Изучение влияния внешних параметров на погрешность термокаталитического анализатора оксида углерода

В группе токсичных газов карбюраторных двигателей весьма опасен СО, являющийся газом без цвета, вкуса и запаха [1]. Оксид углерода образуются в ходе предпламенных реакций, при сгорании углеводородного топлива, с некоторым недостатком кислорода [2]. Во время работы карбюраторных двигателей на холостом ходу и малых нагрузках содержание СО достигает 5-8% [3; 4]. Оксид углерода вступает в реакцию с гемоглобином (Нb) крови и вытесняет О₂, снижая его содержание с 20 % до 8 %. Способность вытеснять О₂ из соединения с гемоглобином объясняется гораздо более высоким сродством последнего к СО, чем к О₂ [5]. В связи с этим разработка высокоэффективных газоанализаторов оксида углерода и изучение их метрологических параметров является актуальной. Нами разработан высокоселективный термокаталитический газоанализаторы для определения СО («АГ-СО») в газовых смесях. Изготовленный прибор позволяют определять СО в широких интервалах его концентрации. В данной работе приведены результаты изучения некоторых параметров разработанного термокаталитического газоанализатора «АГ-СО».

Проверку дополнительной погрешности «АГ-СО», обусловленную изменением температуры окружающей среды, проводили в диапазоне 10-50 ºС. В опытах использовали ГС с содержанием оксид углерода в смеси 2,85 %. Последовательность установления температуры в камере +20 ºС (оптимальная температура, установленная при определении основной погрешности): 10, 35 и 50 ºС. При каждой температуре прибор выдерживали 1 час, после чего подавали ГС и снимали показания прибора. Испытания проводили не менее 3 раз. Влияние температуры газовой среды для каждой точки на дополнительную погрешность (ϒ_доп ) газоанализатора определяли по формуле:

ϒ_доп = ϒ _осн.- ϒ_норм.                                                      (1)

где ϒнорм. -основная погрешность по градуировочной характеристике; ϒ_осн. -основная погрешность газоанализатора для каждого измерения.

Результаты термокаталитического определения оксид углерода при различной температуре (n=5, P=0,95)

Результаты определения дополнительной погрешности газоанализатора, обусловленной изменением температуры окружающей среды, представлены в таблице 1, из которых следует, что она не более 0,02 % и во всех случаях намного меньше, чем основная погрешность самого прибора.

Эксперименты по изучению влияния влажности проводили в следующей последовательности: прибор помещали в камеру влажности, в которой устанавливали нормальные условия испытаний. После начальной стабилизации определяли основную погрешность прибора для ГС с содержанием оксид углерода 2,85 об %. Через час устанавливали погрешность прибора подавая ГС на вход газоанализатора через три склянки Тищенко, соединенных между собой последовательно и заполненных дистиллированной водой, обеспечивающей увлажнение ГС до 95 %.

Выключив газоанализатор, устанавливали нормальные условия работы прибора и стабилизировали его в течение 2 час, после чего включали прибор и определяли основную погрешность при нормальных условиях испытаний. Результаты опытов показывают, что дополнительная погрешность газоанализатора в исследованном интервале влажности составляет 0,05 %, т.е. удовлетворяет требованиям ГОСТа 13320-81.

Испытания на воздействие давления проводились в интервале 600-900 мм. рт. ст. Для определения влияния давления на работу газоанализатора устанавливали его в камеру давления, в которой уже были подобраны оптимальные условия испытания. После первичной стабилизации определяли основную погрешность при нормальных условиях испытаний. Давление в камере плавно доводили до 600 мм рт.ст.(80,0±1,5) кПа и через один час записывали показания прибора при пропускании стандартной смеси с содержанием оксид углерода 2,85 об. %. Результаты проведенных экспериментов по определению дополнительной погрешности газоанализатора за счет изменения давления представлены в таблице 2.

Результаты определения концентрации оксида углерода при различном давлении (n=5; P=0,95).

Как следует из этих данных, за счет изменения давления максимальная дополнительная погрешность наблюдается при 600 мм рт.ст. и равна 0,03 %. Допустимая дополнительная погрешность по ГОСТу 13320-81 на изменение давления по данному классу газоанализаторов не должна превышать основной погрешности.

Суммарная дополнительная погрешность, характеризующая совокупность значений погрешностей от влияния различных факторов, определялась по формуле:

ϒ_доп= ±√¡²_{1 доп}+ϒ²_{2 доп} + ϒ²_{3 доп}                                          (2)

где ϒ²_1доп, ϒ²_2доп, ϒ²_3доп - значения дополнительных погрешностей, полученных при изменении влияющих факторов.

Согласно ГОСТу 13320-81 предельно допустимое значение суммарной дополнительной погрешности не должно превышать удвоенного значения предела допустимой основной погрешности. Суммарная дополнительная погрешность газоанализатора за счет изменения температуры, влажности и давления газовой среды во всех случаях составляла ±0,06%.

Таким образом, проведенные исследования показали, что разработанный нами малогабаритный автоматический газоанализатор типа АГ-СО по метрологическим и некоторым другим характеристикам вполне удовлетворяет требованиям ГОСТа, для данного класса приборов.

Для оценки точности разработанных газоанализаторов были проведены исследования, заключающиеся в параллельном проведении анализов различных готовых смесей, содержащих разные концентрации оксид углерода. Некоторые из полученных нами данных приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Результаты сравнительных оценок, полученных при определении содержания оксид углерода разработанными газоанализаторами (n=5 P=0,95)

Как следует из них, предлагаемый термокаталитический сенсор и газоанализатор по сравнению с известными термокондуктометрическим и газохроматографическим установками обеспечивает более высокую правильность, а также воспроизводимость определения СО в газовых средах.

Таким образом, в результате проведенного исследования предложен способ обеспечения селективности термокаталитического определения оксида углерода, основанный на использовании двух термочувствительных элементов сенсора, подключенных в единый блок и содержащих катализаторы обладающих неадекватной активностью к компонентом анализируемой смеси. Используя разработанный сенсор, изготовлен автоматический термокаталитический газоанализатор СО «АГ-СО».

Газоанализатор «АГ-СО» выполнен в виде переносного прибора и предназначен для измерения концентраций оксида углерода в атмосферном воздухе, дымовых и выхлопных газах.

Некоторые технические данные созданного газоанализатора:

• диапазон измерений по оксиду углерода 0-250мг/м³ и 0-4,0 об.%;
• предел допускаемого времени установления показаний не более 15 сек;
• время прогрева не более 10 мин;
• габаритные размеры 250х215х150 мм;
• масса 1,2 кг.

Найденные значения абсолютной и относи­тельной погрешностей не превышают допустимые пределы исследованных параметров, установленных при нормальных условиях согласно ГОСТу 13320-81. Полученные значения суммарных приведенных погрешностей в диапазоне измеряемых концентраций с доверительной вероятностью 0,95 не превышают ±0,06 %, что полностью удовлетворяет требования по ГОСТу 52033-2003 предъявляемым к приборам данного класса.