Способ приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов Российский патент 2023 года по МПК G01N1/38 G01N1/22 G01N35/10 

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности, к способам приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов, используемых в последующем для испытаний изделий космической техники на герметичность, и может найти применение в таких областях техники, как газовая промышленность, атомное машиностроение, авиастроение, где предъявляются повышенные требования к герметичности, долговечности и надежности изделий - трубопроводов и агрегатов пневмогидравлических систем, герметичных отсеков летательных аппаратов.

Известен способ градуировки хроматографов с помощью аттестованных газовых смесей постоянного состава. Фиксированное количество такой смеси вводится в хроматограф, и измеряется выходной сигнал хроматографа. Полученная пара значений «сигнал хроматографа - содержание определяемого компонента» образует одну точку на градуировочной характеристике хроматографа. Недостатком этого способа градуировки является необходимость приготовления и аттестации большого числа градуированных смесей, каждая из которых используется для образования только одной точки на градуировочной характеристике хроматографа (Практическая газовая и жидкостная хроматография / Б.В. Столяров, И.М. Савинов, А.Г. Витенберг и др. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 2002. С. 35).

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому способу является система автоматического разбавления ('Automatic dilution system', патент США 4794806, МПК: G01N 1/38 (2006.01), G05D 11/13 (2006.01), опубл. 03.01.1989), осуществляющая способ приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов, заключающийся в смешивании в герметичной ячейке при атмосферном давлении исходной газовой смеси основного и определяемого компонентов и последующей подаче постоянного потока основного компонента в герметичную ячейку для разбавления исходной газовой смеси. Поскольку закон разбавления известен, то каждому моменту отбора образующейся газовой смеси в газоанализатор соответствует известная концентрация определяемого компонента в смеси. Способ позволяет с помощью одной аттестованной исходной смеси получить необходимое количество точек на градуировочной характеристике.

Данный способ приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов принят авторами за прототип.

Недостаток способа-прототипа заключается в необходимости поддержания с высокой точностью газового потока основного компонента и температуры газа в герметичной ячейке.

Задачей изобретения является создание экономичного и эффективного способа приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов, используемых в последующем для испытаний изделий космической техники на герметичность.

Техническим результатом изобретения является упрощение приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов и повышение достоверности результатов калибровки, из чего следует повышение экономической эффективности изготовления, подготовки и эксплуатации изделий ракетно-космической техники в части испытаний их на герметичность с использованием пробных газов.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов, заключающимся в смешивании в герметичной ячейке при атмосферном давлении исходной газовой смеси основного и определяемого компонентов и понижении концентрации определяемого компонента в исходной газовой смеси до минимальной концентрации C_min измеряемого газоанализатором компонента в основном компоненте, в создании и последующей подаче постоянного по времени потока Q основного компонента в герметичную ячейку для разбавления исходной газовой смеси, причем для создания и подачи постоянного по времени потока Q основного компонента в герметичную ячейку используют побудитель расхода газа из состава газоанализатора, измеряют значение постоянного по времени потока Q основного компонента, выбирают начальную концентрацию С₀ определяемого компонента в исходной газовой смеси в герметичной ячейке равной верхнему пределу измеряемой газоанализатором концентрации определяемого компонента; оценивают минимальную концентрацию C_min определяемого компонента в основном компоненте, измеряемую газоанализатором; оценивают требуемую суммарную длительность калибровки t_cal по гарантированному сохранению параметров настройки газоанализатора в течение периода его непрерывной работы, затем вычисляют объем герметичной ячейки V, исходя из соотношения

где С₀ - начальная концентрация определяемого компонента в исходной газовой смеси в герметичной ячейке, равная верхнему пределу измеряемой газоанализатором концентрации определяемого компонента;

C_min - минимальная концентрация определяемого компонента в основном компоненте, измеряемая газоанализатором;

Q - значение постоянного по времени потока основного компонента, создаваемого побудителем расхода газа из состава газоанализатора;

t_cal - требуемая суммарная длительность калибровки газоанализатора;

Р - значение атмосферного давления.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами (таблица 1, фиг. 1).

В таблице 1 представлены результаты калибровки газоанализатора, в качестве которого был использован гелиевый масс-спектрометрический течеискатель PhoeniXL 300 Dry производства компании «Leybold Vacuum», Германия. Газоанализатор (далее по тексту течеискатель) был откалиброван по гелиево-воздушной смеси, приготовленной по предлагаемому способу.

На фиг. 1 представлены график (сплошная линия) экспериментальной зависимости выходного сигнала газоанализатора (течеискателя) S_exp от времени t отбора пробы газа в газоанализатор (течеискатель) и аппроксимирующий график (штриховая линия) выходного сигнала газоанализатора (течеискателя) S_approx от времени t отбора пробы газа в газоанализатор (течеискатель). Для оси ординат графика применена логарифмическая шкала.

Предлагаемый способ приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов осуществляют следующим образом:

- для создания и подачи постоянного по времени потока Q основного компонента (например, воздуха) в герметичную ячейку используют побудитель расхода газа из состава газоанализатора, например, вакуумный насос, входящий в состав гелиевого масс-спектрометрического течеискателя;

- измеряют значение постоянного по времени потока Q основного компонента, создаваемого побудителем расхода газа из состава газоанализатора, например, вакуумным насосом гелиевого масс-спектрометрического течеискателя;

- выбирают начальную концентрацию С₀ определяемого компонента, например, гелия, в исходной газовой смеси в герметичной ячейке равной верхнему пределу измеряемой газоанализатором концентрации определяемого компонента;

- оценивают минимальную концентрацию C_min определяемого компонента в основном компоненте, измеряемую газоанализатором;

- оценивают требуемую суммарную длительность калибровки t_cal по гарантированному сохранению параметров настройки газоанализатора в течение периода его непрерывной работы;

- вычисляют объем герметичной ячейки V, исходя из соотношения

где С₀ - начальная концентрация определяемого компонента в исходной газовой смеси в герметичной ячейке, равная верхнему пределу измеряемой газоанализатором концентрации определяемого компонента;

C_min - минимальная концентрация определяемого компонента в основном компоненте, измеряемая газоанализатором;

Q - значение постоянного по времени потока основного компонента, создаваемого побудителем расхода газа из состава газоанализатора;

t_cal - требуемая суммарная длительность калибровки газоанализатора;

Р - значение атмосферного давления;

- в герметичной ячейке объемом V при атмосферном давлении смешивают исходную газовую смесь основного и определяемого компонентов, например, воздуха и гелия соответственно, с начальной концентрацией С₀ - определяемого компонента;

- понижают концентрацию определяемого компонента в исходной газовой смеси до минимальной концентрации C_min измеряемого газоанализатором компонента в основном компоненте, для чего создают и затем подают постоянный по времени поток Q основного компонента, например, воздуха, в герметичную ячейку для разбавления исходной газовой смеси.

Примером реализации предлагаемого технического решения служит ранее упомянутая калибровка течеискателя PhoeniXL 300 Dry по гелиево-воздушной смеси. Такая калибровка необходима при испытаниях изделий на суммарную негерметичность по методу «накопления при атмосферном давлении» с использованием пробного газа гелия (ОСТ 92-1527-89. «Контроль герметичности изделий с применением масс-спектрометрических гелиевых течеискателей. Методы испытаний» - С. 122-125. - 138 с.). Скорость повышения концентрации гелия в объеме накопления при названных испытаниях пропорциональна значению суммарной негерметичности изделия. Используя калибровочный график течеискателя, т.е. график зависимости концентрации гелия в воздухе от сигнала течеискателя, и зная значение свободного объема накопления, путем расчета получают значение суммарной негерметичности испытываемого изделия.

При калибровке на входной фланец течеискателя был установлен щуп SL300 производства компании «Leybold Vacuum», оснащенный инъекционной иглой 0,8×40 мм 21G.

Значение постоянного потока Q атмосферного воздуха, создаваемого вакуумным насосом течеискателя в вышеописанной конфигурации через инъекционную иглу, было измерено по методу спада давления в замкнутом объеме (ОСТ 92-4316-90. «Изделия отрасли. Порядок выбора методов контроля герметичности» - С. 11. - 55 сю). Оно составило

Был выбран верхний предел концентрации гелия в приготовляемой для калибровки гелиево-воздушной смеси, а именно,

Названное значение равно верхнему пределу измеряемой газоанализатором концентрации определяемого компонента, т.е. верхнему пределу измеряемой данным течеискателем концентрации гелия в воздухе. Оно почти на два порядка превышает фоновую концентрацию гелия в атмосферном воздухе, равную 5,27⋅10^-4% объемных (Соколов В.Б. Гелий // Химическая энциклопедия: в 5 т ./ Гл. ред. И.Л. Кнунянц. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 1: А - Дарзана. - С. 513-514. - 623 с.) и позволяет покрыть широкий диапазон концентраций, которые могут образоваться в воздухе при испытаниях на герметичность с использованием гелия. Названная концентрация может быть без затруднений приготовлена при атмосферном давлении в сосудах известного объема по методу последовательного разбавления (ГОСТ Р ИСО 6144-2008. Группа Т58. Национальный стандарт Российской Федерации. Анализ газов. Приготовление градуировочных газовых смесей.

Статический объемный метод) с использованием инъекционных шприцев и игл.

На основании опыта практического использования течеискателя Phoe-niXL 300 Dry была получена оценка значения минимальной концентрации гелия в воздухе, определяемой данным течеискателем. Она равнялась одной сотой доле от фоновой концентрации гелия в атмосферном воздухе, т.е.

Также на основании опыта использования течеискателя было оценено значение требуемой суммарной длительности калибровки течеискателя. Критерием здесь являлось подтвержденное на опыте гарантированное сохранение параметров настройки течеискателя в течение нескольких часов его непрерывной работы. Конкретно было выбрано значение

Было измерено атмосферное давление, составившее

После этого по соотношению (1) было вычислено значение объема герметичной ячейки, которое позволило бы провести калибровку со всеми вышеуказанными параметрами:

В качестве герметичной ячейки была использована пластиковая колба соответствующего объема. Для ввода требуемого количества гелия в колбу использовали метод приготовления газовых смесей путем последовательного разбавления (ГОСТ Р ИСО 6144-2008. Группа Т58. Национальный стандарт Российской Федерации. Анализ газов. Приготовление градуировочных газовых смесей. Статический объемный метод), а именно, приготавливали промежуточную гелиево-воздушную смесь с концентрацией, например, 10% объемных, после чего инъекционным шприцем вводили, например, 1 см³ приготовленной промежуточной гелиево-воздушной смеси в заполненную воздухом колбу объемом 330 мл. В результате в колбе образовывалась концентрация гелия

Для подключения течеискателя к колбе ее стенку прокалывали иглой щупа течеискателя. Для постоянного притока в колбу чистого воздуха из атмосферы помещения в ее стенке был сделан прокол инъекционной иглой 0,8×40 мм 21G. Таким образом, отбор газовой смеси в течеискатель компенсировался равным по величине притоком в колбу чистого воздуха из атмосферы помещения. Поскольку размеры колбы были невелики, - ее высота не превышала 200 мм, - то за счет быстропротекающей диффузии гелия в воздухе в колбе в каждый момент времени существовала практически равномерная по объему колбы концентрация гелия в воздухе.

Выходной сигнал S_exp газоанализатора (течеискателя) (см. столбец 2 таблицы 1) регистрировали в зависимости от времени t отбора пробы газа в газоанализатор (течеискатель) (см. столбец 1 таблицы 1).

Как видно из фиг. 1, экспериментальные результаты хорошо аппроксимируются экспоненциальной зависимостью, что соответствует физическому процессу экспоненциального разбавления исходной газовой смеси постоянным во времени потоком чистого воздуха.

Расчетные значения концентрации Сн_е гелия в воздухе в колбе в зависимости от времени t представлены в столбце 4 таблицы 1. В итоге имеем выполненную калибровку гелиевого масс-спектрометрического течеискателя: значения выходного сигнала течеискателя (см. столбец 2 таблицы 1) поставлены в соответствие значениям концентрации гелия в воздухе в широком диапазоне - от 0,03 до 7,14 ⋅ 10^-5% объемных (см. столбец 4 таблицы 1).

Таким образом, достигается положительный технический результат -упрощается оборудование для приготовления газовых смесей, поскольку отпадает необходимость в использовании побудителя расхода основного компонента газовой смеси через герметичную ячейку, например, диафрагменного вакуумного насоса, а также повышается достоверность результатов калибровки за счет использования побудителя расхода газа из состава газоанализатора, в данном конкретном случае, вакуумного насоса гелиевого масс-спектрометрического течеискателя, обладающей высокой стабильностью скорости вакуумирования.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить экономическую эффективность изготовления, подготовки и эксплуатации изделий ракетно-космической техники в части испытаний их на герметичность с использованием пробных газов.

Способ достаточно прост в реализации и не требует дополнительных средств на доработку существующего испытательного оборудования.

Изобретение относится к способам приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов и может найти применение при испытаниях изделий на герметичность с использованием пробных газов, в частности при испытаниях изделий ракетно-космической техники, а также в таких областях, как газовое, атомное, авиационное машиностроение, где предъявляются повышенные требования к герметичности, долговечности и надежности изделий, например герметичных отсеков и пневмогидравлических систем космических аппаратов. Способ приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов заключается в следующем. В герметичной ячейке при атмосферном давлении смешивают исходную газовую смесь основного и определяемого компонентов, например воздуха и гелия, понижают концентрацию определяемого компонента в исходной газовой смеси до минимальной концентрации C_min измеряемого газоанализатором компонента в основном компоненте, для чего создают и затем подают постоянный по времени поток Q основного компонента в герметичную ячейку для разбавления исходной газовой смеси, при этом для создания и подачи постоянного по времени потока Q основного компонента в герметичную ячейку используют побудитель расхода газа из состава газоанализатора, измеряют значение постоянного по времени потока Q основного компонента, создаваемого побудителем расхода газа из состава газоанализатора, выбирают начальную концентрацию С₀ определяемого компонента в исходной газовой смеси в герметичной ячейке равной верхнему пределу измеряемой газоанализатором концентрации определяемого компонента, оценивают минимальную концентрацию C_min определяемого компонента, измеряемую газоанализатором в основном компоненте, оценивают требуемую суммарную длительность калибровки t_cal по гарантированному сохранению параметров настройки газоанализатора в течение периода его непрерывной работы, затем вычисляют объем герметичной ячейки V, исходя из соотношения где С₀ - начальная концентрация определяемого компонента в исходной газовой смеси в герметичной ячейке, равная верхнему пределу измеряемой газоанализатором концентрации определяемого компонента; C_min - минимальная концентрация определяемого компонента в основном компоненте, измеряемая газоанализатором; Q - значение постоянного потока основного компонента, создаваемого побудителем расхода газа из состава газоанализатора; t_cal - требуемая суммарная длительность калибровки газоанализатора; Р - значение атмосферного давления. Техническим результатом изобретения является упрощение приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов и повышение достоверности результатов калибровки. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

Способ приготовления газовых смесей для калибровки газоанализаторов, заключающийся в смешивании в герметичной ячейке при атмосферном давлении исходной газовой смеси основного и определяемого компонентов и понижении концентрации определяемого компонента в исходной газовой смеси до минимальной концентрации C_min измеряемого газоанализатором компонента в основном компоненте, в создании и последующей подаче постоянного по времени потока Q основного компонента в герметичную ячейку для разбавления исходной газовой смеси, отличающийся тем, что для создания и подачи постоянного по времени потока Q основного компонента в герметичную ячейку используют побудитель расхода газа из состава газоанализатора, измеряют значение постоянного по времени потока Q основного компонента, выбирают начальную концентрацию С₀ определяемого компонента в исходной газовой смеси в герметичной ячейке равной верхнему пределу измеряемой газоанализатором концентрации определяемого компонента; оценивают минимальную концентрацию C_min определяемого компонента в основном компоненте, измеряемую газоанализатором; оценивают требуемую суммарную длительность калибровки t_cal по гарантированному сохранению параметров настройки газоанализатора в течение периода его непрерывной работы, затем вычисляют объем герметичной ячейки V исходя из соотношения

где С₀ - начальная концентрация определяемого компонента в исходной газовой смеси в герметичной ячейке, равная верхнему пределу измеряемой газоанализатором концентрации определяемого компонента;

C_min - минимальная концентрация определяемого компонента в основном компоненте, измеряемая газоанализатором;

Q - значение постоянного по времени потока основного компонента, создаваемого побудителем расхода газа из состава газоанализатора;

t_cal - требуемая суммарная длительность калибровки газоанализатора;

Р - значение атмосферного давления.