устройство для определения концентрации растворенных газов в жидкостях

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ В ЖИДКОСТЯХ, включающее корпус, подсоединенные сверху к корпусу вертикальную уровнемерную трубку и патрубок для подвода жидкости, подсоединенный снизу к корпусу отводящий патрубок, размещенный в корпусе подвижный элемент, отличающееся тем, что оно снабжено запрессованными в верхней и нижней частях корпуса горизонтальными прокладками и подсоединенным снизу к корпусу дополнительным подводящим патрубком, в прокладках напротив патрубков и уровнемерной трубки выполнены сквозные отверстия, корпус выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда, подвижный элемент размещен между прокладками и представляет собой расположенные друг над другом и разделенные герметизирующей прокладкой по внутреннему периметру корпуса два горизонтальных цилиндрических стержня с выполненными друг над другом поперечными прямоугольными пазами, причем в верхнем стержне паз выполнен снизу, а в нижнем сверху, а отверстие в герметизирующей прокладке совпадает с пазами по размерам и форме, к торцу каждого стержня с внешней стороны корпуса подсоединена рукоятка, при этом рукоятки размещены с противоположных боковых сторон корпуса с возможностью поворота стержней вокруг осей.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус и стержни выполнены металлическими, а прокладки в верхней и нижней частях корпуса - фторопластовыми.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к определению концентрации газов, растворенных в жидкостях, в частности газов в воде для теплоэлектростанций или газов в теплоносителях для АЭС, и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности и других областях техники.

Существует много методов и приборов для определения концентрации газа в жидкости. Химические методы наиболее точные, но они обычно предназначены для определения одного определенного газа в жидкости и не имеют широкого применения. Классический метод определения концентрации газов, растворенных в жидкостях, заключается в проведении двух операций: предварительного выделения газов из жидкости и последующего определения выделенного газа [1] Для проведения второй операции часто используется хроматографический метод анализа равновесной газообразной фазы, находящейся в контакте с исследуемой пробой жидкости [2] Концентрацию газов в газовой смеси можно определить масс-спектрометрическим методом. Равновесие между газовой и жидкой фазами достигается путем перемешивания смеси компонентов газы-жидкость, например, в устройстве [3] либо путем барботирования газа через жидкость. Масс-спектрометрия и хроматография требуют применения дорогостоящего и сложного оборудования.

Существуют методы и приборы определения газосодержания исследуемой жидкости объемным методом путем кипячения жидкости с последующим определением объема выделившегося газа и анализа водорода в воде путем извлечения водорода из воды инертным газом и последующего хроматографического анализа полученной газовой смеси. Количественное определение газа или газовой смеси возможно лишь при использовании хроматографа [4, 5]

Недостатками указанных методов и приборов являются сложная методика определения концентрации газов, растворенных в жидкостях, дорогостоящее и сложное аппаратурное оформление.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения концентрации растворенных газов [6] которое содержит средство для отбора проб, выполненное в виде соединенных между собой верхней, средней и нижней пластин, сосуд для выделения газов с поглощающим жидкость элементом. На верхней пластине расположены патрубок для подвода жидкости и уровнемерная трубка. Средняя пластина установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно верхней и нижней пластин и выполнена с тремя отверстиями, расположенными на одной прямой, параллельной направлению перемещения средней пластины. На нижней пластине расположен патрубок для отвода жидкости и сосуд с поглощающим жидкость элементом.

Устройство работает следующим образом.

На соответствующие патрубки надевают гибкие шланги и подсоединяют устройство к емкости с жидкостью, подлежащей анализу. Открывают вентиль емкости и проводят проливку анализируемой жидкостью. Убедившись (визуально) в том, что через отверстие идет жидкость без пузырьков, проливку прекращают. Среднюю пластину смещают в крайнее левое положение. При этом одно отверстие устанавливается напротив соответствующих патрубков, что позволяет отобрать в него пробу жидкости для анализа, а другое отверстие соединяет уровнемерную трубку и сосуд с поглощающим жидкость элементом и обеспечивает тем самым атмосферное давление в системе. После отбора пробы среднюю пластину смещают вправо до тех пор, пока соответствующее отверстие соединит уровнемерную трубку и сосуд с поглощающим жидкость элементом. При совмещении среднего отверстия с уровнемерной трубкой и сосудом с поглощающим жидкость элементом анализируемая жидкость начинает стекать в сосуд. При поглощении жидкости поглощающим элементом из нее выделяется растворенный газ, а капля индикатора (капля подкрашенной анализируемой жидкости) в уровнемерной трубке поднимается. После остановки капли индикатора фиксируют высоту ее подъема в уровнемерной трубке, т.е. объем растворенных газов в жидкости, по которому затем определяют концентрацию.

Недостатками данного устройства являются низкая надежность из-за нарушения герметичности между средней, верхней и нижней пластинами в процессе длительной эксплуатации и неудобство в работе по причине трудности перемещения средней пластины и совмещения отверстий в ней с каналами соответствующих штуцеров.

Изобретение решает задачу повышения надежности и удобства эксплуатации устройства.

Поставленная задача достигается предлагаемым устройством для определения концентрации растворенных газов в жидкостях, включающим корпус, подсоединенную сверху к корпусу вертикальную уровнемерную трубку и патрубок для подвода жидкости, подсоединенный снизу к корпусу отводящий патрубок, размещенный в корпусе подвижный элемент, при этом устройство снабжено запрессованными в верхней и в нижней части корпуса горизонтальными прокладками и подсоединенным снизу к корпусу дополнительным подводящим патрубком, в прокладках напротив патрубков и уровнемерной трубки выполнены сквозные отверстия, корпус выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда, подвижный элемент размещен между прокладками и представляет собой расположенные друг над другом и разделенные герметизирующей прокладкой по внутреннему периметру корпуса два горизонтальных цилиндрических стержня с выполненными друг над другом поперечными прямоугольными пазами, причем в верхней стержне паз выполнен снизу, а в нижнем сверху, а отверстие в герметизирующей прокладке совпадает с пазами по размерам и по форме, к торцу каждого стержня с внешней стороны корпуса подсоединена рукоятка, при этом рукоятки размещены с противоположных боковых сторон корпуса с возможностью поворота стержней вокруг осей. Корпус и стержни выполнены металлическими, а прокладки в верхней и нижней частях корпуса фторопластовыми.

Все признаки, указанные в формуле изобретения, являются существенными для достижения поставленной задачи.

На фиг. 1 показано устройство с разрезом горизонтальных цилиндрических стержней и герметизирующей прокладки в одном рабочем положении; на фиг.2 разрез горизонтальных цилиндрических стержней и герметизирующей прокладки в другом рабочем положении.

Устройство для определения концентрации растворенных газов включает корпус 1 в форме прямоугольного параллелепипеда, подсоединенную сверху к корпусу 1 вертикальную уровнемерную трубку 2 и патрубок 3 для подвода жидкости. Снизу к корпусу 1 подсоединен отводящий патрубок 4. Внутри корпуса 1 запрессованы в верхней и нижней части корпуса 1 горизонтальные прокладки 5 и 6. Снизу к корпусу 1 подсоединен дополнительный подводящий патрубок 7. В прокладках 5 и 6 напротив патрубков 3, 4, 7 и уровнемерной трубки 2 выполнены сквозные отверстия. Подвижный элемент размещен между прокладками 5 и 6 и представляет собой расположенные друг над другом и разделенные герметизирующей прокладкой 8 по внутреннему периметру корпуса 1 два горизонтальных цилиндрических стержня 9 и 10 с выполненными друг над другом поперечными прямоугольными пазами 11 и 12. В верхнем стержне 9 паз 11 выполнен снизу, а в нижнем стержне 10 паз 12 выполнен сверху. Отверстие 13 в герметизирующей прокладке 8 совпадает с пазами 11 и 12 по размерам и по форме. К торцу каждого стержня 9 и 10 с внешней стороны корпуса 1 подсоединены рукоятки 14 и 15, при этом рукоятки размещены с противоположных боковых сторон корпуса 1 с возможностью поворота стержней 9 и 10 вокруг осей. Уровнемерная трубка 2 подсоединяется к корпусу 1 устройства для определения концентрации растворенных газов в жидкостях с помощью штуцера 16. Корпус 1 и стержни 9 и 10 выполнены металлическими, а запрессованные горизонтальные прокладки 5 и 6 фторопластовыми.

Устройство работает следующим образом.

Рассмотрим работу устройства применительно к определению концентрации, например, азота в частично азотированном топливе. Полость устройства с надписью "отбор" проливают исследуемым топливом, повернув рукоятки 14 и 15 в такое положение, при котором горизонтальные цилиндрические стержни 9 и 10 будут разобщены между собой и соединены соответственно стержень 9 с магистралью линии анализа, а стержень 10 с магистралью для линии отбора (фиг.2). Отбирают пробу топлива объемом V_ж в цилиндрический стержень 10 и изолируют ее от окружающей среды поворотом рукоятки 15 на 90^о в одну или другую сторону. Полость устройства с надписью "анализ" продувают газообразным азотом, обеспечив также заполнение азотом объема отверстия 13 в герметизирующей прокладке 8, после чего изолируют азот в стержне 9 поворотом рукоятки 14 на 90^о в одну или другую сторону.

Таким образом, в объеме V_г содержится азот при окружающей температуре Т и атмосферном давлении Р_бар. В полости V_г содержится азот в количестве (по массе)

m₁=

(1) где М 28 молекулярная масса азота;

R 0,0847 универсальная газовая постоянная. Остальные обозначения расшифрованы выше.

В это же время в полости V_ж находится масса азота, равная

m₂ C V_ж, (2) где С концентрация, подлежащая определению. Общая масса азота составляет

m m₁+m₂= + CV_ж

(3) Далее поворотом рукояток 14 и 15 в положение, показанное на фиг.1, объемы V_ж и V_г объединяют в один (суммарный) и по мере встряхивания и поворачивания устройства азот в общей полости распределится между фазами в соответствии с законом Генри

С* Р, (4) где С* новая концентрация азота в жидкой фазе (которая нас не интересует). Используя закон сохранения массы, получают соотношение

+ CV_ж= + PV_ж

(5) откуда для искомой концентрации получается выражение

C + P

(6) Очевидно, что задача решается после определения Р. Сориентируют устройство так, чтобы жидкая фаза возвратилась в стержень 10 объемом V_ж и разобщают полости горизонтальных цилиндрических стержней.

Из изложенного видно, что в V_г надо добавить некоторый объем V азота при атмосферном давлении, чтобы обеспечивалось соотношение

Р_бар V + P V_г Р_бар V_г, (7) откуда для разыскиваемого Р получают выражение

P P1-

(8)

С этой целью заглушают патрубок 3 полости "анализ", а к штуцеру 16 присоединяют уровнемерную трубку 2, как это показано на фиг.1. Свободный конец уровнемерной трубки 2 опускают в топливо, чтобы внутри капилляра осталась капля жидкости, изолирующая внутреннюю полость капилляра от окружающей среды. Фиксируют местоположение капли и повертывают рукоятку 14 полости "анализ" в сторону уровнемерной трубки 2. Капля жидкости смещается на объем V, чтобы в объеме V_г давление стало равным Р_бар, как этого требует (7). Вводя (8) в (6), получают окончательное выражение

C P1- -

(9) Выражение (9) можно переписать в равносильной форме

C P-V +

(10) где видно, что С линейно зависит от V. Очевидно, что V достигает максимума при С 0, что приводит к соотношению

V_max=

(11) Если же топливо насыщено азотом при атмосферном давлении, то V 0 и формула (10) дает в этом случае максимальное (условно) значение

C_max P_бар, (12) что отображает закон Генри. Изложенное позволяет переписать (10) в виде

+ 1

(13) или

C P1

(14) где знак "плюс" используется в случае перенасыщенного топлива по сравнению с Р_бар. Этим снимается упоминавшаяся выше условность.

При использовании измерительного капилляра по ГОСТ 20292-74, цена деления которого равна 0,001 см³, линейный динамический диапазон устройства составит 1000 V_max, если V_max также выразить в см³. Но V_max это постоянная устройства для определения концентрации растворенных газов в жидкостях для данного газа и данной температуры. Если V_г V_ж 2 см³, = 0,090 г/л ата, Т 293 К, М 28, то V_max 0,148 см³ и линейный динамический диапазон будет равен 148, то есть теоретически при указанных параметрах устройства для определения концентрации растворенных газов в жидкостях порог определения азота в топливе будет на уровне 0,6 мг/л.

Таким образом, предлагаемое устройство для определения концентрации растворенных газов в жидкостях обеспечивает повышение надежности и удобства его эксплуатации.