Способ анализа газовых смесей и устройство для его осуществления

Способ анализа газовых смесей и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. Спосор анализа газовых смесей , заклюЧгисхцийся в том, что анализируемую газовую смесь помещают в камеру с мембраной, через которую диффундируют компоненты смеси, измеряют перепад давления на мембране, .по изменению которого судят о количественном и качественном составе смеси,-от лич а ющ и и с я тем, что, с целью повшиения точности анализа и увеличения разрешения по массовым числам компонентов, в качестве мембраны используют ядерный фильтр, размер пор в котором на два или более порядков .леньше длины свободного пробега самого тяжелого компонента газовой смеси при выбранном давлении, а в пространстве за мембраной в направлении диффузии компоg (Л нентов смеси создают и поддерживают постоянное давление, меньшее давления анализируемой газовой смеси в камере.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

M%IIV

РЕСПУБЛИК

ОйИСАЙие иЗОБРЕт

М CBTOPCIIOMV CMICBIBCOCTBV

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ .КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3618509/23-25 (22) 11 ° 07 ° 83 (46) 07-.12 ° 84. Бюл. 9 45 (72) В.В.Овчинников, В.И.Кузнецов, В.Д.Селезнев и В.Д.Акиньшин (71) Объединенный институт ядерных исследований (53) 543.544 (088.8), (56) .l.éâëëåð Г., Гнаух Г. Газы высокой частоты. И., Иир, 1968, с. 171-172.

2.Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей. И., Иир ", 1970, с. 8489. (54) СПОСОБ АНАЛИЗА ГАЗОВЫХ СИЕСЕИ

И УСТРОЙСТВО;цЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯМ (57) 1 ° Способ анализа газовых сме сей, заключающийся в том, что анализируемую газовую смесь помещают

„.БУ„„А в.камеру с мембраной, через которую диффундируют компоненты смеси, измеряют перепад давления на мембране, по изменению которого судят о количественном и качественном составе смеси, отличающийся тем что, с делью повышения точности анализа и увеличения разрешения по массовым числам компонентов, в качестве мембраны используют ядерный фильтр, размер пор s котором на два или более порядков:меньше длины свободного пробега самого тяжелого компонента газовой смеси при выбранном давлении, а в пространстве эа мембраной в направлении диффузии компонентов смеси создают и поддерживают Е постоянное давление, меньшее давления анализируемой газовой смеси в камере.

1128149

Изобретение относится к способам анализа газовых смесей, и прибор, построенный на этом принципе, может . найти широкое применение как для лабораторных анализов, так и в тех 5 отраслях народного хозяйства,.где необходимо проводить одновременно качественный и количественный анализ состава газовых смесей.

Известны,способы измерения кон- 19 центрации газовых смесей, основанные на принципах дифФузии газа через пористую перегородку-мембрану s соответствии с законом Грэхема (1) .

Однако все устройства, работающие на этом принципе, позволяют измерять, как правило, концентрацию только одного,и то заранее известного, компонента газовой смеси.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ анализа гозовых смесей, saключаюшийся в том, что анализируемую газовую смесь помещают в камеру с мембРаной, через которую диффундируют компоненты смеси, измеряют период давления на мембране, по из-, менению судят о количественном и качественном составе смеси .(2) .

Устройство д я.осуществления yg известного способа содержит две камеры, разделенные мембраной, впускной клапан для ввода анализируемой смеси, установленной в одной из камер, выпускной клапан, установленный во второй камере, и.измеритель перепада давлений между камерами. Анализ смеси ведется по степени ее диффузии через мембрану и в камеру с тем же объемом и давлением, но содержащую эталонную смесь газов. наличие 40 разности концентраций компонент приводит к сдвигу давлений между каме рами — бароэффекту, по максимальной величине которого определяется концентрация газовых компонент в смеси,(2)3.

Прибор, реализованный на этом принципе, позволяет проводить как

45 B устройстве для анализа газовых смесей содержащем две камеры, разделенные мембраной, впускной клапан для ввода анализируемой газовой сме2. Устройство для анализа газо вых смесей, содержащее две камеры, разделенные мембраной, впускной .клапан для ввода анализируемой газовой смеси, установленный. в одной из камер, выпускной клапан, установленный в другой камере, и измеритель перепада давления между камерами, -о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности анализа и увеличения разрешения по массовым числам компонентов, мембрана выполнена в виде ядерного

Фильтра, размер.пор в котором на два или более порядков меньше длины свободного пробега самого тяжелого компонента газовой смеси при выбранном давлении,и в устройство введены стабилизатор давления и вакуум-насос,подсоединенные к выпускному клапану.

2 количественный (по концентрациям), так и качественный (по молярным массам) анализ газовых смесей, используя при этом предварительную градуировку.

Однако известный способ обладает низкой точностью анализа вследствие определения величины бароэффекта относительно эталонной смеси газов, что требует определенного температурного выравнивания между камерами.

В известном устройстве в порах мембраны преобладает вяэкостный, в лучшем случае промежуточный режим течения смеси по массовым числам, и также влияет на точность измере-. ний. Поэтому работают, как правило, с заранее известным набором газовых компонент или производят градуировку прибора по массовым числам.

Целью изобретения является иовышение.точности и увеличение разрешения по массовым числам компонентов.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу анализа газовых смесей, заключающемуся в том, что анализируемую газовую смесь помещают в камеру с мембраной, через которую диффундируют компоненты смеси, измеряют перепад давления на мембране, по изменению которого судят в количественном и качественном составе смеси,в качестве мембраны используют ядерный Фильтр, размер пор в котором на два .или более порядков меньше длины свободного пробега самого тяжелого компонента га-. зовой смеси при выбранном давлении, при этом в пространстве за мембраной s направлении диффузии компонентов смеси создают и поддерживают постоянное давление, меньшее давления анализируемой газовой смеси в камере.

1128149 начальное) составляет .1 .ат со стороны низкого давления - 10 торр. Анализ общей экспоненциальной зависимости и ее обработка на ЭВИ дали результаты по массовым числам (Не-Ar-Kr) и концентрациям не хуже 5% (по точности и разрешению).

На чертеже изображена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит впускной клапан 1, соединенный с камерой 2, в которой находится мембрана 3, На выходе мембраны 3 имеется вторая камера 4, снабжейная выпускным клапаном 5, соединенным последовательно со стабилизатором давления 6 и вакуум-насосом 7. Дифференциальный. манометр 8 подключен к камере 2 и к камере 4 на выходе мембраны 3.

Устройство работает следующим образом.

Камера 2 через впускной клапан 1 заполняется анализируемой смесью газов до некоторого первоначального давления Р;, при этом выпускной клапан 5 закрыт. Давление устанавливается равным с обоих сторон мембраны 3. Затем открывается клапан 5 и давление с этой стороны мембраны 3 быстро падает до Р— поддерживаемом на постоянном уровне стабилизатором б давления. Дифференциальный .манометр 8 в этот момент показывает наличие перепада давлений на мембране а Р Р, — Р,, газовая смесь начинает диффундировать в сторону меньшего давления и далее отводится из системы насосом 7, при этом давление в камере 2 меняется по экспоненциальному закону.

По сложности решаемой задачи предлагаемый способ и устройство для его осуществления могут быть. сравнены с масс- спектрометрами.

Любой масс-спектрометр — это сложное и дорогостоящее оборудование, а необходимость специальной подготовки смеси перед анализом, обеспечение высокого, иногда сверх-. высокого вакуума для измерений снижают его экспрессность и доступность контроля. Поэтому масс-спектрометры являются всегда стационарными приборами.

Предлагаемое устройство, или прибор, выполненный на его основе, достаточно прост в эксплуатации, экспрессен. Ошибка измерений и степень разрешения по массовым числам может быть доведена до 1% (тогда как известное устройство имеет 10-4ОЪ),.

5 си, установленный в одной из камер, выпускной клапан, установленный в другой камере, и измеритель.перепа-да давлений между камерами, мембра- на выполнена в виде ядерного фильтра, размер пор в котором на два или более порядков меньше длины свободного пробега самого тяжелого компонента газовой смеси при выбранном давлении, и в устройство введены стабилизатор давления и вакуум-насос, 10 подсоединенные к выпускному клапану.

Следует отметить, что мембраны типа ядерный фильтр имеют малую дисперсию и строгую цилиндричность пор. 15

Способ осуществляется следующим образом. Измерив экспоненциальную зависимость изменения перепада давлений на мембране по времени, производят ее математическое разложение на сум -. му экспонент по числу компонентов газовой смеси.

Поскольку в мембране реализуется, свободно-молекулярный режим течения, т.е. используется ядерный фильтр с размером пор на два или. более порядков меньшим длины свободного пробега самого тяжелого компонента га» зовой смеси при выбранном давлении, и мала дисперсия пор по размерам, З0 то каждый компонент смеси двигается независимо от другого и, следовательно, общая экспериментальная компонента является суммой экспонент каждого компонента. 35

Для разрешения общей экспоненты а -компонентной газовой смеси необходимо решить методом наименьших квадратов систему соответствующих уравнений. 40

Общее уравнение выглядит так

-a<>; -Aej» .." 2 ), +

F(c;,1;).c,е " i с,.е»,,с; е . Р,„.

:где» "- 1... n ,» 1 ° ° ° 2як

"Рээ) Р+tj l » >

Р; - первоначальное давление в камере;

Р - текущее значение давления

ЭМ) (экспериментальное) у 50

С, — концентрация » -ro компонента смеси;

1;.(MÄ.) ; ; — .молярная масса » -ro компо- 55 нента1 .

" — константа,.определяемая.,геометрическими характеристиками.мембраны и объемом камеры.

Для разрешения С; и g, относитель щ0

: но каждого компонента необходимо решить следующую систему уравнений

П р и,м е р. Проводится анализ трехкомпонентной газовой смеси на мембране типа яд1рный фильтр с диаметром пор 150 А, что соответствует условию свободно-Moaexyasp89ro режима для атмосферного давления.

Давление в.камере со смесью (перво1128149 у

Составитель Э.Скорняков

Техред О.Ващишина Корректор М. Демчик

Редактор П.Коссей

Заказ 9020/31 Тираи 822 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП Патент, г.уигород, ул.Проектная,4

Использование в приборе микропроцессора для обработки общей экспериментальной кривой делает данный прибор универсальным для испольэования в системах контроля многокомпонентых газовых смесей как в экспериментальной технике, так и в системах проьаиаленного производства.