Ассоциация Производителей Энергоэффективных Окон
Ассоциация Производителей Энергоэффективных Окон




Новый метод определения объема содержания Аргона в стеклопакетах или Осторожно, газы!

к.т.н. А. Спиридонов (АПРОК),
к.ф.-м.н. М. Спиридонов (Институт Общей Физики РАН), Москва

Команда "Газы!" дана для всех!
Какая-то реклама чего-то известного

Заполнение стеклопакетов инертными газами (аргон, криптон, ксенон) позволяет существенно повысить сопротивление теплопередаче светопрозрачной конструкции. Особенно актуально это для современных стеклопакетов, в которых одно из стекол имеет теплоотражающее покрытие. Действительно, если заполнить межстекольное пространство стеклопакета инертным газом (в дальнейшем мы будем говорить только про аргон - криптон, конечно, более эффективен, но его стоимость зашкаливает. Про ксенон даже подумать страшно!), возможно повысить сопротивление теплопередаче стеклопакетов с обычными прозрачными стеклами на 3-5%, а конструкций, в которых установлено по крайней мере одно стекло с теплоотражающим покрытием - на 9 -15% [1]. При том, что стоимость заполнения стеклопакетов аргоном практически нулевая, данный метод улучшения теплотехнических характеристик стеклопакетов стал довольно популярным.

Помимо повышения сопротивления теплопередаче стеклопакета, введение в межстекольное пространство инертных газов позволяет снизить вероятность появления конденсата внутри стеклопакета, а также незначительно повысить его звукоизолирующие свойства.

В соответствии с введенным в действие с 01 января 2001 г. ГОСТ 24866-99 "Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия" [2], "объем заполнения стеклопакетов газом должен составлять не менее 90% объема межстекольного пространства стеклопакета" (п.4.1.9).

Начиная с 1 июля 2002 г. вводятся обязательные периодические испытания стеклопакетов на объем заполнения инертным газом. Согласно п.6.16 упомянутого ГОСТа [2], сущность метода испытаний состоит в определении концентрации кислорода внутри стеклопакета. Для проведения испытаний используются специальные газоанализаторы. Фактически, предложенный метод оценки концентрации аргона в стеклопакетах предполагает разрушение образцов. Несмотря на то, что в соответствии с табл.5 ГОСТа [2], периодичность подобных испытаний не более одного раза в год, стоимость рекомендованного в ГОСТе оборудования достаточно велика.

Предложенные в уже упомянутом ГОСТе и применяемые в мире в настоящее время методы измерения концентрации аргона внутри стеклопакета недостаточно точны, ненадежны и требуют значительного времени для проведения испытаний. Кроме того, эти методы (включая оборудование для проведения Рамановской спектроскопии [3]) очень дороги и не могут быть использованы при проведении измерений газонаполнения стеклопакетов на линии по производству стеклопакетов или оценки качества стеклопакетов, установленных в светопрозрачных конструкциях в "полевых условиях", т.е. в построечных условиях.

В последние годы проблема оценки объема газонаполнения стала одной из основных при производстве стеклопакетов. Работы по созданию необходимых для оценки газонаполнения приборов проводятся в Европе и США. Одним из удачных решений данной проблемы стала разработка финской фирмы "Sparklike" [4]. Прибор этой фирмы, разработанный в 2000 г., стоит более 10 тыс. долларов США и уже принят рядом ведущих американских фирм - производителей стеклопакетов. К недостаткам этого прибора следует отнести влияние теплоотражающих покрытий на результаты измерений. Кроме того, данный прибор не способен измерять концентрацию аргона ниже 50%.

Аналогичные разработки были начаты и в России на базе Института Общей Физики Российской Академии Наук в 2000 г. В настоящее время прибор для оценки объема газонаполнения в межстекольном пространстве стеклопакетов "МАСС 2002" создан и прошел предварительные испытания. Для массового производства приборов на базе Ассоциации производителей энергоэффективных окон (АПРОК) создается специальное ООО "АПРОК - МАСС". Оценка потребности отечественных производителей в приборах по оценке объема заполнения стеклопакетов аргонов инертными газами была проведена АПРОК в 2002г. и составляет по нашим данным около 150 приборов в год. Стоимость прибора МАСС при производстве 5 шт. в месяц - это должно произойти в ноябре с.г. - будет составлять 4 000 долларов США.

При постановке задачи по разработке прибора МАСС-2002 для измерения объема заполнения межстекольного пространства стеклопакетов инертным газом было предложено, чтобы прибор и методика измерения удовлетворяли следующим основным требованиям:

  • процесс измерения должен быть неразрушающим;

  • теплоотражающие покрытия стекол не должны влиять на результаты измерений;

  • время одного измерения не должно превышать 30 секунд;

  • точность измерения концентрации аргона в межстекольном пространстве должна быть не хуже 2%;

  • прибор должен работать как в производственных, так и в "полевых" условиях. Производственные измерения должны производиться на линии по производству стеклопакетов с выдачей протокола по каждому стеклопакету. "Полевые" измерения необходимы для контроля установленных стеклопакетов, поскольку через несколько лет эксплуатации концентрация аргона может существенно уменьшиться, что может потребовать замены стеклопакета, несоответствующего зафиксированным в задании теплотехническим характеристикам.

Для решения поставленных задач было предложено использовать методику диодной лазерной спектроскопии для измерения концентрации аргона внутри стеклопакета [5]. Как известно, при производстве стеклопакетов они должны заполняются аргоном путем их продувки и замещения воздуха аргоном. Стандартный уровень заполнения составляет более 90% (90% аргона и 10% воздуха).

Принцип работы предложенного нами газоанализатора на основе диодных лазеров состоит в следующем. Коллимированный луч диодного лазера (ДЛ) проходит через оцениваемый стеклопакет, частота (длина волны) ДЛ периодически перестраивается в пределах узкого спектрального диапазона в области одной из линий поглощения исследуемого газа. Типичное время перестройки ДЛ составляет около 1 мсек, частота повторения - около 100 Гц. При этом регистрируется следующий спектр поглощения:


Рис. 1. Принцип работы газоанализатора на основе диодных лазеров

Концентрация исследуемого газа определяется из выражения (1):

K-1 · L-1 · ln(I0/(I0-DI)), (1)

где:

  • K - коэффициент поглощения, являющийся характеристикой необходимой спектральной линии;

  • L - длина оптического пути (двойная толщина стеклопакета в cм;

  • Io - полная интенсивность излучения ДЛ;

  • DI - поглощенная интенсивность излучения ДЛ

Если линия поглощения очень слабая (т.е. I0 » DI), то приведенное выше выражение упрощается, и концентрация исследуемого газа определяется в соответствии с (2):

K-1 · L-1 · (DI/I0). (2).

Аргон является атомарным газом и имеет только электронные спектры без колебательной и вращательной структуры. Спектральный переход на самый нижний электронный уровень аргона имеет длину волны около 110 нм, т.е. находится в вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Ни стекло, ни воздух непрозрачны в этой области, таким образом, концентрация аргона внутри стеклопакета не может быть измерена оптическими методами непосредственно.

Однако, после того как стеклопакет заполняется аргоном, газ внутри стеклопакета является смесью аргона и воздуха, а воздух содержит около 20% кислорода. Таким образом, если измерить концентрацию кислорода внутри стеклопакета, то концентрация аргона может быть легко вычислена в соответствии с (3):

N[Ar] = 1 - (5 · N[O2]), (3)

где:

  • N[Ar] - концентрация аргона;

  • N[O2] - измеренная концентрация кислорода.

Молекулярный кислород имеет достаточно сильный спектр поглощения в области 760 нм (рис. 2). Хотя коэффициент поглощения достаточно велик, длина оптического пути в случае испытания стеклопакетов достаточно мала (около 7 см), и регистрируемое относительное поглощение(DI/I0) будет составлять около 10-5.


Рис 2. Спектр молекулярного кислорода в области 760 nm.

Видно, что сечение поглощения для самых сильных линий молекулярного кислорода в области 760 нм составляет около 10-23 см2 /мол. Для того, чтобы вычислить интегральную интенсивность линии, эту величину нужно умножить на число Лошмидта (2.6·1019, число молекул в 1 см3 при атмосферном давлении при комнатной температуре). Таким образом, интегральная интенсивность Aint линии определяется в соответствии с (4):

Aint = 2.6·10-4 см-2/атм (4),

Затем, учитывая лоренцовский коэффициент ударного уширения молекулярного кислорода, равный g=0.052 см-1/атм, можно вычислить коэффициент поглощения в центре спектральной линии Acent в соответствии с (5):

Acent=Aint/(g·pi)=1.6·10-3 см-1, (5)

Кроме того, необходимо учесть относительную концентрацию кислорода внутри стеклопакета и длину оптического пути в используемой схеме измерений. Если мы предполагаем, что стандартный уровень заполнения стеклопакета аргоном составляет 90%, то концентрация остаточного кислорода составит 2% (D=0.02). Длина оптического пути L в предлагаемой схеме измерений составляет около 4-7 см при условии, что расстояние между стеклами в однокамерном стеклопакете не превышает 20 мм, а в двухкамерном - 16 мм (рис. 3).

В соответствии с (6) можно оценить относительное поглощение (DI/I0) кислорода внутри стеклопакета при стандартных условиях заполнения его аргоном:

DI/I0=Acent·D·L =(примерно) 1.5·10-4, (6)

В настоящее время предел определения относительного поглощения методами диодной лазерной спектроскопии составляет около 3·10-6, т.е. при использовании приведенной схемы измерений точность определения кислорода составляет 3·10-6 / 1.5·10-4 = 2%. Поскольку содержание аргона составляет около 90%, то, вообще говоря, это означает, что точность определения концентрации аргона будет примерно в 10 раз лучше, т.е. около 0,2 %.


Рис. 3. Оптическая схема газоанализатора на основе диодных лазеров для измерения остаточного кислорода внутри стеклопакета

В приведенной оптической схеме разработанного нами прибора МАСС - 2002 в настоящий момент используется дополнительное плоское зеркало для отражения лазерного луча от противоположной стороны стеклопакета. Вообще говоря, без этого зеркала можно обойтись, что значительно упростит эксплуатацию прибора. В этом случае для оценки объема заполнения стеклопакетов инертным газом будет использоваться луч, отраженный от дальнего стекла стеклопакета. Следует иметь в виду, что от поверхности стекла отражается только 3-5% излучения, и в такой схеме ужесточаются требования к чувствительности системы регистрации оптического сигнала. Усовершенствование прибора МАСС - 2002 будет проведено в течение этого года.

Прибор МАСС - 2002 вполне может использоваться и в "полевых" условиях, поскольку он достаточно компактен (приблизительные размеры оптического блока 5х5х10 см, масса 1 кг) и может питаться от батарей при потребляемой мощности около 20 W, не считая мощности, потребляемой портативным компьютером, который в обязательном порядке входит в комплект прибора. Кстати, указанная выше стоимость МАСС-2002 дана с учетом стоимости портативного компьютера.

На сегодняшний (июль 2002г.) день подготовлены предложения для внесения изменений в п.6.16 ГОСТ 24866-99 "Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия", которые переданы в Госстрой РФ и Государственный институт стекла для согласования. Демонстрация работы прибора для "широкой общественности" предполагается в начале сентября 2002 г. Желающие участвовать в демонстрационных испытаниях могут отправить заявки по адресу:

aprok@rol.ru, А. Спиридонову.

Ассоциация производителей энергоэффективных окон (АПРОК) заинтересована в участии производителей стеклопакетов в долевом финансировании производства приборов МАСС-2002. Все предложения просим направлять по тому же электронному адресу.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Glass Products For Windows and Doors. New Technical Information. Cardinal IG, 2000.
  2. М.Мурадян, М.Саркисов, А.Спиридонов, А.Морозов "Некоторые новые тенденции развития производства современных стеклопакетов", Бюл. "Окна и Двери", №3 (48), 2001.
  3. ГОСТ 24866-99 "Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия", 2001
  4. GasGlass-1000 Technical specifications, Sparklike Ltd., Helsinki, Finland.
  5. Glass Processing Days. Tampere, 2001.