Побудитель расхода

выброс

Вход анализируемого

воздуха

Калиброванное сопло

Поглотитель

на ионный

хроматограф

Вакуум

Контур иркуляции поглотительного

раствора

Н

Рис. 2.

Схема ионохроматографического преобразователя «газ-жидкость»

а схеме рис.2 представлено оригинальное устройство пробопреобразователя «газ–жидкость», в котором движение пузырьков воздуха осуществляется за счет вакуума, создаваемого побудителем расхода. Размеры пузырьков регламентируются калиброванным соплом на входе в змеевик и диаметром фторопластовой трубки. Поскольку фторопласт не смачивается водными растворами поглотителя, то пузырьки воздуха можно считать квазисферическими, что и принималось как аксиома в модели Хигби.

Устройство поглотителя представляет собой замкнутый гидравлический контур, поэтому пузырьки воздуха как бы вращают жидкость по змеевику, попадая в расширитель на выходе из змеевика. Этим эффектом обеспечивается условие V = 2R/t_е, принимаемое за граничные условия при решении уравнения (1). Поглотительный раствор постоянно циркулирует в гидравлической системе пробопреобразователя, т.к. пузырьки воздуха являются движущей силой этого процесса.

В соответствии с типовым техническим заданием МПР РФ на экоаналитические лаборатории условия эксплуатации поглотительного устройства:

- температура окружающего воздуха от –10 до +40 ⁰С;

- атмосферное давление от 700 до 800 мм рт. ст.;

- относительная влажность до 98 %.

При контроле организованных газовых выбросов дополнительными требованиями являются:

- температура анализируемого газа до 100 ⁰С;

- вакуум не более 0,1 кг/см² ;

- влажность – насыщенный пар при 100 ⁰С.

Вышеуказанные параметры активно воздействуют только на один элемент схемы рис. 2 – на побудитель расхода. Другие элементы схемы практически инвариантны к эти параметрам, т.к. температура и давление ощутимо влияют только на коэффициент диффузии D, который в уравнениях (2), (3) и (4) присутствует в степени 1/2. Поэтому дополнительная погрешность, связанная с действием вышеперечисленных факторов формируется только у побудителя расхода.

Формула для обратного перехода от измеренных концентраций ионов в поглотительном растворе имеет вид:

Wn ∙ Cж 1 Сг = ------------  ---- Wг n

(8)

где С_г и С_ж – соответственно концентрация определяемого вещества

в газовой фазе и концентрация соответствующих ионов в

поглотительном растворе;

n - количество ионов, образующихся при диссоциации одной

молекулы;

W_n и W_г - объем поглотительного раствора по схеме 1 и объем

прокаченного газа.

Таким образом, в соответствии с формулой (8) погрешность объема отбираемой пробы воздуха, возникающая в результате отклонения температуры, влажности и давления от условий градуировки поглотительного устройства, полностью переходит в общую погрешность измерения концентрации веществ в воздухе как дополнительная погрешность.

Согласно формуле приведения к нормальным условиям W_г = W_н.у.:

W_пр  273  (Р±Р)

W_н.у. = ——————————— (9)

(273+t)  P₀

где: W_пр - объем газа, отобранного на анализ, м³;

Р - атмосферное давление при температуре отбора, кПа;

Р₀ - атмосферное давление при температуре t = 273 ⁰С, кПа;

t - температура газа в месте отбора пробы, ⁰С.

Для указанного диапазона параметров наружного воздуха эта погрешность составляет ±16%, а с учетом параметров газовых выбросов увеличивается до ±20%. Именно этот фактор послужил основанием для постановки второй задачи, которая формулируется: организация гидроаэродинамики процесса пробопреобразования, максимально устойчивого к воздействиям внешних эксплуатационных факторов, т.е. минимизация дополнительной погрешности.

Задача в такой постановке имеет по крайней мере три решения.

Первое - достаточно тривиально используя формулы (8) и (9) откорректировать результат измерения. При этом варианте в состав устройства пробопреобразования необходимо ввести датчики температуры, давления и влажности. Это вполне представимо, если ориентироваться на сенсорные конструктивы таких датчиков, имеющихся в Государственном реестре средств измерения. Дополнительная погрешность измерения концентраций определяемых веществ в этом варианте может быть рассчитана по формуле:

∆_w^доп. = k  ∆_р² + ∆_t² + ∆_в²

где k - метрологический коэффициент по ГОСТ 8.207;

∆_р², ∆_t², ∆_в² - соответственно погрешности средств измерения давления,

температуры и влажности воздуха.

Принимая справочные данные ∆_р = ∆_t = ∆_в = 3% и k = 1,1 после подстановки получаем значение предела ∆_w^доп. = 10%, что с учетом методических погрешностей явно не соответствует требованиям НТД по погрешности определения экозагрязнителей воздуха.

Второе решение состоит в стабилизации расхода анализируемого воздуха с помощью системы регуляторов расхода «до» и «после себя». Эти регуляторы имеют мембранный задатчик расхода и стабилизируют перепад давления на системе сопло–заслонка. В результате, объемная скорость (расход) воздуха стабилизируются при любом атмосферном давлении, но с вариациями температуры и влажности воздуха эти регуляторы не справляются. С учетом динамической погрешности самих регуляторов расхода (1-2%), исключая погрешность от изменения атмосферного давления для остальных составляющих погрешности, получим ∆_w^доп. = 9%. Это также мало приемлемо.

Сущность третьего варианта состоит в том, чтобы найти условия саморегулирования аэрогидродинамической системы, приводящие к минимизации дополнительной погрешности.

Из общей теории пневмосистем известно, что такие условия непосредственно связаны со сверхкритическими режимами движения газовых сред. В схеме рис. 3 такие режимы достигаются увеличением скорости движения газа через сопло побудителя расхода за счет уменьшения его диаметра по отношению к диаметру змеевика и высокого разрежения газовой среды. При этом не должны быть нарушены аэрогидродинамические параметры движения пузырьков воздуха в змеевике поглотителя, полученные как условия поглощения, т.е. объемная скорость Q должна находиться в диапазоне 3 ÷ 5 см³/сек, а t_е = 0,25 сек.

Физический смысл рассматриваемого решения состоит в том, что при достижении в сечении сопла скорости течения газа, превышающей скорость звука, внешние воздействия, распространяющиеся со скоростью звука, как бы отстают от фронта потока газа и поэтому их влияние сильно ослабевает.