Эскизный проект газодинамического стенда, шифр "Крокус-М", "Крокус-Ф"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научно-исследовательский институт органической химии и технологии»

Некоммерческое партнерство «Федерация аварийно-спасательных организаций» (НП «ФАСО»)

Эскизный проект газодинамическОГО стендА, шифр «Крокус-М» «Крокус-Ф»

Руководитель СЧ НИР

начальник НИИЛ НП «ФАСО»

д.ф.-м.н. С.З. Эль-Салим

Санкт-Петербург 2013 г.



Содержание

1. Газодинамический стенд

1.1 Назначение газодинамического стенда

1.2 Создание газовой смеси из баллонов ПГС

1.3 Создание парогазовой смеси с применением источников микропотоков

2. Материалы блоков и устройств газодинамических стендов

2.1 Блок управления пневматическими электромагнитными клапанами и электрической помпой

2.2 Газораспределительный щит полипропиленовый ГРЩСЧГ-06-6-4

2.3 Блок динамического приготовления газовых многокомпонентных смесей

2.4 Камера газовая аналитическая КГ-03 АФ

3. Экспериментальная часть

4. Конструкция газодинамических стендов

4.1 Управление газодинамическими стендами

4.2 Блок управления пневматическими электромагнитными клапанами и электрической помпой QBit 012В-04

4.3 Блок управления регуляторами расхода

4.4 Особенности серии EL-FLOW

4.5 Цифровые особенности EL-FLOW

4.6 Принцип измерений тепловых расходомеров

5. Возможные варианты подключения детектора

6. Схемы подключения газодинамических стендов с применением El Flow

1. Газодинамический стенд

1.1 Назначение газодинамического стенда

Газодинамический стенд (ГДС) предназначен для создания многокомпонентных парогазовых смесей с задаваемыми уровнями концентраций по каждому компоненту.

ГДС «Крокус», предназначен для создания примесей целевых веществ в воздухе для настройки и контроля аналитического оборудования, измерения и составления газоаналитической базы данных для применения адсорбционно-кинетического метода анализа в широком диапазоне концентраций моно- и поликомпонентных парогазовых смесей.

ГДС обеспечивает концентрацию примеси в парогазовой смеси (ПГС) в соответствии с пороговыми концентрациями, определенными техническим заданием НИР «Крокус».

ГДС позволяет поддерживать заданные значения концентраций с относительными погрешностями в диапазоне 10%.

ГДС позволяет создавать многокомпонентные ПГС для контроля селективности и стабильности аналитического оборудования, разрабатываемого в рамках НИР «Крокус».

Точность расхода, разбавления и смешивания целевых веществ, мешающих примесей и других необходимых компонентов обеспечивается цифровыми регуляторами и расходомерами, с встроенным стандартным интерфейсом TCP/IP, RS 485 в ресивере для смешивания. Расчет массовых концентраций обеспечивается цифровым регулятором массового расхода газа с точностью ± 5%.

ГДС позволяет создать многокомпонентные смеси с применением химически чистых растворов целевых веществ и источников микропотоков.

Для генерирования потока воздуха с примесью специализированных целевых веществ ГДС имеет аэродинамический отвод с нагнетателем и внешним термостатом. Во избежание потерь вещества в составе ПГС и поддержания стабильности метрологических показателей все соединения ГДС собраны на специализированных фитингах.

Все устройства ГДС крепятся на каркасе, позволяющем осуществить подключение к внешним источникам ПГС с соответствующими метрологическими показателями.

Управления работой ГДС и синхронизация аналитического оборудования достигается применением комбинации устройств аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования с коммутирующим промышленным контроллером под общим управлением персонального компьютера.

Применяемые устройства при разработке ГДС имеют сертификат Росстандарта и могут быть аттестованы для проведения настроечных, предварительных и государственных испытаний.

1.2 Создание газовой смеси из баллонов ПГС

В газовую аналитическую камеру может подаваться как парогазовая смесь с целевыми веществами, так и чистый воздух («нуль-газ» или нормализованный воздух 20%O₂, 80%N₂). «Нуль-газ» подается из баллона ПГС-0 через вентиль - редуктор понижающий 3 и соединитель 4-х контактный (обозначения в тексте приведены на рисунках 3.4-3.8) на:

- клапан 6, через ротаметр 1 и далее на вход камеры с датчиками;

- регулятор расхода 3 (El Flow), клапан 3 на смеситель и далее через клапаны 5, 6, 7 на вход камеры с датчиками;

- вход ГДП-102.

Концентрации разных целевых компонентов задаются регуляторами расхода 1 и 2. Далее в смесителе происходит их смешивание и разбавление «нуль-газом» из баллона ПГС-0. Количество «нуль-газа» задается регулятором расхода 3. После этого газовая смесь поступает через клапаны 5 и 6 на вход камеры с датчиками. Клапаны 5 и 6 служат для организации переменной подачи на вход камеры с датчиками «нуль-газа» или газовой смеси из баллонов ПГС. Регуляторы расхода 1, 2, 3 позволяют изменять расход проходящих через них газовых смесей в 128 раз (от 1 л/мин до 0,008 л/мин). Таким образом, можно разбавлять ПГС «нуль-газом» и добиваться концентраций газовых смесей, подаваемых в камеру газовую аналитическую в сотни раз меньше чем в баллонах ПГС (с учетом дополнительного разбавления с ГДП-102).

1.3 Создание парогазовой смеси с применением источников микропотоков

ГДП-102 создает парогазовую смесь с заданной концентрацией целевого вещества. Концентрация определяется самим источником микропотока, температурой в газовой камере ГДП-102 и внутренним расходом газа-разбавителя ГДП-102. Далее парогазовая смесь поступает через регулятор расхода 4 и канал сброса излишков газовой смеси на клапан 4 и далее через смеситель и систему клапанов на вход камеры с датчиками. Клапана 5 и 6 необходимы для организации переменной подачи на вход камеры с датчиками «Нуль-газа» или газовой смеси из ГДП-102. Клапан 4 необходим для переменной подачи газовой смеси с ГДП-102 в смеситель. Таким образом, можно организовать (с учетом синхронного изменения расхода на регуляторе расхода 3, время установки регулирования 1 с) работу датчиков в камере с датчиками в постоянной контролируемой атмосфере газовой смеси с баллонов ПГС и кратковременной подачи парогазовой контролируемой смеси с ГДП-102. Также можно разбавлять парогазовую смесь из ГДП-102 не только «нуль-газом» из баллона ПГС-0, но и с помощью системы сброс на ротаметре 2 и регуляторе расхода 4. Производительность ИМ составляет в среднем по целевому веществу 0,5 _ 30 мкг/мин. При расходе 1л/мин получаем максимальную концентрацию 0,5-30 мг/м³. Уменьшив расход регулятором расхода 4 в 128 раз (до 0,004 _ 0,25 мкг/мин по целевому веществу от источников микропотоков) можно получить соответствующие концентрации газовых смесей, подаваемых с ГДП-102 на вход камеры с датчиками.



2. Материалы блоков и устройств газодинамической установки

Газовый тракт газового стенда выполнен из фторопластовых трубок (материал Ф4) с внутренним диаметром 6 мм. Соединители изготовлены из фторопласта Ф4К20. Подключение газовых трубок к соединителям осуществляется термокомпрессионной усадкой трубки на входные штуцера соединителей. Смеситель представляет собой фторопластовую (Ф4К20) цилиндрическую камеру с внутренними размерами - 20х60 мм. Электромагнитные клапана имеют полностью фторопластовый газовый тракт и условный проход 1,5 мм. Предполагаемый расход паровоздушного потока через камеру с датчиками 0,5-1 л/мин.

2.1 Блок управления пневматическими электромагнитными клапанами и электрической помпой

Предназначен для управления 6-ю фторопластовыми электромагнитными 3-ходовыми клапанами, переключающими направления потоков паровоздушных смесей газового стенда, а также управляющей электрической помпой (пневматическим насосом). Состоит из микроконтроллерного блока управления, силовых ключей и блока питания. Управление может происходить как в ручном режиме, так и в автоматическом по командам, переданным программой управления полупроводниковыми сенсорами.

2.2 Газораспределительный щит полипропиленовый ГРЩСЧГ-06-6-4

Предназначен для размещения на нем газораспределительного и регулирующего оборудования газового стенда, а также для термостатирования регуляторов расхода газов.

Щит состоит из полипропиленового корпуса (для удобного проведения дегазации), конвекционной системы подогрева с блоком регулирования и стабилизации температуры (необходим для работы регуляторов расхода газов) и блока питания.

2.3 Блок динамического приготовления газовых многокомпонентных смесей

Предназначен для непрерывного смешивания в потоке газов и парогазовых смесей, поступающих из разных источников: баллоны с ПГС, генератор газов ГДП-102, камера с целевыми веществами.

2.4 Камера газовая аналитическая КГ-03 АФ

Фторопластовая газовая аналитическая камера предназначена для размещения 8 полупроводниковых сенсоров и работы с чистыми агрессивными парогазовыми смесями. Состоит из герметичного корпуса (материал фторопластовая композиция Ф4К20), кросс-платы подключения сенсоров и воздушной помпы для осуществления пробоотбора.

Рисунок 2.1 - Эскиз газовой аналитической камеры



3. Экспериментальная часть

В камере объемом 2 м³ создавалась концентрация ОВ - С₀ [мг/л], отбор аликвоты производился принудительно через регуляторы массового расхода El Flow с помощью побудителя расхода UCC (6 л/мин). Подача и разбавление парогазовой смеси осуществлялась по схеме, приведенной на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Схема управления газовыми потоками с помощью регуляторов El Flow

По суммарному потоку (Q1+Q2) рассчитывается время отбора пробы и время экспозиции при измерении с помощью датчиков.

Степень разбавления рассчитывается как

.

Отобранная пробы анализировалась по методике биохимического определения ОВ в паровой фазе (относительная погрешность анализа _ 25 %).

В эксперименте определена эмпирическая зависимость изменения концентрации в зависимости от степени разбавления. Затем по полученному эмпирическому уравнению рассчитана концентрация ОВ в воздушном потоке после разбавления.

Эксперименты проводились с разными значениями С₀ для определения влияния исходной концентрации на разбавление и определения эмпирических коэффициентов установок регуляторов расхода El Flow.

Результаты приведены в таблице 3.1.

На рисунках 3.2 и 3.3 приведены графические зависимости концентрации от степени разбавления для различных значений С₀.

Расход воздуха устанавливался с помощью ротаметра при переключении трехходового клапана на режим отбора воздуха.

Для повышения чистоты потока ОВ без разбавления выход El Flow, отвечающего за дозирование воздуха, блокирован запорным клапаном.

Таблица 3.1

Результаты аналитического и расчетного определения ОВ

Q1	Q2	Q3	Q1+Q2	S, %	w	Cbiochem	Ccalc	S, %
1042	1	39	1043	9,8401	1,0010	4,3800E-06	4,4734E-06	2,133
642	661	19	1303	12,6351	2,0296	2,4900E-06	2,3968E-06	3,744
548	845	4	1393	20,4149	2,5420	2,0750E-06	1,9648E-06	5,309
282	935	9	1217	5,2010	4,3156	1,1900E-06	1,2314E-06	3,479
100	1051	5	1151	0,5043	11,5100	6,3450E-07	5,1796E-07	18,367
50	1062	4	1112	3,8755	22,2400	3,1250E-07	2,8958E-07	7,334
30	1071	4	1101	4,8264	36,7000	2,0350E-07	1,8610E-07	8,553
70	996	0	1066	7,8519	15,2286	3,0550E-07	4,0454E-07	32,421
40	1061	1	1101	4,8264	27,5250	2,1800E-07	2,3990E-07	10,046
1010	2	4	1012	12,5198	1,0020	4,3400E-06	4,4694E-06	2,981
1000	1	3	1001	13,4707	1,0010	2,9100E-06	2,9906E-06	2,769
710	722	1	1432	23,7862	2,0169	1,2600E-06	1,2842E-06	1,924
270	910	1	1180	2,0026	4,3704	5,6500E-07	5,0516E-07	10,591
110	1002	1	1112	3,8755	10,1091	1,7200E-07	1,8365E-07	6,774
1007	0	0	1007	12,9520	1,0000	5,2000E-07	6,6040E-07	27,000
600	786	1	1386	19,8098	2,3100	2,6800E-07	2,6067E-07	2,736
250	946	1	1196	3,3857	4,7840	1,7200E-07	1,1615E-07	32,468
30	980	1	1010	12,6927	33,6667	1,1100E-08	1,3309E-08	19,904
Средний поток и отн. погрешность	1156,833	9,6928		Средняя погрешность	11,030



Рисунок 3.2 - Зависимости концентрации ОВ в анализируемом потоке от степени разбавления при различных исходных концентрациях С₀

Рисунок 3.3 - Зависимости концентрации ОВ в анализируемом потоке от степени разбавления при различных исходных концентрациях С₀

Анализ уравнения, полученных по эмпирическим данным, показывает, что коэффициент при степенной функции соответствует исходной концентрации С₀. Показатель степени показывает отклонение разбавления от линейного закона смешивания потоков и определяется температурой воздуха. Эмпирическое уравнение связи концентрации примеси ОВ в разбавленном потоке имеет вид:

или

В логарифмической форме полученные эмпирические уравнения примут вид:



В гиперболическом приближении зависимость концентрации от степени разбавления можно представить как

.

Таким образом, для расчета концентраций в процессе разбавления потока с заданным исходным количеством вещества, можно пользоваться приближением гиперболического уравнения:

,

что существенно упрощает расчеты, не выходя за 25% интервал относительной погрешности для широкого диапазона C₀.



Рисунок 3.4 - Общая блок-схема газового стенда



Рисунок 3.5 - Схема включения газового стенда в режиме работы от ГДП-102



Рисунок 3.6 - Схема включения газового стенда в режиме работы от баллонов с ПГС



Рисунок 3.7 - Схема включения газового стенда в режиме работы от камеры ОВ

газодинамический крокус парогазовый расходомер

Рисунок 3.8 - Блок-схема газового стенда



4. Конструкция газодинамической установки

Корпус газового стенда герметичный и выполнен из полипропилена (для облегчения проведения дегазации), лицевая часть стенда выполнена из прозрачного поликарбоната. Внутри корпуса размещены все регуляторы расхода, электромагнитные клапана, смесители, пробоотборные мешки и ДГМС 103. Для точной регулировки газовых потоков и создания паро-газовых смесей корпус газового стенда термостатирован. Термостатирование обеспечивается фторопластовыми трубчатыми электронагревателями, блоком управления с датчиками температуры и принудительными конвекционными потоками, создаваемыми двумя электрическими вентиляторами. Вся газовая арматура выполнена из фторопласта. В качестве трубных соединений используются фторопластовые компрессионные фитинги.

4.1 Управление газодинамическими стендами

Схема управления газодинамическими стендами включает в себя:

- блок управления пневматическими электромагнитными клапанами и электрической помпой КуБит 012В-04;

- блок управления регуляторами расхода.

4.2 Блок управления пневматическими электромагнитными клапанами и электрической помпой КуБит 012В-04

Блок предназначен для управления 6-ю фторопластовыми электромагнитными 3-ходовыми клапанами, переключающими направления потоков паровоздушных смесей газового стенда, а также управляющей электрической помпой (пневматическим насосом). Состоит из микроконтроллерного блока управления, силовых ключей и блока питания. Управление может происходить как в ручном режиме, так и в автоматическом по командам, переданным программой управления полупроводниковыми сенсорами.

4.3 Блок управления регуляторами расхода

Блок позволяет устанавливать и стабилизировать уровни расхода газовых смесей в ручном и программно-управляемом (RS 232 интерфейс) режимах. Регулирование расхода может производиться от 1 л/мин до 0,006 л/мин. Таким образом можно уменьшать концентрации целевых веществ в парогазовых смесях в 180 раз.

Это позволит создавать и поддерживать длительное время исследуемые одно- и многокомпонентные парогазовые смеси с концентрациями целевых веществ в 180 раз меньше первоначальных концентраций в баллонах ПГС, источников микропотоков ГДП-102 и камеры ОВ.

В данной схеме газовая смесь формируется с помощью регуляторов расхода EL-FLOW. В реакторе могут исследоваться эффекты влияния катализаторов на разные типы химических реакций. Давление в камере поддерживается на требуемом уровне при помощи регулятора давления EL-PRESS «до себя» независимо от полного расхода и/или состава смеси.



Клапан регулятора расхода EL-FLOW F-201CV может быть подключен в замкнутый контур с измерителем давления EL-PRESS P-502C, при этом измеритель расхода будет определять требуемую скорость потока для достижения заданного давления. Делитель напряжения с помощью уставок позволяет пользователю подкорректировать максимальный расход для достижения требуемых уровней давления. Данное ограничение на максимальный расход может быть использовано для обеспечения безопасности в некоторых применениях. В регуляторах расхода газов серии EL-FLOW® регулирующий клапан может быть интегрирован как в корпус самого прибора, так и устанавливаться отдельно. Этот электромагнитный клапан обеспечивает чрезвычайно плавное и быстрое регулирование. Для различных применений используются разные серии регулирующих клапанов. Эти стандартные клапаны прямого действия для общих применений, пилотные клапаны для высоких расходов, клапаны Vary-P, которые могут быть использованы для перепадов давления до 400 бар, и сильфонные клапаны для применений, где требуется малый перепад давлений.

4.4 Особенности серии EL-FLOW

- быстрый отклик, превосходная воспроизводимость

- высокая точность

- практически независимы от температуры и давления

- рабочее давление до 400 бар

- металлические уплотнения и нижние входы/выходы (опция)

4.5 Цифровые особенности

- DeviceNetTM, PROFIBUS-DP®, Modbus, EtherCAT или FLOWBUS;

- по запросу функции Multi Gas / Multi Range (до 10 бар)

- до 8 калибровочных кривых

- функции сигнализатора и счетчика

- настраиваемые характеристики регулятора

4.6 Принцип измерений тепловых расходомеров

Сердцем теплового измерителя/регулятора расхода является датчик, который состоит из капиллярной трубки из нержавеющей стали и терморезистивных элементов. Часть газа протекает через этот байпасный сенсор и нагревается термоэлементами.

Измеряемые температуры Т1 и Т2 отличаются между собой. Разница температур прямо пропорциональна массовому расходу через сенсор. В основном канале устанавливается патентованный Bronkhorst High-Tech ламинарный элемент, состоящий из нескольких стальных дисков с прецизионно вытравленными микро-каналами. Благодаря совершенному разделителю потока сигнал датчика пропорционален общему массовому расходу через прибор.

Массовые регуляторы расхода газа часто используются при получении точных и стабильных смесей двух и более газов. Система индикации и управления Bronkhorst может использоваться для контроля отношения смешиваемых газов в режиме задающего и ведомого, когда один прибор управляет расходом на другом.

Для этой цели был разработан смеситель газов, гарантирующий получение однородной смеси.

5. Возможные варианты подключения детектора

Варианты подключения макета детектора для измерения различных газовых смесей приведены на рисунке 5.1.

Схема подачи ГС от установки для создания целевых компонентов

Схема проверки при подаче ГС от баллона или от компрессора

Схема подачи H₂S и Cl₂



Схема подачи HCl и NH₃

Рисунок 5.1 - Схема вариантов подключения детектора

1 - установка для создания целевых компонентов; 2 - баллон с ГС; 3 - вентиль точной регулировки; 4 - тройник; 5 - ротаметр; 7 - сенсор восьмиканального полупроводникового детектора; 8 - компрессор; 9- вентиль регулировки расхода; 10 - генератор ГДП-01 или ГДП-102 с источником микропотока; 11 - зажим; 12 - установка R2003/1 или установка 368УО - R12; 13 - ресивер



6. Схемы подключения газового стенда с применением El Flow

Схема управления воздушными потоками с отрицательной обратной связью с использованием одного побудителя расхода и трех регуляторов El Flow. Встроенный PID-регулятор позволяет снизить перепады расхода и давления воздушного потока до 0,1 мл/мин (0,1 бар).

Время установки стационарного состояния в данной схеме не превышает 2 с.

В схеме с положительной обратной связью использованы два внешних побудителя расхода и генератор потока ГДП-102. При этом время переключения подачи нуль-газа и примеси целевого вещества не превышает 0,1-0,2 с.

Схема подачи нуль-газа для очистки газовой аналитической камеры. Алгоритм, реализованный в макете газоанализатора, предусматривает проведение измерений примеси целевых веществ на фоне работы сенсоров в воздушном потоке. Данный режим позволяет проводить измерения для формирования опорных («чистых») адсорбционных спектров целевых примесей.



Применение оборудования BronkHorst, а именно, массовых регуляторов El Flow позволяет не только управлять потоками вещества, но и дозировать определённые концентрации примесей. При работе с целевыми веществами, такими как GB и ряд других, это позволяет осуществлять разбавление в нужной степени и с высокой точностью, а также формировать многокомпонентные примеси. На приведенных ниже схемах показаны примеры использования регуляторов El Flow для:

- подачи ОВ без разбавления;

- подачи ОВ с разбавлением;

- подачи других паров без и с разбавлением;

- формирования многокомпонентных примесей.



Размещено на Allbest.ru