RU207887U1 - Акустический газоанализатор - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для определения концентрации водорода в атмосфере и может быть применена в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности, в частности, при наработке медицинских изотопов, когда есть опасность контакта металла с водой с быстрым образованием большого количества водорода. Техническим результатом полезной модели является исключение дополнительного резонатора, не обеспечивающего стабильности газового состава, а также обеспечивается упрощение конструкции устройства. Акустический газоанализатор, выполненный в виде корпуса с установленной внутри измерительной камерой резонатора, содержащего микропроцессорный блок для измерения разности частот, причем резонатор представляет собой полый цилиндр с длиной, равной одной звуковой полуволне, с подводом измеряемого газа через отверстия в боковой стенке, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах камеры и сообщающиеся с полостью резонатора через отверстия, причем источник и приемник звука соединены с блоком генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты. Корпус газоанализатора состоит из электронной части и измерительной, соединенных между собой центральной соединительной пластиной, к которой закреплен резонатор, причем на внешней стенке измерительной камеры резонатора установлены два датчика температуры, выполненные в виде платиновых терморезисторов с малой постоянной времени, а также датчик влажности, причем выход блока генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, а также датчиков температуры и влажности соединены с микропроцессорным блоком, микропроцессор которого выполнен с возможностью производить измерение разности частот резонатора, полученных в разных условиях, а также с возможностью вносить поправки, связанные с показаниями датчиков температуры и влажности. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Полезная модель относится к устройствам для определения концентрации водорода в атмосфере и может быть применена в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности, в частности, при наработке медицинских изотопов, когда есть опасность контакта металла с водой с быстрым образованием большого количества водорода.

Основное требование к такому датчику - максимально быстро зафиксировать появление в помещении водорода, свидетельствующего о развитии аварийной ситуации. Для этого он должен обладать высокой чувствительностью, около 0,1% объемной, и высоким быстродействием - задержка сигнала не должна превышать доли секунды. Кроме того, он должен быть надежным, поскольку является важным компонентом системы безопасности.

В промышленности используются датчики присутствия детектируемого газа, в основном, нескольких типов.

1. Газоанализаторы для водорода ГВ-01 [uralpm.com], предназначенные для измерения объемной концентрации водорода и температуры в атмосфере герметичного ограждения АЭС. Принцип действия датчика газоанализатора водорода основан на свойстве проводника из сплава палладий-серебро поглощать водород из анализируемой газовой смеси и изменять при этом свое электрическое сопротивление. Количество поглощенного водорода пропорционально его объемной концентрации в газовой смеси, а изменение электрического сопротивления пропорционально количеству поглощенного водорода. По величине изменения сопротивления проводника определяется концентрация водорода в контролируемой газовой смеси. У него неплохая точность (+/-0,25%), но значительная инерционность, а также большие габариты.

2. Персональный однокомпонентный газоанализатор MSTox 9001 [www.gazoanalizators.ru/MSTox-9001.html], предназначенный для определения концентрации токсичных газов в атмосфере, выявления утечек этих газов с выдачей визуальной и аудио сигнализации о превышении концентрации измеряемого газа. Главным компонентом газоанализатора MSTox 9001 служит электрохимический сенсор. Сенсор быстро реагирует на контролируемый газ, выдавая электрический сигнал, прямо пропорциональный текущей концентрации газа. Недостатком его является низкая точность измерений - 10%.

3. Фирма Synkera technologies [https://www.crunchbase.com/organization/synkera-technologies] производит твердотельные датчики, которые в качестве чувствительного элемента используют наноструктуру из оксида алюминия. В процессе создания датчика на керамическом термоизолированном основании формируется слой оксида алюминия толщиной 15-35 мкм. Чувствительный слой находится на керамическом термоизолированном основании. Оно может разогреваться с помощью дополнительного нагревателя. Чувствительная поверхность предварительно разогревается до определенной температуры, которая зависит от типа газовой примеси. При попадании молекул анализируемого газа на поверхность датчика, происходит высвобождение носителей электрического заряда (электронов или дырок). В результате сопротивление слоя оксида алюминия изменяется. Измеряя это сопротивление, можно судить о концентрации примесей. У него также невысокая точность измерений (5%) и значительное время реакции - около 6 сек.

Менее распространены потенциально очень перспективные акустические газоанализаторы, действие которых основано на изменении резонансной частоты камеры резонатора, заполняемой контролируемым газом, при изменении состава этого газа (см., например, SU832447, 1981). Камера резонатора выполняется в виде отрезка трубы, ограниченной мембранами, либо в виде сосуда специальной формы, например, в виде резонатора Гельмгольца. Возбуждение и прием колебаний в них осуществляется электроакустическими преобразователями. Измеряемой величиной является резонансная частота. Конструкции их варьируются как однокамерная, трехкамерная с перегородками, трехкамерная с соединительными трубками.

Их технические проблемы:

а) однокамерная имеет низкую добротность из-за широкой мебраны с плохим отражением звука и, как следствие, большую погрешность измерения;

б) трехкамерная с соединительными трубками из-за присутствия длинных акустических линий задержки звукового сигнала также не может обеспечить высокую точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству аналогом является акустический газоанализатор (RU 87022 U "Акустический газоанализатор", опубл. 20.09.2009), Акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с длиной, равной одной звуковой полуволне, с подводом измеряемого газа через отверстия в боковой стенке, причем толщина стенки и диаметр отверстий выбираются так, чтобы обеспечить высокое волновое сопротивление, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах резонатора, блок генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, соединенный с источником и приемником звука, отличающийся тем, что за счет соотношения длины и диаметра резонатора, оптимальной толщины торцевых стенок, размещения источника и приемника звука вне резонатора, минимального диаметра отверстий для прохода звука, подвода измеряемого газа через боковую стенку обеспечивается максимальная добротность резонатора, и как следствие высокая чувствительность, с одной стороны, и быстрое проникновение испытуемого газа в камеру с другой стороны, простота изготовления, дополнительный резонатор, выполненный в виде полого герметичного цилиндра с размерами, равными размерам основного резонатора, заполненного газом с известной молекулярной массой, на торцах которого установлены источник и приемник, блок генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, к которому поочередно подключаются резонаторы, микропроцессорный блок для измерения разности частот основного и дополнительного резонаторов и вычисления концентрации измеряемого газа.

Технической проблемой прототипа является то, что нельзя гарантировать неизменность состава газа в дополнительном резонаторе, в частности, из-за гажения стенок.

Кроме того, второй резонатор с каналом измерения частоты усложняет конструкцию и, следовательно, понижает надежность. Этот канал сообщает, какая частота была бы при данной температуре у рабочего резонатора в атмосфере чистого сухого воздуха. Эту информацию можно получить, заранее прокалибровав рабочий резонатор при разных температурах в атмосфере чистого сухого воздуха. Вторая функция дополнительного резонатора - это второй канал контроля температуры, точное знание которой необходимо для корректного вычисления поправки на влажность. Одинаковые показания датчиков температуры, запитанных от различных источников тока, показывают, что оба датчика исправны, и их показания достоверны. Недостоверность показаний датчика температуры может вызываться ухудшением его контакта с телом резонатора. Чтобы устранить риск плохого контакта датчика температуры с телом резонатора можно установить на нем второй датчик с другим способом крепления (клеем, с помощью хомута и др.).

Задачей полезной модели является устранение данных технических проблем.

Техническим результатом полезной модели является исключение дополнительного резонатора, не обеспечивающего стабильности газового состава, а также обеспечивается упрощение конструкции устройства.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен акустический газоанализатор, выполненный в виде корпуса с установленной внутри измерительной камерой резонатора, содержащего микропроцессорный блок для измерения разности частот, причем резонатор представляет собой полый цилиндр с длиной, равной одной звуковой полуволне, с подводом измеряемого газа через отверстия в боковой стенке, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах камеры и сообщающиеся с полостью резонатора через отверстия, причем источник и приемник звука соединены с блоком генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, отличающийся тем, что корпус газоанализатора состоит из электронной части и измерительной, соединенных между собой центральной соединительной пластиной, к которой закреплен резонатор, причем на внешней стенке измерительной камеры резонатора установлены два датчика температуры, выполненные в виде платиновых терморезисторов с малой постоянной времени, а также датчик влажности, причем выход блока генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, а также датчиков температуры и влажности соединены с микропроцессорным блоком, микропроцессор которого выполнен с возможностью производить измерение разности частот резонатора, полученных в разных условиях, а также с возможностью вносить поправки, связанные с показаниями датчиков температуры и влажности.

Предпочтительно, в электронной части корпуса находится отсек с платой питания и электронной платой, соединенных между собой проводным способом, причем на последней установлены блок генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты и микропроцессорный блок.

Предпочтительно, к микропроцессору подключены линии измерительных токов к входам датчиков температуры, а выходы тех же датчиков подключены к микропроцессору линиями передачи напряжения.

Предпочтительно, электронная часть корпуса изолирована соединительной пластиной от измерительной части корпуса, в которой имеются отверстия для забора воздуха, поступающего через них в измерительную часть корпуса газоанализатора.

Полезная модель поясняется чертежами.

На фиг.1 показана функциональная блок-схема работы полезной модели.

На фиг.2 показана блок-схема микропроцессорного блока.

На фиг.3 показана блок-схема устройства газоанализатора согласно полезной модели.

На фиг.4 показан пример экспериментального образца, изготовленного согласно полезной модели (вид в сборе).

На чертежах: 1 - измерительная камера (резонатор), 2 - отверстия для подвода газа, 3 - источник звука, 4 - приемник звука 5 - отверстия в полости резонатора, 6 - блок генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, 7 и 8 - датчики температуры, 9 - датчик влажности, 10 - микропроцессорный блок, 11 - микропроцессор, 12 - АЦП, 13 - драйвер интерфейса, 14 - драйвер интерфейса 4-20 мА, 15 - электронная часть корпуса газоанализатора, 16 - измерительная часть корпуса газоанализатора, 17 - центральная соединительная пластина, 18 - отверстия для забора воздуха в измерительную часть корпуса газоанализатора, 19 - отсек для установки плат, 20 - плата питания, 21 - электронная плата, 22 - многожильный кабель.

Осуществление полезной модели

Акустический газоанализатор содержит измерительную камеру 1 (см. фиг.1), выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр, выполненный из металла. Длина камеры равна звуковой полуволне. Подвод анализируемого газа осуществляется через отверстия 2 в образующей.

На торцах камеры 1 (резонатора) установлен источник 3 и приемник 4 звука, которые сообщаются с полостью резонатора через отверстия 5 диаметром около 1 мм, и соединены с блоком генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты 6.

На внешней стенке измерительной камеры 1 установлены датчики температуры 7 и 8, выполненные в виде платиновых терморезисторов с малой постоянной времени, а также датчик влажности 9. Выход блока 6, а также датчиков температуры 7 и 8 и влажности 9 подсоединены к микропроцессорному блоку 10 (см. Фиг.2), который по установленной программе производит измерение разности частот резонатора 1 и частоты, соответствующей измеренной температуре, взятой из таблицы экспериментальной зависимости частоты конкретного резонатора от температуры в камере с сухим чистым воздухом (пример указанной зависимости частоты резонатора от температуры показан в Таблице 1), а также вносит поправки, связанные с показаниями датчика влажности 9 (см. пример Таблицы 2).

Кроме того, микропроцессорный блок 10 проверяет совпадение показаний датчиков температуры 7 и 8, запитанных от двух отдельных источников тока, встроенных в микропроцессорный блок. Показания газоанализатора могут быть переданы пользователю, например, по кабельным линиям интерфейса RS-485 или через токовую петлю 4-20 мА (простой аналоговый интерфейс связи, который позволяет передавать и считывать один измерительный сигнал). Драйвера интерфейсов RS-485 или 4-20 мА которых 13 и 14, соответственно, подключены к микропроцессору 11 блока 10.

Также, к микропроцессору 11 подключены входами к датчикам температуры 7 и 8 линии измерительных токов, а выходы тех же датчиков подключены к микропроцессору 11 линиями передачи напряжения.

Показания датчика влажности 9 передаются на АЦП 12, который подключен к микропроцессору 11 и передает на него уже преобразованные в цифровой вид показания.

При превышении соответствующих порогов микропроцессорный блок 10 генерирует предупредительны и аварийный сигналы.

Заявленный газоанализатор может быть конструктивно выполнен следующим образом (см. фиг.3).

Общий корпус газоанализатора образуют электронная часть корпуса 15 и измерительная часть 16, соединенные между собой центральной соединительной пластиной 17 с резьбой или иными средствами фиксации частей корпуса 15 и 16 к ней.

В электронной части корпуса 15 находится отсек 19 для установки платы питания 20 и электронной платы 21. Плата питания 21 обеспечивает подачу электропитания на электронную плату 20. Электропитание на плату питания 20 поступает по многожильному кабелю 22.

Электронная часть 15 корпуса изолирована пластиной 17 от измерительной части 16 корпуса, в которой имеются отверстия 18 для забора воздуха, поступающего через них в измерительную часть 16 корпуса газоанализатора, а затем через отверстия 2 в резонатор 1.

На электронной плате 21 установлены блок генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты 6 и микропроцессорный блок 10.

Резонатор 1 закреплен на соединительной пластине 17. Основные узлы резонатора 1: источник звука 3, приемник звука 4, датчики температуры 7 и 8, датчик влажности 9, соединены с блоками 6 и 10 проводным способом согласно схемам фиг.1, фиг.2.

Теоретическая основа расчетов для вычислений микропроцессорного блока 10 газоанализатора выражена следующим.

При включении питания по команде от микропроцессорного блока 10 включается блок 6 генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты. Резонатор 1 настраивается на резонанс. Частота резонанса (f) определяется скоростью звука в газе, заполняющем резонатор:

f =

;

где V - скорость звука в газе,

Кр - приведенная длина резонатора.

Скорость звука (v) рассчитывается по следующей формуле

v =

,

где:

- показатель адиабаты (

);

Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении;

Сv=Cp-R - теплоемкость газа при постоянном объеме;

- молекулярная масса газа;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - температура газа (К).

При этом в резонаторе 1 образуется звуковая полуволна с максимумом давления на торцах резонатора и минимумом в середине длины резонаторов.

При отсутствии измеряемого газа в резонаторе измерительной камеры 1 разность частот (Δf) между частотой резонатора с поправкой на влажность и частотой из таблицы частот резонатора, заполненного чистым сухим воздухом, равна нулю. При наличии в основном резонаторе измерительной камеры 1 примеси газа с молекулярной массой, отличной от молекулярной массы чистого воздуха разность частот (Δf) изменяется пропорционально изменению концентрации измеряемой примеси газа и измеряется с помощью микропроцессора 11. При этом микропроцессор 11 вносит в результат измерений поправки, связанные с влиянием влажности (см. пример Таблицы 2), и он также используется для контроля исправности измерительных цепей газоанализатора по равенству показаний датчиков температуры 7 и 8.

Таким образом, благодаря применению измерительной камеры - высокодобротного резонатора 1, датчика влажности 9, наличию двух датчиков температуры 7, 8 обеспечивается надежное измерение частоты резонатора 1, и, следовательно, концентрации примеси в измеряемом газе, исключение влияния основных внешних факторов (температура, влажность) на показания газоанализатора.

Высокодобротный резонатор обеспечивает высокую чувствительность при измерении резонансной частоты.

Высокую точность измерения обеспечивает микропроцессорный блок 10 с кварцевым резонатором.

Для выполнения измерений сначала измеряется экспериментально зависимость частоты конкретного резонатора от температуры в камере с сухим чистым воздухом (пример указанной зависимости частоты резонатора от температуры показан в Таблице 1). Данные результаты измерений формируют эталонные значения (эталонные показания частоты резонатора).

Таблица 1

Температура (°С)	Частота резонатора (Гц)
-41,00	4498,000
-30,00	4590,000
-20,00	4681,000
-15,00	4692,149
-10,00	4806,000
-5,00	4852,002
-0,266	4892,299
4,72	4935,000
9,665	4978,399
14,60	5020,602
19,45	5062,490
24,44	5103,149
29,30	5145,250
34,33	5186,009
39,20	5226,201
44,46	5270,200
48,94	5306,500
55,00	5346,799
58,75	5388,000
64,00	5425,000

Из Таблицы 1 видно, что частота измеряется с точностью до 5-го десятичного знака.

Таким образом, полученные эталонные значения по примеру Таблицы 1 (точнее полином 4 степени, составленный на ее основе) дает точное знание, какова частота резонатора при данной температуре в отсутствие примесного газа.

Отличие реальной измеренной частоты от эталонной при данной температуре - следствие наличия примесного газа с отличным от воздуха молекулярным весом, в нашем случае водорода. Данные отличия дают показатели сдвига частоты.

Эти вычисления выполняются в микропроцессорном блоке.

В зависимости от влажности вносят поправку в частоту, которую получили в качестве эталонных (пример зависимости поправки на влажность от показаний датчика относительной влажности показан в Таблице 2).

Таблица 2

Относительная влажность (%)	Поправка на влажность (Гц)
0,1	0
0,8	0,35
2,6	0,55
4,4	0,65
5,5	1,10
8	2,20
13	4,85
19,7	8,35
27,4	13,55
29	14,60
33	17,40
51	26,60
78,5	42,20
100	53,00

Итоговые значения частоты с уже внесенными поправками за влажность используют для определения сдвига частоты в сравнении с табличными значениями.

Зная молекулярный вес водорода, по сдвигу частоты легко определяется молекулярный вес смеси воздух-водород, а затем и процент примеси.

Использование иных данных (не табличных), например, данных о частоте опорного, т.е. заполненного чистым воздухом резонатора при данной температуре, не гарантирует совпадение температур резонаторов с точностью до 5-го знака, а кроме того, приведет к проблеме постоянного обновления газа. Данная проблема обусловлена тем, что нет абсолютно непроницаемых для газов и негазящих металлов для корпуса опорного резонатора. То есть, надо регулярно обновлять чистый газ в опорном резонаторе. Между тем, использование именно табличных данных исключает проблему постоянного обновления газа, а требуемая точность достигается использованием дополнительного датчика температуры.

Испытания двухрезонаторного акустического датчика метана в рамках договора с ОАО «Газпром» показало, что его чувствительность составляет примерно 0.2%. Это достаточно для систем безопасности, но не годится для разрабатываемого высокоточного прибора с требуемой чувствительностью 0.01%.

Согласно полезной модели был создан опытный образец (см. фиг.4), который прошел испытания на точность.

Измерения частоты данного резонатора в стабильных условиях в течение длительного времени показали, что разброс значений частоты не превышает 0.05 Гц, а чувствительность по водороду составляет 20 Гц/%. Это означает, что погрешность измерения содержания водорода в воздухе для опытного образца не превышает 0.01%.

Таким образом, заявленное техническое решение, в котором за счет замены дополнительного резонатора табличными данными зависимости частоты основного генератора от температуры в атмосфере чистого сухого воздуха при сохранении второго датчика температуры, удается обеспечить исключение дополнительного резонатора, не обеспечивающего стабильности газового состава, а также позволяет добиться упрощения конструкции прибора.

Claims (4)

1. Акустический газоанализатор, выполненный в виде корпуса с установленной внутри измерительной камерой резонатора, содержащего микропроцессорный блок для измерения разности частот, причем резонатор представляет собой полый цилиндр с длиной, равной одной звуковой полуволне, с подводом измеряемого газа через отверстия в боковой стенке, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах камеры и сообщающиеся с полостью резонатора через отверстия, причем источник и приемник звука соединены с блоком генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, отличающийся тем, что корпус газоанализатора состоит из электронной части и измерительной, соединенных между собой центральной соединительной пластиной, к которой закреплен резонатор, причем на внешней стенке измерительной камеры резонатора установлены два датчика температуры, выполненные в виде платиновых терморезисторов с малой постоянной времени, а также датчик влажности, причем выход блока генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, а также датчиков температуры и влажности соединены с микропроцессорным блоком, микропроцессор которого выполнен с возможностью производить измерение разности частот резонатора, полученных в разных условиях, а также с возможностью вносить поправки, связанные с показаниями датчиков температуры и влажности.

2. Акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что в электронной части корпуса находится отсек с платой питания и электронной платой, соединенных между собой проводным способом, причем на последней установлены блок генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты и микропроцессорный блок.

3. Акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что к микропроцессору подключены линии измерительных токов к входам датчиков температуры, а выходы тех же датчиков подключены к микропроцессору линиями передачи напряжения.

4. Акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что электронная часть корпуса изолирована соединительной пластиной от измерительной части корпуса, в которой имеются отверстия для забора воздуха, поступающего через них в измерительную часть корпуса газоанализатора.

Images