Устройство для измерения и регулирования количества реагента в газовой смеси Советский патент 1987 года по МПК G05D7/00 

1

Изобретение относится к подготоке и анализу газов и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическим процессами преимущественно при проиводстве изделий электронной техники

Целью изобретения является повышение точности устройства.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения и регулирования количества реагента в газовой смеси; на фиг.2 вариант выполнения газовых каналов-; на фиг.З газовые каналы, вид сверху; на фиг 4 - вариант выполнения ячеек с чувсвительными злементами.

Устройс.тво состоит из эталонного 1 и измерительного 2 газовых каналов, чувствительных элементов 3, измери- теля А концентрации, преобразователя 5 напряжение - ток, датчика 6 расхода газоносителя, усилителя 7, блока 8 умножения, блока 9 сравнения, регулируемого клапана 10 и радиатора 11, причем в каждом из газовых каналов 1 и 2 установлены проточно-диффузионные ячейки 12 с чувствительными злементами 3 и закрепленным на них радиатором

35

11, чувствительные элементы З.подклю-30 противления не соизмеримы, а значит,

практически весь поток газа, поступающий через входное отверстие, идет по кольцевому каналу обеспечивая отсутствие вынужденной конвекции чувствительного элемента 3. Последнее обстоятельство обеспечивается также тем, i

что. размеры плоского терморезистора чувствительного элемента 3 меньше внутреннего радиуса кольцевого канала. Таким образом, теплообмен от чувствительных элементов 3 обеспечивается только посредством тепло- проводимости окружающей среды, а мальш объем и конструкция проточно- g диффузионных ячеек 12 позволяет получить высокую чувствительность и быстродействие, устройства.

чены к входу измерителя 4 концентрации и к выходу преобразователя 5, в эталонном газовом канале 1 установлены также датчик 6 расхода и регулируемый клапан 10, подключенньм управляющим входом через усилитель 9 сравнения к выходу блока 8 умножения, первый вход которого соединен с выходом измерителя 4 концентрации и с входом преобразователя 5, а второй вход через усилитель 7 соединен с выходом датчика 6 расхода. Эталонный 1 и измерительный 2 газовые каналы подключены к испарителю 13.

Датчик 6 расхода, реализующий калориметрический способ измерения, состоит из чувствительного элемента 14, представляющего собой тонкую никелевуто трубочку, на которую намотаны два проволочных терморезистора 15 и расположенный между ними нагреватель из нихрома. Поступающий в этапонный канал 1 газ-носитель разделяется в нем на два потока, один из которых идет- через чувствительный элемент 14 датчика 6 расхода, а другой - через байпас 16, представляющий собой набор трубок. Коэффициент деления газового потока определя40

50

55

Наличие радиатора 11, закрепленного на верхней пластине 17, обеспе- чивает строгое равенство температур стенок обеих проточно-диффузионных ячеек 12, а значит, и условий теплообмена чувствительных элементов 3 (тем более, что конструкция ячеек 12 и терморезистора 3 позволяет располагать оба чувствительных элемента симметрично по отношение к стенкам проточно-диффузионных ячеек 12),

5

0 5

ется отношением динамических сопротивлений трубки чувстЕительнот о элемента 14 и байпаса 16 и зависит от числа трубок байпаса 16. С целью обеспечения точностных характеристик датчика 6 расхода коэффициент деления газового потока должен быть постоянным в широком диапазоне расходов газа-носителя, а характер течения потока в трубке чувствительного элемента 14 и байпасе 16 до.пжен быть ламинарным.

Чувствительные элементы 3, представляющие собой плоские металлофоль- говые терморезистары, помещены в проточно-диффузионной ячейке 12, образованной двумя пластинами 17. На внутренних сторонах обегтх пластин 17 выполнены кольцевые каналы для прохождения газа, причем нижняя пластина имеет два отверстия для входа и выхода газа (в каждом канале) . Вследствие того, что расстояние между плоским чувствительным элементом 3 и пластиной 17 (т.е. стенкой проточно-диффузионной ячейки 12) значительно меньше толщины кольцевого канала, то их гидродинамические со

Наличие радиатора 11, закрепленного на верхней пластине 17, обеспе- чивает строгое равенство температур стенок обеих проточно-диффузионных ячеек 12, а значит, и условий теплообмена чувствительных элементов 3 (тем более, что конструкция ячеек 12 и терморезистора 3 позволяет располагать оба чувствительных элемента симметрично по отношение к стенкам проточно-диффузионных ячеек 12),

31

Все элемента устройства, контактирующие с газовой смесью, изготовлены из нержавеющей стали или фторопласта, что обеспечивает его высокую коррозионную стойкость и позволяет использовать для регулирования количество агрессивных реагентов.

Устройство работает следующим образом.

Газ-носитель поступает в устройство и в эталонном канале 1 разделяется на два потока, один из которых проходит через чувствительный зле

мент 14 датчика 6 расхода, а другой через байпас 16. Терморезисторы 15 датчика 6 расхода образуют два плеча мостовой схемы, два других плеча образованы постоянными резисторами. При отсутствии расхода оба терморези стора 15 нагреты до одинаковой температуры, имеют одинаковое сопротивление, значит, мост сбалансирован и выходной сигнал его равен нулю. При наличии расхода газа-носителя первый по ходу газа терморезистор 15 охлаждается, а второй нагревается, что приводит к появлению в мостовой схеме сигнала, пропорционального расходу газа-носителя Q.j. Данный сигнал усиливается с помощью линеаризованного усилителя 7, на выходе которого устанавливается напряжение, прямо пропорциональное Q. ., .

z n

и

де

2-н

к К

. .

коэффициент пропорциональности, зависящий от максимальной величины расхода газа-носителя Цл. 4 и соответствующей ему величины выходного напрялшния U - усилите ля 7.

2-н

Далее газ-носитель проходит между седлом и запорным органом регулируемого клапана 10, который представляет собой исполнительный механизм дилатометрического типа. В качестве запорных органов таких механизмов используются шарики, жестко связанные с трубочкой, внутри которой находится резистивный нагреватель (не показан). При прохождении через нагреватель тока трубочка нагревает- ся, удлиняется и приближает шарик к сферическому седлу, что приводит к изменению проходного сечения газового канала 1. Ток через нагреватель

Q

15

- jg

25

30

35

40

45 50 55

регулируемого клапана 10 управляется с помощью блока 9 сравнения.

После прохолсдения клапана 10 газовый поток поступает в испаритель 13 с реагентом (входит в состав технологического обрудования), а часть его заполняет проточно-диффузионную ячейку 12 с чувствительным элементом 3, являющимся преобразователем теплопроводности газа-носителя. В испарителе 13 проходит насьпцение газа-носителя парами реагента и полученная газовая смесь поступает в измеритель- ньш канал 2, где заполняет вторую проточно-диффузионную ячейку 12 с вторым чувствительным элементом 3, являющимся первичньм преобразователем теплопроводности газовой смеси (газ-носитель и реагент). В качестве первичных преобразователей теплопроводности использованы пленочные терморезисторы, включенные в два смежных плеча мостовой схемы и нагреваемые электрическим током. Конструкция проточно-диффузионных ячеек 12 обеспечивает отсутствие влияния естественной и вынужденной конвекции на теплообмен чувствительных элементов 3 с окружающей средой, поэтому оба чувствительных элемента 3 реагируют только на изменение теплопроводности среды. Поскольку газ-носитель и смесь (газ-носитель и реагент) имеют различную теплопроводность, причем теплопроводность смеси зависит от концентрации в ней реагента, то и величина сопротивлений терморезисторных чувствительных элементов 3 зависит от присутствия реагента в смеси, однако зависимость эта является существенно нелинейной. Согласно формуле Васильевой теплопроводность бинарной смеси зависит следующим образом от концентрации ее компонентов:

см

де

.1 . Л

Х jXj Л,В

---г- Чт il

-теплопроводность компонентов смеси;

-доли компонентов смеси, причем Х 1 -

-коэффициенты, зависящие от геометрических размеров и массы молекул компонентов смеси, рассчитываются по формуле Мэзона.

10

При этом на выходе измерителя 4 онцентрации устанавливается напряжеие

и, Кп, KJ(R, - RjM, (2) 5

де К - коэффициент преобразования (усиления) измерителя 4 концентрации;

К - конструктивный коэффициент зависящий от геометрических размеров чувствительного элемента 3 и ячейки 12, рассчитьшаетдя из закона Фурье для теплообмена посредством теплопроводности;

I - ток через чувствительные элементы 3;

сопротивление чувствительных элементов 3 в нормальных условиях (т.е. среди чистого газа-носителя) и

15

RT.R C

20

при О С соответственно;- -А, - различие между теплопро1г/И i -H

ВОДНОСТЬЮ газа-носителя и .смеси.

При выводе формулы (2) предполагалось, что измерительный мост с чувствительными элементами 3 запитан от источника постоянного тока (этот режим используется наиболее часто в кондуктометрических газоанализаторах при других режимах работы чувствителных элементов 3 выражение для напряжения и аналогично), а также то, ЧТО сопротивления обоих чувствительных элементов 3 одинаковы (пленочные терморезисторы, изготавливаемые за один технологический цикл, имеют разброс номиналов не хуже 0,2%, наличие радиатора 11 обеспечивает также необходимую тепловую симметричность обоих терморезисторов). Оба допущения являются достаточно общими и легко выполняются на практике.

Учитывая, что мольное отношение реагента к газу-носителю X можно выразить через относительные доли компонентов смеси Х,Х. в виде

QP X,

X

QI-H

-I

где QP расход реагента; Х.,,Х. - доли реагенста и газа-носителя смеси соответственно, а также то, что в выражении.для фор- .мулы (1) Аг А,.у , А, ,

(1) AI г-н А, Др , где А„ - теплопроводность реагента),

после подстановки (1) в (2) получают следующую зависимость выходного напряжения измерителя 4 концентрации от мольного отношения X:

и,

k S ЗХ+А

(3)

где К 2

пГ k -r(i о р При выводе (3) было учтено, что коэффициенты А и В реально меньше 1 (порядка 0,2) f а потому произведение В ,, «1 и

1 + В-Х

2-н

Как видно, зависимость (З) носит явно нелинейный характер, причем погрешность нелинейности увеличивается с ростом X и может быть больше 10%.

С выхода измерителя 4 напряжение и поступает на вход преобразователя 5, имеющего коэффициент преобразования К

пг

и далее на мостовую схему

с чувствительными элементами 3, т.е. на вход измерителя 4. Тем самым преобразователь 5 осуществляет замыкание цепи положительной обратной связи измерителя 4 концентрации, а напря30

жение что

и., изменяется таким образом.

отн

получают линейную зависимость напряжения и ртн на выходе измерителя 4 концентрации, охваченного положительной обратной связью через преобразователь 5, -от мольного отношения реагента к газу-носителю X, а именно

Кг„ - д-х,

(5)

причем погрешности нелинейности выражения (5) не превышает 1,5%.

Сигналы и

2-и

И и отн с выходов уси0

5

лителей 7 и измерителя 4 концентрации соответственно поступают на вход блока 8 умножения, на выходе которого устанавливается напряжение, равдое .

Q.

Up UI-H- и

К - К

Р - i-H отн ) где К - коэффициент перемножения

блока 8,

Согласно линейной зависимости напряжений Uj. и и (j от расхода газа- носителя 0.1 и мольного отношения

S

QC-H

X

соответственно, напряжение

на выходе блока 8 умножения прямо пропорционально расходу реагента Qр, а значит, является мерой выходной величины устройства.

С выхода блока 8 умножения аналоговый сигнал поступает на блок 9 сравнения, где сравнивается с напряжением задания расхода реагента, поступающим извне. Сигнал рассогласования, пропорциональный разнице межд заданным и действительным расходом реагента, управляет током через нагреватель регулирующего клапана 10

,

дилатометрического типа. Шарик клала- g что, с целью повышения точности устна 10 регулирует расход газа-носителя до тех пор, пока разница между напряжением задания и сигналом блока 8 умножения не станет равной нулю.

Таким образом, устройство обеспечивает расход реагента Q.p, равный заданному и инвариантный к изменению в испарителе. Благодаря использованию в устройстве средств, обеспечивающих линейную зависимость напряжений Uj., UOTH от измеряемых параметров потока, снижается погрешность регулирования целевого продукта, и расхода парогазовой смеси.

Ф о рмула изобретения

1. Устройство для измерения и регулирования количества реагента в газовой смеси, содержащее эталонный

20

25

30

ройства, оно содержит преобразователь напряжение - ток, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом измерителя концентра ции .

2.Устройство по п.1, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что проточно-диффузионные ячейки снабжены закрепленным на них радиатором.

3.Устройство по ПП.1 и 2, о т - личающееся тем, что чувст- вительньш элемент выполнен в виде плоского металлофольгового терморе- зисторл, расположенного между двумя пластинами .с вьтолненными на их внутренних сторонах кольцевыми каналами для прохода газа, причем в нижней пластине вьтолнены два-отверстия для входа и выхода газа, а радиатор закреплен на одной из пластин.

22698

и измерительный газовые каналы, в

каждом из которых установлены проточно-диффузионные ячейки с чувствительными элементами, подключенными к измерителю концентрации реагента в газовой смеси, датчик расхода, сот единенный через усилитель с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом измерителя концентрации, а выход подключен к входу блока сравнения, выход которого соединен с регулирующим клапаном, отличающееся тем.

10

0

5

0

ройства, оно содержит преобразователь напряжение - ток, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом измерителя концентрации .

2.Устройство по п.1, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что проточно-диффузионные ячейки снабжены закрепленным на них радиатором.

3.Устройство по ПП.1 и 2, о т - личающееся тем, что чувст- вительньш элемент выполнен в виде плоского металлофольгового терморе- зисторл, расположенного между двумя пластинами .с вьтолненными на их внутренних сторонах кольцевыми каналами для прохода газа, причем в нижней пластине вьтолнены два-отверстия для входа и выхода газа, а радиатор закреплен на одной из пластин.

Ю

12

ВхаЗ газа- носителя

8хо9

-ОЗ

с

аза-носителя

Изобретение относится к подготовке и анализу газов и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами преимущественно при производстве изделий электронной техники. Цель изобретения - повьшение точности устройства.Устройство для измерения и регулирования реагента в газо- вой смеси содержит эталонный 1 и измерительный 2 газовые каналы проточно-диффузионные ячейки 12 с чувствительными элементами 3, измеритель концентрации 4 реагента в газовой смеси, датчик расхода 6, регулируемый клапан 1 О, усилитель 7, блок умножения 8, блок сравнения 9, соединенный выходом и входом соответственно с входом и выходом измерителя концентрации, преобразователь напряжение - код 5. Причем проточно- диффузионные ячейки 12 снабжены закрепленным радиатором 11, а чувствительные элементы 3 выполнены в виде плоских металлофольговьгх терморезисторов , расположенных между двумя пластинами с выполненными на их внутренних сторонах кольцевыми каналами для прохождения газа. Причем нижняя пластина имеет два отверстия для входа и выхода газа, а радиатор закреплен на одной из этих пластин. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. Q S (Л е Вы}-одные сигналь устройства г-«Т Цотч, стройства Цотч, ОЗ оо ГчЭ ю 05 со

Составитель А.Гостик Редактор И.Николай чук Техред И.Попович Корректор В. Гирняк

3830/.42

Тираж 863 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое, предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4