Способ определения состава бинарных поверочных газовых смесей Советский патент 1991 года по МПК G01N7/00 F17C5/06 

Изобретение относится к метрологическому обеспечению газоаналитических приборов, а именно к настройке.градуировке и поверке средств измерения состава компонентов в газовых смесях на основе гелия, работающих при давлениях до 10 мПа и более, связанных с жизнеобеспечением человека в замкнутых пространствах.

Целью изобретения является определение состава газовой смеси на основе гелия в широком диапазоне давлений с высокой точностью.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе определения состава бинарной поверочной газовой смеси на основе гелия, заключающемся в приготовлении

газовой смеси в баллоне под давлением путем смешения исходных чистых газов, выдержке и определении состава газовой смеси в обьемных долях при условиях окружающей среды аналитическим методом, дополнительно измеряют давление смеси в баллоне, выбирают коэффициенты сжимаемости гелия при барометрическом давлении и давлении газовой смеси в баллоне и определяют массовую концентрацию смеси по соотношению коэффициентов сжимаемости гелия по формуле

Р -z 9 -А ;

гсм - м ai

Р;Р Ps-z2 ;

О)

где/йр - массовая концентрация i-ro компонента при повышенном давлении, кг/м ;

Рем - давление газовой смеси в баллоне (камере), кг/см2;

Рб - барометрическое давление, кгс/см2;

Zi, 2.2 - коэффициенты сжимаемости гелия при Рб и Рем соответственно и температуре окружающего воздуха;

Ф - объемная доля i-ro компонента при Рбдоли единицы;

do - плотность i-ro компонента при PR и температуре окружающего воздуха, кг/м ;

Массовая концентрация, выраженная через массу Ьго компонента, и вместимость сосуда (баллона) имеет вид:

№

(2)

Чр

piP,

CM

CM

и

S

mipff

Р;рШГ

R - газовая постоянная, кг.см/моль. К; Т - температура газовой смеси, К. Выразим из уравнения (4) и (5) Ve и подставим в формулу (1) и (2) соответственно,

получим:

Рсм

Р Р-в4-мр к-т

(6)

см

ГС(Л

10

15

т;

. Рг

(7)

;S Zi Npg- R-T

Разделив уравнение (6) и (7), получим

PiPcM m;PCM PcM Zl Hps (8) Р;р Ps-Za-Np,

см

Умножим и разделим правую часть уравнения (8) на молекулярный вес компонента Mi, получим:

PcM-PcM -Nps-Mj (9) PiP Mi-m;prP&.

тогда

N:,

. цffl-.-Pg

Ml РСМ дд;

30 формула (9) примет вид:

. HiPCM.NPg.z;.pCM

Чм Р -4 Р5- 35 следовательно

P;PCM..ZJ.PCMN;POM NiPy

1p;p Z 2 P NPcNV- Np 00

40

Изобретение относится к метрологическому обеспечению газоаналитических приборов, а именно к настройке, градуировке и поверке средств измерения состава компонентов в газовых смесях, работающих при давлениях до 10 МПа и более, которые используются для контроля состава дыхательных сред, связанных с жизнеобеспечением человека в замкнутых пространствах. Целью изобретения является определение состава газовой смеси в широком диапазоне давлений и повышение точности определения состава газовой смеси. Суть изобретения заключается в следующем. В способе определения состава бинарных поверочных газовых смесей на основе гелия, заключающемся в приготовлении газовой смеси в баллоне под давлением путем смешения исходных чистых газов, выдержке и определении состава смеси на выходе из баллона в объемных долях при условиях окружающей среды аналитическим методом, дополнительно измеряют давление смеси в баллоне, выбирают коэффициенты сжимаемости гелия при барометрическом давлении и давлении газовой смеси в баллоне и определяют массовую концентрацию смеси по соотношению коэффициентов сжимаемости гелия по формуле рср Рем Zi Ф| di Ре 7-г - где рср - массовая концентрация 1-го компонента при повышенном давлении, кг/м3; Рем- давление газовой смеси в баллоне, кгс/см ; Ре - барометрическое давление, кгс/см ; Zi, 7.1 - коэффициенты сжимаемости гелия при Рб и Рем соответственно и температуре окружающего воздуха; di - плотность 1-го компонента при Рб и температуре окружающего воздуха, кг/м3;ф - объемная доля 1-го компонента при Рб, доли единицы. 2 табл. И VI О к к Os

где /з рбИ/Э|рсм - массовые концентрации 1-го компонента при повышенном и барометрическом давлениях соответственно, кг/м3;

тмрсм и торб массы i-ro компонента при Рем и Рб, соответственно, кг;

/б - вместимость сосуда (баллона), м , Уравнение Менделеева-Клайперона для газовой смеси при повышенном и барометрическом давлениях имеет вид;

PcMV6 Z21 NPCM FM(4)

PeVe Zi1 Npe R-T(5)

где PCM и Ре давление газовой смеси при повышенном и барометрическом давлениях соответственно, кгс/см ;

Z21 и Zi1 - коэффициенты сжимаемости газовой смери при Рем и Рб соответственно; VPCM и Npe число молей смеси при Рем иРб;

Z -P P

ГСЛЛ П

;p

(11)

22 Pff 5 Подставив (11) в (10) получим формулу (1)

,-Z; (12)

Pip

I КЛМ

Ps Ze

Для определения коэффициентов сжимаемости смеси в широком диапазоне давлений был применен метод измерения массы смеси, приходящейся на единицу давления в баллоне известной вместительности при разных давлениях (от 10 мПа до 1 мПа) и нахождения отношений масс при условиях окружающей среды (Р и комнатной температуре) к полученным массам при той же температуре при разных давлениях.

По большому количеству данных, полученных экспериментально, были определены коэффициенты смесей 02 в Не и СОа в Не в диапазоне 0,1 - 21,0% и от 0,1 до 4,5% соответственно, Полученные коэффициенты сжимаемости газовой смеси полностью совпадали в пределах погрешности с коэффициентами сжимаемости чистого гелия для тех же давлений и температуры, причем относительная погрешность изменения коэффициентов сжимаемости не превысила 0,2%.

Результаты измерений .сведены в табл,1.

Таким образом, экспериментально было доказано, что Zi Zi и Z21 Z2, тогда

Pi РСМ

PcM-Mi-2, ZЈ-P

Из формулы (1) следует, что ее решение не требует сложных расчетов - коэффициенты сжимаемости гелия для указанных оптимальных условий давлений известны - и производительность определения состава бинарной смеси повышена по крайней мере в 2-3 раза. При этом повышена точность определения, так как погрешность при определении коэффициента сжимаемости смеси больше погрешности, установленной для коэффициентов сжимаемости чистого гелия при различных условиях (давлениях и температуре).

Поверочные газовые смеси, состав которых определен при условиях окружающей среды (близких к нормальным), не пригодны для градуировки и поверки газоанализаторов контроля, работающих в широком диапазоне давлений, так как состав газовой смеси внутри камеры (баллона) не идентичен смеси на выходе из-за отклонения поведения реальных газов и смеси от идеального состояния, вызванного наличием у молекул собственных объемов и сил притяжения и отталкивания.

Предложенный способ определения состава поверочной газовой смеси реализуется следующим образом.

Приготавливается на манометрической установке бинарная газовая смесь нужного состава (02 в Не или С02 в Не) в остальном баллоне под давлением путем смешения потоков двух чистых компонентов. Баллон с газовой смесью выдерживается в горизонтальном положении при комнатной температуре 2-3 сут для гомогенизации смеси. Определяется состав газовой смеси в объемных долях в условиях окружающей среды

одним из аналитических методов, например объемным 3,4 определяется ф .

Измеряется давление смеси (РСм) в баллоне образцовым манометром, температура 5 окружающей среды (т.) и барометрическое давление барометром - анероидом (Ре).

Находят гглотность компонента (di) при Рб и температуре окружающей среды.

Находят Zi и Z2 (коэффициенты сжимае- 10 мости гелия) для РСм, Рб и температуры окружающей среды.

Данные подставляют в формулу (1) и рассчитывают массовую концентрацию 02 или С02 в гелии.

15 Примеры реализации способа представлены в табл.2.

Диапазоны измерений были выбраны с учетом возможного содержания компонентов (02, С02) в дыхательных смесях в широ- 20 ком диапазоне давлений.

Положительный эффект от использования предлагаемого способа определения состава поверочной газовой смеси по сравнению с прототипом заключается в 25 том, что стало возможным определение состава поверочных газовых смесей преимущественно на основе Не в широком диапазоне давлений, что позволило решить задачу метрологического обеспечения газо- 30 анализаторов, работающих при давлениях до 10 мПа и выше.

Формула изобретения

35 Способ определения состава бинарных поверочных газовых смесей, включающий приготовление газовой смеси в баллоне под давлением путем смешения исходных чистых газов, выдержку полученной смеси и

40 определение ее состава на выходе из баллона в объемных долях при условии окружающей среды аналитическим методом, отличающийся тем, что, с целью определения состава газовой смеси на основе гелия в

45 широком диапазоне давлений с высокой точностью, дополнительно измеряют давление смеси в баллоне, барометрическое давление и температуру, выбирают коэффициент сжимаемости гелия при барометриче50 ском давлении и давлении газовой смеси в баллоне при температуре окружающей среды и определяют массовую концентрацию смеси из соотношения коэффициентов сжимаемости гелия по формуле

55 р у j ,ф.

P;f P5-z,

где /Яр - массовая концентрация 1-го компонента при повышенном давлении, кг/м3;

PUM - давление газовой смеси в баллоне, кгс/см2;

/Эб - барометрическое давление, кгс/см2;

Zi, 2.2 коэффициенты сжимаемости гелия при Ре и Рем соответственно и температуре окружающего воздуха;

di - плотность 1-го компонента при Ре и температуре окружающего воздуха, кг/см3; ф - объемная доля 1-го компонента при Р.6.

Таблица

Табли ц а 2