Способ приготовления поверочных газовых смесей и устройство для его осуществления

Способ приготовления поверочных газовых смесей и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к способам получения образцовых газовых смесей для калибровки датчиков-газоанализаторов, используемых в различных отраслях промышленности и науки. Особую роль датчики-газоанализаторы играют в добывающей и перерабатывающей промышленности, где обеспечивают безопасность труда. Массовое применение требует систематического обслуживания, включающего периодическую калибровку датчиков с заданной точностью при помощи поверочных газовых смесей (ПГС). Радикальным путем обеспечения точности является использование эталонных ПГС в виде государственных стандартных образцов (ГСО), приобретаемых централизованно. Ввиду высокой стоимости образцовых смесей актуальна задача приготовления больших количеств поверочных газовых смесей, близких к ГСО по метрологическим характеристикам, но обладающих меньшей стоимостью.

Известен способ приготовления поверочных газовых смесей по патенту RU 2208783 С1 (опубл. 2003.07.20), включающий смешивание в сосуде-смесителе поверочного газа, поступающего из сосуда высокого давления, снабженного редуктором, с воздухом до заданной концентрации, контролируемой датчиком-газоанализатором. Для осуществления данного способа перечисленные узлы подключены к общему каналу. В данном способе смешивание производится при атмосферном давлении первоначально до избыточной концентрации поверочного газа, после чего в расходном канале воздух добавляют в поток газовой смеси до требуемой концентрации.

Известен способ приготовления поверочных газовых смесей по заявке RU 2002103456 А (опубл. 2004.03.20), включающий откачку воздуха из сосуда до заданного давления с последующим добавлением поверочного газа до атмосферного давления. Данный способ также имеет низкую точность, поскольку практически значимые концентрации воздуха N близки к 100%, при этом относительная погрешность определения давления D пересчитывается в относительную погрешность концентрации поверочного газа с коэффициентом DN/(100%-N), значительно превышающим единицу.

Известен также способ приготовления поверочных газовых смесей по патенту RU 2310825 С1 (опубл. 2007.11.20), включающий помещение в сосуд дозированного количества поверочного газа с последующим добавлением воздуха до установленного давления (например, атмосферного). Дозировка производится по разности весов вакуумированного и заполненного сосуда. Данный способ требует прецизионного взвешивания, что не позволяет оперировать с большими количествами газа.

Из приведенных способов наиболее близким к заявляемому (прототипом) следует считать способ по патенту RU 2208783 С1, включающий смешивание поверочного газа с воздухом в сосуде-смесителе до концентрации, определяемой посредством датчика-газоанализатора, помещенного в отводном канале. Недостатки данного способа: низкая точность, обусловленная временной нестабильностью характеристик датчика, малое количество производимой поверочной газовой смеси, обусловленное атмосферным давлением, при котором она находится, а также относительно высокая стоимость поверочного газа.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности определения концентрации поверочного газа, увеличение количества производимой поверочной газовой смеси при снижении себестоимости в условиях массового применения в добывающей и перерабатывающей промышленности.

Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа приготовления поверочной газовой смеси (ПГС), включающем смешивание поверочного газа, поступающего из сосуда высокого давления, с воздухом в сосуде-смесителе до концентрации, определяемой посредством датчика-газоанализатора, помещенного в отводном канале, отличие состоит в том, что воздух подают в сосуд для смешения под давлением, создаваемым компрессором, при этом в отводной канал с датчиком-газоанализатором поочередно подают приготавливаемую ПГС и эталонную ПГС близкой концентрации С₀, фиксируют соответствующие показания датчика х и х₀, после чего определяют концентрацию поверочной газовой смеси по формуле С=хС₀/х₀.

При массовом применении в добывающей и перерабатывающей промышленности предпочтительно в качестве поверочного газа использовать попутный углеводородный газ, а в качестве датчика-газоанализатора использовать термокаталитический датчик.

Предпочтительно для осуществления заявляемого способа использовать набор сосудов с эталонными ПГС различной концентрации, а также использовать набор сосудов для отведения приготавливаемой ПГС из сосуда-смесителя.

Для осуществления заявляемого способа приготовления поверочных газовых смесей предлагается устройство, содержащее подключенные к общему каналу сосуд с поверочным газом, снабженный редуктором, сосуд-смеситель и датчик-газоанализатор, помещенный в отводном канале, отличающееся тем, что в нем указанные элементы подключены к общему каналу через отдельные вентили, а сосуд-смеситель снабжен датчиком давления, при этом дополнительно к общему каналу через отдельные вентили подключены компрессор, вакуум-насос и редуктор с вентилем в обходном канале, выход редуктора подключен к набору снабженных отдельными вентилями сосудов для отведения приготовленной ПГС, а датчик-газоанализатор подключен к набору снабженных отдельными вентилями сосудов с эталонными ПГС различных концентраций.

Связь между заявленными отличительными признаками и техническим результатом обусловлена следующим.

1. Подача воздуха в сосуд-смеситель под высоким давлением, создаваемым компрессором, обеспечивает получение ПГС также под высоким давлением, что способствует увеличению количества производимой поверочной газовой смеси.

2. Поочередная подача в отводной канал с датчиком-газоанализатором приготавливаемой и эталонной ПГС обеспечивает текущую калибровку датчика по эталонной смеси, что обеспечивает повышение точности измерений. В процессе приготовления поверочной газовой смеси по заявляемому способу временная нестабильность характеристик датчика не успевает проявиться, и ей можно пренебречь, в то время как при прямых измерениях с заранее прокалиброванными характеристиками такая нестабильность вполне может проявиться.

3. Определение концентрации поверочного газа по приведенной выше формуле отражает приблизительно пропорциональную зависимость показаний датчика от концентрации смеси.

4. Выбор эталонной ПГС, близкой по концентрации к приготавливаемой ПГС, обеспечивает минимизацию влияния нелинейности характеристики датчика-газоанализатора, что способствует повышению точности определения концентрации.

5. При массовом применении в добывающей и перерабатывающей промышленности использование в качестве поверочного газа попутного углеводородного газа обеспечивает минимальную стоимость приготавливаемой смеси, поскольку исключает необходимость сепарации и очистки, без которых попутный газ является практически даровым сырьем.

6. Использование в качестве датчика-газоанализатора термокаталитического датчика при массовом применении в добывающей и перерабатывающей промышленности обеспечивает возможность замены отсепарированного и очищенного поверочного газа попутным углеводородным газом. Работа термокаталитического датчика основана на принципе контроля выделяемого тепла при окислении горючих газов или метана вблизи разогретого катализатора (см., например, информационный ресурс: http://ukrsensor.pp.net.ua/publ/1-1-0-8 В.М.Гингольд, В.А.Бублейник, А.В.Делямуре. Особенности выбора температурного режима термокаталитического датчика, предназначенного для эксплуатации в среде высоких (послевзрывоопасных) концентраций метана). При этом газоанализатор определяет суммарную концентрацию углеводородов в газовой смеси, что, собственно, и существенно для контроля загазованности на объектах промышленности.

7. Использование набора сосудов с эталонными ПГС различной концентрации обеспечивает при приготовлении поверочной ПГС возможность выбора эталонной ПГС с близкой концентрацией, что обеспечивает точность измерений, поскольку уменьшает погрешность, связанную с нелинейностью характеристики датчика.

8. Использование набора сосудов для отведения приготавливаемой ПГС из сосуда-смесителя обеспечивает возможность увеличения количества приготавливаемой ПГС, поскольку емкость одного сосуда ограничена сортаментом. Наличие нескольких сосудов позволяет одномоментно приготовить ПГС для применения на территориально разнесенных объектах.

9. Использование устройства с вышеописанными признаками состава и структуры обеспечивает реализацию заявляемого способа в полном объеме.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где изображена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ приготовления поверочных газовых смесей.

Позициями на чертеже обозначены: 1 - общий канал, 2 - сосуд высокого давления с поверочным газом, 3 - редуктор, 4 - сосуд-смеситель, 5 - датчик давления, 6 - компрессор, 7 - отводной канал, 8 - датчик-газоанализатор, 9 - сосуды с эталонными ПГС, 10 - сосуды для приготовленной ПГС, 11 - редуктор, 12 - вакуум-насос, 13-27 - вентили.

Способ приготовления поверочных газовых смесей основан на смешивании в заданной пропорции поступающих по общему каналу 1 поверочного газа и воздуха. Поверочный газ подают из сосуда высокого давления 2 через редуктор 3, позволяющий установить необходимое парциальное давление, в сосуд-смеситель 4. Давление контролируется датчиком давления 5. После этого компрессором 6 нагнетают в сосуд-смеситель воздух до тех пор, пока не будет установлено заданное суммарное давление смеси, определяемое датчиком давления 5 как сумма парциальных давлений поверочного газа и воздуха. Полученную газовую смесь подают по отводному каналу 7 на датчик-газоанализатор 8, в качестве которого используют термокаталитический датчик. В датчике дозированный поток газовой смеси, поступающей по отводному каналу на нагретую поверхность, покрытую катализатором, вызывает изменение температурного баланса, пропорциональное концентрации поверочного газа и регистрируемое термочувствительным элементом. В процессе измерения на датчик 8 поочередно подают приготавливаемую ПГС из сосуда-смесителя 4 и эталонную ПГС из одного из сосудов 9. Соответствующие показания датчика х и х₀ используют для определения концентрации приготавливаемой ПГС по формуле С=хС₀/х₀, где С₀ - концентрация эталонной ПГС. Данная формула предполагает пропорциональную зависимость между концентрацией ПГС и показаниями датчика. Ввиду возможной нелинейности характеристики датчика желательно, чтобы указанные концентрации были близки, в этом случае погрешность измерений минимальна. В связи с этим при осуществлении заявляемого способа используют набор сосудов с эталонными ПГС различной концентрации. Как правило, измерения повторяют несколько раз, пользуясь известными методами статистической обработки результатов измерений. Приготавливаемая ПГС имеет массовое применение на предприятиях добывающей и перерабатывающей промышленности, где требуется регулярная поверка датчиков загазованности, обеспечивающих безопасность производства. Применение термокаталитического датчика при осуществлении заявляемого способа позволяет использовать в качестве поверочного газа (как правило, метана) несепарированный попутный углеводородный газ, что существенно снижает стоимость ПГС при ее массовом приготовлении. Показания датчика характеризуют окислительную способность газовой смеси в целом независимо от состава, что является объективным критерием степени опасности воспламенения при наличии загазованности на промышленном объекте. Приготовленную ПГС целесообразно отводить из сосуда-смесителя 4 в набор сосудов 10 для непосредственного применения по назначению, при этом давление в сосудах 10 устанавливают посредством редуктора 11. Для повышения точности сосуд-смеситель 4 и сосуды 10 предварительно откачивают вакуум-насосом 12. Направление газовых потоков в ходе приготовления поверочной газовой смеси осуществляют посредством вентилей 13-27.

Устройство для осуществления заявляемого способа приготовления поверочных газовых смесей изображено на чертеже. Устройство содержит общий канал 1, к которому подключены сосуд с поверочным газом 2, снабженный редуктором 3, сосуд-смеситель 4, снабженный датчиком давления 5, и термокаталитический датчик-газоанализатор 8, помещенный в отводном канале 7. Указанные элементы подключены к общему каналу 1 через отдельные вентили 13, 16, 17. Кроме того, к общему каналу 1 через отдельные вентили 14, 15, 18 подключены компрессор 6, вакуум-насос 12 и редуктор 11 с вентилем 19 в обходном канале. Выход редуктора 11 подключен к набору снабженных отдельными вентилями 23-27 сосудов 10 для отведения приготовленной ПГС. Датчик-газоанализатор 8 подключен к набору снабженных отдельными вентилями 20-22 сосудов 9 с эталонными ПГС различных концентраций.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии все вентили закрыты. Предварительно сосуд-смеситель 4 и сосуды 10 вакуумируют при помощи вакуум-насоса 12 для повышения точности задания концентрации приготавливаемой ПГС. На время этой операции открывают вентили 15, 16, 18, 19, 23-27. Поверочный газ из сосуда 2 подают в сосуд-смеситель 4 под расчетным парциальным давлением, устанавливаемым посредством редуктора 3. На время этой операции открывают вентили 13, 16. Далее в сосуд-смеситель 4 нагнетают воздух компрессором 6 до расчетного суммарного давления, определяемого по датчику давления 5. На время этой операции открывают вентили 14, 16. Приготовленную таким образом газовую смесь подают на датчик-газоанализатор 8, открывая на это время вентили 16, 17. Затем на датчик-газоанализатор подают близкую по концентрации эталонную ПГС из одного из сосудов 9, открывая на это время один из вентилей 20-22. Концентрацию приготовленной ПГС определяют согласно вышеприведенной формуле. Как правило, измерения чередуют не менее 6 раз, обрабатывая результаты методами статистической обработки. После определения концентрации приготовленной ПГС ее подают в сосуды 10 под давлением, задаваемым редуктором 11. На это время открывают вентили 16, 18 и поочередно 23-27. Сосуды 10 отсоединяют и применяют для поверки измерительных средств по местам назначения.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют при малых затратах эталонной ПГС приготавливать из дешевого попутного газа значительное количество поверочной ПГС с высокой точностью определения ее концентрации.

1. Способ приготовления поверочной газовой смеси (ПГС), включающий смешивание поверочного газа, поступающего из сосуда высокого давления, с воздухом в сосуде-смесителе до концентрации, определяемой посредством датчика-газоанализатора, помещенного в отводном канале, отличающийся тем, что при его осуществлении воздух подают в сосуд для смешения под давлением, создаваемым компрессором, при этом в отводной канал с датчиком-газоанализатором поочередно подают приготавливаемую ПГС и эталонную ПГС близкой концентрации С₀, фиксируют соответствующие показания датчика х и х₀, после чего определяют концентрацию поверочной газовой смеси по формуле С=хС₀/х₀.

2. Способ приготовления поверочной газовой смеси (ПГС) по п.1, отличающийся тем, что при массовом применении в добывающей и перерабатывающей промышленности в качестве поверочного газа используют попутный углеводородный газ, а в качестве датчика-газоанализатора используют термокаталитический датчик.

3. Способ приготовления поверочной газовой смеси (ПГС) по п.1, отличающийся тем, что при его осуществлении используют набор сосудов с эталонными ПГС различной концентрации, а также набор сосудов для отведения приготавливаемой ПГС из сосуда-смесителя.

4. Устройство для приготовления поверочной газовой смеси (ПГС), содержащее подключенные к общему каналу сосуд с поверочным газом, снабженный редуктором, сосуд-смеситель и датчик-газоанализатор, помещенный в отводном канале, отличающееся тем, что в нем указанные элементы подключены к общему каналу через отдельные вентили, а сосуд-смеситель снабжен датчиком давления, при этом дополнительно к общему каналу через отдельные вентили подключены компрессор, вакуум-насос и редуктор с вентилем в обходном канале, выход редуктора подключен к набору снабженных отдельными вентилями сосудов для отведения приготовленной ПГС, а датчик-газоанализатор подключен к набору снабженных отдельными вентилями сосудов с эталонными ПГС различных концентраций.