RU157156U1

RU157156U1 - EFFECTIVE GAS DETECTOR

Info

Publication number: RU157156U1
Application number: RU2015129152/28U
Authority: RU
Inventors: Леонид Владимирович Илясов; Ольга Петровна Дмитриева
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2015-11-20

Abstract

Эффузионный детектор газов, содержащий измерительный и сравнительный постоянные дроссели, установленные на выходах двух трубок для подачи газа-носителя, к входам которых подключены два переменных дросселя, а входы последних через тройник подключены к стабилизатору расхода газа-носителя, причем в стенки трубок непосредственно перед постоянными дросселями вмонтированы штуцеры, отличающийся тем, что детектор дополнительно содержит электретный микрофон с подвижным электродом, снабженный плоским электретом, и неподвижный электрод, размещенный в межэлектродной камере электретного микрофона, электроакустический преобразователь со звукоизлучающим элементом и генератором электрических колебаний, выход которого подключен ко входу электроакустического преобразователя, дополнительную камеру, электронный усилитель, к выходу которого последовательно подключены выпрямитель и вольтметр, при этом один из штуцеров подключен к межэлектродной камере электретного микрофона, а второй соединен с дополнительной камерой, в стенки которой вмонтированы подвижный электрод электретного микрофона и звукоизлучающий элемент электроакустического преобразователя. An effusion gas detector containing measuring and comparative constant chokes installed at the outputs of two tubes for supplying carrier gas, to the inputs of which two variable chokes are connected, and the inputs of the latter are connected via a tee to the flow stabilizer of the carrier gas, and into the tube walls immediately before the constant chokes are mounted with chokes, characterized in that the detector further comprises an electret microphone with a movable electrode, equipped with a flat electret, and a stationary electrode, size connected in the interelectrode chamber of the electret microphone, an electro-acoustic transducer with a sound-emitting element and an oscillation generator, the output of which is connected to the input of the electro-acoustic transducer, an additional camera, an electronic amplifier, the output of which is connected to the rectifier and a voltmeter, one of the fittings is connected to the interelectrode chamber of the electret microphone, and the second is connected to an additional chamber, in the walls of which are mounted a movable electrode electret microphone and sound-emitting element of the electro-acoustic transducer.

Description

Полезная модель относится к области аналитической техники, а именно, к средствам измерений концентрации и физико-химических свойств газов.The utility model relates to the field of analytical technology, namely, to means for measuring the concentration and physicochemical properties of gases.

Известен эффузионный детектор газов (Кулаков М.В., Шкатов Е.В Дифференциальный пневматический детектор газовой хроматографии. «Приборостроение», 1964 г.№10), содержащий измерительный и сравнительный дроссели, установленные на выходах трубок для подачи газа-носителя, к входу одной из которых подключен переменный дроссель, а к входу второй - хроматографическая колонка, причем входы дросселя и колонки через тройник подключены к стабилизатору расхода газа-носителя. При этом в стенках трубок непосредственно перед дросселем вмонтированы штуцеры, к которым подключены входы дифференциального преобразователя давления с пневматическим выходным сигналом, а выход этого преобразователя подключен к самопишущему манометру.Known effusion gas detector (Kulakov MV, Shkatov E.V. Differential pneumatic gas chromatography detector. "Instrumentation", 1964, No. 10), containing measuring and comparative chokes installed on the outlets of the tubes for supplying carrier gas to the input one of which is connected to a variable throttle, and a chromatographic column is connected to the input of the second, and the throttle and column inputs are connected through a tee to a carrier gas flow stabilizer. At the same time, fittings are mounted in the tube walls directly in front of the throttle, to which the inputs of a differential pressure transducer with a pneumatic output signal are connected, and the output of this transducer is connected to a recording manometer.

В процессе работы такого детектора, когда из хроматографической колонки к измерительному постоянному дросселю поступает газ-носитель с каким-либо компонентом, плотность которого отличается от плотности газа-носителя, изменяется давление газа-носителя перед этим дросселем, что вызывает сигнал дифференциального преобразователя разности давлений. Последний, в зависимости от типа дросселя, определяется разностью плотностей или вязкостей анализируемого газа и газа-носителя. Если постоянными дросселями служит диафрагмы (турбулентные пневматические сопротивления), то сигнал детектора определяется плотностью анализируемого газа, а если этими дросселями служат капилляры (ламинарные пневматические сопротивления), то сигнал детектора определяется вязкостью анализируемого газа.During the operation of such a detector, when a carrier gas with some component, whose density differs from the density of the carrier gas, flows from the chromatographic column to the measuring constant throttle, the pressure of the carrier gas in front of this throttle changes, which causes the signal of the differential pressure differential converter. The latter, depending on the type of throttle, is determined by the difference in densities or viscosities of the analyzed gas and the carrier gas. If diaphragms (turbulent pneumatic resistances) serve as constant chokes, then the detector signal is determined by the density of the analyzed gas, and if these chokes are capillaries (laminar pneumatic resistances), the detector signal is determined by the viscosity of the analyzed gas.

Недостатком такого эффузионного детектора является громоздкость, связанная с необходимостью использования дифференциальных преобразователей давления с большими мембранами или многомембранных пневматических усилителей, обеспечивающих возможность измерения малых разностей давления.The disadvantage of such an effusion detector is the cumbersomeness associated with the need to use differential pressure transmitters with large membranes or multi-membrane pneumatic amplifiers, which make it possible to measure small pressure differences.

Наиболее близким по технической сущности является эффузионный детектор газов (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Автоматические детекторы газов. М.: Энергия, 1972 г., С. 31-33), содержащий измерительный и сравнительный постоянные дроссели, установленные на выходах двух трубок для подачи газа-носителя, к входам которых подключены два переменных дросселя, а входы последних через тройник подключены к стабилизатору расхода газа-носителя, причем в стенки трубок непосредственно перед постоянными дросселями вмонтированы штуцеры. В данном детекторе к названным штуцерам подключаются каналы, по которым подается чистый газ-носитель, а в этих каналах расположены терморезисторы, служащие термоанемометрами, и подключенные к неуравновешенному электрическому мосту, током которого они нагреваются.The closest in technical essence is an effusion gas detector (Farzane N.G., Ilyasov L.V. Automatic gas detectors. M.: Energia, 1972, S. 31-33), containing measuring and comparative constant chokes mounted on the outputs of two tubes for supplying carrier gas, to the inputs of which two variable chokes are connected, and the inputs of the latter are connected via a tee to a stabilizer of the carrier gas flow, and fittings are mounted in the walls of the tubes directly in front of the constant chokes. In this detector, channels are connected to these fittings through which pure carrier gas is supplied, and in these channels there are thermistors that serve as hot-wire anemometers and connected to an unbalanced electric bridge, by the current of which they are heated.

При поступлении какого-либо анализируемого компонента из хроматографической колонки на вход измерительного дросселя изменяется поток газа, поступающего к соответствующему штуцеру из канала в котором размещен термоанемометр. Последнее вызывает изменение температуры термоанемометра, которым обычно служит терморезистор, и разболанс неуравновешенного электрического моста, выходной сигнал которого регистрируется потенциометром или вольтметром.When any analyzed component arrives from the chromatographic column at the inlet of the measuring choke, the gas flow changes to the corresponding fitting from the channel in which the hot-wire anemometer is located. The latter causes a change in the temperature of the hot-wire anemometer, which is usually used by a thermistor, and an imbalance of an unbalanced electric bridge, the output signal of which is recorded by a potentiometer or voltmeter.

Недостатком такого эффузионного детектора является необходимость высокоточного поддержания температуры детектора, что усложняет его конструкцию, так как связана с необходимостью использования дополнительного стабилизатора температуры.The disadvantage of this effusion detector is the need for high-precision temperature maintenance of the detector, which complicates its design, as it is associated with the need to use an additional temperature stabilizer.

Задачей данной полезной модели является создание эффузионного детектора, не требующего высокоточного стабилизатора его температурыThe objective of this utility model is to create an effusion detector that does not require a high-precision stabilizer of its temperature

Технический результат - упрощенной конструкции.The technical result is a simplified design.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что эффузионный детектор газов содержит измерительный и сравнительный постоянные дроссели, установленные на выходах двух трубок для подачи газа-носителя, к входам которых подключены два переменных дросселя, а входы последних через тройник подключены к стабилизатору расхода газа-носителя, причем в стенки трубок непосредственно перед постоянными дросселями вмонтированы штуцеры. Согласно полезной модели детектор дополнительно содержит электретный микрофон с подвижным электродом, снабженный плоским электретом, и неподвижный электрод, размещенный в межэлектродной камере электретного микрофона, электроакустический преобразователь со звукоизлучающим элементом и генератором электрических колебаний, выход которого подключен к входу электроакустического преобразователя, дополнительную камеру, электронный усилитель, к выходу которого последовательно подключены выпрямитель и вольтметр, при этом один из штуцеров подключен к межэлектродной камере электретного микрофона, а второй соединен с дополнительной камерой, в стенки которой вмонтированы подвижный электрод электретного микрофона и звукоизлучающий элемент электроакустического преобразователя.The task and technical result are achieved by the fact that the effusion gas detector contains a measuring and comparative constant chokes installed at the outputs of two tubes for supplying carrier gas, the inputs of which are connected to two variable chokes, and the inputs of the latter are connected via a tee to the carrier flow stabilizer and, in the walls of the tubes directly in front of the constant chokes, fittings are mounted. According to a utility model, the detector further comprises an electret microphone with a movable electrode equipped with a flat electret, and a fixed electrode located in the interelectrode chamber of the electret microphone, an electro-acoustic transducer with a sound-emitting element and an electric oscillation generator, the output of which is connected to the input of the electro-acoustic transducer, an additional camera, an electronic amplifier , to the output of which a rectifier and a voltmeter are connected in series, while one of the fitting in is connected to the interelectrode chamber of the electret microphone, and the second is connected to an additional chamber, the walls of which are mounted a movable electrode of the electret microphone and the sound-emitting element of the electro-acoustic transducer.

Такое техническое решение обеспечивает упрощение конструкции эффузионного детектора, многократное уменьшение его размеров и увеличение чувствительности. Оно также позволяет исключить необходимость строгой стабилизации температуры детектора, которая требуется в детекторе, используемом в качестве прототипа, что существенно усложняет конструкцию, так как делает необходимость использования датчика температуры, нагревателя и автоматического регулятора. Используемые в детекторе электретные микрофоны электроакустические преобразователи, как правило, миниатюрны и в большой степени инвариантные к изменению окружающей температуры.This technical solution provides a simplification of the design of the effusion detector, a multiple reduction in its size and an increase in sensitivity. It also eliminates the need for strict stabilization of the temperature of the detector, which is required in the detector used as a prototype, which significantly complicates the design, as it makes it necessary to use a temperature sensor, heater and automatic controller. Electret microphones used in the detector, electro-acoustic transducers, as a rule, are miniature and to a large extent invariant to changes in ambient temperature.

По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.Compared with the prototype of the claimed design has a distinctive feature in the combination of elements and their relative position.

Схема эффузионного детектора газов показана на фиг. 1.A diagram of an effusion gas detector is shown in FIG. one.

Эффузионный детектор газов содержит измерительный 1 и сравнительный 2 постоянные дроссели, установленные на выходах двух трубок 3 и 4, к входам которых подключены два переменных дросселя 5 и 6. Выходы дросселей 5 и 6 через тройник 7 подключены к стабилизатору 8 расхода газа-носителя. Непосредственно перед постоянными дросселями 1 и 2 в стенки трубок 3 и 4 вмонтированы штуцеры 9 и 10.The effusion gas detector contains measuring 1 and comparative 2 constant chokes installed at the outputs of two tubes 3 and 4, to the inputs of which two variable chokes 5 and 6 are connected. The outputs of the chokes 5 and 6 through a tee 7 are connected to the stabilizer 8 of the carrier gas flow. Directly in front of the constant chokes 1 and 2, fittings 9 and 10 are mounted in the walls of the tubes 3 and 4.

Детектор также содержит электретный микрофон 11 с подвижным электродом 12, снабженный плоским электретом 13, и неподвижные электрод 14, размещенный в межэлектродной камеры 15 электретного микрофона 11, а так же электроакустический преобразователь 16 со звукоизлучающим элементом 17 и генератором 18 электрических колебаний, выход которого подключен к входу электроакустического преобразователя 16. Детектор также содержит дополнительную камеру 19, электронный усилитель 20, к выходу которого подключены последовательно выпрямитель 21 и вольтметр 22. Штуцер 9 подключен к межэлектродной камере 15, а штуцер 10 соединен с дополнительной камерой 19, причем в стенки 23 и 24 этой камеры 19 вмонтированы соответственно подвижный электрод 12 электретного микрофона 11 и звукоизлучающий элемент 17 электроакустического преобразователя 16.The detector also contains an electret microphone 11 with a movable electrode 12, equipped with a flat electret 13, and a stationary electrode 14 located in the interelectrode chamber 15 of the electret microphone 11, as well as an electro-acoustic transducer 16 with a sound-emitting element 17 and an oscillation generator 18, the output of which is connected to the input of the electro-acoustic transducer 16. The detector also contains an additional camera 19, an electronic amplifier 20, to the output of which a rectifier 21 and a voltmeter 22 are connected in series. CER transconductance 9 connected to the chamber 15, and nozzle 10 is connected with an additional chamber 19, with a wall 23 of the chamber 24 and 19 respectively mounted movable electrode 12 and an electret microphone 11 of the sound element 17 is an electroacoustic transducer 16.

Неподвижный электрод 14 электретного микрофона 11 размещен на изоляторе 25. Для подачи постоянной по объему пробы анализируемого газа служит устройство ввода 26.The fixed electrode 14 of the electret microphone 11 is placed on the insulator 25. To supply a constant volume of sample of the analyzed gas is the input device 26.

Эффузионный детектор газов работает следующим образом.An effusion gas detector operates as follows.

Из стабилизатора 8 расхода в переменные дросселя 5 и 6 непрерывно поступают потоки газа-носителя, который после переменных дросселей 3 и 4 поступают к постоянным дросселям 1 и 2, а затем эти потоки истекают в атмосферу. При этом перед дросселем 1 и 2 возникают постоянные по значению давления, соответствующие начальному уровню. После ввода пробы анализируемого газа через устройство ввода 26 она транспортируется по трубке 3 и через некоторое время поступает на вход измерительного дросселя 1. Если плотность анализируемого газа отличается от плотности газа-носителя, то при истечении (эффузии) этой пробы через измерительный дроссель 1 перед ним изменяется давление. При этом перед сравнительным дросселем 2 давление остается постоянным. Поэтому между штуцерами 9 и 10 возникает разность давления. Эта разность воздействует на подвижный электрод 12 электретного микрофона 11 и вызывает его деформацию. При этом изменяется положение подвижного электрода 12 относительно неподвижного электрода 14. Преобразование перемещения подвижного электрода 12 относительно неподвижного 14 в электрический сигнал происходит следующим образом. При отсутствии разности давления между штуцерами 9 и 10 при воздействии акустического сигнала, поступающего от звукоизлучающего элемента 17 электроакустического преобразователя 16, подвижный электрод 12 совершает симметричные перемещения относительно своего нейтрального положения. При этом за счет периодического изменения расстояния между подвижным 12 и неподвижным 14 электродами наличия на подвижном электроде 12 плоского электрета 13, обладающего электрическим зарядом, между подвижным 12 и неподвижным 14 электродами, возникает переменная по времени разность потенциалов. Поэтому на входе электронного усилителя 20 появляется переменная разность потенциалов. После усиления этой разности на выходе усилителя 20 возникает сигнал напряжения, который выпрямляется выпрямителем 21 и измеряется вольтметром 22. Так формируется начальный уровень сигнала детектора. Когда между штуцерами 9 и 10 возникает разность давления, вызванная протеканием через измерительный постоянный дроссель 1 газа-носителя, содержащий какой-либо анализируемый газ, характер перемещения подвижного электрода 12 относительно неподвижного 14 изменяется. В зависимости от знака разности давления расстояние между электродами 12 и 14 может уменьшаться или увеличиваться. Это вызывает изменение электрического сигнала, индуцируемого электретом на выходе электретного микрофоном 11 или на входе усилителя 20, что приводит к измерению амплитуды колебаний на вход электронного усилителя 20 и, как следствие, увеличение сигнала на выходе электронного усилителя 20. Возникающий при этом на выходе выпрямителя сигнал, имеющий форму импульса, измеряется вольтметром, а его амплитуда и площадь используется в качестве информативного параметра. Если в качестве постоянного дросселя используется диафрагма, то сигнал детектора при постоянном объеме пробы зависит от разности плотностей анализируемого газа и газа-носителя, а в случае, когда в качестве постоянных дросселей в детекторе используются капилляры, его сигнал зависит от разности вязкости анализируемого газа-носителя.From the flow stabilizer 8, carrier gas flows continuously to the variable throttles 5 and 6, which, after the variable throttles 3 and 4, go to the constant throttles 1 and 2, and then these flows flow into the atmosphere. In this case, in front of the throttle 1 and 2 there are constant pressure values corresponding to the initial level. After the sample of the analyzed gas is introduced through the input device 26, it is transported through the tube 3 and after a while arrives at the inlet of the measuring choke 1. If the density of the analyzed gas differs from the density of the carrier gas, then upon expiration (effusion) of this sample through the measuring choke 1 in front of it pressure changes. In this case, before the comparative throttle 2, the pressure remains constant. Therefore, between the fittings 9 and 10, a pressure difference occurs. This difference affects the movable electrode 12 of the electret microphone 11 and causes its deformation. This changes the position of the movable electrode 12 relative to the stationary electrode 14. Converting the movement of the movable electrode 12 relative to the stationary 14 into an electrical signal is as follows. In the absence of a pressure difference between the fittings 9 and 10 when exposed to an acoustic signal coming from the sound-emitting element 17 of the electro-acoustic transducer 16, the movable electrode 12 makes symmetrical movements relative to its neutral position. In this case, due to a periodic change in the distance between the movable 12 and the fixed 14 electrodes, the presence on the movable electrode 12 of a flat electret 13 having an electric charge between the movable 12 and the fixed 14 electrodes, a potential difference in time arises over time. Therefore, at the input of the electronic amplifier 20, a variable potential difference appears. After amplification of this difference, a voltage signal appears at the output of amplifier 20, which is rectified by rectifier 21 and measured by voltmeter 22. Thus, the initial level of the detector signal is formed. When a pressure difference occurs between the fittings 9 and 10, caused by the flow of carrier gas through the measuring constant reactor 1 containing any analyte, the nature of the movement of the movable electrode 12 relative to the stationary 14 changes. Depending on the sign of the pressure difference, the distance between the electrodes 12 and 14 may decrease or increase. This causes a change in the electric signal induced by the electret at the output of the electret microphone 11 or at the input of the amplifier 20, which leads to a measurement of the amplitude of oscillations at the input of the electronic amplifier 20 and, as a result, an increase in the signal at the output of the electronic amplifier 20. The signal resulting from the output of the rectifier having the shape of a pulse is measured with a voltmeter, and its amplitude and area are used as an informative parameter. If a diaphragm is used as a constant choke, then the detector signal with a constant sample volume depends on the density difference between the analyzed gas and the carrier gas, and in the case when capillaries are used as constant chokes in the detector, its signal depends on the difference in the viscosity of the analyzed carrier gas .

Проведенные испытания макета описанного эффузионного детектора позволили установить, что при использовании электретного микрофона типа МКЭ-3, и электроакустического преобразователя (малогабаритного телефона типа ТМ-2А) и объемном расходе газа-носителя (гелия), равным 1-3 л/час в каждую трубку, чувствительность детектора составляет 2-4 мВ/% об (по пропану) при частоте колебаний 5 кГц.The tests carried out on the prototype of the described effusion detector made it possible to establish that when using an electret microphone of the MKE-3 type and an electro-acoustic transducer (small-sized telephone of the TM-2A type) and a volumetric flow rate of carrier gas (helium) equal to 1-3 l / h into each tube , the sensitivity of the detector is 2-4 mV /% rpm (propane) at an oscillation frequency of 5 kHz.

Преимущество предлагаемого технического решения:The advantage of the proposed technical solution:

- простота конструкции;- simplicity of design;

- малые размеры;- small sizes;

- низкая стоимость.- low cost.

Предложенный эффузионный детектор газов может быть реализован на базе стандартных электретного микрофона и миниатюрного телефона, а также распространенных и дешевых средств электронной техники.The proposed effusion gas detector can be implemented on the basis of a standard electret microphone and a miniature telephone, as well as common and cheap electronic equipment.

Эффузионный детектор газов может найти применение в лабораторных и промышленных средствах контроля плотности газов, а также в газовой хроматографии.An effusion gas detector can be used in laboratory and industrial means for monitoring gas density, as well as in gas chromatography.

Claims

An effusion gas detector containing measuring and comparative constant chokes installed at the outputs of two tubes for supplying carrier gas, to the inputs of which two variable chokes are connected, and the inputs of the latter are connected via a tee to the flow stabilizer of the carrier gas, and into the tube walls immediately before the constant chokes are mounted with chokes, characterized in that the detector further comprises an electret microphone with a movable electrode, equipped with a flat electret, and a stationary electrode, size connected in the interelectrode chamber of the electret microphone, an electro-acoustic transducer with a sound-emitting element and an generator of electrical vibrations, the output of which is connected to the input of the electro-acoustic transducer, an additional camera, an electronic amplifier, to the output of which a rectifier and a voltmeter are connected in series, while one of the fittings is connected to the interelectrode chamber of the electret microphone, and the second is connected to an additional chamber, in the walls of which are mounted a movable electrode electret microphone and sound-emitting element of the electro-acoustic transducer.