Способ калибровки измерителя массопотоков газовых смесей на основе гелия через селективную мембрану Советский патент 1992 года по МПК G01N7/10 G05D11/00 

Изобретение относится к метрологии, а именно к способам калибровки (эталони- ровки) измерений массопотоков, диффундирующих через мембрану, селективно (избирательно) пропускающую определенный газ из газовой смеси, например, гелий через кварцевую мембрану-из газовых смесей техно- или эндогенного происхождения, взятых на исследование из лито-, гидро- и атмосферы Земли.

Известен способ калибровки гелиевого потока через кварцевую мембрану датчика гелиевого индикатора 1. Согласно этому способу, выбранному за прототип, калибровку измерений осуществляют путем последовательной подачи (продувке под постоянным избыточным давлением в измерительном тракте) в индикатор фоновой, эталонной, фоновой, измеряемой, фоновой, эталонной и фоновой газовых смесей, которым соответствуют показания индикатора «Ф , 2э , Оф , «х - Щ, сс.э (Ц, и концентрации Сф,Сэ,Сф,Сх,Сф,Сэ.Сф. Такая последовательность подачи смесей в измерительных циклах является метрологически оптимальной и

позволяет весьма оптимально производить калибровку измерения. Действительно, считая приращение показаний индикатора пропорциональным приращению концентрации газа в смеси (линейный случай) нетрудно определить основные характеристики индикатора:

da K-dC; /d a KC + B; а КС + В,(1),

где К - крутизна характеристики индикатора (коэффициент усиления),

В - показания индикатора при С О нулевой концентрации исследуемого газа в смеси, следовательно В Оо - есть аппаратурный нуль индикатора, который выбором уровня отсчета может быть приравнен к нулю, и выражение (1) перепишется в виде:

(2).

Поскольку крутизна характеристики К в линейном случае определяется из соотношения

K aa/dc A«Mc « (з)

сл

с

VI

VI

о

00

со

то используя значение измеряемой (неизвестной) концентрации:

ДС Аа/К Сх-Сф х

т 6Јэ 2ф

х (Сэ-Сф).(4)

откуда Сх - -- ( Сэ-Сф )+СФ (5)

Значение Сф об.% для природных газовых смесей характеризует фоновую концентрацию гелия в атмосфере, слабо зависящую от времени года и места отбора. По крайней мере, известные измерения фоновой концентрации ее вариабельности не обнаружили. Переход от концентрации в газовых смесях через селективную мембрану к массопротокам через нее осуществляют из соотношения:

/и ПТо Wx D 3 С/д I d S fi m0 ,

(Q}

где D - коэффициент диффузии газа через мембрану толщиной d и площадью S ДС Сс()т к

д С/д Ыв рассматриваемом случае мембрана отделяет вакуумную полость датчика от газовой смеси с концентрацией Сх. D определяют либо экспериментально, либо берут из таблиц, d м, S .

8 выражении (6)/ - молярный вес (для гелия ft 4), m0 - атомная единица массы.

При анализе гелиевых газовых смесей эндогенного происхождения( внутриземно- го) четко различаются два класса концентраций: 1) Сх Сф и 2) Сх -Сф. Второй случай, Сх- Сф представляет собой особый интерес, т.к. связан со смесями, отбираемыми с площадей, предназначенных для размещения объектов атомной энергетики захоронения промотходов, а также при поиске утечек и аварий подземных трубопроводов, характеризуется массовым количеством подлежащих измерению газовых смесей в слабопроницаемых коровых блоках (вне разломов).

Именно в этом случае проявляются недостатки способа, выбранного за прототип - высокая стоимость и опасность потери требуемой точности калибровки измерений. Действительно, количество требуемых порций сопоставимо с количеством измеряемых проб ( на единицу вследствие перекрытия измерительных циклов), число которых исчисляется сотнями. Вследствие этого, эталонную смесь необходимо запасать с избытком, хранить и транспортировать в баллонах под давлением 107 Па, а это требует высококачественных вентилей и прецизионных редукторов, понижающих

хранение давления продувки, т.е. близкого к атмосферному ( 10 Па). Кроме того, при каждом отборе эталонной смеси из баллона эталонная смесь разубоживается (C3.t

Сэ,1+1 ) вследствие высокой текучести гелия, в т.ч. через вентили, редуктор и тракт подачи смеси. Возникающая при этом ошибка, малая при калибровке единичных смесей, естественно, стократно возрастает.

Создавать же смесь в пункте измерения чрезвычайно дорого, т.к. для этого требуется уникальное оборудование и квалифицированный персонал.

Целью изобретения является уменьшение стоимости и погрешности калибровки при массовых измерениях для газовых смесей . При этом О Сх 10 Сф.

Поставленная цель достигается тем, что в измерительных циклах вместо эталонной

смеси подают фоновую смесь под давлением как правило большим на известную величину от давления остальных смесей в цикле. При этом, например, в первом или (и) последнем цикле используют эталонную

смесь, что в случае надобности позволяет исключить сомнения в правильности этало- нировки, вследствие возможного локального отличия фоновой концентрации от принятого стандарта (Сф об.%).

Таким образом, согласно заявленному способу калибровки измерений осуществляют следующим образом.

В первом цикле измерений, как и в прототипе, в измерительный тракт к селективной (кварцевой) мембране подают путем продувки фоновую смесь, взятую в атмосфере в пункт измерения). Продувку осуществляют, как правило в течение At Зт , чтобы получить стационарное значение Оф ,

т.к.

-At/r а((1-е),(7)

где Т - постоянная времени индикатора;

At - время измерений (продувки).

Давление смеси при продувке, как правило, выше атмосферного (на доли процента), за счет аэродинамического сопротивления тракта, если фоновую смесь

вдувают ( например ми кро компрессе ром) или ниже на такую же величину, если смесь откачивают при том же расходе смеси. Постоянство давления контролируют измерителем давления и в случае необходимости

регулируют, управляя мощностью микрокомпрессора. Затем, как и в прототипе, подают эталонную смесь под тем же давлением (регулируя его редуктором на баллоне хранения эталонной смеси). Эталонную смесь приготавливают заранее с концентрацией

Сф4 Сэ-S ЮСф т.е. для ранее упомянутого второго типа проб (Сф Сх 10 Сф), для которых и предназначен заявленный способ.

Затем снова подают фоновую, потом, в отличие от прототипа, вместо измеряемой подают ту же фоновую смесь, но под давлением в тракте ( у мембраны) большим, чем давление подачи предыдущих смесей. Этот избыток давления (0 АР 0,1.Р) удобнее всего создавать, увеличивая, например, аэродинамическое сопротивление тракта на его выходе, например, уменьшая выходное сечение тракта, например, перекрывая вентиль). При этом полученное избыточное давление контролируют теми же техническими средствами, что и по прототипу. Заметим, что класс точности манометров выше класса точности технических средств, используемых при изготовлении эталонных смесей, вследствие чего привносимая ошибка при замене эталонной смеси на фоновую под дополнительным давлением может оказаться меньшей в силу ранее указаных причин.

Оценим величину потока через селективную мембрану из фоновой смеси при повышенном в Р (1 + ДР/Р)1,1 раз давлении ( на 10%). По определению концентрация любого 1-го компонента газовой смеси при заданном давлении Р определяется выражением:

Ci(P) m/m.(8)

где rij - число атомов данного сорта,

m - число атомов других сортов.

При повышении давления в единице объема число атомов всех сортов возрастает пропорционально их числу, и концентра- ция компонентов смеси не изменяется

( просто те же атомы заняли меньший объем):

г t , А -(р +ДР) ги г (л ci(p+Ap-(P+AP)-m-Q- (Q)

Поток же диффундирующих через мембрану атомов гелия в вакуумную камеру датчика возрастает, т.к. возрастает величина градиента, определяемого (6):

ЭС/Э.% (. Р

(1+ЛР/Р) -Co/d-Cl/d.(Ю)

откуда Сф 1,1 Сф, для выбранного (Р + +ДР/Р),1.

Найденное таким образом значение Сф ( и соответствующее ему показание

прибора Оф ) позволяет использовать фоновую концентрацию газовой смеси ( воздух в пункте измерении)вместо эталонной, причем не только экономить эту смесь, но и сохранять ее состав( по существу точность калибровки), используя баллоны для хранения и редукторы на более низкое ( 106 Па) давление. Как уже отмечалось точность измерений Р и АР существенно выше точности измерений компонентов эталонной смеси. В заявленном способе (как и в прототипе) для уменьшения погрешности калибровки и измерений температуру газовых смесей поддерживают известными приемами постоянно (например, термостатирова- нием).

После измерения Сф в тракт снова подают фоновую смесь под нормальным давлением, затем измеряемую и т.д. С учетом того, что измерительные циклы перекрываются, приводим для наглядности последовательности подач газовых смесей согласно прототипу:

Сущность изобретения: калибровку осуществляют путем последовательной подачи на селективную кварцевую мембрану чередующихся в измерительном цикле газовых смесей: фоновой, эталонной фоновой, измеряемой, фоновой, эталонной и фоновой; причем в измерительных циклах, кроме первого и последнего, вместо эталонной подают фоновую смесь под давлением, отличным на известную величину от давления остальных смесей.

Сф, Сэ, Сф.Сх,, Сф, Сэ, Сф, Сх, Сф, Сэ, Сф,СхэСф, Схк, Сф, Сэ, Сф

--У

Хцикл4

и согласно заявленному способу:

& Ј

Сф, Сэ, Сф, Сф, Сф, Со, Сф, Сх( 1 Сф, Сф, Сф, Сх Сф , Сф , Сф, CxjСф,СхКг Сф , Сф.Сэ.Сф,

1-ЙИКЛ

Заметим, однако, что подача эталонной смеси в конце измерений приносит скорее психологическое облегчение оператору, поскольку фоновая смесь для данного пункта измерений достаточно стабильна.

Тем не менее, во всех тех случаях, когда у оператора возникают даже необоснованные сомнения, он всегда может воспользо- ваться эталонной смесью.

II ЦИК Л

ШцИ

К-й,послелний цикл

ПТцикл

k-н,последний цикл

II цик л

Реализация заявляемого способа особенно эффективна при калибровке измерений многих десятков или сотен проб. Такие количества проб отбираются при изучении площадей, где предполагается размещение крупных промышленных сооружений, объектов атомной энергетики, скоростных магистралей, захоронения опасных отходов и т.п. В этих случаях отбор проб осуществляют по всей площади до регулярной или диф

ференциальной сети в приземном (до м)аварий на эксплуатируемых и построенных

слое атмосферы, в котором наряду с фоно-сооружениях, вой концентрацией гелия, содержится гелий

(до нескольких фоновых концентраций), вы-Формула изобретения шедший через проницаемые зоны коры Способ калибровки измерителя массо- Земли, т.е. активные тектонические разло-потоков газовых смесей на основе гелия че- мы. Именно тектоническая активность по-рез селективную мембрану путем подачи на следних требует тщательности ихселективную мембрану под атмосферным картирования. На решение именно этой зада-давлением в заданной последовательности чи и направлен заявленный способ, вследст- фоновых, эталонных и измеряемых смесей, вие чего его реализация неизбежно принесетотличающийся тем, что, с целью значительный эффект. Его величина опреде-уменьшения погрешности калибровки, вме- ляется, следовательно, не только экономиейсто эталонных смесей, кроме первой и па- эталонной смеси, транспортных и иных рас-следней, подают фоновую смесь под ходов, но и снизит вероятность ущерба от- давлением, отличным от атмосферного.