Устройство для измерения и регулирования количества реагента в газовой смеси

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 80133226 05 П 7/00 СУДАРСТВЕННЫЙ НО О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕН ТЕТ СССРИ ОТКРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ИДЕТЕЛЬСТ АВТОРСКОМ 24 рительный 2 -диффузионн азовые каналы,проточячейки 12 с чувствитами 3, измеритель ре та в газовой тельными элеме концентрации 4 аген уееренних сторонах кол вну лам евыми кана- Причем отверстияа радиатор пластин. для прохождя пластина ния га ет дв вх а газа,й из этих вых длз еплен на одп. ф-лы, 4 йода людные сигюли у(56) Авторское свидетельство СССР У 1012210, кл, 6 05 О 7/01, 1981,Авторское свидетельство СССР В 1089460, кл. С 05 О 7/00, 1982, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ КОЛИЧЕСТВА РЕАГЕНТА В ГАЗОВОЙ СМЕСИ(57) Изобретение относится к подготовке и анализу газов .и может бытьиспользовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами преимущественно при производстве изделий электронной техники. Цель изобретения - повьппение точности устройства. Устройство для измерения и регулирования реагента в газовой смеси содержит эталонный 1 и изсмеси, датчик расхода 6, регулирмый клапан 10, усилитель 7, блокумножения 8, блок сравнения 9, соединенный выходом и входом соответ-.ственно с входом и выходом измеритля концентрации, преобразовательнапряжение - код 5. Причем проточнодиффузионные ячейки 12 снабжены закрепленным радиатором 11, а чувствительные элементы 3 выполнены в видеплоских металлофольговых терморезисторов, расположенных между двумяпластинами с выполненными на ихИзобретение относится к подготовке и анализу газов и может бытьиспользовано в автоматизированныхсистемах управления технологическимипроцессами преимущественно при производстве изделий электронной техники.Целью изобретения является повышение точности устройства,На фиг,1 представлена блок-схемаустройства для измерения и регулирования количества реагента в газовой смеси; на фиг.2 - вариант выполнения газовых каналов; на фиг.Згазовые каналы, вид сверху; на фиг.4 - вариант выполнения ячеек с чувствительными элементами.Устройство состоит иэ эталонного1 и измерительного 2 газовых каналов,чувствительных элементов 3, измерителя 4 концентрации, преобразователя5 напряжение - ток, датчика 6 расходагазоносителя, усилителя 7, блока8 умножения, блока 9 сравнения, регулируемого клапана 10 и радиатора 11,причем в каждом из газовых каналов 1и 2 установлены проточно-диффузионныеячейки 12 с чувствительными элементами 3 и закрепленным на них радиатором11, чувствительные элементы З.подключены к входу измерителя 4 концентрации и к выходу преобразователя 5, вэталонном газовом канале 1 установлены также датчик 6 расхода и регулируемый клапан 10, подключенныйуправляющим входом через усилитель 9сравнения к выходу блока 8 умножения, первый вход которого соединенс выходом измерителя 4 концентрациии с входом преобразователя 5, а второй вход через усилитель 7 соединенс выходом датчика 6 расхода. Эталонный 1 и измерительный 2 газовые каналы подключены к испарителю 13.Датчик 6 расхода, реализующийкалориметрический способ измерения,состоит из чувствительного элемента14, представляющего собой тонкуюникелевую трубочку, на которую намотаны два проволочных терморезистора 15 и расположенный между ниминагреватель из нихрома. Поступающийв эталонный канал 1 газ-носительразделяется 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 определя 5 10ЦО цц 15 20 25 30 Зц 40 4 ц ется отношением динамических сопротивлений трубки чувствительного 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 4 и байпасе 16 должен бытьламинарным.Чувствительные элементы 3, представляющие собой плоские металлофольговые терморезисторы, помещены впроточно-диффузионной ячейке 12,образованной двумя пластинами 17.На внутренних сторонах обеих пластин17 выполнены кольцевые каналы дляпрохождения газа, причем нижняяпластина имеет два отверстия для.входа и выхода газа (в каждом канале). Вследствие того, что расстояниемежду плоским чувствительным элементом 3 и пластиной 7 (т.е, стенкойпроточно-диффузионной ячейки 2) значительно меньше толщины кольцевогоканала, то их гидродинамические сопротивления не соизмеримы, а значит,практически весь поток газа, поступающий через входное отверстие, идет покольцевому каналу, обеспечивая отсутствие вынужденной конвекции чувствительного элемента 3Последнее обстоятельство обеспечивается также тем,что. размеры плоского терморезисторачувствительного элемента 3 меньшевнутреннего радиуса кольцевого канала, Таким образом, теплообмен отчувствительных элементов 3 обеспечивается только посредством теплопроводимости окружающей среды, амалый объем и конструкция проточнодиффузионных ячеек 12 позволяет получить высокую чувствительность ибыстродействие. устройства,Наличие радиатора 11, закрепленного на верхней пластине 17, обеспе- чивает строгое равенство температур стенок обеих проточно-диФфузионных ячеек 12, а значит, и условий тепло- обмена чувствительных элементов 3 (тем более, что конструкция ячеек 12 и терморезистора 3 позволяет располагать оба чувствительных элемента симметрично по отношению к стенкампроточно-диФФузионных ячеек 12), 3 1332269 4Все 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.1 ОГаз-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 Я я. Данный сигнал усиливается с помощью линеаризованного усилителя 7, на выходе которого устанавливается напряжение, прямо пропорциональное 02. 1 2- = К чг-н. 35 где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от максимальной величины расхода газа-носителя О и соот 2- Нветствующей ему величины выходного напряжения 02усилителя 7,40 Далее газ-носитель проходит между 45 седлом и запорным органом регулируемого клапана 1 О, 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+ А-. - 1 + В Хг- теплопроводность компо см1 где нентов смеси;доли компонентов смеси,ичем Х=- Х 21 коэффициенты, завйсящие от геометрических размеров и массы молекул компонентов смеси, рас. считываются по формуле Мэзона. Х,тХ Л,В регулируемого клапана 10 управляется с помощью блока 9 сравнения.После прохождения клапана 1 О 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 измерительный 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:(усиления) измерителя 4концентрации;К- конструктивный коэффициентзависящий от геометрических размеров чувствительного элемента 3 и ячейки12, рассчитывается из закона Фурье для теплообменапосредством теплопроводности;1 - ток через чувствительныеэлементы 3;ЙЙ - сопротивление чувствительных элементов 3 в нормальных условиях (т,е. средичистого газа-носителя) иопри 0 С соответственно; дЛ=Лсм Лг - различие между теплопр Оводностью газа-носителя и,смеси.При выводе формулы (2) предполагалось, 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 О 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 Е, наличие радиатора 11 обеспечивает также необходимую тепловую симметричность обоих терморезисторов). Оба допущения являются достаточно общими45 и легко выполняются на практике.Учитывая, что мольное отношение реагента к газу-носителю Х можно выразить через относительные доли компонентов смеси ХХ в видеХХ= -- =- 0 г. "г--- = 1 г-н1+В Х)5Как видно, зависимость (3) носитявно нелинейный характер, причем погрешность нелинейности увеличиваетсяс ростом Х и может быть больше 103.С выхода измерителя 4 напряжение 20О поступает на вход преобразователя 5, имеющего коэффициент преобразования К , и далее на мостовую схемус чувствительными элементами 3, т.ена вход измерителя 4. Тем самым преобразователь 5 осуществляет замыкание цепи положительной обратной связиизмерителя 4 концентрации, а напряжение О изменяется таким образом, 30 КгО= Х,где 0 р - расход реагента;Х Х - доли реагента и газа-носитег э55ля смеси соответственно,атакже то, что в выражении.для фор.мулы (1) Лг = ЛгЛ, = Л где- теплопроводность реагента),Р При этом на выходе измерителя 4 концентрации устанавливается напряже- ние О: К, К,1(Й- Й,)дЛ, (2) 9 6после подстановки (1) в (2) получают следующую зависимость выходного напряжения измерителя 4 концентрации от мольного отношения Х;Х+А(1 - К,К,)Х+ .Подбирая К пг так, что К К = 1, получают линейную зависимость напряжения Она выходе измерителя 4 концентрации, охваченного положительной обратной связью через преобразователь 5, от мольного отношения реагента к газу-носителю Х, а имен- но причем погрешности нелинейности выражения (5) не превышает 1,57.Сигналы О,и О о,н с выходов усилителей 7 и измерителя 4 концентрации соответственно поступают на вход блока 8 умножения, на выходе которого устанавливается напряжение, равное Ор Огн Оотн К К Кг К р г где К - коэффициент перемноженияблока 8.Согласно линейной зависимости напряжений О г н и О , от расхода газа- носителя 0 , и мольного отношения Х = - соответственно, напряжениеО.,ег-нна выходе блока 8 умножения прямо пропорционально расходу реагента 0. рФ 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, поступающимизвне. 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 , равный заданному и инвариантный к изменению в испарителе. Благодаря использованию в устройстве средств, обеспечивающих линейную зависимость напряжений О , О от измеряемых параметров потока, снижается погрешность регулирования целевого продукта, и расхода парогазовой смеси.Формула изобретения1, 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 подключенк 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 ПОВЬШЗЕНИЯ ТОЧНОСТИ УСТ- ройства, оно содержит преобразователь напряжение - ток, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом измерителя концентрации е2. 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.3. Устроиство по пп.1 и 2, О т л и ч а ю щ е е с я тем, что чувствительный элемент выполнен в виде плоского металлофольгового терморезистора, 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 си аллел Составитель А.Гостик едактор И.Николайчук Техред И.11 опович Корректор В. Гирняк8 Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4 Заказ 3830/42 ТирВНИИПИ Госпо делам113035, Моск арственногозобретений и11( - 35, Рауш Подписноеомитета СССРоткрытийкая наб., д,4/5