Zespół
Mateusz Kudasik, Juliusz Topolnicki

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do badań sorpcyjnych gazu w sorbentach w warunkach izobarycznych i izotermicznych, zwane sorpcjomatem manometrycznym. Zbudowany prototyp urządzenia sorpcyjnego działa w oparciu o pomiar sorpcji gazu w sorbencie metodą wolumetryczną, udoskonaloną o pracę w warunkach izobarycznych. Sorpcjomat manometryczny składa się z trzech połączonych ze sobą zbiorników:
- Zbiornik zasilający gazu (A) o znanej objętości, zaopatrzony w przetwornik ciśnienia (PA). W zbiorniku tym znajduje się zapas gazowego sorbatu, który w miarę postępów procesu sorpcji, kierowany jest, poprzez elektrozawór (SV), do dwóch pozostałych zbiorników. Zmiany ciśnienia gazu w zbiorniku (A) są miarą ilości związanego sorpcyjnie gazu.
- Zbiornik buforowy (B) zaopatrzony w przetwornik ciśnienia (PB). Wskazania przetwornika pozwalają na stabilizację ciśnienia (pB) gazowego sorbatu w trakcie pomiaru.
- Zbiornik (C) zawierający próbkę. Zbiornik ten w trakcie pomiaru jest połączony ze zbiornikiem buforowym za pośrednictwem zaworu (MV), co zapewnia warunki izobaryczne sorpcji.

Ilość gazu związanego sorpcyjnie wyznaczana jest jako wynik bilansu zawartości tych trzech zbiorników. Ilość gazu zawartego w zbiorniku wyznaczana jest na podstawie znajomości ciśnień (pA), (pB), temperatury (T) i objętości zbiorników. Określenie ilości gazu związanego sorpcyjnie w sorbencie wymaga rejestrowania zmian ciśnień (pA), (pB) i temperatury pomiaru (T). Ponadto konieczna jest równoczesna stabilizacja ciśnienia (pB) i temperatury (T) w trakcie pomiaru. Funkcje te zapewnia system kontrolno-pomiarowy złożony z karty przetwornikowej i oprogramowania komputerowego.

Pomiary za pomocą sorpcjomatu manometrycznego prowadzone są przy stałym ciśnieniu gazowego sorbatu (pB) w zakresie 0-16 bar. Stabilizacja ciśnienia gazu w trakcie pomiaru odbywa się w połączonych zbiornikach (B) i (C). Gaz ze zbiornika (A) do zbiornika (B) napływa poprzez elektrozawór (SV) i kapilarę tłumiącą (DC). Elektrozawór (SV) sterowany jest dwustanowym regulatorem. Na wejście tego regulatora kierowany jest sygnał z przetwornika ciśnienia (PB), na podstawie którego regulator decyduje o konieczności otwarcia lub zamknięcia elektrozaworu (SV). Otwarcie elektrozaworu wywołuje skokowy przyrost ciśnienia (pB), kompensujący ubytek gazu wywołany sorpcją. W trakcie procesu sorpcji gazu w próbce, elektrozawór (SV) otwierany jest quasi-periodycznie z wydłużającym się okresem, aż do momentu osiągnięcia równowagi sorpcyjnej. Zadaniem zbiornika buforowego (B) i kapilary (DC) jest tłumienie skoków ciśnienia (pB) wywoływanych otwieraniem elektrozaworu. Dokładność stabilizacji ciśnienia gazu w trakcie pomiaru w zbudowanym sorpcjomacie manometrycznym wynosi około +/-0.03 bar.

Badania sorpcyjne za pomocą sorpcjomatu manometrycznego prowadzone są w warunkach izotermicznych. Temperatura (T) w trakcie pomiaru, utrzymywana jest na stałym poziomie, regulowanym w zakresie 293-313 K. Rolę termometru pełni bifilarne uzwojenie nawinięte na cylindrycznym korpusie sorpcjomatu. Rolę grzejnika pełni inne uzwojenie odizolowane elektrycznie od termometru. Zewnętrzne uzwojenie grzewcze zabezpieczone jest termoizolacją, której rolę pełni pianka termiczna. Wskazania termometru wprowadzone są na wejście regulatora nadążnego, który decyduje o mocy dostarczanej przez grzejnik. Dokładność stabilizacji temperatury w sorpcjomacie manometrycznym wynosi około +/-0.03 K.

Potencjał komercjalizacji

Dostępność nowoczesnych narzędzi pomiarowych do laboratoryjnych badań sorpcyjnych układu ciało stałe - gaz jest ograniczona. Komercyjne urządzenia, pomimo wysokiej dokładności i dużych możliwości metrologicznych, są rozwiązaniami niezwykle drogimi. Niektóre komercyjne rozwiązania sorpcyjne bazują na metodach sprzed kilkudziesięciu lat, jak na przykład typowe narzędzia wolumetryczne pracujące w warunkach zmiennego ciśnienia. Cechami charakterystycznymi, wyróżniającymi zbudowany sorpcjomat manometryczny spośród komercyjnie dostępnych urządzeń, są prostota jego konstrukcji i obsługi, bardzo niskie koszty jego wytworzenia oraz wysoka precyzja i porównywalność uzyskiwanych wyników z drogimi urządzeniami komercyjnymi. Obecnie zbudowane urządzenie znajduje główne swoje zastosowanie w badaniach naukowych i rozwojowych na potrzeby górnictwa, w szczególności w profilaktyce zagrożeń naturalnych gazowych i wyrzutowych występujących w podziemnych zakładach górniczych.