Устройство для воспроизведения и передачи единиц массовой концентрации кислорода и водорода в жидких средах
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к измерению концентрации кислорода и водорода, предназначенных для поверки, калибровки анализаторов растворенного в жидких средах кислорода и водорода. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности проведения поверки и градуировки анализаторов. Данный технический результат достигается за счет конструкторских особенностей рабочей камеры, смотрового окна, анализаторов кислорода и водорода с расширенными метрологическими характеристиками, изменения способа приготовления образцовых растворов с использованием поверочных газовых смесей, возможности использования электрохимических и оптических датчиков. (1 н.п. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.)
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к измерению концентрации кислорода и водорода, предназначенных для поверки, калибровки анализаторов растворенного кислорода и водорода, используемых на предприятиях тепловой и атомной энергетики, металлургии, пищевой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в биотехнологии и медицине, ЖКХ, в рыбных хозяйствах и на станциях биологической очистки сточных вод.
Известно устройство [Патент РФ на изобретение 
2365948, G01W 1/18, 2009 г], для градуировки и поверки газоанализаторов, содержащее измерители температуры и давления, выходные коммуникации, жидкостный термостат, насытитель, стабилизатор высокого давления, используемый жидкостный термостат - пассивный, при этом, насытитель представляет собой стальной сосуд, рассчитанный на высокое давление газа, на 30-60% объема заполненный жидким дозируемым компонентом, через который пропускают газ-носитель, подаваемый через барботер.
Недостатком данного устройства является относительно узкие функциональные возможности. Устройство исключает возможность проводить измерения массовой концентрации растворенного газа в жидкой среде.
В качестве ближайшего аналога выбрано устройство для градуировки и поверки анализаторов растворенного кислорода, основанное на последовательном приготовлении образцовых растворов дистиллированной воды и определении в них содержания растворенного кислорода градуируемым или поверяемым анализатором с амперометрическим датчиком, закрытым проницаемой для кислорода мембраной, содержащее рабочую камеру с газовой фазой ресивера и погруженным в дистиллированную воду датчиком кислорода, соединенным с градуируемым или поверяемым анализатором, образцовый измеритель абсолютного давления, компрессор, блок управления, мешалку для перемешивания дистиллированной воды в рабочей камере, барботер для прокачивания газовой смеси через газовую и жидкостную фазы рабочей камеры, термометр, блок автоматической стабилизации температуры в рабочей камере, дозатор для ручного введения жидкостной или газовой добавки в обескислороженную азотом дистиллированную воду, автономный ресивер, пневматически соединенный с измерителем абсолютного давления, блоком управления и газовой фазой рабочей камерой, дополнительный компрессор в автономном ресивере, баллон с азотом, сосуд с азотом, оснащенный съемными поглотителями кислорода. [Патент РФ на полезную модель 133936, G01N 27/00, 2013 г].
Наиболее близкое к предлагаемому устройство предназначено для работы с амперометрическими датчиками анализаторов растворенного в воде кислорода воздуха из окружающей среды.
Недостатками данного устройства являются невозможность проводить измерения кислорода в «микрограммовой» области концентраций (менее 10 мкг/дм3), узкие функциональные возможности по поверке и градуировке приборов и невысокая точность измерений, использование в качестве основы раствора дистиллированной воды.
Для того чтобы расширить диапазон измерений концентрации растворенного в воде кислорода и увеличить точность ее воспроизведения используют растворяемые в дистиллированной воде и прочих жидких средах, в которых при температуре от 0 до 50°C соблюдается закон Генри-Дальтона с внесением поправочного коэффициента, поверочные газовые смеси (ПГС), а также рабочую камеру, выдерживающую высокие давления газа. Данные технические улучшения также позволяют воспроизводить и передавать единицы концентрации растворенного в воде водорода. Кроме этого устройство позволяет проводить калибровку и поверку только с амперометрическими датчиками.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства для осуществления с высокой точностью воспроизведения и передачи единиц массовой концентрации растворенного кислорода, а также водорода на основе закона Генри-Дальтона с применением ПГС.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности проведения поверки и градуировки анализаторов с помощью изменения способа приготовления образцовых растворов с использованием ПГС.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается за счет того, что в устройстве для воспроизведения и передачи единиц массовой концентрации кислорода и водорода в жидких средах, основанное на последовательном приготовлении образцовых растворов жидкости и определении в них содержания растворенного кислорода или водорода, содержащее рабочую камеру, систему терморегуляции, включающую термостат и теплообменный контур, эталонный барометр, эталонный термометр с датчиком,. погруженным в среду рабочей камеры, мешалку, устройство снабжено анализаторами кислорода и водорода, имеющими расширенные метрологические характеристики относительно серийно выпускаемых, рабочая камера рассчитана на высокое давление газа и выполнена с предусмотренным смотровым окном и посадочными местами для электрохимических и оптических датчиков анализаторов кислорода или водорода, которым передаются единицы массовой концентрации кислорода и водорода, устройство снабжено системой подачи газовых смесей, состоящей из баллонов с поверочными газовыми смесями, баллона с инертным газом и системы регулирования потока и расхода проверочных газовых смесей, включающей в себя газовую линию, барботер для прокачивания газовых смесей в рабочую камеру, клапаны тонкой регулировки, установленные на входе и выходе рабочей камеры. Рабочая камера выполнена из нержавеющей стали с толщиной крышки и стенки со смотровым окном 20 мм и толщиной остальных стенок 10 мм, что позволяет создавать внутри нее давление до 1200 кПа. Клапаны тонкой регулировки могут быть выполнены в виде игольчатых натекателей.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно конструктивные особенности рабочей камеры позволяют производить измерения в диапазоне давления от атмосферного до 1200 кПа, что в свою очередь расширяет диапазон воспроизводимых анализаторами с электрохимическими и оптическими датчиками концентраций кислорода от 0 до 100000 мкг/дм3 (по сравнению с устройством-аналогом диапазон воспроизводимых концентраций кислорода 200-45000 мкг/дм 3) и способствует воспроизведению анализаторами с электрохимическими датчиками концентрации водорода от 0 до 20000 мкг/дм3 ; применение ПГС, проточный метод ее подачи, контроль над подачей газа и перемешиванием воды с помощью смотрового окна снижают систематическую составляющую погрешности при воспроизведении единиц концентраций; применение высокоточных анализаторов кислорода и водорода снижают случайную составляющую погрешности, игольчатые натекатели тонкой регулировки расхода ПГС осуществляют высокую точность поддержания необходимого давления при непрерывном протоке ПГС; наличие смотрового окна позволяет контролировать попадание пузырьков газа на датчики анализаторов, которые образуются при сильном перемешивании жидкой фазы в рабочей камере и приводят к резким скачкам концентрации и как следствие неверным результатам измерений массовой концентрации кислорода и водорода в жидкой среде.
В отличие от прототипа данное устройство позволяет воспроизводить единицу концентрации кислорода в воде и прочих жидких средах, в которых при температуре от 0 до 50°C соблюдается закон Генри-Дальтона с внесением поправочного коэффициента, в расширенном диапазоне от 0 до 100000 мкг/дм3 и единицу концентрации водорода в диапазоне от 0 до 20000 мкг/дм3 .
Полезная модель поясняется чертежом (фиг. 1), на котором представлена схема устройства для калибровки и поверки анализаторов кислорода.
Рабочая камера (1) выполнена из нержавеющей стали с толщиной крышки и стенки со смотровым окном (не оцифровано) 20 мм (обусловлена необходимым 10 мм пазом для установки смотрового окна и 10 мм толщиной для крепления болтами Мб крышки) и толщиной остальных стенок 10 мм, что позволяет создавать внутри нее давление до 1200 кПа. Смотровое окно имеет прямоугольную форму и выполнено из стекла толщиной 8 мм. На крышке размещены посадочные места (18) для подключения датчиков анализаторов. Рабочая камера (1) оснащена мешалкой (4). Система подачи газа состоит из баллонов с ПГС (16), баллона с инертным газом высокой чистоты (17) и системы регулирования потока и расхода поверочных газовых смесей, включающей в себя газовую линию (15) с редукционными вентилями (не оцифровано), барботер (6), клапаны тонкой регулировки на входе (7) и выходе (8) рабочей камеры. Система терморегуляции включает в себя термостат (2) и теплообменный контур (3). В состав устройства также входят следующие средства измерения: анализатор водорода (10) с датчиком (9), анализатор кислорода (12) с датчиком (11), эталонный термометр (14) с датчиком (13) и эталонный барометр (5).
Устройство для воспроизведения и передачи единиц массовой концентрации кислорода и водорода работает следующим образом.
Рабочая камера (1) наполняется дистиллированной водой или иным растворителем (жидкостью) до 70% от общего объема, затем происходит нагнетание кислорода или водорода из баллонов с ПГС (16) через газовую линию (15) и барботер (6) в рабочую камеру (1), где происходит насыщение газом до значений равновесных концентраций, и включается мешалка (4), обеспечивающая равномерность распределения газа в жидкости. Контроль над перемешиванием осуществляется с помощью смотрового окна, не отмеченного на схеме и предусмотренного в рабочей камере (1). Постоянство температуры дистиллированной воды в рабочей камере достигается циркуляцией термостатированной воды с помощью внешнего термостата (2) по теплообменному контуру (3). Контроль температуры осуществляется эталонным термометром (14). Избыточное давление регулируется клапанами тонкой регулировки на входе (7) и на выходе (8). Контроль давления осуществляется при помощи эталонного барометра (5). Для создания «нулевой» концентрации кислорода используется инертный газ высокой степени чистоты (17). Контроль концентрации кислорода и водорода осуществляется с помощью анализаторов водорода (10) и кислорода (12), имеющих расширенные метрологические характеристики относительно серийно выпускающихся. Посадочные места (18) предназначены для подключения датчиков, которым передаются единицы массовой концентрации кислорода и водорода.
В устройстве задействована следующая методика, характеризующая измеряемую анализатором величину концентрации растворенного кислорода или водорода: концентрация растворенного кислорода в диапазоне от 0 до 100000 мг/дл3 или водорода в диапазоне от 0 до 20000 мг/дл3, измеряемая анализатором, которому передаются единицы массовой концентрации кислорода или водорода, соответствует их растворимости (равновесной концентрации) в конкретном образцовом растворе дистиллированной воды при постоянной температуре в диапазоне давлений от атмосферного до 1200 кПа, приготовленном насыщением с помощью системы барботирования из баллонов с ПГС при постоянной температуре и заданном абсолютном давлении в рабочей камере 1. Методика пригодна для поверки анализаторов, включающих электрохимические или оптические датчики кислорода, предусматривающих возможность проведения измерений в рабочих условиях повышенного давления рабочей среды в диапазоне от атмосферного до 1200 кПа.
В основу способа приготовления растворов с заданной концентрацией растворенных в жидкой среде кислорода и водорода в закрытом объеме рабочей камеры положена математическая зависимость закона Генри-Дальтона, характеризующая линейное изменение равновесных концентраций растворенных в воде кислорода и водорода, получаемых как путем изменения содержания кислорода и водорода в поверочных газовых смесях - государственных стандартных образцах (ПГС-ГСО), так и абсолютного давления газов в рабочей камере, а также зависимость растворимости кислорода и водорода в дистиллированной воде от температуры. Значение концентрации C при давлении P, относительном объемном содержании газа X (%) в поверочной газовой смеси и температуре воды T рассчитывают по формуле:
где A - растворимость (равновесная концентрация) кислорода или водорода в воде (мг/л или %) при нормальном давлении и температуре T (°C) (для кислорода согласно ISO 5814: 2012); P - текущее давление (кПа), P0 - нормальное атмосферное давление, равное 101,3 кПа, X - относительное объемное содержание кислорода или водорода в ПГС, X0 - константа в случае кислорода равна 20,94%, а для водорода - 100%, k - поправочный коэффициент, характеризующий тип жидкости, использующийся в качестве жидкой среды рабочей камеры.
Из соотношения (1) следует, что изменения равновесной концентрации растворенного в жидкой среде кислорода или водорода при постоянной температуре прямо пропорционально изменению величины абсолютного давления в рабочей камере.
Следовательно, линейность характеристики преобразования анализатора, подвергаемого поверке, может быть оценена по линейности изменения абсолютного давления в рабочей камере, характеризуемого показаниями образцовых измерителей абсолютного давления (барометр, манометр, вакуумметр).
При поверке анализатора востребованное значение концентраций растворенного кислорода и водорода рассчитываемое по формуле (1) достигается изменением абсолютного давления в газовой фазе рабочей камеры и применением ПГС с различным содержанием газа.
Основная абсолютная 
и относительная 
погрешности рассчитываются по формулам (2), (3):
где C - концентрация растворенного кислорода, рассчитанная по формуле (1), мкг/дм3; C изм. - концентрация растворенного кислорода, фиксируемая анализатором при абсолютном давлении P, мкг/дм3.
Для оценки линейности градуировочной характеристики анализатора определяют погрешности измерений в трех точках диапазона измерения градуируемого анализатора: реперных точках в начале, в середине и в конце диапазона измерений. Погрешности высчитываются с помощью соотношений (2) и (3).
Таким образом, в предложенном устройстве достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, поскольку позволяет воспроизводить и передавать единиц массовой концентрации кислорода в расширенном диапазоне, а также водорода в широком диапазоне с высокой точностью в воде и прочих жидких средах, в которых при температуре от 0 до 50°C соблюдается закон Генри-Дальтона с внесением поправочного коэффициента.
1. Устройство для воспроизведения и передачи единиц массовой концентрации кислорода и водорода в жидких средах, основанное на последовательном приготовлении образцовых растворов жидкости и определении в них содержания растворенного кислорода или водорода, содержащее рабочую камеру, систему терморегуляции, включающую термостат и теплообменный контур, эталонный барометр, эталонный термометр с датчиком, погруженным в среду рабочей камеры, мешалку, отличающееся тем, что устройство снабжено анализаторами кислорода и водорода, рабочая камера рассчитана на высокое давление газа и выполнена с предусмотренным смотровым окном и посадочными местами для электрохимических и оптических датчиков анализаторов кислорода или водорода, которым передаются единицы массовой концентрации кислорода и водорода, устройство снабжено системой подачи газовых смесей, состоящей из баллонов с поверочными газовыми смесями, баллона с инертным газом и системы регулирования потока и расхода проверочных газовых смесей, включающей в себя газовую линию, барботер для прокачивания газовых смесей в рабочую камеру, клапаны тонкой регулировки, установленные на входе и выходе рабочей камеры.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочая камера выполнена из нержавеющей стали с толщиной крышки и стенки со смотровым окном 20 мм и толщиной остальных стенок 10 мм, что позволяет создавать внутри нее давление до 1200 кПа.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что клапаны тонкой регулировки могут быть выполнены в виде игольчатых натекателей.
РИСУНКИ
