Содержание к диссертации
Введение 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ
КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ. ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ. 10
Статические методы 10
Динамические методы 11
Метод с использованием жидкого электролита 15
Метод дозирования кислорода с использованием высокотемпературной твердоэлектролитной ячейки 16
1.4.1 Ионное число переноса 23
1.5 Постановка задач исследования 27
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА
ПРИГОТОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ 29
Математическая модель дозирующей ячейки 29
Модель системы автоматического дозирования кислорода с учетом кислорода в исходном газе 36
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТВЕРДОЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ЯЧЕЙКИ КАК ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ.49
Анализ результатов экспериментальных исследований дозирующей ячейки 49
Анализ результатов экспериментальных исследований модели системы автоматического дозирования кислорода 64
Исследование динамических характеристик модели системы автоматического дозирования кислорода 75
Анализ метрологических характеристик системы автоматического дозирования кислорода 81
3.4.1 Погрешность установки задатчиком концентрации кислорода 81
Погрешность преобразователя сигнала потенциометрической ячейки 83
Погрешность от колебания концентрации кислорода в атмосферном воздухе 84
3.4.4 Погрешность юстировки 85
3.5 Рекомендации по выбору значений параметров дозирующей ячейки... 87
ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
РАБОТЫ. ..91
4.1 Установка для приготовления кислородосодержащих газовых смесей
^ "БИРЮЗА" 91
Газовая схема установки и описание конструкции узлов 93
Электрическая схема установки 107
Конструкция установки и порядок работы 110
Внедрение результатов исследований и эксплуатационные характеристики 114
Рекомендации по расширению области практического использования метода приготовления кислородосодержащих газовых смесей 115
» ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
Проблемы создания современной автоматической аппаратуры для измерения и воспроизведения объемной доли кислорода в газовых смесях занимают важное место в аналитическом приборостроении [1]. С одной стороны, ни одна отрасль промышленности не может сейчас обойтись без автоматических газоанализаторов кислорода, а с другой, правомерность их практического использования определяется наличием современных технических средств для метрологического обеспечения этих газоанализаторов [2, 3].
Как показывает анализ, качество полимеров, изделий электронной промышленности, сплавов, прочность сварки, а также эффективность научных исследований и систем обеспечения жизнедеятельности человека во многом зависят от уровня техники измерения кислорода.
Газоанализаторы кислорода в настоящее время составляют довольно широкий парк приборов. Особое место среди них занимают газоанализаторы микропримесей кислорода [4-13]. Своим появлением они обязаны требованиям современных отраслей промышленности, связанных с применением или получением чистых и сверхчистых веществ [14]. Наиболее широкое применение газоанализаторы микропримесей кислорода нашли в химической и электронной промышленности, в порошковой металлургии и криогенной технике, а также при создании защитных технологических атмосфер (например, при выполнении сварочных работ).
Трудности практического применения газоанализаторов для измерений микропримесей кислорода вызваны отсутствием средств для их метрологического обеспечения. Это связано как со сложностью приготовления, так и невозможностью длительного хранения поверочных газовых смесей (ПГС) с содержанием микроконцентраций кислорода, а также с техническими сложностями при разработке эталонных средств измерений
5 микроконцентраций. Как правило, оценка погрешности таких
газоанализаторов осуществляется путем сравнения их показаний с данными
химического анализа или методом косвенных измерений. Эти способы
поверки весьма сложны, особенно при их реализации в условиях
эксплуатации газоанализаторов, и, зачастую, не охватывают всего диапазона
измерений и не обеспечивают требуемой точности. Необходимость
проведения периодической поверки этих газоанализаторов при
существующей сложности и невысокой точности средств их
метрологического обеспечения создают неудобства по применению
газоанализаторов микропримесей, как в промышленных, так и в
лабораторных условиях. Кроме того, класс точности газоанализаторов,
подвергающихся поверке (градуировке), может быть занижен против
потенциально возможного или завышен из-за применения
несоответствующих средств поверки.
Эти обстоятельства, с одной стороны, препятствуют совершенствованию самих технологических процессов промышленных производств, и, с другой - могут привести к выпуску бракованной продукции. В этой связи создание автоматической аппаратуры для получения газовых смесей с известным содержанием микропримесей кислорода, предназначенной для калибровки или поверки газоанализаторов кислорода, приобретает важное значение, как для отраслей промышленности, так и для приборостроения.
Общие требования, предъявляемые к современным средствам воспроизведения микроконцентраций кислорода в газовых смесях, могут быть сформулированы следующим образом:
диапазон воспроизводимой объемной доли кислорода 1 10" т 1%;
основная относительная погрешность ± 2%;
расход производимой смеси до 500 см /мин;
время выхода на рабочий режим не более 30 мин;
5) исходные газы, на основе которых создаются газовые смеси - азот, аргон и другие инертные газы.
Воспроизведение объемной доли кислорода должно осуществляться непрерывно в автоматическом режиме с выдачей информации на показывающий и регистрирующий приборы.
Целью настоящей работы являются разработка системы автоматического дозирования кислорода на базе высокотемпературной твердоэлектролитнои ячейки для приготовления кислородосодержащих газовых смесей и практическая реализация результатов исследований в аппаратуре, предназначенной для поверки газоанализаторов кислорода в области микро и малых концентраций.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
изучить методы и созданную на их основе аппаратуру для измерения и воспроизведения объемной доли кислорода в газах и выбрать к проработке метод, позволяющий наиболее эффективно решить задачи приготовления кислородосодержащих газовых смесей;
провести теоретические и экспериментальные исследования выбранного метода, определить его возможности с целью получения аналитических зависимостей для инженерных расчетов параметров аппаратуры при проектировании;
разработать и внедрить аппаратуру для приготовления кислородосодержащих газовых смесей.
Как показал сравнительный анализ существующих методов и аппаратуры для приготовления газовых смесей с содержанием малых концентраций кислорода, решение поставленных задач возможно с помощью метода, основанного на дозировании кислорода с использованием высокотемпературной твердоэлектролитнои ячейки. По сравнению с другими методами отличается возможностью получения кислородосодержащих
7 газовых смесей в диапазоне от микроконцентраций до малых концентраций с
высокой точностью и легко поддается автоматизации.
Реализация метода в установке "БИРЮЗА" для приготовления
кислородосодержащих газовых смесей, выполненная в рамках настоящей
работы, включает в себя:
теоретический анализ метода приготовления кислородосодержащих газовых смесей на основе твердоэлектролитных ячеек с целью нахождения аналитических зависимостей для построения системы автоматического дозирования кислорода;
экспериментальную проверку аналитических зависимостей;
практическое воплощение теоретических и экспериментальных исследований по разработке установки для приготовления кислородосодержащих газовых смесей.
При исследовании метода приготовления кислородосодержащих газовых смесей на основе твердоэлектролитных ячеек и разработке на его основе установки получены следующие новые результаты:
предложен метод приготовления кислородосодержащих газовых смесей на основе твердоэлектролитных ячеек, который по совокупности качеств не имеет аналогов для области микроконцентраций кислорода;
теоретически выведена и экспериментально подтверждена математическая модель твердоэлектролитной ячейки;
разработана модель системы автоматического дозирования кислорода на основе твердоэлектролитных ячеек;
разработана методика калибровки измерительной ячейки для установления нормируемых метрологических характеристик по диапазону и погрешности приготавливаемых кислородосодержащих газовых смесей;
сформированы требования, которым должны удовлетворять составные части установки по приготовлению кислородосодержащих газовых смесей;
- определены частные составляющие погрешности и показан вклад
каждой из них в суммарную погрешность установки по приготовлению
кислородосодержащих газовых смесей.
Практическое значение работы заключается в следующем:
на базе проведенных исследований сформированы исходные данные по проектированию установки для приготовления кислородосодержащих газовых смесей. Благодаря этому стали возможны разработка и организация выпуска установок для приготовления кислородосодержащих газовых смесей "БИРЮЗА" на базе ОАО "Ангарское ОКБА";
разработка математической модели твердоэлектролитной ячейки открывает перспективы инженерных расчетов для проектирования аппаратуры для приготовления кислородосодержащих газовых смесей для области макроконцентраций;
результаты исследований позволяют расширить область совместного применения твердоэлектролитных дозирующей и потенциометрической ячеек для разработки высокоточного измерителя расхода кислородосодержащих газов и газоанализатора кислорода в области микроконцентраций с высокой точностью измерения.
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование метода дозирования кислорода с помощью твердоэлектролитной ячейки для приготовления кислородосодержащих газовых смесей;
математическая модель твердоэлектролитной ячейки для проведения численного эксперимента по выбору оптимального режима работы;
методики определения концентрации кислорода в исходном газе и калибровки измерительной ячейки для обеспечения требуемой точности приготавливаемых кислородосодержащих газовых смесей;
система автоматического дозирования кислорода на основе твердоэлектролитных ячеек;
экспериментальное подтверждение теоретически найденных зависимостей и полученных данных;
конструктивные решения, параметры и режимы, на базе которых разработана установка для приготовления кислородосодержащих газов "БИРЮЗА" и освоен ее выпуск ОАО "Ангарское ОКБА".
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 125 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков, 10 таблиц. Список литературы содержит 88 наименований. Приложение содержит материалы, подтверждающие внедрение результатов работы.
