Отчет Влияние давления анализируемой среды на показания газочувствительных сенсоров. Газочувствительные сенсоры, работающие на электрохимическом принципе измерения, регистрируют суммарное количество вещества, попадающего внутрь сенсора и вступающего в химическую реакцию, следовательно, показания концентрации, полученные с помощью такого метода будут зависеть от давления анализируемой среды. Кроме влияния парциального давления анализируемого газа, на показания будет влиять конструкция сенсора, поэтому требуется испытания каждого типа сенсоров. В случае получения воспроизводимых зависимостей сигналов от давления, возможно введение корректировок в показания, используя датчики давления, встроенные в сенсорный модуль, что повысить достоверность показаний приборов «Сенсон». В качестве первого объекта взят сенсор кислорода, поскольку колебания атмосферного давления визуально заметны на показаниях приборов. Кислород. В компании используются следующие сенсоры кислорода: Таблица 1 № Наименован Изготовите Диапазон Выходной ие сенсора ль измерения сигнал 1 О2-А3 Альфасенс 2 RS4-O22-30 РОСЕН 0-30% 3 Оксик-3Р Оксоний 0-30% 4 Оксик-15 Оксоний 0-100% Комментарий 0-21% Установка для калибровки Для проведения испытаний собрали установку из герметичной камеры с манометром, баллона с воздухом и редуктором. В камеру ввинчивали модуль трансмиттер МКТ-1 с сенсорным модулем ИСМ Сенсон-СМ-9001 на соответствующий газ. Регулировка давления производили редуктором на баллоне с газом. Давление считывали по манометру вручную. Рис. 1 Установка для калибровки сенсоров при различных давлениях Результаты испытаний. Сенсор 1 не удалось проверить из-за нестабильности работы при переходе с одного давления на другое. Он долго восстанавливает показания (часы и сутки). Возможно это связано со встроенной в сенсор системой компенсации давления. Сенсор 2 имеет аналогичное строение поэтому испытания отложены. Сенсор 3 имеет минимальный размер чувствительного элемента и простейшую конструкцию мембраны, поэтому быстро восстанавливает значения после перехода на другое давление (не более 1 с). чувствительность к давлению линейная. После давления 2 атм происходит зашкал выходного сигнала, но сенсор не вышел из строя. Возможно надо использовать сенсоры в пониженным выходным напряжением (Оксик-15), а в перспективе с внешним питанием. Для начала использовать сенсор на диапазон 0-100% Калибровка сенсора Оксик-3Р по давлению 60 Показание прибора, % об 55 50 45 40 35 30 25 20 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Давление, кгс/см2 Рис 2 Зависимость показаний сенсора кислорода «Оксик-3Р» от избыточного давления Результаты испытаний Таблица 2 Манометр модель МО 1227 шкала 2.5 кгс/см2 = 400дел. (уе). Начальное показание 10 уе Показания Давление Давление Показания в ед Показания манометра. избыточное с в кгс/см2 АЦП концентрации Давление в уе корректировкой в % об О2 начальных показаний в у.е. 160 150 50331 56.0 150 140 48903 53.87 140 130 47240 51.43 130 120 45654 49.08 120 110 44011 46.65 110 100 42470 44.35 100 90 40930 42.08 90 80 39287 39.57 80 70 37819 37.45 70 60 36267 35.16 60 50 34740 32.89 50 40 33070 30.39 40 30 31418 27.8 30 20 29828 25.55 20 10 28255 23.22 10 0 26748 20.97 1. Поправочный коэффициент концентрации от давления приведен для давления в кгс/см2 2. С= Со+Δр х К 3. К=С1-С2/р1-р2= 4. Переводной коэффициент для сенсора Оксик-3Р К=0.0267 % кгс/см2 Влияние колебаний атмосферного давления для сенсора Оксик-3Р Выходной сигнал сенсора зависит от атмосферного давления, с падением давления падает и выходной сигнал. Эта зависимость была выявлена рядом экспериментов. На протяжении недели измерялись показания давления и выходного сигнала. Результаты эксперимента приведены в таблице 1 и графически изображены на рисунке 1. Таблица 1. Зависимость выходного сигнала U, mV от атмосферного давления p, mmHg U, mV p, mmHg 144,0 145,0 145,5 148,0 149,0 150,0 750 752 754 759 762 768 p, atm 0,987 0,989 0,992 0,999 1,003 1,010 Рисунок 3. Зависимость выходного сигнала U, mV от атмосферного давления p, mmHg Для учета давления на показания прибора с сенсором Оксик надо вводить поправочный коэффициент. Для учета этой разницы введем коэффициент, используя который будем получать истинное значение выходного сигнала. Uист = Uнач · K, где (1) Uист – истинное значение выходного сигнала газоанализатора, mV Uнач – изначальное значение выходного сигнала газоанализатора, mV K – коэффициент, учитывающий разницу атмосферного давления. K = p1 / p2, где (2) p1 – атмосферное давление в месте эксплуатации сенсора, мм. рт. ст. p2 – атмосферное давление в месте изготовления сенсора, мм. рт. ст. Приведем пример расчета для среднего значения атмосферного давления: в СанктПетербурге среднее атмосферное давление равно 760 мм. рт. ст.; среднее атмосферное давление в Наване – 740 мм. рт. ст. Значение выходного сигнала измеряем по прибору (мультитестер MASTECH MY60) Uнач = 135 mV. Следовательно, p1 = 740 мм. рт. ст; p2 = 760 мм. рт. ст. Тогда, коэффициент К, рассчитанный по формуле (2), будет равен 740/760 = 0.97. Подставим значение К в формулу (1) и получим Uист = 135·0.97 = 131 mV. По рассчитанным данным мы получили уменьшение выходного сигнала от начального значения на 4 mV. Таким образом, с уверенностью можно говорить о прямой зависимости выходного сигнала газоанализатора от атмосферного давления. Также нельзя забывать о внутреннем давлении газов (O2, CO2) в сенсоре. Так как система незамкнутая, то осуществляется постоянный обмен веществом между датчиком и внешней средой через мембрану. Очевидно, что из-за разности давлений в сенсоре и внешней среде, будет происходить истечение газов из газоанализатора во внешнюю среду до установления равновесия (pсенсора = pвнешней среды), что может препятствовать поступлению кислорода в сенсор из внешней среды. Разнообразные механические деформации датчика также приводят к увеличению внутреннего давления газов в сенсоре, что приводит к такому же эффекту. Из всего выше сказанного следует, что для получения корректных значений выходного сигнала сенсора в установленном диапазоне (135 – 165 mV), нам необходимо использовать сенсоры с более высокими значениями выходного сигнала в диапазоне (150 – 175 mV). Углерода диоксид (СО2) влияние давления Объект исследований — сенсор оптический от компании Динамент MSH-P-CO2/NC/5/V/P/F 0-100% VOLUME CO2=0.4-2,4V /DYN/ Постановка задачи — отработать работу сенсоров внутри технологического оборудования при избыточном давлении. Установка для измерений — аналогична как при исследовании датчиков кислорода. Результаты испытаний Манометр медицинский в мм рт ст диапазон 0-300 начало52 ед газовый баллон с концентрацией 94.1 % об СО2 Давление в мм Показания в % Давление в рт ст об СО2 кгс/см2 (показания) 260 127,2 240 127 220 125 200 121 180 119,3 170 116,2 160 114,4 150 112,4 140 111,5 130 109 120 107,5 110 105 100 102,8 90 100,6 79 99,1 74 98,2 70 97,4 64 95,9 62 95,7 60 94,9 58 94,1 Калибровка оптического датчика СО2 по давлению 130 Концентрация СО2, % об 125 120 115 110 105 100 95 90 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Давление, кгс/см2 Рис. 4 Первый эксперимент. Есть сомнения в достоверности измерений из-за манометра, но видим линейную зависимость от давления Второй эксперимент с образцовым манометром дал более точные результаты. Манометр МО модель 1227 шкала 2.5 кгс/см2 = 400дел начальное показание 10 уе Давление в уе Давление с Давление в Показания в % коррект. кгс/см2 об СО2 110 100 0,625 188,9 100 90 0,5625 180 90 80 0,5 169,5 80 70 0,4375 159,8 70 60 0,375 151,1 60 50 0,3125 140 50 40 0,25 131,7 40 30 0,1875 121,5 30 20 0,125 114,2 20 10 0,0625 107,1 15 5 0,03125 101,7 10 0 0 95 Калибровка сенсора на СО2 по давлению 200 Показания сенсора % об 180 160 140 120 исходная ПГС 94,7% об 100 80 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Давление, кгс/см2 Рис. 5 1. Зависимость показаний оптического датчика от давления линейная 2. Зашкал показаний для датчика имеющего диапазон 0-100% начинается с 190% об, значит у сенсора запас в диапазоне почти 2 раза. 3. С= Со+Δр х К 4. К=С1-С2/р1-р2=144.09 5. Переводной коэффициент К=0.00651 % / кгс/см2 Проверка метода калибровки. 23.12.2020 произведена калибровка сенсора Динамент СО2 0-100 для 1й Пивоваренной компании г. Мытищи, Волковское шоссе вл. 12. Давление 100 усл. дел. манометр 0-1 кгс/см2 (0-250 дел). Калибровка по баллону 94,69 % об СО2 в воздухе. Прибор показал 98-103 % об давление 0.44 бар.по электронному манометру. Установлено постоянное давление редуктором. Проток анализируемой среды организован дросселем. Сброс сразу в атмосферу. Результат устроил заказчика. Фото прибора на объекте на рис. 6 1. 2. Выводы Проверить влияние давления на сенсоры токсичных газов и дать заключение о целесообразности применения компенсации давления для них. Сделать стенд для калибровки сенсоров в составе приборов Рис.6 Показания прибора на выходе системы очистки СО2 с учетом избыточного давления СО2 проверка сенсора Динамент. Выход на режим. Перекалибровка на 97% об. Новая поправка на минус 38% до 59% об. Для избыточного давления 0.25 атм. Стабильный плюс минус 0,1 % об. Отчет составил Соколов А.В.
