Газоаналитическая система

 

ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, содержёодая датчик состава вещества, вход которого через смеситель, газораспределительное устройство и блок пробоподготовки соединен со штуцерами ввода газовых трактов анализируемой и поверочной газовых смесей , выход датчика состава вещества соединен с входом MHICропроцессора, управляющие входы и выходы которого соединены с газораспределительньви узлом, отли.чающаяся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени проведения анализа /.между блоком пробоподготовки и газораспределительным устройством В газовые тракты анализируемой и поверочных газовых смесей включены I .g In щ I - ;-:й;;н,g I . .ar KocRV два регулятора расхода и блок выравнивание расходов, выходы которого соединены с двумя входами газового модулятора, выполненного в виде двух одинаковых проходных полостей , разделенных подвижной мембраной, два выхода газового модулятора и газовый тракт анализируемой смеси на входе блока пробоподготовки соединены с блоком определения экстремальных значений соотношения расходов, содержащим четыре идентичных по проходному сопротивлению калиброванных газоходов, входы первого и второго калиброванных газоходов соединены с входами газового модулятора, а выходы соединены через третий калиброванный 9 газоход с первым входом смесителя, второй вход которого соединен через четвертый калиброванный газоход с газовым трактом анализируемой смеси на выходе блока пробоподготовки, к третьему калиброванному газоходу подключен 2 манометр абсолютного давления, а между первым и BTopbJM, третьим и четвер .тм калиброванными газоходами вклю:чены дифференциальные манометры, выходы которых соединены с микропро;цессором , управляющие выходы которого соединены с регуляторами расхо00 яов и газовым модулятором.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГМВЛИН

МП а 0 5 О 11, 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕ ГЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТЮЕННЫЯ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛ/,М ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3347363/18-25

1(22) 23.07.81 (46) 15.05.83 . Бюл. Р 18 (72) С.И.Рудковский, С.К.Редько, В.Ф.Микитченко и А.Ш.Бахшалиев (71) Киевское научно-производственное объединение Аналитприбор (53) 543.274(088.8) (56) 1.: Патент США Р 4019523, кл.. G 05 D ll/13, опублик, 26.04.77, 2. Авторское свидетельство СССР

9 734530, кл. G Ol N 3/02, 1979 (прототип)..

;(54)(57) ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА содержащая датчик состава вещества, вход которого через смеситель, газораспределительное устройство и блок пробоподготовки соединен со штуцерами ввода газовых трактов анализируемой и поверочной газовых смесей, выход датчика состава вещества соединен с входом микропроцессора, управляющие входы и выходы которого соединены с газораспределительньм узлом, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени проведения анализа,.между б9током пробоподготовки и газораспределительным устройством в газовые тракты анализируемой и по- верочных газовых смесей включены

„.«Щ„„» 1018109 А два регулятора расхода и блок выравнивания расходов, выходы которого соединены с двумя входами газового модулятора, выполненного в виде двух одинаковых проходных полостей, разделенных подвижной мембраной, . два выхода газового модулятора и газовый тракт анализируемой смеси на входе блока пробоподготовки соединены с блоком определения экстремальных значений соотношения расходов, содержащим четыре идентичных по проходному сопротивлению калиброванных гаэоходов, входы первого и второго калиброванных raзоходов соединены с входами газового модулятора, а выходы

:соединены через третий калиброванный Е

Ф газоход с первьм входом смесителя, второй вход которого соединеч через четвертый калиброванный гаэоход с гаванам трантоманаливнруемоа смеси на С выходе блока пробоподготовкн,к третьему калиброванному газоходу подключен Я манометр абсолютного давления, а между первым и вторым, третьим и четвер;тьм калиброванными газоходами вклю- ШЬ ,:чены дифференциальные манометры, выходы которых соединены с микропро- мюФ

-цессором, управляющие выходы кото- фи рого соединены с регуляторами расхо- О .:дов и газовые модулятором.

lieaaL

1018109

Изобретение относится к аналитической технике и может быть исполь,зовано в различных устройствах ана.< ëèçà состава вещества, в частности в автоматизированных системах газового анализа на кислород для управ- " 5 ления технологическими процессами вы+ плавки чугуна и стали в доменном и конверторном производствах.

Известна газоаналитическая система, содержащая газовые тракты от- 10 бора, подготовки и подачи анализируемой пробы газа в датчик состава вещества, значение величины сигнала на выходе которого характеризует процентное содержание исследуемого ком- (5 понента в газовой смеси в месте отбора пробы.

Точность анализа этой газоаналитическои системы при ее продолжительной работе в значительной степени зависит от частоты проводимых поверок (калибровок), в основу которых положен принцип коррекции выходной характеристики датчика состава вещества при подаче на его вход поверочных газовых смесей (1j.

Недостатком известной гаэоанали- тической системы является большой расход дорогостоящих эталонных газовых смесей, пропорциональный количеству поверок. Кроме того, про» цессы поверок характеризуются необходимостью предварительных очисток (продувок) газовых трактов системы от ранее находившейся в них анализируемой газовой смеси и време- 35 нем установления показаний датчика состава вещества от нулевого значения до любого значения в диапазоне измеряемых параметров, что увеличивает время неинформативной ра- 4Q боты системы в целом и, в конечном, итоге, снижает ее быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является газоаналитическая система, содержащая датчик состава вещества, вход которого через смеситель, газораспределительное устройство и блок пробоподготовки соединен со штуцерами ввода газовых трактов анализируемой и поверочной газовых смесей, выход датчика состава вещества соединен с .входом микропроцессора, управляющие входы и выходы которого соединены с газораспределительным узлом t 2 )..

Однако точность анализа в указанной гаэоаналитической системе зависит в основном от..точности дозированного разбавления, которое в данном сравниваемом примере определяется лишь значением величины сигна- 6О ла положения регулирующего органа (шагового Двигателя), управляющего дозированием, и не учитывается реальное соотношение смешиваемых газовых потоков, зависящее, например, от 65

;стабильности расходов потОков во входных газовых трактах, от их аэро динамических свойств (завихрения, срывы) в месте распределения и т.д.

Кроме того, в системе для анализа постоянно необходимы две поверочные газовые смеси: нулевая и.поверочная газовая смесь с концентрацией исследуемого компонента равной или превышакщей ее максимально из-! меряемое значение.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия анализа и уменьшение расхода поверочных газовы.. смесей.

Указанная цель достигается тем, что в газоаналитической системе, содержащей датчик состава вещества, вход которого через смеситель, гаэораспределительное устройство и блок пробоподготовки соединен со штуцерами ввода газовых трактов анализируемой и поверочной газовых смесей, выход датчика состава вещества соединен с входом микропроцессора, управляющие входы и выходы которого соединены с газораспределительньм узлом, между блоком пробоподготовки и газораспределительным устройством в газовые тракты анализируемой и поверочной газовых смесей включены два регулятора расхода и блок выравнивания расходов, выходы которого .соединены с двумя входами газового модулятора, выполненного в виде двух одинаковых проходных полостей, разделенных подвижной мембраной, два выхода газового модулятора и газовый тракт анализируемой смеси на выходеблока пробоподготовки соединены с блоком определения экстремальных значений соотношения расходов, содер-жащим четыре идентичных по проходному сопротивлению калиброванных газоходов, входы первого и второго калиброванных гаэоходов соединены с входами газового модулятора, а выходы соединены через третий калиброванный газоход с первым входом смесителя, второй вход которого соединен через четвертый калиброванный газоход с газовым трактом анализируемой смеси на выходе блока пробоподготовки, к третьему калиброванному газоходу подключен манометр абсолютного давления,. а между первым и вторым, третьим и четвертым калиброванными газоходами включены дифференциальные манометры, выходы которых соединены с микропроцессором, управляющие выходы которого соединены с регуляторами расходов и газовым модулятором.

Часть потока анализируемой смеси отбирают из основного газового тракта и с потоком воздушной смеси после выравнивания их расходов по" дают через модулятор и калиброван10181 09

3 ные газоходы в смеситель, куда также через калиброванный газоход по-. дают оставшуюся часть основного по- тока анализируемой смеси, при ЭФом реальные экстремальные значения соотношений смешиваемых потоков определяют по перепадам давлений в ка-. либрованных газоходах, а искомую концентрацию компонента находят по двум экстремальньак (максимальному и минимальному) значениям показаний манометрических приборов и датчика состава вещества, причем сокращение времени переходных процессов и под держание заданной чувствительности датчика состава вещества осуществля ют регулированием расходов потоков на входах газового модулятора и ко-, эффициента их модуляции по величине соотношения концентрации иссле;дуемого компонента B анализируемой смеси и в воздухе, т,е. по выходному сигналу датчика состава вещества. В качестве поверочной ,газовой смеси используется воздух.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемой-гаэоаналитической системы.

Схема включает: штуцеры 1 и 2 вво-, да газовых трактов анализируемой и поверочной газовых смесей; блок.3 пробоподготовки1 первый и второй регуляторы 4 и 5 расходов1 блок б выравнивания расходов; гаэораспределительное устройство 7.; газовый модулятор 8; первую и вторую проходные полости 9 и 10; подвижную мембрану ll; первый, второй, третий и четвертый калиброванные газоходы 12-15; первый и второй дифманометры 16 и 17; манометр 18 абсолютного давления; смеситель 19; датчик 20 состава вещества; микропроцессор 21; вход 22 ввода значения концентрации исследуемого kîìïîíåíòà в поверочной смеси (в воздухе); выход 23 газоаналитической системы.

Кроме того, введены обозначения:

Я),:QS - расходы потоков анализируемой смеси и воздуха через штуцеры 1 и 2 ввода газовых трактов соответственно газоаналитической системы

Q Q,()6 - расхОды потоков смесей, проходящих через первый, второй, тре.тий и четвертый калиброванные газоходы 12-15 и на выходе смесителя 19 соответственно; Сч, С® — концентрации исследуемого компонента в пото ках анализируемой смеси и воздуха соответственно; Рр1 ...P - номинальные Значения давлений в калиброван-. ных гаэоходах 12-15 нри выключенном газовой модуляторе 8; Р, ...Р,.

Р„ ...P4 — экстремальные значения давлений в калиброванных гаэоходах 1215; И „, дР, аР, ЬР.", - экстремальные значения приращенйй давпений в . калиброванных газоходах 12 и 13;

ЬР < ьР,, Р4 > - экстремальные. значения разностных давлений между первьм и вторым, четвертыж и третьим калиброванными гавоходами 12 и 13, 15 и 14; Сх, Сх, Ср, Ср экстремальные значения суммарных концентраций исследуемого компонента в газовом потоке, проходящем че рез третий калиброванный газоход 14, и в .газовом потоке, поступакщем на

1О. вход датчика 20 состава вещества; у, у" — экстремальные значения выходного сигнала датчика 20 состава вещества„ соответствующие значениям С, С" концентраций исследуемого

15 компонента;

2ьР i< 2ЬР

РМЛ РЪ Р4Д РЪ экстре аРа,э . „у, Р4,> р у

,мальные значения относительных ко зффициентов.

Штуцеры 1 и 2.через блок 3 пробоподготовки, первый и второй регу25 ляторы 4 и 5 расходов и блок б вы равнивания расходов соединены с дву.- мя входами газораспределительного устройства 7, третий вход которого

:соединен на входе блока 3 пробоподЗО готовки с основным газовым трактом анализируемой смеси. В состав газораспределительного устройства 7 входят: газовый модулятор 8, представляющий собой две идентичные по геометрическим размерам проходные

З5 полости 9 и 10, раделенные подвиж:ной мембраной 11; первый, второй, третий и четвертый калиброванные газоходы 12-15 с равными проходными сопротивлениями; первый и второй

40 дифманометры 16 и 17, включенные

-соответственно между первым и вторыми, третьим и четвертым калиброванными газоходами 12 и 13, 14 и 15; манометр 18 абсолютного давления, подф5 ключенный к третьему калиброванному газоходу 14. Выходы блока 6 выравни« вания расходов через проходные полости 9 и 10 газового модулятора 8, через первый и второй калиброванные

50 газоходы 12.и 13 и далее через третий калиброванный гаэоход:14 соединены с одним входом смесителя 19, второй вход которого через четвертый

:калиброванный гаэоход 15 соединен с основньм газовым трактом анализируемой смеси. Выход смесителя 19 сое. динен с входом датчика 20 состава se» щества, выход которого соединен с одним входом микропроцессора 21, остальные четыре входа которого соединены с выходами двух дифманометров 16 и 17, манометра 18 абсолютного давления и с входом 22 ввода значения; концентрации исследуемого компонента в поверочной смеси (в воздухе). Управ Я ляющие выходы микропроцессора 21, че1018109 реэ которые осуществляется воздействие с коэффициентами передачи выход, ного сигнала датчика 20 состава ве щества соединены с управляющими входами регуляторов 4 и 5 расходов и газового модулятора 8, а информационный выход - с выходом 23 газоаналитической системы.

Блок 3 пробоподготовки предназначен для обработки анализируемой и в оздушной газовых смесей, чтобы их 10 технические характеристики (запыленность, влажность, давление и т.д.) соответствовали нормальнбй работе датчика 20 состава вещества. Первый и второй регуляторы 4 и 5 расходов 15 предназначены для управления расходом газовых потоков, поступающих в газовый модулятор 8. В зависимости от величины концентрации исследуемого компонента в анализируемой смеси, отбираемой из.основного газового тракта, и направляемого через газовый модулятор 8, т.е. при уменьшении соотношения - увеличивается

Q3 25 глубина модуляции и повышается точность фиксации и измерения экстремальI Н ° и ных параметров ЬР z, 4Р, <, у„у необходимых для вычисленйя искомой . концентрации Сх. С другой стороны, 30 . соотношение приводит к значительQy ному разбавлению анализируемой смеси, т.е. к снижению ее представительности, а соответственно, и реакции (чувствительности) датчика 20 состава вещества на изменение концентрации исследуемого компонента в анализи руемой пробе смеси. В части выбора величины 0< коэффициента модуляции учитывают следующее: увеличение(3„ . 40 улучшает режим измерений экстремальных параметров, причем увеличится время переходного процесса, что отрицательно сказывается на качестве анализа быстропротекакицих процессов. 45

Необходимость блока 6 выравнивая расходов и выполнение газового модулятора 8 в виде идентичных по геометрическим размерам проходных полостей 9 и 10 с разделяющей их подвижной мембраной 11 обусловлены задачей получения постоянного суммарного расхода потока в третьем калиброванном гаэоходе 14, а следовательно, отсутствием пульсаций давления (но не концентрации) пробы и на входе датчика 20 состава вещества, Ъ = Q„ +Qq=Q„"+ О,.+Я> = const, так как импульс положйтельного приращения давления, создаваемый прогибом мембраны 11 60 в одной из проходных полостей 9 (10), выдает равнбе по абсолютной величине уменьшение давления s другой проходной полости 10 (9) газового модулятора 8. Выполнение высокоточных. ка- 65 либрованных газоходов l2-15 с равными проходными сопротивлениями не представляет технической трудности, упрощает вычислительные операции и сводит измерительные функции, от которых зависит основная погрешность анализа, к измерению давлений

АР,2 (APE,e. ) 4Р4,д р Р9 р измеря10щихся в узких диапазонах. Нестабильность расхода Яц на выходе блока 3 пробоподготовки и возможная несимметричная работа газового модулятора

8 (4Р ф4Р), 4Р 8 APq ) не влияют на точность анализа. В смесителе 19 смешивают основной поток анализируемой смеси, проходящей через чет« вертый калиброванный газоход 15, с модулированным по концентрации исследуемого компонента потоком

Q = Q +Q2=Q,",+Q", проходящим через третий калиброванный гаэоход 14, с образованием и подачей суммарного потока Q> на вход датчика 20 состава вещества. Микропроцессор 21 предназначен для вычисления искомой концентрации по входным данным аР<

I

4Р,, .404, Р, Сз, а также для формирования на управляющие входы регуляторов 4 и 5 расходов и газового модулятора 8 сигналов, пропорциональных значениям а., С, а Сх.

Расчетное выражение для определения искомой концентрации С находят, исходя иэ следующего.

При динамическом смешивании двух потоков Q, Q g с концентрациями Ск, СВ исследуемого компонента в них и протекакицих через калиброванные газоходы с одинаковыми проходными сечениями суммарная концентрация С при давлениях Р« Р> в гаэоходах определяется вйражением

Р с„в,С

С - (I>

Рх вв

Для выбранной конструкции газового модулятора 8 колебания мембраны ll ,вызывают соответствукицие скачки давления в первом и втором калиброванных газоходах 12 и 13, в результате чего прн постоянстве суммарного потока Q в третьем калиброванном газоходе 14 его составлякицие О„, Я изменяются, что, в свою очередь, вйзывает пульсацию суммарной концентрации, экстремальные значения которой при двух крайних полс жениях мембраны определяются выражениями

СХ42

II

Сх1.;С учетом идентичности геометрических размеров проходных полостей 9 и 10 и газоходов 12-15, а также условия ра1018109 венства потоков на входах газового модулятора 8 получаем

О о2= 0 3 or l I )4 2ÈÜP!1ó. )ар t-taP," !ьр21 Imp„") )ap" ) (4), Кр д р i КР,2 p I f 6)

I I

1+К q <)Cg+, I-К qä С 30

Е1„Я.. Д (-К p1 2)Ca+ ((+КР 2)СВ, (g )

Х1(2 4

Пульсации концентрации С, С,,2

I В в третьем калиброванном газоходе 14 неизменных расходах потоков ЦВ, Q4 в третьем и четвертом калиброванных, газоходах вызывают пульсации суммар- . ной концентрации на выходе смесителя 19 и соответственно на входе дат» 20 чика 20 состава веществаз 1 и

Р С +РъС а (Ръ ЬР4л)СаФР С,<

P4+P (РВ М, )+Рз

V+V 4 )С ФС у - (7) +КР4Д г Р где. :КР4 в Ъ 30

Аналогично ю ((+КР 4у>)CX+CX4Ф

И)

Д..КР4, И

Экстремальньм значениям Со, С р суммаР" 5 ных концентраций на входе датчика 20 состава вещества соответствуют экст-. ремальные значения у, у" сигналов на

I его входе, т.е.

О+ КР 4Ъ)Сх+ С Zg,2 I °; 40 и (4 Kp4,Ç) Cx+ С х, g

2. +- М р а р уI взяв отношение К = -, получаем 45

yIl

К К 4,Ъ)Ск+С

ОКР4. ) С +С „, Подставив в выражение значения (5), (6) и решая (10) относительно С) получим е ВС 1-K e а)-K 4 % а а)

КЗ Ю("+Кра,В) О Кр яО" (икр )(1+Кр,ВУ ф1 или после подставки значений,Кр4фр 2КР (102! tI

С L Â

p - 1ap,е. -Ку р +%ар

В „ЪР,+Вар,,д)- и а, <3-(3pq+2a0 p) 2ар ф) перед началом. работы в микропроцессор 21 через вход 22 ввода постоянных коэффициентов вводят значения

С, а, а . Одновременно с подачей на вход 1 анализируемой смеси на вход 2 подают воздушную смесь и вклю- 65 в чают газовый модулятор 8. После прохождения через устройство пробоподготовки 3 анализируемую смесь разделяют на два неравных потока Q4 и 94. поток Q4, примерно на порядок больший потока Q<, подают через четвертый калиброванный газоход 15 гаэораспределительного устройства 7 на один вход смесителя 19, поток Qg m равный ему по величине йоток воздуш», ной смеси (выравнивание расходов по-. токов осуществляют в блоке б изменением потока .Q при неизменном потоке Q<) .подают через регуляторы 4 и 5 расходов, блок 6 выравнивания расходов, проходные .полости 9 и 10 - газового модулятора 8, первый и второй калиброванные газоходы 12 и 13 и далее через третий калиброванный га зоход 14 на второ,. вход смесителя 19.

Суммарный поток Qz= Q +Q> с выхода .смесителя 19 с пульсирующими значениями С и С концентраций подают на вход датчика 20 состава вещества.

В микропроцессоре 21.фиксирует экстремальные значения у, у" датчик 20 .состава вещества и экстремальные значения показаний дифманометров 16 и 17 и манометра 18, на основании которых вычисляют искомое значение

С концентраций компонента в анали-: эйруемой смеси в соответствии с выражениями (11) и (12) .

Таким образом, основными свойствами предложенной газоаналитической системы являются отсутствие необходимости в использовании специально приготовленных поверочных газовых смесей) принцип дозированного разбавления анализируемой смеси воздухом с известньм составом приемлем не только для датчиков на кислород, но и для датчиков концентрации других газов, а также исключает необходимость в традиционных калибров .ках гаэоаналитических систем поверочными газовыми смесями с концентрациями, соответствующими различным точ кам измеряемой шкалы; снижение технических требований к датчикам состава вещества, а именно отсутствие необходимости информации о граду.ировочной характеристике и функции линеариэации, кроме того, возможные дрейфы нуля и нестабильность коэффициентов преобразования не снижает точность анализа; формируемое соотношение потоков анализируемой и воздушной смеси не зависит от стабильности расхода анализируемого потока на выходе устройства, а зависит лишь от точности выравнивания расходов потоков Q, Я в блоке 6, что значительно проще в технической реализации, чем, к примеру, формирование двух потоков с заданным соотйошением, равньы единице ; простота технических средств, 10

1018109

Составитель В.Екаев

Редактор М.Келемеш Техред Т.Файта

Корректор A. Ильин

Заказ 3543/47 Тираж 874 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 измеряющих параметры соотношения потоков; автоматическое поддержание в заданных оптимальных пределах глубины пульсаций выходного сигнала датчика состава вещества в широком диапазоне измеряемых концентраций, Разработка предложенной гаэоаналю тичеокой системы направлена на совершенствование asтоматизированных систем газового анализа для управления технологическими процессами на предприятиях черной металлургии.