Химический анализатор газовых сред

Изобретение относится к области химической аналитики и может быть использовано для определения наличия стороннего компонента в газовой среде и его концентрации. Устройство для идентификации стороннего компонента произвольной газовой смеси и определения величины парциального давления указанного стороннего компонента газовой смеси состоит из двух объемов, образующих измерительные объемы и, соответственно, задающих условия измерения, замкнутых газовой магистралью через компрессор на одной паре штуцеров соответствующих объемов с одной стороны и через управляемый электронный клапан на другой паре штуцеров с другой стороны, на входе и выходе объемов установлены такие же управляемые электронные клапаны, в каждый объем помещены датчики, прецизионно определяющие парциальные давления по крайней мере одного из компонентов газовой смеси P_i и P_i+1…g, где i и i+1 … представляют собой компоненты исходной газовой среды, причем устройство выполнено с возможностью достижения множества устойчивых состояний, характеризующихся общим давлением в каждом из объемов, соответственно, P₁ и P₂, отличающихся на ΔP, которые регистрируются датчиками общего давления в каждом из объемов, при этом микропроцессор обеспечивает реализацию математически строгого алгоритма физической модели качественного и количественного определения стороннего компонента газовой смеси. Изобретение позволяет определить наличие стороннего компонента в газовой среде и его концентрацию независимо от внешних факторов, например метеоусловий и общего давления в газовой среде.

 

Химический анализатор газовой среды предназначен для определения изменений состава газовой среды, определения концентрации единственного стороннего компонента газовой смеси, его идентификации и может быть использован в рамках обеспечения жизнедеятельности человека в летательных аппаратах и подводных объектах, в шахтах и среде обитания в соответствии с целями и задачами гражданской обороны, в составе анестезиологического пособия в магистралях подготовки дыхательной смеси для точного определения концентрации анестетика.

Изобретение может быть использовано для предотвращения и предупреждения об изменении состава воздушной среды, например задымленности или утечках газа, о содержании отравляющих веществ, в рамках гражданской обороны, на различных объектах среды обитания человека, также в системах ИВЛ в составе анестезиологического пособия для точного определения концентрации анестетика. Кроме того, помимо, соответствующей идентификации газообразных соединений с известными физико-химическими характеристиками, при проведении дополнительных калибровочных процедур, возможно химически точное и направленное определение концентрации химического соединения, не достаточно полно исследованного в рамках существующих научных представлений.

Аналогами рассматриваемому изобретению «Химический анализатор газовых сред» могут быть устройства, базирующиеся на оптических эффектах поглощения светового излучения в различных областях спектра. Основными их недостатками являются низкая селективность, сложность и дороговизна.

Предлагаемое устройство и способ позволяют идентифицировать любой сторонний (относительно исходной газовой смеси) газ, который не разрушает конструкцию и составляющие ее элементы и не вступает в химическое взаимодействие, в том числе с химическими газообразными веществами, входящими в состав газовой смеси; причем собственно процесс измерения, то есть определение величины парциального давления какого-либо g-го компонента или логарифма этой величины (действующей концентрации), в рамках используемых приближений, может происходить в широком диапазоне P_extrinsic газовой среды.

Устройство для идентификации стороннего компонента произвольной газовой смеси и определение величины парциального давления указанного стороннего компонента газовой смеси состоит из двух объемов, образующих измерительные объемы и, соответственно, задающие условия измерения, замкнутых газовой магистралью через компрессор на одной паре штуцеров соответствующих объемов с одной стороны и через управляемый электронный клапан на другой паре штуцеров с другой стороны, на входе и выходе объемов установлены такие же управляемые электронные клапаны, в каждый объем помещены датчики, прецизионно определяющие парциальные давления паров компонентов газовой смеси P_i и P_i+1…g, где i и i+1…g представляют собой компоненты исходной газовой среды, причем устройство выполнено с возможностью достижения в рабочем состоянии общего давления в каждом из объемов, соответственно, P₁ и Р₂, отличающихся на ΔP, и при достижении P₁=const и Р₂=const обеспечивается множество устойчивых состояний, которые регистрируются датчиками общего давления, в каждом из объемов.

Изобретение основано на следующих принципах.

Если Р общее давление газовой смеси и парциальные давления компонентов газовой смеси P_i, где P=ΣP_i по всем i=1, 2……I; связаны как:

P₁ и Р₂; ΔP и Р при температуре T=const и V₁=V₂=V задают термодинамические условия не прямого измерения парциальных давлений P_g, g-го компонента газовой смеси с использованием соответствующих датчиков, настроенных селективно, например на i-й и i+1-й компоненты, заданных стандартными и одновременно исходными параметрами газовой смеси (P_g=0) P₀, P₀i и P_0i+1 и в режиме измерения прибора, измеряющих, соответственно Pi и P_i+1, где Р_(1,2) общее давление, соответственно, в объемах V1 и V2, то есть P₁ или Р₂; P_0i=Pi+ΔPi; Другими словами численные значения Р, Pi, P_i+1P₀, P_0i, P_0i+1, ΔPi, присваиваются в процессе реализации характеристик селективной идентификации соответствующих компонентов газовой смеси, соответственно, например, датчиками парциальных давлений воды и кислорода, и в процессе осуществления необходимых расчетных процедур на базе штатного микропроцессора и считаются известными.

В предлагаемом устройстве «Химический анализатор газовых сред», помимо, собственно, нормирования условий измерения, задания начальных условий и условий измерения, стандартных параметров, обеспечивается условие постоянства полезной работы совершаемой системой, независимость свершенной полезной работы в системе от состава газа, в рамках обеспеченных в устройстве допущений:

Кроме того известно, что:

где

G=H-TS

G - изобарно-изотермический потенциал

U - внутренняя энергия в системе

Н - энтальпия

S - энтропия

Также

где

F=U-TS

F - изохорно-изотермический потенциал

µ - химический потенциал

Поэтому

Или

µg - химический потенциал какого-либо химического соединения или элемента, не входящего в состав стандартной газовой смеси.

Δµ^ΔP(1,2) _i - разность химических потенциалов i-го элемента, входящего в состав стандартной газовой смеси, и соответственно характеризующая i-й элемент, находящийся при давлениях P₁ и Р₂, в соответствующих объемах прибора V₁=V₂=V (причем ^ΔP(1,2) является индексом, показывающим условия возникновения соответствующей разности, Δµ, то есть Δµ^ΔP(1,2)=Δµ^ΔP(0,2)=Δµ^ΔP(1,0)).

Также

Численные значения всех измеряемых параметров с индексами _{i, i+1} и, соответственно, _0i, _{0 i+1} считаем известными величинами, так как использование датчиков, таких как электронные датчики парциальных давлений воды и кислорода, обеспечивает взаимно-однозначное соответствие между выходным электронным сигналом датчика и значением соответствующего парциального давления, причем индексы _{0i, 0 i+1} соответствуют эталонным значениям параметров компонентов газовой смеси в стандартных условиях, то есть Pg=0, P₁=P₀-ΔP; P₂=P₀+ΔP, так как известно, что

также

Известно

Числовое значение Δµg^ΔP(0,1,2… можно получить при помощи [10], так как

так как V₁=V₂=V=const.

по всем i, при Р=Р₀=P_extr, и справедливо при P_g=0

так как

причем

где δA′′ определяется экспериментально с использованием хорошо известного химически чистого газообразного вещества, так как отражает потери энергии в системе, в процессе достижения одного из устойчивых состояний, характеризуемых, соответственно, Р₁, Р₂, T=T₁=T₂, обуславливаемого работой микрокомпрессора, соответствующими требованиями по поддержанию заданной точности параметров состояния и параметров, подлежащих измерению;

где δA′ представляет собой полезную работу, совершаемую в системе при изобарно-изотермическом процессе;

где δA определяется и задается как постоянная стандартная величина при нормальной температуре и нормальном давлении, и в дальнейшем во всех измерительных и вычислительных процедурах считается постоянной величиной G=F(T, P_extr, ΔP_k ^(1,2))=Const и может относиться к постоянной измерительного прибора.

Газовая смесь должна состоять из газообразных химических элементов и соединений, не вступающих в химическое взаимодействие между собой и элементным составом измерительного устройства, кроме того, газовая смесь, находящаяся в объемах V1 и V2 соответственно при P₁ и Р₂; ΔP и Р₀ при T=const и V₁=V₂, совершаемой работе δA′=Σ(δG/δn_i)т,…; подвергается одному из приближений физики - приближениям законов идеальных газов, то есть ΔU=0, ΔHp=0.

Если измерительный прибор калибруется на стандартную (газовую смесь) воздушную смесь, причем P_g=0, то в соответствии с [4], [6] и [17], можно определить Δ^Δµ_0i ^ΔP(0,1,2…, следовательно, вычисляя Δ^Δµ_0i ^ΔP(0,2) или Δ^Δµ_0i ^ΔP(1,0) и подставляя в [10] вместо Δ^Δµ_0i ^ΔP(1,2), получим µ_g1=Δµg^ΔP(1,0) и µ_g2=Δµg^ΔP(0,2), µ_g0=Δµg^{ΔP(0,P0 extr)}, то есть значения химических потенциалов g-го компонента, при общем давлении, соответственно, P₁ и Р₂, P₀ ^extr (причем давление газа P₁ и Р₂, соответственно, давление в объемах V₁ и V₂, a P₀ ^extr окружающее общее атмосферное давление газа). Кроме того, давления P₁ и Р₂, P₀ ^extr, одно из значений должно соответствовать стандартным, нормальным условиям, то есть давлению Р₀ и температуре Т₀.

Устройство работает следующим образом: в рабочем состоянии общее давление в каждом из объемов, соответственно, P₁ и Р₂ отличаются на ΔP, причем конфигурация и элементный состав измерительного устройства обеспечивают множество устойчивых состояний, характеризующихся, соответственно, P_extrinsic, P₁=const Р₂=const; в широком диапазоне P₁₍₂₎ и ΔP, что регистрируют датчики общего давления, в каждом из объемов. При поступлении исследуемого газа на вход устройства в объемах V1 и V2 достигается, соответственно, Р1, Р2, Р3, Р4, ΔP, в рамках работы микропроцессора поэтапно присваиваются значения P_1i, P_2i, и P_3i, P_4i, ΔPi, соответствующие показаниям датчиков парциальных давлений i-х компонентов газовой смеси и согласно

задается 2Δµ^ΔP(1,2)=Δµ^ΔP(3,4), тогда Δ^Δµ_0i ^ΔP(3,4)/Δ^Δµ_0i ^ΔP(1,2)=2, а Δ^Δµ_i ^ΔP(3,4)/Δ^Δµ_i ^ΔP(1,2)=const и Δµg^ΔP(3,4)/Δµg^ΔP(1,2)=const зависят от природы g-го компонента, что позволяет идентифицировать компонент, определить µ_0g и вычислить Pg и In Pg. Очевидно, что изменение разницы в показаниях соответствующих датчиков позволяет сделать выводы об изменении состава воздушной среды, например задымленности или утечках газа, а также в системах ИВЛ в составе анестезиологического пособия для точного определения концентрации анестетика.

Осуществление изобретения связано с изготовлением устройства, состоящего из двух одинаковых металлических (пластиковых) объемов, образующих измерительные объемы и, соответственно, задающие условия измерения, замкнутых газовой магистралью через компрессор на одной паре штуцеров соответствующих объемов с одной стороны и через управляемый электронный клапан на другой паре штуцеров с другой стороны, на входе и выходе объемов установлены такие же управляемые электронные клапаны, в каждый объем помещены датчики, прецизионно определяющие парциальные давления паров компонентов газовой смеси P_i и P_i+1…g, в корпус помещен микропроцессор, определяющий порядок действий и расчетных процедур. Так, при подаче газовой смеси на вход устройства процессор задает режим работы компрессора и проходные сечения управляемых электронных клапанов, тем самым задаются давления Р₁, Р₂ и поэтапно Р₃, Р₄, затем проводятся необходимые расчетные процедуры и вычисляются Δ^Δµ_i ^ΔP(3,4)/Δ^Δµ_i ^ΔP(1,2)=const и Δµg^ΔP(3,4)/Δµg^ΔP(1,2)=const, и идентифицируется g-компонент, затем определяются Pg и In Pg.

Устройство для идентификации стороннего компонента произвольной газовой смеси и определения величины парциального давления указанного стороннего компонента газовой смеси, состоящее из двух объемов, образующих измерительные объемы и, соответственно, задающих условия измерения, замкнутых газовой магистралью через компрессор на одной паре штуцеров соответствующих объемов с одной стороны и через управляемый электронный клапан на другой паре штуцеров с другой стороны, на входе и выходе объемов установлены такие же управляемые электронные клапаны, в каждый объем помещены датчики, прецизионно определяющие парциальные давления по крайней мере одного из компонентов газовой смеси P_i и P_i+1…g, где i и i+1… представляют собой компоненты исходной газовой среды, причем устройство выполнено с возможностью достижения множества устойчивых состояний, характеризующихся общим давлением в каждом из объемов, соответственно, P₁ и Р₂, отличающихся на ΔP, которые регистрируются датчиками общего давления в каждом из объемов.