Способ получения поверочных газовых смесей для градуировки и поверки газоанализаторов и устройство для его осуществления

Сущность: способ получения поверочных газовых смесей (ПГС) заключается в десорбции дозируемого компонента из адсорбента в поток газа носителя, пропускаемого под избыточным давлением через сосуд, заполненный адсорбентом, на котором предварительно адсорбировано под избыточным давлением заданное количество дозируемого компонента. Далее поток газа носителя пропускают через турбулентный дроссель, установленный последовательно с сосудом, образуя на выходе из устройства исходный поток ПГС с максимальной концентрацией компонента для данного заполнения адсорбента и установленного в сосуде давления газа-носителя. Концентрация компонента в потоке ПГС на выходе устройства регулируется путем изменения давления газа носителя в сосуде и разбавлением исходного потока ПГС потоком газа носителя от источника сжатого газа, пропущенного через переменный турбулентный дроссель, подключенный параллельно сосуду и первому дросселю. Оба дросселя работают в надкритическом режиме истечения струи газа. Технический результат изобретения заключается в возможности получения ПГС с непрерывным рядом значений концентрации дозируемого компонента в широком диапазоне. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газоаналитическим измерениям, и может быть использовано во всех отраслях промышленности для градуировки и поверки газоанализаторов.

Известен способ получения поверочных газовых смесей (ПГС) хлора, заключающийся в электролитическом выделении хлора в поток газа носителя из увлажненной хлористой соли. Концентрацию хлора в ПГС регулируют путем изменения тока электролиза хлористой соли и расхода газа носителя через электролизер.

Этот способ реализован в устройствах для градуировки и поверки газоанализаторов, представляющих собой электролитические генераторы ПГС хлора. Устройство содержит систему электрического питания электролизера, стабилизатор тока электролиза, систему стабилизации расхода воздуха и электролизер (электролитическую ячейку), заполненный увлажненной хлористой солью [Генератор хлора "ГХ-120". Технические условия. ЛШЮГ. 413411.008 ТУ. 1997 г. Установка УПГС-5. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 5И2.950.011 ТО. 1974 г.].

Недостатком указанного способа и используемого для его реализации устройства является нестабильность состава ПГС на выходе, обусловленная тем, что потенциалы электролиза хлористой соли и воды близки. Параллельно с электролизом хлористой соли происходит электролиз воды. Технически невозможно измерить отдельно ток электролиза соли. Тем более, что доли тока электролиза соли и воды в суммарном токе во время работы генератора постоянно изменяются в зависимости от степени увлажнения соли при загрузке электролизера, равномерности распределения влаги по толще электролизной массы в электролизере и равномерности ее насыпной плотности, а также влажности газа-носителя и др. Поэтому каждый раз при включении и периодически во время работы генератора ПГС на выходе из него аттестуется по аналитической методике, изложенной в: Е.Н.Перегуд и Е.В.Гернат. Химический анализ воздуха промышленных предприятий. Л.: Химия, 1970 г., стр.276. Погрешность получения ПГС обусловлена погрешностью применяемой аналитической методики (5-6%) и нестабильностью генерируемой смеси.

Известен способ получения ПГС с помощью так называемых источников микропотока (ИМ) - ампул с требуемым дозируемым веществом (хлор, аммиак, сероводород, диоксид серы и др.). Способ заключается в диффузии молекул дозируемого вещества в поток газа носителя через стенку ампулы, помещенную в рабочую камеру термостата с постоянной температурой и стабилизированным потоком газа-носителя. Концентрация хлора в ПГС регулируется путем изменения расхода газа-носителя через рабочую камеру при постоянной температуре и, следовательно, постоянной производительности ИМ.

Для реализации данного способа используют устройства для градуировки и поверки газоанализаторов, представляющие собой диффузионные генераторы ПГС, содержащие стабилизатор давления и регулятор расхода газа, измерители температуры и расхода газа, систему электрического питания электронных блоков генератора, регулятор температуры и термостат, в который помещен сменный источник микропотока (ИМ) [Генератор ГДП-102. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ИБЯЛ. 413142.002 ТО. 1998 г. Генератор ГДП-01. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1Г2.050.010 ТО. 1992 г. (1Г2.050.010 ТУ). Термодиффузионный генератор (ТДГ-01) для приготовления газовых смесей в диапазоне концентраций от 100 до 0,01 млн^-1 с использованием источников микропотока. Производственно-коммерческая группа "ГРАНАТ": каталог продукции (http://www.granat-e.spb. ru/catalog_1284. html)].

Недостатками данного технического решения являются:

- нестабильность ИМ, обусловленная загрязнением внешней рабочей поверхности ампулы и проницаемостью в ампулу некоторых газов и паров из окружающего воздуха или из газа разбавителя (например, водяных паров). Вследствие этого искажается производительность ИМ за счет изменения рабочей ("работающей") поверхности ампулы и изменения парциального давления паров дозируемого компонента;

- получение ПГС в сравнительно узком диапазоне концентраций дозируемого компонента для одного ИМ. Например, для ИМ №7 [Источники микропотоков газов и паров ИМ. Паспорт ИБЯЛ. 418319.013 ПС] с производительностью 2,86 мкг/мин (проницаемость дозируемого компонента через стенку ампулы в поток газа разбавителя за единицу времени, мкг/мин) рабочий диапазон составляет от 1,91 до 9,54 мг/м³ хлора в ПГС в нормируемом диапазоне расходов (от 0,3 до 1,5 дм³/мин). Наблюдается всего пятикратное изменение концентрации от наименьшего до наибольшего значений диапазона. Чтобы реализовать приведенный в нормативной документации на генератор диапазон получаемых концентраций (от 0,7 до 50 мг/м³) необходимо приобретать несколько ампул ИМ;

- некоторая конструктивная сложность, обусловленная применением нескольких непростых пневматических и электрических (в том числе электронных) узлов и блоков;

- значительная относительная погрешность генератора (10-12%), определяемая суммированием погрешностей используемых блоков (регулятора расхода, измерителя расхода, измерителя температуры, методики аттестации ИМ, терморегулятора и др.);

- сравнительно длительное время выхода генератора на установившийся режим (2 ч), не считая двадцатичетырехчасовую технологическую тренировку в рабочем режиме после длительного хранения ИМ (пункт 7.3 паспорта ИМ). Это обусловлено тем, что для стабильной работы генератора необходимо установление теплового равновесия между термостатом и ампулой источника микропотока (прогрев вещества, заполняющего ампулу). Для прогрева требуется выдержка в течение 2 ч с продувкой заданного расхода газа-разбавителя для стабилизации массообменного процесса через стенку ампулы.

Задачей группы изобретений является разработка способа получения ПГС для градуировки и поверки газоанализаторов с концентрацией дозируемого компонента в широком диапазоне и конструктивно простого устройства (генератора) с высокими динамическими характеристиками для его осуществления.

Технический результат заключается:

- в обеспечении получения ПГС с массовой концентрацией дозируемого компонента в более широком диапазоне;

- в повышении стабильности состава ПГС на выходе генератора;

- в упрощении конструкции генератора;

- в уменьшение погрешности генератора;

- в исключении необходимости аттестации генератора во время его работы;

- в улучшении динамических характеристик генератора.

Заявляемый технический результат для группы изобретений достигают тем, что способ получения ПГС заключается в десорбции дозируемого компонента из адсорбента в поток газа-носителя, пропускаемого под избыточным давлением через сосуд, заполненный, например, активированным углем, на котором предварительно адсорбировано под избыточным давлением заданное количество дозируемого компонента. Поток газа-носителя, проходя между гранулами адсорбента, смешивается с парами компонента до равновесного состояния, проходит через турбулентный дроссель, установленный последовательно с сосудом, образуя на выходе из устройства исходный поток ПГС с максимальной концентрацией компонента для данного заполнения адсорбента и установленного в сосуде давления газа-носителя. Концентрация компонента в потоке ПГС на выходе устройства регулируется путем изменения давления газа-носителя в сосуде и разбавлением исходного потока ПГС потоком газа-носителя от источника сжатого газа, пропущенного через переменный турбулентный дроссель, установленный параллельно сосуду и первому дросселю.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве, включающем сосуд, заполненный адсорбентом, на котором предварительно адсорбировано под избыточным давлением заданное количество дозируемого компонента, измерители давления и температуры, переменный турбулентный дроссель, установленный последовательно с сосудом, переменный турбулентный дроссель, установленный параллельно сосуду и первому дросселю, причем оба дросселя работают в надкритическом режиме истечения струи газа, и два запорных вентиля, установленных на входе и выходе сосуда.

Предлагаемое изобретение отличается от известных технических решений тем, что способ получения ПГС заключается в десорбции дозируемого компонента из адсорбента в поток газа-носителя и реализуется в устройстве, включающем сосуд, заполненный адсорбентом, на котором предварительно адсорбировано под избыточным давлением заданное количество дозируемого компонента, измеритель давления, переменный турбулентный дроссель, установленный последовательно с сосудом, и переменный турбулентный дроссель, установленный параллельно сосуду и первому дросселю, причем оба дросселя работают в надкритическом режиме истечения струи газа.

Реализация способа получения ПГС и работа устройства показаны на примере получения ПГС хлора.

На чертеже приведена газовая схема устройства для градуировки и поверки газоанализаторов.

Устройство содержит измеритель давления 1 (манометр), сосуд 2, термометр 3, два переменных турбулентных дросселя 4 и 5 и два запорных вентиля 6 и 7.

Подготовку сосуда к работе проводят следующим образом: активируют адсорбент (активированный уголь), прокаливая его при температуре 360-400°С в течение 2,5-3 ч. Нагревают сосуд до температуры 110-130°С и засыпают в него горячий адсорбент, на сосуд устанавливают герметизирующий фланец. Нагревают пробоотборник с жидким хлором до температуры 35-45°С, при этом создается давление паров хлора около 13 кгс/см², необходимое для эффективного заполнения капилляров активированного адсорбента. С помощью трубопровода подсоединяют пробоотборник к сосуду и подают в сосуд газообразный хлор. По истечении времени, необходимого для заполнения адсорбента заданным количеством хлора, например 3-6 минут, запорные вентили сосуда и пробоотборника закрывают. После охлаждения сосуда до комнатной температуры его устанавливают в газовую систему устройства, реализующего предложенный способ.

После заполнения активированного угля заданным количеством хлора в газовой фазе сосуда устанавливается равновесное парциальное давление паров хлора. Чем большим количеством хлора заполнен адсорбент, тем более высокое равновесное парциальное давление паров хлора устанавливается в сосуде, тем более высокая концентрация компонента устанавливается в исходном потоке ПГС. Установившееся парциальное давление паров хлора остается практически неизменным в течение длительного времени при одной и той же температуре сосуда. Это обусловлено чрезвычайно развитой удельной поверхностью активированного угля и наличием в его структуре капилляров, размер которых соизмерим с размером молекул хлора, что обусловливает заполнение капилляров хлором. Этим свойством адсорбента определяется и высокая стабильность концентрации компонента в ПГС на выходе устройства.

Для получения ПГС с другим требуемым дозируемым компонентом адсорбент подбирается по размеру в нем пор (капилляров), которые должны быть соизмеримы с размером молекулы компонента.

Устройство работает следующим образом.

Газ от источника сжатого газа, например от баллона (не показан), при повышенном избыточном давлении от 0,175 до 1 МПа подают на вход устройства. Контроль давления - по манометру 1. При открытых вентилях 6 и 7 газ проходит через сосуд 2, где смешивается с парами хлора до равновесного состояния, дроссель 4, вентиль 7 на выход устройства, образуя исходный поток ПГС с максимальной концентрацией хлора для данного заполнения сорбента и установленного в системе давления. Расход газа через сосуд 2 определяется проходным сечением дросселя 4, которое регулируют вращением рукоятки дросселя. Оптимальный рабочий диапазон расхода газа через сосуд 2 равен от 15 до 150 см³/мин. Температура сосуда измеряется термометром 3.

С помощью запорных вентилей 6 и 7 сосуд 2 отсекают от газовой системы устройства при его выключении и хранении. Тем самым предотвращается коррозионное воздействие хлора на газовый тракт и узлы устройства.

Концентрацию хлора в ПГС на выходе устройства регулируют путем изменения давления газа в сосуде и разбавлением исходного потока ПГС.

За счет изменения абсолютного давления газа в сосуде от 0,275 до 1,1 МПа, концентрация компонента в ПГС изменяется практически в 4 раза. Минимальное абсолютное давление газа в сосуде 0,275 МПа обусловлено обеспечением надкритического режима истечения струи газа через переменные дроссели 4 и 5.

Разбавление исходного потока ПГС газом-носителем от источника сжатого газа осуществляют с помощью переменного дросселя 5, увеличивая расход газа в параллельной с сосудом ветви газовой системы. Поток газа (разбавителя) после дросселя 5 смешивается в тройнике с исходным потоком, разбавляет его и поступает на выход устройства и далее в градуируемый газоанализатор. Уменьшение концентрации в ПГС на выходе устройства по сравнению с концентрацией компонента в исходном потоке (при максимальном расходе газа через сосуд 2, равном 150 см³/мин) происходит в 20 раз при изменении расхода через переменный дроссель 5 от 0 до 3000 см³/мин. В случае уменьшения расхода газа через сосуд 2 с помощью переменного дросселя 4 до минимального значения 15 см³/мин возможности изменения концентрации компонента в ПГС еще более возрастают. Таким образом, отношение наибольшего значения концентрации к наименьшему рабочему диапазону достигает 800.

Массовую концентрацию (С, мг/м³) дозируемого компонента в ПГС на выходе генератора (устройства) рассчитывают по формуле

С=P_o·C_xt·Q_c/[(Р+P_a)(Q_c+Q_p)],

где Р_o - нормальное атмосферное давление, кгс/см². Р_о=1,033 кгс/см² (760 мм рт.ст.);

С_xt - массовая концентрация дозируемого компонента в газовой фазе сосуда для нормального давления и измеренной температуры сосуда. C_xt определяется по графику зависимости C_xt от температуры сосуда. График строят по экспериментальным данным, после заполнения адсорбента дозируемым компонентом. Концентрацию компонента в исходном потоке ПГС на выходе сосуда (на выходе устройства при закрытом дросселе 5) определяют по аналитической методике выполнения измерений (МВИ) массовой концентрации при нескольких значениях температуры (например, 15; 20 и 15°С) сосуда. C_xt для хлора определяют по МВИ, изложенной, например, в [Е.Н.Перегуд и Е.В.Гернат. Химический анализ воздуха промышленных предприятий. Л.: Химия, 1970 г., стр. 276];

Р - избыточное давление газа в сосуде и газовой системе генератора, кгс/см²;

Р_а - атмосферное давление, кгс/см²;

Q_c - расход газа через сосуд 2 и дроссель 4 при установленном абсолютном давлении (Р+Р_а) газа, см³/мин;

Q_p - расход газа (разбавителя) через дроссель 5 при установленном абсолютном давлении (Р+Р_а) газа, см³/мин.

Расход Q_c и Q_p измеряют с помощью внешних измерителей расхода (например, ГСБ-400, РГ7000 и др.) после задания требуемой концентрации компонента в ПГС. Сначала измеряют Q_c при заданном давлении, а затем суммарный расход (Q_c+Q_p) при том же давлении газа в системе устройства. После этого к выходу устройства подключают градуируемый газоанализатор.

Поскольку дроссели 4 и 5 "работают" в надкритическом режиме истечения струи газа, то при включении (настройке) потока Q_p расход Q_c практически не изменяется. На потоки Q_c и Q_p также не оказывает влияние и подключение к выходу устройства градуируемого газоанализатора.

Давление паров хлора в сосуде, а следовательно, и массовая концентрация компонента в исходном потоке ПГС остаются постоянными при изменении в широких пределах расхода газа, пропускаемого через сосуд.

Предложенное устройство является простым генератором ПГС, которое не содержит сложные измерительные и регулирующие узлы и электрические (электронные) блоки. Давление газа в сосуде 2 поддерживают и регулируют с помощью редуктора, установленного на баллоне со сжатым газом (азотом). Давление газа в системе устройства измеряют манометром (например, типа МО-160-1,0 МПа-0,4). Температуру сосуда измеряют ртутным термометром (например, типа ТЛ-4) с диапазоном измерений 0-55°С и ценой деления 0,1°С. Баллонный редуктор, манометр и термометр являются серийными изделиями, а поэтому дешевы и надежны в работе.

Поскольку давление паров компонента в сосуде регулируется количеством адсорбированного на активированном угле компонента, а также обеспечена возможность регулирования концентрации компонента в ПГС в широком диапазоне, то нет необходимости подогревать сосуд. Поэтому с целью упрощения конструкции устройства в нем "применен" принцип пассивного термостатирования, заключающийся в использовании тепловой инерции сосуда и корпуса устройства, ограничивающего конвекционный теплообмен сосуда с окружающей средой.

Устройство используют в лабораторных условиях, где температура окружающей среды монотонно повышается или понижается. Температура сосуда при этом изменяется еще медленнее. Медленные изменения температуры практически не увеличивают погрешность измерений концентрации компонента в ПГС, так как в устройстве обеспечена надежная теплопередача между сосудом и термометром.

Парциальное давление паров дозируемого компонента (например, хлора) в сосуде постоянно находится в динамическом равновесии с адсорбентом. Поэтому в любой момент генератор готов к работе. Стоит только подать на вход газ и открыть вентили, как ПГС с заданной концентрацией сразу начинает поступать к потребителю. Используемое для реализации предложенного способа устройство не содержит узлов, для которых необходимо установление, например, теплового равновесия. Этим обусловлены его высокие динамические характеристики.

Погрешность получения ПГС предложенным способом обусловлена относительной погрешностью аналитической методики (5-6%), используемой при построении графика зависимости массовой концентрации дозируемого компонента в исходном потоке ПГС от температуры сосуда после его заполнения хлором. Погрешность предлагаемого устройства несколько меньше погрешности диффузионных генераторов.

Предлагаемый способ получения ПГС для градуировки и поверки газоанализаторов и устройство для его осуществления обеспечивают техническую возможность получения ПГС с непрерывным рядом значений концентрации дозируемого компонента в широком диапазоне.

1. Способ получения поверочных газовых смесей для градуировки и поверки газоанализаторов, заключающийся в десорбции дозируемого компонента из адсорбента в поток газа носителя и включающий пропускание потока газа носителя под избыточным давлением через сосуд, заполненный адсорбентом, на котором предварительно адсорбировано под избыточным давлением заданное количество дозируемого компонента, затем через переменный турбулентный дроссель, установленный последовательно с сосудом, смешении его с потоком газа носителя, пропущенным через второй переменный турбулентный дроссель, установленный параллельно сосуду и первому дросселю, причем оба дросселя работают в надкритическом режиме истечения струи газа.

2. Устройство для градуировки и поверки газоанализаторов, включающее сосуд, заполненный адсорбентом, на котором предварительно адсорбировано под избыточным давлением заданное количество дозируемого компонента, переменный турбулентный дроссель, установленный последовательно с сосудом, и переменный турбулентный дроссель, установленный параллельно сосуду и первому дросселю, причем оба дросселя работают в надкритическом режиме истечения струи газа.