RU56637U1

RU56637U1 - ACOUSTIC GAS ANALYZER

Info

Publication number: RU56637U1
Application number: RU2005133060/22U
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Алферов
Original assignee: Владимир Николаевич Алферов
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2006-09-10

Abstract

Изобретение относится к устройствам для определения концентрации компонент промышленных газов и может быть применено в нефтегазовой, угольной, химической и других отраслях промышленности. Газоанализатор состоит из двух цилиндрических акустических резонаторов одинакового диаметра и длины, в торцах которых смонтированы источник и приемник звука, подключенные к одинаковым электронным измерительным устройствам и схеме вычисления разности частот. Один из резонаторов (рабочий) имеет отверстия для конвекционного проникновения исследуемого газа, другой (опорный) заполнен чистым сухим воздухом и герметизирован. Оба резонатора находятся в одинаковых температурных условиях. Газоанализатор работает следующим образом. Резонаторы настраиваются на резонанс по максимуму сигнала приемника звука. Частота резонанса определяется скоростью звука в газе, заполняющем резонаторы, то есть усредненным молекулярным весом газа. При отсутствии примеси газа в рабочем резонаторе разность частот между ними постоянна (равна нулю). При наличии примеси газа с отличным от чистого воздуха молекулярным весом в рабочем резонаторе появляется разность частот, пропорциональная проценту примеси и корню из разности молекулярных весов чистого воздуха и исследуемого газа. Техническим результатом является акустический газоанализатор с высокой чувствительностью и стабильностью нуля. Применение датчиков температуры и влажности позволяет дополнительно улучшить параметры анализатора.The invention relates to devices for determining the concentration of components of industrial gases and can be used in oil and gas, coal, chemical and other industries. The gas analyzer consists of two cylindrical acoustic resonators of the same diameter and length, at the ends of which a sound source and receiver are mounted, connected to the same electronic measuring devices and a frequency difference calculation circuit. One of the resonators (working) has holes for convective penetration of the test gas, the other (reference) is filled with clean dry air and sealed. Both resonators are in the same temperature conditions. The gas analyzer operates as follows. Resonators are tuned to resonance to the maximum signal of the sound receiver. The resonance frequency is determined by the speed of sound in the gas filling the resonators, that is, the average molecular weight of the gas. In the absence of a gas impurity in the working cavity, the frequency difference between them is constant (equal to zero). In the presence of a gas impurity with a molecular weight different from pure air, a frequency difference appears in the working cavity, which is proportional to the percentage of the impurity and the root of the difference in molecular weights of pure air and the test gas. The technical result is an acoustic gas analyzer with high sensitivity and zero stability. The use of temperature and humidity sensors can further improve the parameters of the analyzer.

Description

Полезная модель относится к устройствам для определения концентрации компонентов промышленных газов и может быть применена в нефтегазовой, угольной и других отраслях промышленности.The utility model relates to devices for determining the concentration of components of industrial gases and can be used in oil and gas, coal and other industries.

Известен акустический газоанализатор, действие которого основано на зависимости скорости звука в газе от его состава (см. а.с. №853520, МКИ G 01 N 29/00, 1981). Акустический газоанализатор содержит акустический преобразователь, установленный на волноводе, рабочую камеру, отражательную шайбу, установленную на конце волновода, побудитель расхода, датчик температуры и электронную измерительную схему. Такое устройство имеет низкую точность измерения времени прохождения зондирующего импульса (единицы процентов), повысить которую можно только за счет увеличения габаритов устройства.Known acoustic gas analyzer, the action of which is based on the dependence of the speed of sound in a gas on its composition (see AS No. 853520, MKI G 01 N 29/00, 1981). The acoustic gas analyzer contains an acoustic transducer mounted on the waveguide, a working chamber, a reflective washer mounted on the end of the waveguide, a flow inducer, a temperature sensor and an electronic measuring circuit. Such a device has low accuracy in measuring the transit time of the probe pulse (units of percent), which can be increased only by increasing the dimensions of the device.

Известны также акустические газоанализаторы, действие которых основано на изменении резонансной частоты камеры резонатора, заполняемой контролируемым газом, при изменении состава этого газа (см. а.с. №832447, МКИ G 01 №29/00, 1981). Камера резонатора выполняется в виде отрезка трубы, ограниченной мембранами, либо в виде сосуда специальной формы, например, в виде резонатора Гемгольца. Возбуждение и прием колебаний в них осуществляется электроакустическими преобразователями. Измеряемой величиной является резонансная частота. Такие газоанализаторы также имеют низкую точность измерения, обусловленную низкой добротностью резонатора из-за связи его с проточным устройством, влияния мембран и дисперсией фронта звуковой волны. Кроме того, газоанализатор на базе резонатора Гемгольца не позволяет вести непрерывное измерение концентрации газа.Acoustic gas analyzers are also known, the action of which is based on a change in the resonant frequency of the cavity chamber filled with a controlled gas when the composition of this gas changes (see AS No. 832447, MKI G 01 No. 29/00, 1981). The cavity chamber is made in the form of a pipe segment bounded by membranes, or in the form of a vessel of a special shape, for example, in the form of a Hemholtz resonator. Excitation and reception of oscillations in them is carried out by electro-acoustic transducers. The measured quantity is the resonant frequency. Such gas analyzers also have low measurement accuracy due to the low quality factor of the resonator due to its connection with the flow device, the influence of membranes and the dispersion of the sound wave front. In addition, a gas analyzer based on the Hemgoltz resonator does not allow continuous measurement of gas concentration.

Наиболее близким к предлагаемому устройству аналогом является акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с высотой, равной нечетному числу звуковых полуволн и отверстиями для прохода газа, расположенными в середине высоты цилиндра, источник и приемник звука, установленные на противоположных торцах резонатора, и блок генерации, приема звука и измерения частоты, соединенный с источником и приемником звука (см. патент RU 2142131 С1, МПК G 01 №29/00, 1999).The closest analogue to the proposed device is an acoustic gas analyzer containing a measuring chamber made in the form of a resonator, which is a hollow cylinder with a height equal to an odd number of sound half-waves and gas passage holes located in the middle of the cylinder height, the sound source and receiver mounted on opposite ends of the resonator, and a unit for generating, receiving sound and measuring frequency, connected to a source and receiver of sound (see patent RU 2142131 C1, IPC G 01 No. 29/00, 1999).

Известный газоанализатор обладает высокой чувствительностью, связанной с высокой добротностью резонатора, но не обладает необходимой стабильностью нуля вследствие влияния на его показания различных внешних факторов, таких, как температура, The known gas analyzer has high sensitivity associated with a high quality factor of the resonator, but does not have the necessary zero stability due to the influence of various external factors, such as temperature, on its readings

температура, влажность анализируемого газа. Задача полезной модели состояла в исключении влияния изменения внешних факторов на показания газоанализатора.temperature, humidity of the analyzed gas. The objective of the utility model was to eliminate the influence of changes in external factors on the readings of the gas analyzer.

Указанная задача решается тем, что предложен акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с высотой равной нечетному числу звуковых полуволн и диаметром, близким к длине полуволны, отверстиями для прохода газа, расположенными в середине высоты, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах резонатора, электронный блок генерации звуковой частоты, соединенный с источником и приемником звука, электронный блок измерения частоты генерации, в который, согласно полезной модели, введен дополнительный резонатор, выполненный в виде полого герметичного цилиндра, заполненного газом с известной молекулярной массой, на торцах которого установлены источник и приемник звука, дополнительный блок генерации звуковой частоты, соединенный с источником и приемником звука дополнительного резонатора, электронный блок измерения частоты, соединенный с блоком генерации звуковой частоты дополнительного резонатора, а также микропроцессорный блок для измерения частот основного и дополнительного резонаторов и вычисления концентрации измеряемого газа.This problem is solved by the fact that an acoustic gas analyzer is proposed, comprising a measuring chamber made in the form of a resonator, which is a hollow cylinder with a height equal to an odd number of sound half-waves and a diameter close to the half-wave length, gas passage holes located in the middle of the height, the source and a sound receiver installed at opposite ends of the resonator, an electronic unit for generating sound frequency connected to a source and receiver of sound, an electronic unit for measuring the frequency of the generator in which, according to the utility model, an additional resonator is introduced, made in the form of a hollow sealed cylinder filled with a gas with a known molecular mass, at the ends of which a sound source and receiver are mounted, an additional sound frequency generation unit connected to the sound source and receiver of the additional resonator , an electronic unit for measuring the frequency connected to the unit for generating the sound frequency of the additional resonator, as well as a microprocessor unit for measuring the frequencies of the main and additional resonators and calculating the concentration of the measured gas.

Еще одним отличием газоанализатора является то, что он снабжен датчиком влажности, установленным внутри основного резонатора или снаружи его. Выход датчика соединен с микропроцессорным блоком.Another difference of the gas analyzer is that it is equipped with a humidity sensor installed inside or outside the main resonator. The sensor output is connected to a microprocessor unit.

В числе отличий газоанализатора следует отметить то, что он снабжен датчиками температуры, установленными на внешней стенке основного и дополнительного резонаторов. Выходы датчиков соединены с микропроцессорным блоком.Among the differences of the gas analyzer, it should be noted that it is equipped with temperature sensors mounted on the outer wall of the main and additional resonators. The outputs of the sensors are connected to the microprocessor unit.

Источник и приемник звука представляют собой коммерческие малогабаритные телефон и микрофон (например, электретный).The sound source and receiver are a commercial small-sized telephone and microphone (for example, electret).

Технический результат, достигаемый в предлагаемом газоанализаторе благодаря отмеченным выше особенностям его выполнения, состоит в том, что в нем исключаются влияние изменения основных внешних факторов, таких как температура, внешние источники звука и влажность контролируемого газа на показания газоанализатора.The technical result achieved in the proposed gas analyzer due to the above features of its implementation is that it excludes the influence of changes in the main external factors, such as temperature, external sound sources and humidity of the monitored gas on the gas analyzer.

Это обеспечивает повышение точности измерения и возможность градуировки газоанализатора без использования стандартных газовых на основе расчетных данных.This provides increased measurement accuracy and the ability to calibrate the gas analyzer without the use of standard gas based on the calculated data.

Это резко упрощает процедуру градуировки газоанализатора.This greatly simplifies the calibration procedure of the gas analyzer.

Сущность предлагаемого газоанализатора поясняется чертежами.The essence of the proposed gas analyzer is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого газоанализатора.Figure 1 shows a block diagram of the proposed gas analyzer.

На фиг.2 изображена схема формирования звуковых полуволн в резонаторах газоанализатора с максимумом на торцах резонатора и минимумом в середине его длины.Figure 2 shows a diagram of the formation of sound half waves in the resonators of the gas analyzer with a maximum at the ends of the resonator and a minimum in the middle of its length.

На фиг.3 представлены градуировочные характеристики газоанализатора по основным измеряемым компонентам.Figure 3 presents the calibration characteristics of the gas analyzer for the main measured components.

Акустический газоанализатор содержит (фиг.1) измерительную камеру 1, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр, выполненный, например, из нержавеющей стали. Высота цилиндра 1 (Н) равна нечетному числу звуковых полуволн (фиг.2). В середине длины камеры 1, где давление звуковой волны минимальное, выполнены сквозные отверстия 2 для прохода анализируемого газа, например, атмосферного воздуха.The acoustic gas analyzer contains (Fig. 1) a measuring chamber 1 made in the form of a resonator representing a hollow cylinder made, for example, of stainless steel. The height of the cylinder 1 (H) is equal to an odd number of sound half-waves (figure 2). In the middle of the length of the chamber 1, where the pressure of the sound wave is minimal, through holes 2 are made for the passage of the analyzed gas, for example, atmospheric air.

На торцах камеры 1 (резонатора) установлен источник 3 и приемник 4 звука, которые соединены с электронным блоком генерации, который, в свою очередь соединен с микропроцессорным блоком измерения частоты и управления.At the ends of the chamber 1 (resonator), a sound source 3 and a sound receiver 4 are installed, which are connected to an electronic generation unit, which, in turn, is connected to a microprocessor frequency and control unit.

Электронный блок генерации 5 представляет собой автогенератор на основе схемы ГУН (генератор, управляемый напряжением), в цепь обратной связи которого включен резонатор.Generation electronic unit 5 is a self-oscillator based on a VCO circuit (voltage controlled oscillator), in the feedback circuit of which a resonator is included.

Газоанализатор включает в себя дополнительный резонатор 6, выполненный в виде герметичного полого цилиндра, заполненного газом с известной молекулярной массой, например, чистым воздухом. По торцам резонатора 6 также установлены источник 7 и приемник 8 звука, подключаемые к блоку 9 генерации, выполненному аналогично блоку 5. Резонатор 6 имеет длину, равную длине измерительной камеры 1, размещен рядом с камерой 1 и находится в тех же температурных условиях.The gas analyzer includes an additional resonator 6, made in the form of a sealed hollow cylinder filled with a gas with a known molecular weight, for example, clean air. At the ends of the resonator 6, a sound source 7 and a sound receiver 8 are also connected to the generation unit 9, made similar to block 5. The resonator 6 has a length equal to the length of the measuring chamber 1, is located next to the camera 1 and is in the same temperature conditions.

На внешней стенке измерительной камеры и дополнительного резонатора 6 установлены датчики температуры 10 и 11, выполненные в виде платиновых терморезисторов с малой постоянной времени. Кроме того, измерительная камера 1 снабжена датчиком влажности 12, который может быть установлен внутри камеры 1 или снаружи непосредственно в атмосфере контролируемой газовой среды (например, воздуха). Выходы блоков 5 и 9, датчиков температуры 10 и 11 и датчика влажности 12 подсоединены к микропроцессорному блоку 13, который по установленной программе производит измерение разности частот, измеряемых блоками 5 и 9, и вносит поправки, связанные с показаниями датчиков 10 и 11 температуры и датчика 12 влажности.Temperature sensors 10 and 11 are installed on the outer wall of the measuring chamber and additional resonator 6, made in the form of platinum thermistors with a small time constant. In addition, the measuring chamber 1 is equipped with a humidity sensor 12, which can be installed inside the chamber 1 or outside directly in the atmosphere of a controlled gas environment (for example, air). The outputs of blocks 5 and 9, temperature sensors 10 and 11, and a humidity sensor 12 are connected to a microprocessor block 13, which, according to the installed program, measures the difference in frequencies measured by blocks 5 and 9 and makes corrections related to the readings of temperature sensors 10 and 11 and the sensor 12 humidity.

Газоанализатор работает следующим образом.The gas analyzer operates as follows.

резонанс по максимуму сигнала приемников 4 и 8 звука. Частота резонанса (f) определяется скоростью звука в газе, заполняющем основной 1 и дополнительный 6 резонаторы:resonance to the maximum signal of receivers 4 and 8 of sound. The resonance frequency (f) is determined by the speed of sound in the gas filling the main 1 and additional 6 resonators:

где V - скорость звука в газеwhere V is the speed of sound in gas

Кр - приведенная длина резонатора.Cp is the reduced length of the resonator.

Скорость звука (v) рассчитывается по следующей формулеThe speed of sound (v) is calculated using the following formula

где:Where:

γ - показатель адиабаты γ is the adiabatic exponent

Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении;Cp is the heat capacity of gas at constant pressure;

Cv=Cp-R - теплоемкость газа при постоянном объеме;Cv = Cp-R is the heat capacity of the gas at a constant volume;

μ - молекулярная масса газа;μ is the molecular weight of the gas;

R - универсальная газовая постоянная;R is the universal gas constant;

Т - температура газа (К)T - gas temperature (K)

При этом в резонаторах 1 и 6 образуется нечетное количество полуволн (1, 3, 5...) звуковой волны (фиг.2), имеющей максимум давления на торцах резонаторов и минимум в середине высоты (Н) резонаторов. Измерение частоты (f) производится микропроцессорным блоком 13. При отсутствии измеряемого газа в основном резонаторе измерительной камеры 1 разность частот (Δf) между основным 1 и дополнительным 6 резонаторами постоянна (равна нулю в частном случае). При наличии в основном резонаторе измерительной камеры 1 примеси газа с молекулярной массой, отличной от молекулярной массы газа, заполняющего дополнительный резонатор 6, разность частот (Δf) резонаторов 1 и 6 изменяется пропорционально изменению концентрации измеряемой примеси газа (см. фиг.3) и измеряется с помощью микропроцессорного блока 13. При этом блок 13 вносит в результат In this case, an odd number of half-waves (1, 3, 5 ...) of a sound wave (Fig. 2) having a maximum pressure at the ends of the resonators and a minimum in the middle of the height (H) of the resonators are formed in the resonators 1 and 6. The frequency (f) is measured by the microprocessor unit 13. In the absence of the measured gas in the main resonator of the measuring chamber 1, the frequency difference (Δf) between the main 1 and additional 6 resonators is constant (equal to zero in the particular case). If there is a gas impurity in the main resonator of the measuring chamber 1 with a molecular mass different from the molecular mass of the gas filling the additional resonator 6, the frequency difference (Δf) of the resonators 1 and 6 changes in proportion to the change in the concentration of the measured gas impurity (see Fig. 3) and is measured using microprocessor unit 13. In this case, unit 13 contributes to the result

измерений поправки, связанные с выходными сигналами датчиков 10 и 11 температуры и датчика 12 влажности. Кроме того, блок 13 используется для сравнения температур T₁и Т_о в основном (1) и дополнительном (6) резонаторах между собой и коррекции при их несовпадении, а также с рассчитанной по скорости звука в дополнительном (6) резонаторе температурой Т_оз для контроля исправности измерительных цепей газоанализатора и переходных процессов, вызванных резким изменением температуры контролируемой среды, окружающей резонаторы 1 и 6.measurement corrections associated with the output signals of the temperature sensors 10 and 11 and the humidity sensor 12. In addition, block 13 is used to compare the temperatures T ₁ and T _о in the main (1) and additional (6) resonators with each other and to correct them if they do not coincide, as well as with the temperature T _oz calculated from the speed of sound in the additional (6) resonator for monitoring the health of the measuring circuits of the gas analyzer and transients caused by a sharp change in the temperature of the controlled environment surrounding the resonators 1 and 6.

На фиг.3 представлена зависимость разности частот (Δf) основного и дополнительного резонаторов 1 и 6 от концентрации различных газов и паров (измеряемые примеси в контролируемой газовой среде) - Градуировочная характеристика газоанализатора.Figure 3 shows the dependence of the frequency difference (Δf) of the main and additional resonators 1 and 6 on the concentration of various gases and vapors (measured impurities in a controlled gas environment) - calibration characteristic of the gas analyzer.

Градуировочная характеристика для конкретной измеряемой примеси (газа или пара) в виде полинома записывается в память микропроцессорного блока 13. По данным измерения температуры (Т) и влажности (φ), осуществляемого датчиками 10 и 11 температуры и датчиком 12 влажности, микропроцессорный блок вносит поправку в измеряемую разницу частот основного и дополнительного резонаторов 1 и 6 и по градуировочной характеристике рассчитывает значение концентрации.The calibration characteristic for a particular measured impurity (gas or vapor) in the form of a polynomial is recorded in the memory of the microprocessor unit 13. According to the temperature (T) and humidity (φ) measurements carried out by the temperature sensors 10 and 11 and the humidity sensor 12, the microprocessor unit corrects the measured frequency difference between the primary and secondary resonators 1 and 6 and calculates the concentration value from the calibration characteristic.

Для расчета градуировочной характеристики, вводимой в память микропроцессорного блока 13 требуется только информация о молекулярной массе газа (μ), его теплоемкости (Ср) (справочные данные) и диапазоне измеряемых концентраций и рабочих температур. При расчете градуировочной характеристики дополнительно учитывается линейное расширение корпусов резонаторов 1 и 6 при изменении температуры, что учитывается в параметре Кр.To calculate the calibration characteristic entered into the memory of the microprocessor unit 13, only information on the molecular mass of the gas (μ), its heat capacity (Cp) (reference data) and the range of measured concentrations and operating temperatures is required. When calculating the calibration characteristic, the linear expansion of the shells of the resonators 1 and 6 with temperature changes is additionally taken into account, which is taken into account in the parameter Кр.

Таким образом, благодаря использованию дополнительного резонатора 6, выбору определенного значения длины отверстий 2 и наличию датчиков 10 и 11 температуры и датчика 12 влажности обеспечивается исключение влияния изменения основных основных внешних факторов (температура, влажность) на показания газоанализатора. Благодаря этому обеспечивается возможность использования расчетной градуировочной характеристики, вводимой в память микропроцессорного блока 13. Как следствие отпадает необходимость проведения градуировки газоанализатора с использованием стандартных и нестандартных газовых смесей, особенно многоатомных газов и паров. Это резко упрощает процедуру градуировки газоанализатора.Thus, through the use of an additional resonator 6, the choice of a certain value of the length of the holes 2, and the presence of temperature sensors 10 and 11 and a humidity sensor 12, the influence of changes in the main main external factors (temperature, humidity) on the readings of the gas analyzer is eliminated. This makes it possible to use the calculated calibration characteristic entered into the memory of the microprocessor unit 13. As a result, there is no need to calibrate the gas analyzer using standard and non-standard gas mixtures, especially polyatomic gases and vapors. This greatly simplifies the calibration procedure of the gas analyzer.

Claims

An acoustic gas analyzer containing a measuring chamber made in the form of a resonator, which is a hollow cylinder with a height equal to an odd number of sound half waves, with a diameter close to the half wave length and gas passage holes located in the middle of the cylinder’s cylindrical surface, the sound source and receiver, installed in opposite ends of the resonator, an electronic generation unit connected to a sound source and receiver, characterized in that an additional resonator is introduced into it a rotator made in the form of a hollow sealed cylinder with dimensions equal to the dimensions of the working resonator filled with gas with a known molecular weight, at the ends of which a sound source and receiver are installed, an additional electronic generation unit connected to the sound source and receiver of the additional resonator, and a microprocessor unit for measuring the frequency difference between the primary and secondary resonators and calculating the concentration of the measured gas, as well as a temperature and humidity sensor in the working cavity and Occupancy temperature additional resonator connected to the microprocessor unit.