27

Лабораторная работа № 2 поверка газоанализаторов

1. Задачи, решаемые при проведении лабораторной работы

1. Изучение принципа работы и устройства газоанализатора, на примере оптико-акустического газоанализатора.

2. Проведение поверки прибора с помощью приготовленных эталонных смесей.

3. Оценивание погрешностей поверяемого газоанализатора, построение градуировочной характеристики, оценивание браков поверки 1-го и 2-го рода, оценивание аддитивной и мультипликативной погрешностей газоанализатора.

2. Методические вопросы

2.1. Краткая характеристика оптико-акустического метода измерений содержания компонентов в газовых смесях.

Оптические методы газового анализа принадлежат к числу наиболее избирательных и чувствительных. Одно из первых мест среди них занимает оптико-акустический метод, избирательность которого достигается за счет применения селективных оптико-акустических приемников, использующих специфичность инфракрасных спектров поглощения газообразных, парообразных и жидких веществ.

Оптико-акустический эффект был открыт в 1880 году Беллом, Тинделем и Рентгеном. Он состоит в следующем. Если в сосуд, содержащий газ, способный поглощать инфракрасную радиацию, направлять прерываемый с некоторой частотой поток этой радиации, то в газе возникает пульсация давления, субъективно воспринимаемая как звук, если частота прерывания имеет соответствующую величину. Пульсация давления происходит из-за того, что молекулы газа, поглощая кванты падающей радиации, приходят в возбужденное состояние, а затем энергия возбуждения их колебательно-вращательных степеней свободы переходит, в результате неупругих ударений между молекулами, в энергию поступательного движения последних, т.е. в тепло, что приводит вследствие расширения газа к повышению давления.

Оптико-акустический метод весьма универсален: он позволяет анализировать практически все газообразные вещества. Оптико-акустические газоанализаторы основаны на одновременном использовании ряда физических явлений, главными из которых являются:

1) избирательное, зависящее от толщины слоя газа, поглощение инфракрасной радиации большинством газов и паров, в котором происходит поглощение;

2) возбуждение под воздействием модулированного с определенной частотой потока инфракрасного излучения акустических колебаний в замкнутом объеме, заполненном поглощающим газом.

Как показали исследования, амплитуда Р колебаний давления в оптико-акустической камере приближенно может быть выражена следующей формулой (при бесконечно-большом акустическом сопротивлении стенок камеры и микрофона)

, (2.1)

где P₀ - статическое давление газа в камере; T - абсолютная температура; G - тепловая проводимость системы газ-камера; C_V - теплоемкость газа;  - круговая частота модуляции; Q - амплитуда потока излучения, поглощенного в камере.

2.2. Погрешности поверки средств измерений и их определение

Поверка – установление органом государственной метрологической службы пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.

Для поверки характерно такое неприятное явление, как объективно существующие статистические ошибки поверки. Если поверяемый прибор имеет погрешность x, а погрешность его поверки (погрешность эталонной газовой смеси) - x_п, то возможны ошибки поверки, обусловленные случайным характером этих погрешностей. Брак поверки (ошибка) 1-го рода заключается в том, что будет забракован фактически годный прибор. Пусть  - предел допускаемой погрешности прибора. Тогда для возникновения этой ошибки необходимо выполнение следующих условий: (это означает, что прибор годен) и или (по результатам поверки он будет признан негодным). Брак поверки (ошибка) 2-го рода заключается в признании годным фактически негодного прибора. Для этого необходимо выполнение следующих условий: или (прибор негоден) и (по результатам поверки прибор будет признан годным).

Поскольку эти ошибки носят случайный характер, их оценивают вероятностным способом. Найдем выражения для вычисления вероятностей Р₁ и Р₂ этих ошибок. Для этого введем обозначения: - плотность распределения погрешности прибора х, - плотность распределения погрешности поверки x_п.

Как отмечено выше, брак поверки 1-го рода возникает тогда, когда погрешность прибора находится в заданных пределах , а из-за наличия погрешности у эталонной смеси суммарная их погрешность превышает заданные пределы допускаемой погрешности прибора . Вероятность этого события равна:

.

Брак поверки 2-го рода возникает, если прибор превышает пределы допускаемой погрешности , но за счет погрешности эталонной смеси попадает в пределы допускаемой погрешности . Вероятность брака поверки 2-го рода равна:

.

Вероятности Р₁ и Р₂ являются показателями качества поверки.

Вероятности Р₁ и Р₂ можно определить по номограммам, приведенным в Приложении 3. Номограммы построены при естественном предположении о равенстве нулю математических ожиданий распределений x и x_п (т.е., об отсутствии систематических погрешностей у эталонной смеси и у поверяемого прибора). Кроме того, предполагается, что погрешность поверяемого СИ x подчиняется нормальному распределению, а погрешность поверки x_п – нормальному (что типично для случайной погрешности) или равномерному (что типично для неисключенной систематической погрешности). На номограмме обозначены: S – СКО погрешности эталонной смеси, S_T - СКО распределения погрешности поверяемого СИ, - предел допускаемой погрешности поверяемого СИ.

Например, при S=0,15 %, S_T=0,5 %, =1,5 % имеем: , и по номограмме а) Р₂=2 %,

по номограмме б) Р₁=4 %,

по номограмме в) ,

откуда А=0,111,5=0,165 %.