Способ анализа состава газовых смесей (варианты) и газоанализатор для его реализации

Изобретение относится к технике анализа состава газовых смесей и может быть использовано для определения количественного содержания различных газов в многокомпонентных газовых смесях. Технический результат изобретения: упрощение и уменьшение трудоемкости анализа состава газовых смесей, а также повышение достоверности анализа. Сущность: отбираемые на анализ газовые смеси пропускают через измерительные ячейки, при использовании в каждой различной измерительной ячейке измерительного неселективного датчика различного физического принципа действия, имеющего линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов. У каждого датчика устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям. Количество датчиков, по крайней мере, не меньше количества компонентов газовой смеси, а значения концентраций компонентов газовых смесей определяют на основе заранее известных качественных составов газовых смесей по измеренным величинам электрических сигналов измерительных датчиков и определенных по градуировочным функциям чувствительностям измерительных датчиков относительно каждого конкретного компонента газовой смеси как результат решения системы линейных уравнений, связывающих значения электрических сигналов, чувствительностей датчиков относительно конкретного компонента газовой смеси и концентраций, причем перед пропусканием газовых смесей в измерительные ячейки осуществляют их гомогенизацию. Также предложен способ анализа газовой смеси, содержащей воздух и один дополнительный компонент, и устройство для осуществления способа. 3 н.п.ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технике анализа состава газовых смесей и может быть использовано для определения количественного содержания различных газов в многокомпонентных газовых смесях различного известного состава, а также качественного состава и количественного содержания газов в смесях, состоящих из воздуха и одного дополнительного компонента.

Известен способ анализа состава газовых смесей, который может быть использован и для смесей, состоящих из воздуха и одного дополнительного компонента, заключающийся в том, что отбираемую на анализ многокомпонентную газовую смесь пропускают через измерительные ячейки, измеряют при помощи установленного в каждой измерительной ячейке измерительного датчика значения электрические сигналы, определяют по совокупности измеренных электрических сигналов с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, качественный состав и значения концентраций компонентов газовой смеси (см. заявка GB №2288873, МПК 7 G 01 N 27/417, 1995). К недостаткам известного способа можно отнести его трудоемкость и сложность, обусловленные необходимостью использования для его реализации большого количества измерительных ячеек, а именно для каждого компонента газовой смеси, который может как присутствовать, так и отсутствовать в смеси, необходимо использование отдельной измерительной ячейки, а также недостаточную достоверность из-за возможной неоднородности отбираемой на анализ газовой смеси.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению в части способа является способ анализа состава газовых смесей, который может быть использован и для смесей, состоящих из воздуха и одного дополнительного компонента, заключающийся в том, что отбираемые на анализ газовые смеси пропускают через измерительные ячейки, измеряют при помощи установленного в каждой измерительной ячейке измерительного датчика значения электрических сигналов, определяют по совокупности измеренных электрических сигналов с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, качественный состав и значения концентраций компонентов газовой смеси (см. патент РФ №2171468, МПК 7 G 01 N 27/12, 2001). К недостаткам известного также способа можно отнести его трудоемкость и сложность, обусловленные необходимостью использования для его реализации большого количества измерительных ячеек, а именно для каждого компонента газовой смеси, который может как присутствовать, так и отсутствовать в смеси, необходимо использование отдельной измерительной ячейки, а также недостаточную достоверность из-за возможной неоднородности отбираемой на анализ газовой смеси.

Известен газоанализатор для анализа состава газовых смесей, включающий измерительные ячейки с установленным в каждой их них измерительным датчиком, электронный блок обработки измеренных электрических сигналов и определения информативных параметров газовых смесей (см. заявка GB №2288873, МПК⁷ G 01 N 27/417, 1995). К недостаткам известного газоанализатора можно отнести его сложность, обусловленную необходимостью использования большого количества измерительных ячеек, а именно для каждого компонента газовой смеси, который может как присутствовать, так и отсутствовать в смеси, необходимо использование отдельной измерительной ячейки, а также недостаточную достоверность из-за возможной неоднородности отбираемой на анализ газовой смеси.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению в части устройства является газоанализатор для анализа состава газовых смесей, включающий измерительные ячейки с установленными в каждой их них измерительным датчиком, электронный блок обработки измеренных электрических сигналов и определения информативных параметров газовых смесей (см. патент РФ №2171468, МПК⁷ G 01 N 27/12, 2001). К недостаткам известного газоанализатора можно отнести его сложность, обусловленную необходимостью использования большого количества измерительных ячеек, а именно для каждого компонента газовой смеси, который может как присутствовать, так и отсутствовать в смеси, необходимо использование отдельной измерительной ячейки, а также недостаточную достоверность из-за возможной неоднородности отбираемой на анализ газовой смеси.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи, состоящей как в части способа, так и устройства, в упрощении и уменьшении трудоемкости анализа состава газовых смесей, а также в повышении достоверности анализа.

Данная задача в части способа решается тем, что в способе анализа состава газовых смесей, заключающемся в том, что отбираемые на анализ газовые смеси пропускают через измерительные ячейки, измеряют при помощи установленного в каждой измерительной ячейке измерительного датчика значения электрических сигналов, определяют по совокупности измеренных электрических сигналов с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, значения концентраций компонентов газовой смеси, предложено, что осуществляют измерения электрических сигналов при использовании в каждой различной измерительной ячейке измерительного неселективного датчика различного физического принципа действия, имеющего линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов, у каждого из которых устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям, причем количество датчиков равно количеству компонентов газовой смеси, а значения концентраций компонентов газовых смесей определяют на основе заранее известных качественных составов газовых смесей по измеренным величинам электрических сигналов измерительных датчиков и определенных по градуировочным функциям чувствительностям измерительных датчиков относительно каждого конкретного компонента газовой смеси, как результат решения системы линейных уравнений, связывающих значения электрических сигналов, чувствительностей датчиков относительно конкретного компонента газовой смеси и концентраций, причем перед пропусканием газовых смесей в измерительные ячейки осуществляют их гомогенизацию.

Также данная задача при анализе состава газовых смесей решается тем, что в способе, заключающемся в том, что отбираемые на анализ газовые смеси состоящие, из воздуха и одного дополнительного компонента, пропускают через измерительные ячейки, измеряют при помощи установленного в каждой измерительной ячейке измерительного датчика значения электрических сигналов, определяют по совокупности измеренных электрических сигналов с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, качественный состав газовых смесей и значения концентраций компонентов газовой смеси, предложено, что осуществляют измерения электрических сигналов при помощи двух измерительных ячеек, в каждой из которых используют измерительный неселективный датчик различного физического принципа действия, имеющий линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов, у каждого из которых устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям, определяют величины отношений значений измеренных электрических сигналов и по величинам этих отношений с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, определяют качественный состав газовых смесей, а значения концентраций определяют на основе качественного состава газовой смеси по измеренным величинам электрических сигналов и определенным по градуировочным функциям значениям чувствительностей измерительных датчиков относительно конкретных компонентов газовых смесей, причем перед пропусканием газовых смесей в измерительные ячейки осуществляют их гомогенизацию.

В части устройства данная задача решается тем, что в газоанализаторе для реализации способа анализа состава газовых смесей, включающем измерительные ячейки с установленными в каждой их них измерительным датчиком, электронный блок обработки измеренных электрических сигналов и определения информативных параметров газовой смеси, предложено, что перед измерительными ячейками установлен гомогенизатор, а в каждой различной измерительной ячейке установлен измерительный неселективный датчик различного физического принципа действия, имеющий линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов, у каждого из которых устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям.

Осуществление измерения электрических сигналов (электрического тока, напряжения или электросопротивления) при использовании в каждой различной измерительной ячейке измерительного неселективного датчика различного физического принципа действия обусловлено тем, что чувствительность таких датчиков относительно каждого конкретного компонента газовой смеси также будет различной. То есть при одинаковых концентрациях определенного компонента газовой смеси на измерительных неселективных датчиках различного физического принципа действия величина измеренного электрического сигнала также будет различной, так как величина измеряемого, например, электрического напряжения при наличии трех датчиков и соответственно трех компонентов газовой смеси (без учета воздуха как газового компонента ввиду нейтральности датчиков по отношению к нему) определяется на каждом из них как:

U'=a'C₁+b'C₂+d'C₃

U''=a''C₁+b''C₂+d''C₃

U'''=a'''C₁+b'''C₂+d'''C₃,

где C₁, C₂, C₃ - концентрации соответственно первого, второго и третьего компонентов; U - величина измеренного датчиком электрического напряжения; a, b, d - значения чувствительностей датчика на соответственно первый, второй и третий компонент. Количество верхних штрихов у U, a, b, d соответствует принадлежности этих параметров к датчику с соответствующим условным номером. Например, d''' является чувствительностью датчика с условным №3 на третий компонент, a U'' - величиной напряжения, измеренного датчиком с условным №2.

Как видно, число линейных уравнений равно количеству газовых компонентов C₁, C₂, С₃, чем и обусловлена необходимость использования количества датчиков, по крайней мере, не меньшего количества компонентов, и на основе решения данной системы уравнений легко определяются значения концентраций каждого компонента. Значения чувствительностей каждого датчика на каждый конкретный компонент определяются предварительно и введены в виде градуировочных функций в память электронного блока обработки измеренных электрических сигналов и определения информативных параметров газовой смеси. Качественный состав газовой смеси известен заранее перед проведением анализа газовой смеси.

При этом для решения данной системы уравнений необходимо, чтобы только количество уравнений или измеренных электрических сигналов было, по крайней мере, не менее числа компонентов, а качественные комбинации этих компонентов могут быть любыми, но естественно для компонентов, которые введены в градуировочные функции. Это и является преимуществом предлагаемого способа, который позволяет при использовании, например, трех датчиков определять концентрации самых различных трех компонентов в самых различных комбинациях, главное только, чтобы их количество было не более трех.

Неселективными датчиками согласно общепринятой терминологии могут являться, например, термокаталитические, электрохимические без специальных селективных фильтров, полупроводниковый газовый сенсор, фотоионизационный детектор и т.п.

Использование измерительных датчиков, имеющих линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов, у каждого из которых устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям, обусловлено тем, что только на основании измерения электрических сигналов (электрического тока, напряжения или электросопротивления) при помощи датчиков с такими характеристиками можно получить достоверные и воспроизводимые результаты, а представленная выше система уравнений имеет решение. При этом при определении значений чувствительностей датчиков на конкретные компоненты достаточно произвести только одно измерение.

Осуществление гомогенизации газовой смеси перед пропусканием в измерительные ячейки, а также использование гомогенизатора само по себе является известным техническим решением, обеспечивающим повышение достоверности анализа, и введено в формулу изобретения лишь в качестве отличительного от прототипа признака.

При анализе состава газовых смесей, состоящих из воздуха и одного дополнительного компонента, осуществление измерения электрических сигналов при помощи двух измерительных ячеек, в каждой из которых используют измерительный неселективный датчик различного физического принципа действия, имеющего линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов, у каждого из которых устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям, возможность определения качественного состава газовых смесей по величинам отношений значений измеренных электрических сигналов обусловлена следующими соображениями.

Значения измеренных каждым датчиком электрических сигналов, например, напряжения определяется по следующим зависимостям

U'=a'C₁

U''=a''C₁

Отношение же значений напряжений на этих датчиках U'/U'' будет для определенного компонента газовой смеси постоянной величиной, равной величине отношения a'/a'' чувствительности одного датчика к чувствительности другого датчика относительно этого компонента, которая не зависит от его концентрации, что следует из представленных выше соотношений. Для каждого же различного компонента газовой смеси и величина отношения измеренных электрических напряжений также будет различной и независящей от концентрации. Учитывая представленные доводы, можно сделать вывод о том, что качественный состав газовой смеси, состоящей из воздуха и одного дополнительного компонента, однозначно определяется, конечно, с использованием предварительно полученных на смесях известного состава градуировочных функций по величине отношения измеренных напряжений датчиками различного физического принципа действия.

В случае использования неселективных датчиков одинакового физического принципа действия величина отношения напряжений вообще не будет являться каким-либо информативным параметром.

Значения же концентраций определяют на основе определенного, как показано выше, качественного состава газовой смеси по измеренным величинам электрических сигналов и определенным по градуировочным функциям значениям чувствительностей измерительных датчиков относительно конкретных компонентов газовых смесей, исходя из представленных выше зависимостей как

или

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого газоанализатора для анализа состава газовых смесей.

Газоанализатор включает гомогенизатор 1, измерительные ячейки 2 с установленными в каждой их них измерительным датчиком 3, причем каждой различной измерительной ячейке 2 установлен измерительный неселективный датчик 3 различного физического принципа действия, имеющий линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов, у каждого из которых устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям. Выходы измерительных датчиков соединены с электронным блоком 4 обработки измеренных напряжений и определения информативных параметров газовой смеси.

Электронный блок 4 обработки измеренных напряжений и определения информативных параметров газовой смеси представляет собой микропроцессорный блок, в память которого записаны градуировочные функции, полученные на газовых смесях известного состава, что является известным и широко используемым техническим решением в технике анализа состава многокомпонентных газовых смесей.

Предлагаемый способ анализа состава газовой смеси заранее известного состава с использованием предлагаемого газоанализатора осуществляется следующим образом.

Предварительно для каждого из измерительных датчиков 3 определяются градуировочные функции, то есть определяется значения их чувствительности относительно каждого конкретного компонента газовой смеси, который предположительно может присутствовать в газовой смеси. Эти градуировочные функции вносятся в память электронного блока 4 обработки измеренных электрических сигналов и определения информативных параметров газовой смеси.

Отбираемую на анализ многокомпонентную газовую смесь пропускают через гомогенизатор 1, а затем через измерительные ячейки 2 измеряют при помощи установленного в каждой измерительной ячейке 2 измерительного датчика 3 величину электрического сигнала на каждом датчике 3. Соответствующий сигнал от датчиков 3 в аналоговом или цифровом виде в зависимости от схемотехники датчика поступает в электронный блок 4 обработки измеренных электрических сигналов и определения информативных параметров газовой смеси, в котором на основе решения представленной выше системы линейных уравнений определяются значения концентраций компонентов. Значения чувствительностей каждого датчика относительно каждого конкретного компонента газовой смеси вводятся в эту систему уравнений из памяти электронного блока 4 обработки измеренных электрических сигналов и определения информативных параметров газовой смеси исходя из заранее известного качественного состава смеси.

При анализе состава газовых смесей, состоящих из воздуха и одного дополнительного компонента, также предварительно для каждого из измерительных датчиков 3 определяются градуировочные функции, то есть определяются значения их чувствительности относительно каждого конкретного компонента газовой смеси, который предположительно может присутствовать в газовой смеси. Предварительно определяются и градуировочные функции, связывающие величины отношений измеренных значений электрических сигналов в различных измерительных датчиках 3, и качественный состав смеси.

Отбираемую на анализ многокомпонентную газовую смесь пропускают через гомогенизатор 1, а затем через измерительные ячейки 2, измеряют при помощи установленного в каждой из двух измерительных ячеек 2 измерительного датчика 3 величину электрического сигнала на каждом датчике 3. Соответствующий сигнал от датчиков 3 в аналоговом или цифровом виде в зависимости от схемотехники датчика поступает в электронный блок 4 обработки измеренных электрических сигналов и определения информативных параметров газовой смеси, в котором по величинам отношений этих сигналов с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, определяется качественный состав газовой смеси. Значения концентраций компонентов газовой смеси определяют на основе определенного в блоке 4 качественного состава газовой смеси по измеренным величинам электрического напряжения измерительных датчиков 3 и чувствительности измерительных датчиков относительно каждого конкретного компонента газовой смеси. Эти значения концентраций вычисляются как величины отношений измеренного этим датчиком электрического напряжения к значениям чувствительности каждого датчика 3 относительно этого компонента.

Дополнительно можно отметить, что все указанные выше градуировочные функции как чувствительностей датчиков, так и отношений чувствительностей могут быть внесены в память электронного блока 4 обработки измеренных электрических сигналов и определения информативных параметров газовой смеси, и одно и то же устройство может реализовывать описанные выше способы, что свидетельствует о том, что предлагаемое техническое решение представляет собой единый изобретательский замысел.

Предлагаемое техническое решение позволяет достаточно просто с использованием небольшого количества измерительных датчиков произвести анализ газовых смесей, которые могут включать большое количество компонентов. Опытный образец, выполненный на основе предлагаемого технического решения, уже изготовлен и прошел пробные испытания, что подтверждает возможность реализации как предлагаемого способа, так и устройства с получением указанного выше технического результата.

1. Способ анализа состава газовых смесей, заключающийся в том, что отбираемые на анализ газовые смеси пропускают через измерительные ячейки, измеряют при помощи установленного в каждой измерительной ячейке измерительного датчика значения электрических сигналов, определяют по совокупности измеренных электрических сигналов с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, значения концентраций компонентов газовой смеси, отличающийся тем, что осуществляют измерения электрических сигналов при использовании в каждой различной измерительной ячейке измерительного неселективного датчика различного физического принципа действия, имеющего линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов, у каждого из которых устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям, причем количество датчиков, по крайней мере, не меньше количества компонентов газовой смеси, а значения концентраций компонентов газовых смесей определяют на основе заранее известных качественных составов газовых смесей по измеренным величинам электрических сигналов измерительных датчиков, и определенных по градуировочным функциям чувствительностям измерительных датчиков относительно каждого конкретного компонента газовой смеси, как результат решения системы линейных уравнений, связывающих значения электрических сигналов, чувствительностей датчиков относительно конкретного компонента газовой смеси и концентраций, причем перед пропусканием газовых смесей в измерительные ячейки осуществляют их гомогенизацию.

2. Способ анализа состава газовых смесей, заключающийся в том, что отбираемые на анализ газовые смеси, состоящие из воздуха и одного дополнительного компонента, пропускают через измерительные ячейки, измеряют при помощи установленного в каждой измерительной ячейке измерительного датчика значения электрических сигналов, определяют по совокупности измеренных электрических сигналов с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, качественный состав газовых смесей и значения концентраций компонентов газовой смеси, отличающийся тем, что осуществляют измерения электрических сигналов при помощи двух измерительных ячеек, в каждой из которых используют измерительный неселективный датчик различного физического принципа действия, имеющего линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов, у каждого из которых устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям, определяют величины отношений значений измеренных электрических сигналов и по величинам этих отношений с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, определяют качественный состав газовых смесей, а значения концентрации определяют на основе качественного состава газовой смеси по измеренным величинам электрических сигналов и определенным по градуировочным функциям значениям чувствительностей измерительных датчиков относительно конкретных компонентов газовых смесей, причем перед пропусканием газовых смесей в измерительные ячейки осуществляют их гомогенизацию.

3. Газоанализатор для реализации способа анализа состава газовых смесей, включающий измерительные ячейки, с установленными в каждой из них измерительным датчиком, электронный блок обработки измеренных электрических сигналов и определения информативных параметров газовой смеси, отличающийся тем, что перед измерительными ячейками установлен гомогенизатор, а в каждой различной измерительной ячейке установлен измерительный неселективный датчик различного физического принципа действия, имеющий линейную характеристику или нелинейную характеристику, линеаризуемую в области предполагаемого контроля величин электрических сигналов, у каждого из которых устранено влияние друг на друга по электрическим и пневматическим цепям.