Разработан сенсор и анализатор для непрерывного автоматического контроля содержания фтористого водорода в газовых средах. Анализатор ГА-HF может работать в непрерывном режиме в различных системах контроля фтористого водорода, а также в сочетании с устройствами сигнализации при индикации утечки HF.
Производство минеральных удобрений, алюминия, урана, бериллия, марганца и др. неизбежно сопряжено с загрязнениями воздушной среды фтороводородом, предельно допустимая концентрация (ПДК) которого в рабочей зоне составляет 0,05 мг/м3 или 0,06 ррт.
В связи с этим большую актуальность приобретают исследования, направленные на создание новых высокоэффективных и совершенствование существующих методов и средств определения фтористого водорода в газовых средах. В настоящее время в анализе горючих компонентов воздуха широкое распространение получают полупроводниковые методы [1–3]. Основным преимуществом подобных методов и созданных на их основе приборов является простота эксплуатации, портативность, значительный ресурс работы, высокая точность и быстродействие, что позволяет легко автоматизировать технологический процесс и способствовать сбору и накоплению аналитической информации.
С учетом специфики решаемой задачи нами разработан автоматические газоанализатор фтористого водорода на основе базового полупроводникового сенсора. Электропитание прибора осуществляется либо от сети переменного тока напряжения 220В, либо от встроенного блока питания постоянного тока напряжением 12 В.
Газоанализатор ГА-HF состоит из двух блоков, размещенных внутри одного корпуса. В блоке (1) вмонтированы аналого-цифровой преобразователь, стабилизатор напряжения и усилитель сигнала сенсора.
В блок (2) ГА-HF вмонтированы микрокомпрессор для отбора пробы, газа, камера для установки сенсора и сенсор. На лицевой панели прибора находится цифровое отсчетное устройство. Прибор оснащен сигнализацией тревоги — звуковой сигнал или мигающий свет в случае повышения содержания паров фтористого водорода выше заданного.
Сигнал сенсора поступает на дифференциальный усилитель, который может усиливать сигнал сенсора от 20 до 200 раз.
Далее усиленный сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), работающий по принципу двойного интегрирования. Дешифратор АЦП выдает семисегментный код, который поступает на светодиодные индикаторы. Шкала прибора трехзарядная.
Усиленный сигнал сенсора поступает на сравнивающее устройство (компаратор), которое при достижении содержания углеводородов выше заданного значения допускает генератор, работа которого индуцируется светодиодом. Были проведены испытания анализатора с целью определения основных и дополнительных метрологических характеристик.
Метрологические характеристики анализатора изучали с помощью стандартных газовых смесей фтористого водорода в воздухе. Испытаниям подвергали 3–5 газоанализатор ГА- HF с диапазоном измерений, соответственно, 0–0,025 % об. Во всех случаях условия, порядок, методы проведения и количество испытаний соответствовали ГОСТу 13320–81. Определение диапазона измерений и основной приведенной погрешности приборов проводились при температуре окружающей среды 20±10С; давление окружающей среды 600–900 мм. рт. ст; относительная влажность 30–80 %.
В качестве газовых смесей (ГС) использовали смесь фтористого водорода в воздухе с концентрацией от 0,0012 до 0,025 % об. Проверка диапазона измерений, определения основной абсолютной и приведенной погрешностей газоанализатора ГА- HF в интервале концентрации 0–0,025 % об проводилась подачей на вход анализатора ГС в определенной последовательности.
Все опыты повторялись не менее пяти раз и их средние результаты представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Результаты проверки диапазона измерений газоанализатора (n-5,Р-0,95)
|
Введено фтористого водорода, % об |
Найдено фтористого водорода, % об. |
||
|
x±x |
S |
Sr*102 |
|
|
0,0012 |
0,0012±0,01 |
0,004 |
2,6 |
|
0,0025 |
0,0024±0,01 |
0,006 |
2,3 |
|
0,0038 |
0,0036±0,01 |
0,008 |
2,2 |
|
0,0052 |
0,0053±0,01 |
0,006 |
1,2 |
|
0,0064 |
0,0062±0,02 |
0,012 |
2,1 |
|
0,0072 |
0,0070±0,01 |
0,009 |
1,3 |
|
0,0104 |
0,0107±0,02 |
0,013 |
1,2 |
|
0,0133 |
0,0135±0,02 |
0,017 |
1,4 |
|
0,0147 |
0,0143±0,03 |
0,021 |
1,3 |
|
0,0168 |
0,0163±0,03 |
0,024 |
1,4 |
|
0,0196 |
0,0190±0,02 |
0,014 |
0,9 |
|
0,0221 |
0,0222±0,02 |
0,016 |
0,9 |
|
0,0239 |
0,0233±0,02 |
0,014 |
0,7 |
|
0,0250 |
0,0247±0,02 |
0,016 |
0,6 |
Таблица 2
Результаты определения основной абсолютной и приведенной погрешностей газоанализатора ГА- HF в интервале концентрации 0–0,025 % об.
|
Найденное значение % об. и пр. % |
Содержание HF в смеси, % об. |
Допуск.по ТУ |
||||
|
0,00 |
0,0025 |
0,0052 |
0,0168 |
0,025 |
||
|
Основ.абс.погр. () |
0, 00 |
0,01 |
0,01 |
0,05 |
0,03 |
±0,25, % об |
|
Основ.привед.погр. () |
0, 00 |
0,4 |
0,4 |
2,0 |
1,2 |
±5,0 % |
|
Основ.абс.погр. () |
0, 00 |
0,01 |
0,02 |
0,04 |
0,04 |
±0,25, % об |
|
Основ.привед.погр.() |
0, 00 |
0,4 |
0,8 |
1,6 |
1,6 |
±5,0 % |
|
Основ.абс.погр. () |
0, 00 |
0,02 |
0,03 |
0,03 |
0,04 |
±0,25, % об |
|
Основ.привед.погр.() |
0, 00 |
0,8 |
1,2 |
1,2 |
1,6 |
±5,0 % |
Основная абсолютная погрешность газоанализатора (D) в точках проверки определялась по формуле:
D = А1 — Ао(1)
где А1 — показания прибора. Ао — действительное содержание измеряемого компонента в поверочной газовой смеси.
Расчет значения основной приведенной погрешности проводился по формуле:
g пр = (Aij- Aoj)*100 / Cк-Сн(2)
где Аij — показания прибора на содержание измеряемого в j-ГС j-той точки. Аоj — содержание измеряемого компонента в j -той ГС. Сн — начальный предел измерения концентрации определяемого компонента газовых сред, мг/м3. Ск- конечный предел измерения концентрации определяемого компонента газовых сред, мг/м3.
Вариации (В) показаний газоанализаторов определялись по формуле:
B = Amax — Amin(3),
где Amax (Amin)- показание (содержание компонента, определяемое по выходному сигналу) при подходе к точке проверки со стороны больших или меньших содержаний. Газоанализатор считают выдержавшим испытание, если в каждой из точек поверки соблюдаются неравенство: В<Bg (Bg-допускаемая вариация сигнала).
Таким образом, найденные значения погрешностей и вариации аналитического сигнала не превышают допустимые пределы необходимых параметров, установленных при нормальных условиях работы прибора согласно ГОСТу 13320–81.
Зависимость выходного сигнала анализатора от температуры окружающей среды изучали в интервале температур от 0 до +50 0С. Результаты опытов представлены в таблицах 4 и 5. Влияние температуры газовой среды для каждой точки на дополнительную погрешность (доп) газоанализатора определяли по формуле:
доп = осн.- норм.,(4)
где норм.-основная погрешность по градуировочной характеристике;
осн. — основная погрешность газоанализатора для каждого измерения.
Результаты определения дополнительной погрешности газоанализатора, обусловленные изменением температуры окружающей среды, представлены в таблице 5, из которых следует, что ошибка не превышает 4,0 %. Во всех случаях дополнительная погрешность (доп.) намного меньше, чем основная погрешность самого прибора.
Таблица 3
Результаты по установлению зависимости сигнала газоанализатора ГА-HF от температуры газовой среды (ГС № 3–0,0072 % об HF в воздухе; ГС № 4–0,0104 % об HF в воздухе; ГС № 5–0,0168 % об HF в воздухе, n=5, Р=0,95)
|
Температура,0С |
Найдено фтористого водорода, % об |
|||||
|
ГС № 3 |
ГС № 4 |
ГС № 5 |
||||
|
x±x |
Sr*102 |
x±x |
Sr*102 |
x±x |
Sr*102 |
|
|
+20 |
0,0070±0,01 |
1,1 |
0,0107±0,01 |
0,7 |
0,0163±0,02 |
0,9 |
|
0 |
0,0069±0,01 |
1,3 |
0,0105±0,02 |
1,5 |
0,0161±0,03 |
1,5 |
|
+10 |
0,0069±0,01 |
1,2 |
0,0105±0,02 |
1,5 |
0,0162±0,02 |
0,9 |
|
+25 |
0,0071±0,01 |
1,0 |
0,0107±0,02 |
1,5 |
0,0164±0,03 |
1,7 |
|
+30 |
0,0071±0,01 |
1,1 |
0,0106±0,01 |
0,7 |
0,0166±0,03 |
1,4 |
|
+40 |
0,0069±0,01 |
1,3 |
0,0107±0,02 |
1,5 |
0,0167±0,02 |
1,0 |
|
+50 |
0,0071±0,01 |
1,1 |
0,0106±0,02 |
1,6 |
0,0166±0,02 |
0,9 |
Известно, что допустимая дополнительная погрешность по ГОСТу 13320–81 на изменение давления по данному классу газоанализаторов не должна превышать основной погрешности. Из полученных результатов (таблица 6.) видно, что газоанализатором ГА-НF в интервале давления 600–900 мм рт.ст. с допускаемой погрешностью практически можно определить концентрацию фтористого водорода при оптимизированных условиях.
Суммарная дополнительная погрешность, характеризующая совокупность значений погрешностей от влияния различных факторов, определялась по формуле:
gдоп = g 1доп + g2доп...+ gnдоп(5)
где g1доп, g2доп, gnдоп — значения дополнительных погрешностей, полученных при изменении влияющих факторов.
Согласно ГОСТу 13320–81, этот показатель не должен превышать удвоенного значения предела допустимой основной погрешности. Суммарная дополнительная погрешность газоанализатора ГА-HF за счет изменения температуры, влажности и давления газовой среды, составила не более 1,5 %.
Таким образом, можно заключить, что разработанный сенсор и анализатор вполне пригодны для непрерывного автоматического контроля содержания фтористого водорода в газовых средах. Анализатор ГА-HF может работать в непрерывном режиме в различных системах контроля фтористого водорода, а также в сочетании с устройствами сигнализации при индикации утечки HF. Разработанный анализатор по точности и воспроизводимости не уступает известным приборам контроля фтористого водорода, сохранив следующие характеристики: экспрессность, портативность, простоту в эксплуатации и изготовлении.
Литература:
- Абдурахманов Э. Разработка термокаталитических методов для создания высокоселективных автоматических анализаторов токсичных и взрывоопасных газовых смесей // Автореф. докт. дис. Ташкент, 2004,42 с.
- Абдурахманов Э., Абдурахманов Б. М., Нормурадов З. Н., Геворгян А. М. Селективность некоторых оксидов и сульфидов в процессе термокаталитического мониторинга сероводорода // Журн. Химическая промышленность. Санкт-Петербург, Т.85. -№ 6, 2008.-С.314–319.
- Абдурахманов Э., Абдурахманов Б. М., Нормурадов З. Н., Геворгян А. М. Сенсор для контроля микроконцентрации сероводорода// Экологические системы и приборы № 5 2009.-С. 10–13.
