E1 - Měření koncentrace kyslíku magnetickým analyzátorem

Transkript

1 E1 - Měření koncentrace kyslíku magnetickým analyzátorem Funkční princip analyzátoru Podle chování plynů v magnetickém poli rozlišujeme plyny paramagnetické a diamagnetické. Charakteristickou konstantou paramagnetických a diamagnetických látek je magnetická susceptibilita. Magnetická susceptibilita paramagnetických látek je větší než nula, látek diamagnetických menší než nula. Paramagnetické látky jsou vtahovány do nehomogenního magnetického pole, diamagnetické látky jsou z magnetického pole naopak vypuzovány. Většina technicky důležitých plynů jsou látky diamagnetické; paramagnetické vlastnosti vykazují např.: O, NO, NO, ClO. V tabulce 1 jsou uvedeny poměrné magnetické susceptibility některých plynů (v %), vztažené k susceptibilitě kyslíku při 0 C a pro tlak Pa. Tabulka 1 látka poměrná magnetická susceptibilita O 100,0 NO 44,0 H -0,1 N -0,6 CO -0,6 Paramagnetismus plynů se vysvětluje přítomností nepárového elektronu v molekule, u kyslíku pak nespřaženým párem elektronů o paralelním spinu. Při zvyšování teploty se magnetická susceptibilita paramagnetických plynů snižuje podle vztahu C X = (1) T kde je X magnetická susceptibilita (1), C konstanta (K), T termodynamická teplota (K). Analyzátory založené na měření magnetických vlastností využívají výjímečného postavení kyslíku k jeho selektivnímu stanovení v plynných směsích. Při konstrukci automatických analyzátorů se využívá buď statické metody, při které se měří síla, kterou působí nehomogenní magnetické pole na určitý objem plynu anebo dynamické metody, při které se měří prouděné vznikající tzv. termomagnetickou konvekcí. Přístroj používaný v laboratorní úloze pracuje s dynamickou metodou a jeho princip je znázorněn na obr. 1. Analyzovaný plyn přichází do prstencové komory 1, v níž je napříč umístěna tenkostěnná skleněná trubice, ovinutá platinovým odporovým vinutím, jež je vyhříváno elektrickým proudem. Vinutí je rozděleno na dvě poloviny, které tvoří dvě větve Wheatstoneova můstku. Jedna část vinutí je umístěna mezi pólovými nástavci permanentního magnetu, který vytváří nehomogenní magnetické pole. Je-li příčná trubice ve vodorovné poloze, pak pokud není v plynu přítomen O, plyn trubkou neproudí. Je-li v měřeném plynu obsažen kyslík, je vtahován do magnetického pole. V trubce je plyn ohříván, jeho magnetická susceptibilita klesá a proto je teplejší plyn vypuzován plynem chladnějším o vyšší susceptibilitě. Vzniká tzv. termomagnetická konvekce a v jejím důsledku proudění plynu způsobuje nestejné ochlazování obou částí platinového vinutí. Rychlost proudění plynu, tím i teplota a odpor vi- 1

2 nutí jsou úměrné koncentraci kyslíku v analyzovaném vzorku (přesněji počtu molekul kyslíku v objemové jednotce). Symbolický měřicí přístroj 4 v diagonále můstku může udávat přímo objemovou koncentraci kyslíku (v %). Potenciometr 5 pak slouží k seřízení nulové polohy měřicího přístroje. O U stab. Obr.1: Prstencová komora magnetického analyzátoru. Analyzátory tohoto typu umožňují měření v různých rozsazích objemových koncentrací od 0 % do 100 %. Nakloněním příčné trubice lze provést potlačení části měřicího rozsahu a upravit rozsah např. na 0 % až 1 % nebo na 95 % až 100 %. Nejmenší rozsahy objemové koncentrace jsou 0 % až 1 % s relativní chybou ± % z rozsahu. Předpokladem správné funkce přístroje je termostatování prostoru prstencové komory, stabilizace napájecího napětí měřicího můstku, justace polohy analyzátoru a korekce vlivu atmosférického tlaku na údaj analyzátoru. Laboratorní zařízení: Celkové schéma laboratorního zařízení je na obr.. Hlavní částí měřicího zařízení je analyzátor 1, který využívá paramagnetických vlastností kyslíku a slouží prakticky k selektivnímu stanovení kyslíku v plynných směsích. Analyzátor, s kterým budete pracovat v laboratoři má tři rozsahy objemové koncentrace kyslíku 0 % až 1 %, 0 % až 10 % a 0 % až 6 %. Při práci budete používat jen největší rozsah. Kompletní magnetický analyzátor kyslíku tvoří vlastní analyzátor 1, převodník napětí/proud, ukazovací profilový měřicí přístroj, rezistor 9, stabilizátor absolutního tlaku plynu 19 a příslušenství pro odběr, čištění a stabilizaci průtoku vzorku 4 až 8. K analyzátoru je rovněž připojen kompenzační liniový zapisovač 0, který slouží k registraci výstupního signálu. V laboratorní úloze se analyzátoru využívá k měření koncentrace kyslíku ve spalinách odcházejících z modelového plynového topeniště 10. Tlaková láhev s dusíkem 11 slouží jako zdroj plynu potřebného pro nastavení nulového údaje. Vlastní magnetický analyzátor PERMOLYT je zabudován v prachotěsné a proti stříkající vodě odolné skříni. Na obr. je znázorněn pohled dovnitř přístroje při otevřených dveřích skříně. Analyzátor se skládá ze dvou hlavních částí: termostatovaného prostoru 1 a

3 ovládacího panelu. V termostatovaném prostoru 1 je uložena prstencová komora s magnetickým systémem. Prstencová komora spolu s rezistory tvoří Wheatstoneův můstek napájený stabilizovaným napětím. Výstupní napětí z můstku je napojené na převodník napětí/proud pro další zpracování měřicího signálu. Hlavní přepínač analyzátoru (označený BETRIEB) má tři polohy. Poloha 0 znamená vypnuto, poloha 1 znamená zapnuto s vyšším příkonem topení do termostatu (používá se při zapnutí analyzátoru a při nízkých teplotách) a konečně poloha, znamenající zapnuto s normálním příkonem topení. Přepínač rozsahů 4 (MESSBEREICH) má čtyři polohy. Polohy 0 se používá pro odpojení výstupního napětí z diagonály od převodníku napětí/proud, polohou 1 volíme rozsah 0 % až 1 % kyslíku, polohou rozsah 0 % až 10 % a polohou rozsah 0 % až 6 % kyslíku v plynu. Napravo od dvou přepínačů jsou dvě kontrolní světla. Horní světlo signalizuje zapnutí přístroje, dolní kontrolní světlo signalizuje topení v termostatovaném prostoru. Potenciometrem 6 (označeným BRÜCKENSPANNUNG) je možno nastavit napájecí stabilizované napětí na můstku, které lze případně měřit voltmetrem napojeným na dvojici svorek 7. Nulovací potenciometr 8 (s označením >0<) slouží k nastavení nulové polohy analyzátoru na ukazovacím přístroji pomocí dusíku, potenciometr 5 (s označením MESSBEREICH 1) slouží k nastavení rozsahu analyzátoru na ukazovacím přístroji pomocí vzduchu (1 % O ). V prostoru za ovládacím panelem je umístěn také regulátor teploty, který slouží pro regulaci teploty v termostatovaném prostoru 1. Analyzovaný plyn vstupuje do analyzátoru přívodem 9 a odchází odvodem 10. Pro trvalý provoz je nutno tento vývod napojit na barostat, zařízení které udržuje v analyzátoru konstantní absolutní tlak. Tím se odstraní závislost údaje na změnách atmosférického tlaku. Pro naše krátké měření v laboratoři nepředpokládáme změny atmosférického tlaku a toto zařízení není zapojeno. Analyzátor musí být spuštěn asi tři hodiny před počátkem měření, aby se vyrovnaly a ustálily potřebné teploty jak ve vlastním analyzátoru, tak hlavně v termostatovaném prostoru. Při seřizování analyzátor otevíráme jen na krátkou a nezbytnou dobu, aby se nenarušovala tepelná rovnováha v přístroji. Do diagonály můstku je zapojen převodník napětí/proud (viz obr. ), typu W -75AN, který je již mimo vlastní analyzátor. Převodník převádí napětí 5 mv na proud 0 ma. Tento proud je pak veden jednak na profilový ukazovací magnetoelektrický přístroj se stupnicí v objemové koncentraci kyslíku (%), a dále na sériově napojený rezistor 9, na němž vzniká napětí 1 V. Toto napětí se pak vede do zapisovacího přístroje 0 typu TZ 460, který měří sice napětí, avšak hlavně slouží pro registraci průběhu údaje a jeho změn v čase. Příslušenství analyzátoru je zakresleno na celkovém schématu na obr. a tvoří jej keramický filtr 5, membránové elektromagnetické čerpadlo 6, kapalinový manostat 7, rotametr 8 a přepínací trojcestné kohouty. Přepnutím kohoutu 4 je možno přivádět do analyzátoru buď analyzovaný vzorek či vzduch z atmosféry nebo dusík z tlakové lahve 11 pro seřízení nulové polohy.

4 PLYN VZDUCH PERMOLYT 0 1 MESSBEREICH BETRIEB DUSÍK MESSBEREICH + 0 Obr.: Celkové schéma měřicí stanice 4

5 1 MESSBEREICH BETRIEB 0 1 MESSBEREICH Obr.: Magnetický analyzátor PERMOLYT Na obr. je znázorněno rovněž schéma plynového topeniště. Model je tvořen plynovým hořákem, umístěným v kovovém komínu se slídovým průzorem 1. Nad hořákem je umístěno tělísko z keramického materiálu, které slouží ke stabilizaci plamene hořáku i při nepříznivých poměrech palivo/vzduch. Do hořáku se přivádí plyn z rozvodné sítě přes jehlový regulační ventil 1 a rotametr 14 a vzduch z tlakového rozvodu přes ventil 15 a rotametr 16. V komínu je zabudována trubka pro odběr vzorku spalin pro analyzátor. V horní části je komín opatřen odnímatelným krytem 17. Měděné odběrové potrubí je zde ve funkci chladiče, na jehož dolní části je zařazen lapač kondenzátu 18 s odpouštěcím kohoutem. Stupnice vyznačené na trubicích rotametrů 14 a 16 neodpovídají skutečnému průtoku zemního plynu a vzduchu proudícího do hořáku. Skutečné hodnoty průtoků zemního plynu a vzduchu získáme přepočtem naměřených údajů z kalibračních grafů na obr.4 a obr.5. Způsob odečtení skutečného průtoku z grafů je následující. Např. pro údaj x naměřený na rotametru pro zemní plyn 00 ml/min bude na svislé ose grafu odečtena číselná hodnota 6, osa 5

6 je označena výrazem y 10 ml min y 10. Způsob interpretace je pomocí rovnice = 6. ml min Úpravou této rovnice získáme skutečnou hodnotu průtoku zemního plynu y = 600 ml / min. Kromě přímého odečtu z grafu můžete použít i jiný způsob. Přesně odečtete z grafu dva body, z těchto bodů odvoďte rovnici přímky a za použití této lineární závislosti provádějte přepočty údaje rotametru na průtok nebo naopak. Tento způsob můžete použít na oba grafy, jak pro plyn, tak také pro vzduch. y 10 ml min x - údaj rotametru y - průtok zemního plynu x ml min Obr.4: Kalibrační graf rotametru pro zemní plyn 6

7 5,0 y 10 ml min 4,5 4,0,5,0,5,0 x - údaj rotametru y - průtok zemního plynu x ml min Obr.5: Kalibrační graf rotametru pro vzduch Zadání práce: 1. Seřiďte magnetický analyzátor Permolyt.. Proměřte dynamické chování analyzátoru.. Proměřte složení spalin odcházejících z modelu plynového topeniště v závislosti na měnícím se poměru objemových průtoků zemního plynu a vzduchu, závislost vyjádřete graficky. Protokol obsahuje: - stručný popis a blokové schéma laboratorního zařízení, dále postup seřízení analyzátoru, - graf naměřené přechodové charakteristiky, - vyhodnocení přechodové charakteristiky (hodnoty T d, T u, T n, T 90 ) a její aproximaci, - graf závislosti koncentrace kyslíku ve spalinách jako funkci poměru objemového průtoku zemního plynu ku průtoku vzduchu, - výpočet teoretického poměru palivo/vzduch pro stechiometrickou spalovací reakci a porovnání s naměřenými výsledky. 7

8 Pracovní postup: 1. Pro správnou funkci magnetického analyzátoru je třeba, aby teplota v termostatu byla 55 C. Vytemperování termostatu trvá asi 4,5 hodiny od zapnutí analyzátoru. Při zahájení laboratorního cvičení je analyzátor již zapnut. Na údaj analyzátoru má kromě teploty ještě vliv atmosférický tlak, poloha prstencové komory a velikost napájecího napětí. Přesvědčte se pomocí zápisu na zapisovači, zda je pracovní režim analyzátoru ustálený, tj. zda údaj nemá tendenci změny. Analyzátor budete seřizovat na rozsahu 1, (viz přepínač rozsahů na obr.). Při seřízení rozsahu přístroje se přivádí do analyzátoru střídavě vzduch z atmosféry a dusík z tlakové láhve (obr.). Dopravu vzorku obstarává membránové čerpadlo 6, které se zapíná páčkovým vypínačem, umístěným na levé straně tělesa čerpadla vzadu. Kohout 4 nastavte pro odběr vzduchu z atmosféry a výkon čerpadla seřiďte regulační páčkou na přední straně čerpadla tak, aby v manostatu 7 unikala asi jedna bublinka za sekundu. Jehlovým ventilem na rotametru 8 doregulujte průtok tak, aby údaj rotametru odpovídal hodnotě vyznačené ryskou, tedy 0 L/h. Při seřízení nulové polohy se přivádí do analyzátoru dusík z tlakové lahve 11, při nastavení tlaku na redukčním ventilu tlakové lahve postupujte následujícím způsobem: - na počátku je jehlový ventil na výstupu plynu uzavřen, vřeteno redukčního ventilu je vyšroubováno proti směru hodinových ručiček až do uvolnění, - otevřete uzavírací ventil tlakové láhve; tlakoměr udává tlak plynu v láhvi, - postupným utahováním vřetena redukčního ventilu nastavíte pak podle vnějšího tlakoměru na hodnotu menší než asi 50 kpa, - otevřete částečně odpouštěcí ventil láhve a otáčením vřetena redukčního ventilu upravíte průtok dusíku podle manostatu 7, - průtok vzorku do analyzátoru jemně seřiďte ventilkem na rotametru 8. Po ustálení údaje seřiďte nulovou polohu měřicího přístroje nulovacím potenciometrem 8 (obr.). Podle údaje na tlakové lahvi určete čistotu dusíku a rozhodněte se, zda budete při nastavení nuly brát korekci na tyto nečistoty. Seřízení nulové polohy i údaje pro 1 % kyslíku ve vzduchu proveďte několikrát za sebou po přepnutí přívodu dusíku či vzduchu kohoutem 4 a ustálení polohy ukazovatele měřicího přístroje. Ustálení údaje kontrolujte na zapisovači. Při kontrole ustalování nastavte rychlost posunu papíru na 0, cm/min.. Zjištění dynamických vlastností analyzátoru proveďte proměřením přechodové charakteristiky. Vstupní veličinou je koncentrace analyzovaného vzorku, výstupní veličinou je údaj měřicího přístroje analyzátoru. Skokovou změnu vstupní veličiny realizujte přepnutím kohoutu 4 nebo odpojením hadice s dusíkem. Odezvu analyzátoru snímejte zapisovacím přístrojem s nastavenou rychlostí posuvu cm/min. Změnu plynu proveďte v přesně definované době na zápisu, nejlépe v okamžiku, kdy zapisovací pero prochází příčnou čarou. Zápis ze zapisovače vyhodnoťte, vyznačte dopravní zpoždění T d, dobu průtahu T u a dobu náběhu T n. Proveďte aproximaci přechodové charakteristiky přechodovou charakteristikou 1. řádu s časovou konstantou T 6, a dopravním zpožděním. U samočinných analyzátorů se někdy místo časové konstanty T 6, používá k charakterizaci dynamického chování konstanta T 90, označovaná těž doba skokové odezvy. Je to doba, měřená od okamžiku skokové změny ve složení plynu, za kterou dosáhne údaj analyzátoru 90 % celkové konečné změny. Tento časový údaj je odvozen z požadavku znát, za jak dlouho se údaj ustálí na nové hodnotě. Teoreticky dojde k ustálení při exponenciálním průběhu přechodové charakteristiky až při t. I když se prakticky údaj ustálí v konečném čase, není okamžik ustálení přesně a reprodukovatelně měřitelný. Z toho důvodu je proto vhodnější měřit T 90. Tuto konstantu vyhodnoťte rovněž z naměřené přechodové charakteristiky. Na zápisu ze zapisovače uveďte rychlost posuvu registračního papíru. 8

9 . Při měření složení spalin z modelu plynového spalovacího zařízení propojte přívod od kondenzační nádobky 18 (obr.) s kohoutem 4. Při zapalování plynového hořáku v modelovém topeništi postupujte následujícím způsobem: - zapalte laboratorní plynový kahan; - nadzdvihněte asi o 10 mm kryt komínu 17; - ventilem 15 nastavte průtok vzduchu podle rotametru 16 na hodnotu údaje rotametru 1000, tj. průtok asi ml/min (viz kalibrační graf); - ventilem 1 nastavte průtok zemního plynu podle rotametru 14 na hodnotu údaje rotametru 00, viz kalibrační graf; - přiblížením zapáleného laboratorního kahanu k horní části komínu zapalte hořák; - zapálení plamene zkontrolujte vizuálně průzorem 1, nehoří-li plamen, zapálení opakujte; - přitlačte kryt komínu 17 na doraz. Vyčkejte několik minut, až se prohřeje keramické tělísko nad hořákem a plamen se stabilizuje. Při konstantním průtoku vzduchu potom měňte průtok zemního plynu v poměrně úzkých mezích od 150 do 50 údaje na stupnici rotametru 14. Zkontrolujte přitom průzorem nebo zvukem hoření plamene. V případě jeho zhasnutí plamen znovu zapalte uvedeným způsobem. V závislosti na změně poměru objemového průtoku zemního plynu ku průtoku vzduchu zaznamenejte údaj analyzátoru kyslíku. Ustalování údaje sledujte na zapisovači při rychlosti posuvu 0, cm/min. Vzhledem k tomu, že tlak plynu v rozvodu poněkud kolísá, mění se i jeho průtok a následně i koncentrace kyslíku ve spalinách. Z těchto důvodů je třeba průtok plynu podle potřeby seřizovat ventilkem 1 a případné kolísání údaje vyhodnocovat podle průběhu na zapisovači jako průměrnou hodnotu ze zápisu zapisovače. Za tímto účelem musíte znát (alespoň v oblasti měření) vztah mezi údajem zapisovače a koncentrací kyslíku na měřicím přístroji. Naměřené výsledky zpracujte do grafu, kde na svislou osu vynášejte objemovou koncentraci kyslíku (v %), na vodorovnou osu pak vynášejte poměr objemového průtoku zemního plynu V 1 ku objemovému průtoku vzduchu V (obr.6). Vypočtěte teoretický směšovací poměr objemových množství zemního plynu a vzduchu pro stechiometrický poměr spalovací reakce. Uvažujte, že zemní plyn je tvořen pouze methanem. Teoreticky vypočtenou hodnotu směšovacího poměru zemní plyn/vzduch vyznačte do grafu a porovnejte s hodnotou získanou měřením. V 1 objemový průtok zemního plynu (ml/min), V objemový průtok vzduchu (ml/min), c objemová koncentrace kyslíku ve spalinách (%). c % O Obr.6: Teoretický průběh závislosti koncentrace kyslíku na směšovacím poměru palivo/vzduch V V 1 teoretický směšovací poměr 9

10 Příloha 1: Čistota dusíku v tlakové láhvi Dusík se dodává v tlakové láhvi opatřené zelenou barvou. Je-li na štítku tlakové láhve uvedena čistota symbolem,5, znamená to, že plyn obsahuje 99,95 % dusíku a 0,05 % nečistot (většinou kyslík a vzácné plyny). Symbol před desetinnou čárkou značí počet devítek, tedy 99,9% a symbol 5 za desetinnou čárkou značí číslici za poslední devítkou. 10