Національний університет “Львівська політехніка”

На правах рукопису

ТЕПЛЮХ Зеновій Миколайович

УДК 543.27+533.27

Газодинамічні дросельні методи та пристрої

аналізу і синтезу газових сумішей

Спеціальність 05.11.13 – Прилади і методи контролю

та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: | доктор технічних наук, професор

Пістун Євген Павлович, завідувач кафедри “Автоматизація теплових та хімічних процесів” Національного університету “Львівська політехніка”. | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Поджаренко Володимир Олександрович, завідувач кафедри “Метрологія і промислова автоматика” Вінницького національного технічного університету;

доктор технічних наук, професор

Кісіль Ігор Степанович, завідувач кафедри “Методи та прилади контролю якості і сертифікації продукції” Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу;

доктор технічних наук, с.н.с.

Тетерко Анатолій Якович, провідний науковий співробітник відділу “Фізико-математичні основи неруйнівного контролю та технічної діагностики” Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка Національної Академії наук України.Провідна установа: | Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, (м. Київ). |

Захист відбудеться “9 червня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул.С.Бандери,12, ауд.51 Х учбового корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (Львів, вул. Професорська,1).

Автореферат розісланий “6” травня 2006 р.

Відгуки надсилати за адресою : 79013, Львів-13, вул.С.Бандери,12

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Вашкурак Ю.З.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з основних умов підвищення ефективності су-спільного виробництва є можливість отримання достатнього обсягу достовірної інформації про стан об’єктів та якість протікання технологічних процесів, зокрема про склад газових сумішей. Інтенсивне розроблення промислових аналізаторів почалося лише у середині XX-о століття внаслідок бурхливого розвитку промис-ловості. Наймасовішими споживачами автоматичних газоаналізаторів стали теп-лоенергетика, охорона довкілля, хімічна, нафтопереробна, харчова, газова галузі. Аналізатори використовують в першу чергу для контролю за дотриманням техно-логічних режимів, викидами в атмосферу, запобігання небезпечних ситуацій.

На сьогодні відома велика кількість методів і приладів газового аналізу, проте далеко не всі вони задовільняють вимоги практики, зокрема щодо точності, селективності, чутливості та надійності вимірювань, розширення діапазону вимі-рювань в напрямку малих і надмалих концентрацій. Особливістю цієї галузі вимі-рювальної техніки є також надзвичайне і постійно зростаюче розмаїття аналізова-них компонентів, досліджуваних сумішей і умов вимірювання. У зв’язку із цим актуальними є і надалі залишатимуться теоретичні та експериментальні дослі-дження, спрямовані на розроблення методів і приладів газового аналізу з метою рекомендування їх для широкого використання в реальних умовах.

В Україні знаходиться в експлуатації біля 500 тис. газоаналізаторів близько 400 типів і всі вони потребують якісного метрологічного забезпечення, в першу чергу високоточних перевірювальних газових сумішей. В той же час існуючі тех-нології приготування і застосування таких сумішей не забезпечують зростаючих вимог. Радикальним способом поліпшення існуючого стану було би застосування автоматичних газозмішувальних установок (синтезаторів), з допомогою яких без-посередньо здійснюється градуювання і перевірка робочих приладів. Крім того, для низки технологічних процесів у різних галузях промисловості (наприклад, в хімічній, електронній, в біотехнології) необхідним є створення складних газових середовищ із строго заданим співвідношенням концентрацій компонентів. Для створення таких середовищ також необхідні пристрої, які забезпечують можливість керування складом синтезованої газової суміші. Відомі методи і пристрої синтезу газових сумішей не задовільняють вимоги практики і тому актуальною є проблема розроблення методів і пристроїв, які забезпечують високу точність неперервного змішування довільної кількості компонентів в широкому діапазоні концентрацій.

Одним із найперспективніших шляхів розв’язання вказаних проблем газового аналізу і синтезу є дослідження газодинамічних дросельних методів і створення на їх основі нових методів і пристроїв. Роботи, зв’язані з вивченням і використанням явищ, що супроводжують протікання різних газів через дросельні елементи, відо-мі, але вони виконувались спорадично, не мали системного характеру, що не доз-во-лило передбачити нові, важливі для практичного використання закономірності.

Описаний вище стан підтверджується також ре-зультатами досліджень як віт-чи-зня-них, так і зарубіжних науковців (О.О. Крав-че-нко, В.Л. Богуненко, Д.К. Кол-ле-ров, Л.В. Рейман, Е.А. Хацкевич, Ґ. Нель-сон, Ж. Гіошон, П. Джеффері, П. Кіп-пінг, Я. Ваня). Отже проблема розроблення науково обґрунтованих методів підви-щен-н-я точ-ності неперервного аналізу і синтезу газових сумішей є актуаль-ною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі “Автоматизація теплових та хімічних процесів” національного університету “Львівська політехніка” у рамках її основного наукового напрямку – “Вдосконалення і розробка елементів і підсистем збору та первинної обробки інформації в АСУТП”.

Дисертаційні дослідження пов’язані із виконанням за участі автора низки го-спдоговірних тем, зокрема: “Исследование и разработка газодинамических преоб-разователей состава бинарных и многокомпонентных газовых смесей” (Договор № 3080 с ВНИИАП, 1981 г., № гос. рег. 78006187), в якій розроблено математичні моделі ба-зових дросельних схем і метод аналізу трикомпонентної суміші; тем, виконуваних за рішенням організації п/с А-1572 № 154 від 5.05.82 р., за координаційним планом НДР комплексної програми “Теплофізика” на 1981-1985 рр., за програмою МНТК “Свето-вод” тощо (№№ держ. реєстрації 01818004401, 01830037747, 01850016735, 01860037277, 01860042278, 01870024461, 01880021181, 01900059832), в яких розроблені нові методи аналізу і синтезу газових сумішей і уточнені математичні моделі дросельних схем.

Крім того, автор одноосібно виконував госпдоговірні теми у ВАТ “Львів-ОРГРЕС”, зокрема: “Розробка технічних рішень з побудови газодинамічних прис-троїв для перевірки аналізаторів вмісту кисню в димових газах котлів ТЕС(Договір №2000-25 від 25.07.2000 р.); “Розробка технологічних рішень та схем пристроїв для ме-трологічного забезпечення хроматографа, дослідження методів визначення енерге-тичної цінності природного газу” (Договір №2001-16 від 18.06.2001 р.); “Підвищення то-чності оперативного контролю втрат тепла від неповного згорання палива в коте-льних установках за рахунок розробки синтезатора” (Договір № 2003-19 від 14.05.2003 р.), в яких розроблені нові методи і пристрої встановлення рівності газодинамічних опорів, синтезу газових сумішей з використанням рівних і кратних опорів і стадій-ного розчинення, методи калібрування хроматографів, нові залежності на основі теорії чисел для моделювання синтезаторів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є теоретичні та експериментальні дослідження газодинамічних методів аналізу і синтезу газових сумішей, скеровані на виявлення і обґрунтування можливостей його ефективного використання в техніці.

Досягнення поставленої мети вимагає розв’язання таких задач:

- проаналізувати відомі методи і пристрої аналізу і синтезу газових сумішей і обґрунтувати об’єктивну необхідність підвищення їх точності на основі газодинамічних дросельних методів;

- розробити і уточнити математичні моделі газодинамічних дросельних елементів і пристроїв, з їх допомогою уточнити умови інваріантності до основних факторів впливу (тисків і температури) за критерієм мінімуму похибки, розробити методи оцінювання похибок задання концентрації газодинамічними синтезаторами;

- проаналізувати методи і пристрої для дослідження дросельних елементів, а також розробити нові і вдосконалити відомі;

- розробити методи і принципи побудови газодинамічних пристроїв аналізу і синтезу газових сумішей, що забезпечують якісні метрологічні та експлуатаційні характеристики цих пристроїв, зокрема підвищення точності;

- розробити методи градуювання газоаналітичної апаратури і оцінювання впливу супутніх компонентів, на прикладах конкретних застосувань розроблених методів і пристроїв показати їх ефективність і на практиці підтвердити досягнення поставленої мети.

Об’єкт дослідження – аналіз і синтез газових сумішей; приготування пере-вірювальних газових сумішей; чисті гази і газові суміші та їх теплофізичні властивості; дроселювання потоків різних газів.

Предмет дослідження - газодинамічні методи та пристрої неперервного ана-лізу і синтезу газових сумішей у широкому діапазоні концентрації компонентів, який охоплює як макро-, так і мікроконцентрації; дросельні елементи та їх витра-тні характеристики, пристрої для вимірювання і задання мікровитрат газів, понят-тя газодинамічного опору і пристрої для його відтворення, базові дросельні схеми як основа розроблюваних синтезаторів та аналізаторів газових сумішей.

Методи дослідження. Методологія та методи дослідження базуються на ви-користанні теорії газодинаміки і експериментальних методів для дослідження дросельних елементів, методів термодинаміки і математичного моделювання для опису пристроїв аналізу і синтезу газових сумішей, числових методів для моде-лювання і розрахунку розроблюваних пристроїв, методів математичної статисти-ки і експериментальних методів для перевірки адекватності розроблених моделей, використанні теорії чисел для опису синтезаторів на дроселях з рівними газоди-намічними опорами, метрологічних основ газоаналітичних вимірювань і експери-ментальних методів для дослідження похибок пристроїв аналізу і синтезу сумішей.

Наукова новизна одержаних результатів. Розв’язано важливу науково-прикладну проблему – розроблення нової концепції та науково обґрунтованих ме-тодів підвищення точності аналізу і синтезу газових сумішей. При цьому отримано такі нові наукові результати:

- введено і обґрунтовано поняття рівності газодинамічних опорів дроселів, яке визначається рівністю витрат одного чи різних газів через досліджувані дроселі при однакових тисках на входах і виходах дроселів, що відкрило перспективу розроблення нових методів синтезу газових сумішей і побудови газодинамічних синтезаторів з високою точністю приготування багатокомпонентних сумішей;

- вперше розроблені методи встановлення рівності опорів дроселів на одному та різних газах, які полягають в наближенні до нуля різниці тисків у двох гілках диференційної схеми у статичному режимі (для одного газу) і в динамічному (для різних), що підвищило щонайменше на порядок точність встановлення рівності порівняно з відомими методами;

- розроблено метод синтезу газових сумішей з використанням поняття рівних і крат-них газодинамічних опорів (провідностей), що дало можливість отримувати су-міші з широким діапазоном заданих з високою точністю концентрацій компонентів;

- розроблено метод синтезу газових сумішей з мікроконцентраціями компонентів, який полягає у стадійному розчиненні компонентів з використанням поняття рівних і кратних газодинамічних опорів у відповідній комбінації базових дросельних схем;

- розроблено метод аналізу трикомпонентної суміші, який поєднує газодинаміч-ний з хімічним методом газового аналізу застосуванням ідентичних газодинаміч-них дросельних вимірювальних перетворювачів, на вході одного з яких здійсню-ється вилучення одного з компонентів, що забезпечило селективність, високі чут-ливість і точність визначення концентрацій компонентів;

- розроблено методи калібрування хроматографів і оцінювання впливу супутніх компонентів на результат вимірювання з використанням поняття рівних і кратних газодинамічних опорів, які полягають у введенні як додаткового компонента у си-нтезовану суміш газу-носія і одночасній зміні співвідношення газодинамічних опорів лише в каналах визначального компонента і газу-носія (а також супутнього компонента, коли досліджують його вплив), що суттєво зменшило похибку визна-чення концентрації компонентів хроматографами;

- розроблені математичні моделі газодинамічних пристроїв з врахуванням впли-ву тисків і температури, умови інваріантності пристроїв до вказаних параме-трів за критерієм мінімуму похибки, що підвищило точність аналізу і синтезу су-мішей;

- розроблено метод атестації газодинамічних синтезаторів через співвідношення газодинамічних опорів в каналах компонентів, що на порядок підвищує точність атестації внаслідок застосування в синтезаторах рівновеликих і кратних за газоди-намічним опором (провідністю) дроселів, як на одному, так і на різних газах;

- розроблено нові залежності на основі теорії чисел для моделювання синтезато-рів з рівними і кратними опорами дроселів, що уможливило побудову синтезато-рів із заданими концентраціями компонентів на виході з одночасною мінімізацією кількості дроселів і операцій встановлення їх рівності;

Практичне значення одержаних результатів. Виконані теоретичні та екс-периментальні дослідження відкрили перспективу використання поняття рівності газодинамічних опорів дроселів для різних систем з проточними елементами, зок-рема дозволили розробити новий тип синтезаторів, призначених як для технологі-чних, так і метрологічних цілей. Експериментальні дослідження і промислове впровадження підтвердили переваги розроблених методів і пристроїв: можливість керування концентрацією компонентів; можливість синтезу якісних багатокомпо-нентних газових сумішей; можливість досягнення високої точності задання кон-центрацій компонентів; можливість досягнення мікроконцентрацій.

Створені за результатами роботи газодинамічні синтезатори впроваджені на Бурштинській ТЕС, зокрема синтезатор для перевірки парку газоаналізаторів на кисень в димових газах котлоагрегатів, а також синтезатори для калібрування хро-матографів природного газу і димових газів. Річний економічний ефект від впрова-дження синтезатора для перевірки парку газоаналізаторів на кисень складає 11780 грн. Впровадження синтезатора для калібрування хроматографів природного газу підвищило точність визначення концентрації компонентів з допомогою хроматог-рафа в середньому у 5 раз, а відносну похибку визначення нижчої теплоти згора-ння газу зменшити у 2 рази. Очікувана економія від впровадження результатів дисертаційної роботи на підприємствах України (в першу чергу теплоенергетика, хімічна, нафтохімічна, газова промисловості) становить мільйони гривень за рік.

Основні положення роботи знайшли використання у навчальних курсах від-повідних дисциплін, зокрема в курсі “Технологічні вимірювання та прилади” і для підготовки магістрів за програмою “Автоматизоване управління технологічними процесами і виробництвами”.

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї і наукові результати дисертації розроблено автором особисто. В роботах із співавторами дисертантові належить пос-тановка задач, участь у теоретичних і експериментальних дослідженнях, роз-роб-лення нових методів і пристроїв, а також реалізація результатів досліджень. Внесок дисертанта при цьому був визначальний.

У працях, опублікованих у співавторстві, автору належать: [11,12, 35] - введення і застосування поняття рівності газодинамічного опору дроселів на одному і на різ-них газах, розроблення методів встановлення рівності газодинамічного опору дро-селів і засобів для її реалізації; [7, 9, 37, 40, 41, 43] – розроблення методів синтезу га-зових сумішей і газодинамічних синтезаторів перевірювальних сумішей на дросе-лях з рівними і кратними газодинамічними опорами (провідностями); [15,20,24,25,27] - уточнення математичних моделей пристроїв аналізу і синтезу газових сумішей; [23, 34, 38, 39] - розроблення методів і пристроїв для дослідження систем аналізу і син-тезу газових сумішей; [30-33, 36] - розроблення нових методів і приладів газового ана-лізу; [6, 9, 43] - розроблення методу атестації газодинамічних синтезаторів через співвідношення газодинамічного опору в каналах компонентів; [7, 18, 28, 43] - розро-блення нових методів градуювання газоаналітичних приладів і оцінювання впливу супутніх компонентів; [17, 21] - розроблення залежностей на основі теорії чисел для моделювання газодинамічних синтезаторів на дроселях з рівними і кратними опо-рами; [6, 14] - розроблення методу і схем синтезаторів з багатостадійним розчинен-ням компонентів; [4, 5, 8, 10, 13, 16, 19, 22, 26, 29] - вдосконалення відомих та розроб-лення нових пристроїв для дослідження дросельних елементів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної робо-ти оприлюднені на 59 науково-технічних конференціях, симпозіумах, семінарах, з яких 10 міжнародних, 9 всесоюзних, 4 республіканських, а саме:

а) міжнародних: “Метрологическое обеспечение измерений для контроля окружа-ющей среды”, 1981 р., Ленінград; “Яблонна 82”, 1982 р., Яблонна (Польща); “Яблонна 86”, 1986 р., Москва; “Сучасні проблеми розробки роботоелектронних засобів та підгото-вки інженерних кадрів”, Львів, 1996 р.; “Удосконалення процесів та апаратів хіміч-них, харчових та нафтохімічних виробництв”, 1996 р., Одеса; “Системи транспорту-вання, контролю якості та обліку енергоносіїв”, 1997 р., Львів; “Проблеми економії енергії”, 1999 р., Львів; “Нафта і газ України”, 2000 р., Івано-Франківськ; “Проблеми еко-номії енергії”, 2001р., Львів; “Проблеми економії енергії”, 2003 р., Львів;

б) всесоюзних: “Пневмоавтоматика”, Новочеркасск, 1982р.; “Перспективы расширения производства попутной серы”, 1982 р., Львів; “Состояние и перспективы развития средств измерения температуры”, 1984р., Львів; “Физико-химические методы и инженерно-технические решения в газоаналитическом приборостроении”, 1984 р., Одеса; “Пне-вмоавтоматика”, 1985р., Львів; “Современные методы и средства автоматического конт-роля атмосферного воздуха и перспективы их развития”, 1987 р., Київ; “ИИС-89”, 1989р., Ульяновск; “Автоматизация технологических процессов и производств пере-рабатывающих отраслей АПК”, 1989 р., Москва; “Пневмоавтоматика”, 1990 р., Суздаль;

в) республіканських: “Гидравлика и гидропневмопривод машин, автоматов и про-мышленных роботов в машиностроении”, 1989р., Севастополь; “Физические ос-новы построения первичных измерительных преобразователей”,1982р., Київ; “Ди-агностика и коррекция погрешностей измерительных преобразователей техноло-гической информации”, 1989 р., Київ; “Гидравлика и гидропневмопривод машин, автоматов и промышленных роботов в машиностроении”, 1990 р., Севастополь;

г) інших: “Автоматизация технологических процессов в приборостроении и маши-но-строении средствами пневмоавтоматики”, 1986 р., Пенза; “Повышение точности при-боров для измерения расхода и количества жидкости и газа как средство эконо-мии энергоресурсов”, 1982 р., Ленінград; “Информационно-измерительные системы и точ-ность в приборостроении”, 1982 р., Москва; “Метрология и технические средс-тва в автоматике”, 1982 р., Київ; “Проектирование и эксплуатация гидравлических сис-тем и гидропневмопривода машин, автоматов и промышленных роботов в ХII пяти-летке”, 1987 р., Севастополь; “Пневматические системы управления биологи-че-скими процес-сами”, 1987 р., Москва; “Повышение точности измерения расхода жид-кости и газа как средство экономии энергоресурсов”, 1988 р., Ленінград; “Пне-вмоав-томатика в систе-мах автоматизации производственных процессов”, 1988 р., Пенза; “Проекти-рование и эксплуатация гидропневматических систем и гидропри-вода ма-шин, авто-матов и промышленных роботов в машиностроении”, 1988 р., Се-вастополь; “Совер-шенствова-ние технологии и оборудования процессов переработ-ки и транспо-рта неф-ти”, 1989 р., Новополоцк; “Пневматические средства контроля и управления техно-логическими процессами”, 1990 р., Пенза; “Биотехника и биоте-хнология”, 1990 р., Тамбов; “Вимірю-вання витрати та кількості газу і нафтопродук-тів”, 2003 р. Івано-Франківськ; науково-технічні конференції Національного універ-ситету “Львівська політехніка”, 1981-2004 рр.

Публікації. Всього за тематикою дисертації опубліковано 126 наукових ро-біт, з яких: 29 статей у фахових наукових журналах, 40 у збірниках матеріалів і тез н/т конференцій, 21 робота у збірниках наукових праць, 35 патентів зарубіж-них країн і авторських свідоцтв.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів з підсумками, загальних висновків, переліку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 327 сторінках, з яких 266 основного тексту, і міс-тить 57 рисунків, 21 таблицю, 426 найменувань джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертації, сформульована мета та зав-дання досліджень, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, наведені основні результати і положення, які подаються автором до захисту.

В першому розділі розглянуто сучасний стан та тенденції розвитку методів та пристроїв аналізу і синтезу газових сумішей (АСГС) і конкретизовано напрям-ки досліджень.

Розмаїтість газоаналітичних задач (в народному господарстві, науці та тех-ніці потрібний контроль концентрацій сотень різних окремих компонентів при дуже відмінних композиціях компонентів і параметрах стану газу), підвищення вимог до якості вимірювань (точність, надійність, швидкодія тощо) диктують не-обхідність вишукування нових і вдосконалення відомих методів та пристроїв за-безпечення таких вимірювань. Виконаний нами аналіз теоретичних та експериме-нтальних досліджень, а також вітчизняний та зарубіжний досвід практичного ви-рішення задач газового аналізу (ГА) показав, що одним з найперспективніших є газодинамічний дросельний (ГД) метод. Пристрої на базі цього методу характери-зуються простотою конструктивної реалізації, високою надійністю, малими затра-тами на виготовлення і обслуговування, можуть застосовуватися в умовах, коли ускладнене (чи недопустиме) застосування електричних засобів. Проте, не зважаючи на відзначені переваги, ГД метод не знайшов широкого застосування в практиці. Це, зокрема, можна пояснити відсутністю узагальнюючих теоретичних досліджень як самого методу, так і конкретних схем його реалізації, в результаті чого у наявних розробках реалізовані далеко не всі його можливості. Так, зокрема, чутливість ГД пристроїв до впливу окремих теплофізичних параметрів суттєво залежить від співвідношення їх конструктивних характеристик дроселів. У зв’язку з цим неви-рішеною була задача дослідження можливостей керування чутливістю дросель-них пристроїв до окремих теплофізичних параметрів і оптимального конструю-вання пристроїв за критеріями якості аналізу і синтезу газових сумішей (АСГС).

Газодинамічні дросельні аналізатори відзначаються високою чутливістю до складу газових сумішей (ГС) та більшою універсальністю ніж прилади інших ме-тодів. Це пояснюється, зокрема, тим, що ГД аналізатори реагують на зміну кіль-кох параметрів (в’язкості, густини і показника адіабати), в той час коли інші ме-тоди базуються в основному на дослідженні тільки одного параметра суміші. Крім того, з метою підвищення селективності та точності вимірювань цей метод відно-сно просто комбінується з іншими методами ГА (наприклад, хімічним, тепловим). Виконаний аналіз показує, що найбільш перспективними є газоаналіза-тори, в яких дроселювання потоків суміщається із зміною витрати газу внаслідок поглинання одного з компонентів аналізованої суміші. Такі газоаналізатори поєд-нують в собі переваги обидвох методів, в першу чергу селективність і непере-рвність вимірю-вання. Вони можуть бути розроблені практично на усі визначувані компоненти аналізованої суміші, при цьому крім вибору відповідного реагента (сорбента) не-обхідна оптимізація дросельної схеми.

Всякий вимірювальний прилад (зокрема і газоаналізатор) є таким лише за наявності відповідного метрологічного забезпечення. Для ГА базовим елементом метрологічного забезпечення є перевірювальні (зразкові) ГС, готувати які можна і доцільно ГД методом. Нові наукоємні технології (мікроелектроніка, волоконна оптика, біологія, меди-цина тощо), сучасні засоби ГА, а також підвищення вимог до якіс-них показни-ків технологічних процесів диктують необхідність створення нових і вдос-коналення відомих методів і пристроїв приготування ГС. Аналіз суча-сних ме-тодів і пристроїв приготування ГС заданого складу показав, що найперс-пективнішим як за технологією, так і за якістю приготування є ГД метод. Одним із центральних питань проектування синтезаторів ГС є їх атестація. Як показує аналіз, практично всі сучасні методи і пристрої не дозволяють задавати склад су-міші з високою точністю внаслідок атестації ГС через вимірювання або витрат, або концентрацій компонентів. ГД метод дозволяє вирішувати цю задачу іншим шляхом, а саме з допомогою підбирання відповідного співвідношення опорів за-стосовуваних дроселів.

Газодинамічний дросельний метод як синтезу, так і аналізу газових сумішей базується на однакових теоретичних засадах, дросельних елементах, базових схемах і методах їх дослідження. Саме такий підхід в їх дослідженні дозволяє залучити нові ідеї з галузі газового аналізу в методи і пристрої синтезу і навпаки.

Умови роботи ГД пристроїв, зокрема непостійність тисків і температур газів на виході з джерел, зміна параметрів оточуючого середовища (барометричного тиску і тем-пера-тури) тощо можуть значно впливати на якість визначення чи задання кон-центрацій компонентів суміші. Тому при побудові цих пристроїв необхідно аналі-зувати ступінь впливу кожно-го із досліджуваних факторів і знайти можливості усунення, або хоча б часткової компенса-ції його, зокрема, відповідним підбором гео-метричних розмірів капіляр-них елементів. У відомих розробках ГД пристроїв недостатня увага приділялася питанням знешкодження різних факторів впливу (наприклад, температура і тиски газів на вході та виході пристроїв тощо) на якість АСГС. У зв’язку з цим важливими питаннями є: визначення усіх найважливіших факторів впливу, дослідження інтенсивності їх впливу, вивчення можливостей компенсації цих факторів, розроблення умов та вузлів для якісної стабілізації факторів впливу і створення пристроїв, інваріантних до основних факторів впливу.

Другий розділ присвячений засадам побудови і моделювання ГД систем АСГС: розкрита суть ГД методу і проаналізовані процеси, які супроводжують дроселювання газового потоку; розглянуте важливе питання чистоти вихідних газових компонентів; запропоновані методи моделювання і розрахунку теплофізичних параметрів, які визначають процес дроселювання.

Аналіз термодинамічних процесів протікання газу через дросельні елементи показує, що ці процеси за умови постійності зовнішних факторів можуть бути стабільними і забезпечувати повну однозначну відповідність між інтенсивністю газового потоку і теплофізичними параметрами газу. Такими параметрами газу є його температура Т, тиск Рвх на вході, тиск Рвих на виході, а також густина с (молекулярна маса М), коефіцієнт динамічної в’язкості м (далі - в’язкість) і показник адіабати к. За умови забезпечення стабільності температури і тиску газу інтенсивність дроселювання в загальному випадку визначається параметрами М, м і к, які в свою чергу залежать від концентрацій компонентів ГС.

Для моделювання і розрахунку густини газів найбільше придатні рівняння стану, зокрема найзручнішим є рівняння Ван-дер-Ваальса і найточнішим є рівняння Редліха-Квонга. Для визначення густини ГС за адитивною залежністю необхідно зна-ти значення густин компонентів, точне визначення яких є проблематичним, а крім то-го, густина деяких ГС значно відхиляється від закону адитивності. Враховуючи це нами прийнята методика моделювання густини через псевдокритичні параметри (тиск ркс, температура Ткс) і молекулярну масу Мс суміші, визначені за адитивними залежностями відносно компонентного складу. Розрахована таким способом густи-на різних сумішей відрізняється від експериментальних даних найбільше на вели-чину порядку 2 %, а для поширених (більш досліджених) газів на 0,2 % і менше.

Показник адіабати к визначається співвідношенням питомих теплоємностей за постійного тиску Ср і постійного об’єму СV для реальних газів, поведінку яких доцільно описувати рівняннями Редліха-Квонга і Ван-дер-Ваальса. Для моделю-вання показника адіабати кс ГС через співвідношення Ср і СV прийнята аналогічна вищевказаній методика, тобто, початкові параметри суміші (ркс, Мс, Ткс і Срс) виз-начені як адитивні величини до концентрацій компонентів. Визначені так значен-ня кс відхиляються від довідникових даних, як правило, набагато менше ніж на 0,5 %.

Для моделювання в’язкості як індивідуальних газів, так і ГС за різних тисків і температур доцільно застосовувати метод на базі рівняння Голубєва. Враховуючи громіздкість методу для моделювання доцільно також використовувати наявну експериментальну базу. З усіх методів визначення м індивідуальних газів най-більш достовірними вважають експериментальні дані, які для основних газів за тисків та температур, близьких до атмосферних, одержані з граничною похибкою 0,5...1 %. Аналіз експериментальних даних показує, що в умовах, близьких до атмос-ферних, вплив тиску на м є незначним (в межах похибки експерименту). В той же час вплив температури є доволі сильним – відносна зміна м складає до 0,5 %/К. Тому для вказаних умов виконана апроксимація експериментальних значень в’язкості за температурою. Одержані значення м показують високу якість наближення, зокрема, що відхилення наближених значень від відомих є меншими за похибку експеримен-ту і що для задач ГД методів АСГС достатньо застосовувати лінійне наближення.

У третьому розділі розглянені різні типи дросельних елементів і встановлено, що найперспективнішими з них для АСГС є капілярні дроселі і годинникові камені, які за умови постійності зовнішніх факторів мають стабільні характеристики і за-безпечують однозначну відповідність між інтенсивністю газового потоку через них і складом газу. На основі теорії протікання газів в каналах дросельних елемен-тів (ДЕ) для моделювання розроблених пристроїв досліджені аналітичні залежнос-ті витратних характеристик (ВХ) ДЕ та обґрунтована необхідність їх експеримента-льної перевірки. При цьому ВХ соплових ДЕ відповідають залежностям виду G=F(е, M, к, d, Рвх, Рвих, Т), а ВХ капілярних ДЕ - G=F(m, M, м, d, l, Рвх, Рвих, Т), де G – масова вит-рата; F – функція, що відповідає виразу для витратної характеристики дроселя; е і m - відповідно коефіцієнти витрати й кінцевих ефектів; d і l – діаметр і довжина про-хідного каналу дроселя. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження дозволили одержати адекватні витратні характеристики дроселів, що уможливило якісне моделювання і розрахунок ГД пристроїв. При цьому вирішені задачі метро-логічного забезпечення ГД пристроїв, зокрема розроблені нові та вдосконаленні відомі прилади для вимірювання і точного задання малих і мікровитрат.

Аналіз відомих методів і приладів для вимірювання малих і мікровитрат по-казав, що для задач дослідження дросельних елементів та пристроїв найбільш при-

датним є плівковий витратомір (ПВ), який проте потребує вдосконалення, особ-ливо в плані забезпечення вищої точності вимірювання. На основі детального аналізу метрологічних та експлуатаційних властивостей ПВ для різних умов ви-мі-рювання запропоновано нові варіанти плівкоутворюючих рідин (ПР), генерато-рів плівок, мірних трубок (МТ) і методів їх калібрування. Запропоновано методи-ку оптимізації конструкції МТ за критерієм мінімуму похибки дфV =дф+дV , де дф – від-носна гранична похибка вимірювання часу проходження рухомою плівкою (РП) каліброваної частини МТ і дV - відносна гранична похибка відтворення калі-брова-ного об’єму. Вибір критерію зумовлений тим, що похибки дф і дV залежать від конструкції МТ і коефіцієнт кореляції між випадковими складовими похибок бли-зький до 1. Методика дозволяє визначити геометричні розміри МТ, які забез-пе-чують задану похибку дQ вимірювання витрати Q. Одержана формула для виз-на-чення найменшого об’єму Vmin МТ -

(1)

де Дф і Дl - абсолютні граничні похибки відлікової системи відповідно часу реакції і встановлення місцезнаходження міток (нижньої та верхньої); vmax – найбільша швидкість v РП при якій похибка Дl не перевищує задану; дR – додаткова похибка, яка включає в себе всі інші можливі похибки, зв’язані з неконтрольованими змі-нами температури і тиску газу, взаємодії газу з ПР тощо; Qmax - верхня границя вимірювання ПВ.

Формула для знаходження найменшого допустимого діаметра dmin ділянок фіксації моментів проходження РП, яка забезпечує умову v vmax має вигляд

(2)

Розроблений прилад для вимірювання малих і мікровитрат (рис.1), загальна похибка якого не перевищує 0,1 % для газів, які не взаємодіють з рідиною плівко-утворювача і з тиском, близьким до атмосферного.

Якісно іншу методологію дослідження ДЕ і ГД пристроїв забезпечує розро-блений задавач витрати в діапазоні 1...128 л/год з дискретністю 1 л/год, визначаль-ною особливістю якого є його побудова на дозуючих елементах з кратними зна-ченнями газодинамічних прові-дностей (ГДП), що дозволяє встановити необхідну витрату певною комбінацією ввімкну-тих дроселів (рис.2). Встановле-но, що мінімальну кількість до-зу-ючих дроселів задавача забез-печує набір дроселів з кратніс-тю провідностей у 2і-1, , де i – номер дроселя в порядку зростання провідності; n=7 – загальна кількість дроселів задавача. Задана витрата Qзад на виході задавача виз-начається вибіркою увімкнених дроселів, тобто за залежністю

(3)

Для задання потрібного значення витрати Qзад вибірку відповідних дроселів () здійснюють за ітераційними залежностями:

. (4)

Задавач може бути застосований також для метрологічного забезпечення ГА, мікровитратомірів та лічильників різних газів. Відносна похибка задання вит-рати не перевищує 0,2 %, а відтворюваність – 0,05 %.

У четвертому розділі аналіз відомих методів та пристроїв визначення газо-динамічних опорів (ГДО) дросельних елементів показав, що для цілей АСГС їх то-чність є недостатньою. У зв’язку з цим розроблена нова концепція побудови ГД пристроїв, коли ГДО оцінюється відносно вибраного опорного дроселя, що доз-во-лило перейти від вимірювань абсолютних значень величин (опору, витрати, ти-ску) до порівняння двох величин, яке можна здійснити з набагато вищою точніс-тю. Згідно з цією концепцією ГДО двох дросельних елементів порівнюється через наближення до нуля різниці тисків у двох гілках схеми, в яких тиски однозначно характеризують опори порівнюваних дроселів, встановлених у вказаних гілках. Визначення відсутності перепаду тисків можна здійснити з точністю, яка на декі-лька порядків перевищує точність вимірювання вказаних вище величин, що обу-мовлює відповідно високу точність встановлення рівності опорів порівнюва-них дроселів. Виходячи з таких засад нами введено поняття рівності ГДО дросе-лів на одному і на різних газах, що відкрило перспективу розроблення нових ме-тодів синтезу ГС і побудови газодинамічних синтезаторів (ГДС) багатокомпонен-тних ГС з точно заданим складом, а також розроблені методи встановлення рівно-сті ГД опорів дроселів на одному та різних газах. На базі цих методів розроблені прист-рої для встановлення рівності ГДО двох окремих дроселів (або пакетів дро-селів) на одному газі (рис.3), а також на різних газах (рис.4).

Пристрій за рис.3 побудований на базі мостової схеми з дроселів 7, 8, 10, 11,

у вимірювальній діагоналі якої встановлено високочутливий нуль-індикатор 14 перепаду тисків, який визначає збалансованість моста і відповідно рівність, або нерівність опорів двох (або більше) почергово встановлюваних у одне і це ж плече дроселів. Похибка о підбирання дроселів з рівними ГДО цим пристроєм

, (5)

де Рж – перепад тисків у діагоналі живлення; - поріг чутливості нуль-індика-тора; k=/(1+)2 - коефіцієнт чутливості моста; =R7/R8=R10/R11 - параметр поді-льників моста, що залежить від співвідношень ГДО дроселів моста.

Приклад. Для моста із =1, Рж=40 кПа, з перетворювачем перепаду тисків фірми Rosemount 3051С (=0,1 Па) чутливість до зміни довжини капіляра складає 169 Па/мм, що дозволяє якісно контролювати процес підгонки - відносна похибка відхилення ГДО підібраних капілярів згідно з (5) не перевищуватиме 0,001 %.

Оцінка похибки дУ встановлення рівності опору пакета з m рівнопровідних дроселів відносно похибки о окремого дроселя пакету складає:

(6)

Пакет з різнопровідних дроселів дозволяє значно збільшити кількість варіа-нтів ГДО пакета і одночасно зменшити кількість m дроселів пакету. Оптимальним є варіант побудови пакету з провідностями Yi дроселів, кратними до номінальної Y з коефіцієнтом 2і-1 (і=1,2,..., m), тобто

Yi = 2і-1 Y , (і=1,2,..., m). (7)

Такий підбір здійснюють з допомогою цієї ж схеми (рис. 4), коли в одне із плеч моста встановлюють два чи більше попередньо підібраних дроселів. У цьому разі похибка ді підбору дроселів пакету відносно номінальної провідності визна-чається залежністю

ді = (і +1) до , (і=1,2,..., m). (8)

Наведена оцінка похибки ді є завищеною оскільки відповідно до закону вели-ких чисел теорії ймовірностей закон розподілу сумарної похибки нормалізується.

Гранична похибка дУ провідності пакета з різнопровідних дроселів складає

. (9)

Пристрій для встановлення рівності ГДО дроселів на різних газах (рис.4) побудований на базі диференційної схеми, в основі якої лежать дві ГД ланки ємність-дросель (12-7 і 13-8), через кожну з яких протікає різний газ. На відміну від поперед-нього, у цьому пристрої встановлення рівності опору дроселів 7, 8 відбувається в динамічному режимі, протягом якого розряджаються ємності 12, 13. У разі рівності опору дроселів 7, 8 нуль-індикатор 14 не фіксує наявності перепаду тиску і навпаки.

Похибка р підбирання дроселів з рівними ГДО цим пристроєм оцінюється як

, (10)

де е – основа натурального логарифма, Рр – зміна тиску протягом розряду ємностей, о - похибка підбору дроселів із рівними ГДО на одному газі.

Приклад. Для вибраних значень параметрів Рр=20 кПа, П=0,1 Па, до=0,001 % похибка др підбору дроселів із рівними ГДО на різних газах складає 0,0037 %.

ГДС мають в своїй основі суматори потоків компонентів, але в залежності від кількості компонентів і порядку їх концентрацій побудовані на різних схемах і потребують різних кількостей рівних і кратних дроселів. Нижче наведені оцінки похибок концентрацій компонентів для базових схем ГДС.

Відносна похибка дrj задання концентрації синтезатором бінарної суміші у разі коли обидва пакети складені з m (m3) рівнопровідних дроселів

. (11)

Похибка дrj задання концентрації ГДС n-компонентної суміші у разі коли пакети складені з різнопровідних дроселів з кратними ГДП (коефіцієнт 2і-1) складає

. (12)

Для одержання малих і мікроконцентрацій доцільно використовувати схеми із стадійним розчиненням компонентів. У цьому разі похибка дr1 концентрації r1 компонента, який підлягає стадійному розчиненню, дорівнює

, (13)

де N - кількість стадій розчинення.

Наведені залежності для оцінювання похибок і експериментальні досліджен-ня ГДС підтвердили можливість побудови якісних приладів синтезу ГС.

У п’ятому розділі розроблені та досліджені базові дросельні схеми ГД при-строїв АСГС: дросельні подільники тиску і мостові схеми. Розроблений їх мате-матичний опис і встановлені умови оптимізації базових дросельних схем.

Первинні перетворювачі ГД аналітичних систем будують, як правило, на базі дросельних подільників тиску. При цьому, в аналізаторах без перетворювачів концентрації компонентів ГС застосовують в основному турбулентно-ламінарні (Т-Л) й ламінарно-турбулентні (Л-Т) подільники, які за умови їх оптимального конструювання забезпечують високі метрологічні характеристики. Результати до-слідження таких подільників відомі і не входять до предмету цієї дисертації. Ла-мінарно-ламінарні (Л-Л) подільники практично не застосовували для ГА, вважа-ючи їх нечутливими (малочутливими) до змін концентрацій компонентів суміші. Це пояснюється тим, що теоретичний аналіз Л-Л подільників виконували на базі спрощених залежностей (формула Пуазейля), а довільно поставлений експеримент внаслідок складного характеру залежності чутливості Л-Л подільника до концен-трації компонентів також виявляв низьку чутливість. Нами аналіз чутливості ви-конаний з врахуванням стискуваності газу, а також динамічних втрат у каналі дроселя і на його кінцях, що дозволило обґрунтувати можливість застосування у газоаналітичних приладах Л-Л подільників, а також можливість побудови поді-льників, інваріантних до складу і температури газу.

Математичний опис Л-Л подільника з врахуванням всіх основних факторів, які визначають процес протікання газу прохідними кана-лами дроселів (капілярні трубки) у встановленому режимі, наведено в [2]. Вихідним сигналом подільника, як вимірювального перетворю-вача, є міждросельний тиск Ра, який можна визна-чити із вказаного опису за допомогою залежності

, (14)

де Pd=д4+; д=d1/d2; V=д4+1; в=2(л-1)/K2; л=l1/l2; K2=m/; b=W/V; W=д4+л; Щ=(b2+щX)0,5; щ=д4K2P12/V2; X=2,349?10-7MT-1м-2; P12=-; d1, l1 і d2, l2 – відпові-дно діаметр і довжина прохідного каналу, першого і другого за ходом газу дросе-лів подільника; m - коефіцієнт кінцевих ефектів; М - молекулярна маса газу; м - коефіцієнт динамічної в’язкості газу при температурі Т; P1, P2 - відповідно тиск на вході та виході подільника.

Для встановлення аналітичного зв’язку між тиском Ра і концентраціями компонентів ГС, що протікає через дроселі подільника, рівняння (14) треба допо-внити залежностями для розрахунку параметрів М і м бінарної ГС -

, (15)

де ц1=r+ ц12(1- r); ц2=1-r+ ц21r; ц12=(1+)2/(8+8M12)0,5; ц21= ц12 M12 м21; м12=м1/м2; м21=1/м12; M12= M1/M2; M21=1/M12; м, м2 і М1, М2 - відповідно в’язкість і молекулярна маса визначуваного і супутнього компонентів суміші; r - концентра-ція визначуваного компонента.

Як видно з (14), (15) при зміні концентрації r зміню-ються значення параметрів М і м ГС, внаслідок чого відповідно міняється значення міждросельного тиску Ра. З (14) також видно,