Пневматический газоанализатор Советский патент 1984 года по МПК G01N7/00 

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение в отраслях промышленности, где необходимо производить автоматический анализ состава газовых смесей, например в химической промышленности. Известен пневматический газоанали затор, содержащий стабилизированные источники питания .измеряемого и сравнительного газов, устройство выравнивания температуры газов, турбулентные и ламинарные дроссели в линии каждого газа, вторичный прибор и трехмембранный элемент (нуль-индикатор) , входы которого соединены с выходами ламинарных дросселей. При этом турбулентный дроссель сравнител ного газа выполнен в виде сопла, управляемого заслонкой, которая является жестким центром мембранного блока трехмембранного элемента и слу жит также.элементом управления вторым соплом, причем сопло соединено с входом вторичного прибора и через переменный дроссель с линией питания 1 . При работе измеряемый и сравнител ньй газы от стабилизированных источников питания пропускают через устройство выравнивания температуры, а затем через ламинарные и турбулентные дроссели. При изменении в измеряемом газе концентрации одного из компонентов изменяется его вязкость и плоскость и, соответственно, давле ние после ламинарного дросселя.в лиНИИ измеряемого газа. При этом на центральной мембране, трехмембранного элемента устанавливается перепад дав ления , мембранный блок начинает перемещаться, изменяя положение заслон ки относительно сопел, соответственно изменяя проводимости турбулентного дросселя сравнительного газа и проводимость второго сопла. При изме нении проводимости сопел изменяется давление перед турбулентным дросселем сравнительного газа и перед вторым соплом. Мембранный блок устанавливается в такое положение, при котором давления перед турбулентными дросселями равны, т.е. схема находит ся в равновесии. При этом давление перед вторым соплом и, соответственно, на входе вторичного прибора явля ется функцией концентрации измеряе,мрго газа. Недостатками этого устройства являются низкая точность, сложность наладки и узкая область применения. Низкая точность обусловлена тем, что параллельность заслонки и торцовых поверхностей сопел в процессе работы может нарушаться вследствие перекосов мембранного блока. При этом одной и той же проводимости сопла в линии сравнительного газа, определяемой концентрацией измеряемого газа, могут соответствовать различная проводимость второго сопла и, соответственно, различные-значения выходного сигнала. Сложность наладки устройства обусловлена трудностью установки заслонки параллельно торцовым поверхностям сопел. Вследствие наличия как ламинарных, так и турбулентных дросселей газоанализатор имеет сложную нелинейную и не . выражающуюся в явном виде зависимость выходного сигнала плотности р и вязкости (ы. изменяемого газа, которая может быть приближенно описана уравнением: Р„ К ВЬ(Х где К - коэффициент пропорциональности. Нелинейность характеристики газоанализатора сужает область его применения, так как не позволяет использовать его в схемах контроля и управления совместно с аналоговыми вычислительными устройствами, предполагающими наличие линейных зависимостей величины выходных сигналов от измеряемых параметров. Известен пневматический газоанализатор , содержащий стабилизированные источники питания измеряемого и сравнительного газов, устройство выравнивания температуры газов, последовательно соединенные дроссели в линии каждого газа, причем ламинарный дроссель сравнительного газа соединен с турбулентным дросселем через проточную камеру одномембранного элемента. Линии измеряемого и сравнительного газов соединены с соответствующими входами элемента сравнения, выход которого соединен с глухой камерой одномембранного элемента и входом вторичного прибора. При работе данного газоанализатора измеряемый и сравнительный газы после вьфавнивания их температуры проходят через ламинарные и турбулентные дроссели. Посредством элемента сравнения, воздейст 3 кующего на величину перепада на ламинарном дроссече сравнительноге га за, давления перед турбулентными дросселями поддерживаются равньми. При этом выходной сигнал элемента сравнения, определяющий давление после ламинарного дросселя сравнительного газа, является функцией концентрации измеряемого газа и регистрируется вторичным прибором 2|J Недостатком устройства является узкая область применения вследствие нелинейности его характеристики. Это обусловлено тем, что газоанализатор содержит как ламинарные, так и турбулентные дроссели. При этом расход через ламинарные дроссели ли нейно зависит от плотности, нелиней но от вязкости, а расход через турб лентные дроссели нелинейно зависит от плотности и не зависит от вязкос ти газа. В этом случае величина вы/Ходного сигнала Pg,, (давление перед вторичным прибором) имеет сложную нелинейную и не выражающуюся в явном виде зависимость от плотности р„ и вязкости jit измеряемого газа. Приближенно эта зависимость может быть описана уравнением: р - р 1 вых-Ч где Р - давление аеред ламинарным дросселем; К - коэффициент пропорциональности. Это обуславливает, учитывая, что за висимость плотности и вязкости изме ряемого газа от концентрации линейна, линейность характеристики газоанализатора и, соответственно, сужа область его применения. Так, например, он не может быть применен в си темах автоматического контроля и управления совместно с аналоговьми вычислительными устройствами, на вход которых должны подаваться сигн лы, связанные с измеряемыми парамет рами линейной зависимости. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является пневматический дифференциальный преобразователь ра хода в давление, содержащий сравнительный и измерительньй каналы, каж дый из которых выполнен в виде посл довательно соединенных дросселя, ве тиля, емкости и клапана, регулятор давления, установленный на линии вх да газа и подключенный своим выходо 574 к входам дросселей сравнительного и измерительного каналов, реактор, включенный между дросселем и вентилем измерительного канала, элемент сравнения, один вход которого соединен с пневмоемкостью сравнительного газа, а второй вход - с каналом опорного давления, усилитель давления, входы которого соответственно соединены с пневмоемкостями, ячейку памяти, подключенную к выходу усилителя давления, одномембранный элемент в линии выхода измеряемого газа и импульсатор, вход которого соединен с выходом элемента сравнения, а выход - с управляющими входами ячейки памяти и клапанов 3J. При работе устройства измеряемь1й газ поступает от регулятора давления, проходит через дроссели, на которых при помоЕЦИ вентилей поддерживается постоянный перепад давления, и поступает в пневмоемкости. В реакторе поглощаются определенные компоненты газа, вследствие чего его расход в пневмоемкость измеряемого газа меньше и давление в ней нарастает с меньшей скоростью. При достижении в пневмоемкости сравнительного канала давления, равного опорному, срабатывау) элемент .сравнения и импульсатор, и выходной сигнал усилителя давления, который в этот момент времени пропорционален разности давлений в пневмоемкостях и концентрации поглощенного . компонента, запоминается на ячейке памяти. При этом пневмоемкости опорожняются через открывщиеся клапаны, а после снятия импульса импульсатора. клапаны закрьтаются и начинается следующий цикл измерения. Недостатком данного устройства яв- ляется узкая область применения. Это обусловлено тем, что во многих случаях трудно, а иногда вообще не удается подобрать используемый в реакторе поглотител1ь компонентов измеряемого газа, при 1енение которого может быть оправдано в промьшшенных условиях. Кроме того,по мере работы поглотитель насыщается, что приводит к неполному поглощению компонентов измеряемого газа и в конечном итоге может привести к отказу устройства и, соответственно, снижает надежность устройства. Температура измеряемого газа в реакторе может изменяться, что приводит к температурной погрешности, так как по условиям работы . $ 1 устройства температуры газов в пневмоемкостях должйы быть равны. Цель изобретения - расширение области применения и гЛвьппение надежности пневматического газоанализатора. Поставленная цель достигается тем что пневматический газоанализатор, содержащий измерительный и сравнительный каналы, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных ламинарного дросселя, устройства поддержания перепада на дрос селе, пневмоемкости и пневмоклапана стабилизированный источник питания измеряемого газа,.установленный перед ламинарными дросселем измеритель ного канала, элемент сравнения, связанный одним из входов с линией опор ного давления, импульсатор, вход которого соединен с выходом элемента сравнения-, а выход - с управляющими входами пневмоклапанов,и первым входом элемента-памяти, установленного на выходе газоанализатора, дополнительно содержит стабилизированный ис точник питания сравнительного газа, выход которого подключен к ламинарному дросселю сравнительного канала другой вход элемента сравнения подключен к пневмоемкости измерительного канала, а второй вход элемента памяти подключен к пневмоемкости сравнительного канала. Кроме того, газоанализатор дополнительно содержит устройство выравнивания температуры газов, установленное в линиях газов после источников питания сравнительного и измеряемого газов. При таком конструктивном выполнении пневматического газоанализатора благодаря введению стабилизированного источника питания сравнительного газа и соединению элемента сравнения с пневмоемкостью измерительного кана ла, а элемент памя-щ с пневмобмкостью сравнительного канала на выходе элемента памяти формируется сиг нал, пропорциональный вязкости и кон центрации измеряемого газа, что позволяет исключить из схемы устройства реактор и, как следствие, расши рить его область применения, так как подбор поглотителя -стребуемыми свойствами заменяется более легким подбором сравнительного газа, и повысить надежность, так как исключаются отказы устройства вследствие 76 насыщения поглотителя. Кроме того, введение устройства выравнивания температуры газов обеспечивает равенство температуры газов в пневмоемкостях и обеспечивает, как следствие, отсутствие тeмпepaтyi..нoй погрешности. На чертеже представлена схема предлагаемого пневматического газоанализатора. Газоанализатор содержит стабилизированные источники питания (стабилизаторы давления) измеряемого 1 и сравнительного 2 газов, соединенные через устройство 3 выравнивания температуры газов (теплообменник) с входами соответствующих ламинарных дросселей 4 и 5 и глухими камерами повторителей 6 и 7 со сдвигом (устройств для поддержания перепада на дросселях). Выход ламинарного дросселя 4 соединен через проточную камеру и сопло повторителя 6 со сдвигом с пневмоемкостью 8, а выход ламинарного дросселя 5 соединен через проточную камеру и сопло повторителя 7 со сдвигом с пневмоемкостью 9. Пневмоемкость 8 соединена с входом элемента 10 памяти, выполненного, например, в виде линии задержки на такт, и через нормально разомкнутый пневмоклапан 11 с атмосферой. Пневмоемкость 9 соединена с положительным входом элемента 12 сравнения и через нормально разомкнутый пневмоклапан 13 с атмосферой. При этом элементы 5, 7, 9 и 13 образуют измерительньм канал, а элементы 4, 6, 8 и 11 - сравнительный канал. Отрицательный вход элемента 12 сравнения соединен с линией опорного давления Pjj , а выход - с входом импульсатора 14. Выход импульсатора 14 соединен с управляющими входами пневмоклапанов 11 и 13 и элемента 10 памяти, выход которого является выходом газоанализатора. Газоанализатор работает следующим образом. . ; При включении стабилизированных источников питания 1 и 2 измеряемый и сравнительный газы поступают на устройство 3 выравнивания температуры (теплообменник), а затем, имея равные температуры, на входы ламинарных дросселей 4 и 5. На-ламинарном дросселе 4 устанавливается перепад давления лР, определяемый настройкой повторителя 6 со сдвигом, и сравнительный газ поступает через 7. ламинарньй дроссель 4 и проточную камеру и сопло повторителя 6 со-сдви гом в пневмоемкость 8, давление в которой при разомкнутом пневмоклапане 11 начинает расти. На ламинарном дросселе 5 устанавливается перепад давления ДР, определяемый настройкой повторителя 7 со сдвигом, и изме ряемый газ поступает через ламинарный дроссель 5 и проточную камеру и сопло повторителя 7 со сдвигом в пневмоемкость 9, давление в которой начинает расти при разомкнутом пневмоклапане 13. При достижении измеряе мым газом в пневмоемкости 9 величины давления Рд ,равной величине опорного давления Р ,подаваемого на отрицательный вход элемента 12 сравнения, последний срабатывает и импульсатор 14 вьщает единичный импульс определенной длительности. При этом давление Pg сравнительного газа в пневмоемкости 8 запоминается на элементе 10 памяти, выполненном в виде линии задержки на такт, и поступает на выход устройства, а пневмоемкости 8 и 9 опорожняются через замкнувшиеся пневмоклапаны 11 и 13. После снятия импульса импульсатора пневмокх апаны 11 и 13 размыкаются и опят начинается заполнение пневмоемкостей 8 и 9 через ламинарные дроссели 4 и 5, т.е. начинается следующий цикл измерения, а запомненное на элементе 10 памяти значение давления Pg пропорционально концентрации измеряемого газа и равно величине вы Запомненное ходного сигнала Р на элементе памяти значение давлени сохраняется на нем до окончания следующего цикла измерения, т.е. до сл дующего срабатывания элемента 12 сравнения и импульсатора 14. Расход G измеряемого газа через ламинарный дроссель 5 определяется уравнение Пуазейля: j.;i;.p.4p,.-M« 12ве Ig - диаметр и длина л амин ар ного дросселя 5; Pg. - среднее по длине дросселя 5 абсолютное давле ние; ЛРд - перепад давления на дрос селе 5; Mj - молекулярная масса изме ряемого газа; 8 R - универсальная газовая постоянная; Т - температура измеряемого газа; дхц - вязкость измеряемого ние Р„ в пневмоемкости 9 опрется по уравнению . 1Э VoM.. - объем пневмоемкости 9; - время заполнения пневмоем9. кости емя о , за которое давление в оемкости S возрастает до велиопорного давления Р, может .определено при совместном решетих уравнений относительно -t и Р -Р ановке значения Э ,„ . Сз) j/dtpg p. , - коэффициент l/dtp пропорциональности - const. сход G сравнительного газа чеаминарный дроссель 4 определяуравнением:с 128 диаметр и длина ламинарного дросселя 4; среднее по длиие дросселя 4 абсолютное.давление;перепад давления на дросселе 4; молекулярная масса сравнительного газа; температура сравнительного газа; вязкость сравнительного в пневмоемкости 8 в и f , .запоминаемое на амяти и равное выходно.,. газоанализатора, опуравнению:G-RT -2E-f

1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР , содержащий измерительный и сравнительный каналы, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных ламинарного дросселя, .устройства поддержания перепада на дросселе, пневмоемкости и пневмокпапана, стабилизированный источник питания измеряемого газа, установленный перед ламинарным дросселем измерительного канала, элемент сравнения. связанный одним из входов с линией опорного давления, импульсатор, вход которого соединен с выходом элемента сравнения, а выход - с управляющими входами пневмоклапанов и первым входом элемента памяти, установленного на выходе газоанализатора, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, и повышения надежности, газоанализа,тор содержит стабилизированный источник питания сравнительного газа, выход которого подключен к ламинарному дросселю сравнительного канала, другой вход элемента сравнения подключен к пневмоемкости измерительного канала, а второй вход элемента памя(Л ти подключен к пневмоемкости сравнительного канала. 2. Газоанализатор по п. 1, о т личающийся тем, что, с целью повышения точности работы,- он содержит «устройство выравнивания температуры газов, установленное в линиях газов после источников питания сравнительного и измеряемого газов. о О9 ел