устройство анализа многокомпонентной газовой среды герметизированных контейнеров с электронными приборами, известное из п. РФ №2528273, МПК G01N 27/416, опубл. 10.09.2014. Устройство содержит аналитический блок (аналого-цифровой преобразователь), блок управления (микроконтроллер), аккумуляторный блок питания (модуль электропитания), селективные и неселективные датчики газовых компонентов, датчик давления, а также температуры и влажности и ПК, который соединен с блоком управления (микроконтроллером).

Устройство также содержит пробоотборное устройство, газоанализатор с измерительной ячейкой, снабженными датчиками, регистрирующими параметры анализируемой многокомпонентной газовой среды герметизированных контейнеров. Дополнительно в герметизированном контейнере установлен сменный переходной элемент, одна часть которого постоянного сечения посажена на входной штуцер пробоотборного устройства, а противоположная часть, выполненная с ответной частью, соответствующей сечению штуцера обратного клапана какого-либо из числа анализируемых герметизированных контейнеров, посажена на штуцер обратного клапана контейнера, сменный переходной элемент, газоанализатор, выполненный переносным, измерительная ячейка газоанализатора с измерительными датчиками составляют единую пневматическую цепь с пробоотборным устройством. Измерительная ячейка снабжена селективными и неселективными датчиками для измерения содержания компонентов анализируемой газовой среды и, дополнительно, селективными датчиками для измерения температуры, влажности и давления указанной среды. Газоанализатор подключен посредством электрического соединения своим выходным портом к входному порту переносного компьютера с установленным программным обеспечением, реализующим алгоритм графической и математической обработки текущих значений измеренных параметров, составления БД текущих и БД критических значений параметров и их сравнения, все элементы единой пневмомагистрали совместно с компьютером составляют измерительно-аналитический автоматизированный комплекс.

Данное устройство обеспечивает возможность одновременного измерения температуры, влажности, давления и состава измеряемой многокомпонентной газовой среды герметизированных контейнеров с электронными приборами, а также возможность сравнения текущих параметров этой среды с их критическими значениями, допустимыми для конструкций данного типа.

Однако имеет следующие недостатки:

- не производит сохранение полученных данных во внутреннюю память газоанализатора;

- не имеет возможности дистанционного и автономного режимов работы;

- для эксплуатации требуется непосредственный доступ к элементам управления и индикации;

- включение и выключение газоанализатора производится в ручном режиме;

- изменяет параметры анализируемой газовой среды (при применении в замкнутых объемах), т.к. для анализа требуется производить забор газовой среды из гермообъема.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, - возможность одновременного измерения температуры, влажности, давления и состава измеряемой многокомпонентной газовой среды в гермообъемах без изменения ее состава.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство газового контроля, содержащее аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, модуль электропитания, датчики водорода, кислорода, давления, а также температуры и влажности и ПК с возможностью соединения с микроконтроллером, согласно изобретению снабжено соединенными с микроконтроллером энергонезависимой памятью, часами реального времени и блоком управления питания, который соединен с модулем электропитания, датчики кислорода и водорода через элементы преобразования соединены с аналого-цифровым преобразователем, который соединен с микроконтроллером, соединенным с датчиками давления, температуры и влажности, в корпусе устройства выполнены отверстия, напротив которых расположены датчики.

Всей совокупностью существенных признаков обеспечивается заявленный технический результат. Этого достигли за счет следующего: наличие энергонезависимой памяти позволило сохранять градуировочные характеристики датчиков, параметры и результаты измерений с текущими значениями реального времени, а также позволило использовать ПК периодически, а не постоянно подключенным; выполнение отверстий в корпусе, напротив которых расположены датчики, позволило производить измерения параметров газовой среды без изменения ее состава непосредственно в месте установки устройства; при этом, совместное использование датчиков для измерений параметров газовой среды (абсолютное давление, температура и относительная влажность) и ее состава (концентрация кислорода и водорода), а также использование микроконтроллера и наличие модуля электропитания позволяет осуществлять одновременный контроль параметров и состава многокомпонентной газовой среды в исследуемом гермообъеме. В результате достигли возможности одновременного измерения температуры, влажности, давления и состава измеряемой многокомпонентной газовой среды в гермообъемах без изменения ее состава.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства газового контроля.

На фиг. 2 представлено предлагаемое устройство внутри контролируемого объекта.

Устройство газового контроля (фиг. 1, 2) содержит расположенные в корпусе 1 аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП), элементы преобразования 3, 4 (ЭП), микроконтроллер 5 (МК), модуль электропитания 6 (МЭ), энергонезависимую память 7 (ЭНП), часы реального времени 8 (ЧРВ), блок управления питания 9 (БУП) и датчики водорода 10 (ДВ), кислорода 11 (ДК), давления 12 (ДД), а также влажности и температуры 13 (ДВТ). ДД, ДВТ, АЦП, ЭНП, БУП и ЧРВ соединены с МК 5. ДК 11, ДВ 10 соединены с АЦП 2 через элементы преобразования 3, 4, МЭ 6 соединен с БУП 9. Устройство также снабжено ПК 14 с возможностью подключения к МК 5. В корпусе 1 устройства выполнены отверстия 15, напротив которых внутри корпуса расположены все вышеуказанные датчики.

Устройство газового контроля работает следующим образом. Устройство размещают в контролируемой газовой среде 16 (фиг. 2). Через отверстия, расположенные на боковых поверхностях корпуса устройства, анализируемая газовая среда диффузионно попадает к датчикам, которые производят измерение. Результаты измерений передаются в микроконтроллер 5.

Измерение объемного содержания кислорода и водорода осуществляется с помощью датчиков кислорода 11 и водорода 10 (например, электрохимических), которые вырабатывают выходной сигнал в виде постоянного электрического напряжения, пропорционального парциальному давлению кислорода и водорода в газовой среде. Далее, сигналы усиливаются до необходимого уровня, с помощью элементов преобразования 3 и 4, и подаются на вход АЦП 2 и далее передаются в МК 5.

Все полученные данные, с привязкой к текущему времени, полученным от ЧРВ 8, МК 5 записывает в ЭНП 7.

Преобразование зарегистрированных значений, хранящихся в ЭНП 7 устройства, в значения соответствующих физических величин осуществляется соответствующей программой в процессе получения данных при подключении устройства к ПК 14. Преобразование осуществляется программой с использованием градуировочных коэффициентов, определенных при изготовлении устройства и записанных в его ЭНП 7.

Электропитание устройства газового контроля осуществляется от МЭ 6 (например, электрохимического) с помощью блока управления питанием 9.

По измеренным параметрам определяют объемные доли водорода, кислорода, абсолютного давления, температуры, относительной влажности.

Расчет значения абсолютного давления газовой смеси производится в соответствии с формулой:

где Р- текущее значение абсолютного давления, кПа;

K, В, а₀, a₁, а₂, b₀, b₁, b₂ - коэффициенты, определяемые при градуировке датчика абсолютного давления;

N - значение кода АЦП;

Т - текущее значение температуры, °С.

Расчет значения парциального давления водорода производится в соответствии с формулой:

где - текущее значение парциального давления водорода, кПа;

K, В, а₀, a₁, а₂, b₀, b₁, b₂ - коэффициенты, определяемые при градуировке датчика водорода;

N - значение кода АЦП;

T - текущее значение температуры, °С.

Преобразование значения парциального давления водорода в значение объемной доли водорода производится в соответствии с формулой:

где - значение объемной доли водорода, %;

- значение парциального давления водорода, кПа;

Р - текущее значение абсолютного давления измеряемой газовой среды, кПа.

Расчет значения парциального давления кислорода производится в соответствии с формулой:

где - текущее значение парциального давления кислорода, кПа;

K, В, а₀, a₁, а₂, b₀, b₁, b₂ - коэффициенты, определяемые при градуировке датчика кислорода;

N - значение кода АЦП;

Т - текущее значение температуры, °С.

Преобразование значения парциального давления кислорода в значение объемной доли кислорода производится в соответствии с формулой:

где - значение объемной доли кислорода, %;

- значение парциального давления кислорода, кПа;

Р - текущее значение абсолютного давления измеряемой газовой среды, кПа.

Расчет значений относительной влажности и температуры производится в соответствии с формулой:

где ƒ - рассчитываемая величина;

K, В - коэффициенты, определяемые при градуировке датчика температуры или датчика относительной влажности;

N - значение кода АЦП.

Обработка результатов измерений производится автоматически в соответствии с формулами, с использованием программного обеспечения.

Таким образом, использование устройства контроля газовой среды позволит производить одновременное, автоматическое, автономное определение объемной доли водорода, кислорода, абсолютного давления, относительной влажности, температуры многокомпонентной газовой среды в гермообъемах без изменения ее состава.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, экспериментально подтверждена работоспособность устройства контроля газовой среды и способность достижения указанного технического результата. Средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в газоаналитических системах, для контроля газовой атмосферы в помещениях промышленных предприятий с опасными условиями производства, в частности для обеспечения водородной взрывобезопасности, в научных исследованиях, в том числе для исследования газовыделения в замкнутых объемах и определения коррозийного состояния испытуемых конструкций, обеспечивающий сбор данных о концентрации токсичных и взрывоопасных веществ.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к переносным малогабаритным и автономным устройствам для анализа газов, и может быть использовано при проведении работ по исследованиям газовыделения в герметизированных контейнерах и замкнутых объемах. Устройство газового контроля содержит аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, модуль электропитания, датчики водорода, кислорода, давления, а также температуры и влажности и ПК с возможностью соединения с микроконтроллером. Устройство согласно изобретению содержит соединенные с микроконтроллером энергонезависимую память, часы реального времени и блок управления питанием, который соединен с модулем электропитания, при этом датчики кислорода и водорода через элементы преобразования соединены с аналого-цифровым преобразователем, который соединен с микроконтроллером, соединенным с датчиками давления, температуры и влажности. В корпусе устройства выполнены отверстия, напротив которых расположены датчики. Изобретение обеспечивает возможность одновременного измерения температуры, влажности, давления и состава измеряемой многокомпонентной газовой среды в гермообъемах без изменения ее состава. 2 ил.

Устройство газового контроля, содержащее аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, модуль электропитания, датчики водорода, кислорода, давления, а также температуры и влажности и ПК с возможностью соединения с микрокронтроллером, отличающееся тем, что снабжено соединенными с микроконтроллером энергонезависимой памятью, часами реального времени и блоком управления питания, который соединен с модулем электропитания, датчики кислорода и водорода через элементы преобразования соединены с аналого-цифровым преобразователем, который соединен с микроконтроллером, соединенным с датчиками давления, температуры и влажности, в корпусе устройства выполнены отверстия, напротив которых расположены датчики.