СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ДЕТЕКТОРОВ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N30/04 

Изобретение относится к области газоаналитического приборостроения и может быть применено при поверке работоспособности и градуировки газоанализаторов.

Изобретение предназначено для приготовления калибровочных газопаровых смесей с низким содержанием паров летучих веществ, преимущественно аммиака и других веществ, растворимых в жидкостях и образующих при испарении калибровочную газопаровую смесь для последующей калибровки детекторов газоанализаторов.

Известен способ калибровки детекторов газоанализатора, согласно которому приготовление калибровочной газопаровой смеси осуществляется путем пропускания газа через свободное от жидкости пространство сосуда, частично заполненное жидким веществом, и изменения концентрации пара в газе за счет изменения расхода газа, в котором вещество помещают в сосуд в виде его раствора, и концентрацию пара вещества в газе дополнительно изменяют путем изменения концентрации вещества в растворе (патент РФ № 2181201, 7 G01N 30/00).

Недостаток этого способа заключается в том, что при открытой горловине сосуда закон Генри не соблюдается. В результате приготовление смеси вынужденно осуществляется без соблюдения пропорций при смешивании компонентов.

Известно устройство для калибровки детекторов газоанализатора, содержащее сосуд для насыщения газа парами вещества, газовую линию для подвода газа в сосуд, приспособление для разбавления газопаровой смеси, газовую линию для вывода газопаровой смеси, побудитель расхода газа и детектор (патент РФ № 2145083, 7 G01N 30/04, 30/12, 1998).

Недостатком известного устройства является большая инерционность при выходе на стационарные режимы, постоянный выход токсического вещества из устройства, недостаточная стабильность и ограничение точности детектором-газоанализатором, полная зависимость концентрации смеси от неконтролируемого состояния приспособления для разбавления и, как следствие, невозможность метрологической характеристики устройства до детектора - газоанализатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу калибровки детекторов газоанализатора и устройству для его осуществления является способ (каталог фирмы Drager Sicherheitstechnik GmbH, проспект «Ампулы с калибровочным газом», изд. 4, 1993 г.), согласно которому готовят калибровочный раствор, содержащий калибровочное вещество в растворителе, и посредством образцовой ампулы вводят его в закрытый сосуд в необходимом и минимально достаточном количестве, испаряют вещество в сосуде, образуя калибровочную газопаровую смесь с массовой концентрацией By (мг/м³), соответствующей заданному значению, необходимому для калибровки детекторов, содержащих соединительные патрубки, раздельно присоединяют к сосуду и калибруют диффузионный детектор и проточный детектор, содержащий побудитель расхода газа.

Устройство для осуществления известного способа (каталог фирмы Drager Sicherheitstechnik GmbH, проспект «Ампулы с калибровочным газом», изд. 4, 1993 г.) содержит образцовую ампулу с калибровочным веществом в растворителе, сосуд, снабженный впускным и выпускным патрубками и дозатором для опорожнения образцовой ампулы в сосуде, и поочередно присоединяемые к сосуду диффузионный детектор с соединительным патрубком и проточный детектор с побудителем расхода газа со шлангами, содержащими соединительные патрубки.

Недостатком известных способа и устройства для калибровки датчиков газоанализатора является то, что процедура калибровки сложна, трудоемка и затратна, так как из-за адсорбции вещества в газопаровом контуре приходится использовать не менее трех ампул для получения совпадающих результатов, а калибровка при других концентрациях, отличающихся от обозначенной на ампуле, невозможна.

Задача изобретения состояла в разработке таких способа и устройства для калибровки детекторов газоанализатора, которые позволяют при каждом заданном значении концентрации калибровочной газопаровой смеси в сосуде производить в однократном акте калибровку детекторов соответствующим калибровочным раствором, без учета потерь калибровочного вещества и его количества в сосуде. При этом была поставлена задача использовать главную особенность закона Генри об однозначном соответствии между концентрациями летучего вещества в растворе и над раствором. А именно, что депо летучего вещества в некотором объеме раствора значительно превышает его необходимое количество для полного насыщения равного объема газа над раствором. Это превышение равно коэффициенту абсорбции Освальда к_о. При температуре воздуха 20°С для водно-аммиачного раствора к_о=170. Поэтому в задачу изобретения входило усилить доминирующее и стабилизирующее действие закона Генри путем уменьшения выветривания, адсорбции и других потерь калибровочного вещества, увеличения соотношения объема раствора к объему газопаровой смеси, уточнения константы Генри, стабилизации температуры, концентрации газопаровой смеси при стабильности и воспроизводимости метрологических характеристик и удовлетворении требований промышленной и экологической безопасности.

Указанная задача выполняется тем, что калибровочный раствор вводят посредством укупорки, стабилизируют температуру сосуда, жидких сред и изделий, участвующих в калибровке датчиков, выдержкой в помещении до выравнивания их температуры с температурой помещения, а затем, при установившейся температуре жидких сред, термостатируют в устройстве термостатирования сосуд и жидкие среды, участвующие в калибровке, и по установившемуся значению температуры в устройстве термостатирования определяют для калибровочного вещества табличное значение константы Генри и значение концентрации калибровочного раствора А (%) согласно закону Генри А=Ву/к для заданного значения массовой концентрации калибровочной газопаровой смеси By (мг/м³), где к(мг/% м) - константа Генри, готовят с аналитической точностью и вводят в сосуд указанный калибровочный раствор в количестве, достаточном для образования зеркала калибровочного раствора в сосуде преимущественно более половины его вместимости, и образуют над раствором калибровочную газопаровую смесь, а затем, герметично присоединяя диффузионный детектор к сосуду, присоединяют газовую полость детектора к зеркалу калибровочного раствора сосуда и, стабильно воспроизводимо и полностью насыщая газовую полость детектора калибровочным веществом посредством зеркала калибровочного раствора сосуда в соответствии с действием закона Генри до концентрации By, калибруют детектор, а проточный детектор присоединяют его входом и выходом к раздельным точкам сосуда и, образуя замкнутый газопаровой контур, присоединяя контур к зеркалу калибровочного раствора сосуда, многократно перемещают содержимое контура над зеркалом калибровочного раствора сосуда посредством побудителя расхода газа и, стабильно воспроизводимо и полностью насыщая газопаровой контур калибровочным веществом посредством зеркала калибровочного раствора сосуда до концентрации By в соответствии с действием закона Генри, калибруют детектор, а калибровку детекторов при других заданных концентрациях, при изменении концентрации вещества в калибровочной газопаровой смеси, производят путем изменения концентрации калибровочного раствора в сосуде согласно закону Генри.

Другим отличием предлагаемого способа является то, что в образцовую укупорку вводят концентрированный образцовый раствор калибровочного вещества с концентрацией, установленной с аналитической точностью, закрывают раствор в укупорке жидким затвором из газонепроницаемого вещества, нейтрального по отношению к раствору и его компонентам, и закрывают укупорку герметичной пробкой, а затем многократно используют образцовую укупорку для приготовления калибровочных растворов, в том числе растворов различной концентрации.

Следующем отличием предлагаемого способа является то, что для получения калибровочного раствора с концентрацией, установленной с аналитической точностью, разбавляют дозу концентрированного образцового раствора растворителем до концентрации А (%), установленной согласно закону Генри по заданной массовой концентрации калибровочной газопаровой смеси By (мг/м³), а именно, перемещают из образцовой укупорки мерным дозатором дозу на 1 л приготовляемого калибровочного раствора (В.А.Рабинович, З.Я.Хавин. Краткий химический справочник. Л., "Химия", Лен. отд., 1991, с.387, 305-306) М(мл):

,

где М - доза образцового раствора на 1 л приготовляемого калибровочного раствора, мл;

А - массовая концентрация калибровочного раствора, %;

ρ' - плотность образцового раствора, г/см³;

ρ - плотность калибровочного раствора, г/см³,

в мерный разбавитель, содержащий некоторое количество растворителя, и доводят количество растворителя в мерном разбавителе до отметки 1 л, а затем перемещают все содержимое разбавителя в смеситель, используя переходник смесителя, закрывают смеситель пробкой и перемешиванием доводят калибровочный раствор до состояния однородности и готовности.

Задача решается также тем, что предложено устройство для калибровки детекторов газоанализатора, содержащее образцовую укупорку с калибровочным раствором, содержащим калибровочное вещество в растворителе, сосуд, снабженный впускным и выпускным патрубками и дозатором для опорожнения образцовой ампулы в сосуде, поочередно присоединяемые к сосуду диффузионный детектор с соединительным патрубком и проточный детектор с побудителем расхода газа со шлангами, содержащими соединительные патрубки, отличающееся тем, что содержит сосуд для приготовления калибровочных газопаровых смесей с концентрацией калибровочного раствора, установленной по закону Генри с аналитической точностью, устройство термостатирования для стабилизации температуры и концентрации калибровочного раствора и газопаровой смеси в сосуде, растворный узел для приготовления и стабилизации калибровочных растворов различной концентрации с установленной аналитической точностью посредством образцовой укупорки.

Другим отличием устройства является то, что выпускной и впускной патрубки сосуда установлены на термоизоляционной крышке сосуда, впускной патрубок содержит пробку, а выпускной патрубок содержит нормально закрытый обратный клапан и толкатель для открытия клапана, сосуд вставлен в устройство термостатирования, содержащее термостатическую жидкость, и содержит термометр.

Следующее отличие устройства состоит в том, что растворный узел содержит мерный дозатор, мерный разбавитель, смеситель с переходником, емкость с растворителем и образцовую укупорку с герметичной пробкой и с концентрированным раствором калибровочного вещества с массовой концентрацией, установленной с аналитической точностью и стабилизированной затвором, состоящим из жидкости, газонепроницаемой и нейтральной к раствору и его компонентам, для многократного использования укупорки.

Указанные выше особенности предлагаемых способа и устройства для калибровки детекторов газоанализатора обеспечивают измерения в широком диапазоне концентраций с высокой точностью благодаря стабилизации газопаровой смеси за счет уменьшения потерь вещества, увеличения соотношения объема раствора к объему газа, стабилизации температуры при уточнении константы Генри и метрологических характеристик.

Например, при калибровке аммиачных газоанализаторов при предельно допустимых концентрациях от 20 до 1500 мг/м³ при температуре Т=293 К погрешность по температуре при отклонении температуры ΔТ=±0,5°С,

аналитическая погрешность концентрации раствора - 10% NH₃ в H₂O по фармокопейной статье ФСП42-0410-5241-04 - γ_р=±1,0%; погрешность дозатора-пипетки 10 мл по ГОСТ 29227-91 - γ_п=±1,0%; погрешность смесителя-мерника 1 л по ГОСТ 1770-74 - γ_м=±0,08%.

В результате погрешность калибровки по ГОСТ 12.1.016-79

при коэффициенте 1,1 с доверительной вероятностью Р=95%, что меньше погрешности прототипа ±5,0% и погрешности газоанализатора ±20%.

При этом упрощается эксплуатация, одной заправки достаточно для калибровки нескольких датчиков, при многократной калибровке токсические вещества остаются в сосуде, что способствует промышленной и экологической безопасности. Стабильность и воспроизводимость метрологических характеристик гарантируется действием закона Генри, процедурой предлагаемого способа и устройством для его осуществления.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлен вид предлагаемого устройства в разрезе, и схемой, представленной на фиг.2.

Устройство содержит сосуд I для получения калибровочных газопаровых смесей, соответствующих закону Генри. Сосуд 1 содержит крышку 2. Крышка 2 имеет тепловую изоляцию и отверстие для термометра 3, впускной патрубок 4 и выпускной патрубок 5, крышку 2. Крышка 2 имеет тепловую изоляцию и отверстие для термометра 3, впускной патрубок 4 и выпускной патрубок 5, расположенные внутри сосуда 2. Впускной патрубок 4 снабжен адаптером 6 и пробкой 7. Впускной патрубок 5 содержит адаптер 8, нормально закрытый обратный клапан 9 и толкатель 10. Сосуд 2 установлен в устройстве термостатирования 11, содержащем термостат 12 для размещения термостатической жидкости и изотермический контейнер 13 и закрытом общей крышкой 14, выполненной из термоизоляционного материала с отверстием для термометра 3. Диффузионный детектор 15 имеет соединительный патрубок 16, а проточный детектор 17 содержит побудитель расхода газа 18, имеющий шланги 19, 20 и соединительные патрубки 21 и 22.

В состав устройства входит растворный узел для приготовления растворов, соответствующих закону Генри, содержащий мерный дозатор (не показан), мерный разбавитель 23, смеситель 24 с переходником 25 и образцовую укупорку (не показана), с концентрированным образцовым раствором калибровочного вещества аналитической точности, с затвором и герметичной пробкой.

В соответствии с предлагаемым способом описанное устройство работает следующим образом. Стабилизируют температуру сосуда 1, термостатической жидкости, емкости с растворителем (не показана), устройства термостатирования 11, раздельно термостата 12 и изотермического контейнера 13 и элементов растворного узла выдержкой в помещении до выравнивания их температуры с температурой помещения и при установившейся температуре в термостатической жидкости и в емкости с растворителем устанавливают термостат 12 в изотермический контейнер 13, заправляют термостат 12 термостатической жидкостью и устанавливают сосуд 1 в термостат 12, определяют по установившейся температуре в устройстве термостатирования 11 известное значение константы Генри к (например, 5,65·10³ мг/м³%, аммиак в дистиллированной воде при температуре 20°С) и концентрацию калибровочного раствора А=В/к (А=500/5,65·10³=0,0885%) по заданному значению массовой концентрации калибровочной газопаровой смеси By (500 мг/м³, ПДК) и готовят калибровочный раствор с концентрацией А, отбирая мерным дозатором (пипетка 10 мл ГОСТ 29227-91) из образцовой укупорки дозу М (М=9,15 мл при к=10,1% по паспорту качества ФСП42-0410-5211-04 и табличных значениях р'=0,958 г/см, р=0,998 г/см) концентрированного раствора калибровочного вещества с установленной аналитической погрешностью, вводят дозу в мерный разбавитель 23 (мерник 1 л ГОСТ 1770-74), содержащий некоторое количество растворителя (дистиллированная вода), и растворителем разбавляют смесь до отметки 1 л мерного разбавителя 23, а затем присоединяют в вертикальном положении сверху смеситель 24 (бутылка БТ-III-1-25-ПЭТФ-ПЩ-1,5 ГОСТ Р 51760-2001) с переходником 25 к мерному разбавителю 23 и, изменяя их вертикальное расположение на взаимно противоположное, переливают раствор в смеситель 24 и, закрыв смеситель 24 с переходником 25 герметичной пробкой (не указана), перемешивают калибровочный раствор и, открыв пробку, герметично присоединяют смеситель 24 переходником 25 к патрубку 4 сосуда 1 и вводят калибровочный раствор в сосуд 1 в количестве, достаточном для образования зеркала калибровочного раствора в сосуде 1 преимущественно более половины его вместимости, а затем, присоединяя диффузионный детектор 15 к сосуду 1, герметично вставляют патрубок 16 в утопленное в сосуд 1 гнездо адаптера 8 и, открывая нормально закрытый клапан 9 толкателем 10, присоединяют свободное от паров вещества пространство патрубка 16 детектора 15 к зеркалу калибровочного раствора сосуда 1, стабильно воспроизводимо и полностью насыщают это пространство парами вещества посредством зеркала калибровочного раствора сосуда 1 до постоянной заданной массовой концентрации калибровочной газопаровой смеси и калибруют детектор 15, а проточный детектор 17 с побудителем расхода газа 18 последовательно присоединяют к зеркалу калибровочного раствора сосуда 1 шлангами 19 и 20, соединительными патрубками 21 и 22 и патрубками 4 и 5, образуют замкнутый газопаровой контур, состоящий из элементов 5, 22, 19, 17, 19, 20, 21 и 4, а затем, стабильно, воспроизводимо и полностью насыщая газ в контуре калибровочным веществом, при многократной принудительной циркуляции газа в контуре над зеркалом калибровочного раствора в сосуде 1 при работе побудителя газа 18, калибруют детектор 17.

Устройство обеспечивает калибровку аммиачных газоанализаторов во всем диапазоне токсических концентраций от 20 до 1500 мг/м³.

Изобретение предназначено для калибровки детекторов газоанализатора, согласно которому готовят раствор калибровочного вещества с концентрацией А=Ву/к (%) по значению константы Генри к (мг/м %) при температуре калибровки и по заданному значению массовой концентрации калибровочного вещества в калибровочной газопаровой смеси By (мг/м) и, введя раствор в сосуд в количестве, достаточном для образования полностью насыщенной равновесной калибровочной газопаровой смеси над поверхностью раствора, производят посредством смеси калибровку датчиков, причем концентрацию смеси изменяют путем прямого пропорционального изменения концентрации раствора, разбавляя концентрированный образцовый раствор калибровочного вещества с аналитической точностью до заданного значения концентрации А (%). Также предложено устройство для осуществления этого способа, содержащее растворный узел для составления калибровочного раствора с аналитической точностью, сосуд с термостатирующим устройством для получения газопаровой смеси со стабильной концентрацией, соответствующей закону Генри, причем растворный узел содержит мерный дозатор, мерный разбавитель, смеситель с переходником, емкость с растворителем и образцовую укупорку с образцовым раствором, стабилизированным затвором для многократного использования укупорки, а сосуд с термостатирующим устройством содержит термометр и термоизоляционную крышку с впускным патрубком, содержащим нормально закрытый обратный клапан и толкатель для открытия клапана. Изобретение обеспечивает уменьшение потерь калибровочного вещества, стабильность и воспроизводимость метрологических характеристик и удовлетворение требований промышленной и экологической безопасности, 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ калибровки детекторов газоанализатора, согласно которому готовят калибровочный раствор, содержащий калибровочное вещество в растворителе, который вводят в закрытый сосуд в необходимом и минимально достаточном количестве, испаряют вещество в сосуде, образуя калибровочную газопаровую смесь, с массовой концентрацией B_у (мг/м³), соответствующей заданному значению, необходимому для калибровки детекторов, содержащих соединительные патрубки, раздельно присоединяют к сосуду и калибруют диффузионный детектор и проточный детектор, содержащий побудитель расхода газа, отличающийся тем, что калибровочный раствор вводят посредством укупорки, стабилизируют температуру сосуда, жидких сред и изделий, участвующих в калибровке датчиков, выдержкой в помещении до выравнивания их температуры с температурой помещения, а затем при установившейся температуре жидких сред термостатируют в устройстве термостатирования сосуд и жидкие среды, участвующие в калибровке, и по установившемуся значению температуры в устройстве термостатирования определяют для калибровочного вещества табличное значение константы Генри и значение концентрации калибровочного раствора А (%) согласно закону Генри А=В_у/к, для заданного значения массовой концентрации калибровочной газопаровой смеси B_у (мг/м³), где к (мг/% м³) - константа Генри, готовят и вводят в сосуд указанный калибровочный раствор в количестве, достаточном для образования зеркала калибровочного раствора в сосуде преимущественно более половины его вместимости, и образуют над раствором калибровочную газопаровую смесь, а затем, герметично присоединяя диффузионный детектор к сосуду, присоединяют газовую полость детектора к зеркалу калибровочного раствора сосуда и, стабильно воспроизводимо и полностью насыщая газовую полость детектора калибровочным веществом посредством зеркала калибровочного раствора сосуда в соответствии с действием закона Генри до концентрации B_у, калибруют детектор, а проточный детектор присоединяют его входом и выходом к раздельным точкам сосуда и, образуя замкнутый газопаровой контур, присоединяя контур к зеркалу калибровочного раствора сосуда, многократно перемещают содержимое контура над зеркалом калибровочного раствора сосуда посредством побудителя расхода газа и, стабильно воспроизводимо и полностью насыщая газопаровой контур калибровочным веществом посредством зеркала калибровочного раствора сосуда до концентрации B_у в соответствии с действием закона Генри, калибруют детектор, а калибровку детекторов при других концентрациях, для изменения заданной концентрации вещества в калибровочной газопаровой смеси, производят путем прямого пропорционального изменения концентрации калибровочного раствора в сосуде согласно закону Генри.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в образцовую укупорку вводят концентрированный образцовый калибровочный раствор с концентрацией, установленной с аналитической точностью, закрывают раствор в укупорке жидким затвором из газонепроницаемого вещества, нейтрального по отношению к раствору и его компонентам, и закрывают укупорку герметичной пробкой, выполненной из мягкого эластичного материала, а затем многократно используют образцовую укупорку для приготовления калибровочных растворов, в том числе растворов различной концентрации.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для получения образцового калибровочного раствора с концентрацией, установленной с аналитической точностью, разбавляют дозу образцового раствора растворителем до концентрации А (%), установленной согласно закону Генри по заданной массовой концентрации калибровочной газопаровой смеси B_у (мг/м³).

4. Устройство для калибровки детекторов газоанализатора, содержащее образцовую укупорку с калибровочным раствором, содержащим калибровочное вещество в растворителе, сосуд, снабженный впускным и выпускным патрубками и дозатором для опорожнения образцовой ампулы в сосуде, и поочередно присоединяемые к сосуду диффузионный детектор с соединительным патрубком и проточный детектор с побудителем расхода газа со шлангами, содержащими соединительные патрубки, отличающееся тем, что содержит сосуд для приготовления калибровочных газопаровых смесей с концентрацией калибровочного раствора, установленной по закону Генри с аналитической точностью, устройство термостатирования для стабилизации температуры и концентрации калибровочного раствора и газопаровой смеси в сосуде, растворный узел для приготовления и стабилизации калибровочных растворов различной концентрации с установленной с аналитической точностью посредством образцовой укупорки.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что выпускной и впускной патрубки сосуда установлены на термоизоляционной крышке сосуда, впускной патрубок содержит пробку, а выпускной патрубок содержит нормально закрытый обратный клапан и толкатель для открытия клапана, сосуд вставлен в устройство термостатирования, содержащее термостатическую жидкость, и содержит термометр.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что растворный узел содержит мерный дозатор, мерный разбавитель, смеситель с переходником, емкость с растворителем и образцовую укупорку с герметичной пробкой и с концентрированным образцовым калибровочным раствором с концентрацией, установленной с аналитической точностью и стабилизированной затвором, состоящим из жидкости, газонепроницаемой и нейтральной к раствору и его компонентам, для многократного использования укупорки.