АНАЛИЗАТОР КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРОДА В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ

Полезная модель относится к области аналитической техники, а именно, к средствам измерений, концентрации водорода многокомпонентных водородсодержащих газовых средах.
Известен анализатор концентрации водорода в газовых средах (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1989, С.301-302), содержащий диффузионную ячейку, состоящую из камер вспомогательного и анализируемого газов, разделенных друг от друга мембраной из сплава палладия с серебром, селективно проницаемой для водорода, и снабженных входными и выходными штуцерами, а также дополнительную проточную камеру, подключенную к входному штуцеру камеры вспомогательного газа., термокондуктометрический детектор, сравнительный терморезистор которого размещен в дополнительной камере, а измерительный терморезистор - в камере вспомогательного газа диффузионной ячейки, и блок измерения и регистрации сигнала детектора.
При работе анализатора, через мембрану из камеры анализируемого газа диффундирует только водород, который добавляется к потоку вспомогательного газа, омывающему измерительный терморезистор. Это вызывает изменение сопротивление терморезистора, которое измеряют и регистрируют блоком измерения и регистрации. Он служит мерой концентрации водорода в анализируемой газовой среде.
Недостатком такого анализатора является необходимость использования хрупких и дорогостоящих мембран из сплава палладия с серебром и отсутствия возможности контроля дрейфа начального уровня сигнала термокондуктометрического детектора, являющегося причиной заметной аддитивной погрешности.
Наиболее близким по технической сущности является анализатор концентрации водорода в газовых средах (Илясов Л.В., Сульман Э.М., Сульман М.Г. и др. Патент на полезную модель №38945, Бюл. №19, 2004 «Анализатор селективного определения объемной концентрации водорода в газах»), содержащий измерительную диффузионную ячейку, состоящую из камер вспомогательного и анализируемого газов, отделенных друг от друга мембраной, селективно проницаемой для водорода, и снабженных входными и выходными штуцерами, при этом входной штуцер камеры вспомогательного газа соединен через переменный дроссель с выходом стабилизатора расхода вспомогательного газа, а выходной штуцер этой камеры - с измерительной камерой термокондуктометрического детектора, колонку, выполненную в виде металлической трубки, вход которой подключен к выходу дозатора, а выход - к входному штуцеру камеры анализируемого газа, выходной штуцер которой соединен с атмосферой, и блок измерения и регистрации сигнала термокондуктометрического детектора.
В данном анализаторе используется полимерная мембрана, обладающая селективной проницаемостью для водорода.
В процессе работы такого анализатора через камеры диффузионной ячейки, а также измерительную и сравнительную камеры термокондуктометрического детектора протекают потоки вспомогательного газа (азот или воздух) с постоянными расходами. С помощью дозатора в поток газа, протекающего через камеру анализируемого газа шприцом вводят постоянную по объему пробу
анализируемого водородосодержащего газа. Это проба транспортируется потоком вспомогательного газа к мембране. Водород, содержащейся пробе, диффундирует через мембрану в камеру вспомогательного газа диффузионной ячейки. При этом диффузионный поток водорода через мембрану пропорционален концентрации водорода в пробе анализируемой газовой среды. Продиффундировавшие молекулы водорода подхватываются потоком вспомогательного газа, протекающим через камеру вспомогательного газа, и транспортируются этим потоком в измерительную камеру термокондуктометрического детектора. Появление в измерительной камере водорода вызывает сигнал термокондуктометрического детектора, который имеет форму пика, а амплитуда этого сигнала пропорциональна концентрации водорода в анализируемой газовой среде.
Недостатком такого анализатора является значительная погрешность измерений концентрации водорода при больших (80-95% об.) ее значениях в анализируемой газовой среде, что затрудняет применение анализатора в системах контроля концентрации водорода в водородсодержащих газовых средах технологических процессов, связанных в производством высокооктановых бензинов.
Задачей полезной модели является совершенствование конструкции анализатора концентрации водорода в газовых средах, направленное на увеличение его точности.
Технический результат - создание высокоточного анализатора концентрации водорода в газовых средах.
Технический результат достигается тем, что анализатор концентрации водорода в газовых средах, содержащий измерительную диффузионную ячейку, состоящую из камер вспомогательного и анализируемого газов, отделенных друг от друга мембраной, селективно проницаемой для водорода, и снабженных входными и выходными
штуцерами, при этом входной штуцер камеры вспомогательного газа соединен через переменный дроссель с выходом стабилизатора расхода вспомогательного газа, а выходной штуцер этой камеры - с измерительной камерой термокондуктометрического детектора, колонку, выполненную в виде металлической трубки, вход которой подключен к выходу дозатора, а выход - к входному штуцеру камеры анализируемого газа, выходной штуцер которой соединен с атмосферой, и блок измерения и регистрации сигнала термокондуктометрического детектора, согласно полезной модели дополнительно содержит стабилизатор расхода водорода и сравнительную диффузионную ячейку, причем входной штуцер камеры вспомогательного газа сравнительной диффузионной ячейки через переменный дроссель соединен с выходным штуцером стабилизатора расхода вспомогательного газа, а входной штуцер камеры анализируемого газа через переменный дроссель соединен с выходным штуцером стабилизатора расхода водорода, к которому также подключен вход дозатора, при этом выходной штуцер камеры вспомогательного газа сравнительной диффузионной ячейки соединен со сравнительной камерой термокондуктометрического детектора, а выходной штуцер камеры анализируемого газа - с атмосферой, причем сравнительная диффузионная ячейка идентична по конструкции измерительной диффузионной ячейке.
Такая конструкция позволяет увеличить точность измерения концентрации водорода за счет того, что обеспечивает ее определение по разности между 100% об. и суммарной объемной концентраций примесей в водородсодержащем газе. Это обеспечивается наличием сравнительной диффузионной ячейки и ее дифференциальным включением совместно с измерительной диффузионной ячейкой в измерительной схемой анализатора.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимного расположения.
Схема анализатора концентрации водорода в газовых средах показана на фиг.1.
Анализатор содержит измерительную диффузионную ячейку 1, состоящую из камеры вспомогательного газа 2 и камеры анализируемого газа 3, отделенные друг от друга мембраной 4, селективно проницаемой для водорода. Камеры 2 и 3 снабжены входными 5 и 6 и выходными 7 и 8 штуцерами. Входной штуцер 5 камера вспомогательного газа через переменный дроссель 9 соединен с выходом 10 стабилизатора расхода вспомогательного газа 11, а выходной штуцер 7 этой камеры соединен с измерительной камерой 12 термокондуктометрического детектора 13. Анализатор содержит также колонку 14, выполненную в виде металлической трубки, вход 15 которой подключен к выходу 16 дозатора 17, а выход 18 - к входному штуцеру 6 камеры 3 анализируемого газа. Выходной штуцер 8 этой камеры соединен с атмосферой. Термокондуктометрический детектор 13 подключен к блоку измерения и регистрации 19. Кроме этого анализаторы концентрации водорода в газовых средах содержит стабилизатор расхода водорода 20 и сравнительную диффузионную ячейку 21, аналогичную по конструкции и характеристикам измерительной диффузионной ячейки. Сравнительная ячейка содержит камеры 22 и 23, разделенные мембраной 24 и снабженные входными 25 и 26 и выходными 27 и 28 штуцерами. Входной штуцер 25 через переменный дроссель 29 соединен с выходом 10 стабилизатора расхода 11 вспомогательного газа, входной штуцер 26 через переменный дроссель 30 соединен с выходом 31 стабилизатора расхода водорода 20, к которому также подключен вход 32 дозатора 17. Выходной штуцер 27
соединен со сравнительной камерой 33 термокондуктометрического детектора 13, а выходной штуцер 28 - с атмосферой.
Работа анализатора концентрации водорода в газовых средах осуществляется следующим образом.
Анализатор имеет два режима работы «Подготовка» и «Анализ». В режиме «Подготовка» от стабилизаторов расхода 11 и 20 в камеры 5 и 23, а также 3 и 22 подают с постоянными расходами потоки вспомогательного газа (азот, воздух) и водорода. При этом в измерительной 1 и сравнительной 21 диффузионных ячейках происходит диффузия через мембраны 4 и 24 водорода из камеры 3 в камеру 2 и из камеры 22 в камеру 23. Так как характеристика мембран 4 и 24 одинаковы, то диффузионные потоки водорода из камер 3 и 22 в камеры 2 и 23 также одинаковы. Эти потоки в камерах в камерах 2 и 23 смешиваются с потоками вспомогательного газа, поступающими в эти камеры. При этом концентрации водорода в газовых потоках, поступающих в измерительную 12 и сравнительную 33 камеры термокондуктометрического детектора 13, практически одинаковы. Поэтому значение его сигала близко нулю. Этот сигнал регистрируют блоком 19 и принимают за начальный уровень сигнала анализатора. Режим «Подготовка» продолжается 10-20 с.
В режиме «Анализ», в который анализатор переводят вручную или с помощью командного прибора, дозатором 17 в поток водорода, протекающего через трубку 14, вводят постоянную по объему пробу анализируемой водородсодержащей газовой среды (объем пробы 1,5-5 мл.). Эта проба транспортируется через трубку 14 и через фиксируемый интервал времени, необходимый для завершения переходных процессов, вызванных переключением каналов дозатора, поступает в камеру 3. Так как концентрация водорода в пробе меньше чем в потоке водорода, то диффузионный поток водорода из камеры 3 в камеру 2 будет уменьшаться. Причем его уменьшение пропорционально суммарной концентрации
П
П
примесей, содержащихся в анализируемой в водородсодержащей среде. Это приводит к уменьшению концентрации водорода в потоке, поступающим в измерительную камеру 12 термокондуктометрического детектора 13. Так как в сравнительную камеру 33 этого детектора поступает поток газа с постоянной концентрации водорода, это вызывает сигнал термокондуктометрического детектора, имеющий форму пика, амплитуда которого пропорциональна объемной концентрации примесей С в водородсодержащей газовой среде. Концентрация водорода определяются как разность 100% об. - С% об. Устройство отображения информации блока 19 градуируют непосредственно в значениях объемной концентрации водорода.
При автоматической работе анализатора в каждом цикле анализа режимы «Подготовка» и «Анализ» повторяются.
В реализованном макете анализатора были приняты следующими значениями режимных параметров:
- объемный расход водорода - 3 л/час;
- объемный расход азота - 3 л/час;
- объем пробы - 1,5-5,0 мл. (подбирают в зависимости от концентрации примеси);
- температура - 45 С°;
- расход анализируемого газа - 15 л/час;
- время одного цикла анализа - 2-3 мин.
При этом погрешность измерений концентрации водорода составила 0,2-0,5% об. (против 1-2% об. для прототипа), то есть уменьшилось в 4-5 раз.
Преимущество предложенного технического решения является:
- простота конструкции и эксплуатации;
- высокая точность;
- экспрессность анализа.
Предложенный анализатор может быть создан на базе серийных лабораторных и промышленных хроматографов.
Анализатор может быть использован для контроля газовых потоков водородсодержащих газовых сред на предприятиях нефтеперерабатывающих и нефтехимической промышленности.