Диффузионный статический газоанализатор Советский патент 1979 года по МПК G01N13/00 B01D53/22 

Изобротение относится к области aiia.niтичсского контро.1я техно.кмичсчкпх иронсссов и ирелиазиачено для авто атическо -о измерения состава тре. и более комионептпых газовых смесей. Оно может также найти нримепение в лабораторных заводских анализах..

Известен газоана.нзатор, основанный на явленни ди(1)(|пзнн, д.-1я разделения комнопентов, как ri|ianH.io, .четких газов -- водорода или метана, в котором нснользуется днффузнонньи барьер. Измерение количества нродн(|)унднр()|и1нных через ди(1())узиоиный барьер .четких комноиентов осуществляется но дав.чеиню с HOMoiniiio манометра 1 .

Недостатком iTOfo анализат()1)а является иеобхо.чимость подбора дн(|)фузиоииого барьера и ограиичеиное применение, обусловленнос возможн.осгыо анализа тол1,ко; концентpaiuni ,1егки газов и 6iiHapiH)ix смесей.

Ианбо.чее блнзким техннческ1 м ре1пением к пзобретеиик) Я1.1яется газоаиа.чизатор, основанны на свободной днффузии и не требуюнши ирименсчшя специального диффуЗИОНП01-0 барьера. Этот газоанализатор включает I себя дозато) с дозируемым объемом,

выно.-щеппым в виде трубки, ка.меру для диф(|пзионного раздсле1Н1я комнононтов анализируемой смеси и систему детектироваиия с чувстппте.чьпымн лемеитами 12 .

Недостатком газоана.чизатора является то, что он спосрбен определять па.;п1чне 1 воз.чухе то,Ч1)КО легких газов, таких как подоро.ч, метап, гелиГ и других и ие способеи )суи1ествлять анализ состава nio1оком11онентных газовых смесей.

настоящего нзобретения яв.тяется разработка ;изтоматическог о газоана.чизатора, свободного от указан1п 1х недостатков, ирнсуни1х извеет1И 1м газоана,чнза1орам, pea.4ii3yioHUiM .чн()(|1 зиоиный способ ана.чнза газ(.х. смесей, п способного осунаств.чячч, апа.чнз состав многокбмнопентпых газовых смесей.

Постав.чснная нель достигается тем, что камера газоанализатора,лмужащая для диффузиоппого разде.чения, содержит емкоеть ана.чпзируемого газа п емкость чистого газа, между которыми располагается подвижная заслопка, а чувствительные элемеиты системы детектирования расноложеиы в емкости чистого газа на различных расстояниях от заслонки. Принципиальная схема диффузионного статического газоанализатора приведена на чертеже. Диффузионная камера статического газоанализатора состоит из двух металлических емкостей 1 и 2 (диаметром 15 мм и длиной 100 мм), размещенных друг над другом, из которых емкость 1 всегда заполняется анализируемым газом, а емкость 2 - каким-либо чистым газом (дополнительный газ), в качестве которого можно использовать воздух, водород, азот, углекислый газ и др. Причем, если плотность анализируемой смеси больше плотности принятого дополнительного газа, емкость 2 размещается над емкостью 1;в противоположном случае емкость 1 размещается над емкостью 2. Это предотвращает гравитационное смешивание газов. Емкости 1 и 2 разделены подвижной тонкой заслонкой 3, в которой имеется окно 4, имеющее в сечении форму окружности с диаметром, равным внутреннему диаметру емкости. Заслонка перемещается с помощью мембранного привода 5, управляемого сжатым воздухом, поступающим от командного прибора 6. Привод устанавливает заслонку в одно из двух положений - когда образующая окна 4 совмещается с образующими емкостей 1 и 2 и гюследние сообщаются друг с другом, и когда заслонка полностью разобщает емкости I и 2 (это положение изображено на чертеже). Управляемые клапаны 7 и 8 служат для сообщения емкостей 1 и 2 с атмосферой, а через клапан 9 поступает анализируемый или дополнительный газы (в зависимости от режима работы газоанализатора). Клапань 10 и 11 служат для управления потоками дополнительного и анализируемого газов, а регуляторы 12 - для поддержания постоянного объемного расхода анализируемого и дополнительного газов. Все указанные элементы газоанализатора размещены в термостате 13, температура которых поддерживается равной 40°С. Для нагрева газов до температуры термостатирования служит змеевик 14, также расположенный в термостате. Для измерения теплопроводности газовых смесей, образовавшихся в результате взаимных диффузий анализируемого и. дополнительного газов, в емкости 2 на разных расстояниях от заслонки 3, вдоль направления «X диффузии расположены измерительные терморезисторы 15 и 16, число которых на единицу меньще числа компонентов анализируемой газовой смеси. Сравнительные терморезисторы 17 и 18 расположены в емкости 19, заполненной дополнительным газом, которая размещена в термостате. Терморезисторы 15 и 1-6, 17 и 18 попарно включены в схемы неравновесных мостов 20 и 21, разбалансы которых запоминаются устройствами памяти 22 по сигналу командного прибора 6. Вычислительное устройство 23 реализует операции умножения сигнала каждогО из мостов на постоянный коэффициент и алгебраическое сложение результатов. Регистратор 24 записывает сигналы вычислительного устройства. Управление работой привода 5, клапанов 7-.11, устройств памяти 22 и вычислительного устройства 23 осушествляет командный прибор 6 (соединения командного прибора 6 с перечисленными устройствами на чертеже не показаны). Диффузионный статический газоанализатор имеет два режима работы - анализ и подготовка анализа (коротко - подготовка). Режим подготовка следует после осуществления режима анализ в предыдущем цикле работы газоанализатора. После завершения очередного цикла работы прибора заслонка 3 остается в положении, при котором емкости 1 и 2 сообщаются через окно. Режим подготовка, последующего цикла работы прибора начинается с того, что по сигналу командного прибора открываются клапаны 7, 8, -9, 10 и 11 емкости I и 2 в течение определенного отрезка времени промываются дополните.льным газом. После этого по сигналу командного прибора привод передвигает . слонку вправо и разобщает емкости 1 и 2. Одновременно закрывается клапан 8 и емкость 2 оказывается заполненной дополнительным газом. После этого по сигналу командного прибора открь1вается клапан 11 и в емкость 1 начинает поступать уже газовая смесь, состоящая из дополнительного и анализируемого газа. Причем расход анализируемого газа должен быть в 10-20 раз меньще расхода дополнительного газа, что необходимо для того, чтобы диффузия каждого компонента анализируемой смеси происходила независимо от других. Наличие регуляторов 12 обеспечивает постоянство концентрации анализируемого в потоке газа, поступающего в емкость 1. После промывки емкости указанной газовой смесью по сигналу командного прибора 6 последовательно закрываются клапаны 9, 7, 10 и 11. Емкость 1 оказывается заполненной газовой смесью, имеющей всегда одинаковую концентрацию анализируемой газовой смеси. На этом заканчивается режим подготовка. , В течение рассматриваемого периода ра- . боты в запоминающих устройствах и на выходе вычислительного устройства сохраняется информация, полученная в предыдущем цикле работы газоанализатора. Режим анализ начинается с момента времени, когда ро сигналу командного прибора привод перемещает заслонку в левое крайнее положение и емкости 1 и 2 сообщаются через окно. При .этом компоненты анализируемой газовой смеси начинают диффундировать из емкости 1 в емкость 2, а в обратном направлении происходит диффузия дополнительного газа. В емкости 2 вдоль направления X диффузии, начиная от плоскости заслонки, создаются определеннб1е концёНтрации компонентов анализируемой газовой смеси. Объемная концентрация каждого компонента вдоль направления диффузии при прочих равных условиях однозначно определяются его коэффициентом диффузии в дополнительныи газ. Как показали исследования, при малых концентрациях (несколько процентов) компонентов в дополнительном газе каждый компонент диффундирует из емкости 1 в емкость 2 независимо от других. Поэтому при изменениях концентраций компонентов в анализируемой газовой смеси относительное распределение концентрации одного и того же компонента,, взятое в фиксированный момент времени, начиная с момента соприкосновения газов, остается постоянной. Малая концентрация в дополнительном газе является основным условием, определяющим возможность осуществления анализа, и для выполнения этого условия в газоанализаторе предусмотрено предварительное 10- 20-кратное разбавление анализируемого газа .дополнительным. В режиме анализ за определенное время вдоль направления х диффузии происходит разделение компонентов, а именно компоненты, обладающие большим коэффициентом диффузии, за этот период проникают на большее расстояние. Определенных сечений емкости 2 в направлении диффузии достигают за это время один, два, три и т. д. компонента. Измерительные терморезисторы непрерывно измеряют теплопроводности газовьгх смесей в выбранных сечениях, а так как сравнительные терморезисторы находятся всегда в атмосфере дополнительного газа, имеющего постоянную теплопроводность, то возникают разбалансы неравновесных мостов. Через заданный период времени с момента начала режима анализ по сигналу командного прибора запоминающие устройства запоминают сигналы измерительных мостов, а вычислительное устройство осуществляет обработку этих сигналов. Это позволяет получить информацию о концентрации любого или всех компонентов анализируемой газовой смеси. В следующем цикле работы прибора все описанные выще операции повторяются. Газоанализатор способен .осуществлять анализ состава 3-х компонентной смеси. Число измерительных терморезисторов, установленных в емкости 2 вдоль направления диффузии равно двум, т. е. на единицу меньше числа компонентов анализируемой смеси. Если необходимо измерять состав 4-х, 5-ти и более компонентной газовой смеси, то в емкости 2 необходимо расположить соответственно три, четыре и более измерительных терморезисторов. Описанный диффузионный статический газоанализатор прост по конструкции, включает в свой состав одинаковые по принципу действия первичные измерительные преобразователи и свободен от недостатков существующих газоанализаторов, раелизующих диффузионный метод анализа. Он может перенастраиваться для анализа р азличных многокомпонентных газовых смес.й,для чего достаточно изменить соответствующим образом число и расположение чувствительных элементов и выбрать продолжительность анализа. Прибор позволяет осуществлять анализ состава газовых смесей экспрессно за 30- 60 секунд. Указанные преимущества определяют возможность широкого применения предлагаемого газоанал-изатора для автомат;ических измерений состава газа на технологических потоках и в заводских лабораториях. Формула изобретения Диффузионный статический газоанализатор, содержащий камеру для диффузионного разделения компонентов анализируемой смеси и систему детектирования с чувствительными элементами, отличающийся тем, что, с целью анализа многокомпонентных смесей, камера для диффузионного разделения содержит емкость анализируемого газа и емкость чистого газа, между которыми расположена подвижная заслонка, а чувствительные элементы системы детектирования расположены в емкости чистого газа на разных расстояниях от заслонки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей. М., 1970, с. 83-89. 2.Патент США № 3617734, кл. 250-43, 1971.

.- -:;

. f ,f . ,,..,.... :- Л .-.- г-661301

дапоцнительныо Анализируепый газгаз