ЯЧЕЙКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАЗОВ В ПОТОКЕ Российский патент 2024 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к технике проведения анализа газов в потоке воздуха или других газах для экспресс-анализа опасных газов без их пробоотбора и подготовки в режиме «in-line».

Известны ячейки детектирования газов в потоке воздуха для проведения лабораторных исследований [Пат. RU 2288468 С1, МПК G01N 27/12. Универсальная пьезосорбционная ячейка детектирования / Киселев А.А., Нифталиев С.И. и др. №2005121762/28, заявл. 11.07.2005; опубл. 27.11.2006; Пат. RU 2267775 С2, МПК G01N 1/00, G01N 27/12. Газоанализатор на основе матрицы пьезосенсоров / Кучменко Т.А. №2004106385/28, заявл. 04.03.2004; опубл. 10.01.2006]. Известные конструкции предусматривают принудительную подачу газовых смесей в ячейку детектирования через патрубки с помощью шприца или путем прокачивания их насосом по газопроводящим трубкам с постоянной контролируемой скоростью потока. Такие ячейки детектирования не применимы для непрерывного автоматического детектирования газов в реальных условиях, в том числе в газопроводах, на выходе из вентиляционных шахт и др.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является миниатюрная ячейка детектирования газов в потоке на основе одного или нескольких пьезосенсоров, включающая корпус с крышкой, на которой расположены держатели для пьезосенсора (или нескольких пьезосенсоров) с чувствительными пленочными покрытиями для адсорбции компонентов газовой смеси, миниатюрную схему возбуждения колебаний. Корпус ячейки детектирования выполнен в виде полой полусферы с рядами отверстий, расположенными с двух сторон параллельно потоку воздуха, в качестве устройства для возбуждения колебаний, регистрации и преобразования сигнала пьезосенсоров и передачи его на цифровое табло или пункт сбора информации применяется микропроцессор. Корпус и крышка ячейки детектирования выполнены из фторопласта, чтобы обеспечить устойчивость корпуса и измерительного элемента в агрессивных средах, плотное соединение крышки и ячейки детектирования без резьбы, при этом пьезосенсор (пьезосенсоры) и отверстия в ячейке расположены в линию, что определяет максимальную эффективность сорбции детектируемых газов из потока на поверхности пьезосенсора [RU 2374632 С1, МПК G01N 27/00. Миниатюрная ячейка детектирования газов в потоке / Кучменко Т.А., Умарханов Р.У. №2008140005/28, заявл. 08.10.2008; опубл. 27.11.2009].

Недостатком существующей ячейки детектирования является низкая надежность детектирования опасных газов и невозможность их определения в потоке воздуха (или потоке других газов) при перепадах давления и влажности.

Техническая задача заключается в том, что конструкция ячейки детектирования газов в потоке должна обеспечивать непрерывное надежное определение газов при перепадах давления потока воздуха и влажности среды.

Технический результат достигается тем, что известная ячейка детектирования газов в потоке на основе одного или нескольких пьезосенсоров, включающая корпус с крышкой, на которой расположены держатели для пьезосенсора (пьезосенсоров) с чувствительными пленочными покрытиями для адсорбции компонентов газовой смеси, микропроцессор для возбуждения колебаний, регистрации и преобразования сигнала пьезосенсоров и передачи его на цифровое табло или пункт сбора информации, оснащается на входе потока газа дополнительной камерой с двумя сужающимися каналами, первый из которых съемный, он заполнен осушителем воздуха, второй служит входом потока газов в ячейку детектирования, патрубки ввода и вывода потока газов расположены в верхней и нижней части ячейки детектирования на противоположных ее сторонах, а один из пьезосенсоров не покрыт чувствительным пленочным покрытием и служит пьезосенсором сравнения.

Сущность изобретения заключается в том, что ячейка детектирования газов в потоке оснащается на входе потока газа дополнительной камерой с двумя сужающимися каналами, первый из которых съемный, он заполнен осушителем воздуха, второй служит входом потока газов в ячейку детектирования, патрубки ввода и вывода потока газов расположены в верхней и нижней частях ячейки детектирования на противоположных ее сторонах, а один из пьезосенсоров не покрыт чувствительным пленочным покрытием и служит пьезосенсором сравнения.

Перепады давления и влажности воздуха, а также расположения патрубков ввода-вывода газов оказывают значительное влияние на надежность и саму возможность микровзвешивания газов [Кучменко Т.А., Умарханов Р.У. и др. Разработка датчика, газоанализатора и детектора аммиака на основе пьезосенсора // Журнал аналитической химии. 2012. Т. 67. №11. С. 1032; Кочетова Ж.Ю., Базарский О.В. и др. Определение влажности воздуха в широком диапазоне температур и концентраций // Аналитика и контроль. 2012. Т. 16. №1. С. 53]. При детектировании газов в потоке чувствительность микровзвешивания по сравнению со стационарным режимом снижается до 95%. Перепады давления в системе приводят к скачкообразному изменению аналитического сигнала и ложному срабатыванию датчиков. Это явление возможно устранить путем дросселирования газов - понижения их давления при протекании через сужение проходного канала трубопровода [Сивухин Д.В. Общий курс физики. М.: Наука, 1975. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. 519 с.]. Пары воды являются основным мешающим фактором при микровзвешивании газов, так как в той или иной степени они адсорбируются на пленочных покрытиях пьезосенсоров любой природы. При высокой влажности воздуха молекулы воды занимают активные сорбционные центры пленок и препятствуют сорбции анализируемых газов. Низкое содержание паров воды приводит к искажению аналитического сигнала и снижению точности микровзвешивания. Для устранения этого фактора в классической хроматографии и пьезосенсорном лабораторном анализе поток воздуха перед вводом в систему разделения и детектирования осушают с помощью оксида алюминия, молекулярных сит, силикагеля и других осушителей газов [Основные осушители. URL: http://orgchemlab.com/drving/drying-agents.html]. Расположение патрубков «ввода-вывода» газа влияет на равномерность его распределения по объему ячейки, время его пребывания в ячейке детектирования, а, следовательно, и на полноту сорбции и точность анализа. Расположение патрубков в ячейке детектирования на разном уровне относительно пьезосенсоров является оптимальным, как указано в [Пат. RU 2288468 С1, МПК G01N 27/12. Универсальная пьезосорбционная ячейка детектирования / Киселев А.А., Нифталиев С.И. и др. №2005121762/28, заявл. 11.07.2005; опубл. 27.11.2006]. Пьезосенсор сравнения не покрыт чувствительным сорбционным покрытием, поэтому его колебания практически не зависят от концентрации анализируемого газа в потоке. Одновременное скачкообразное изменение аналитических сигналов всех сенсоров в ячейке детектирования свидетельствуют о механическом повреждении детектора, выходе его из строя, перепадах давления в системе. Наличие пьезосенсора сравнения позволяет исключить ложноположительные срабатывания детектора и повышает надежность его эксплуатации.

Схема ячейки детектирования газов в потоке представлена на фигуре 1. На фигуре обозначено: дополнительная камера 1, патрубок входа потока газа 2, первый сужающийся канал камеры 3, осушитель газа 4, расширяющаяся часть камеры 5, второй сужающийся канал камеры 6, ячейка детектирования 7, съемная крышка 8 с вмонтированными держателями для одного и более пьезосенсоров, пьезосенсоры с пленочными покрытиями 9, один пьезосенсор сравнения без пленочного покрытия 10, микропроцессор 11, цифровое табло или блок сбора информации 12, патрубок вывода газа 13.

Ячейка детектирования помещается в поток газа так, чтобы его встречное направление было перпендикулярно дополнительной камере 1. Поток газа через патрубок входа 2 поступает в первый сужающийся канал камеры 3, который заполнен осушителем газов 4 (например, окрашенным силикагелем). При движении потока газа через первый сужающийся канал камеры 3 происходит одновременное дросселирование и осушение газов. Осушенный газ с постоянной скоростью поступает в расширяющуюся часть камеры 5, затем газ с постоянной скоростью поступает через второй сужающийся канал камеры 6 в ячейку детектирования 7 в верхнюю ее часть к пьезосенсорам, которые закреплены в держателях в съемной крышке 8. Один или более пьезосенсоров 9 активированы чувствительными пленочными покрытиями, на которых происходит адсорбция анализируемых газов. Пьезосенсор 10 не имеет сорбционного покрытия, он реагирует в большей степени на механические воздействия, разгерметизацию ячейки детектирования и возможные скачки давления в системе. Все пьезосенсоры через держатели в крышке 8 связаны с микропроцессором 11, в котором осуществляется возбуждение колебаний пьезосенсоров, регистрация и преобразование их сигналов, а также передача сигналов на цифровое табло или блок сбора информации 12, как указано в прототипе [RU 2374632 С1, МПК G01N 27/00. Миниатюрная ячейка детектирования газов в потоке / Кучменко Т.А., Умарханов Р.У. №2008140005/28, заявл. 08.10.2008; опубл. 27.11.2009]. Газ из ячейки детектирования выходит через патрубок 13, который расположен в нижней ее части. В съемном сужающемся канале камеры 3 осушитель газов 4 легко заменяется по мере его насыщения влагой, о чем можно судить по изменению цвета силикагеля или характерным откликам пьезосенсоров.

Предложенная ячейка детектирования газов в потоке обеспечивает непрерывное надежное определение газов при перепадах давления потока воздуха за счет дросселирования газов в сужающихся каналах дополнительной камеры; при изменении влажности среды за счет использования осушителя воздуха в сужающемся газопроводящем канале в дополнительной камере. Надежность определения газов в потоке повышается за счет использования пьезосенсора сравнения без пленочного сорбционного покрытия, который реагирует на механические воздействия, разгерметизацию камеры и значительные перепады давления в системе. Полнота сорбции газов из потока воздуха обеспечивается за счет расположения патрубков ввода-вывода в ячейке детектирования на разных уровнях.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к анализу газов в потоке воздуха или других газов для экспресс-анализа опасных газов без их пробоотбора и подготовки в режиме «in-line». Ячейка детектирования газов в потоке на основе одного или нескольких пьезосенсоров включает корпус с крышкой, на которой расположены держатели для пьезосенсора/пьезосенсоров с чувствительными пленочными покрытиями для адсорбции компонентов газовой смеси, микропроцессор для возбуждения колебаний, регистрации и преобразования сигнала пьезосенсоров и передачи его на цифровое табло или пункт сбора информации. На входе потока газа устанавливается дополнительная камера с двумя сужающимися каналами. Первый канал съемный, заполненный осушителем воздуха. Второй служит входом потока газов в ячейку детектирования. Патрубки ввода и вывода потока газов расположены в верхней и нижней частях ячейки детектирования на противоположных ее сторонах. Один из пьезосенсоров не покрыт чувствительным пленочным покрытием и служит пьезосенсором сравнения. Техническим результатом является возможность непрерывного надежного детектирования газов в потоке при перепадах давления потока воздуха, температуры и влажности среды. 1 ил.

Ячейка детектирования газов в потоке на основе одного или нескольких пьезосенсоров, включающая корпус с крышкой, на которой расположены держатели для пьезосенсора/пьезосенсоров с чувствительными пленочными покрытиями для адсорбции компонентов газовой смеси, микропроцессор для возбуждения колебаний, регистрации и преобразования сигнала пьезосенсоров и передачи его на цифровое табло или пункт сбора информации, отличающаяся тем, что на входе потока газа устанавливается дополнительная камера с двумя сужающимися каналами, первый из которых съемный, он заполнен осушителем воздуха, второй служит входом потока газов в ячейку детектирования, патрубки ввода и вывода потока газов расположены в верхней и нижней частях ячейки детектирования на противоположных ее сторонах, а один из пьезосенсоров не покрыт чувствительным пленочным покрытием и служит пьезосенсором сравнения.