Газоаналитическая система Советский патент 1983 года по МПК G05D11/13 

со

Изобретение относится к аналитической технике и может быть исполь.зовано в различных устройствах ана{,лиза состава вещества, в частности Э автоматизированных системах газового анализа на кислород для управления технологическими процессами в плавки чугуна и стали в доменном и конверторном производствах.

Известна газоаналитическая система, содержащая газовые тракты отбора, подготовки и подачи анализируемой пробы газа в датчик состава вещества, значение величины сигнала на выхода которого характеризует прцентное содержание исследуемого компонента в газовой смеси в месте отбора пробы.

Точность анализа этой газоаналитической системы при ее продолжителной работе в значительной степени зависит от частоты проводимых поверок (калибровок), в основу которы положен принцип коррекции выходной характеристики датчика состава вещества при подаче на его вход поверочных газовых смесей t--lНедостатком известной газоаналитической системы является большой расход дорогостоящих эталонных газовых смесей , пропорциональный количеству поверок. Кроме того, процессы поверок характеризуются необходимостью предварительных очисток (продувок) газовых трактов системы от ранее находившейся в них анализируемой газовой смеси и временем установления показаний датчика состава вещества от нулевого значения до любого значения в диапазоне измеряемых параметров, что увеличивает время неинформативной ра-; боты системы в целом и, в конечном, итоге, снижает ее быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является газаналитическая система, содержащая датчик состава вещества, вход которого через смеситель, газораспределительное устройство и блок пробоподготовки соединен со штуцерами ввода газовых трактов анализируемой и поверочной газовых смесей, выход датчика состава вещества соединен с .входом микропроцессора, управляицие входы и выходы которого соединены с газораспределительным узлом 2..

Однако точность анализа в указанной газоаналитической системе зависит в основном от .точности дозированного разбавления, которое в данном сравниваемом примере определется лишь значением величины сигнала положения регулирующего органа . (шагового Двигателя), управляющего дозированием, и не учитывается реалное соотношение смешиваемых газовых потоков, зависящее, например, от

Стабильности расходов потоков во входных газовых трактах, от их аэро динамических свойств (завихрения, срывы) в месте распределения и т.д. Кроме того, в системе для анализа постоянно необходимы две поверочные газовые смеси: нулевая и. поверочная газовая смесь с концентрацией исследуемого компонента равной или превышакхцей ее максимально из меряемое значение.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия анализа и уменьшение расхода поверочных газовысмесей.

Указанная цель достигается тем, что в газоаналитической системе, содержащей датчик состава вещества, вход которого через смеситель, газораспределительное устройство и блок пробоподготовки соединен со штуцерами ввода газовых трактов анализируемой и поверочной газовых смесей, выход датчика состава вещества соединен с входом микропроцессора, управляющие входы и выходы которого соединены с газораспределительньм узлом, между блоком пробоподготовки и газораспределительным устройством в газовые тракты анализируемой и поверочной газовых смесей включены два регулятора расхода и блок выравнивания расходов, выходы которого соединены с двумя входами газового модулятора, выполненного в виде двух одинаковых проходных-полостей, разделенных подвижной мембраной, два ВЕлхода газового модулятора и газовый тракт анализируемой смеси на выходеблока пробоподготовки соединены с блоком определения экстремальных значений соотношения расходов, содержащим четыре идентичных по проходному сопротивлению калиброванных газоходов, входы первого и второго калиброванных газоходов .соединены с входами газового модулятора, а выходы соединены через третий калиброванный газоход с первым входом смесителя, второй вход которого соединен через четвертый калибрюванный газоход с газовым трактом анализируемой смеси на выходе блока пробоподготовки, к третьему калиброванному газоходу подключен манометр абсолютного давления,, а между первым и вторым, третьим и четвертым калиброванными газоходами включены дифференциальные манометры, выходы которых соединены с микропроцессором управляющие выходы которого соединены с регуляторами расходов и газовьм модулятором.

Часть потока анализируемой сме- , си отбирают из основного газового тракта и с потоком воздушной смеси после выравнивания их расходов по- дают через модулятор и калиброванные газоходы в смеситель, куда также через калиброванный газохол по-, дают оставшуюся часть основного по-, TdKa анализируемой смеси, при atOM реальные экстремальные значения соотношений смешиваемых потоков определяют по перепадам Давлений в ка либров анных газоходах, а искомую концентрацию компонента находят по двум эк стрема ль ньпи (макстлальному и минимальному) значениям показаний манометрических приборов и датчика состава вещества, причем сокращение времени переходных процессов и под|Держание заданной чувствительности датчика состава вещества осуществля ют регулированием расходов потоков на входах газового модуляторй и коэФфициента их модуляции по величине соотношения концентрации исслеi дуемого компонента в анализируемой смеси и в воздухе, т.е. по выходному сигналу датчика состава вещества. В качестве поверочной ;газовой смеси используется воздух. На чертеже представлена блок-схе ма предлагаемой газоаналитической системы.. Схема включает: штуцеры 1 и 2 вв да газовых трактов анализируемой и поверочной газовых смесей; блок 3 пробоподготовки; первый и второй регуляторы 4 и 5 расходов; блок 6 выравнивания расходовJ газораспределительное устройстве) 7; газовый модулятор 8; первую и вторую проходные полости 9 и 10 подвижную .мембрану 11; первый, второй, третий и четвертый калиброванные газоходы 12-15; первый и второй дифманометры 16 и 17; манометр 18 абсолютн го давления; смеситель 19; датчик 2 состава вещества; микропроцессор 21 вход 22 ввода значения концентрации исследуемого «сомпонента в поверочной смеси (в воздухе); выход 23 газоаналитической системы. Кроме того, введены обозначения: Qg - расходы потоков анализируемой смеси и воздуха через штуцеры и 2 ввода газовых трактов соответст венно газоаналитической системы; Qj,...Q4.Q6 расходы потоков смесей проходящих через первый, второй, тр -тий и четвертый калиброванные газох ды 12-15 и на выходе смесителя 19 соответственно; Су, концентра ции исследуемого компонента в потоках анализируемой етлеси и воздуха с ответственно; Рр ...Ро4 номиналь ные значения давлений в калиброванных газоходах 12-15 при выключенном газовой модуляторе 8; . . ..; р,.. - экстремальные значения да лений в калиброванных газоходах 1215; , лР,., лРи , ЛР. - экстретлаль ные значения приращений давлений в калиброванных газоходах 12 и 13; , ДР/; 4,г экстремальные. значения разностных давлений между первым и вторым, четв.ертьм и третьим калиброванными газоходами 12 f и 13, 15 и 14; С V-0 , V-O экстремалЁные значения суммарных концентраций исследуемого компонента в газовом потоке, проходящем че рез третий калиброванный газоход 14, и в .газовом потоке, поступающем на вход датчика 20 состава .вещества; у - экстремальные значения выходного сигнала датчика 20 состава веществарсоответствугадие значениям С, GO концентраций исследуемого компонента; К - 2ДР1 p,l РЗ - экстреKVР4,з р мальные значения относительных коэффициентов. Штуцеры 1 и 2 через блок 3 пробоподготовки, первый и второй регу- . ляторы 4 и 5 расходов и блок 6 выравнивания расходов соединены с двумя входами газораспределительного ; устройства 7, третий вход которого соединен на входе блока 3 пробоподготовки с основным газовым трактом анализируемой смеси. В состав газораспределительного устройства 7 входят: газовый модулятор 8, представляклций собой две идентичные по геометрическим размерам проходные полости 9 и 10, раделенные подвиж- . ной мембраной .11; первый, второй, третий и четвертый калиброванные газоходы 12-15 с равньвли проходными сопротивлениями; первый и второй ди4 4анометры 16 и 17, включенные соответственно межДу первым и вторьм, третьим и четвертьам калиброванными газоходами 12 и 13, 14 и 15; манометр 18 абсолютного давления, подключенный к третьему калиброванному газоходу 14. Выходы блока 6 выравнивания расходов через- проходные полости 9 и 10 газового модулятора 8, через первый и второй калиброванные газоходы 12 и 13 и далее через третий калиброванный газоход 14 соединены с одним входом смесителя 19, второй вход которого через четвертый калиброванный газоход 15 соединен с основным газовым трактом анализируемой смеси. Выход смесителя 19 сое динен с входом датчика 20 состава ве щества, выход которого соединен с одним входом микропроцессора 21, остальные четыре входа которого соединены с выходами двух дифманометров 16 и 17, манометра 18 абсолютного давления и с входом 22 ввода значения концентрации исследуемого компонента в по верочной смеси (в воздухе). Управлякяцие выходы микропроцессора 21, чвраз которые осуществляется воздействие с коэффициентами передачи выход.него сигнала датчика 20 состава вещества соединены с управляющими входами регуляторов 4 и 5 расходов и газового модулятора 8, а информационный - с выходом 23 гаэоаналитической системы. Блок 3 пробоподготовки предназначен для обработки анализируемой и воздушной газовых смесей, чтобы их технические характеристики (запыленность/ влажность, давление и т.д |соответствовали нормальной работе датчика 20 состава вещества. Первый и второй регуляторы 4 и-5 расходов предназначены для управления расходом газовых потоков, поступающих в газовый модулятор 8. В зависимости от величины концентрации исследуемого компонента в анализируемой сме си, отбираемой из основного газового тракта, и направляемого через газовый модулятор 8, т.е. при уменьшеНИИ соотношения увеличивается .глубина модуляции и повышается точ ность фиксации и измерения экстремал ных рараметров ЛP,2 ; , Xft У необходимых для вычисления искомой концентрации С%. С другой стороны, приводит к значитель соотношение ному разбавлению анализируемой смес т.е. к снижению ее представительнос ти, а соответственно, и реакции (чувствительности) датчика 20 соста вещества на изменение концентрации исследуемого компонента в анализируемой пробе смеси. В части выбора величины а коэффициента модуляции учитывают следующее: увеличение Q . улучшает режим измерений экстремаль ных параметров, причем увеличится время переходного процесса, что отрицательно сказывается на качестве анализа быстропротекающих процессов Необходимость блока б выравнивая расходов и выполнение газового модулятора 8 в виде идентичных по гео метрическим размерам проходных полостей 9 и 10 с разделяющей их подвижной мембраной 11 обусловлены задачей получения постоянного суммарного расхода потока в третьем калиброванном газоходе 14, а следовательно, отсутствием пульсаций давления (но не концентрации) пробы и на входе датчика 20 состава веществ т.е. Оз ,{ Q:;+Q const; 0,. Q +Qfj const, так как импульс по ложительного приращения давления, создаваемый прогибом мембраны 11 в одной из проходных полостей 9 (10 выдает равнйе по абсолютной величине уменьшение давления в другой про ходной полости 10 (9) газового моду тора 8. Выполнение высокоточных калиброванных газоходов 12-15С равными проходными сопротивлениями не представляет технической трудности, упрощает вычислительные операции и сводит измерительные функции, от которых зависит основная погрешность анализа, к измерению давлений AR/,2 (ile. },ъ I РЭ иэмерякадихся в узких диапазонах. Нестабильность расхода 0 на выходе блока 3 пробоподготовки и возможная несимметричная работа газового модулятора а (ЛЕ{ АР, kfr, ) ив влияют на точность анализа. В смесителе 19 смешивают основной поток анализируемой смеси, проходящей через четвертый калиброванный газоход 15, с модулированным по концентрации исследуемого компонента потоком Q Qi+Q4.Qj5+Q2f проходящим через третий калиброванный газоход 14, с образованием и подачей суммарного потока Qj на вход датчика 20 состава вещества. Микропроцессор 21 предназначен для вычисления Искомой концентрации по входным данным P-ti f л 64:5 t Р, CB, а также для формированияна управляющие входы регуляторов 4 и 5 расходов и газового модулятора 8 сигналов, пропорциональных значениям ,, . Расчетное выражение для определения искомой концентрации С находят, исходя из следующего. При динамическом смешивании двух потоков QX, Qe с концентрациями Сх, C(j исследуемого компонента в них и протекакядих через калиброванные газоходы с одинаковыми проходными сечениями суммарная концентрация Cj при давлениях Р, Р в газоходах определяется выражением С - 2i 2LiMs fo Рх-Рв . Для выбранной конструкции газового модулятора 8 колебания мембраны 11 вызывают соответствующие скачки давления в первом и втором калиброванных газоходах 12 и 13, в результате чего при постоянстве суммарного потока Оз в третьем калиброванном газоходе 14 его составляющие Q, Q изменяются, что, в свою очередь, вызьшает пульсацию суммарной концентрации, экстремальные значения которой при двух крайних положениях мембраны определяются выражениями Р- .ruPk)Cfe {Po,uRi)+(Poa-APi г - РУ) С () С в lP.oi-AP /()С учетом идентичности геометрических размеров проходных полостей 9 и 10 и газоходов 12-15, а также условия равенства потоков на вкодах газового модулятора 8 получаем V-Pi o 3-2Po IUPaHuPy;1|4р 1|лР 1 /дЩ-|дР |1ЧДР Г (4/; .а . )(bKi.a)Cfs . uv CH-Kpi,i)Cx- -tUKpa)CR Пульсации концентрации С .л,4 Z-.a в третьем калиброванном газоходе 1 неизменных расходах потоков Qj, Q в третьем и четвертом калиброванны газоходах вызывают пульсации сумма нойконцентрации на выходе смесите ля 19 и соответственно на входе да чяка 20 состава вещества: -, P4C)i.,,z. СРг+ЛР4.г),.а . , (Pv+uP4 bP ( ,3 . в I Аналогично ; г () -о- И-Кр4,-5 . - -. Экстремальным значениям Ср, Сд сум ных концентраций на входе датчика состава вещества соответствуют экс ремальные значения у , у сигналов его входе, т.е.. Ч- tS; : : )..а „ У 2.vkp4.,, Взяв отношение К „ , получаем V )Сч+С V- ,)C,,4 Подставив в выражение значения (5) (6) и решая (10) относительно C-f, получим . ;(-к У.г )-КУ кУ 4л) .«- риИ-чи Кр4 jHuKp«. или после подставки эначенийЖр4 зКр 1К с е(.tj-KvtP - luP a) .. « Н 2 о5-1лйД Перед началом работы в микропро цессор 21 через вход 22-ввода пост янных коэффициентов вводят значени CQ, о , 02- Одновременно с подачей на вход 1 анализируемой сме.си на вход 2 подают воздушную смесь и вк чают газовый модулятор 8. После прохождения через устройство пробоподготовки 3 анализируемую смесь разделяют на два HejsaBHHx потока Q. поток Q, примерно на порядок больший потока Q г подают через четвертый калиброванный газоход 15 газораспределительного устройства 7 на один вход смесителя 19, поток Q и равный ему по величине riOTOK воздуш ной смеси (выравнивание расходов токов осуществляют в блоке б изменением потока ,Q при неизменном потоке Q) .подают через регуляторы 4 и 5 расходов, блок 6 выравнивания расходов, проходные полости 9 и 10 газового модулятора 8, первый и второй калиброванные газоходы 12 и 13 и далее через третий калиброванный газоход 14 на второ. вход смесителя 19. Суммарный поток Q с выхода смесителя 19 с пульсирующими значениями С и GO кон1;(ёнтраций подают на вход датчика 20 состава вещества. в микропроцессоре 21:фиксирует экстремальные значения у , у датчик 20 состава вещества и экстремальные значения показаний дифманометров 16 и 17 и манометра 18, на основании которых вычисляют искомое значение С концентраций компонента в анали-, зируемой смеси в соответствии с выражениями (11)и(12). Таким образом, основными свойствами предложенной газоаналитической системы являются отсутствие необходимости в использовании специально приготовленных поверочных газовых смесей; принцип дозированного разбавления анализируемой смеси воздухом с известным составом приемлем не только для датчиков на кислород, но и для датчиков концентрации других газов , а также исключает необходимость в традиционных калибров.ках газоаналитических систем поверочными газовыми смесями с концентраци-. ями, соответствующими различньм точкам измеряемой шкалы; снижение технических требований к датчикам состава вещества, а именно отсутствие необходимости информации о градуировочной характеристике и функции линеаризации, кроме того, возможные дрейфы нуля и нестабильность коэффициентов преобразования не снижает точность анализа; формируемое соотношение потоков анализируемой и воздушной смеси не зависит от стабильности расхода анализируемого потока на выходе устройства, а зависит лишь от точности выравнивания расходов потоков Q , Q. в блоке 6, что значительно проще в технической реализации, чем, к примеру, формирование двух потоков с заданным соотйощением, равным единице; простота технических средств. измеряющих параметры соотношения потоков; автоматическое поддержание в заданных оптимальных пределах глубины пульсаций выходного сигйала датчика состава вещества в широком диапазоне измеряемых концентраций. Разработка предложенной газоаналятической системы направлена на совершенствование автоматизированных систем газового анализа для управления технологическими процессами на предприятиях черной металлуогии.

ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, содержёодая датчик состава вещества, вход которого через смеситель, газораспределительное устройство и блок пробоподготовки соединен со штуцерами ввода газовых трактов анализируемой и поверочной газовых смесей, выход датчика состава вещества соединен с входом MHICропроцессора, управляющие входы и выходы которого соединены с газораспределительньви узлом, отли.чающаяся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени проведения анализа /.между блоком пробоподготовки и газораспределительным устройством В газовые тракты анализируемой и поверочных газовых смесей включены I .g In щ I - ;-:й;;н,g I . .ar KocRV два регулятора расхода и блок выравнивание расходов, выходы которого соединены с двумя входами газового модулятора, выполненного в виде двух одинаковых проходных полостей, разделенных подвижной мембраной, два выхода газового модулятора и газовый тракт анализируемой смеси на входе блока пробоподготовки соединены с блоком определения экстремальных значений соотношения расходов, содержащим четыре идентичных по проходному сопротивлению калиброванных газоходов, входы первого и второго калиброванных газоходов соединены с входами газового модулятора, а выходы соединены через третий калиброванный 9 газоход с первым входом смесителя, второй вход которого соединен через четвертый калиброванный газоход с газовым трактом анализируемой смеси на выходе блока пробоподготовки, к третьему калиброванному газоходу подключен 2 манометр абсолютного давления, а между первым и BTopbJM, третьим и четвер.тм калиброванными газоходами вклю:чены дифференциальные манометры, выходы которых соединены с микропро;цессором, управляющие выходы которого соединены с регуляторами расхо00 яов и газовым модулятором.