КАПИЛЛЯРНЫЙ ДИФФУЗИОННЫЙ ИСТОЧНИК МИКРОПОТОКА ПАРА

Полезная модель относится к физико-химическим методам контроля, анализа и метрологического обеспечения газоаналитической аппаратуры и может быть использована для дозирования микропотока пара летучих веществ при приготовлении парогазовых смесей с известным содержанием анализируемого компонента.
Действие известных капиллярных источников микропотока паров основано на явлении, заключающемся в том, что пар жидкого или твердого вещества при постоянных температуре и давлении на одном конце трубки может перетекать за счет перепада давления и диффузии к другому концу трубки.
Источники, как правило, заполняют жидкой или твердой фазой анализируемого вещества. При постоянной температуре (аттестации) давление насыщенных паров анализируемого вещества создает постоянный перепад давления на входе и выходе капилляра, благодаря которому возникает постоянный поток анализируемого вещества.
На стабильность производительности источников микропотока, кроме указанных температуры и давления газоносителя, основное влияние оказывает чистота внутренней поверхности капиллярной трубки, которая может нарушиться при изменении окружающей температуры, в процессе установки в термостат или при удалении из него из-за появления конденсата в капилляре.
Известен диффузионный источник микропотока пара (US 2009255351 (А1), 2009-10-15), который содержит горизонтально ориентированный газонепроницаемый цилиндрический корпус в виде отрезка полой трубы с герметизирующими пробками на ее концах. Одна из пробок содержит ряд капилляров и перегородку, прозрачную для пара. Заполняемое корпус твердое рабочее вещество - карбамат аммония при определенной температуре выделяет аммиак, который создает перепад давления на входе и выходе капилляров - постоянный поток анализируемого вещества.
Известный источник не может быть использован для анализа жидких веществ.
Известен также капиллярный диффузионный источник микропотока пара анализируемого вещества (VICI Metronics 2991 Corvin Drive, Santa Clara, CA 95051 U.S.A. Phone: (408)737-0550, Telex: 35-2129 - проспекты фирмы, проницаемые источники "Danacal" Capillary diffusion tubs.), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом предлагаемому источнику.
Известный капиллярный источник микропотока пара содержит герметичный газонепроницаемый цилиндрический стеклянный корпус с рабочей жидкостью - жидкой фазой анализируемого вещества и капилляр, герметично и с эксцентриситетом прикрепленный к торцу корпуса своим входным участком.
Входной участок капилляра снабжен упорными ножками, для фиксации источника в горизонтальном положении и предохранения его от опрокидывания.
Длина (~75 мм) и внутренний размер капилляра (от 0,5 до 5 мм) определяют его диффузионное сопротивление исходящему потоку паров анализируемого вещества. Для увеличения объема жидкой фазы анализируемого вещества, то есть его срока работы, капилляр подсоединен к корпусу с эксцентриситетом (+"е"), относительно оси корпуса.
Известный источник микропотока работает следующим образом.
После заполнения корпуса источника микропотока жидкой фазой анализируемого вещества, уровень которой должен быть ниже входного отверстия капилляра, аккуратно, не допуская попадания жидкости в него, устанавливают в горизонтальном положении в термостатируемую камеру калибратора с заданной температурой (от 40 до 350°С).
В случае попадания жидкости в капилляр при возможном наклоне источника потребуется длительное время для отдувки из него жидкой фазы анализируемого вещества, влияющей на стабильность генерируемого диффузионного потока пара.
2
По входному патрубку термостата с заданным расходом подается стабильный поток газа-разбавителя (как правило, N). Выход на рабочий режим определяется по стабильному истечению через выходной патрубок калибровочной газовой смеси анализируемого вещества при температуре аттестации.
Последовательное расположение капилляра относительно корпуса увеличивает общую длину источника микропотока (до 15,2 мм), а также для повышения прочности требует увеличения толщины стенки капилляра из-за его хрупкости, особенно для капилляров с малым, ≤2 мм, внутренним диаметром.
Работа с известным капиллярным источником микропотока требует квалифицированного обслуживания и опыта, особенно необходимого при заполнении источника рабочей жидкостью и его установке в термостат.
Повышенные требования также предъявляются к термостату в части отсутствия градиента температуры в его рабочем пространстве, поскольку из-за пространственного разнесения корпуса и капилляра пары вещества могут конденсироваться в капилляре даже при незначительном перепаде температур паров вещества в корпусе и в самом капилляре. Конденсат в капилляре влияет на стабильность состава диффузионного потока пара анализируемого вещества в приготовляемых парогазовых смесях.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится сложность его эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является упрощение условий эксплуатации.
Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, заключается в исключении возможности попадания рабочей жидкости в капилляр при любых пространственных положениях источника и исключение возникновения конденсата анализируемого вещества в капилляре.
ж
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в заявляемом капиллярном диффузионном источнике микропотока пара, содержащем герметичный газонепроницаемый цилиндрический корпус с рабочей жидкостью - жидкой фазой анализируемого вещества и герметично прикрепленный к одной из торцевых частей корпуса капилляр с входным и выходным отверстиями на его соответствующих участках, в отличие от известного источника, капилляр герметично прикреплен к торцевой части корпуса своим выходным участком и установлен соосно внутри корпуса таким образом, что расстояние от торца входного участка капилляра до поверхности максимального объема рабочей жидкости, заполняющей нижнюю часть корпуса, равно расстоянию, равному превышению этого торца над поверхностью того же объема жидкости, заполняющей верхнюю часть корпуса с капилляром при перевороте корпуса, при этом объем рабочей жидкости V выбирается из условия отсутствия контакта ее поверхности с входным отверстием капилляра при любых пространственных положениях источника и определяется из следующего соотношения:
ж
c
V≤S·L,
где: L - длина свободного внутреннего пространства корпуса,
c
c
S - площадь сегмента круга с высотой h=R-r,
R - внутренний радиус корпуса,
r - наружный радиус капилляра.
Выходной участок капилляра может быть прикреплен к корпусу с помощью разъемного соединения.
На фиг.1 показано условное изображение заявляемого источника микропотока пара в вертикальном положении с жидкостью в нижней части; на фиг.2 - источника микропотока в перевернутом положении, на фиг.3 - источник микропотока с разъемным присоединением капилляра к корпусу, на фиг.4 - источник микропотока в горизонтальном положении, на фиг.5 и 6 - - источник микропотока в различных пространственных положениях, на фиг.7 - графическая иллюстрация расчета площади сегмента круга
1
Заявляемый капиллярный диффузионный источник микропотока пара (фиг.1) содержит герметичный газонепроницаемый цилиндрический корпус 1 с рабочей жидкостью 2 и герметично прикрепленный к корпусу 1 капилляр 3. Капилляр 3 герметично прикреплен к торцевой части 4 корпуса 1 своим выходным участком 5 с выходным отверстием 6 и установлен соосно корпусу 1 внутри его верхней части 7.
1
2
Длина капилляра 3 выбрана таким образом, что расстояние от торца 8 входного участка 9 с входным отверстием 10 капилляра 3 до поверхности рабочей жидкости 2 максимального объема в нижней части 11 корпуса 1 (фиг.1) равно расстоянию, равному превышению этого торца 8 над поверхностью того же объема жидкости 2, перемещенной в верхнюю часть 7 корпуса 1 с капилляром 3 (фиг.2) при перевороте корпуса 1 на 180°.
Выходной участок капилляра 5 может быть прикреплен к корпусу 1 с помощью разъемного соединения 12 (фиг.3).
c
Предварительно по известным значениям величин внутреннего радиуса R корпуса 1, наружного радиуса r капилляра 3 и высоте сегмента круга h=R-r, по известной формуле (Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. М.: Наука, 1966):
c
Δ
2
S=πRα°/360-S,
где α°=2arccos r/R - градусная мера центрального угла, которая содержит дугу этого сегмента круга,
R - внутренний радиус корпуса,
r - наружный радиус капилляра.
- площадь треугольника с вершинами в центре круга и на концах радиусов, ограничивающих соответствующий сектор,
c
рассчитывают площадь сегмента круга S, определяющего максимальный уровень рабочей жидкости в корпусе 1 при его горизонтальном положении (фиг.4).
c
Поскольку внутренний радиус R корпуса 1, как правило, намного больше наружного радиуса r капилляра 3, то для расчета площади сегмента круга S (фиг.7) может быть использована следующая приближенная формула:
c
2
S≅πR/2-2Rr.
ж
С учетом длины L - свободного внутреннего пространства корпуса 1 рассчитывают величину максимального объема V рабочей жидкости 2:
ж
c
V=S·L,
ж
н
1
По значению величин внутреннего радиуса R корпуса 1, наружного радиуса r капилляра 3 и максимального объема V рабочей жидкости 2 определяют длину L нижней части 11 внутренней полости корпуса 1, заполненной рабочей жидкостью 2 («нижний уровень» - фиг.1).
н
ж
2
L=V/πR
в
2
и длину L верхней части 7 внутренней полости корпуса 1, в случае ее заполнения рабочей жидкостью 2 при повороте корпуса 1 на 180° («верхний уровень» - фиг.2):
в
ж
2-
2
L=V/(πR-πr)
С учетом длины свободного внутреннего пространства корпуса 1 - L определяют расстояние ΔL - промежуток между «нижним» и «верхним» уровнями рабочей жидкости 2 в корпусе 1:
н
в
ΔL=L-(L+L)
Отсюда длина внутренней части капилляра 3
к
в
L=L+ΔL/2.
ж
С помощью шприца через капилляр 3 в нижнюю часть 11 корпуса 1 заливают жидкую фазу анализируемого вещества - рабочую жидкость 2 (фиг.1), объем которой не превосходит ее рассчитанный максимальный объем - V. Источник с рабочей жидкостью 2 устанавливают в горизонтальном положении (фиг.4) в термостатируемую камеру калибратора с заданной температурой.
2
По входному патрубку термостата с заданным расходом подается стабильный поток газа-разбавителя (как правило, N). При достижении режима термостабилизации (температуры аттестации) источника на выходе капилляра 3, под действием образующегося давления насыщенных паров анализируемого вещества, устанавливается стабильный поток пара, который, смешиваясь с омывающим источник микропотока газом-разбавителем, образует калибровочную газовую смесь, поступающую на выходной патрубок. Выход на рабочий режим определяется по стабильному истечению через выходной патрубок калибровочной газовой смеси анализируемого вещества при температуре аттестации.
В случае одновременной работы с одним или несколькими источниками микропотока (получение многокомпонентной газовой смеси), используя разъемное соединение 12 (фиг.3), можно заменить капилляр 3 на другой с иным диаметром внутреннего отверстия, что позволяет при одной и той же температуре, изменять концентрацию основного или одного из компонентов газовой смеси.
Расчет конструкции и экспериментальная проверка образца источника показала, что длина внутренней части капилляра 3 и соответственное пространственное расположение его входного отверстия 10 внутри корпуса 1 источника и определение максимально возможного объема рабочей жидкости 2 исключает возможность ее попадания в капилляр 3 при любых пространственных положениях (фиг.4, 5, 6) корпуса 1 источника (выполнение условия «непроливайки»).
Параметры экспериментального образца:
ж*
c*
с
R=0,8 см, r=0,2 см и L=15 см. Максимальный объем рабочей жидкости V равен объему цилиндрического сегмента с площадью кругового сегмента S при (h=R-r=0,6 см, α°=2arccos r/R=151°):
,
ж*
c
3
V=S·L=0,687·15=10,305 (см).
н*
ж*
2
L=V/πR=10,305/2,011=5,124 (см),
в*
ж*
2-
2
L=V/(πR-πr)=10,305/(2,011-0,126)=10,305/1,885=5,464 (см),
н*
в*
ΔL*=L-(L+L)=15-10,609=4,412 см),
к*
в*
*
L=L+ΔL/2=5,464+2,206=7,670 (см).
c
Расчет параметров экспериментального образца по приближенной формуле S сегмента круга (см. фиг.7):
c*
2
S≅πR/2-2Rr=1,005-0,32=0,685,
ж*
c
3
V=S·L=0,685·15=10,279 (см),
н*
ж*
2
L=V/πR=10,279/2,011=5,111 (см),
в*
ж*
2-
2
L=V/(πR-πr)=10,279/(2,011-0,126)=10,279/1,885=5,453 (см),
н*
в*
ΔL*=L-(L+L)=15-(5,111+5,453)=15-10,564=4,436 (см),
к*
в*
*
L=L+ΔL/2=5,453+2,218=7,671 (см).
Как видно полученные результаты расчета длины капилляра экспериментального образца по известной и приближенной формулам отличаются на десятые доли мм.
Конструктивное выполнение заявленного капиллярного диффузионного источника микропотока пара за счет расположения капилляра непосредственно в парах вещества позволяет также:
- обеспечить равенство температур капилляра и паров внутри корпуса, тем самым устраняя возможность образования конденсации паров внутри капилляра;
- использовать более тонкостенные капилляры с диаметром ≤2 мм;
- повысить механическую прочность источника и исключить возможность опрокидывания;
- измененять производительность источника в процессе работы за счет смены капилляра в источнике.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемой полезной модели, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.