ВВЕДЕНИЕ
Акустические методы исследования широко распространены сегодня в науке и технике. В силу развития электроники и благодаря накопленным данным о закономерностях распространения упругих волн в различных средах акустический анализ нашел применение в медицине, биологии, неразрушающем контроле, металлургии, сейсморазведке и многих других сферах жизнедеятельности человека.
В конце XIX в. - начале XX в. на шахтах в Европе получил распространение «метановый свисток» - газоструйный излучатель звука, применяемый для сигнализации об опасности скопления горючих газов. Это был первый простейший акустический детектор взрывоопасных газов, принцип действия которого основан на повышении тона (частоты) производимого звука в присутствии метана или водорода в воздухе за счет увеличения скорости звука.
Современные газоакустические детекторы, как правило, состоят из электроакустического или газоструйного генератора звука, резонатора и акустоэлектрического преобразователя. Исследуемый газ подвергается воздействию звуковой волны в резонаторе или сам служит источником звука за счет направления газовой струи на клиновидное препятствие. При изменении состава воздуха, например, появлении примесей горючих газов, скорость звука закономерно изменяется, что соответственно сказывается на регистрируемой частоте звука и позволяет качественно и количественно (для бинарных газовых смесей) контролировать состав анализируемой атмосферы. Коэффициент пропорциональности между изменением скорости и частоты звука однозначно определяется конструкцией резонатора.
Скорость звука в воздухе (в приближении идеального газа) в, м/с, можно рассчитать по формуле:
Таким образом, для смеси газов или паров справедливо выражение:
Теплоемкость газов также зависит от температуры.
В настоящее время существует обширная библиотека экспериментальных и расчетных данных по теплоемкости различных газов. Примеры см. на рис. 1.
Рис. 2. а) Зависимость скорости звукав сухом чистом воздухе от температуры Т при постоянном давлении 100 кПа.
б) График изменения скорости звука ∆в сухом чистом воздухе, приходящегося на изменение температуры ∆, в зависимости от давления p.
в) График изменения ∆в чистом воздухе, приходящегося на изменение относительной влажности ∆Ф, в зависимости от температуры Т при постоянном давлении 101,3 кПа.
г) График изменения ∆ в чистом воздухе, приходящегося на изменение ∆Ф, в зависимости от давления p при постоянной температуре 25°С.
Анализ данных на рис. 2 приводит к следующим выводам:
1) влияние температуры на скорость звука наиболее существенно и оответствует росту на ≈ 0,6 м/с при повышении Т на 1°С (рис. 2, а, б);Итак, скорость звука – хорошо изученная, а, следовательно, предсказуемая физическая величина, зависимость значений которой от состава анализируемой среды (с учетом поправок на изменение ее температуры и влажности), позволяет реализовать метод акустического газового анализа в области измерений объемной доли определяемых компонентов свыше 0,1%.
2) влияние паров воды менее значительно, но зависит от температуры; так, при увеличении относительной влажности воздуха на 5% (p = 101,3 кПа) скорость звука при 25°С увеличится на 0,1 м/с, а при 50°С – на 0,4 м/с (рис. 2, в, г).
3) изменение давления анализируемой среды в широком диапазоне не оказывает существенного влияния на изменение скорости звука, например, изменение давления от 600 до 800 мм. рт. ст. (от 80 до 106 кПа) приведет к изменению скорости звука на 0,005 м/с (рис. 2, б, г).
Основной целью данной работы было комплексное исследование возможностей использования серийно выпускаемого акустического детектора АРП1.0 [7] для контроля довзрывоопасных концентраций паров горючих веществ в воздухе. Согласно [8, 9], довзрывоопасной концентрацией горючего газа (паров) называется концентрация, находящаяся в интервале от нуля до нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Акустический детектор
Основой предлагаемого акустического детектора является полый металлический резонатор цилиндрической формы с технологическими отверстиями для сообщения внутреннего объема с окружающей атмосферой [10]. Внешний вид детектора показан на рис. 3.
В противоположных торцах резонатора встроены излучатель, генерирующий бегущую звуковую волну, и приемник звука, регистрирующий давление звуковой волны. Настройка излучателя на резонансную частоту производится микропроцессором в режиме качающейся частоты. Определение точного значения резонансной частоты производится по максимуму давления звуковой волны на приемнике звука. Параметры окружающей среды регистрируются встроенным датчиком влажности и температуры.
Частота акустического резонанса, пропорциональна скорости звука в исследуемой газовоздушной среде:
где К – коэффициент резонатора, определяется конструкцией резонатора и является основным параметром при настройке.
Регистрация текущих параметров относительной влажности и температуры анализируемой газовой смеси позволяет вычислять долю водяных паров, теплоемкость и молярную массу воздуха для чистого влажного воздуха. Следовательно, определив значения (т. е. выбрав определяемый компонент), можно рассчитать скорость звука как функцию температуры, влажности и содержании детектируемого горючего газа или паров.
При этом процедура градуировки АРП, согласно (3), будет заключаться лишь в экспериментальном определении значения коэффициента резонатора К путем подачи на детектор сухого чистого воздуха и регистрации базового нулевого уровня для текущего значения температуры.
Так, в ходе исследований в рамках данной работы при подаче на АРП нулевого воздуха марки Б при 20°С было получено определенное значение.
Полезным сигналом первичного измерительного преобразователя АРП является изменение резонансной частоты стоячей волны в резонаторе при появлении в анализируемом воздушном объеме горючего газа или паров с концентрацией
Где значение резонансной частоты, регистрируемое при текущих параметрах окружающей среды, и значения скорости звука и резонансной частоты, рассчитываемые средствами программного обеспечения при текущих параметрах влажности и температуры, но в предположении, что анализируемый объем заполнен чистым воздухом.
Таким образом, согласно (2) и (4) можно экспериментально для каждого конкретного горючего газового компонента (строго – в бинарных газовых смесях) найти градуировочную зависимость, т. е. определить набор статических характеристик детектора по различным смесям горючих газов (паров) с воздухом, при этом влияния температуры и влажности будут скомпенсированы.
Однако, если изначально выбрать определяемый компонент для «номинальной градуировки», т. е. определить в (2) значения то программное обеспечение АРП, в соответствии с (2) и (3), позволит в режиме реального времени с учетом параметров окружающей среды решать функцию и рассчитывать выходной сигнал в единицах довзрывоопасной концентрации С, % НКПР, горючего газа (паров). Вид выходного сигнала (аналоговый, цифровой) принципиального значения не имеет и определяется исключительно аппаратной реализацией детектора.
Типовая статическая характеристика детектора, например, по токовому выходу сигнала 4…20 мА описывается уравнением
где I – значение сигнала токового выхода, мА; С – подаваемая концентрация, % НКПР (4 мА соответствует концентрации 0% НКПР, 20 мА – 50% НКПР).
В качестве «номинального» определяемого компонента при проведении исследований был выбран н-гексан.
Итак, в рамках данной работы выходной сигнал детектора - результат преобразования резонансной частоты в довзрывоопасную концентрацию С, % НКПР, согласно номинальной статической характеристике по н-гексану, рассчитанной на основании уравнений (2) и (4).
Конструкция резонатора и режимы работы электроакустических преобразователей были подобраны таким образом, чтобы диапазон измеряемых концентраций горючих газов и паров в воздухе составлял не менее 0…100% НКПР с пределом обнаружения не хуже 0,02…0,05% об. д. (200…500 ppm).
Необходимо отметить, что акустический детектор не имеет каких-либо ограничений по верхнему пределу довзрывоопасных концентраций, однако в целях соблюдения мер предосторожности большинство экспериментов проводились с газовыми средами, довзрывоопасная концентрация горючего компонента в которых не превышала 60% НКПР.
Экспериментальные проверки показали, что при изменении температуры и влажности окружающей среды в диапазоне от -50°С до +60°С и от 0 до 100% (без конденсации) отклонение выходного сигнала АРП от значений, полученных при температуре (20 ± 5)°С и относительной влажности (55±5)% не превышает ±5% НКПР.
Таким образом, показано, что, зная только теплоемкость и молярную массу анализируемого вещества, а также условия окружающей среды, можно рассчитать выходной сигнал АРП.
На рис. 4 представлены результаты экспериментальной проверки соответствия значения выходного сигнала АРП номинальной статической характеристике (расчетно-теоретической), которая здесь и далее на графиках показана сплошной линией и закономерно является биссектрисой координатной четверти. Данная проверка была выполнена с использованием стандартных образцов н-гексана для хроматографии (ООО «ЦСОВВ», г. СанктПетербург) и образцов ч. д. а. (ООО «Компонент-Реактив», г. Москва) на лабораторной установке, описанной ниже.
значениях температуры и относительной влажности анализируемой газовой смеси. На рисунке 4 и далее термин «Дозировано» означает «Довзрывоопасная концентрация анализируемого вещества в ГС (по приготовлению), % НКПР».
Экспериментальная установка
Испытания АРП проводились на экспериментальной установке, принципиальная схема и фотография которой показаны на рис. 5. Парогазовые смеси с требуемым содержанием горючего компонента создавались в стеклянной бутыли объемом 20 л методом дозирования определенного объема горючей жидкости исследуемого вещества с последующим испарением [11-13]. Для дозирования применялся микрошприц Hamilton 1750 (100…500 мкл).
Для более равномерного перемешивания паров целевых веществ внутри стеклянной бутыли использовался вентилятор.
После испарения горючей жидкости пары полученной газовой смеси с помощью насоса принудительно отбирались на детектор в режиме прокачки по замкнутому циклу газового тракта установки с расходом 2 л/мин.
Для удаления паров исследуемых веществ из газового объема экспериментальной установки выходной патрубок из бутыли переключался на сброс в вытяжной шкаф, а отбор воздуха на детектор осуществлялся из окружающей атмосферы.
Описание экспериментов
В ходе экспериментов были исследованы вещества, перечень и характеристики которых приведены в таблице 1.
Первая серия экспериментов была посвящена исследованию оптимальных режимов работы лабораторной установки. С этой целью для ряда веществ были проведены однотипные эксперименты, отличающиеся лишь температурой Туст лабораторной установки: 20°С и 60°С. Результаты представлены на рис. 6.
Эксперименты показали значительное отклонение экспериментальных значений выходного сигнала АРП от расчетных в зависимости от температуры кипения Ткип исследуемых горючих жидкостей. Полученная зависимость выходного сигнала АРП от температуры кипения Ткип исследуемых веществ показана на на рис. 6, а Значение выходного сигнала детектора на расчетное содержание паров н-гексана в ГС, равное 25% НКПР при температуре Туст = 60°С, условно было принято за 100%. Эксперименты проводились для расчетного содержания паров исследуемых веществ в ГС, равного 25% НКПР.
Далее была поставлена задача сопоставления экспериментальных и номинальных (расчетно-теоретических) статических характеристик детектора для разных веществ. Полученные результаты представлены на рис. 7.
.РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Согласно данным рис. 6 а, отклонение экспериментальной статической характеристики от номинальной увеличивается с увеличением температуры кипения горючей жидкости анализируемого вещества. Данный факт объясняется конденсацией паров на внутренней поверхности установки. Также можно заметить, что для веществ с Ткип ≤ 120°С отклонение экспериментальной статической характеристики от номинальной минимально.Исходя из указанного выше, было принято решение при работе с веществами, температура кипения которых не более 100°С, проводить исследования в режиме работы стенда с Туст = 18…25°С, а в случаях с Ткип ≥ 100°C – термостатировать установку при 60°С в камере тепла. Стоит учесть, что даже при Туст = 60°С в испытаниях с веществами, для которых Ткип > 140°C (н-декан, ксилол, н-нонан), фактическое содержание паров в ГС, вероятно, было ниже расчетного за счет частичной конденсации паров.
Подобное предположение подтверждается анализом данных, представленных на рис. 7. Пунктирные линии – номинальные статические характеристики АРП для исследуемых веществ, сплошные линии – номинальная статическая характеристика по н-гексану. Как видно, отклонение экспериментальных статических характеристик от номинальных не превышает 5% НКПР в случаях, когда выполняется неравенство Ткип – Туст ≤ 50°С.
Таким образом, в ходе исследований было установлено соответствие экспериментальных и номинальных (расчетно-теоретических) характеристик АРП при условии, что температура кипения анализируемых веществ не превосходит температуру установки более чем на 50°С ( Ткип – Туст < 50°С). Результаты комплексного исследования статических характеристик АРП на пары веществ представлены на рис. 8.
Как видно, выходной сигнал АРП для подавляющего большинства исследованных веществ хорошо коррелирует с номинальной статической характеристикой по н-гексану. Отклонение выходного сигнала в среднем не превышает ± 10% НКПР и определяется, главным образом, физическими свойствами веществ.
В процессе исследований дрейф нулевых показаний после проведения измерений не превышал ±1% НКПР. Это, на наш взгляд, свидетельствует об отсутствии влияния конденсации паров горючих веществ на элементах детектора на его работу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время для контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров преимущественно используются термокаталитические (ТК) сенсоры, главное достоинство которых – низкая стоимость. Кроме того, все более широкое применение находят инфракрасные (ИК) детекторы, однако их распространение ограничено более высокой стоимостью.В работе показано, что с помощью акустического детектора можно реализовать простой, недорогой и надежный способ измерения довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров, имеющий по сравнению с традиционно используемыми ТК и ИК-детекторами ряд существенных преимуществ:
1) обширная номенклатура определяемых взрывоопасных газов и паров с малым разбросом чувствительности, что позволяет создать универсальный детектор (газосигнализатор) горючих газов и паров;
2) соотношение чувствительности для различных газов и паров имеет постоянное значение во всем диапазоне измерений, что является значительным преимуществом акустического детектора по сравнению с ИК детекторами;
3) широкий диапазон измерения довзрывоопасных концентраций;
4) линейная статическая характеристика с возможностью построения ее расчетными методами для всех горючих газов и паров, по крайней мере, в диапазоне 0…100% НКПР;
5) независимость показаний от давления, температуры и влажности, благодаря как физическому принципу измерений, так и компенсации, реализованной средствами программного обеспечения;
6) простая процедура градуировки.