Устройство для определения концентрации газов, растворенных в жидкости

Устройство для определения концентрации газов, растворенных в жидкости

Реферат

 

Сущность изобретения: в устройстве для измерения концентрации газов, растворенных в жидкости, включающем оптически прозрачный сосуд в форме цилиндра со шкалой для исследуемой жидкости, оптически прозрачную уровнемерную трубку, расположенную внутри сосуда и подсоединенную к его крышке, штуцера для соединения с системой вакуумирования и подачи жидкости, сосуд установки с возможностью поворота в плоскости, проходящей через ось уровнемерной трубки, к верхней горизонтальной поверхности крышки плотно прилегает дискообразный фторопластовый коммутирующий вкладыш, находящийся в металлической обойме и вместе с ней посредством пластинчатой пружины, связанной, по крайней мере, двумя винтами с крышкой, при этом вкладыш установлен с возможностью его вращения вокруг оси, совпадающей с осью цилиндра, на его рабочей поверхности выполнен коммутирующий паз, замыкающий между собой в одном положении отверстие в крышке со штуцером подачи жидкости, а в другом положении - сквозное отверстие в крышке с отверстием для откачки, проливки и заполнения, причем устройство дополнительно снабжено волюмометром со шкалой, например, капиллярного типа, установленным на крышке и снабженным двухходовым краном и соединенным через него и отверстие в крышке и шайбе из несмачиваемого материала с внутренней полостью уровнемерной трубки. 1 з.п. ф-лы, 12 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к определению концентрации газов, растворенных в жидкости, в частности газов в воде для теплоэлектростанций или газов в теплоносителях для АЭС, и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности и других областях техники.

Существует много методов и приборов для определения концентрации газов в жидкости. Химические методы наиболее точные, но они обычно предназначены для определения одного определенного газа в жидкости и не имеют широкого применения. Классический метод определения концентрации газов, растворенных в жидкости, заключается в проведении двух операций: предварительного выделения газов из жидкости и последующего определения концентрации выделенного газа /1/. Для проведения второй операции часто используется хроматографический способ анализа равновесной газообразной фазы, находящейся в контакте с исследуемой пробой жидкости /2/. Концентрацию газов в газовой смеси можно определить масс-спектрометрическим способом. Равновесие между газовой и жидкой фазами достигается путем перемешивания смеси компонентов газы-жидкость, например, в устройстве /3/, либо путем барботирования газа через жидкость. Масс-спектрометрия и хроматография требуют применения дорогостоящего и сложного оборудования.

Существуют методы и приборы определения газосодержания исследуемой жидкости объемным методом путем кипячения жидкости с последующим определением объема выделившегося газа и анализа водорода в воде путем извлечения водорода из воды инертным газом и последующего хроматографического анализа полученной газовой смеси. Количественное определение газа или газовой смеси возможно лишь при использовании хроматографа /4,5/.

Недостатками всех вышеуказанных методов и приборов являются сложная методика определения концентрации газов, растворенных в жидкости, дорогостоящее и сложное аппаратурное оформление.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения концентрации газов, растворенных в жидкости /6/, выбранное в качестве прототипа.

Устройство состоит из оптически прозрачного сосуда, снабженного шкалой, оптически прозрачных уровнемерных трубок и трубопроводов с вентилями для соединения с системой вакуумирования и подачи исследуемой жидкости. Уровнемерные трубки с открытыми торцами с одной стороны расположены внутри сосуда и подсоединены торцами, снабженными шайбами из несмачиваемого материала, к крышке сосуда. Сосуд установлен с возможностью поворота в плоскости, проходящей через оси трубок.

Устройство работает следующим образом.

Вакуумируют сосуд и переводят его в горизонтальное положение. Подсоединяют сосуд к емкости, открывают вентиль и производят отбор фиксированного количества пробы жидкости таким образом, чтобы одна уровнемерная трубка находилась в свободном от жидкости объеме. Затем переводят сосуд в вертикальное положение так, чтобы свободные концы трубок были расположены внизу сосуда. При этом жидкость из одной уровнемерной трубки частично сливается, а в другую трубку поступает.

Фиксируют высоту столба жидкости в одной трубке между уровнями жидкости в ней и в сосуде и высоту столба жидкости в другой трубке между уровнями жидкости в ней и в сосуде. После этого фиксируют высоту столба газа и жидкости в трубке между уровнем жидкости в ней и нижним торцом трубки. Концентрацию газов, растворенных в жидкости, рассчитывают по формулам.

Недостатками данного устройства является низкая информативность и малые функциональные возможности.

Изобретение решает задачу повышения информативности и расширения функциональных возможностей.

Поставленная задача достигается предлагаемым устройством для определения концентрации газов, растворенных в жидкости, включающим оптически прозрачный сосуд, снабженный шкалой, с размещенной сверху крышкой, размещенную внутри сосуда и подсоединенную к крышке параллельно оси сосуда оптически прозрачную уровнемерную трубку, подсоединенный к крышке штуцер для соединения с системой вакуумирования, штуцер для подачи жидкости, при этом сосуд выполнен в виде цилиндра, в крышке в месте подсоединения к ней уровнемерной трубки выполнено сквозное отверстие, штуцера для подачи жидкости и для вакуумирования подсоединены к крышке сосуда сбоку и соединены каналами с верхней горизонтальной поверхностью крышки, устройство снабжено металлической обоймой, установленной на верхней горизонтальной поверхности крышки, и подсоединенной к ней сверху пластинчатой пружиной, размещенным в выточке металлической обоймы и расположенным на верхней горизонтальной поверхности крышки с возможностью поворота вокруг оси сосуда фторопластовым коммутирующим вкладышем, который представляет собой пластину чечевицеобразной формы, на оси которой выполнено сквозное резьбовое отверстие, совмещенное с отверстием в крышке, к которому подсоединена уровнемерная трубка, а снизу вдоль этой же оси выполнена канавка, соединяющая сквозное отверстие в крышке с каналом, соединяющим поверхность крышки со штуцером для вакуумирования, причем устройство снабжено волюмометром со шкалой, например, капиллярного типа, установленным на металлической обойме, снабженным двухходовым краном и соединенным через отверстие в коммутирующем вкладыше, крышке и шайбе из несмачиваемого материала с внутренней полостью уровнемерной трубки.

Все признаки, указанные в формуле изобретения, являются существенными для достижения поставленной задачи.

Рассмотренные устройства для измерения концентрации газов, растворенных в жидкости /3,6/, сочетают в себе элементы трех функциональных назначений: сосуд, в котором обеспечивается равновесие; измеритель давления; систему вентилей, без которых нельзя осуществить необходимый технологический цикл. Все эти элементы достаточно независимы и могут быть демонтированы и установлены на какие-нибудь другие установки для выполнения своих прежних функций. Другими словами, между этими элементами нет органической связи, а сочленение их носит вполне искусственный характер, что всегда требует усложнения конструкции в целом. Например, установка вентиля как самостоятельной конструктивной единицы нуждается в переходном патрубке, который в свою очередь может добавить в систему дополнительный непродуваемый объем, для устранения влияния которого потребуется установить еще один вентиль и т.д.

В разработанном устройстве невозможно выделить какой-либо вполне автономный узел, настолько все конструктивные элементы взаимосвязаны и органически дополняют друг друга. Существенной частью предлагаемого устройства, по крайней мере в геометрическом смысле, является обыкновенный стеклянный мерный цилиндр вместе со своей штатной подставкой. Прозрачный корпус с нанесенными делениями, то есть со шкалой объемов, как нельзя лучше подходит для оценки количества отобранной пробы. Будь корпус металлическим, пришлось бы выносить за этот корпус опять же стеклянную уровнемерную трубку. Но стеклянный цилиндр является только частью сосуда объема V_о для определения концентраций растворенных газов. Объем V_о создается как полостью цилиндра, так и в некотором роде крышкой, о чем будет указано в описании конструкции устройства.

На фиг. 1 представлена схема устройства для определения концентрации газов, растворенных в жидкости, на фиг.2 схема волюмометра, а на фиг.3 - эквивалентная схема разработанного устройства.

Устройство состоит из оптически прозрачного сосуда в форме цилиндра 1 для исследуемой жидкости, оптически прозрачной уровнемерной трубки 2, расположенной внутри сосуда 1 и подсоединенной к его крышке 3, штуцера для соединения с системой вакуумирования 4, предназначенного для откачки газов и заполнения сосуда анализируемой жидкостью, штуцера для подачи жидкости 5, предназначенного для проливки анализируемой жидкостью (промывки магистралей). Сосуд 1 установлен на подставке 6 с возможностью поворота в плоскости, проходящей через ось уровнемерной трубки 2. Верхняя горизонтальная поверхность крышки 3 тщательно притерта и отполирована. К верхней горизонтальной поверхности крышки 3 плотно прилегает дискообразный фторопластовый коммутирующий вкладыш, находящийся в металлической обойме и вместе с ней посредством пластинчатой пружины, связанной, по крайней мере, двумя винтами с крышкой. На рабочей поверхности вкладыша выполнен коммутирующий паз, замыкающий между собой в одном положении отверстие 7 и 8, что требуется для промывки внешних магистралей перед отбором пробы жидкости (проливки анализируемой жидкостью), а в другом положении cквозное отверстие 9 в крышке 3 с отверстием 8 для откачки, проливки и заполнения, что позволяет или откачать сосуд на вакуум или заполнить его пробой жидкости.

Конструктивное выполнение коммутирующего вкладыша может быть различным.

Один из вариантов чертежей металлической обоймы представлен на фиг. 4, коммутирующего вкладыша на фиг. 5, а чертеж металлической обоймы, коммутирующего вкладыша и верхней части крышки в сборе на фиг. 6.

Как видно из фиг. 4, в металлической обойме имеется выточка (выемка) по форме коммутирующего вкладыша и отверстие с резьбой, предназначенное для присоединения в случае необходимости волюмометра. Если такой необходимости нет, то в данное отверстие через фторопластовую прокладку ввинчивается пробка.

При этом тот конец волюмометра, которым последний ввинчивается в металлическую обойму, оборудован металлическим наконечником с резьбой. На практике, как другой вариант, возможно исполнение металлической обоймы без выточки (выемки). В данном случае коммутирующий вкладыш должен приклеиваться к гладкой поверхности металлической обоймы.

На фиг. 5 показан коммутирующий вкладыш с имеющимся в нем коммутирующим пазом, который и позволяет "замыкать" или соединять отверстия в крышке устройства (фиг. 1).

Кроме того, в коммутирующем вкладыше имеется отверстие, через которое, в случае применения волюмометра, обеспечивается возможность соединения внутренних полостей уровнемерной трубки с волюмометром или, другими словами, обеспечивается поступление в уровнемерную трубку 2 известного количества газа из внешней среды, например, воздуха.

Изменение рабочих положений коммутирующего вкладыша, а соответственно и имеющегося в нем коммутирующего паза, происходит за счет поворота металлической обоймы вокруг своей оси, совпадающей с осью цилиндра, т.к. коммутирующий вкладыш плотно вставлен в имеющуюся выточку в металлической обойме по форме коммутирующего вкладыша. Рабочая поверхность его тщательно притерта, отполирована и плотно прилегает к поверхности крышки 3.

Установку металлической обоймы в положениях, при которых коммутирующий вкладыш своим пазом замыкает отверстия 7 и 8, 9 и 8, а при необходимости и внутренней полости волюмометра с внутренней полостью оптически прозрачной уровнемерной трубки можно определить по совмещению соответствующих меток (точек, рисок и т.д.) на крышке и обойме.

В случае применения волюмометра в процессе анализа, а именно в случае обеспечения возможности поступления в уровнемерную трубку известного количества газа из внешней среды, например, воздуха, коммутирующий паз коммутирующего вкладыша не замыкает никаких отверстий, а плотно прилегает к поверхности крышки. Одновременно с этим обеспечивается плотное перекрытие отверстий 7 и 9 в крышке тщательно отполированной и притертой поверхностью коммутирующего вкладыша.

Целесообразно отметить, что на практике часто возникает необходимость использования предлагаемого устройства в одних случаях (местах) с волюмометром, в других без него.

Канавка, соединяющая сквозное отверстие в крышке с каналом, соединяющим поверхность крышки со штуцером для вакуумирования, может быть выполнена любой (сферической, треугольной, прямоугольной и т.д.) формы. Для работоспособности устройства это не имеет никакого значения. В процессе анализа обязательным является только знание ее объема.

Все упоминавшиеся и не показанные на фиг. 1 детали вместе с крышкой 3 образуют единый блок и заменяют собой систему вентилей, которые следовало бы поочередно открывать и закрывать, чтобы сосуд сначала был откачан, а затем заполнен пробой так, чтобы результат не исказили непродуваемые объемы самих вентилей. Весь этот единый блок, не имеющий ни одного непродуваемого объема, дополнительно является еще и одной из стенок, формирующих объем V_о.

Для повышения информативности за счет расширения динамического диапазона измерений необходимо обеспечить поступление в уровнемерную трубку 2 известного количества газа из внешней среды, например, воздуха со стороны шайбы 10 из несмачиваемого материала. Поэтому в шайбе 10 и крышке 3 выполнено отверстие 11, связывающее внутренние полости уровнемерной трубки и волюмометра 12 (фиг. 2) со шкалой, например, капиллярного типа, которым снабжено устройство. Волюмометр 12 (фиг. 2) установлен на крышке 3, снабжен двухходовым краном 13 (фиг. 2) и соединен, например, с помощью резьбового соединения, через отверстие 11 с внутренней полостью уровнемерной трубки 2. В случае, если нет необходимости применения волюмометра 13, отверстие 11 закрывают с помощью резьбового соединения пробкой, перед которой устанавливается фторопластовая прокладка.

Устройство работает следующим образом.

На данном устройстве можно реализовать несколько способов измерения концентрации газов, растворенных в жидкости. Устройство с помощью штуцера 4 подсоединяют к системе вакуумирования. Устанавливают металлическую обойму в положение, при котором коммутирующий паз дискообразного фторопластового коммутирующего вкладыша замыкает (соединяет) сквозное отверстие 9 в крышке 3 с отверстием 8 и откачивают сосуд на вакуум. После этого поворотом металлической обоймы изолируют внутреннюю полость устройства от окружающей среды. Подсоединяют устройство с помощью штуцера 5 к емкости с анализируемой жидкостью. Устанавливают металлическую обойму в положение, при котором коммутирующий паз вкладыша замыкает (соединяет) отверстия 7 и 8 и осуществляют промывку внешних магистралей (проливку анализируемой жидкостью). Затем поворотом металлической обоймы осуществляют отбор анализируемой жидкости в сосуд 1. После заполнения сосуда 1 анализируемой жидкостью наполовину проверяют устройство на герметичность и проводят анализ.

Рассмотрим работу устройства проведением мысленного эксперимента на примере идеально дегазированной жидкости. После заполнения сосуда 1 жидкостью проверяют устройство на герметичность. Устанавливают устройство на вибростенд или встряхивают его вручную, что необходимо для установления равновесия, а затем перевертывают устройство в различные положения (вверх дном, чтобы крышка 3 оказалась дном сосуда, в горизонтальное положение, чтобы внутри уровнемерной трубки 2 находилась анализируемая жидкость). Каналами, по которым внешний воздух может попасть вовнутрь, являются сквозное отверстие 9 в крышке 3 и отверстие 11, соединяющее внутренние полости уровнемерной трубки 2 и волюмометра 12 (в случае применения волюмометра в процессе анализа). Если волюмометр 12 в процессе анализа не используется, то сосуд 1 проверяется на герметичность поворотом его только вверх дном.

Давление внутри сосуда будет равно давлению насыщенных паров жидкости. Такое же давление будет в пузырьке, выходящем на поверхность жидкости. Если жидкость имеет малое давление насыщенных паров, то давление в пузырьке будет ничтожно малым, а значит и воздуха в нем будет также весьма мало, и по существу редкие пузырьки будут свидетельствовать о весьма малом натекании. Поскольку при анализе газосодержания никакое натекание недопустимо, то отсутствие пузырьков при проведении реального эксперимента будет свидетельствовать о практически идеальной герметичности системы.

Убедившись, что устройство герметично, поворачивают его в горизонтальное положение. Из множества вариантов горизонтального положения выбирают то, когда трубка 2 займет самое нижнее из всех возможных положений. При этом трубка 2 полностью заполнится жидкостью. Возвращают устройство в естественное положение (дно внизу). Так как шайба 10 не обладает свойством смачиваться данной жидкостью, то в верхней части трубки 2 образуется "торричеллиева пустота". Поскольку жидкость идеально дегазирована, то уровни в сосуде 1 и трубке 2 совпадут. В результате последней операции появляется важное свойство устройства: в нем есть манометр, а точнее все устройство фактически является манометром, важнейшим элементом которого является уровнемерная трубка 2.

В данном случае манометр показал отсутствие давления какого-либо газа в свободном пространстве объема V_о, но так и должно быть в случае полностью дегазированной жидкости. Если бы жидкость содержала растворенный газ, то та его часть, которая выделилась бы в свободное пространство по достижении равновесия, создала бы в этом пространстве некоторое давление, которое заставило бы подняться уровень жидкости в трубке 2 на соответствующую высоту по отношению к уровню той же жидкости в сосуде 1. Поворачивая прибор произвольным образом и встряхивая его, можно продолжить процесс установления равновесия, если есть сомнения, что оно уже было достигнуто. Затем можно снова повторить рассмотренную выше процедуру "превращения" устройства в манометр и сравнить новые показания с прежними. Если уровни в обоих случаях совпадут, их общую величину можно принять за результат измерения давления. При необходимости измерения можно повторять многократно, т.е. устройство можно использовать для многократного повторения определения концентрации газов, растворенных в жидкости.

Возможен и другой способ измерения давления в полости данного устройства, в некотором смысле обратный рассмотренному. Пусть в устройстве сохраняется та самая жидкость, с участием которой проводился мысленный эксперимент. Поворачивают устройство в горизонтальное положение, но такое, когда трубка 2 займет самое верхнее из возможных положений (будет находиться в свободном от жидкости пространстве и сама будет свободна от жидкости).

Возвращают устройство в нормальное вертикальное положение. При таком повороте в какой-то момент жидкость перекроет нижний конец трубки 2 и начнет заполнять ее. В случае полностью разнасыщенной жидкости уровни в сосуде 1 (цилиндре) и в трубке 2 снова совпадут, но если жидкость с самого начала содержала ненулевую концентрацию растворенного газа, то уровень жидкости в трубке 2 будет ниже уровня в основном цилиндре. Разность этих уровней отображает давление, "поджимающее" газ в уровнемерной трубке 2. Однако в этом, втором варианте определения концентрации газов, растворенных в жидкости, несколько сложнее вычисления величины давления в свободном пространстве устройства. Таким образом, на разработанном устройстве реализуются два способа определения давления в полости устройства, каждый из которых может быть использован многократно.

На фиг. 3 приведена эквивалентная схема разработанного устройства, при рассмотрении которой становится понятным, что в головном блоке деталей неявно присутствуют два вентиля, причем, если один из них открыт, то второй закрыт.

Попытка оснастить устройство этими вентилями как дискретными элементами неизбежно приведет к появлению "мертвых" объемов в системе и необходимости усложнения конструкции. Соответственно и усложнится эквивалентная схема устройства.

Для повышения информативности за счет расширения динамического диапазона измерений устройство снабжено волюмометром 12 со шкалой. Волюмометр 12 установлен на крышке 3, снабжен двухходовым краном 13 и соединен через отверстие 11 с внутренней полостью уровнемерной трубки 2, так как при проведении анализа потребуется обеспечить поступление в уровнемерную трубку 2 известного количества газа, например воздуха, из внешней среды. Этот газ должен находиться в волюмометре диаметром d, ограниченным с одной стороны двухходовым краном, а с другой каплей жидкости, разделяющей капиллярный газ от окружающей атмосферы. Если в капилляре при дросселировании газа в уровнемерную трубку капля сместилась на величину l, а в уровнемерной трубке диаметром D уровень жидкости опустился на величину L, то это означает, что давление в манометрической трубке увеличилось на величину где Р_бар атмосферное давление.

При совмещении уровней жидкости в сосуде (цилиндре) и в уровнемерной трубке величина P, вычисленная по уравнению (1), дает как раз то давление, которое и подлежит определению.

Возможность определения концентрации одного растворенного газа на предлагаемом устройстве математически подтверждается следующим образом. Если масса m газа распределена в объеме V жидкости, то концентрация его в общем случае зависит от V и по определению равна Именно в условиях равновесия C_(v) сonst и в выделенном объеме V_ж будет содержаться газа по массе Эта масса в емкости объема V_о по установлении равновесия распределится следующим образом. В газовой фазе объем V_о V_ж будет находиться что следует из уравнения Менделеева-Клапейрона, а в растворенном состоянии m₂ = PV_ж (5) что следует из закона Генри и определения концентрации. Сумма m m₁ + m₂ первоначально (до измерений) полностью принадлежала объему V_ж и отображала ту концентрацию, которую и надлежало определить. Таким образом, объединяя выражения (4) и (5), а также используя соотношение (3), имеем Возможность определения концентрации двух газов, растворенных в жидкости, на предлагаемом устройстве математически подтверждается следующим образом.

Раздельное определение концентрации двух газов (А, В), растворенных в жидкости, осуществляют отбором двух проб при различных соотношениях между свободным объемом в сосуде (V_г) и объемом отобранной пробы жидкости(V_ж), то есть при различных степенях заполнения и измеряют общее давление выделившихся газов (Р₁; Р₂) при каждой степени заполнения, а искомые концентрации растворенных газов определяют графическим путем по точке пересечения двух линий (С^A₁; C^B₁) и (С^A₂; C^B₂) в плоскости координат С_A и С_B (фиг. 7), при этом при первом отборе, при втором отборе, где P₁; P₂ давление в сосуде, соответственно при первом и втором отборах; соотношение между свободным объемом в сосуде и объемом пробы, соответственно при первом и втором отборах.

Суммарное изменение концентрации двух растворенных газов при различных степенях заполнения имеет линейный характер (фиг. 7). Это доказывается следующим образом.

При отборе пробы с одной степенью заполнения давления в полости рабочего сосуда равно Р₁, а при отборе пробы с другой степенью заполнения - Р₂.

Давление Р₁ это сумма парциальных давлений обоих газов при отборе первой пробы, то есть P₁ = P^A₁ + P^B₁. (9) Если известны P^A₁ и P^B₁P, то задача сводится к решению системы А и В здесь и далее массовая концентрация газов А, В cоответственно.

В данном способе представляется возможность выразить Р^A₁ и P^B₁, из (10) и результаты подставить в (9). Заменяя для простоты выражения в квадратных скобках символами B^A₁ и B^B₁ и записывая С^A как функцию от С^B, получим: Это линейное уравнение с двумя неизвестными, которому удовлетворяет прямая линия. То есть, другими словами, при данных Р₁ и объеме пробы жидкости V_ж концентрации газа А(С^A) может иметь любое значение в промежутке (0; P₁; B^A₁), а концентрация С^B будет связана с С^A условием (10) находясь в промежутке (0; P₁; B^B₁). Вышесказанное можно проиллюстрировать графиком, который показан на фиг. 8.

Однако, в реальном случае (при определении массовой концентрации растворенных газов) С^A и C^B имеют конкретные (точечные) значения. Для выявления этих значений и необходим второй отбор пробы при другой степени заполнения сосуда 1.

Два отбора при разных степенях заполнения позволяют получить систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными решение которой приводит к определению С^A и С^B.

На практике намного проще и удобнее решать систему (II) графически, предварительно преобразовав ее к следующему виду Уравнения системы (8) это уравнения прямых в отрезках, отсекаемых прямыми на осях координат. В декартовых координатах С^A C^B прямая, удовлетворяющая первому уравнению системы (13), пройдет через точку P₁ B^A₁ на оси С^A и через точку P₁ B^B₁ на оси С^B. Аналогичная картина будет иметь место для второго уравнения. В силу физики процессов, отображаемых системой (13), прямые пересекутся в области неотрицательных значений С^A и С^B, причем точка пересечения и даст искомые концентрации газов А и В (C^A_x; C^B_x), растворенных в жидкости (фиг. 7).

Способ раздельного определения концентрации двух газов, растворенных в жидкости, на разработанном устройстве был проверен в лабораторных условиях.

Проведен анализ раздельного определения массовой концентрации азота и кислорода в воде, насыщенной воздухом. Результаты экспериментально представлены в таблице.

Таким образом, разработанное устройство обеспечивает раздельное определение концентрации двух газов, растворенных в жидкости, и позволяет по сравнению с хроматографическим методом анализа снизить затраты на аппаратурное оформление в 40 раз и значительно сократить время анализа.

Возможность определения концентрации трех газов, растворенных в жидкости, на предлагаемом устройстве математически подтверждается следующим образом.

Уравнение (6) можно выразить в виде где по сравнению с (6) добавлено Р_s давление насыщенных паров жидкости, то есть Р полное давление в емкости, отображаемое измерителем давления.

Пусть в жидкости растворено n различных газов, концентрации которых С₁, С₂,С_n необходимо определить. После отбора в устройство жидкой пробы объема V и установления равновесия вместо (14) будет справедливым соотношение где с помощью индекса i пронумерованы индивидуальные газы. Уравнение (15) отображает закон Дальтона, утверждающий, что общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений всех составляющих смеси. Кроме того, уравнение (15) это линейное уравнение с n неизвестными, не дающее полезной информации, если с помощью какого-либо метода газового анализа нельзя разложить давление Р, стоящее в левой части, на сумму парциальных давлений газообразных компонентов в газовом объеме устройства.

Существует подход к "n-мерной" проблеме, решающий последнюю в рамках использования одного и того же устройства. Суть в том, что для определения n концентраций и в общем случае неизвестного P_s необходимо отобрать n+1 различных проб с условием, чтобы все V_o/V были разными. Вводя индекс j для обозначения номера отбираемой пробы, получаем систему n+1 уравнений с n+1 неизвестными Неодинаковость отношений V_о/V_j обеспечивает отличие от нуля определителя системы (16) и задача сводится к вычислению всех С_i и P_s.

Учитывая то, что на практике редко требуется определять больше двух-трех растворенных газов, ограничимся поэтому рассмотрением двух неизвестных концентраций С₁ и С₂ и неизвестного давления Р_s (трехмерный случай). Система (16) для данного случая и в несколько видоизмененной форме запишется в следующем виде Остается заметить, что каждое уравнение системы (17) это уравнение плоскости "в отрезках". "Отрезки" знаменатели дробей численно равны наибольшим из возможных величин С₁, С₂ и P_s в условиях данного отбора. Иначе, "отрезок" при С₁ вычисляется по формуле (6), относящей все измеренное манометром давление только к одному, "своему" газу, в предположении, что другой газ совсем отсутствует и P_s 0. "Отрезок" при P_s "требует", чтобы все измеренное давление было обусловлено только давлением насыщенного пара жидкости.

Рассмотрим один частный случай, если для всех трех отборов давления Р₁, P₂ и P₃ оказались строго одинаковыми, то объектом исследования оказалась полностью дегазированная жидкость, то есть С₁ C₂ 0, а P₁ P₂ P₃ P_s.

Выяснив характер знаменателей при неизвестных концентрациях и правило их вычисления, систему (17) можно переписать в более компактной форме, где суть всех вводимых обозначений типа a_ij очевидна На фиг. 9 в координатах С₁; С₂; P_s изображена часть плоскости "в отрезках", соответствующая первому уравнению системы (18). Реальные концентрации С₁ и С₂, а также действительная величина P_s есть проекции какой-то точки заштрихованного участка плоскости на соответствующие оси Построив на фиг. 9 вторую плоскость, соответствующую второму уравнению системы (18), область неопределенности С₁, С₂ и P_s можно свести у линии, по которой пересекутся две плоскости. Добавив туда же третью плоскость из системы (18), получим искомую точку. Все эти процедуры следует проводить с использованием методов начертательной геометрии. Стороны заштрихованного на фиг. 9 треугольника в курсе начертательной геометрии называются следами некоторой плоскости на координатных плоскостях или просто следами. Повернем плоскость С₂OP_s вокруг оси ОС₂ до совмещения с плоскостью С₁OC₂, но так, чтобы оси P_s и С₁ были направлены в разные стороны. На фиг. 10 зафиксирован результат со следами первой плоскости системы (18).

Из методических соображений линию пересечения двух плоскостей, заданных двумя первыми уравнениями системы (18), а точнее проекции этой линии построим на фиг. 11. Проекции линии пересечения двух плоскостей на фиг. 11 выделены утолщенными линиями. Уберем одну из использованных плоскостей и добавим последнюю, чтобы построить еще одну линию пересечения, что удобнее сделать на новом графике (фиг. 12). Проекции точки пересечения двух построенных прямых на соответствующие оси (показаны стрелками) дадут те же значения C₁, С₂ и P_s, которые можно было бы получить и аналитически, решив систему (18) с помощью определителей.

Принципиальных преимуществ у рассматриваемого графического метода перед аналитическим нет, но несомненным достоинством его является простота и удобство работы.

Можно добавить, что масштабы по осям С₁, С₂ и P_s могут быть совершенно произвольными и даже разными для С₁ и С₂, существенно необходима только нелинейность координат. Кроме того, третьей координатой может быть третья концентрация С₃, а не P_s, если у устройства предусмотрена разгрузка от паров. Случай же только двух газов, как указывалось выше, графически строится за один прием и так просто, то ему надо отдать предпочтение перед аналитическим расчетом. Практически в этом случае из фиг. 12 исчезнет координатная ось P_s и все, что с ней связано, включая все четыре утолщенные линии-проекции. Останутся оси С₁; С₂ и линии а₁₁ a₁₂ и а₃₁ а₃₂, проекции точки пересечения которых на оси координат дадут разыскиваемые концентрации.

Как видно из изложенного, принцип равновесия совместно с законом Генри создают теоретически безупречную модель способа определения концентрации растворенных газов на разработанном устройстве.

Из вышеизложенного материала видно, что разработанное устройство для определения концентрации газов, растворенных в жидкости, обеспечивает повышение информативности и расширение функциональных возможностей и позволяет определять концентрацию одного и более газов, растворенных в жидкости, а при необходимости и давление насыщенных паров анализируемой жидкости.

Формула изобретения

1. Устройство для определения концентрации газов, растворенных в жидкости, включающее оптически прозрачный сосуд, снабженный шкалой, с размещенной сверху крышкой, размещенную внутри сосуда и подсоединенную к крышке параллельно оси сосуда оптически прозрачную уровнемерную трубку, подсоединенный к крышке штуцер для соединения с системой вакуумирования, штуцер для подачи жидкости, отличающееся тем, что сосуд выполнен в виде цилиндра, в крышке в месте подсоединения к ней уровнемерной трубки выполнено сквозное отверстие, штуцера для подачи жидкости и для вакуумирования подсоединены к крышке сосуда сбоку и соединены каналами с верхней горизонтальной поверхностью крышки, устройство снабжено металлической обоймой, установленной на верхней горизонтальной поверхности крышки, и подсоединенной к ней сверху пластинчатой пружиной, размещенным в выточке металлической обоймы и расположенным на верхней горизонтальной поверхности крышки с возможностью поворота вокруг оси сосуда фторопластовым коммутирующим вкладышем, который представляет собой пластину чечевицеобразной формы, на оси которой выполнено сквозное резьбовое отверстие, совмещенное с отверстием в крышке, к которому подсоединена уровнемерная трубка, а снизу вдоль этой же оси выполнена канавка, соединяющая сквозное отверстие в крышке с каналом, соединяющим поверхность крышки со штуцером для вакуумирования.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено волюмометром со шкалой, например, капиллярного типа, установленным на металлической обойме, снабженным двухходовым краном и соединенным через отверстие в коммутирующем вкладыше, крышке и шайбе из несмачиваемого материала с внутренней полостью уровнемерной трубки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Ри