Способ анализа состава газа

 

СПОСОБ АНАЛИЗА СОСТАВА ГАЗА, заключающийся в последовательном облучении потоком моноэнергетического рентгеновского или гаммаизлучейия. проточных кювет с анализируемым газом и газом с известными абсорбционными свойствами, имеющих одинаковую толщину слоя газа d, поддержании разных температур н давления обоих газов и регистрации потоков прошедшего через зти кюветы излучения, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности анализа и расширения энергетического диапазона используемого излучения, пропускают анализируемый газ и газ с известными абсорбцноннь1ми свойствами через дополнительные кюветы с одинаковой толщиной слоя газа d,, определяемой из соотнощення 2 )j J. d, .- I t где N,, N. потоки излучения, прошедшие через пустую кювету и кювету I с максимальной концентрацией определяемого компонента при толщине слоя газа, равной d, последовательно облучают их тем же потоком излучения, регистрируют потоки излучения прошедаше через дополнительные кюветы с соответствующими газами, и судят о концентрации определяемого элемента по значению параметра Yn{N /N I.I.. Ъ)

Саоз СОВЕТСНИХ

ЫЦЮП

РЕСПУБЛИН

7 А

OQ (И) ДО G 01 N 23/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ1 а1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СЮЛДЕТЕЛЬСТБУ (21) 3621848/18 — 25 (22) 13.07.83 (46) 15.11.84. Бюл. Р 42 (72) С. А. Халяпин и М. К. Журавлев (71);Днепропетровский ордена Трудового

Красного Знамени горный институт им. Артема (53) 539.1.06 (088.8) (56) 1, Халяпин С. А. Блок детектирования гамма-абсорбционного анализатора газа.—

"Изотопы в СССР", 1982, и 1(63), с. 8 — 12.

2. Авторское свидетельство СССР

N4 1012112, кл. G 01 и 23/06, )981 (прототип) . (54) (57) СПОСОБ АНАЛИЗА СОСТАВА ГАЗА, заключающийся .в последовательном облучении потоком моноэнергетического рентгеновского или гаммаизлучейия проточных кювет с анализируемым газом и газом с известными абсорбцнонными свойствами, имеющих одинаковую толщину слоя газа 01, поддержании разных температур и давления обоих газов и регистрации потоков прошедшего через эти кюветы излучения, о т л и ч а ю щ и. и -: с я тем, что, с целью повь1шения точности анализа и расширения энергетического диапазона используемого излучения, пропускают анализируемый гаэ и газ с известными абсорбцнонными свойствами через дополнительные кюветы с одинаковой толщиной слоя газа d, определяемой нз соотношения . ;) где й, й„— потоки излучения, прошедшие через пустую кювету и кювету с максимальной концентрацией определяемого компонента при толщине слоя газа, равной d, последовательно облучают их тем же потоком излучения, регистрируют потоки излучения прошедшие через дополнительные кюветы с соответствующими газами, и судят о концентрации определяемого элемента по значению

K(e„/и,)

Еа(К,/И,), где й„, и — потоки излучения, прошедшие через кюветы с анализируемым газом при толщннах слоя газа, Р \ соответственно равных d „и Я 2 й,й — потоки излучения, прошедшие вы, через кюветы с газом с из- >„ь вестными абсорбцнонными свойствами при толщинах слоя га- р за соответственно равных d„s

4т.

1 i1га20

Изобретение относится к способам анализа состава газообразных продуктов и сырья с помощью рентгеновского или гамма-излучения и может быть использовано в газодобывающей, газоперерабатывающей, нефтехимической и металлургической промышленности.

Известен способ анализа состава газа, включающий просвечивание излучением проточной кюветы с анализируемым газом и проточной кюветы со сравнительным газом, где о содер. жанни определяемого компонента судят по отношению потоков регистрируемых квантов, прошедших через кюветы I13

Недостатком данного способа анализа газа является влияние температуры и давления газов на результаты анализа.

Наиболее близок к предлагаемому способ анализа состава газа, заключающийся в пос- ледовательном облучении потоком моноэнергетического рентгеновского или гамма-излучения проточных кювет с анализируемым газом и газом с известными абсорбционными свойствами, имеющих одинаковую толщину слоя газа ct„, поддержании равных температур и, давления обоих газов н регистрации потоков прошедшего через эти кюветы излучения (2).

Для осуществления этого способа кроме двух указанных кювет необходима третья с эталонным газом. Она должна быть герметизирована. Однако применение герметизирован1 30 ной кюветы, затрудняющее реализацию способа в области мягкого рентгеновского нли гаммаизлучения, которое удобно использовать для анализа элементов с малым атомным номером, является недостат)ом способа. Это можно объяснить следующим образом. Входное и вы-35 ходное окно газовой кюветы должны быть прозрачными для данного вида излучения. При использовании мягкого рентгеновского или гамма-излучения, например, с энергией 3,08 кэВ (L -- серия А ), входное и выходное окна из бериллия толщиной 0,3 мм, обеспечивающие достаточную герметизацию, ослабляют первичный поток излучения более чем в 10 раз, что снижает эффективность использования источника излучения и увеличивает время экспозиции.

В области этих энергий в Качестве материала для окон приходится применять либо очень толку)<) бериллиевую фольгу, либо тонкие органические пле ки, что снижает герметичность кюветы. При изменении давления воздуха ок- 50 ружаюшей средь), в случае положительной разности давления, наблюдается проникновение молекул воздуха внутрь герметизированной кюветы через тонкую пленку окон до момента выравнивания давления окружающего воэ- 55 духа и газа внутри кюветы. Прн от))ицательн >й разности давлений молекулы ) аза из герметизированной кюветы проникак)) через

2 пленку окон в окружающую среду. Очевидно с течением времени внутри герметизированной кюветы наблюдаются два процесса: изменение количества молекул и изменение качественного состава эталонного газа, что приводит к изменению абсорбционных свойств эталонного газа в герметизированной кювете и, следовательно, к увеличению погрешности анализа. Аналогичные изменения наблюдаются при значительных изменениях температуры окружающей среды. Таким образом, энергетическая область реализации известного способа в сторону мягкого рентгеновского или гамма-излучения весьма ограничена.

Цель изобретения — повышение точности анализа и расширейие энергетического диапазона используемого рентгеновского или гаммаизлучения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу анализа состава газа, заключающемуся в последовательном облучении потоком моноэнергетического рентгеновского или грамма-излучения проточных кювет с анализируемым газом и газом с известными абсорбционными свойствами, имеющих, одинаковую толщину слоя газа d„, поддержании равных температур и давления обоих газов и регистрации потоков прошедшего через эти кюветы излучения, пропускают анализируемый газ и газ с известными абсорбционными свойствами через дополнительные кюветы с одинаковой толщиной слоя газа с1, опреде ляемой из соотношения (>)

< («, «,) где N,, N„потоки излучения, прошедшие через пустую кювету и кювету с максимальной концентрацией определяемого компонента лри толщине слоя газа равной d последовательно облучают их тем же потоком излучения, регистрируют .потоки излучения, прошедшие через дополнительные кюветы с соответствующими газами и судят о концентрации определяемого элемента по значению лараметра $«(g

< ) 3

Р))(М,<)<) ) (- ) где N„, N — потоки излучения, прошедшие через кюветы <. анализируемым газом с тол;цицой слоя )аза соответственно р ц)цои <) и d

N, N - потоки излучения. цр<лцсдшис через кюветы с газом с извес)ными абсорбциоццыми снойс). нами лри тол)лицах слоя l аза

:оо)негстненцо р;<н)<ы, <1, ц d,. (7) Pd2 ! 4= N06ÕÐ /" 2 2 RT / (Ь)

3 11242

На фиг. 1 схематически показано устройство для реализации способа; на фиг. 2 — зависимость относительной погрешности анализа

d Ñ от относительного изменения слоя газа

М„; на фиг. 3 — зависимость параметра от отношения давления к температуре газа

P/Т при измерениях содержания сероводорода в воздухе.

Устройство содержит теплообменннк 1, источник 2 мягкого рентгеновского излучения, 10 проточную кювету 3 с анализируемым газом с толщиной слоя газа d, дополнительную протоиную кювету 4 с анализируемым газом с толщиной слоя газа d,,дополнительную проточную кювету 5 с газом с известнымн абсорбционными свойствами с толщиной слоя газа d, проточную кювету 6 с газом с известными абсорбционными свойствами с толщиной слоя газа 4,, детектор 7 излучения и устройство 8 (жидкостный затвор, сильфон, 0 ротаметр и т. п.), с помощью которого давление анализируемого газа и газа с известными абсорбционными свойствами в проточных кюветах 3 — 6 поддерживается постоянным. Стрелками показано направление движения газа; стрелками при N — направление соответствующих потоков квантов. Источник излучения одновременно с детектором излучения может быть установлен и зафиксирован против каждой из кювет поочередно. Анализируемый газ и газ с известными абсорбционными свойствами для данного вида излучения пропускают через теплообменник, в котором выравнивается их температура, затем они поступают в соответствующие кюветы 3 — 6.

Пройдя устройство 8, где давления выравнива-. 5 ются, газы выбрасываются в атмосферу или отводятся в газопровод. Кюветы 3 и 6 имеют толщину газового слоя d„а кюветы 4 и

5 — толщину слоя газа d . Все четыре кюве2

40 ты 3 —.6 поочередно облучают излучением источника и одновременно регистрируют поток излучения на выходе соответствующей кюветы, а а концентрации определяемого компонента судят по соотношению (2).

Сущность предлагаемого способа анализа газа заключается в следующем. . Потоки квантов N на выходе кювет определяются следующими выражениями:

Pd

N„=N exp(-((м, м;м,м,)с .м,м,) мт ); (3) „ г

Р,1„1

1!1 =N exp -p. Al — !j; (4)

2 0 2 2 РТ! и =и eep(-((м„м,-уа м )с+м м ) „); (!!

Р 121.

07 4 где )ч — поток излучения, прошедший через кюветы беэ газа;

) — массовый крэффнциент ослабления излучения, м /кг;

М вЂ” молярная масса газа, кг/моль;

С вЂ” объемная долевая концентрация определяемого компон нта;

P — давгение газа, Па;

Т вЂ” температура газа, К;

R — газовая постоянная, равная

8,31 Дж/моль К;

d — толщина газового слоя, м.

Индексы 1 и 2 при р и М означают," что данная величина относится соответственно к анализируемому газу и газу с известными абсорбционными свойствами: индекс Π— к газовому остатку (наполнителю) анализируемого газа.

Из выражения

Рп(й„/)!1 ) (ц М -y М C+p. М

Еп(М /к,)= ) Мг видно, что получаемая информация о концентрации анализируемого компонента не зависит от температуры и давления анализируемого газа, Таким образом, единственным необходимам условием для реализации предложенного способа анализа газа является равенство температуры и давления анализируемого газа и газа с известными абсорбционными свойствами лишь на время выполнения одного анализа, что практически легко осуществимо.

Концентрация определяемого компонента анализируемого газа, в соответствии с выра-. жением (7), вычисляется па формуле

CA " В (8)

Cn(N /iV

Ь(м /м) В 1

A!

) 2,1 ) о О

Ь =

М,М1 -! -оМа

Толщина слоя газа в кювете при первом просвечивании определяется из условия оптимальной нормированной среднеквадратичной абсолютной погрешности, которая незначительно меняется при изменении коэффициента ослабления излучения N / N,в пределах

3 ь и /N„415. (9) .Согласно (9) тол1цина слоя газа д„определяется при No/N„ 3 для минимальной концентрации определяемого компонента. Максимальная толщина слоя газа 4 определяется из условия минимальной относительной среднеквадратичной погрешности определения концентрации определяемого компонента

1124207 которого абсорбционные свойства исследуемого газа проявляются в большей степени, а также стабильности измерении ввиду отсутствия герметизированной кюветы с эталонным газом.

Например, для энергии квантов 5,9 кэВ (излучение изотопа железа — 55), используемой в известном способе, массовый коэффициент ослабления для сероводорода имеет значение

20,1 м /кг; для энергии квантов 3,08 кэВ

1О (1. — серия А ) 125,3 м /кг. При этом соотношение где

1асятй

)3 (М- о "о1

d 2-81 11 о 0 иьин й

Минимальное значение относительной среднеквадратичной погрешности будет при относительном изменении толщины слоя газа о" ol„=

Pr (N и"„)

Таким образом, 4,=4, 1. 1Ь(йо/N, ) )

Отношение Ио/N„= 15 выбирается для вычисления величины 4 с учетом максималь2 ной концентрации определяемого компонента.

Для конкретного случая анализируемого газа — бинарная смесь Н S + воздух при 35 изменении концентрации Н S от 20 до

30 об.% и энергии квантов излучения Е

=3,08 кэВ с учетом критерия (9) получают

4 „= 0,025 м, 4g = 0,043 м, У4„= 0,72. о

Зависимость относительной ошибки d" от с относительного изменения толщины газового слоя А „согласно выражению (10) приведена на фиг. 2; кривая 9 для 20%, а 10 — для

30%-ного содержания Н S в воздухе. Иэ графика на фиг. 2 видно, что среднеквадратичная относительная ошибка с незначительно (ма 0,1%) меняется прн варьировании относительного изменения толщины газового слоя в пределах 0,5 с Ф4, 3. Кроме того, при изменении в заданных пределах определяемого компонента значение d" также изменяется незначительно. Таким образом, полученное с учетом критерия (9) значение сФд 0,72 хорошо согласуется с условием о,„,.„. 5

Повышение точности в предлагаемом способе анализа состава газа происходит вследствие использования более мягкого излучения, для о С „„„,. Относительноную погрешность определения концентрации можно описать выражением

atс= (неир(к(1 Усэ,1), (wol

Pd

,„д „Ц,)С+„,М,) — ; где Е, и Š— энергия квантов излучения;

S и $ — относительная чувствительность при энергии Е„ и Е соответственно, характеризующая относительное изменение скорости счета. квантов на выходе кюветы с исследуемым газом при единичном изменении определяемого компонента.

Постоянная и для рассматриваемой области энергий приблизительно равна 2,78.

Для экспериментальной проверки предлагаемого способа анализа состава газа были изготовлены две группы проточных кювет с одинаковыми абсорбционными свойствами для каждой группы. Каждая группа состояла из цилиндрических кювет диаметром 30 мм с толщиной слоя газа 4„=,25 мм и трех кювет с толщиной газового слоя 4, равной

28; 43 и 175 мм. Окна кювет выполнены из лавсановой пленки толщиной 5 мкм. В качестве излучателя использовалась маломощная рентгеновская трубка типа БХ2 с анодом прострельного типа иэ серебра. При анодном напряжении 5 кВ возбуждалась 1 — серия характеристического рентгеновского излучения серебра с Е = 308 кэВ в качестве эФФ детектора излучения испольэовали рентгеновский проточный пропорциональный счетчик

С:РПП вЂ” 22М, питаемый стандартной газовой смесью Аг 90%+СН 10%. Для выравнивания температуры и давления анализируемого газа и газа с известными абсорбционными свойствами испольэовали теплообменник и дрексельное устройство. Для регистрации импульсов детектора излучения и обработки информации применяли типовые блоки и микроЭВМ

"Электроника ДЗ вЂ” 28".

В результате экспериментальных исследований для некоторых значений 4И„были получены следующие данные, сведенные в таблицу.

Д2% мм

7 1124207 8

1 ного при различных значениях отношения сЫ„0,1 0,72 6 Р/Т в диапазоне 00 — 400 Па/К.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что резулътаты анализа не зависят от изменения температуры и давления анализируемого rasa. результаты эксперименталъных исследовании показали, что значение 1с % 024 006 038 способа анализа газа в 4,5 — 5 раэ превышает

Как видно иэ таблицы, значения среднеквад-1р соответствующее значение известного способа.ратнчной относительной погрешности определе- Предлагаемый способ анализа сцставагаэа ния концентрации сероводорода для разных . расширяет диапазон реализации рентгенораэначений относительной толщины слоя газа диометрических методов газового анализа в согласуются с характером изменения Кс= сторону использования излучения более ниэФ(сЮ,),приведенномнафиг.2.. . Ha фиг. 3 1g койэнергии, что позволяет повыдить точпредставлены результаты анализа 30 -ного . ность анализа на элементы с малым атомным содержания сероводорода в воздухе, выполнен- номером.

1124207

g0

tд

1б

1Р

12

t0

О

Я-2

1124 2О7

12 оа р п .

Составитель М. Викторов

1схред Л. Коцюбняк

Редактор Л. Пчелинская

Корректор С. Шекмар .

Тираж 822

ВНИИПИ Государственного комитета СССР ло делим изобрсгсний и открытий

l l303S, Москва. Ж-3S. Раушская наб., д. 4/5

Заказ 827 l /33

Подписное

Филиал llllll "Па снг". г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ДИ

МО 540 . Ю 580