RU87022U1

RU87022U1 - ACOUSTIC GAS ANALYZER

Info

Publication number: RU87022U1
Application number: RU2009103229/22U
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Алферов
Original assignee: Владимир Николаевич Алферов
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2009-09-20

Abstract

1. 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. ! 2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен датчиками температуры, установленными на внешней стенке основного и дополнительного резонато1. An acoustic gas analyzer containing a measuring chamber made in the form of a resonator, which is a hollow cylinder with a length equal to one sound half-wave, with the supply of the measured gas through the holes in the side wall, the wall thickness and the diameter of the holes being selected so as to provide high wave resistance , a sound source and receiver mounted at opposite ends of the resonator, a sound generation, reception, filtering and frequency measuring unit connected to a sound source and receiver, characterized the fact that due to the ratio of the length and diameter of the resonator, the optimal thickness of the end walls, the placement of the sound source and receiver outside the resonator, the minimum diameter of the holes for sound passage, the supply of the measured gas through the side wall, the maximum quality factor of the resonator is ensured, and as a result, high sensitivity, with one side, and the rapid penetration of the test gas into the chamber, on the other hand, ease of manufacture, an additional resonator made in the form of a hollow sealed cylinder with dimensions the dimensions of the main resonator filled with a gas with a known molecular mass, at the ends of which there is a source and a receiver, a unit for generating, receiving sound, filtering and measuring frequency, to which resonators are connected in turn, a microprocessor unit for measuring the frequency difference between the main and additional resonators and calculating the concentration measured gas. ! 2. The gas analyzer according to claim 1, characterized in that it is equipped with temperature sensors mounted on the outer wall of the main and additional resonant

Description

Полезная модель относится к устройствам для определения концентрации компонентов промышленных газов и может быть применена в нефтегазовой, химической 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, chemical and other industries.

Известны акустические газоанализаторы, действие которых основано на изменении резонансной частоты камеры резонатора, заполняемой контролируемым газом, при изменении состава этого газа (см., например, а.с. №832447, МКИ G01N 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. Конструкции их варьируются (фиг.1), например, известны однокамерная (фиг.1а), трехкамерная с перегородками (фиг.1б), трехкамерная с соединительными трубками (фиг.1в) [1]. Все они имеют недостатки: а) однокамерная имеет низкую добротность из-за широкой мебраны с плохим отражением звука и, как следствие, большую погрешность измерения; трехкамерная с соединительными трубками из-за присутствия длинных акустических линий задержки звукового сигнала также не может обеспечить высокую точность измерения.Acoustic gas analyzers are known whose operation is based on a change in the resonant frequency of the resonator chamber filled with a controlled gas when the composition of this gas changes (see, for example, AS No. 832447, MKI G01N 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. Their designs vary (Fig. 1), for example, a single-chamber (Fig. 1a), three-chamber with partitions (Fig. 1b), three-chamber with connecting tubes (Fig. 1c) are known [1]. All of them have drawbacks: a) single-chamber has a low quality factor due to wide furniture with poor sound reflection and, as a result, a large measurement error; three-chamber with connecting tubes due to the presence of long acoustic delay lines of the audio signal also cannot provide high measurement accuracy.

Наиболее близким к предлагаемому устройству аналогом является трехкамерная конструкция с перегородкой, однако, однако и она имеет три существенных недостатка. Во-первых, относительно толстые торцевые стенки, необходимые для сохранения добротности при подводе газа с торца, представляют собой линии задержки, включенные последовательно с резонатором и следовательно понижают точность измерения. Во-вторых, приведенный на рисунке резонатор имеет не максимально возможную добротность из-за невыгодного соотношения длины и диаметра. В-третьих, конструкция резонатора очень сложна и нетехнологична, способ подачи испытуемого газа в резонатор через те же отверстия, через которые проходит и звук (фиг.2) порождает непреодолимое противоречие между стремлением повысить добротность резонатора за счет уменьшения диаметра отверстия и необходимостью обеспечить приемлемую скорость реакции на изменение состава газа.The closest analogue to the proposed device is a three-chamber design with a partition, however, however, it also has three significant drawbacks. Firstly, the relatively thick end walls needed to maintain the quality factor when supplying gas from the end face are delay lines connected in series with the resonator and therefore reduce the measurement accuracy. Secondly, the resonator shown in the figure does not have the highest possible quality factor due to the unfavorable ratio of length and diameter. Thirdly, the design of the resonator is very complex and non-technological, the method of supplying the test gas to the resonator through the same holes through which the sound passes (Fig. 2) creates an insurmountable contradiction between the desire to increase the quality factor of the resonator by reducing the diameter of the hole and the need to ensure an acceptable speed reactions to changes in gas composition.

Для обеспечения высокой точности измерения и одновременно быстрой реакции, также простоты в изготовлении необходима конструкция, обеспечивающая высокую добротность резонатора и одновременно быструю подачу газа в резонатор.To ensure high measurement accuracy and at the same time quick response, as well as ease of manufacture, a design is needed that provides high Q-factor of the resonator and at the same time fast gas supply to the resonator.

Указанная задача решается тем, что предложен акустический газоанализатор, содержащий измерительную камеру, выполненную в виде резонатора, представляющего собой полый цилиндр с длиной равной одной звуковой полуволне и диаметром на несколько процентов менее длины, отверстиями для подвода газа, расположенными в образующей цилиндра, причем толщина стенки выбирается большей, чем глубина проникновения плоской волны, источник и приемник звука, установленные в противоположных торцах резонатора, причем торцевые перегородки имеют малую толщину, составляющую несколько процентов от длины, определяемую только условиями отражения падающей звуковой волны, а отверстия в них также имеют минимальный диаметр для обеспечения высокой добротности, причем камеры по торцам, как показано на фиг.1 а и б и фиг.2, исключаются, а также электронный блок генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты, соединенные с источником и приемником звука.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 length equal to one half-wave sound and a diameter several percent less than the length, with gas supply holes located in the cylinder generatrix, the wall thickness being the sound source and receiver installed at opposite ends of the resonator is selected greater than the plane wave penetration depth, and the end walls have a small thickness y, which is a few percent of the length, determined only by the reflection conditions of the incident sound wave, and the holes in them also have a minimum diameter to ensure high quality factor, and the cameras at the ends, as shown in FIGS. 1 a and b and FIG. 2, are excluded, as well as an electronic unit for generating, receiving sound, filtering and measuring frequency, connected to the source and receiver of sound.

С целью исключения влияния на измерения температуры в полезную модель введен дополнительный резонатор, аналогичный описанному выше измерительному, заполненный газом с известной молекулярной массой, причем резонаторы поочередно коммутатором подсоединяются к электронному блоку.In order to exclude the effect on temperature measurements, an additional resonator, similar to that described above, filled with a gas with a known molecular mass, is introduced into the utility model, the resonators being connected alternately by a switch to the electronic unit.

Кроме того, в состав прибора включен микропроцессорный блок для измерения разности частот основного и дополнительного резонаторов и вычисления концентрации измеряемого газа.In addition, the device includes a microprocessor unit for measuring the frequency difference between the primary and secondary resonators and calculating the concentration of the measured gas.

В числе отличий газоанализатора следует отметить, 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.

Технический результат, достигаемый в предлагаемом газоанализаторе благодаря отмеченным выше особенностям его выполнения, состоит в том, что в нем обеспечивается точность измерения за счет высокой добротности измерительного резонатора, быстрота реакции на изменение состава газа за счет кратчайшего пути его проникновения в камеру, исключаются влияние изменения основных внешних факторов, таких как температура, внешние источники звука, резонатор очень прост в изготовлении. Контроль соответствия частоты дополнительного резонатора температуре его гарантирует от ошибочных измерений из-за дрейфа параметров электронных компонент.The technical result achieved in the proposed gas analyzer due to the above mentioned features of its implementation is that it provides measurement accuracy due to the high quality factor of the measuring resonator, the speed of reaction to a change in the composition of the gas due to the shortest path of its penetration into the chamber, the influence of changes in the main external factors, such as temperature, external sound sources, the resonator is very simple to manufacture. Monitoring the correspondence of the frequency of the additional resonator to its temperature guarantees against erroneous measurements due to the drift of the parameters of the electronic components.

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

На фиг.3 изображена блок-схема предлагаемого газоанализатора.Figure 3 shows a block diagram of the proposed gas analyzer.

Акустический газоанализатор содержит измерительную камеру 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.The acoustic gas analyzer contains a measuring chamber 1, made in the form of a resonator, which is a hollow cylinder made of metal. The length of the camera is equal to the sound half-wave. The supply of the analyzed gas is carried out through holes 2 in the generatrix.

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 через коммутатор 6 с блоком генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты 7.At the ends of the chamber 1 (resonator), a sound source 3 and a sound receiver 4 are installed, which communicate with the cavity of the resonator through openings 5 with a diameter of about 1 mm and are connected through a switch 6 to a unit for generating, receiving sound, filtering, and measuring the frequency 7.

Газоанализатор имеет дополнительный резонатор 8, выполненный в виде герметичного полого цилиндра, заполненного газом с известной молекулярной массой, например, чистым воздухом. По торцам резонатора 8 также установлены источник 9 и приемник 10 звука, подключаемые через коммутатор 6 к блоку 7 генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты. Оба резонатора 1 и 8 имеет равную длину, диаметр, толщину стенки, диаметр отверстий и находится в одинаковых температурных условиях.The gas analyzer has an additional resonator 8, made in the form of a sealed hollow cylinder filled with gas with a known molecular weight, for example, clean air. At the ends of the resonator 8, a source 9 and a receiver 10 of sound are also connected, connected through a switch 6 to a unit 7 for generating, receiving sound, filtering and measuring the frequency. Both resonators 1 and 8 have equal length, diameter, wall thickness, hole diameter and are in the same temperature conditions.

На внешней стенке измерительной камеры 1 и дополнительного резонатора 8 установлены датчики температуры 11 и 12, выполненные в виде платиновых терморезисторов с малой постоянной времени. Выход блока 7, а также датчиков температуры 11 и 12 подсоединены к микропроцессорному блоку 13, который по установленной программе производит измерение разности частот резонаторов 1 и 8 и вносит поправки, связанные с показаниями датчиков 11 и 12 температуры.On the outer wall of the measuring chamber 1 and the additional resonator 8, temperature sensors 11 and 12 are installed, made in the form of platinum thermistors with a small time constant. The output of block 7, as well as temperature sensors 11 and 12 are connected to a microprocessor block 13, which, according to the installed program, measures the frequency difference of the resonators 1 and 8 and makes corrections related to the readings of the temperature sensors 11 and 12.

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

При включении питания по команде от микропроцессорного блока 13 включается блок 7 генерации, приема звука, фильтрации и измерения частоты. Резонаторы 1 и 8 поочередно по команде микропроцессорного блока 13 подключаются к блоку генерации 7 и настраиваются на резонанс. Частота резонанса (f) определяется скоростью звука в газе, заполняющем резонатор:When you turn on the power on command from the microprocessor unit 13, the unit 7 for generating, receiving sound, filtering and measuring the frequency is turned on. Resonators 1 and 8 alternately at the command of the microprocessor unit 13 are connected to the generation unit 7 and are tuned to resonance. The resonance frequency (f) is determined by the speed of sound in the gas filling the resonator:

где V - скорость звука в газе,where V is the speed of sound in gas,

К_P - приведенная длина резонатора.To _P 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 ( )

С_P - теплоемкость газа при постоянном давлении;With _P is the heat capacity of the gas at constant pressure;

Cν=C_P-R - теплоемкость газа при постоянном объеме;Cν = C _P -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;

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

При этом в резонаторах 1 и 8 образуется звуковая полуволна с максимумом давления на торцах резонаторов и минимумом в середине длины резонаторов.In this case, an acoustic half-wave is formed in resonators 1 and 8 with a maximum pressure at the ends of the resonators and a minimum in the middle of the length of the resonators.

При отсутствии измеряемого газа в основном резонаторе измерительной камеры 1 разность частот (Δf) между основным 1 и дополнительным 8 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 8, разность частот (Δf) резонаторов 1 и 6 изменяется пропорционально изменению концентрации измеряемой примеси газа и измеряется с помощью микропроцессорного блока 13. При этом микропроцессорный блок 13 вносит в результат измерений поправки, связанные с выходными сигналами датчиков 11 и 12 температуры, он также используется для контроля исправности измерительных цепей газоанализатора по соответствию температуры и частоты дополнительного резонатора 8.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 8 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 8, the frequency difference (Δf) of the resonators 1 and 6 changes in proportion to the change in the concentration of the measured gas impurity and is measured using a microprocessor unit 13. When This microprocessor unit 13 makes the measurement result corrections associated with the output signals of the temperature sensors 11 and 12, it is also used to monitor the health of the measuring circuits of gas recuperators at appropriate temperatures and supplementary frequency resonator 8.

Таким образом, благодаря применению измерительной камеры оптимальной конструкции - высоко добротного резонатора 1, использованию дополнительного резонатора 8, выбору минимального значения длины отверстий 5 и наличию датчиков 11 и 12 температуры обеспечивается высокоточное измерение частот резонаторов, и следовательно концентрации примеси в измеряемом газе, исключение влияния нестабильности электропитания, нестабильности параметров электронных компонент и электроакустических преобразователей, изменения основных внешних факторов (температура, внешние источники звука) на показания газоанализатора.Thus, due to the use of a measuring chamber of an optimal design - a high-quality resonator 1, the use of an additional resonator 8, the choice of the minimum value of the holes 5 and the presence of temperature sensors 11 and 12, a highly accurate measurement of the frequencies of the resonators is ensured, and therefore the concentration of the impurity in the measured gas, eliminating the effect of instability power supply, instability of parameters of electronic components and electro-acoustic transducers, changes in the main external factors (those perature, external sound sources) on the readings of the gas analyzer.

Цитируемая литератураCited literature

1. Докукина Н.Б. Исследование методов построения электроакустических частотных датчиков цифровых газоанализаторов, плотномеров, уровнемеров и манометров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. ЛПИ им. М.И.Калинина, 1967.1. Dokukina NB Study of methods for constructing electro-acoustic frequency sensors of digital gas analyzers, densitometers, level meters and pressure gauges. Abstract of dissertation for the degree of Cand. tech. sciences. LPI them. M.I. Kalinina, 1967.

Claims

1. An acoustic gas analyzer containing a measuring chamber made in the form of a resonator, which is a hollow cylinder with a length equal to one sound half-wave, with the supply of the measured gas through the holes in the side wall, the wall thickness and the diameter of the holes being selected so as to provide high wave resistance , a sound source and receiver mounted at opposite ends of the resonator, a sound generation, reception, filtering and frequency measuring unit connected to a sound source and receiver, characterized the fact that due to the ratio of the length and diameter of the resonator, the optimal thickness of the end walls, the placement of the sound source and receiver outside the resonator, the minimum diameter of the holes for sound passage, the supply of the measured gas through the side wall, the maximum quality factor of the resonator is ensured, and as a result, high sensitivity, with one side, and the rapid penetration of the test gas into the chamber, on the other hand, ease of manufacture, an additional resonator made in the form of a hollow sealed cylinder with dimensions the dimensions of the main resonator filled with a gas with a known molecular mass, at the ends of which there is a source and a receiver, a unit for generating, receiving sound, filtering and measuring frequency, to which resonators are connected in turn, a microprocessor unit for measuring the frequency difference between the main and additional resonators and calculating the concentration measured gas.

2. The gas analyzer according to claim 1, characterized in that it is equipped with temperature sensors mounted on the outer wall of the main and additional resonators, the outputs of which are connected to a microprocessor unit.