Источник агрессивного пара кислоты либо щелочи для калибровки автоматических стационарных или портативных переносных газоанализаторов

Авторы патента:

G01N27/407 - для исследования или анализа газов

Полезная модель относится к технике газового контроля и к измерительной технике. Может быть использована для получения определенного агрессивного газового потока в целях калибровки газоанализаторов газовых смесей, предназначенных для количественного измерения определенного газа в воздухе в рабочей зоне агрегатов травления с использованием кислоты либо щелочи.

Источник агрессивного пара кислоты либо щелочи, содержащий напорный сосуд, дозатор, дросселирующее устройство, испарительное устройство, газ-носитель, причем напорный сосуд выполнен как компрессор, подающий газ - носитель под стабильным избыточным давлением, дозатор - как стабилизатор воздуха, испарительное устройство выполнено в виде собственно емкости и крышки, причем входная трубка испарительного устройства вторым концом введена в водный раствор реагента, выходная трубка выведена из реакционного пространства над раствором кислоты либо щелочи, где частично парциальные пары газа направлены избыточным давлением воздуха в эжектор, все испарительное устройство помещено в термостат для исключения влияния температуры окружающей среды, термостат выполнен в составе реакционного сосуда, металлического сосуда с приливами, двух элементов Пельтье, полностью охватывающего теплоизолирующего одеяла, радиаторов, двух вентиляторов, и устройства управления и регулирования термостата, а испарительное устройство выполнено из материала химически стойкого к кислотам НСl, HF, щелочам КОН, NaOH, NH₄OH и других.

1 НЗ. п. ф-лы, 12 ЗП. ф-лы, Рисунки 1, 2.

Известно устройство для дозирования газовой смеси [Л.1], содержащее напорный сосуд, дозатор, дросселирующее устройство, испарительное устройство, газ-носитель, отличающееся тем, что напорный сосуд выполнен как компрессор, подающий газ-носитель (воздух) под стабильным избыточным давлением, дозатор - как стабилизатор воздуха, испарительное устройство выполнено в виде герметизированной колбы из прозрачного стекла, инертного к находящемуся в ней водному раствору и парам газовой смеси, причем входная трубка испарительного устройства вторым концом введена в водный раствор, выходная трубка выведена из пространства над раствором, где частично парциальные пары газа направлены избыточным давлением воздуха в эжектор, все испарительное устройство помещено в термостат для исключения влияния температуры окружающей среды. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве водного раствора газа испарительного пространства использован водный раствор аммиака. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве водного раствора испарительного пространства использован водный раствор хлористого водорода. Недостаток - пригодно только для агрессивных газовых смесей, которые не воздействуют на материал реакционного сосуда испарительного устройства - стекло.

Известен генератор фтористого водорода [Л.2] (устройство для дозирования газовой смеси), содержащее напорный сосуд, дозатор, дросселирующее устройство, испарительное устройство, газ-носитель, причем напорный сосуд выполнен, как компрессор, подающий газ-носитель (воздух) под стабильным избыточным давлением; дозатор, как стабилизатор воздуха; испарительное устройство выполнено в виде сосуда (колбы), инертного к находящемуся в нем водному раствору реагента и парам газовой смеси, причем входная трубка испарительного устройства вторым концом введена в раствор испарительного устройства, выходная трубка выведена из пространства над раствором, где частично парциальные пары газа направлены избыточным давлением воздуха в эжектор, все испарительное устройство помещено в термостат для исключения влияния температуры окружающей среды, причем первый газовый тракт воздуха содержит компрессор, стабилизатор, дроссель, обратный клапан, входную трубку испарительного устройства, пары газа над водным раствором, выходную трубку, эжектор, выходную магистраль газовой смеси, в эжектор введены дополнительно еще два потока воздуха газа-носителя: первый - неосушенный воздух по тракту от компрессора через второй стабилизатор, второй дроссель, первый тройник в эжектор, второй осушенный воздух по тракту от компрессора через третий стабилизатор, третий дроссель, осушительное устройство, первый тройник в эжектор, из которого смесь воздуха (газа-носителя) и определяемого газа направлена для анализа в газоанализатор или для другого использования газа, причем в качестве водного раствора испарительного пространства использована фтористо-водородная (плавиковая) кислота. Недостатком данного устройства являются большие габариты, а также необходимость дополнительного устройства входного воздушного потока.

Известно устройство дозирования газовой смеси [Л.3], отличающееся тем, что дополнительно введено устройство стабилизации охлаждения входного потока газовой смеси, поступающего от компрессора, при различных величинах температуры внешней среды, причем устройство стабилизации содержит входной, выходной патрубки ввода-вывода газовой смеси, соединенные с воздухопроводом определенной длины, выполненным внутри в массивном металлическом корпусе и теплоизолирующих крышках, металлический корпус устройства охлажден теплопоглощающей поверхностью термоэлемента-модуля Пельтье, другая тепловыделяющая поверхность элемента-модуля Пельтье соединена с корпусом и с металлическим радиатором, охлаждаемым дополнительно воздушным потоком воздуха, создаваемым вентилятором, элемент-модуль Пельтье электрически соединен с электрическим питанием посредством первого разъема, вентилятор электрически соединен с электрическим питанием вторым разъемом, воздухопровод и корпус дополнительно поверхностно теплоизолирован от внешней среды теплоизолирующим слоем и теплоотражающим экраном, газ-носитель (воздух) от компрессора поступает на вход устройства стабилизации охлаждения, а охлажденный поток газовой смеси поступает через дозатор, испарительное устройство на эжектор устройства дозирования. В качестве элемента модуля Пельте использован элемент Пельтье либо ТГМ-127-1,4-1,2, либо ТГМ-127-1,4-1,5, либо ТЕС1-127120-50, либо ТЕС1-12712. В качестве вентилятора использован кулер Scythe Kaze Mini (SY 60620121) 60 мм, либо Titan TTC-HD11TZ 60 мм. Недостаток - необходимость наличия отдельного дозирующего устройства для получения пара, кислоты либо щелочи. Для каждого агрессивного пара кислоты либо щелочи - необходимо использование конкретного материала испарительного устройства. Необходима конструкция источника с использованием, в качестве материала испарительного устройства химически более стойкого материала. Таким материалом может быть выбран фторопласт. Изменяя химически водный раствор в исполнительном устройстве реализован источник пара большинства кислот либо щелочей.

Известен генератор газов ГДП-102, предназначенный для приготовления поверочных газовых смесей. Генератор работает совместно с источниками микропотока газов и паров [Л.4]. Применяется для градуировки и поверки газоанализаторов и газоаналитических систем, а также при проведении научных исследований. Принцип действия генератора основан на смешении потока газоразбавителя и потока целевого компонента, создаваемого источником микропотока газа или пара. Недостатки - достаточно большие габариты, необходимы ампулы с газами, ограниченность потока газа.

Цели разработки нового устройства - уменьшение габаритов и веса источника газовой смеси за счет более компактного расположения испарительного и термостатирующего устройств. Цель разработки нового устройства, которое обеспечивает длительную и устойчивую подачу агрессивного газа для калибровки, большего времени работы по сравнению с использованием ампулы - источника микропотока ИМ.

Как видно из источников литературы (литература Л1-Л4) необходим новый источник газа - полезная модель, с одной стороны с возможностью использования химических более стойких материалов для реакционного сосуда испарительного устройства для агрессивных смесей газов, таких как хлористый водород, фтористый водород, аммиак, едкий натр, едкий калий - одного единственного материала для изготовления реакционного сосуда. С другой стороны компактной совмещенной конструкции испарительного устройства с термостатирующим устройством. Для удовлетворения этих потребностей и устранения недостатков прежних конструкций разработано новое устройство см. Рис.1. Рис.2.

Источник агрессивного пара кислоты либо щелочи.

1. корпус реакционного сосуда испарительного устройства

2. крышка источника

3. ввод воздуха под избыточным давлением в реакционное пространство сосуда

4. вывод полученной газовой смеси - пара

5. водный раствор кислоты либо щелочи

6. уровень раздела жидкой среды и пара

7. датчики температуры внутри реакционного пространства

8. металлический сосуд, плотно охватывающий реакционный сосуд

8.1. собственно сосуд

8.2. приливы для размещения элементов Пельтье

9. плоскость для размещения элементов Пельтье на металлическом сосуде

10. первый элемент Пельтье с одной стороны

11. второй элемент Пельтье с другой стороны

12. противоположная сторона элемента Пельтье от места касании с металлическим сосудом

12.1. первого элемента

12.2. второго элемента

13. теплоизоляция источника агрессивного пара

14. вентиляторы с каждой стороны

15. корпус устройства источника пара

16. пар над раствором кислоты либо щелочи

17. прижимы элементов Пельтье к металлическому сосуду

18. воздухозаборное устройство вентиляторов

19. устройство управления и регулирования термостата

20. радиаторы

Источник агрессивного пара кислоты либо щелочи работает следующим образом:

в реакционный сосуд исполнительного устройства 1 залит до определенного уровня 6 водный раствор 5 кислоты либо щелочи определенной концентрации при определенной температуре. Металлический сосуд 8 термостата, состоящий из основного стакана 8.1 и двух приливов 8.2, 8.2 с каждой из сторон, с использованием тепловыделяющих поверхностей обоих элементов Пельтье 10, 11 нагревает до заданной определенной температуры раствор кислоты либо щелочи. Температура водного раствора 5 контролируется вариантно одним или двумя датчиками температуры 7: один из которых установлен внутри раствора расположен у дна реакционного сосуда, другой - на расстоянии 5-7 мм над границей раздела 6 раствор-пар. Информация от датчиков температуры 7 (термистров) поступает в устройство управления и регулирования 19 элементами Пельтье 10, 11. Подается воздуха от компрессора под избыточным давлением через ввод 3 и через крышку источника 2 в испарительное устройство. Крышка 2 источника выполнена четырехслойной: внутренний слой - из материала реакционного сосуда. второй слой из материала металлического сосуда, третий слой из теплоизоляционного материала, четвертый из материала корпуса источника агрессивного пара либо кислоты, либо щелочи. Каждый слой крышки замыкает в объемное закрытое пространство: соответственно первый - слой реакционный сосуд, второй слой -металлический сосуд, подводящий тепло, третий - термоизоляционный слой, сохраняющий тепло, четвертый - основной корпус устройства. Через крышку 2 осуществлена канализация: 1) ввода воздуха от компрессора до дна реакционного сосуда, 2) осуществлена канализация вывода полученного агрессивного пара кислоты либо щелочи из реакционного пространства над раствором наружу, 3) выводы электрических проводов от установленных внутри термопар (термисторов) вариантно одной, либо двух. Крышка закреплена в корпусе источника на внешней стороне, над крышкой выполнены ниппеля для подвода воздуха, отвода пара от соответствующих каналов, обеспечена электрическая связь термопар с устройством управления и регулирования 19. Воздухом осуществляется барботаж жидкого раствора 5 кислоты либо щелочи. Над раствором возникают пары 16 кислоты либо щелочи в соответствии с заданной концентрацией раствора и заданной температурой раствора. По выходной трубке 4 через крышку 2 под избыточным давлением воздуха пар транспортируется к газоанализатору для его проверки и калибровки. Температура раствора и температура пара кислоты либо щелочи контролируется датчиками 7 - термисторами и управляется в соответствии с заданной температурой устройства управления и регулирования 19, за счет электрического тока, протекающего в элементах Пельтье 10, 11. Тепловое изолирование всего источника осуществляется теплозащитным кожухом - одеялом 13, в котором полностью размещен реакционный сосуд 1 испарительного устройства и металлический сосуд 8 с приливами 8.2., к которым плотно прилегают тепловыделяющие (теплоохлаждающие) поверхности обоих элементов Пельтье 10, 11, другие поверхности элементов 10, 11 под номером 12 соответственно охвачены потоком воздуха для устойчивой работы элементов Пельтье, который (поток воздуха) создается двумя вентиляторами 14 с каждой из сторон. Воздух для охлаждения противоположных сторон элементов Пельтье забирает через воздухозаборное устройство 18. Вентиляторы зафиксированы в корпусе источника прижимами 17, все компактно размещено в корпусе 15 источника агрессивного пара кислоты либо щелочи. В предложенном источнике агрессивного пара кислоты либо щелочи использовано новая конструкция размещения испарительного устройства и термостата в составе металлического сосуда 8 охватывающего реакционный сосуд испарительное устройство, двух элементов Пельтье либо ТГМ-127-1,4-1,2, либо ТГМ-127-1,4-1,5, либо ТЕС1-127120-50, либо ТЕС1-12712. Термозащитное одеяло 13, выполненного из материала рулонного волокнистого "Blanket Form Avantec" либо Белоярской БФИ [Л.6, Л.7]. Прижимы 17 с каждой стороны обеспечивают плотное прилегание к внешней стенке металлического корпуса 8.1. и приливов 8.2. рабочих поверхностей элементов Пельтье по передаче тепла (охлаждения) реакционного пространства. Радиаторы 20 обеспечивают стабильность (инерционность) подвода тепла к поверхностям элемента Пельтье. Радиаторы 20 обдуваются воздухом от вентиляторов с каждой стороны источника. Обеспечена компактность (наименьший объем) источника. Внутри реакционного сосуда испарительного устройства 1 размещены вариантно один или два датчика температуры 7, по которому(ым) контролируется температура раствора 5 кислоты либо щелочи. В испарительное устройство может быть залит вариантно раствор кислоты либо щелочи, причем для материала корпуса реакционного сосуда испарительного устройства использован либо фторопласт, либо полипропилен, либо другой материал каждый из которых более химически стоек.

Термостатирование источника агрессивного пара: предлагается металлический сосуд 8 плотно охватывающий реакционный сосуд 1 выполнять из хорошо теплопроводящего металла, например - железо, медь либо силумина.

Боковые поверхности сосуда 8, обрабатывают так, чтобы были оппозитно расположены плоскости приливов для плотного прилегания тепловыделяющих поверхностей элементов Пельтье 10, 11. В качестве элементов Пельтье 10, 11 использованы либо ТГМ-127-1,4-1,2, либо ТГМ-127-1,4-1,5, либо ТЕС1-127120-50, либо ТЕС 1-12712. Металлический сосуд 8.1. испарительного устройства 1, элементы Пельтье 10, 11 размещены в теплоизоляционном одеяле 13. К противоположным поверхностям от рабочих элементов Пельтье 12, плотно прижаты контурные прижимы 17, которые фиксируются радиаторами 20, которые омываются потоком воздуха, создающим двумя вентиляторами 14 с каждой стороны источника пара. Предложенное устройство источника имеет меньшие габариты, чем ГДП 102 [Л.4]. Все элементы испарительного устройства и термостатирования размещены в корпусе 15. В реакционном сосуде размещенные датчики температуры 7 вариантно один или два фиксирую температуру либо в нижней части, либо над уровнем раздела 6 раствора- пара на расстоянии 3-7 мм. Информация о температуре раствора поступает в устройство управления и регулирования термостата 19. Термостат согласно уставке (заданию) температуры, удерживает внутри пространства реакционного сосуда 1 заданную температуру от +10 до +30 градусов Цельсия и обеспечивает при барботаже воздухом устойчивый поток пара кислоты либо щелочи. При этом расход воздуха обеспечивается в диапазоне от 2 до 10 дм³/ч. Достигнуты цели - уменьшения габаритов и массы, универсальность для многих агрессивных паров кислот либо щелочей и устойчивость по объему потока пара. Предложенное устройство универсально при заливке в реакционный сосуд испарительного устройства растворов различных кислот либо различных щелочей. Это позволяет получить с помощью одного компактного устройства различные пары смесей кислот либо смесей щелочей. Разработанный источник агрессивного пара обеспечивает достаточную мощность пара, гораздо большую по времени и объему, чем источник ГДП-102 с использованием капсул микропотока. Для изготовления реакционного сосуда источника применен фторопласт [Л.5] либо полипропилен. Предложенный источник агрессивного пара кислоты либо щелочи, по конструкции, по примененным материалам для изготовления нов. Предложенный источник агрессивного пара кислоты либо щелочи может быть широко применен в измерительной технике газоанализа и при калибровке газоанализаторов. Термоизоляция исполнительного устройства осуществлена с использованием термоизоляционного одеяла материала рулонного волокнистого "Blanket Form Avantec" либо Белоярской БФИ [Л.6, Л.7]. Габариты ГДП-102 [Л.4] - 495×400×210 мм, масса 19 кг. Габариты разработанного источника пара кислоты либо щелочи 270×180×320 мм. Как видно, предлагаемая конструкция сочетающая функциональную способность и устойчивость источника имеет меньшие габариты и массу, примерно в 1,5 раза.

Литература

Л.1. Полезная модель РФ 21662 БИ 3 - 2002 г.

Л.2. Изобретение РФ 2447427 БИ 10 - 2012 г.

Л.3. Полезная модель РФ 69247 БИ 34 - 2007 г.

Л.4. Каталог «Аналитприбор» г.Смоленск, стр.88-89. ГДП-102

Л.5. Каталог Кировочепецкого химкомбината, 2002 г.

Л.6. Каталог Белоярской ФТИ, стр.19, 2010 г.

Л.7. Каталог Солнечногорского завода ИЗОМАТ, стр.7, 26-29, 2011 г.

1. Источник агрессивного пара кислоты либо щелочи, содержащий напорный сосуд, дозатор, дросселирующее устройство, испарительное устройство, газ-носитель, причем напорный сосуд выполнен как компрессор, подающий газ-носитель под стабильным избыточным давлением, дозатор - как стабилизатор воздуха, испарительное устройство выполнено в виде собственно емкости и крышки, причем входная трубка испарительного устройства вторым концом введена в водный раствор реагента, выходная трубка выведена из реакционного пространства над раствором кислоты либо щелочи, где частично парциальные пары газа направлены избыточным давлением воздуха в эжектор, все испарительное устройство помещено в термостат для исключения влияния температуры окружающей среды, отличающийся тем, что термостат выполнен в составе реакционного сосуда, металлического сосуда с приливами, двух элементов Пельтье, полностью охватывающего теплоизолирующего одеяла, радиаторов, двух вентиляторов, и устройства управления и регулирования термостата, а испарительное устройство выполнено из материала химически стойкого к кислотам HCl, HF, щелочам КОН, NaOH, NH₄OH.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлический сосуд охватывает боковую поверхность реакционного сосуда испарительного устройства, на боковой поверхности металлического сосуда выполнены оппозитно приливы поверхности для размещения нагреваемых (охлаждаемых) плоских поверхностей элементов Пельтье, управляемых устройством регулирования термостата, элементы Пельтье плотно прижаты к металлическому сосуду, выполнен теплоизолирующий слой, противоположные поверхности элементов Пельтье стабилизированы по теплообмену радиаторами, которые охлаждены потоками воздуха, поступающими от двух вентиляторов, с каждой стороны металлического сосуда, все элементы размещены в корпусе источника пара кислоты либо щелочи.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что использованы элементы Пельтье либо ТГМ-127-1,4-1,2, либо ТГМ-127-1,4-1,5, либо ТЕС1-127120-50, либо ТЕС1-12712.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала металлического сосуда использовано либо железо, либо медь, либо силумин.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве теплоизоляционного одеяла использовано теплоизолирующее одеяло фирм либо БФАИ, либо Fiber Durablanket.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что использованы вариантно либо один, либо два датчика температуры, причем один установлен в испарительном устройстве у дна реакционного сосуда, второй на уровне пять-семь мм над линией раздела водный раствор кислоты либо щелочи - пары кислоты либо щелочи.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве водного раствора использован по необходимости либо HCl, либо HF, либо КОН, либо NaOH, либо NH₄OH и др.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнен расход воздуха на барботаж через жидкость 2-10 дм³/ч.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала испарительного сосуда использован фторопласт либо полипропилен.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлический сосуд и приливы испарительного устройства имеют две хорошо обработанные поверхности для контакта с нагревающими (охлаждающими) поверхностями обоих элементов Пельтье.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что противоположные поверхности радиаторов полностью обдуваются охлаждающим воздухом от вентиляторов.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что использованы кулеры Scythe Kaze Mini (SY 6062012I) 60 мм, либо Titan TTC-HD11TZ 60 мм.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиаторы изготовлены из железа, либо меди, либо силумина.