УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ И ПОВЕРКИ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ
GAS ANALYSER CALIBRATION VERIFICATION DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газоаналитическим измерениям, и может быть использовано во всех отраслях промышленности для градуировки и поверки газоанализаторов.
Известны устройства для градуировки и поверки гигрометров и газоанализаторов, представляющие собой абсолютные генераторы, в основу работы которых положен метод двух давлений, заключающийся в насыщении газа-носителя (далее газа) парами дозируемого компонента при повышенном давлении и последующем изотермическом понижении его до рабочего давления поверяемого газоанализатора [Белошицкий А.П. / Приборы и системы управления. 1994. - №5. - С.36-39.].
Указанные устройства содержат измерители температуры и давления, жидкостный термостат, в который помещен насытитель, выходные коммуникации и систему термостатирования [А.С. СССР №890350, кл.3 G01W 1/11, 1979. Генератор влажного газа образцовый РОДНИК-3. ТУ 6-86 5К1.550.109 ТУ. Пат. 2245565 Российской Федерации. Бюл. №3. 2005. Пат.2275661 Российской Федерации. Бюл. №12. 2006].
Наиболее близким из них к изобретению является устройство для градуировки и поверки гигрометров [Пат.2245565 Российской Федерации. Бюл. №3. 2005], которое содержит измерители температуры и давления, выходные коммуникации, жидкостный термостат, в который помещен выполненный в виде вертикального набора сообщающихся тарелок насытитель, и систему термостатирования, включающую терморегулятор, блок сопряжения и резервирования, теплообменник, устройства подачи хладагента (2 шт.), криогенные сосуды (2-4 шт.) и мешалку.
Указанное устройство предназначено для получения ПГС с заданным значением объемной доли водяного пара. В том случае когда насытитель заполнен другим компонентом, например гексаном, метанолом или др., получают ПГС с заданной объемной долей этого компонента (ОДК), и устройство может быть использовано для градуировки и поверки соответствующих газоанализаторов.
Необходимость получения ПГС с ультрамалыми значениями ОДК обусловила использование в составе устройства сложной системы термостатирования для понижения температуры насытителя с целью понижения равновесного давления паров (давления насыщения) дозируемого компонента. Снизить значения ОДК в ПГС возможно также, понижая давление газа-носителя в насытителе, но его конструкция рассчитана на максимальное давление газа в 1 МПа, и возможность регулирования давления в насытителе в узком диапазоне (от 0,01 до 1 МПа) не позволяет получать ПГС с ультрамалыми значениями ОДК без значительного понижения температуры насытителя.
-1
Несмотря на чрезвычайно высокие метрологические характеристики (относительная погрешность 1,5-2%; диапазон воспроизводимой ОДК от 0,3 до 20000 млн и др.) данное устройство отличается невысокими динамическими характеристиками. Время выхода устройтсва на предельный режим термостатирования (t=-70°С) составляет 45-50 мин [Белошицкий А.П., Толстихин В.П. / Нефтепереработка и нефтехимия. - 2003. - №8. - С.64-68], требуется значительное время для перехода с одного значения ОДК на другое требуемое значение, что неудобно при оперативном ремонте и настройке порогов срабатывания различных сигнализаторов.
Задачей изобретения является улучшение динамических характеристик устройства для градуировки и поверки газоанализаторов, упрощение его конструкции, а также расширение ассортимента динамических генераторов.
Технический результат, заключающийся в улучшении динамических характеристик и упрощении конструкции устройства для градуировки и поверки газоанализаторов, достигается тем, что в состав устройства, включающего измерители температуры и давления, жидкостный термостат и насытитель, введен дополнительно стабилизатор высокого давления, используется пассивный жидкостный термостат, а насытитель представляет собой стальной сосуд, рассчитанный на высокое давление газа, на 30-60% объема заполненный жидким дозируемым компонентом, через который пропускают газ-носитель, подаваемый через барботер.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявленное устройство для градуировки и поверки газоанализаторов отличается от известного тем, что оно содержит стабилизатор высокого давления, пассивный жидкостный термостат, в который помещен насытитель, представляющий собой стальной сосуд, рассчитанный на высокое давление газа, на 30-60% объема заполненный жидким дозируемым компонентом, через который пропускают газ-носитель, подаваемый через барботер.
На чертеже схематически показано предлагаемое устройство. Устройство состоит из стабилизатора высокого давления 1, измерителя температуры 2, измерителей давления 3, 9, пассивного жидкостного термостата 4, насытителя барботажного типа 5, переменного дросселя 6 и вентилей 7, 8.
Устройство работает следующим образом.
Насытитель 5 устройства на 30-60% объема заполняют дозируемым компонентом, помещают в пассивный термостат 4, с помощью вентилей 7 и 8 задают давление газа в управляющей полости стабилизатора высокого давления (контроль давления по манометру 9) и, соответственно, в насытителе 5. Давление газа выбирают в зависимости от требуемой массовой концентрации дозируемого компонента (МКК) или ОДК в ПГС на выходе устройства. В насытителе поток газа, барботируя через слой залитой жидкости, насыщается парами дозируемого компонента. Далее газовая смесь проходит дроссель 6, с помощью которого устанавливают требуемый расход ПГС на выходе устройства, и поступает в градуируемый газоанализатор.
3
Массовая концентрация дозируемого компонента (МКК, мг/м) в ПГС на выходе устройства для температуры 20°С и нормального атмосферного давления рассчитывается по формуле:
-1
объемная доля дозируемого компонента (ОДК, млн) в ПГС на выходе устройства для тех же условий рассчитывается по формуле:
o
о
2
где Р - нормальное атмосферное давление, Р=101,325 кПа (1,033 кгс/см); р - давление насыщения паров дозируемого компонента при температуре термостатирования насытителя, Па (мм рт.ст.) [Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972 г.; Зубарев В.Н. Теплофизические свойства метилового спирта // ГСССД, Справочник. М.: Изд-во стандартов, 1973 г.; У.Д.Верятин и др. / Термодинамические свойства неорганических веществ. - М.: Атом-издат. - 1965. - С.262];
-1
-1
k - коэффициент размерности, k=9,869 млн/ Па или k=1315,789 млн/мм рт.ст.;
f - повышающий коэффициент, характеризующий отличие давления паров дозируемого компонента в присутствии газа-носителя при заданном давлении от значения давления его паров в вакууме (равновесное давление) при одной и той же температуре;
MB - молярная масса дозируемого компонента, г/моль;
2
Рн - избыточное давление газа в насытителе, кПа (кгс/см);
2
Ра - атмосферное давление, кПа (кгс/см);
z - коэффициент сжимаемости газа-носителя для температуры и давления газа в насытителе [В.В.Сычев и др. Термодинамические свойства азота. ГСССД, М.: Издательство стандартов. 1977];
3
Vм - молярный объем дозируемого компонента при температуре 20°С и атмосферном давлении 101,325 кПа (760 мм рт.ст.), Vм=24,05 дм/моль.
Возможность эксплуатации насытителя, представляющего собой стальной сосуд, при избыточном давлении газа в диапазоне от 0,01 до 10 МПа и включение стабилизатора высокого давления в состав устройства позволяет получать ПГС с малыми значениями ОДК без термостабилизации насытителя при отрицательных температурах и позволяет исключить сложную систему термостатирования, значительно упрощая конструкцию устройства. Температура насытителя, погруженного в пассивный термостат, равна температуре воды и практически равна температуре окружающего воздуха, таким образом, устройство в любой момент готово к работе. Время выхода устройства на установившийся режим сокращается до 3-5 мин (установление сорбционного равновесия в выходных коммуникациях), значительно сокращается время перехода с одного значения ОДК в ПГС на другое требуемое значение (улучшение динамических характеристик).
Возможность термостатирования насытителя только при положительной температуре обусловливает возможность применения конструктивно простого насытителя барботажного типа и простейшего лабораторного ртутного термометра типа ТЛ-4 вместо используемого в прототипе термометра сопротивления платинового с электронным блоком.
-1
-1
Предлагаемое устройство для градуировки и поверки обеспечивает воспроизведение ОДК в диапазоне, например для гексана от 0,1595 до 15,95 об.% (от 1595 до 159513 млн); для метанола от 0,1052 до 10,52 об.% (от 1052 до 105263 млн). При этом сохраняется абсолютность устройства: МКК рассчитывается по приведенной формуле (1), а ОДК - по формуле (2) с использованием фундаментальных экспериментальных данных по определению значений давления насыщения дозируемого компонента от температуры.
Несмотря на то что наименьшее значение диапазона воспроизводимой ОДК предлагаемого устройства значительно выше, чем у генератора, взятого в качестве прототипа, для сигнализаторов довзрывных концентраций, например, типа ЩИТ-3, градуируемых по гексану при ОДК 0,28 и 0,475 об.%, оно является вполне достаточным [Сигнализатор ЩИТ-3. Руководство по эксплуатации. 5В2.840.410 РЭ].
Таким образом, предложен простой, сравнительно малогабаритный генератор ПГС гексана, метанола, бензола и др. компонентов с высокими метрологическими (относительная погрешность 2-3%) и динамическими характеристиками, предназначенный для градуировки и поверки газоанализаторов и сигнализаторов довзрывных концентраций, особенно удобный для применения при наладке и настройке порогов срабатывания сигнализаторов.