RU221253U1

RU221253U1 - Станция анализа газового состава атмосферы

Info

Publication number: RU221253U1
Application number: RU2023124494U
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Белоножко; Андрей Владимирович Шпынёв; Алексей Александрович Берташюс
Original assignee: Акционерное общество "АРТГАЗ"
Filing date: 2023-09-22
Publication date: 2023-10-27

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для автоматического определения содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Сущность: устройство содержит сенсорную камеру (4), в которой размещены газовые сенсоры (5), соединенные с сенсорными блоками (6). Выходы сенсорных блоков (6) соединены с микропроцессором (7), один из выходов которого соединен с блоком (9) индикации. Перед сенсорной камерой (4) выполнен блок (3) пробоподготовки. На входе и выходе блока (3) пробоподготовки смонтированы датчики (12, 13) температуры и влажности. Между датчиками (12, 13) температуры и влажности смонтирован гликолевый контур (11), выполненный с возможностью изменения скорости циркуляции теплоносителя. Также в сенсорной камере (4) смонтированы датчик (15) температуры, вентилятор (16) и элементы (14) Пельтье. При этом вентилятор (16) и элементы (14) Пельтье выполнены с возможностью регулировки температуры внутри сенсорной камеры (4). Технический результат: повышение точности измерения концентрации газов. 6 ил.

Description

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для автоматического определения содержания загрязняющих химических веществ в атмосферном воздухе [G01N27/00, G01N33/00].

Из уровня техники известна УСТАНОВКА ДЛЯ ПОСТОЯННОГО КОНТРОЛЯ КОМПОНЕНТОВ НЕФТЯНОГО ПОПУТНОГО ГАЗА [RU1087982, опубл. 27.09.2011] включающая сепарационную емкость, расходомеры жидкости и газа, уровнемер, датчики давления, манометры, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит устройства отбора проб газа, регулятор давления, электромагнитный клапан, блок газоаналитического оборудования с устройствами пробоподготовки газа и комплектом газоанализаторов, переносные пробоотборники

Также из уровня техники известен МОДУЛЬ РАСШИРЕНИЯ G (изготовитель ООО «Унискан») рег. № 78092-20 принцип работы которого основан на электрохимическом методе измерений с помощью газовых сенсоров, измеряемые вещества: Диоксид азота (NO2), Озон (O3), Оксид углерода (CO), Сероводород (H2S), Диоксид серы (SO2). Модули расширения G выпускаются в двух исполнениях: модули расширения G в исполнении G1 могут измерять до 3 компонентов одновременно, модули расширения G в исполнении G2 до 2-х. Данные модули расширения используются с микростанцией мониторинга воздуха CityAir посредством Hub. Метрологические характеристики удовлетворяют требованиям нормативных документов.

Также из уровня техники известен ГАЗОАНАЛИЗАТОР АВТОМАТИЧЕСКИЙ SENSE-4GAS, SENSE-1GAS (изготовитель ООО «Тингеникс») принцип работы которого основан на электрохимическом, оптическом, полупроводниковом, термокаталитическом методе измерений с помощью газовых сенсоров. Газоанализаторы исполнения SENSE-1GAS - одноканальные, исполнения SENSE-4GAS - четырехканальные, подключаются к универсальной сенсорной платформе.

Наиболее близким по технической сущности является КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ТИПА «ЭЛЕКТРОННЫЙ НОС» [RU2699366, опубл. 05.09.2019] характеризующееся тем, что состоит из микроконтроллера, блока питания, причем первый выход блока питания соединен с входом микроконтроллера, отличающееся тем, что дополнительно введены: блок отбора и доставки проб, аналитический блок, блок управления и первичной обработки, причем второй выход блока питания соединен с первым входом блока отбора и доставки проб, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления и первичной обработки, выход блока отбора и доставки проб соединен с первым входом аналитического блока, выход и второй вход которого соединены с входом и вторым выходом блока управления и первичной обработки, включающего микроконтроллер с широтно-импульсным модулятором, формирователь обмена данными, формирователь параметров, блок управления внешними устройствами, причем входы и выходы формирователя обмена данными, формирователя параметров, блока управления внешними устройствами соединены с соответствующими входами и выходами микроконтроллера

Основной технической проблемой аналогов и прототипа является низкая точность измерения концентрации газов, из-за того, что в указанных технических решениях не обеспечения возможность поддержания стабильной влажности и температуры проб воздуха и газовых сенсоров, что не позволяет производить измерения вне зависимости от изменения параметров окружающей среды.

Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом является повышение точности измерений концентрации газов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что станция анализа газового состава атмосферы состоит из сенсорной камеры, в которой размещены газовые сенсоры, соединенные с сенсорными блоками, выходы которых соединены с микропроцессором, один из выходов которого соединен с блоком индикации, отличающаяся тем, что перед сенсорной камерой выполнен блок пробоподготовки, на входе и выходе которого смонтированы датчики температуры и влажности, между которыми смонтирован гликолевый контур, выполненный с возможностью изменения скорости циркуляции теплоносителя, также в сенсорной камере смонтированы датчик температуры, вентилятор и элементы Пельтье, при этом вентилятор и элементы Пельтье выполнены с возможностью регулировки температуры внутри сенсорной камеры. На фиг. 1 показано схематическое изображение станции анализа газового состава атмосферы.

На фиг. 2 показаны связи между функциональными элементами станции анализа газового состава атмосферы.

На фиг. 3-4 показан вариант реализации станции анализа газового состава атмосферы.

На фиг. 5 показан вариант реализации блока индикации.

На фиг. 6 показан корпус станции анализа газового состава атмосферы.

На фигурах обозначено:

1 - входное отверстие; 2 - насос; 3 - блок пробоподготовки; 4 - сенсорная камера; 5 - газовые сенсоры; 6 - сенсорные блоки; 7 - микропроцессор; 8 - блок коммутации; 9 - блок индикации; 10 - выходное отверстие; 11 - гликолевый контур; 12 - первые датчики температуры и влажности; 13 - вторые датчики температуры и влажности; 14 - элементы Пельтье; 15 - третий датчик температуры; 16 - вентилятор.

Станция анализа газового состава атмосферы выполнена следующим образом.

Входное отверстие 1 корпуса блока соединено с насосом 2, выполненным с возможностью заказчики внешних газов внутрь газоаналитического устройства через входное отверстие 1 по трубке, выход которой соединен с блоком пробоподготовки 3. Выход блока пробоподготовки 3 соединен со входом сенсорной камеры 4, в которой расположены газовые сенсоры 5, выходы которых соединены с сенсорными блоками 6. Выходы сенсорных блоков 6 соединены с входами микропроцессора 7. Микропроцессор 7 соединен с блоком коммутации 8 и блоком индикации 9, размещенным с внешней стороны корпуса устройства. В сенсорной камере 4 также выполнено выходное отверстие 10. В блоке пробоподготовки 3 размещен гликолевый контур 11, перед которым на входе блока размещены первые датчики температуры и влажности 12; после которого на выходе блока размещены вторые датчики температуры и влажности 13. Гликолевый контур 11, первые датчики температуры и влажности 12 и вторые датчики температуры и влажности 13 соединены с микропроцессором 7. В сенсорной камере 4 помимо газовых сенсоров 5 размещены элементы Пельтье 14, третий датчик температуры 15 и вентилятор 16. При этом элементы Пельтье 14, третий датчик температуры 15 и вентилятор 16 соединены с микропроцессором 7. Блок коммутации 8 также соединен с исполнительным оборудованием, а именно: сенсорными блоками 6, газовыми сенсорами 5, насосом 2 и блоком пробоподготовки 3 (гликолевым контуром 11, первыми датчиками температуры и влажности 12, вторыми датчиками температуры и влажности 13), элементами Пельтье 14, третьим датчиком температуры 15, вентилятором 16.

В варианте реализации блок индикации 9 оснащен устройством визуальной и звуковой сигнализации.

Станция анализа газового состава атмосферы работает следующим образом.

Первоначально через входное отверстие 1 насос 2 (побудитель расхода) втягивает газовую смесь, которая поступает в блок пробоподготовки 3. В блоке пробоподготовки 3 происходит подготовка газовой смеси к анализу, а именно газовая смесь приобретает заданные значение температуры и влажности, стандартизированные для процесса анализа. Далее подготовленная газовая смесь попадает в сенсорную камеру 4 на газовые сенсоры 5, где реализуется преобразование концентрации измеряемого вещества в непрерывный электрический сигнал. После реализации указанного процесса газовая смесь выходит из сенсорной камеры 4 через выходное отверстие 10. Полученные таким образом электрические сигналы поступают на сенсорные блоки 6, где происходит преобразование электрического сигнала газовых сенсоров 5 в цифровой формат для дальнейшей передачи на микропроцессор 7. В микропроцессоре 7 происходит обработка цифрового сигнала со значениями концентраций измеряемых веществ. Далее сигналы со значениями концентраций измеряемых веществ поступают на блок индикации 9, где отображаются значения концентраций, а при превышении пороговых значений срабатывает звуковая и/или визуальная сигнализация.

При функционировании устройства после забора пробы, ее параметры замеряются первыми датчиками температуры и влажности 12, далее проходя через гликолевый контур 11, проба приводится к нормальным условиям по температуре и влажности, контроль пробы производиться путем замера параметров вторыми датчиками температуры и влажности 13. Нормальные условия задаются в микропроцессоре 7. Контроль работы блока пробоподготовки 3 также осуществляется микропроцессором 7. В случае если данные со вторых датчиков температуры и влажности 13 не соответствуют нормальным условиям, микропроцессором 7 подаются управляющие команды на гликолевый контур 11 для изменения скорости циркуляции теплоносителя. Также обратная связь может быть реализована в зависимости от значений первых датчиков температуры и влажности 12, в зависимости от значений которых, также может быть произведена регулировка работы гликолевого контура 11.

Также для стабильной работы газоанализатора необходимо поддерживать определенную температуру не только пробы, но и газовых сенсоров 5. Для этого данные с третьего датчика температуры 15 передаются в микропроцессор 7, и в случае отклонения от заданных значений производится регулировка температуры посредством работы элементов Пельтье 14 и вентилятора 16.

В различных вариантах реализации функции управления температурой и влажностью в блоке пробоподготовки 3 и сенсорной камерой 4 может осуществляться посредством смонтированных в корпусе дополнительных контроллеров, независимых от микропроцессора 7.

При работе устройства блок коммутации 8 обеспечивает питание элементов устройства ±24В и наличие линии связи RS485.

Пример реализации станции анализа газового состава атмосферы.

При реализации устройства в качестве газовых сенсоров 5 могут быть использованы:

1. СO/CF-200 (Membrapor);

2. СO-B4 (Alphasense);

3. H2S-B4 (Alphasense);

4. NO-B4 (Alphasense);

5. NO2/C-1 (Membrapor);

6. SO2/C-1 (Membrapor);

7. O3/C-5 (Membrapor);

8. NT-NH3-PL100 (N.E.T);

9. MSH-P/HCP/HC/5/V/P/F/XTR 0-5% VOL.CH4=0.4-2.4 (Dynament).

В качестве сенсорной камеры 4 может быть использована камера СМ60/100-120 ТВХ с использованием поверочных газовых смесей ГСО-ПГС на целевые газы. Динамическое разбавление смеси поверочным нулевым газом может производиться с помощью генераторов газовых смесей Микрогаз-Ф12 и ЕТ 950.

В качестве насоса 2 может быть использован побудитель расхода CMP-11G 6VDC - производства фирмы ALDOO (Китай). Данные насосы являются аналогом насосов немецкой фирмы Gardner Denver Thomas и применяются для газоаналитической техники.

В варианте реализации устройство может быть реализовано с двумя пороговыми уровнями концентрации: первый уровень - «предупредительный»; второй уровень - «аварийный».

При проведении тестовых испытаний устройства был обеспечен непрерывный режим эксплуатации с ресурсом непрерывной работы не менее 8760 ч.

Технические характеристики газоаналитического устройства соответствуют требованиям нормативных документов в области мониторинга атмосферного воздуха, в том числе:

РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы».

ГОСТ 17.2.4.02-81 «Охрана природы. Атмосфера. Общие требования к методам определения загрязняющих веществ»;

СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов»;

Федеральный закон от 26.06.2008 № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений»;

Приказ Минприроды России от 30.07.2020 № 524 «Об утверждении требований к проведению наблюдений за состоянием окружающей среды, её загрязнением»;

ГОСТ Р 50760-95 «Анализаторы газов и аэрозолей для контроля атмосферного воздуха»

В соответствии с требованиями вышеперечисленных нормативных документов станция анализа газового состава атмосферы имеет следующие основные характеристики (таблица 1):

Таблица 1
Измеряемый компонент	Диапазон измерений, мг/м³	Диапазон измерений, млн^-1	Максимальная относительная погрешность
Оксид азота (NO)	0,32-4	0,25-3,2	±25%
Диоксид азота (NO₂)	0,16-2	0,08-1,05	±25%
Оксид углерода (СО)	4-50	3,43-43	±25%
Сероводород (H₂S)	0,0064-0,08	0,0045-0,056	±25%
Озон (О₃)	0,128-1,6	0,06-0,8	±25%
Оксид серы (SO₂)	0,4-5	0,15-1,87	±25%
Метан (СH₄)	500-10000	750-15000	±25%
Аммиак (NH₃)	0,16-10	0,22-16	±25%

Габаритные размеры устройства, мм, не более: 22×146×82.

Масса устройства, кг, не более: 4

Пример реализации внутренней компоновки станции, внешний вид корпуса и внешний вид блока индикации 9 показан на фиг.2-6.

Заявленный технический результат - повышение точности измерений концентрации газов - достигается за счет обеспечения возможности поддержания стабильной температуры и влажности пробы и газовых сенсоров 5. Это достигается благодаря тому, что в корпусе изделия смонтирован блок пробоподготовки 3 с первыми 12 и вторыми 13 датчиками температуры и влажности, а также благодаря тому, что в сенсорном блоке 6 смонтированы: третий датчик температуры 15, вентилятор 16 и элементы Пельтье 14. При этом микропроцессором 7 обеспечена как возможность сбора и анализа информации о состоянии температуры и влажности, так и возможность управления работой гликолевого контура 11 и элементов Пельтье 14 в зависимости от результатов анализа информации, полученной с датчиков.

Пример достижения технического результата.

Для подтверждения заявленного технического результата первоначально использовалось изделие без блока пробоподготовки 3 и возможностью управления температурой и влажностью.

Во время испытаний такого макета, были исследованы следующие параметры:

влияние температуры на значение фонового сигнала;

влияние изменения влажности;

перекрестная чувствительность.

Исследования проводились в климатической камере СМ60/100-120 ТВХ с использованием поверочных газовых смесей ГСО-ПГС на целевые газы. Динамическое разбавление смеси поверочным нулевым газом производилось с помощью генераторов газовых смесей Микрогаз-Ф12 и ЕТ 950.

Краткие выводы: изменения температуры на каждые 10°С и увеличение относительной влажности до 60% приводит к большому смещению «нулевых» показаний газовых сенсоров 5, возникновению шумов. При изменении влажности на каждые 10% происходит увеличение сигнала газовых сенсоров 5 на 5-10 мВ, что приводит к искажению результатов измерения поверочной газовой смеси. Восстановление сигнала происходит в течение не менее 60 минут.

При использовании заявленного технического решения с возможностью поддержания стабильной температуры (20°С) и влажности (60%) пробы и газовых сенсоров 5 изменение сигнала газовых сенсоров 5 происходило в пределах погрешности 0,5-0,12 мВ. Благодаря чему точность измерений при изменении температуры и влажности окружающей среды была улучшена на 25-30%.

Заявленное устройство является единым изделием, размещенным в общем корпусе. Функциональные элементы изделия соединены друг с другом посредством сборочных операций благодаря наличию механических и электрических связей. Изделие изготавливается на заводе изготовителе.

Claims

Станция анализа газового состава атмосферы, состоящая из сенсорной камеры, в которой размещены газовые сенсоры, соединенные с сенсорными блоками, выходы которых соединены с микропроцессором, один из выходов которого соединен с блоком индикации, отличающаяся тем, что перед сенсорной камерой выполнен блок пробоподготовки, на входе и выходе которого смонтированы датчики температуры и влажности, между которыми смонтирован гликолевый контур, выполненный с возможностью изменения скорости циркуляции теплоносителя, также в сенсорной камере смонтированы датчик температуры, вентилятор и элементы Пельтье, при этом вентилятор и элементы Пельтье выполнены с возможностью регулировки температуры внутри сенсорной камеры.