Какое свойство газов используется в оптических газоанализаторах
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 10 сентября 2013;
проверки требуют 43 правки.
Портативный газоанализатор
Газоанализа́тор — анализатор для определения качественного и количественного состава смесей газов. Различают газоанализаторы ручного действия и автоматические. Среди первых наиболее распространены такие абсорбционные газоанализаторы, в которых компоненты газовой смеси последовательно поглощаются различными реагентами. Автоматические газоанализаторы непрерывно измеряют какую-либо физическую или физико-химическую характеристику газовой смеси или её отдельных компонентов.
Классификация газоанализаторов[править | править код]
По принципу действия автоматические газоанализаторы могут быть разделены на 3 группы:
- Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные химические реакции. При помощи таких газоанализаторов, называемых объёмно-манометрическими или химическими, определяют изменение объёма или давления газовой смеси в результате химических реакций её отдельных компонентов.
- Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные физико-химические процессы (термохимические, электрохимические, фотоионизационные, фотоколориметрические, хроматографические и др.). Термохимические, основанные на измерении теплового эффекта реакции каталитического окисления (горения) газа, применяют главным образом для определения концентраций горючих газов (например, опасных концентраций окиси углерода в воздухе). Электрохимические позволяют определять концентрацию газа в смеси по значению электрической проводимости раствора, поглотившего этот газ. Фотоионизационные, основанные на измерении силы тока, вызванного ионизацией молекул газов и паров фотонами, излучаемыми источником вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения — ВУФ-лампы. Фотоколориметрические, основанные на изменении цвета определённых веществ при их реакции с анализируемым компонентом газовой смеси, применяют главным образом для измерения микроконцентраций токсичных примесей в газовых смесях — сероводорода, окислов азота и др. Хроматографические наиболее широко используют для анализа смесей газообразных углеводородов.
- Приборы, основанные на чисто физических методах анализа (термокондуктометрические, денсиметрические, магнитные, оптические и др.). Термокондуктометрические, основанные на измерении теплопроводности газов, позволяют анализировать двухкомпонентные смеси (или многокомпонентные при условии изменения концентрации только одного компонента). При помощи денсиметрических газоанализаторов, основанных на измерении плотности газовой смеси, определяют главным образом содержание углекислого газа, плотность которого в 1,5 раза превышает плотность чистого воздуха. Магнитные газоанализаторы применяют главным образом для определения концентрации кислорода, обладающего большой магнитной восприимчивостью. Оптические газоанализаторы основаны на измерении оптической плотности, спектров поглощения или спектров испускания газовой смеси. При помощи ультрафиолетовых газоанализаторов определяют содержание в газовых смесях галогенов, паров ртути, некоторых органических соединений.
На данный момент наиболее распространены приборы из двух последних групп, а именно электрохимические и оптические газоанализаторы. Такие приборы способны обеспечить контроль концентрации газов в режиме реального времени.
Все приборы газового анализа также могут быть классифицированы:
- по функциональным возможностям (индикаторы, течеискатели, сигнализаторы, газоанализаторы);
- по конструктивному исполнению (стационарные, переносные, портативные);
- по количеству измеряемых компонентов (однокомпонентные и многокомпонентные);
- по количеству каналов измерения (одноканальные и многоканальные);
- по назначению (для обеспечения безопасности работ, для контроля технологических процессов, для контроля промышленных выбросов, для контроля выхлопных газов автомобилей, для экологического контроля).
Однако, существуют приборы, которые, благодаря своей уникальной конструкции и программному обеспечению, способны в реальном времени проводить анализ нескольких компонентов газовой смеси одновременно (многокомпонентные газоанализаторы), при этом записывая в память полученную информацию. Такие газоанализаторы незаменимы в промышленности, где необходимо непрерывно получать информацию о выбросах или контролировать технологический процесс в режиме реального времени. Анализ проводится также и для компонентов, которые ранее можно было определить лишь другими методами (например, общая концентрация углеводородов (в Журнале «Analytical Chemistry» Американского Химического Общества) и др.) в коррозийных газах и других агрессивных средах. Такие приборы, в зависимости от исполнения, применяются и в качестве систем непрерывного мониторинга газов в промышленности, и в качестве портативных приборов для исследований или экологического мониторинга.
Современные газоанализаторы высокого класса, кроме надёжности и удобства в работе, имеют множество дополнительных функций, например:
- Измерение дифференциального давления газа
- Определение скорости и объёмного расхода газового потока
- Определение расхода газа/бензина
- Встроенную память
- Беспроводной интерфейс для передачи данных на ПК
- Статистическая обработка результатов
- Расчёт массового выброса загрязняющих веществ
Газоанализаторы химические[править | править код]
Газоанализаторы химические, относятся к группе механических приборов. Принцип измерения основан на измерении сокращения объёма забранной пробы газа после удаления анализируемого компонента. В газоанализаторах этого типа применяется метод избирательного поглощения (раздельного дожигания) для удаления анализируемого компонента. Этот метод применим и для переносных ручных газоанализаторов (ГХП2 И ГХП3), и для автоматических. Недостаток этих газоанализаторов состоит в периодичности действия прибора (20-30 анализов в час).
Тепловые газоанализаторы[править | править код]
Тепловые газоанализаторы делятся на два основных подвида: термокондуктометрические и термохимические газоанализаторы. Газоанализаторы этих типов измеряют тепловые свойства определяемого компонента газовой смеси, являющихся мерой их концентрации. Измеряемой величиной приборов этих типов является теплопроводность газовой смеси и полезный тепловой эффект реакции каталитического окисления. Эти характеристики зависят от концентрации определяемого компонента. Термокондуктометрические газоанализаторы можно применять при анализе многокомпонентной газовой смеси по её теплопроводности при условии, что все компоненты газовой смеси, кроме определяемого, имеют одинаковую теплопроводность.
Магнитные газоанализаторы[править | править код]
Магнитные свойства газов характеризуют значениями объёмной магнитной восприимчивости и удельной (или массовой) магнитной восприимчивости.
Оптические газоанализаторы[править | править код]
Принцип действия основан на изменении свойств анализируемой газовой смеси. В газоанализаторах используются следующие оптические свойства: спектральное поглощение, оптическая плотность, показатель преломления и спектральное излучение. Выделяют основные три группы оптических газоанализаторов:
- Абсорбционные (поглощение лучистой энергии во всех областях спектра).
- Интерферометрические (смещение интерферентных полос в связи с изменение оптической плотности).
- Эмиссионные (излучение лучистой энергии).[1]
Применение газоанализаторов[править | править код]
- Экология и охрана окружающей среды: определение концентрации вредных веществ в воздухе;
- В системах управления двигателями внутреннего сгорания лямбда-зонд) и регулирования горения котлов теплоэлектростанций;
- На химически опасных производствах;
- При определении утечек в холодильном оборудовании (так называемые фреоновые течеискатели);
- При определении негерметичности газового и вакуумного оборудования (обычно используются гелиевые течеискатели);
- На взрывоопасных и пожароопасных производствах для определения содержания горючих газов в процентах от НКПР;
- В дайвинге для определения состава газовой смеси в баллонах для погружений;
- В подвалах, колодцах, приямках перед проведением огневых работ.
- В медицине, «мультигаз» обеспечивает контроль за концентрациями газов в дыхательном контуре при проведении анестезии.
- На транспорте, при обеспечении безопасности перевозок (поиск взрывчатых веществ, наркотиков).
См. также[править | править код]
- Анализ газов
- Спектроскопия
- Спектральный анализ
- Аспиратор
- Хроматограф
- Хемилюминесценция
Примечания[править | править код]
- ↑ Маликов М.Ф. Основы метрологии. М., изд-во «Коммерприбор», 1949 — 477 с.
Ссылки[править | править код]
- https://www.edudic.ru/hie/1728/
В оптических газоанализаторах концентрация определяемого компонента измеряется по изменению оптических свойств газовой смеси, к числу которых относятся показатели преломления, спектрального поглощения и излучения, спектральная плотность и т.п. Наиболее распространенными являются четыре группы оптических газоанализаторов: инфракрасного и ультрафиолетового поглощения; фотоколориметрические; люминесцентные; ослабления видимого излучения. Оптические газоанализаторы обладают большой разрешающей способностью, благодаря чему они применяются для анализа микроконцентраций взрывоопасных и токсичных примесей в промышленных газах, при контроле воздуха в атмосфере и производственных помещениях. Из перечисленных типов газоанализаторов наиболее распространенными являются недисперсионные инфракрасные фотометры (NDIR).
Газоанализаторы инфракрасного и ультрафиолетового поглощения. Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения. Газы, содержащие в своем составе два и более разнородных атомов, такие как СО, СO2, СН4, NH3, С2Н2 имеют спектры поглощения в инфракрасной области. Одноатомные газы характеризуются линейчатыми спектрами поглощения, лежащими в ультрафиолетовой области.
Закон Ламберта—Бера определяет связь ослабления монохроматического излучения при прохождении через камеру, заполненную анализируемым газом, с его концентрацией:
Iλ = I0λexp(-ε λcL)
Dλ = ε λcL = ln(I0λ/ Iλ)
где I0λ, Iλ— интенсивность монохроматического излучения на входе и выходе камеры длиной L, заполненной определяемым компонентом с концентрацией с и коэффициентом спектрального поглощения ελ, Dλ — оптическая плотность смеси газов.
Для использования этого метода измерения необходимо, чтобы определяемый компонент имел спектр поглощения, отличающийся от спектров поглощения других компонентов анализируемой смеси. Лежащие в инфракрасной области спектры поглощения СО, СO2, СН4, NH3 изображены на рис. 1. Спектры СO2 и СО, СO2 и СН4 частично перекрываются.
Рис. 1. Спектры поглощения СО, С02, СН4 в инфракрасной области
Схема одного из вариантов приемника инфракрасного излучения представлена на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная схема оптико-акустического лучеприемника:
1 — источник; 2 — диск с отверстиями; 3 — светофильтр; 4 — камера; 5 — чувствительный элемент
Источником 1 создается постоянное излучение, которое с помощью вращающегося диска с отверстиями (обтюратора) 2 и светофильтра 3 преобразуется в пульсирующее монохроматическое излучение. Анализируемый компонент, находящийся в камере 4, поглощает излучение, при этом в камере возникают пульсации температуры, а следовательно, и давления, изображенные на том же рисунке.
Пульсации давления в камере воспринимаются микрофонным чувствительным элементом 5, представляющим собой конденсатор, образованный подвижной мембраной и неподвижной пластиной. Под действием давления мембрана перемещается, вызывая из-за колебаний зазора 5 изменения емкости конденсатора С. Подобного типа преобразователи входят в состав анализаторов недисперсионного инфракрасного излучения (NDIR). Рассмотрим принцип действия микропроцессорного газоанализатора ULTRAMAT6 ф. Siemens, предназначенного для измерения концентраций газов, имеющих спектры поглощения в области длин волн 2…9 мкм, таких как СО, СO2, SO2, NO, NH3, Н2O, СН4 и другие углеводороды. Газоанализатор помимо цифрового индикатора имеет интерфейс RS-485 и может иметь плату для подключения к высокоскоростной полевой шине Fieldbus.
Прибор содержит газовую и электронную части. Схема первой представлена на рис. 3. Поток инфракрасного излучения от источника 1 проходит через светофильтр 2 и делится светоделителем 3 на два потока: анализируемый 4 и эталонный 5. Светоделитель 3 является также фильтровой камерой, заполненной неопределяемым компонентом со спектром поглощения, частично перекрывающим спектр поглощения анализируемого газа. Потоки 4, 5 попадают соответственно в камеру 6 заполненную анализируемым газом, и камеру 7, заполненную азотом. После этих камер потоки попадают в измерительную камеру 8, содержащую секции каждого канала, разделенные по высоте на две части.
Рис. 3. Схема оптических каналов газоанализатора ULTRAMAT:
1 — источник света; 2 — светофильтр; 3 — светоделитель; 4,5 — анализируемый и эталонный поток; 6, 7 — камеры, заполненные газом и азотом; 8 — измерительная камера; 9 — датчик микропотока. 10 — оптический соединитель; 11 — заслонка; 12 — обтюратор
Центры пучков излучения поглощаются в верхней части измерительной камеры, края — в верхней и нижней. Верхние и нижние части секций соединены датчиком микропотока 9, который представляет собой мост, состоящий из двух выполненных в виде решетки никелевых резисторов, нагретых до температуры 120 °С, и двух постоянных. При постоянном потоке излучения 5, попадающем в правую часть измерительной камеры 8, поток, попадающий в левую часть, зависит от концентрации определяемого компонента. Разница давлений в секциях измерительной камеры 8 приводит к появлению микропотока газа, вызывающего изменение теплоотдачи от никелевых резисторов 9, и как следствие, изменение их сопротивления и выходного сигнала моста.
Оптический соединитель 10 удлиняет оптический канал нижней части измерительной камеры 8. Изменением положения заслонки 11 производится начальная балансировка оптических каналов. Для создания пульсаций светового потока используется обтюратор 12. Рассматриваемая конструкция сенсора ИК излучения обеспечивает узкую полосу спектральной чувствительности и отсутствие влияния на показания изменения концентрации неопределяемых компонентов.
ULTRAMAT6 может анализировать до четырех газовых смесей. Пределы измерения СО составляют 0…10 vpm, а СO2 0…5 vpm, расход газа лежит в пределах 12…90 л/ч. Погрешность выходного сигнала находится в пределах ± 0,5 % при недельном уходе начального сигнала и диапазона ±1 %. Приборы этого типа включает система NGA 2000, серия 800, BINOS NDIR ф. Rosemount.
Существуют модификации ИК анализаторов для измерения СО, СO2 в дымовых и выхлопных газах, в которых производится прямое просвечивание потока газа: с одной стороны находится источник ИК излучения, а с другой — приемник.
Большинство газов и паров способны поглощать ультрафиолетовое (UV) излучение, однако ограниченное их число обладают спектрами поглощения, отличными от других газов. Газоанализаторы, основанные на поглощении определенными компонентами ультрафиолетового излучения, применяются для измерения наличия в воздухе токсичных паров ртути, хлора, карбонила никеля. В приборах в качестве источников ультрафиолетового излучения используются ртутные лампы. Схемы могут быть как одноканальными, так и двух- канальными. В качестве приемников излучения на выходе рабочих и фильтровых камер применяются фоторезисторы, вакуумные фотоэлементы и фотоумножители.
Приборы этого типа входят в систему NGA2000, к ним относятся ETL 9100, мод. 2100 фирмы Rosemount.
Фотоколориметрические газоанализаторы. В фотоколориметрических газоанализаторах концентрация определяемого компонента в соответствии с законом Ламберта—Бера измеряется по изменению оптической плотности индикаторного раствора, окраска которого избирательно меняется в присутствии определяемого компонента.
Фотоколориметрический метод характеризуется универсальностью, поскольку один и тот же прибор с различными индикаторными растворами может использоваться для анализа разнообразных компонентов газовой смеси. Он отличается также высокой избирательностью, зависящей от специфичности реакции, протекающей между анализируемым компонентом и индикаторным раствором. Возможность накопления определяемого компонента в индикаторном растворе обеспечивает высокую чувствительность метода. Основанные на этом принципе приборы применяются для контроля состояния воздушного бассейна, они измеряют концентрацию в воздухе таких вредных примесей, как NO, NO2, SO2, Cl2, NH3, H2S. Приборы имеют верхний предел измерения от 0,5 до 50 мкг/л в зависимости от анализируемого компонента.
К оптическим методам анализа относятся методы, использующие различные виды люминесценции. Люминесценция представляет собой холодное свечение, вызываемое светом (фотолюминесценция, флюоресценция), электрическим полем (электролюминесценция), химическими реакциями (хемилюминесценция). Последняя используется в газоанализаторах для измерения концентрации оксида и диоксида азота в газовых смесях.
Структурная схема газоанализатора типа «Клен» представлена на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема газоанализатора типа «Слен»:
КР — реакционная камера; К — клапан; Ф — фильтр; ГО — генератор озона; ПР — побудитель расхода; БД — блок дожига озона; ИП — измерительный преобразователь; РП — регистрирующий прибор
В реакционной камере КР оксид азота окисляется озоном. Реакция сопровождается свечением, интенсивность которого зависит от концентрации NO. Излучение попадает на фотоэлектронный умножитель, входящий в блок электронно-оптического преобразователя. Если анализируемый газ через клапан К, поступает в реакционную камеру, то измеряется концентрация NO. Для измерения концентрации NO + NO2 анализируемый газ пропускается через конвертер К, в котором при температуре 800 °С NO2 восстанавливается до NO.
Для получения озона воздух проходит через фильтр очистки Ф и генератор озона ГО. Расход через прибор анализируемого газа и воздуха создается побудителем расхода ПР. Из реакционной колонки газовая смесь до сброса в атмосферу пропускается через блок дожига озона БД и фильтр. Сигнал электронно-оптического преобразователя поступает на измерительный преобразователь ИП, выходной токовый сигнал которого регистрируется автоматическим миллиамперметром РП-160. Минимальный диапазон измерения прибора составляет 0…100 мг/м3, погрешность в зависимости от модификации составляет ±12; ±20%. Аналогичный принцип действия применяется в анализаторах модели 955 (ф. Rosemount), имеющих диапазоны измерения от 10 до 1000 ррт.
Для измерения концентрации SO2 используется явление флюоресценции молекул под влиянием ультрафиолетового излучения. Автоматизированная система контроля загрязнения атмосферы АСКЗА включает приборы для измерения концентрации СО, СO2, NO, NO2, SO2, основанных на явлениях хемилюминесценции и флюоресценции.
Ослабление светового потока за счет его поглощения и рассеивания взвешенными частицами, находящимися в газе, применяются для измерения содержания золы в уходящих газах котлоагрегатов, для контроля запыленности воздуха в производственных помещениях и содержания в нем частиц влаги. В этих приборах производится просвечивание слоя или потока газа, при этом может измеряться как ослабленный частицами прямой поток, так и отраженный, последнее используется реже. Источником света служат, как правило, лампы накаливания, излучение воспринимается фотоэлементами, фоторезисторами или фотоумножителями. Измеритель задымленности газового потока ИЗА производит прямое просвечивание потока и может измерять задымленность в газоходах шириной от 1 до 10 м. Пределы измерения оптической плотности составляют 0—2 при пределе приведенной погрешности ±2 %.