Способ анализа состава газа Советский патент 1984 года по МПК G01N23/06 

i-112 Изобретение относится к способам анализа состава газообразных продуктов и сырья с помощью рентгеновского или гамма-излучения и может быть использовано в газодобьшающей газоперерабатывающей, нефтехимической и металлургкч ской промышленности. Известен способ анализа состава газа, вклю чающий просвечивание излучением проточной кюветы с анализируемым газом и проточной кюветы со сравнительным газом, где о содер жании определяемого компонента судят по от ношению потоков регистрируемых квантов, проигедших через кюветы 1 . Недостатком данного способа анализа газа является влияние температуры .и давления газов на результаты анализа. Наиболее близок к предлагаемому способ анализа состава газа, заключающийся в последовательном облучении потоком монознергетического рентгеновского или гамма-излучения проточных кювет с анализируемым газом и газом с известными абсорбционными свойствами, имеющих одинаковую толщину слоя газа d, поддержании равных температур и , давления обоих газов и регистращ1и потоков прошедшего через эти кюветы излучения 2. Для осуществления этого способа кроме двух указанных кювет необходима третья с эталонным газом. Она должна быть герметизирована. Однако применение герметизированной кюветы, затрудняющее реапизаш1ю способ в области мягкого рентгеновского или гамма излучения, которое удобно использовать для анализа элементов с малым атомным номером является недостатком способа. Это можно объяснить следующим образом. Входное и вы ходное окно газовой кюветы должны быть прозрачными для данного вида излучения. Пр использовании мягкого рентгеновского или гамма-излучения, например, с энергией 3,08 кэ (L - серия Aij;), входное и выходное окна из бериллия толщиной 0,3 мм, обеспечивающи достаточную герметизадаю, ослабляют первичн поток излучения более чем в 10 раз, что сни жает эффективность использования источника излучения и увеличивает время экспозиции. В области этих энергий в ачестве материала для окон приходится применять либо очень тонкую бериллиевую фольгу, либо тонкие Органические , что снижает герметичность кюветы. При изменении давления воздуха ок ружающей сре;ц,1, в спучае положительной разности давления, наблюдается проникновени молекул воздуха внутрь герметизированной кювсть через тонкую пленку окон до момен та выравнивания давления окружающего воэдуха и газа внутри кюветы. При отпинательмой разности давлений молекулы аза из герметизированной кюветы проникаю через пленку окон в окружающую среду. Очевидно с течением времени внутри герметизированной кюветы наблюдаются два процесса: изменение, количества молекул и изменение качественного состава эталонного газа, что приводит к изменению абсорбционных свойств эталонного газа в герметизированной кювете и, следовательно, к увеличению погрешности анализа. Аналогичные изменения наблюдаются при значительных изменениях температуры окружающей среды. Таким образом, энергетическая область реализации известного способа в сторону мягкого рентгеновского или гамма-излучения весьма ограничена. Цель изобретения - повышение точности анализа и расширение энергетического диапазона используемого рентгеновского или гаммаизлучения. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу анализа состава газа, заключающемуся в последовательном облучении потоком моноэнергетического рентгеновского или гамма-излучения проточных кювет с анализируемым газом и газом с известными абсорбционными свойствами, имеющих .одинаковую толщину слоя газа d , поддержании равных температур и давления обоих газов и регистрации поток-ов прошедшего через эти кюветы излучения, пропускают анализируемый газ и газ с известными абсорбционными свойствами через дополнительные кюветы с одинаковой толщиной слоя газа d, опреде-. ляемой из соотношения 2 .К где Ng, N - потоки излучения, прошедшие через пустую кювету и кювету с максимальной концентрацией определяемого компонента при толщине слоя газа равной d, последовательно облучают их тем же потоком излучения, регистрируют -потоки излучения, прощедшие через дополнительные кюветы с соответствующими газами и судят о концентрации определяемого элемента по значению параметраen(NjN,.) ш .- 3 I ( где N, N - потоки излучения, прошедшие через кюветы с анализируемым газом с толщиной слоя шза соответственно равной ci и d,; Nj, N - потоки излучения, прошедшие через кюветы с газом с извеигиыми абсорбционными свойствами (1ри толщинах €;и)я i ача соогиегственно равных с) и d,. 31 На фиг. 1 схематически показано устройство для реализации способа; на фиг. 2, - зависимость относительной погрешности анализа С от относительного изменения слоя газа на фиг. 3 - зависимость параметра от отношения давления к температуре газа Р/Т при измерениях содержания сероводорода в воздухе. Устройство содержит теплообменник 1, источник 2 мягкого рентгеновского излучения, проточную кювету 3 с анализируемым газом с толщиной слоя газа d., дополнительную протонную кювету 4 с анализируемым газом с толщиной слоя газа dj, дополнительную проточную кювету 5 с газом с известными абсорбционнымн свойствами с толщиной слоя газа dj, проточную кювету 6 с газом с известными абсорбционными свойствами с толщ ной слоя газа d, детектор 7 излучения и уст ройство 8 (жидкостный затвор, сильфон, ротаметр и т. п.), с помоы0 ю которого давле ние анализируемого газа и газа с известными абсорбционными свойствами в проточных кюв тах 3-6 поддерживается постоянным. Стрелками показано направление движения газа; стрелками при N - направление соответствую щих потоков квантов. Источник излучения одноврелленно с детектором излучения может быть установлен и зафиксирован против каждой из кювет поочередно. Анализируемый газ и таз с известными абсорбционными свойствами для данного излучения пропускают через теплообменник, в котором выравнивается их температура, затем они поступают в соответствующие кюветы 3- Пройдя устройство 8, где давления выравнива ются, газы выбрасьюаются в атмосферу или отводятся в газопровод. Кюветы 3 и 6 имеют толщину газового слоя d, а кюветы 4 и 5 - толщину слоя газа d. Все четыре кюветы 3-6 поочередно облучают излучением источника и одновременно регистрируют поток излучения на выходе соответствующей кюветы а а концентрации определяемого компонента судят по соотношению (2). Сущность предлагаемого способа анализа газа заключается в следу Ю1цем. Потоки квантов N на выходе кювет определяются следующими выражениями: . N, Ь (-A.2M,) ; J.-PJ 1 exp|-r/;u..)V jC-f|U.Mgj-5 1 I (5 /Pol ,exp(,M) , 7 где N - поток излучения, прошедший через кюветы без газа; /U - массовый крэффициент ослабления излучения, М - молярная масса газа, кг/моль; С - объемная долевая концентрация определяемого компонента; Р - давгение газа. Па; Т - температура газа. К; R - газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль К; d - толщина газового слоя, м. Индексы 1 и 2 при р. к М означают, что данная величина относится соответственно к анализируемому газу и газу с известными абсорбционными свойствами: индекс О - к газовому остатку (наполнителю) анализируемого газа. Из выражения ) en(NjN) видно, что получаемая информация о концентрации анализируемого компонента не зависит от температуры и давления анализируемого газа. Таким образом, единственным необходимым условием для реализации предложенного способа анализа газа является равенство температуры и давления анализируемого газа и газа с известными абсорбционными свойствами лишь т на время выполнения одного анализа, что практически легко осуществимо. Концентрация определяемого компонента анализируемого газа, в соответствии с выражением 7),. вывдсляетря пр. формуле С А i s в en(,) . Толщина слоя газа в кювете при первом просвечивании определяется из условия оптимальной нормированной среднеквадратичной абсолютной погрешности, которая незначительно меняется при изменении коэффициента ослабления излучения NO/ в пределах 3 N.. /N:; 15. Согласно (9) толщина слоя газа d., определяется при NO/N 3 для кошимальной концентрации определяемого компонента. Макснмальная толщина слоя газа d определяется из условия минимальной относительной среднеквадратичной погрешности определения концентрации определяемого компонента 511242 Л,. Относительноную погрешность определения концеитрации можно описать выражениемТ) г., г,. I.. , tT)1{2 (He Kl1. lOORlVI (S i - oMCPc, (,) L 7v (.,,C.. 0 Not,« Минимальное значение отиосительной среднеквадратичной погрешности будет при относительном изменении толщины слоя газа « (1 Таким образом, : м;;; Отношение 15 выбирается для вычисления величины d с учетом максималь ной концентрации определяемого компонент Для конкретного случая анализируемого газа - бинарная смесь + воздух при . изменении концентрации от 20 до 30 об.% и энергии квантов излучения Е ,08 кэВ с учетом критерия (9) получают d 0,025 м, 0,043 м, d4J 0,72. Зависимость относительной ошибки сЛ от относительного изменения толщины газового слоя cAd согласно выражению (50) приведен на фиг. 2; кривая 9 для 20%, а 10 - для 30%-ного содержания HjS в воздухе. Из графика на фиг. 2 видно, что среднеквадрати ная относительная ошибка rf незначительно (на 0,1%) меняется при варьировании относительного изменения толщины газового слоя в пределах 0,5 3. Кроме того, при изменении в заданных пределах определяемого компонента значение d,. также изменяется незначительно. Таким образом, полученное с учетом критерия (9) значение Mf 0,72 хорошо согласуется с условием «А( Повышение точности в предлагаемом способе анализа состава газа происходит вследствие использования более мягкого излучения, для 5 10 7 которого абсорбционные свойства исследуемого газа проявляются в большей степени, а также стабильности измерении ввиду отсутствия герметизированной кюветы с зталонным газом. Например, для энергии квантов 5,9 кзВ (изггучение изотопа железа - 55), используемой В1 известном способе, массовый коэффициент сюлабления для сероводорода имеет значение 20,1 м /кг; для энергии квантов 3,08 кэВ (L - серия Ast) 125,3 . При этом соотношениегде Е., и Е - энергия квантов излучения; S и S - относительная чувствительность при энергии Е., и Е, соответственно, характеризующая относительное изменение скорости счета, квантов на выходе кюветы с исследуемым газом при единичном изменении определяемого компонента. Постоянная п для рассматриваемой области энергий приблизительно равна 2,78. Для экспериментальной проверки предлагаемого способа анализа состава газа были изготовлены две группы проточных кювет с одинаковыми абсорбционными свойствами для каждой группы. Каждая группа состояла из цилиндрических кювет диаметром 30 мм с толщиной слоя газа d., ,25 мм и трех кювет с толщиной газового слоя d , равной 28; 43 и 175 мм. Окна кювет выполнены из лавсановой пленки толщиной 5 мкм. В качестве излучателя использовалась маломощная рентгеновская трубка типа БХ2 с анодом прострельного типа из серебра. При анодном напряжении 5 кВ возбуждалась L - серня характеристического рентгеновского излучения серебра с Е 3,08 кэВ в качестве детектора излучения использовали рентгеновский проточный пропорциональный счетчик СРПП-22М, питаемый стандартной газовой смесью Аг 90%+СН 10%. Для выравнивания температуры и давления анализируемого газа и газа с известными абсорбционными свойствами использовали теплообменник и дрексельное устройство. Для регистрации импульсов детектора излучения и обработки информации применяли типовые блоки и микроЭВМ Электроника ДЗ-28. В результате экспериментальных исследоваий для некоторых значений ., были полуены следующие данные, сведенные в таблицу. Как видно из таблицы, значения среднекв ратичной относительной погрешности определ ния концентрации сероводорода для разных значений относительной толщины слоя газа согласуются с характером нзменения (Г (cM, приведенном на фиг. 2.:. На фиг. 3 представлены результаты анализа 30%-ного содержания сероводорода в воздухе, выполн ного при различных значениях отношения Р/Т в диапазоне 300-400 Па/К. На основании полученных данных можио сделать вывод, что результаты анализа не зависят от изменения температуры и давления анализируемого газа. Результать экспериментальных исследований показали, что значение относительной чувствительности предлагзея го способа анализа газа в 4,5-5 раз превышает соответствующее значение известного способа. -. Предлагаемый способ состава газа расширяет диапазон реализации рентгенорадиометрических методов газовс -о анализа в сторону использования излучения более низкой знертки, что позволяет повысить точность анализа на злементы с малым атомтм номером.

СПОСОБ АНАЛИЗА СОСТАВА ГАЗА, заключающийся в последовательном облучении потоком моноэнергетического рентгеновского или гаммаизлучейия. проточных кювет с анализируемым газом и газом с известными абсорбционными свойствами, имеющих одинаковую толщину слоя газа d, поддержании разных температур н давления обоих газов и регистрации потоков прошедшего через зти кюветы излучения, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности анализа и расширения энергетического диапазона используемого излучения, пропускают анализируемый газ и газ с известными абсорбцноннь1ми свойствами через дополнительные кюветы с одинаковой толщиной слоя газа d,, определяемой из соотнощення 2 )j J. d, .- I t где N,, N. потоки излучения, прошедшие через пустую кювету и кювету I с максимальной концентрацией определяемого компонента при толщине слоя газа, равной d, последовательно облучают их тем же потоком излучения, регистрируют потоки излучения прошедаше через дополнительные кюветы с соответствующими газами, и судят о концентрации определяемого элемента по значению параметра Yn{N /N I.I.. Ъ)

г г

Фиг.

Г /.5

III да 20 3W J60 J80

8Фи2. Ш (