Способ и автоматическая система калибровки газоанализаторов с применением эталонных газовых смесей
Владельцы патента RU 2610947:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газоаналитическим измерениям, и может быть использовано при решении задач мониторинга состояния и состава атмосферы. Способ автоматической калибровки газоанализаторов включает подачу стандартной поверочной газовой смеси (ПГС) на газоанализатор поочередно с пробами атмосферного воздуха и формирование еще одной поверочной смеси перед процессом измерения - опорной газовой смеси (ОГС), в качестве которой используют атмосферный воздух, и ее подачу на газоанализатор в дальнейшем в процессе измерения поочередно с пробами атмосферного воздуха в качестве поверочной газовой смеси (ПГС). При этом в процессе калибровки и измерения контроль и поддержание заданных значений давления и расхода опорной газовой смеси (ОГС), поверочной газовой смеси (ПГС) и проб атмосферного воздуха осуществляют непосредственно на входе газоанализаторов. Автоматическая система калибровки газоанализаторов содержит программно-управляемые двухпозиционные клапаны, установленные в воздушных магистралях для коммутации воздушных потоков. Также система содержит насосы, осуществляющие подачу в систему одного из источников воздушной смеси: пробы атмосферного воздуха и/или поверочной газовой смеси, а также баллоны с известным соотношением газовой смеси: поверочная газовая смесь (ПГС) и баллон для формирования опорной газовой смеси (ОГС). Система также содержит регуляторы давления, установленные в воздушные магистрали на выходах упомянутых источников газовой смеси, и регуляторы расхода, установленные на входах в газоанализаторы. При этом система дополнительно содержит стабилизаторы давления, установленные в воздушной магистрали перед упомянутыми регуляторами расхода для стабилизации давления и потока в измерительной кювете газоанализатора. Техническим результатом является повышение точности измерения концентрации газов в атмосферном воздухе, таких как: угарный газ (CO), метан (CH4) и углекислый газ (CO2). 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газоаналитическим змерениям, и может быть использовано при решении задач мониторинга состояния и состава атмосферы.
Известен [RU 49288 U1, 2005], в котором раскрыт пост экологического контроля воздуха и описан способ обеспечения метрологических параметров газоанализатора, которые обеспечиваются встроенным калибратором. Калибровка, производимая с помощью поверочных газовых смесей (ПГС), проводится для проверки достоверности результатов, получаемых от газоанализаторов. Периодичность калибровки определяется оператором. При этом калибровка осуществляется следующим образом. При калибровке газоанализаторов по сигналу оператора устройство коммутации газовых потоков переключает газоанализаторы с пробоотборного зонда «Атмосфера» на баллоны со стандартными поверочными газовыми смесями (ПГС). При этом смесь из баллонов, например СО, поступает на генератор-разбавитель газовых смесей, который разбавляет ее воздухом (чистый воздух поступает из баллона) до определенной концентрации. Далее смесь заданной концентрации поступает на газоанализаторы. Затем известная концентрация смеси от генератора-разбавителя газовых смесей сравнивается с показаниями газоанализатора. Калибровка производится с помощью источника микропотока, имеющегося в газоанализаторе.
Недостатками вышеописанной системы являются:
- наличие в калибровочном тракте генератора-разбавителя, который вносит дополнительную погрешность;
- постоянное использование для калибровки дорогостоящей эталонной газовой смеси.
В качестве ближайшего технического решения выбрана автоматическая система калибровки газоанализаторов с помощью поверочных смесей, раскрытая в статье [Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Пестунов Д.А., Покровский Е.В., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Посты для мониторинга парниковых и окисляющих атмосферу газов. Оптика атмосферы и океана, 20, №1, 2007, 53-61]. Калибровка осуществляется при помощи как стандартного газа - газ с известной концентрацией газовой смеси, закачанный в баллон, так и сравнительного газа, которым является атмосферный воздух, закачанный в баллон под давлением порядка 5 атм с известным содержанием определяемой газовой составляющей (определяется в ходе калибровки по стандартному газу перед началом процесса измерения) и используемый в дальнейшем в качестве калибровочного газа для более частой калибровки газоанализатора. Для реализации калибровочного процесса известная система содержит, по меньшей мере, два баллона с известным соотношением газовой смеси: один из них с низкой концентрацией поверочной газовой смеси (ПГС), а другой - с высокой концентрацией, и два баллона с опорной газовой смесью (ОГС), воздушные магистрали с установленными в них программно-управляемыми двухпозиционными клапанами для коммутации воздушных потоков, насосы, осуществляющие подачу в воздушные магистрали одного из источников воздушной смеси: пробы атмосферного воздуха или воздушной смеси из упомянутых баллонов либо с известным соотношением газовой смеси (ПГС), либо опорной газовой смеси (ОГС) для калибровки газоанализаторов, регуляторы давления, установленные на выходе упомянутых источников воздушной смеси, и регуляторы расхода на входе в газоанализаторы.
К недостаткам описанного в вышеприведенном документе технического решения относятся:
- в системе для поддержания давления используются регуляторы давления, установленные непосредственно на выходе источников газовой смеси (баллона ПГС и ОГС) и на выходе насосов, подающих пробы атмосферного воздуха, что не является достаточным условием для обеспечения стабильного заданного давления на входе газоанализаторов,
- в системе используется два баллона опорной газовой смеси (ОГС), что приводит к необходимости использования значительного количества клапанов в воздушных трактах и как следствие к удорожанию и усложнению системы.
Задача изобретения - разработать автоматическую систему и способ калибровки газоанализаторов, позволяющей экономично и с высокой точностью осуществлять измерение концентрации в атмосферном воздухе таких газов, как: угарный газ (СО), метан (СН4) и углекислый газ (CO2), преимущественно входящих в систему мониторинга состояния и состава атмосферы.
Поставленная задача достигается тем, что, как и известный, предлагаемый способ автоматической калибровки газоанализаторов включает:
- подачу стандартной поверочной газовой смеси (ПГС) на газоанализатор поочередно с пробами атмосферного воздуха в автоматическом режиме с использованием программно-управляемых клапанов;
- формирование еще одной поверочной смеси перед процессом измерения - опорной газовой смеси (ОГС), в качестве которой используют атмосферный воздух, концентрация газовых составляющих которого определяется в процессе калибровки газоанализатора с использованием поверочной газовой смеси (ПГС);
- и подачу ОГС в дальнейшем в процессе измерения поочередно с пробами атмосферного воздуха в качестве поверочной газовой смеси (ПГС) на газоанализатор.
Новым является то, что в процессе калибровки и измерения контроль и поддержание заданных значений давления и расхода опорной газовой смеси (ОГС), поверочной газовой смеси (ПГС) и проб атмосферного воздуха осуществляют на входе газоанализаторов.
При этом значение давления на выходе каждого источника газовой смеси устанавливают выше заданного установленного на входе в газоанализатор.
Кроме того, атмосферный воздух перед подачей в воздушные магистрали пропускают через средства удаления влаги.
Кроме того, концентрацию газовой составляющей опорной газовой смеси (ОГС) определяют в процессе калибровки газоанализатора с использованием поверочной газовой смеси (ПГС).
При этом концентрация ОГС определяется сразу после заполнения баллона и используется в дальнейшем для ежечасной калибровки газоанализаторов.
Поставленная задача достигается также тем, что, как и известная, предлагаемая автоматическая система калибровки газоанализаторов содержит программно-управляемые двухпозиционные клапаны, установленные в воздушных магистралях для коммутации воздушных потоков, насосы, осуществляющие подачу в систему одного из источников воздушной смеси: пробы атмосферного воздуха или поверочной газовой смеси, баллоны с известным соотношением газовой смеси: поверочная газовая смесь (ПГС), баллон для формирования опорной газовой смеси (ОГС), регуляторы давления, установленные в воздушные магистрали на выходах упомянутых источников газовой смеси, и регуляторы расхода, установленные на входах в газоанализаторы.
Новым является то, что система дополнительно содержит стабилизаторы давления, установленные в воздушной магистрали перед упомянутыми регулятороми расхода для стабилизации давления и потока в измерительной кювете газоанализатора.
Кроме того, система содержит, по меньшей мере, один баллон с низкой концентрацией ПГС и, по меньшей мере, один баллон с высокой концентрацией ПГС, включенные в газовую магистраль газоанализатора.
Кроме того, система содержит средства для удаления влаги, содержащие мембранный и химический осушители, включенные последовательно в воздушную магистраль подачи атмосферного воздуха в баллон с опорной газовой смесью (ОГС).
Предлагаемый способ и автоматическая система калибровки (АСК) основаны на использовании программно-управляемых двухпозиционных клапанов, осуществляющих подачу одного из источников воздушной смеси в газоанализаторы: пробы атмосферного воздуха с двух высотных уровней, калибровочные баллоны с известным соотношением газовой смеси: поверочная газовая смесь (ПГС) и опорная газовая смесь (ОГС). В роли ОГС выступает атмосферный воздух. Концентрация газовых составляющих в ОГС определяется в ходе калибровки по ПГС сразу после заполнения баллона и используется в дальнейшем в качестве опорного газа для ежечасной калибровки газоанализаторов. Если объем баллона для ОГС составляет 40 дм, а воздух в него закачан под давлением 5 бар, то обеспечивается до 160 циклов калибровки до следующего заполнения. Таким образом, заполненный баллон ОГС в нормальном режиме измерительного цикла расходуется примерно в течение одной недели.
Т.е. применение ОГС позволяет в десятки раз сократить расход ПГС.
Контроль давления и расхода непосредственно на входе в газоанализаторы позволяет повысить точность измерений путем создания неменяющегося при смене источника воздушной смеси давления на входе газоанализаторов.
Подача воздушной смеси в газоанализаторы осуществляется посредством создания избыточного давления в подводящих воздушных трактах. Газоанализаторы весьма чувствительны даже к незначительным колебаниям давления и потока в измерительной кювете. В АСК, как правило, несколько источников воздушной смеси, в связи с этим существует необходимость обеспечения абсолютно одинакового давления на выходе каждого источника газовой смеси, а также скорости потока смеси в измерительной кювете газоанализатора.
В предлагаемой системе для решения этой проблемы установлены как регуляторы давления на выходе источников газовой смеси, так и стабилизаторы давления на входе в газоанализаторы, устанавливаемые перед регуляторами расхода, для стабилизации давления и потока непосредственно в измерительной кювете газоанализатора. При такой установке стабилизаторов давления нет необходимости точного контроля давления на выходе каждого источника газовой смеси.
Изобретение поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 приведена функциональная схема автоматической системы калибровки газоанализаторов CO, CO2 и СН4 и использования двух баллонов ПГС высокой и низкой концентрации.
На фиг. 2 приведены графики сравнительных измерений концентрации СО2 с использованием трех ПГС с различными концентрациями (340,4 млн-1, 365,14 млн-1 и 389,92 млн-1): на фиг. 2а) показаны результаты измерений, проведенных без стабилизатора давления, установленного на входе газоанализатора, а на фиг. 2б) - с установленным стабилизатором.
Предлагаемая автоматическая система калибровки газоанализаторов, приведенная на фиг. 1, содержит баллон (ОГС) 1 для наполнения его атмосферным воздухом, который подается насосом (H1) 2 через клапаны (К1, К2) 3 и 4, проходит через систему удаления влаги, состоящую из осушителя мембранного (ОМ1) 5 и химического осушителя (Mg(ClO4)2) 6. Система содержит два баллона с низкой концентрацией (ПГС1 и ПГС3) 7 и 8 и два баллона с высокой концентрацией (ПГС2 и ПГС4) 9 и 10. Подача ПГС осуществляется с использованием клапанов (К5, К6, К7 и К8) 11, 12, 13 и 14. Клапаны (К2, К4, К6 и К8) 4, 15, 12 и 14 служат для подачи ОГС в газоанализаторы: угарного газа (СО), углекислого газа (CO2), метана (CH4) - 16, 17, 18 соответственно. Для подачи пробы атмосферного воздуха используется воздушная магистраль, содержащая насосы (Н2 и Н3) 19 и 20, регуляторы давления (РД1 и РД2) 21 и 22, а также клапаны К3 (23), К4 (15), К6 (12) и К8 (14). Для подачи пробы в магистраль газоанализаторов углекислого газа (СО2) и метана (СН4) включены средства для удаления влаги, состоящие из последовательно включенных осушителя мембранного (ОМ2) 24 и химического осушителя (Mg(ClO4)2) 25.
Непосредственно на входах газоанализаторов 16 и 17 установлены стабилизаторы давления СД1 (26), СД2 (27) и регуляторы расхода РР1 (28), РР2 (29).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Калибровка газоанализаторов осуществляется следующим образом: ХХ ч 00 мин насос 2 через клапаны 3, 4 и через систему удаления влаги, состоящую из осушителя мембранного 5 и химического осушителя 6, начинает закачку атмосферного воздуха в баллон 1 для формирования ОГС с давлением 5 бар при полностью заполненном баллоне. В это же время начинается подача ПГС с низкой концентрацией (7) и (8) в газоанализаторы. В ХХ ч 20 мин клапаны (11) и (13) переключаются на подачу ПГС с высокой концентрацией (9) и (10). В ХХ ч 40 мин насос (2) выключается и через клапаны (4), (15), (12) и (14) начинается подача ОГС из баллона 1 в газоанализаторы (16, 17 и 18). Баллоны 7 и 9 содержат ПГС для обоих газоанализаторов 17 и 18. Как только, по мере расходования ОГС, давление воздуха в баллоне 1 становится равным 1 бар, происходит сброс оставшегося в баллоне воздуха в атмосферу, и цикл наполнения баллона ОГС и калибровки по ПГС повторяют.
Временная последовательность измерительного цикла состоит из поочередных этапов калибровки и непосредственных измерений. Во время измерений происходит подача в систему пробы атмосферного воздуха с использованием насосов 19 и 20 и ОГС с чередованием каждые 20 минут, т.е. с ХХ ч 00 мин до ХХ ч 20 мин - проба с первого высотного уровня, с ХХ ч 20 мин до ХХ ч 40 мин - проба со второго высотного уровня, с ХХ ч 40 мин до ХХ ч 00 мин - ОГС и т.д.
Источник газовой смеси 1 (баллон с ОГС) - давление изменяется от 5 бар (при полностью заполненном баллоне) до 1 бар (при опустевшем).
Источники газовой смеси (7, 8, 9, 10) (баллоны с ПГС) имеют давление на выходе 1 бар.
Источники газовой смеси (19, 20) (насосы, подающие атмосферные пробы воздуха с двух высотных уровней) имеют также давление на выходе 1 бар.
Стабилизаторы давления обеспечивают на входах газоанализаторов постоянное давление 0.5 бар.
Концентрация газовой смеси ОГС определяется путем сравнения с сигналами газоанализатора при измерении ПГС.
Клапаны в воздушных магистралях включены таким образом, чтобы в случае отключения питания не происходило утечки дорогостоящих ПГС: все выходы с баллонов запираются на входы клапанов, находящихся в нормально закрытом состоянии.
Согласно рекомендациям Всемирной метеорологической организации (ВМО) погрешность измерения CO2 для северного полушария должна составлять ±0,1 млн-1 [1, 2].
Для подтверждения технического результата были проведены сравнительные измерения концентрации СО2 с использованием трех ПГС с различными концентрациями (340,4 млн-1, 365,14 млн-1 и 389,92 млн-1). На регуляторах давления, установленных на баллонах ПГС, выставили выходное давление, равное 1 бар, по стрелочным манометрам. На графиках (фиг. 2) показаны значения выходного напряжения аналогового сигнала газоанализатора при подаче ПГС с тремя уровнями концентрации CO2. Для пересчета аналоговых сигналов в концентрацию CO2 были получены уравнения линейной регрессии.
На верхнем графике (фиг. 2а) показаны результаты измерений, проведенных без стабилизатора давления, установленного на входе газоанализатора, а на нижнем - (фиг. 2б) с установленным стабилизатором. Из представленных графиков видно, что, несмотря на высокие значения коэффициентов детерминации для обеих линейных аппроксимаций, в случае эксперимента без стабилизатора давления можно заметить небольшое отклонение экспериментальных точек от полученной линейной зависимости. Однако эти небольшие отклонения являются существенными, если принимать во внимание рекомендации ВМО, что наглядно отображено в таблице 1.
Источники информации
1. GAW Report No 206. Workshop Proceedings of the 6th WMO/IAEA Meeting on Carbon Dioxide, Other Greenhouse Gases, and Related Measurement Techniques (GGMT-2011), Wellington, New Zealand, 25-28 October 2011. 2012. 67 p.
2. World Meteorological Organization. 15th WMO/IAEA Meeting of Experts on Carbon Dioxide, Other Greenhouse Gases and Related Tracers Measurement Techniques. 2011. GAW report N° 194. WMO/TD - No 1553. 51 p.
1. Способ автоматической калибровки газоанализаторов, включающий следующие шаги:
- подачу стандартной поверочной газовой смеси (ПГС) на газоанализатор поочередно с пробами атмосферного воздуха в автоматическом режиме с использованием программно-управляемых клапанов;
- формирование еще одной поверочной смеси (опорной газовой смеси ОГС) перед процессом измерения, в качестве которой используют атмосферный воздух, концентрация газовых составляющих которого определяется в процессе калибровки газоанализатора с использованием поверочной газовой смеси (ПГС);
- и подачу ОГС в дальнейшем в процессе измерения поочередно с пробами атмосферного воздуха в качестве поверочной газовой смеси (ПГС) в газоанализатор,
отличающийся тем, что в процессе калибровки и измерения контроль и поддержание заданных значений давления и расхода опорной газовой смеси (ОГС), поверочной газовой смеси (ПГС) и проб атмосферного воздуха осуществляют на входе газоанализаторов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение давления на выходе каждого источника газовой смеси устанавливают выше заданного установленного на входе в газоанализатор.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что атмосферный воздух перед подачей в воздушные магистрали пропускают через средства удаления влаги.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрацию составляющих газов опорной газовой смеси (ОГС) определяют в процессе калибровки газоанализатора с использованием поверочной газовой смеси (ПГС).
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрация ОГС определяется сразу после заполнения баллона и используется в дальнейшем для ежечасной калибровки газоанализаторов.
6. Автоматическая система калибровки газоанализаторов, содержащая программно-управляемые двухпозиционные клапаны, установленные в воздушных магистралях для коммутации воздушных потоков, насосы, осуществляющие подачу в систему одного из источников газовой смеси: пробы атмосферного воздуха или поверочной газовой смеси, баллоны с известным соотношением газовой смеси: поверочная газовая смесь (ПГС) и баллон для формирования опорной газовой смеси (ОГС), регуляторы давления, установленные в воздушные магистрали на выходе упомянутых источников газовой смеси, и регуляторы расхода, установленные на входе в газоанализаторы, отличающаяся тем, что система содержит стабилизаторы давления, установленные в воздушной магистрали перед упомянутыми регуляторами расхода для стабилизации давления и потока в измерительной кювете газоанализатора.
7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, один баллон с низкой концентрацией ПГС и, по меньшей мере, один баллон с высокой концентрацией ПГС, включенные в воздушную магистраль газоанализатора.
8. Система по п. 6, отличающаяся тем, что она содержит средства для удаления влаги, содержащие мембранный и химический осушители, включенные последовательно в воздушную магистраль подачи атмосферного воздуха в баллон с опорной газовой смесью (ОГС).
