Прибор для определения параметров газовыделения

Авторы патента:

Белова Елена Вячеславовна (RU)

Скворцов Иван Владимирович (RU)

Мясоедов Борис Федорович (RU)

Дживанова Заяна Викторовна (RU)

G01N25/20 - с помощью калориметрических измерений, например путем измерения теплоемкости или теплопроводности

G01K17/00 - Измерение количества тепла (измерение температуры с помощью калориметров G01K 3/00-G01K 11/00; устройства для определения термических свойств материалов, например удельной теплоемкости, теплоты сгорания G01N)

G01F1/66 - измерением частоты, фазового сдвига, времени распространения электромагнитных или других волн, например ультразвуковые расходомеры

Владельцы патента RU 2620328:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам определения термической стабильности жидких однофазных и двухфазных, а также гетерогенных систем. Изобретение предназначено для определения максимальной скорости газовыделения (Wmax), температуры начала экзотермических процессов (Тн), индукционного периода (Тинд), суммарных объемов выделившихся газов (Vг) при атмосферном давлении и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности на любых предприятиях и заводах, где возможно попадание горючих веществ в смеси с окислителем на высокотемпературные операции. Предложен прибор для определения параметров газовыделения, содержащий воздушный термостат с электронагревателем и терморезистором. Внутрь термостата установлены две ячейки из нержавеющей стали, выполненные с возможностью заливания в них жидких образцов, при этом ячейки снабжены герметично закрывающимися крышками, в которые вмонтированы термопары. Крышки имеют отверстия для соединения с трубками газоотвода, которые соединены с ультразвуковыми измерителями скорости истечения газа с установленными пьезоэлементами и газовым переключателем на выходе. Термопары подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу контроллера, выход которого подключен через интерфейс RS232/USB к персональному компьютеру, а терморезистор подключен к входам аналого-цифрового преобразователя и ПИД-регулятора, выход которого соединен с электронагревателем. Ультразвуковой измеритель скорости истечения газа подключен через интерфейс RS232/USB к персональному компьютеру, который выполнен на базе процессора, выполненного с возможностью: визуализации данных эксперимента в реальном времени, регистрации данных в файл, просмотра файлов экспериментов. Технический результат - повышение точности одновременного измерения скорости потоков газовых продуктов, а также возможность одновременного отбора как жидких, так и газовых проб. 3 ил.

В настоящее время применяются следующие типы калориметров: адиабатические, изотермические, диатермические, теплопроводящие, поточные. Однако все выше перечисленные калориметры направлены, в основном, на исследование твердых веществ.

Наиболее распространены калориметры переменной температуры, в которых количество теплоты Q определяется по изменению температуры калориметрической системы:

Q=W*ΔT,

где W - тепловое значение калориметра (т.е. количество теплоты, необходимое для его нагревания на 1 К), найденное предварительно в градуировочных опытах, ΔT - изменение температуры во время опыта.

За основу взят обычный калориметр, нагрев образцов в котором происходит в воздушном термостате.

Этот способ является одним из самых эффективных, недорогих и технически упрощенных, поэтому он был взят за основу.

Недостатком известного способа термического анализа является невозможность определения объема выделившихся в ходе реакции газообразных продуктов реакции

Технический результат изобретения - повышение точности одновременного измерения скорости потоков газовых продуктов, а также возможность одновременного отбора как жидких, так и газовых проб.

Технический результат достигается тем, что прибор для определения параметров газовыделения содержит воздушный термостат с электронагревателем и терморезистором, внутрь термостата установлены две ячейки из нержавеющей стали, выполненные с возможностью заливания в них жидких образцов, ячейки снабжены герметично закрывающимися крышками, в которые вмонтированы термопары, при этом крышки имеют отверстия для соединения с трубками газоотвода, которые соединены с ультразвуковыми измерителями скорости истечения газа с установленными пьезоэлементами и газовым переключателем на выходе, блок управления, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, ПИД-регулятора, контроллера, интерфейса RS232/USB и блока питания, при этом термопары подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу контроллера, выход которого подключен через интерфейс RS232/USB к персональному компьютеру, терморезистор подключен к входам аналого-цифрового преобразователя и ПИД-регулятора, выход которого соединен с электронагревателем, ультразвуковой измеритель скорости истечения газа подключен через интерфейс RS232/USB к персональному компьютеру, персональный компьютер выполнен на базе процессора, выполненного с возможностью: визуализации данных эксперимента в реальном времени, регистрации данных в файл, просмотра файлов экспериментов.

Для определения объема выделившихся газов использован ультразвуковой датчик измерения скорости истечения газов, что позволяет избавиться от погрешности измерений, связанной с хемосорбцией выделяющихся газов.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрированном чертежами, где показано следующее.

На фиг. 1 представлен прибор для определения параметров газовыделения, где:

1, 2 - ячейки;

3 - воздушный термостат;

4 - термопара;

5 - газовая трубка;

6 - ультразвуковой измеритель скорости истечения газа;

7 - пьезоэлемент;

8 - газовый переключатель;

9 - блок управления;

10 - персональный компьютер;

11 - электронагреватель;

12 - терморезистор.

На фиг. 2 представлена схема блока управления, где показано:

13 - АЦП

14 - Контроллер

15 - ПИД-регулятор

16 - Блок питания

17 - Интерфейс RS 232/USB.

На фиг. 3 показана блок-схема программы для ЭВМ-реализующей функции процессора, где:

18 - RS 232/USB-интерфейс

19 - Парсер

20 - Блок ввода параметров эксперимента

21 - Блок формирования строки параметров эксперимента

22 - Блок формирования строковой таблицы показаний датчиков

23 - Блок преобразования показаний датчиков

24 - Библиотека калибровочных коэффициентов

25 - Блок учета датчика свободных концов

26 - Формирование строковой таблицы преобразованных показаний датчиков и запись ее в файл

27 - Блок визуализации показаний датчиков.

Заявленный прибор для определения параметров газовыделения работает следующим образом:

Исследуемый образец помещается в одну из ячеек из нержавеющей стали объемом 2 мл (1), во вторую (2) - инертный при условиях исследования образец сравнения равной массы с близкой теплоемкостью. Каждая ячейка снабжена парой термопар (4), расположенной на разной высоте, для измерения температуры в образце и газовой фазе. С помощью АЦП (13) сигналы с термопар преобразовываются в цифровые показания в мВ, контроллер (14) в свою очередь преобразует строки данных и обеспечивает связь с ЭВМ через интерфейс RS 232/USB (17). Также крышка ячейки имеет отверстие для газоотвода, соединенного газовой трубкой (5) с одноканальным ультразвуковым измерителем скорости истечения газа (6). Принцип действия ультразвукового измерителя скорости истечения газа основан на измерении зависящего от расхода того или иного акустического эффекта, возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через контролируемый поток газа. В таких расходомерах ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлементами (7), направляются по потоку газа и против него. Разность времен прохождения Δτ ультразвуковыми импульсами расстояния между излучателем и приемником по потоку и против потока пропорциональна скорости потока. Расходомер по конструктивному исполнению является одноканальным, где каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и приемника, что обеспечивается системой переключателей. Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что скорость ультразвука в среде зависит от физико-химических свойств последней: температуры, давления, и она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в неподвижной среде. Разность времен прохождения Δτ равна 10^-6…10^-7 с даже при скоростях потока 10…15 м/с, причем измерять Δτ нужно с погрешностью 10^-8…10^-9 с. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения сложных электронных схем в сочетании с микропроцессорной техникой, обеспечивающих компенсацию влияния перечисленных факторов.

На выходе ультразвукового измерителя скорости истечения газа имеется газовый переключатель (8), который дает возможность отбора проб для анализа химического состава газа. Ячейки помещаются в воздушный термостат (3), снабженный электронагревательным элементом (4), управляемый персональным компьютеров на базе процессора.

Попадая в визуальную среду программы, а именно в блок ввода параметров эксперимента (блок 20), пользователь выбирает режим эксперимента (количество ступеней нагрева, скорость нагрева, временные интервалы), блок формирования строки параметров эксперимента (21) формирует строку, содержащую эти данные, и отправляет в ПИД-регулятор (15) после запуска эксперимента.

ЭВМ в свою очередь получает от контроллера (14) строки данных вида:

t; U1; U2; U3; …Un,

где t - текущее время эксперимента, Ux - показания терморезистора измерения температуры свободных концов в мВ.

Каждая термопара предварительно калибруется, а калибровочные коэффициенты хранятся в библиотеке калибровочных коэффициентов (24), блок преобразования показаний датчиков (23) осуществляет преобразование показаний термопар (мВ) в градусы по шкале Цельсия с помощью функции вида:

А1х1+В1=Т1,

где А1, В1 - коэффициенты преобразования, Т1 - вычисленная температура в градусах Цельсия, x1 - соответствующее показание термопар в мВ.

Так как температура термопарами регистрируется относительно их свободных концов, чтобы получить истинную температуру, к рассчитанным значениям прибавляется значение температуры свободных концов, эта операция производится блоком учета датчика свободных концов (25):

Т1к=Тсв.к.+Т1.

Формирование строковой таблицы преобразованных показаний датчиков и запись ее в файл производятся в блоке 26. Результаты вычисленных значений построчно записываются в файл, выводятся на экран монитора, как в виде числовых значений на текущий момент, так и в виде точки на временной диаграмме в блоке визуализации показаний датчиков (27) визуальной среды программы.

Таким образом достигается технический результат изобретения, выражающийся в повышении точности одновременного измерения скорости потоков газовых продуктов, а также возможность одновременного отбора как жидких, так и газовых проб.

В качестве АЦП можно использовать, например, серийный блок ICP.COMI-7019R.

В качестве ультразвукового измерителя скорости истечения газа можно использовать, например, серийный датчик ONICON F-4000.

В качестве контроллера можно использовать, например, серийный блок ICP.COMI-7188.

Прибор для определения параметров газовыделения содержит воздушный термостат с электронагревателем и терморезистором, внутрь термостата установлены две ячейки из нержавеющей стали, выполненные с возможностью заливания в них жидких образцов, ячейки снабжены герметично закрывающимися крышками, в которые вмонтированы термопары, при этом крышки имеют отверстия для соединения с трубками газоотвода, которые соединены с ультразвуковыми измерителями скорости истечения газа с установленными пьезоэлементами и газовым переключателем на выходе, блок управления, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, ПИД-регулятора, контроллера, интерфейса RS232/USB и блока питания, при этом термопары подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу контроллера, выход которого подключен через интерфейс RS232/USB к персональному компьютеру, терморезистор подключен к входам аналого-цифрового преобразователя и ПИД-регулятора, выход которого соединен с электронагревателем, ультразвуковой измеритель скорости истечения газа подключен через интерфейс RS232/USB к персональному компьютеру, персональный компьютер выполнен на базе процессора, выполненного с возможностью: визуализации данных эксперимента в реальном времени, регистрации данных в файл, просмотра файлов экспериментов.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при проведении измерений теплофизических и/или структурных параметров образца. Предложен блок держателей нанокалориметрических сенсоров, предназначенный для размещения в дифрактометре на X-Y-Z движителе (столике).

Термостатирующее устройство для нанокалориметрических измерений на чипе со сверхбыстрыми скоростями нагрева и охлаждения // 2620028

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для нанокалориметрических измерений. Заявляемое термостатирующее устройство для нанокалориметрических измерений на чипе со сверхбыстрыми скоростями нагрева и охлаждения обеспечивает стабильную передачу аналогового сигнала от нанокалориметрического сенсора до аналого-цифрового преобразователя, размещенного в электронном контроллере; обеспечивает жесткое закрепление нанокалориметрического сенсора в активной области сканирования дифрактометра или любого другого прибора по измерению структурных характеристик образцов; а также позволяет использовать при измерениях дополнительный (эталонный) нанокалориметрический сенсор для снятия базовой линии эксперимента, используемой при дальнейшей обработке полученных экспериментальных данных.

Капиллярный титрационный нанокалориметр для исследования митохондрий // 2618670

Изобретение относится к измерениям тепловой мощности в процессах трансформации и диссипации энергии в суспензиях живых митохондрий в исследованиях в области митохондриальной термодинамики, направленных на создание новых фармсредств и перспективных биотехнологий.

Способ определения излучательной способности твердых материалов и устройство для его осуществления // 2617725

Изобретение относится к теплофизике и может быть использовано для определения радиационных характеристик поверхностей и покрытий твердых тел. В отличие от известного способа определения излучательной способности твердых материалов, заключающегося в том, что воздействуют на исследуемый образец с помощью лазерного излучения, измеряют истинную контактную температуру Т поверхности образца в процессе воздействия, одновременно бесконтактно определяют интенсивность излучения от образца и используют полученные данные для определения излучательной способности, в предложенном способе воздействуют на образец лазерным излучением, преобразованным в тепловое излучение, после равномерного нагрева образца преобразованным лазерным излучением измеряют в исследуемом спектральном диапазоне длин волн теплового излучения от образца от λ1 до λ2 яркостную температуру Тя поверхности образца, по которой судят об интенсивности теплового излучения от образца.

Способ электрометрического измерения производной химического потенциала по температуре и устройство для его осуществления // 2617149

Изобретение относится к области электрометрического анализа химического потенциала μ c помощью модуляции температуры T и может быть использовано для исследования характеристик имеющихся и для конструирования новых элементов наноэлектроники.

Капиллярный титрационный калориметр для исследования митохондрий // 2610853

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения тепловой мощности в процессах трансформации и диссипации энергии в суспензиях живых митохондрий в исследованиях в области митохондриальной термодинамики, направленных на создание новых фармсредств и перспективных биотехнологий.

Установка для определения охлаждающей способности закалочной среды // 2605883

Изобретение относится к области термической обработки стали и сплавов и может быть использовано в конструкции устройств для определения охлаждающей способности закалочных сред.

Способ определения температурной зависимости степени черноты (варианты) // 2598699

Изобретение относится к теплофизике и может быть использовано для определения температурной зависимости интегральной степени черноты покрытий и поверхностей твердых тел.

Способ определения коэффициентов тепло- и массопроводности пористых материалов на основе макроквантового механизма переноса субстанций (теплоты и влаги) // 2585303

Изобретение относится к технологиям сушки и термовлажностной обработки пористых проницаемых материалов, в частности к способам определения коэффициентов тепло- и массопроводности пористых материалов.

Определение теплового потока, исходящего от теплонесущей текучей среды // 2575565

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения теплового потока, исходящего от теплонесущей текучей среды. Заявлен способ определения теплового потока (dQ/dt), исходящего от теплонесущей текучей среды (12), которая представляет собой смесь по меньшей мере двух различных текучих сред и которая протекает через пространство (11) потока от первого положения, где она имеет первую температуру (Т1), ко второму положению, где она имеет благодаря этому тепловому потоку (dQ/dt) вторую температуру (Т2), которая ниже, чем упомянутая первая температура (Т1).

Капиллярный титрационный нанокалориметр для исследования митохондрий // 2618670

Способ определения аэродинамического нагрева высокоскоростного летательного аппарата в опережающих лётных исследованиях на крупномасштабной модели // 2616108

Изобретение относится к области авиационно-космической техники. Способ определения аэродинамического нагрева натуры в опережающих летных исследованиях на модели включает определение высоты и скорости полета модели, теплопроводности, объемной теплоемкости и степени черноты материала ее теплозащиты, а также аэродинамического теплового потока на наружной поверхности натуры в сходственных с моделью точках из условия подобия в этих точках распределений температуры в материалах теплозащиты модели и натуры.

Капиллярный титрационный калориметр для исследования митохондрий // 2610853

Устройство для измерения теплового потока в камере сгорания и способ его установки // 2586089

Группа изобретений относится к устройствам для измерения тепловых потоков, а также к способам установки устройств для измерения теплового потока в стенке камеры сгорания, и может быть использована для измерения тепловых потоков в камерах сгорания двигателей при высоких давлениях и температурах.

Устройство наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня для оценки эффективности теплозащитных покрытий на нем // 2582153

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для теплофизических исследований теплозащитных покрытий на днище поршня и наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня по скорости повышения температуры его внутренней поверхности при нагреве с внешней стороны, и может быть использовано для исследования эффективности влияния теплозащитного покрытия на температуру поршня.

Способ калибровки и поверки измерительной системы узла учета тепловой энергии и теплоносителя с учетом возмущений // 2578046

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для выявления несанкционированных утечек тепловой энергии. Предложен способ калибровки и поверки измерительной системы узла учета тепловой энергии и теплоносителя с возмущениями, основанный на переключении потока теплоносителя с подающего трубопровода через образцовый узел калибровки на возвратный трубопровод и отключении измерительной системы от объекта потребления.

Способ калибровки термоэлектрических датчиков тепловых потоков // 2577389

Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано при калибровке датчиков теплового потока. Способ калибровки термоэлектрического датчика теплового потока заключается в том, что собственное электрическое сопротивление датчика теплового потока измеряют при пропускании переменного тока величины от 1 до 20 мА, а термоэлектрическую добротность измеряют при пропускании постоянного тока величины от 1 до 20 мА, после чего определяют чувствительность термоэлектрического датчика из следующего выражения: где Se - чувствительность термоэлектрического датчика; ACR - собственное сопротивление термоэлектрического датчика; Z - термоэлектрическая добротность датчика; s - площадь чувствительной поверхности термоэлектрического датчика; α - коэффициент Зеебека (термоЭДС) термоэлемента; 2N - количество термоэлементов или спаев в термоэлектрическом датчике.

Способ и устройства для измерения магнетокалорического эффекта // 2571184

Изобретение относится к области измерений термомагнитных свойств материалов и может найти применение при разработке технологии магнитного охлаждения и/или нагрева вблизи комнатной температуры, для применений в промышленности и в быту.

Способ и устройство для распознавания наличия жидкости в газовом потоке // 2616760

Изобретение относится к способу распознавания наличия жидкости (50) в газовом потоке, текущем в трубопроводе, с применением ультразвукового расходомерного устройства (10), причем попарно имеются измерительные контуры, вертикально сдвинутые на одинаковое заданное расстояние относительно центральной оси так, что один лежит в верхней зоне над центральной осью, а другой лежит в нижней зоне под центральной осью, при этом на первом этапе (102) проверяют, выдает ли самый нижний измерительный контур (30) достоверное измеряемое значение скорости течения газа, на втором этапе (104) вычисляют значение турбулентности для каждого измерительного контура (30, 36; 32, 34) пары и устанавливают отношение обоих значений турбулентности и на третьем этапе (106) на обоих измерительных контурах (30, 36; 32, 34) пары вычисляют соответствующую скорость (SoS) звука и устанавливают отношение обеих скоростей (SoS) звука, причем выводят предупреждающий сигнал о жидкости: если на первом этапе выдают недостоверное измеряемое значение, или если на втором этапе отношение значений турбулентности отличается от 1 более чем на заданное допустимое значение, или если на третьем этапе отношение скоростей звука отличается от 1 более чем на заданное допустимое значение.