Устройство для измерения и регулирования количества реагента в газовой смеси

 

Изобретение относится к подготовке и анализу газов и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами преимущественно при производстве изделий электронной техники. Цель изобретения - повьшение точности устройства.Устройство для измерения и регулирования реагента в газовой смеси содержит эталонный 1 и измерительный 2 газовые каналы проточно-диффузионные ячейки 12 с чувствительными элементами 3, измеритель концентрации 4 реагента в газовой смеси, датчик расхода 6, регулируемый клапан 1 О, усилитель 7, блок умножения 8, блок сравнения 9, соединенный выходом и входом соответственно с входом и выходом измерителя концентрации, преобразователь напряжение - код 5. Причем проточнодиффузионные ячейки 12 снабжены закрепленным радиатором 11, а чувствительные элементы 3 выполнены в виде плоских металлофольговьгх терморезисторов , расположенных между двумя пластинами с выполненными на их внутренних сторонах кольцевыми каналами для прохождения газа. Причем нижняя пластина имеет два отверстия для входа и выхода газа, а радиатор закреплен на одной из этих пластин. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. Q S (Л е Вы}-одные сигналь устройства г-«Т Цотч, стройства Цотч, ОЗ оо ГчЭ ю 05 со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5g 4 G 05 D 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ВыъоВмие сигналы у тройсгпВа иг

1 3

1 1

Фиг.f

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3882924/24-24 (22) 09.04.85 (46) 23.08.87. Бюл.№ 31 (72) А.Л.Гастик, Л.З.Равенский, Б.В.Рогачев и 1О,И.Гладков (53) 621.646.3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1012210, K ° G 05 D 7/01, 1981.

Авторское свидетельство СССР № 1089460, кл. G 05 0 7/00, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ КОЛИЧЕСТВА РЕАГЕНТА В ГАЗОВОЙ СМЕСИ (57) Изобретение относится к подготовке и анализу газов .и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами преимущественно при производстве изделий электронной техники.

Цель изобретения — повьппение точности устройства. Устройство для измере-. ния и регулирования реагента в газо- . вой смеси содержит эталонный 1 и изÄÄSUÄÄ 1332269 А1 мерительный 2 газовые каналы,проточно-диффузионные ячейки 12 с чувствительными элементами 3, измеритель концентрации 4 реагента в газовой смеси, датчик расхода 6, регулируемый клапан 10, усилитель 7, блок умножения 8, блок сравнения 9, соединенный выходом и входом соответ-. ственно с входом и выходом измерителя концентрации, преобразователь напряжение — код 5. Причем проточнодиффузионные ячейки 12 снабжены закрепленным радиатором 11, а чувствительные элементы 3 выполнены в виде плоских металлофольговых терморезисторов, расположенных между двумя пластинами с выполненными на их внутренних сторонах кольцевыми кана1 лами для прохождения газа. Причем нижняя пластина имеет два отверстия для входа и выхода газа, а радиатор закреплен на одной из этих пластин.

2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1332269

Изобретение . относится к подготовке и анализу газов и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами преимущественно при производстве изделий электронной техники.

Целью изобретения является повышение точности устройства.

На фиг.l представлена блок-схема устройства для измерения и регулирования количества реагента в газовой смеси; на фиг.2 — вариант выполнения газовых каналов; на фиг.3 газовые каналы, вид сверху; на фиг.

4 — вариант выполнения ячеек с чувствительными элементами.

Устройс„тво состоит иэ эталонного

1 и измерительного 2 газовых каналов, чувствительных элементов 3, измерителя 4 концентрации, преобразователя

5 напряжение — ток, датчика 6 расхода газоносителя, усилителя 7, блока

8 умножения, блока 9 сравнения, регулируемого клапана 10 и радиатора ll причем в каждом из газовых каналов 1 и 2 установлены проточно-диффузионные ячейки 12 с чувствительными элементами 3 и закрепленным на них радиатором

11, чувствительные элементы З.подключены к входу измерителя 4 концентрации и к выходу преобразователя 5, в эталонном газовом канале 1 установлены также датчик 6 расхода и регулируемый клапан 10, подключенный управляющим входом через усилитель 9 сравнения к выходу блока 8 умножения, первый вход которого соединен с выходом измерителя 4 концентрации и с входом преобразователя 5, а второй вход через усилитель 7 соединен с выходом датчика 6 расхода. Эталонный 1 и измерительный 2 газовые каналы подключены к испарителю 13.

Датчик 6 расхода, реализующий калориметрический способ измерения, состоит из чувствительного элемента

14, представляющего собой тонкую никелевую трубочку, на которую намотаны два проволочных терморезистора 15 и расположенный между ними нагреватель из нихрома. Поступающий в эталонный канал 1 газ-носитель разделяется в нем на два потока, один из которых идет через чувствительный элемент 14 датчика 6 расхода, а другой — через байпас 16, представляющий собой набор трубок. Коэффициент деления газового потока определя5

45 ется отношением динамических сопротивлений трубки чувствительното элемента 14 и байпаса 16 и зависит от числа трубок байпаса 16, С целью обеспечения точностных характеристик датчика 6 расхода коэффициент деления газового потока должен быть постоянным в широком диапазоне расходов газа-носителя, а характер течения потока в трубке чувствительного элемента 14 и байпасе 16 должен быть ламинарным.

Чувствительные элементы 3, представляющие собой плоские металлофольговые терморезисторы, помещены в проточно-диффузионной ячейке 12, образованной двумя пластинами 17.

На внутренних сторонах обеих пластин

17 выполнены кольцевые каналы для прохождения газа, причем нижняя пластина имеет два отверстия длявхода и выхода газа (в каждом канале). Вследствие того, что расстояние между плоским чувствительным элементом 3 и пластиной !7 (т.е, стенкой проточно-диффузионной ячейки 12) значительно меньше толщины кольцевого канала, то их гидродинамические сопротивления не соизмеримы, а значит, практически весь поток газа, поступающий через входное отверстие, идет по кольцевому каналу, обеспечивая отсутствие вынужденной конвекции чувствительного элемента 3 ° Последнее обстоятельство обеспечивается также тем, ! что. размеры плоского терморезистора чувствительного элемента 3 меньше внутреннего радиуса кольцевого канала. Таким образом, теплообмен от чувствительных элементов 3 обеспечивается только посредством теплопроводимости окружающей среды, а малый объем и конструкция проточнодиффузионных ячеек 12 позволяет получить высокую чувствительность и быстродействие. устройства, Наличие радиатора ll закрепленного на верхней пластине 17, обеспе- чивает строгое равенство температур стенок обеих проточно-диффузионных ячеек 12, а значит, и условий теплообмена чувствительных элементов 3 (тем более, что конструкция ячеек 12 и терморезистора 3 позволяет располагать оба чувствительных элемента симметрично по отношению к стенкам проточно диффузионных ячеек 12). з 1332269 4

Все элемента устройства, контактирующие с газовой смесью, изготовлены из нержавеющей стали или фторопласта, что обеспечивает его высокую коррозионную стойкость и позволяет использовать для регулирования количество агрессивных реагентов.

Устройство работает следующим образом.

Газ-носитель поступает в устройство и в эталонном канале 1 разделяется на два потока, один из которых проходит через чувствительный элемент 14 датчика 6 расхода, а другой через байпас 16. Терморезисторы 15 датчика 6 расхода образуют два плеча мостовой схемы, два других плеча образованы постоянными резисторами.

При отсутствии расхода оба терморезистора 15 нагреты до одинаковой температуры, имеют одинаковое сопротивление, значит, мост сбалансирован и выходной сигнал его равен нулю. При наличии расхода газа-носителя первый 25 по ходу газа терморезистор 15 охлаждается, а второй нагревается, что приводит к появлению в мостовой схеме сигнала, пропорционального расходу газа-носителя Q н. Данный сигнал усиливается с помощью линеаризованного усилителя 7, на выходе которого устанавливается напряжение, прямо пропорциональное

2-í» Q2 н.

35 где К„ — коэффициент пропорциональности, зависящий от максимальной величины расхода газа-носителя Q и соот2- н ветствующей ему величины выходного напряжения LI2 „ усилителя 7.

Далее газ-носитель проходит между 45 седлом и запорным органом регулируемого клапана 1Î, который представляет собой исполнительный механизм дилатометрического типа. В качестве запорных органов таких механизмов используются шарики, жестко связанные с трубочкой, внутри которой находится резистивный нагреватель (не показан). При прохождении через нагреватель тока трубочка нагревается, удлиняется и приближает шарик к сферическому седлу, что приводит к изменению проходного сечения газового канала 1. Ток через нагреватель

Л см

1 где 1„, Я2

Х»ЭХ2

Л,В

Ь, 2

+ (1)

Х» Х»

+ А-.— 1 + В-1 Х2 — теплопроводность компонентов смеси; доли компонентов смеси, пр»»чем X„= I X2, коэффициенты, завйсящие от геометрических размеров и массы молекул компонентов смеси, рассчитываются по формуле

Мэзона. регулируемого клапана 10 управляется с помощью блока 9 сравнения.

После прохождения клапана 10 газовый поток поступает в испаритель

13 с реагентом (входит в состав технологического обрудования), а часть его заполняет проточно-диффузионную ячейку 12 с чувствительным элементом

3, являющимся преобразователем теплопроводности газа-носителя. В испарителе 13 проходит насыщение газа-носителя парами реагента и полученная газовая смесь поступает в измерительнь»»» канал 2, где заполняет вторую проточно-диффузионную ячейку 12 с вторым чувствительным элементом 3, являющимся первичным преобразователем теплопроводности газовой смеси (газ-носитель и реагент). В качестве первичных преобразователей теплопроводпости использованы пленочные терморезисторы, включенные в два смежных плеча мостовой схемы и нагреваемые электрическим током. Конструкция проточно-диффузионных ячеек 12 обеспечивает отсутствие влияния естественной и вынужденной конвекции на теплообмен чувствительных элементов 3 с окружающей средой, поэтому оба чувствительных элемента

3 реагируют только на изменение теплопроводности среды. Поскольку газ-носитель и смесь (газ-носитель и реагент) имеют различную теплопроводность, причем теплопроводность смеси зависит от концентрации в ней реагента, то и величина сопротивлений терморезисторных чувствительных элементов 3 зависит от присутствия реагента в смеси, однако зависимость эта является существенно нелинейной, Согласно формуле Васильевой теплопроводность бинарной смеси зависит следующим образом от концентрации ее компонентов:

13322 где К„, — коэффициент преобразования (усиления) измерителя 4 концентрации;

К»» - конструктивный коэффициент зависящий от геометрических размеров чувствительного элемента 3 и ячейки

12, рассчитывается из закона Фурье для теплообмена посредством теплопроводности; ! - ток через чувствительные элементы 3;

R,R, - сопротивление чувствительных элементов 3 в нормальных условиях (т.е. среди чистого газа-носителя) и о при 0 С соответственно;

»1Л=Л.„-Л „- различие между геплопро водностью газа-носителя и ,смеси.

При выводе формулы (2) предпола— галось, что измерительный мост с чувствительными элементами 3 запитан от источника постояиного тока (этот режим используется наиболее часто в кондуктометрических газоанализаторах, при других режимах работы чувствительных элементов 3 выражение для напря- жения 0 аналогично), а также то, 35 что сопротивления обоих чувствительных элементов 3 одинаковы (пленочные терморезисторы, изготавливаемые за один технологический цикл, имеют разброс номиналов не хуже 0,2%, наличие радиатора 11 обеспечивает также необходимую тепловую симметричность обоих терморезисторов). Оба допущения являются достаточно общими

45 и легко выполняются на практике.

Учитывая, что мольное отношение реагента к газу-носителю X можно выразить через относительные доли компонентов смеси Х,,Х в виде

Q p X

X = — — =—

Q „X

Л, „ — — -- — = Лг1+В.Х

Как видно, зависимость (3) носит явно нелинейный характер, причем погрешность нелинейности увеличивается с ростом Х и может быть больше 10%.

С выхода измерителя 4 напряжение

20 поступает на вход преобразователя 5, имеющего коэффициент преобразования К„, и далее на мостовую схему с чувствительными элементами 3, т.е ° на вход измерителя 4. Тем самым преобразователь 5 осуществляет замыкание цепи положительной обратной связи измерителя 4 концентрации, а напряжение U изменяется таким образом, 30

Кг

u„„, = -x„ (5) где Q - расход реагента;

Х Х вЂ” доли реагента и газа-носите1 2 55 ля смеси соответственно, а также то, что в выражении.для форMym. (1) лг = лг-H л = ЛР— теплопроводность реагента), P

При этом на выходе измерителя 4 концентрации устанавливается напряжение

U„= К„,. К,l(R„- R,)лЛ, (2) 9 6 после подстановки (1) в (2) получают следующую зависимость выходного напряжения измерителя 4 концентрации от мольного отношения Х:

Кг Х .А (3) д 2 К „K. l(R„RÎ)3P.

При выводе (3) было учтено, что коэффициенты А и В реально меньше 1 (порядка 0,2), а потому произведение В „сс1 и

U< К» Х

«) — (4)

К„, U„(1 - К„К )Х.Д

Подбирая K, ax то K»»т получают линейную зависимость напряжения U „„ на выходе измерителя 4 концентрации, охваченного положительной обратной связью через преобразователь 5, от мольного отношения реагента к газу-носителю Х, а именно причем погрешности нелинейности выражения (5) не превышает 1,5%.

Сигналы U > „ U „, с выходов усилителей 7 и измерителя 4 концентрации соответственно поступают на вход блока 8 умножения, на выходе которого устанавливается напряжение, равное

Up = U1H 0от»» Kz = К» Kz Kg р» где К вЂ” коэффициент перемножения блока 8.

Согласно линейной зависимости напряжений U н и U „, от расхода газаносителя 0, и мольного отношения

X - =-- - соответственно, напряжение

™ 2-н

1332269 на выходе блока 8 умножения прямо пропорционально расходу реагента () .г а значит, является мерой выходной величины устройства.

С выхода блока 8 умножения аналоговый сигнал поступает ыа блок 9 сравнения, где сравнивается с напряжением задания расхода реагента, поступающим извне. Сигнал рассогласования, пропорциональный разнице между заданным и действительным расходом реагента, управляет током через нагреватель регулируюшего клапана 10 дилатометрического типа. Шарик клапана 10 регулирует расход газа-носителя до тех пор, пока разница между напряжением задания и сигналом блока

8 умножения не станет равной нулю.

Таким образом, устройство обеспечивает расход реагента Q, равный заданному и инвариантный к изменению в испарителе. Благодаря использованию в устройстве средств, обеспечивающих линейную зависимость напряжений U U от измеряемых параметров потока, снижается погрешность регулирования целевого продукта, и расхода парогазовой смеси.

Формула изобретения

1. Устройство,цля измерения и регулирования количества реагента в газовой смеси, содержащее эталонный и измерительный газовые каналы, в каждом из которых установлены проточно-диффузионные ячейки с чувствительными элементами, подключенными к измерителю концентрации реагента в газовой смеси, датчик расхода, со-. единенный через усилитель с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом измерителя концентрации, а выход подключен к входу блока сравнения, выход которого соединен с регулирующим клапаном, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит преобразователь напряжение — ток, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом измерителя концентрации °

2. Устройство по п.1 о т л и ч аю щ е е с я тем, что проточно-диффузионные ячейки снабжены закрепленным на них радиатором.

25 3 е Устроиство по ппв 1 и 2у О T личающееся тем,чточувствительный элемент выполнен в виде плоского металлофольгового терморезистопа, расположенного между двумя пластинами с выполненными на их внутренних сторонах кольцевыми каналами для прохода газа, причем в нижней пластине выполнены два отверстия для входа и выхода газа, а радиатор закреплен на одной из пластин.

1332269

5 17

Оло юс

Составитель А.Гостик

Редактор И.Николайчук Техред И.Попович Корректор В. Гирняк

Заказ 3830/42

Тираж 863 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )l(-35, Раушская наб., д,4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4