science-review.ru
В настоящее время огромное внимание уделяют контролю диоксида серы (SO2) и триоксида серы (SO3), так как данные вещества, находясь в воздухе в различных концентрациях, ухудшают не только экологическую обстановку, но и наносят вред здоровью человека. Эти вещества являются индикаторами для тепловых электрических станций (ТЭС). К перспективным ТЭС относят такие станции, которые не выбрасывают в атмосферу эти газы (SO2 и SO3). А это означает, что станции имеют необходимое газоочистное оборудование, которое обеспечивает производство экологически чистой энергией [1, 2].
Измерение концентрации SO2 и SO3 возможно посредством применения современных рефрактометров, оснащенных новейшими оптическими призмами, сделанными из лейкосапфира [3, 4]. Это означает, что автоматизированные рефрактометры (АР) могут эффективно обеспечить контроль концентрации газов и исключат выброс газов в атмосферу.
Использование АР требует количественной информации по показателю преломления (n), температурному коэффициенту (dn/dt)) в измеряемом диапазоне [5, 6].
АР общего назначения могут оказаться непригодными, так как процедура адаптации этих датчиков должна осуществляться в конкретных средах [7, 8].
Цель работы – провести исследование метрологических возможностей разработанного АР применительно к контролю представленных газов.
Материалы и методы исследования
АР вызывают огромный интерес для измерения остатков газообразных продуктов (диоксида серы и триоксида серы) в энергетике. АР, работающие непосредственно с газами, дают информацию об их концентрации (k) в ограниченном объеме. При этом АР должен поддерживать свои параметры достаточно длительно и сохранять работоспособность при измерении концентрации газов.
Практически все АР имеют один и тот же алгоритм работы. Свет от источника движется в направлении к одной из граней призмы. Преломляясь, оказывается на поверхности той грани, которая взаимодействует с газообразной средой. Пучок света, оказавшийся на поверхности при угле превышающем критический, на регистрирующем устройстве образует светлое поле, а меньше – темное поле [5, 9]. Как правило, в АР применяют две схемы (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Схемы применения призм: а) треугольная, б) трапецеидальная
Из литературных источников по физической оптике известно, что n лейкосапфира и измеряемой газообразной среды на регистрирующем устройстве формируют границу между светлым и темным полем. Смещение границы зависит от длины волны (λ) светового пучка и температуры (t) исследуемых объектов. При постоянстве n, λ и t можно вести регистрацию n и k газов.
В настоящее время различные АР для контроля газообразных веществ имеют практически одинаковые технико-эксплуатационные характеристики. Как правило, они удовлетворяют требованиям производственного контроля, просты в эксплуатации.
Разработанный АР для измерения диоксида и триоксида серы представлен на рис. 2, а его схема дана на рис. 3. Представленный оптико-электронный прибор имеет существенное отличие в типе используемого оптического элемента (призма).
АР в силу специализированных условий применений приобрел от предшественников увеличенную длину зондирующего элемента (до 500 мм) для динамических измерений. В АР была предусмотрена функциональная возможность очистки зондирующего оптического элемента.
Рис. 2. Внешний вид АР
Рис. 3. Структурно-функциональная схема АР с резервной системой водяной очистки: 1 – излучатель, 2 – волоконный зонд, 3 – линзы, 4 – призма, 5 – объектив, 6 – оптический жгут, 7 – фотоэлектронный умножитель, 8 – измеритель температуры, 9 – аккумуляторный блок, 10 – вход для подключения персонального компьютера
Итак, в таблице приведены технические характеристики прибора.
Технические характеристики АР
|
Марка |
АР |
|
Рабочий диапазон концентраций в n |
1,320–1,435 или 1,400–1,540 |
|
Погрешность измерений ?n |
± 0,0005 |
|
Тип температурной компенсации измерений |
автоматическая |
|
Диапазон изменения температуры контролируемой среды |
0–140 °C или 0–250 °C |
|
Погрешность определения t oC |
± 0,5 °C |
|
Время ожидания после включения (для выхода на рабочий режим) |
10 мин |
|
Масса, не более |
8,2 кг |
|
Габаритные размеры |
450 мм× ×180 мм×180 мм |
|
Питание прибора |
220 В, 50 Гц |
Результаты исследования и их обсуждение
Регистрация n осуществлялась рефрактометром, работающим на λ = 589 нм и разработанном АР (λ = 633 нм). Погрешность измерений для рефрактометра, работающего на λ = 589 нм, и разработанного АР (λ = 633 нм) была не хуже Δn ≤ 0,0005. Экспериментальные результаты даны на рис. 4.
Рис. 4. Результаты эксперимента: * – АР, о – рефрактометр, работающий на λ = 589 нм, линия – расчет (1)
Сведения полученных результатов для представленных оптико-электронных приборов соответствовали погрешности измерений. Дисперсионных эффектов n(λ) не было. И k(n) (рис. 4) математически выглядит следующим образом:
(1)
Расчет (1) и эксперимент (рис. 4), погрешность измерений Δk ≤ 0,1 %.
К АР прилагалось программное обеспечение (ПО), которое регистрировало единичные всплески сигналов от диффузно отражающей газообразной среды, давало возможность иллюстрировать в различном графическом исполнении данные о газообразных объектах, а также выводить необходимую информацию на дисплей. ПО позволяло информировать о шкале n по нормированному параметру [9]:
где Smax – максимальная освещенность.
Измеряли 5 образцов и получили зависимости S = f(i) и n = f(S) соответственно (рис. 5, а и б).
а)
б)
Рис. 5. Экспериментальные данные: а) для образцов с показателем преломления n = 1,3330 (1), 1,3470 (2), 1,3651 (3), 1,3904 (4), 1,4030 (5); б): * – эксперимент; линия – расчет
Сведение по n составило ?n = ± 0,0003 (рис. 5 (б)) в лаборатории, в конкретных условиях ?n = ± 0,0015.
Заключение
В работе приведен автоматизированный рефрактометр для контроля диоксида и триоксида серы. Даны его технико-эксплуатационные характеристики. Получены измерения показателя преломления АР, где погрешность измерений была не хуже Δn ≤ 0,0005. Сходимость рассчитанных по формуле и экспериментальных данных была не хуже Δk ≤ 0,1 %.