RU96663U1 - Газоанализатор измерения концентраций вредных и загрязняющих веществ в воздухе - Google Patents

Abstract

Газоанализатор измерения концентрации вредных и загрязняющих веществ в воздухе, состоящий из микроконтроллера, цифрового интерфейса входа/выхода RS-485, RS-232 или USB, блока питания, жидкокристаллического дисплея, газочувствительных измерительных преобразователей, кнопок управления газоанализатора, отличающийся тем, что в состав включены конструктивно и функционально взаимоувязанные дополнительные устройства - химические фильтры, группа газочувствительных измерительных преобразователей, а также программно-аппаратный комплекс.

Description

Предложение относится к области технических средств измерений параметров окружающей среды, автоматизированной обработки анализа данных измерений методами цифровых вычислений.

Полезная модель может быть использована для непрерывного измерения концентрации вредных и загрязняющих веществ в воздухе (хлора, оксидов серы, оксидов углерода, оксидов азота, суммы углеводородов, метана, этана, пропана, бутана, сероводорода, хлороводорода, фтороводорода, формальдегида, фенола, гексафторид серы, окиси этилена, аммиака, водорода, арсина, гексана, гидразина, меркаптана, озона, пропилена, силана, фосгена, фосфина, фтора, цианводорода, этилена) и автоматической передачи данных. Для обеспечения потребностей государства, юридических и физических лиц в достоверной информации о качественном состоянии воздуха и его текущих изменениях на конкретной территории, необходимой для предотвращения и (или) уменьшения неблагоприятных последствий таких изменений.

Известен газоанализатор переносной «КОМЕТА-М» (производства «ФГУП НПП Дельта») предназначенный для измерения загрязняющих веществ в воздухе, содержания кислорода, токсичных, горючих и вредных газов с выдачей светового и звукового сигналов при достижении порогового уровня концентрации. Газоанализатор «КОМЕТА-М» имеет возможность запоминать результаты измерений в съемной карте памяти с последующей передачей их на компьютер для хранения и обработки. Данные сохраняются в отчет, который можно открыть текстовым редактором (WordPad, Блокнот, Microsoft Office Excel). В отчет записывается дата и время измерения, номер прибора, степень зарядки аккумулятора, названия каналов, единицы измерения и концентрация по каждому каналу. Пример отчета в прикрепленных файлах. Карту памяти можно использовать любого формата SD или ММС. В газоанализаторе установлены электрохимические и полупроводниковые газочувствительные измерительные преобразователи. [www. deltainfo.ru]

Известен газоанализатор "ГАНК-4" (производства НПО "Прибор") предназначеный для автоматического непрерывного контроля концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, в воздухе рабочей зоны, в промышленных выбросах и технологических процессах в целях охраны окружающей среды, обеспечения безопасности труда и оптимизации технологических процессов. Принцип работы газоанализатора комбинированный и основан на следующих методах измерений: со встроенными газочувствительными измерительными преобразователями: электрохимический (СО, O2, Н2 и др.); термокаталитический (СН4, гексан и др.); полупроводниковый (стирол, бензол и др.); со сменной химкассетой метод (оптронноспектрометрический). Работа газоанализатора осуществляется в автоматическом режиме. Насос подает через входной штуцер газоанализатора анализируемый воздух на газочувствительный измерительный преобразователь или ленту химкассеты. Результаты измерений обрабатываются микропроцессором и индицируются на жидкокристаллическом экране.

При превышении уровня предельно допустимой концентрации (ПДК), установленного предприятием-изготовителем, срабатывает звуковая и световая сигнализации. Связь с компьютером осуществляется через порт RS-232. [www.tdk.ru/pribor]

Наиболее близким к предлагаемой модели является газоанализатор "Сигма-1 м" (производства НПП "Политехформ-М") предназначенный для измерения горючих газов и паров (метана, пропана, бутана, гептана, гексана, паров бензина, дизельного топлива и т.п.), выдачи звуковых и световых сигналов оповещения. Газоанализатор состоит из информационного пульта и датчика. К информационному пульту можно подключить от 1 до 8 датчиков. В датчике установлен один полупроводниковый или термокаталитический газочувствительный измерительный преобразователь. Дополнительные возможности газоанализатор "Сигма-1 м":

- возможна передача данных в компьютер по протоколу MODBUS RTU с помощью интерфейсов RS-232, RS-485.

- имеется программа для ПК, которая собирает из сети пультов "Сигма-1 м" информацию, наглядно представляет ее на экране и сохраняет на диске. [www.ptfm.ru]

Недостатком известных газоанализаторов является то, что для определения каждого конкретного вещества используются газочувствительные преобразователи только одного типа, что приводит к недостаточной селективности и дополнительной потери точности результата измерения. Отсутствие устройств по удалению мешающих примесей в анализируемом газе. Вывод на экран газоанализатора результатов измерений только одного газочувствительного измерительного преобразователя. Отсутствие программного обеспечения для визуализации результатов измерения, ведение архива, а также возможности управления технологическими процессами.

Техническая задача, на решение которой направлено предложение -повышение селективности газоанализатора, обеспечение сбора, обработки, отображения, передачи и хранения регистрируемой информации, а также возможности управления технологическими процессами.

Поставленная задача решается тем, что в состав газоанализатора включены:

- Химические фильтры, разработанные на основе «нано технологий» позволяющие устранять влияние газов мешающих измерению;

- Установка нескольких типов газочувствительных измерительных преобразователей для измерения одного конкретного вещества, что приводит к повышению точности результатов измерения.

- Программное обеспечение позволяющее обрабатывать сигналы газочувствительных измерительных преобразователей и управлять работой блоков, устройств и оборудования, входящих в состав газоанализатора, а также и самого газоанализатора.

- Программно-аппаратный комплекс для персонального компьютера (ноутбука) Master SCADA позволяющий осуществлять сбор данных одновременно от 256 газоанализаторов как по двухпроводной линии связи (через интерфейс RS-485), так и по каналам радиосвязи (через радиомодем или GSM/GPRS), визуализацию результатов, по всем измеренным веществам с каждого газоанализатора, вести архив, составление отчетов, передачу данных другим пользователям и осуществлять управление технологическими процессами.

Известная среда разработки Master SCADA это одна из современных SCADA- и SoftLogic-пакетов, и принципиально новый инструмент разработки АСУ. В ней реализованы средства и методы разработки проектов, обеспечивающие резкое сокращение трудозатрат и повышение надежности создаваемой системы, (www.masterscada.ru). Однако для организации согласованного режима функционирования газоанализатора с программой Master SCADA необходимо разработать в среде разработки Master SCADA программно-аппаратный комплекс.

Газоанализатор состоит из следующих блоков, устройств и оборудования:

Микропроцессорный блок состоит из:

- микроконтроллера;

- цифрового интерфейс входа/выхода RS-485, RS-232 или USB;

- блока питания;

- разъемы.

Дополнительные устройства:

- газочувствительные измерительные преобразователи;

- химические фильтры;

- жидкокристаллический дисплей;

- звуковое устройство;

- кнопки управления газоанализатором;

- блок реле типа «сухие контакты»;

- аккумуляторная батарея с зарядным устройством;

- сетевой адаптер для подключения к сети переменного тока 220 В.;

- побудитель расхода воздуха;

- пылевой фильтр;

- фильтр влагоотделитель;

- система пробоподготовки;

- зонд отбора проб.

Дополнительное оборудование:

- персональный компьютер или ноутбук;

- преобразователи интерфейсов.

Микропроцессорный блок представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, с прямыми и обратными связями, состоящее из нескольких микросхем и микроконтроллера, в состав которых входит микропроцессор с возможностью программирования логики работы и предназначен для выполнения определенного набора функций: получение, хранение, обработка измеренных данных, передача, вывод результатов измерения, преобразование информации и управление.

Цифровой интерфейс вход/выхода RS-485, RS-232 или USB применяется для организации локальной сети, подключения к компьютеру или другим приборам и устройствам (радиомодем, модем сотовой связи и т.д.).

Блок питания обеспечивает работу микропроцессорного блока и подключаемых к нему дополнительных устройств.

Разъемы для подключения дополнительных устройств.

Дополнительные устройства, количество которых может меняться в зависимости от модификации:

Газочувствительные измерительные преобразователи представляют собой совокупность газочувствительных сенсоров и преобразователей сигналов в аналоговый или цифровой. В газоанализаторе в качестве измерительных преобразователей используются электрохимические; оптические; полупроводниковые; термокаталитические; хемилюминесцентные; комбинированные сенсоры.

Электрохимический сенсор - основан на явлении протекания специфичной химической реакции (электрохимической реакции) в электрохимической ячейке, представляющей собой емкость с раствором электролита с электродами (анодом и катодом). Анализируемый газ вступает в химическую реакцию с электролитом, заполняющим ячейку. В результате в растворе возникают заряженные ионы, между электродами начинает протекать электрический ток, пропорциональный концентрации анализируемого компонента. Селективность электрохимического сенсора определяется природой материала электрода, точнее, его поверхности, а следовательно, и величиной потенциала, при котором происходят электрохимические реакции с участием анализируемого компонента.

Оптический сенсор - основан на явлении поглощения (испускания) электромагнитного излучения определенной длины волны газовой средой.

Полупроводниковый сенсор - основан на изменении проводимости ряда широкозонных полупроводников в присутствии различных газов.

Термокаталитический сенсор - основан на изменении сопротивления платиновой проволоки термокаталитического сенсора при ее нагреве за счет тепла, выделяющегося при протекании термохимической реакции горения газа или пара в присутствии катализатора.

Хемилюминесцентные сенсор - основан на явлении экзотермической реакции анализируемого компонента сопровождающаяся выделением света определенной длины волны (эффект гетерогенной хемилюминесценции). Интенсивность свечения композиции зависит от концентрации анализируемого компонента в газовой смеси.

Химический фильтр - основан на принципе поглощения, сорбции.

Жидкокристаллический дисплей предназначен для отображения всех измеряемых и расчетных параметров, а так же для выбора функции работы газоанализатора.

Звуковое устройство предназначено для оповещения при превышении заданного уровня загрязняющих веществ в воздухе и диапазона измерения.

Кнопки управления газоанализатором предназначены для управления, выбора функций и включения газоанализатора.

Блок реле типа «сухие контакты» (состояние контактов нормально замкнут или нормально разомкнут) предназначены для подключения и управления внешними устройствами.

Аккумуляторная батарея с зарядным устройством служат источником постоянного тока для питания газоанализатора.

Сетевой адаптер служит для питания газоанализатора от сети переменного тока 220 В.

Побудитель расхода воздуха предназначен для прокачки анализируемого газа через кювету с установленными в ней химическими фильтрами и газочувствительными измерительными преобразователями (сенсорами).

Пылевой фильтр предназначен для удаления пыли и других механических твердых примесей.

Фильтр влагоотделитель предназначен для очистки воздуха от капельной влаги и конденсата.

Система пробоподготовки предназначена для подготовки анализируемого газа (температура 20°С, и относительная влажность 80%), а так же для очистки анализируемого воздуха от пыли и влаги.

Зонд отбора проб предназначен для обеспечения отбора пробы в труднодоступных местах, ее охлаждения, очистки и удаления конденсата перед подачей в газоанализатор.

Дополнительное оборудование предназначено для подключения газоанализаторов к персональному компьютеру или ноутбуку одновременно как по двухпроводной линии связи (через интерфейс RS-485), а так же по каналам радиосвязи (через радиомодем или GSM/GPRS).

Персональный компьютер или ноутбук с программным обеспечением

Master SCADA позволяет осуществлять сбор данных сразу от 256 газоанализаторов, визуализация результатов измерения по всем измеренным веществам с каждого газоанализатора, вести архив, составление отчетов, передача данных другим пользователям.

Преобразователи интерфейсов предназначены для преобразования сигналов RS-485 в USB или RS-232 в USB.

Варьирование количеством дополнительных устройств и программным обеспечением позволяет выпускать переносные или стационарные газоанализаторы для непрерывного контроля вредных и загрязняющих веществ в воздухе.

Основные технические характеристики:

Температура окружающей среды, °С	-20 до +40
Относительная влажность воздуха (при t=25°C), %	93
Атмосферное давление, мм. рт.ст.	650-800
Напряжение питания от аккумуляторной батареи, В	12±2
Напряжение питания от сети переменного тока через адаптер (50 Гц), В	176-264

Минимальное время формирования выходного сигнала (τ 90),

40

с, не более

Задержка срабатывания звуковой и световой сигнализации,

2

с, не более

Время прогрева газоанализатора, мин, не более	3
Габаритные размеры, мм, не более	600×400×250
Масса, кг, не более	20
Допустимая относительная основная погрешность, %, не более	±20

Пределы дополнительной погрешности при воздействии каждого из влияющих факторов в отдельности, %, не более - изменение температуры окружающей среды от -20°С до +40°С; - давление - от 650 до 800 мм рт.ст. - изменение влажности окружающего воздуха - от 30 до 98% при температуре 35°С.	5%
Температура анализируемой пробы, °С	-20 до +40
Температура анализируемой пробы с системой пробоподготовки, °С	-40 до +1200
Срок службы газоанализатора, без учета срока службы газочувствительных измерительных преобразователей, лет, не менее	10

Газоанализатор осуществляет измерения концентрации вредных и загрязняющих веществ в воздухе следующим образом:

При подаче питания на газоанализатор или при помощи кнопки управления газоанализатором (если они установлены) происходит включение газоанализатора и всех дополнительных устройств подключенных к нему. Через входное отверстие забора газа анализируемый газ поступает в прибор и производится очистка газа от пыли и влаги. Далее анализируемый газ поступает в систему пробоподготовки где газ в автоматическом режиме готовится и приводится к нормальным условиям по температуре и влажности (температура равной 20°С, и относительной влажности, равной 80%). После чего приготовленный газ поступает в кювету, где через химические фильтры поступает на газочувствительные измерительные преобразователи. Преобразованные сигналы поступают в микроконтроллер газоанализатора, где происходит обработка сигнала и его преобразование в цифровой вид для дальнейшей передачи сигнала на жидкокристаллический дисплей и цифровой интерфейс входа/выхода RS-485, RS-232 или USB.

В зависимости от содержания вредных и загрязняющих веществ в воздухе (превышения предельно допустимых концентраций) газоанализатор функционирует в одном из трех режимов «Предупредительный», «Сигнальный», «Аварийный» при этом выдает звуковую и световую сигнализацию. Переключение режимов происходит автоматически.

Рабочий диапазон измеряемых концентраций вредных и загрязняющих веществ может изменяться и выдаваться в различных единицах измерения (мг/м³, % объемной доли, ppm).

Газоанализатор позволяет проводить:

- Непрерывно и одновременно измерения концентрации до восьми вредных и загрязняющих веществ в воздухе.

- Отображать измеренную концентрацию на жидкокристаллическом дисплее.

- Выбирать функции измерения:

- текущих результатов измерений с интервалом 1 секунда;

- результатов измерений средних значений за 20 минут.

- Выдавать световые и звуковые сигналы при превышении заданного уровня загрязняющих веществ в воздухе:

1 уровень - «предупредительный»;

2 уровень - «сигнальный»;

3 уровень - «аварийный».

- Сохранять результаты измерения в памяти газоанализатора.

Осуществлять на персональном компьютере или ноутбуке сбор данных от 256 газоанализаторов одновременно как по двухпроводной линии связи (через интерфейс RS-485), так и по каналам радиосвязи (через радиомодем), визуализацию результатов по всем измеренным веществам с каждого газоанализатора, вести архив, составление отчетов, передачу данных другим пользователям в цифровом виде по стандартному протоколу MODBUS через интерфейс RS-485 и RS-232 (или USB), Интернет, а также управлять технологическими процессами.

Claims (1)

1. Газоанализатор измерения концентрации вредных и загрязняющих веществ в воздухе, состоящий из микроконтроллера, цифрового интерфейса входа/выхода RS-485, RS-232 или USB, блока питания, жидкокристаллического дисплея, газочувствительных измерительных преобразователей, кнопок управления газоанализатора, отличающийся тем, что в состав включены конструктивно и функционально взаимоувязанные дополнительные устройства - химические фильтры, группа газочувствительных измерительных преобразователей, а также программно-аппаратный комплекс.