А.Н.ЮСУПБЕКОВ, Н.Х.БОБОМУРОДОВ, Е.Ю.БАНДЕНОК,

Б.Х.ЗИКРИЛЛАЕВ (ТашГТУ, Республика Узбекистан)

РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВРЕДНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

 

Обоснована целесообразность использования спектрофотометричес-кого метода измерения концентрации вредных компонентов в технологических газовых смесях при построении первичного измерительного преобразователя в составе газоаналитического комплекса.

 

The expediency of use a spectrum photometric method of measurement of concentration of harmful components in technological gas mixes is proved at construction of the primary measuring converter in structure gas of an analytical complex.

 

Во всех развитых странах для уменьшения загрязнения атмосферного воздуха приняты законодательные акты, устанавливающие нормы выбросов этих веществ. В борьбе с загрязнением атмосферы ведущее место занимает приборное обеспечение. При этом необходим многокомпонентный анализ контролируемой среды.

Так, например, ГОСТ 17.2.2.03 — 87 предусматривает контроль содержания в контролируемой среде оксида углерода (СО) и углеводов (CnHm).

При разработке прибора для контроля токсичности выхлопных газов привлекателен дисперсионный инфракрасный метод, позволяющий вести одновременный контроль СО и  CnHm.

Поскольку анализ СО и CnHm необходимо проводить в газовой среде с меняющейся температурой и различном атмосферном давлении, то для коррекции по этим параметрам целесообразно в состав прибора ввести микроконтроллер, с тем чтобы обработку сигналов и их коррекцию проводить автоматически. Установка в прибор микроконтроллера резко увеличивает возможности прибора [1].

Эта концепция была взята за основу для разработку прибора с учетом специфики его эксплуатации в условиях тропического климата, которая заключается в том, что прибор должен эксплуатироваться при температурах до 40°С с влажностью до 100% при атмосферном давлении 750 - 760 мм рт. ст.

Нами проведены исследования зависимости метрологических характеристик прибора в широком диапазоне температур (от 0 до 50 °С), при повышенных значениях влажности (до 100% отн) и в широком диапазоне давлений (от 660 до 760 мм рт. ст.).

В основу построения измерительного блока газоаналитического комплекса положен спектрофотометрический метод измерения концентрации целевых компонентов в полосах поглощения ИК - диапазона. Существенным преимуществом этого метода по сравнению с другими (хромотографией и химическим анализом) является относительная простота аппаратурной реализации, высокое быстродействие, возможность осуществления непрерывных однокомпонентных и многокомпонентных измерений и высокая селективность, поскольку большинство газовых сред имеет ярко выраженные полосы поглощения, отличающиеся друг от друга интенсивностью и положением максимумов. Так, например, оксид углерода (СО) имеет полосу поглощения Imax = 4.7 мкм, метан (СН4), пропан (С3Н8) и другие углеводороды - 3.4 мкм, а диоксид углерода (СО2) - 4.27 мкм.

В оптико-электронных газоанализаторах интенсивность излучения, прошедшего сквозь слой поглощающего газа, определяется законом Бугера - Бера:

                                              (1)

где  - интенсивность падающего пучка,  - коэффициент поглощения газа,  - концентрация газа,  - длина пути пучка излучения в анализируемом газе.

Зависимость коэффициента пропускания или поглощения от концентрации в реальных условиях имеет отклонения от экспоненциальной формы, описанной формулой (1).

В качестве примера на рис.1 приведены экспериментальные зависимости коэффициентов поглощения и пропускания для оксида углерода в диапазоне концентрации от 0 до 8000 ррт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1 Зависимость коэффициента пропускания и оптической плотности оксида углерода от длины кюветы

Как видим, отклонение от закона Бугера - Бера проявляется тем сильнее, чем больше длина кюветы. Поэтому в газоанализаторах ранних разработок длину кюветы выбирали минимальной. При этом область измеряемых величин коэффициента поглощения лежит ниже 0.1 (по шкале D). Это приводит к появлению значительной погрешности - из-за слабого наклона кривой C = C(D). Примером таких случаев являются кривые для кювет с длиной 140 мм и 750 мм, показанные на рис.1.

Из практики фотометрических методов анализа известно, что минимальная погрешность измерения достигается при значении оптической плотности 0.4. Это положение можно обосновать теоретически, исходя из общих принципов фотометрического анализа [2].

Поглощение (оптическая плотность) определяется как:

 ,                                                      (2)

где  - удельное поглощение (коэффициент поглощения) вещества;  - длина слоя;  - концентрация

.                                                     (3)

Продифференцируем выражение (2) и получим

.                                                     (4)

Здесь вместо dC и dA можно подставить соответствующие им стандартные отклонения Sc и Sa.

Из (3) и (4) выводится выражение относительной погрешности определения концентрации (Src = Sc/C):

.                                                  (5)

Параллельно можно провести следующие выкладки:

.                                                  (6)

После перехода к натуральным логарифмам производная выражения (4) выглядит так:

.                                      (7)

Разделив (7) на (5) получим:

           (8)

или

.                              (9)

Из (8) и (9) следует: при заданной абсолютной погрешности ∆Т измерения Т значение относительной погрешности определения концентрации ∆С/С (или Sc/C:  зависит от абсолютного значения пропускания или оптической плотности; проходит через минимум при А = 0.434 (Т = 0.386) (на рис.2 кривая 1) и составляет 1.5 - 2.0%, если А = 0.15-1.0.

Используя уравнения (5) и (8) и подставляя значения оптической плотности вместо пропускания (Т=10 -А), можно получить известную зависимость:

,                            (10)

где значения SТ определяется из 5-10 параллельных отсчетов. Эта зависимость в координатах ∆(Sc-100/C) - А показана на рис.2 (кривая 1), откуда следует, что допустимый рабочий интервал оптических плотностей (при ST = 0.003), при котором относительная погрешность определения концентрации не превышает удвоенной минимальной погрешности, составляет 0.12÷1.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 2. Зависимость относительной погрешности измерения от оптической плотности.

Анализ позволяет заключить: 

1. Кривая 1 и уравнения (8) и (10) отражают заниженную воспроизводимость. Об этом свидетельствует кривая 2 на рис.2, согласно которой можно проводить фотометрирование с гораздо лучшей воспроизводимостью (с относительной погрешностью ∆ определения концентрации, значительно меньшей значения 0.88%, вытекающего из уравнений (8) и (10)).

2.  Интервал оптических плотностей, в котором общая погрешность измерения не превышает удвоенной минимальной, оказался несколько шире указанного на кривой 1. Для однолучевых спектрофотометров и двухлучевых фотоколориметров этот интервал, в отличие от общепринятого (0.12-1.2), доходит до значений 1.35÷1.45. В области малых значений оптических плотностей расширение интервала незначительно.

3. Область измерения при А <= 0.1 является неблагоприятной из-за резко вырастающих значений погрешности ∆. В каждом конкретном случае для достижения максимальной воспроизводимости необходимо выявлять оптимальную область измерения с учетом нестабильности и чувствительности прибора.

Приемлемым диапазоном измеряемых оптических плотностей можно считать диапазон от 0.1 до 0.7. Причина нежелательности проведения измерений при плотностях более 0.7 связана с низким уровнем измеряемого оптического сигнала.

Другим фактором, имеющим существенное значение при выборе длины кюветы, является физический объем кюветы, который для длинной кюветы становится настолько большим, что увеличивает до недопустимых размеров габариты прибора и время измерения, поскольку для полного заполнения кюветы требуется, как минимум, трехкратный объем газа.

Из приведенных на рис. 1 графиков следует, что кювету с длиной 12 м нельзя считать приемлемой, несмотря на крутизну преобразования.

Длина оптического хода кюветы выбрана равной 145 мм, вследствие того, что при этой длине оптического хода оптические плотности слоев газа при максимальных количествах СО (10% об) и CnHm (1% об) оптимальные: их оптические плотности достаточно близки Dсo (10% об) = 0.84 и Dch ( 1 об ) = 0.48.

Литература:

1. В.П.Тхоржевский. Конструирования и изготовление приборов для стран с тропическим климатом, Изд-во «Машиностроение», М.:1971-196 с.

2. Я. Ваня. Анализаторы газов и жидкостей, Изд-во «Энергия», М.:1970-552 с.

Сведения об авторов

 

Юсупбеков Азизбек Надырбекович  – кандидат технических наук,

докторант кафедры  «Автоматизация и управление» ТашГТУ,

 

Бобомуродов Насриддин Хасанович –Ведущий инженер

ОАО «Махсусэнергогаз», НХК «Узбекнефтегаз»,

 

Банденок Елена Юрьевна – кандидат технических наук,

докторант кафедры  «Автоматизация технологических процессов и производств» ТашГТУ,

 

Зикриллаев Бобур Хасанович – аспирант кафедры 

«Автоматизация технологических процессов и производств» ТашГТУ,

 

Тел.:( +99871 )246-03-45, (+99893) 585-02-00  E-mail: ekspertiza@rambler.ru,   nomzod@mail.ru, app-tgtu@mail.ru