Способ анализа газовых смесей и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01N9/32 

2. Устройство для анализа газовых смесей, содержащее две камеры, разделенные мембраной, впускной клапан для ввода анализируемой газовой смеси, установленный в одной из камер, выпускной клапан, установленный в другой камере, и измеритель перепада давления между камерами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности анализа и увеличения разрешения по массовым числам компонентов, мембрана выполнена в виде ядерного фильтра, размер.пор в котором на два или более порядков меньше длины L свободного пробега csiMoro тяжелого компонента газовой смеси при выбранном давлении,и в устройство введены стабилизатор давления и вакуум-насос,подсоединенные к выпускному клапану.

1. Спосор анализа газовых смесей, заклюЧгисхцийся в том, что анализируемую газовую смесь помещают в камеру с мембраной, через которую диффундируют компоненты смеси, измеряют перепад давления на мембране, .по изменению которого судят о количественном и качественном составе смеси,-от лич а ющ и и с я тем, что, с целью повшиения точности анализа и увеличения разрешения по массовым числам компонентов, в качестве мембраны используют ядерный фильтр, размер пор в котором на два или более порядков .леньше длины свободного пробега самого тяжелого компонента газовой смеси при выбранном давлении, а в пространстве за мембраной в направлении диффузии компоg (Л нентов смеси создают и поддерживают постоянное давление, меньшее давле- ния анализируемой газовой смеси в камере.

Изобретение относится к способам анализа газовых смесей, и прибор, построенный на этом принципе, может найти широкое применение как для лабораторных анализов, так и в тех отраслях народного хозяйства, где необходимо проводить одновременно качественный и количественный анали состава газовых смесей. Известны.способы измерения концентрации газовых смесей, основанны на принципах диффузии газа через пористую перегородку-мембрану в соответствии с законом Грзхема IJ . Однако все устройства, работаю адие на этом принципе, позволя1от измерять, как правило, концентрацию только одного,и то заранее известно го, компонента газовой смеси. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ анализа гозовых смесей, заключающийся в том, что анализируемую газовую смесь помещают в камеру с мембраной, через которую диффундируют компоненты смеси, измеряют период давления на мембране, по изменению судят о количественном и ка чественном составе смеси .2 . Устройство д 1Я:осуществления известного способа содержит две камеры, разделенные г юмбраной, впускной клапан для ввода анализируемой смеси, установленной в одной из камер, выпускной клсшан, установленны во второй камере, и измеритель пере пада давлений между камерами. Анализ смеси ведется по степени ее лиф фузии через мембрану ив камеру с тем же объемом и давлением, но соде жащую эталонную смесь газов. Наличи разности концентраций компонент при водит к сдвигу давлений между кг1мерами - бароэффекту, по максимальной величине которого определяется концентрация газовых компонент в смеси (2р. Прибор, реализованный на зтом принципе, позволяет проводить как количественный (по концентрациям), так и качественный (по молярным массам) анализ газовых смесей, используя при зтом предварительную градуировку. Однако известный способ обладает низкой точностью анализа вследствие определения величины бароэффекта относительно зталонной смеси газов, что требует определенного температурного выравнивания между камерами. В известном устройстве в порах мембраны преобладает вязкостный, в лучшем случае промежуточный режим течения смеси по массовым числам, и также влияет на точность измерений. Позтому работают, как правило, с заранее известным набором газовых компонент или производят градуировку прибора по массовым числам. Целью изобретения является повышение точности и увеличение разрешения по массовым числам компонентов. Указанная дель достигается тем, что согласно способу анализа газовых смесей, заключающемуся в том, что анализируемую газовую смесь помещают в камеру с мембраной, через которую диффундируют компоненты смеси, измеряют перепад давления на мембране, по изменению которого судят в количественном и качественном составе смеси,в качестве мембраны используют ядерный фильтр,размер пор в котором на два или более порядков меньше длины свободного пробега самого тяжелого компонента гагзовой смеси при выбранном давлении, при зтом в пространстве за мембраной в направлении диффузии компонентов смеси создают и поддерживают постоянное давление, меньшее давления анализируемой газовой смеси в , камере, . В устройстве для анализа газовых смесей, содержащем две камеры, разделенные мембраной, впускной клапан для ввода анализируемой газовой смеси, установленный в одной из камер вьтускной клапан установленный в другой камере, и измеритель перепа- да давлений между камерами, мембр на выполнена в виде ядерного фильт ра, размер пор в котором на два или более порядков меньше длины свободного пробега самого тяжелого компонента газовой смеси при выбранном давлении, и в устройство введены ст билизатор давления и вакуум-насос, подсоединенные к выпускному клапану Следует отметить, что мембраны типа ядерный фильтр имеют маЛую дисперсию и строгую цилиндричность пор. Способ осуществляется следующим образом. Измерив экспоненциальную зависимость изменения перепада давлений на мембране по времени, производят ее математическое разложение на сум му экспонент по числу компонентов газовой смеси. Поскольку в мембране реализуется свободно-молекулярный режим течения т.е. используется ядерный фильтр с размером пор на два или. более порядков меньшим длины свободного про бега самого тяжелого компонента газовой смеси при выбранном давлении, и мала дисперсия пор по размерам, то каждый компонент смеси двигается независимо от другого и, следовательно, общая экспериментальная компонента является суммой экспонент каждого компонента. Для разрешения общей экспоненты 1 -компонентной газовой смеси необходимо решить методом наименьших квадратов систему Соответствующих уравнений. Общее уравнение въаглядит. так Ftc;,i.0.c.,,...,. . , . ;где 4 г 1... п ; ; е 1,.. 2 п; . P«i-Pnj|P,i Р; - первоначальное давление в ка мере; РЭК - текущее значение давления (экспериментальное); С - концентрация i -го кокшоне та смеси; 3;(Wv)- . Л;- молярная масса i -го компо нента; . А - константа,.определяемая,геометрическими характеристиками мембраны и объемом камеры . Дпя разрешения С; и «{ относител но каждого компонента необходимо ре шить следующую систему уравнений 1,-Пе„}; Г.т.. П р и, м е р. Проводится анализ трехкомпонентной газовой смеси на мембране типа ядерный фильтр с диаметром пор 150 А, что соответствует условию свободно-молекулярн уго режима для атмосферного давления. Давление в камере со смесью (первоначальное) составляет 1 -ат со стороны низкого давления - 10 торр. Анализ общей экспоненциальной зависимости и ее обработка на ЭВМ дали результаты по массовым числам (Не-Аг-Кг) и концентрациям не хуже 5% (по точности и разрешению). На чертеже изображена принципиальная схема устройства. Устройство содержит впускной клапан 1, соединенный с камерой 2, в которой находится мембрана 3. На выходе мембраны 3 имеется вторая камера 4, снабженная выпускным клапаном 5, соединенным последовательно со. стабилизатором давления 6 и вакуум-насосом 7. Дифференциальный, манометр 8 подключен к камере 2 и к- камере 4 на выходе мембраны 3. Устройство работает следующим образом. Камера 2 через впускной клапан 1 заполняется анализируемой смесью газов до некоторого первоначального давления Р.; , при этом выпускной клапан 5 закрыт. Давление устанавливается равным с обоих сторон мембраны 3. Затем открывается клапан 5 и давление с этой стороны мембраны 3 быстро падает до Pj - поддерживаемом на постоянном уровне стабилизатором 6 давления. Дифференциальный манометр 8 в этот момент показывает наличие перепада давлений на мембране U Р - -2 } I газовая смесь начинает диффундировать в сторону меньшего давления и далее отводится из систекш насосом 7, при этом давление в камере 2 меняется по экспоненциальному закону. По сложности решаемой згщачи предлагаемый способ и устройство для его осуществления могут быть, сравнены с масс-спектрометрами. Любой масс-спектрометр - это сложное и дорогостоящее оборудование, а необходимость специальной подготовки смеси перед анализом, обеспечение высокого, иногда сверхвысокого вакуума для измерений снижают его экспрессность и доступность контроля. Поэтому масс-спектрометры являются всегда стационарными приборами. . Предлагаемое устройство, или прибор, выполненный на его основе, достаточно прост в эксплуатации, экспрессен. Ошибка измерений и степень разрешения по массовым числам может быть доведена до 1% (тогда как известное устройство имеет 10-40%),.

51128149

Использование в приборе мнкро-эования в системах контроля многопроцврсора для обработки общей экс-компонентых газовых смесей как в

пертеитальной кривой делает дай- :экспериментальной технике, так и в

кый прибор универсальиьм для исполь-системах промышленного производства.