Современные газоанализаторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. СОВРЕМЕННЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Фотоколориметрические газоанализаторы. Действие указанных приборов основано на цветных избирательных реакциях между реактивом-индикатором в растворе, на ленте или специальном порошке и анализируемым компонентом газовоздушной смеси. При этом мерой концентрации определяемого компонента является интенсивность окраски образующихся продуктов реакции. Фотоколориметрические газоанализаторы обладают достаточно высокой чувствительностью и избирательностью, что достигается выбором характерного химического реактива, используемого для приготовления индикаторного средства.

Преимуществом фотоколориметрического метода является возможность создания на его основе универсальных конструкций, так как один и тот же прибор с разными индикаторными растворами может быть использован для определения различных вредных веществ. Определяющим при этом является наличие фотоколориметрической методики для автоматического анализа, отвечающей следующим требованиям: устойчивость реактивов во времени, минимальное время образования окрашенного соединения, чувствительность и специфичность реакции, отсутствие сложных операций, небольшое число реактивов, их невысокая токсичность, пожаро- и взрывоопасность, доступность, несложность приготовления растворов.

По принципу действия фотоколориметрические газоанализаторы подразделяют на жидкостные, ленточные и порошковые.

В жидкостных газоанализаторах реакция протекает в растворе, а концентрацию определяемого компонента измеряют по светопоглощению раствора. Достоинством приборов этого типа является более высокая точность измерения и возможность применения индикаторных растворов, содержащих концентрированные кислоты, что важно для контроля малореакционных при обычных условиях веществ. Однако в связи с наличием в них ряда механических устройств, обеспечивающих перекачивание и дозирование жидкости и газов, их конструкция отличается сравнительной сложностью и громоздкостью, что препятствует широкому их внедрению в практику.

В автоматических газоанализаторах ленточного типа химическая реакция протекает на текстильной или бумажной ленте, пропитанной соответствующими реагентами заранее либо непосредственно перед ее фотоколориметрированием. О концентрации определяемого вещества судят по ослаблению светового потока, отраженного от участка индикаторной ленты, изменившей окраску в ходе анализа.

В данное время создан газоанализатор типа "Сирен", в котором в качестве первичного измерительного преобразователя используют индикаторный порошок. В основу работы этого газоанализатора положен принцип многократного использования окраски поверхности индикаторного порошка под действием содержащегося в воздухе анализируемого газа или пара химического вещества. Эти газоанализаторы надежны в эксплуатации, просты в обращении и могут быть использованы в системах автоматического газового анализа.

Электрохимические газоанализаторы. Из электрохимических методов анализа для создания автоматических газоанализаторов наиболее широко используют кулонометрический и кондуктометрический методы.

Большие возможности кулонометрических газоанализаторов позволяют иметь несколько диапазонов измерения, охватывающих концентрации как на уровне ПДК в атмосферном воздухе, так и при значительных превышениях ПДК.

Стационарный кулонометрический газоанализатор "Палладий-М" для автоматического контроля оксида углерода в воздухе выпускается промышленностью в шести исполнениях, различающихся по числу каналов измерения и по защищенности от воздействия окружающей среды. Этот газоанализатор применяют в стационарных условиях и в условиях передвижных лабораторий. Принцип действия газоанализатора основан на методе потенциостатической амперометрии, заключающемся в измерении тока электрохимической ячейки.

Ионизационные газоанализаторы. Ионизационный способ газового анализа основан на зависимости ионного тока, возникающего в процессе ионизации исследуемого газа, от содержания, контролируемого компонента. Из известных способов ионизации газов (ионизация пламенем, тлеющим разрядом, радиоактивным излучением и облучением коротковолновым светом) при разработке газоанализаторов наиболее часто используют ионизацию пламенем и радиоактивное излучение.

Преимуществами ионизационного метода являются низкий порог чувствительности, широкий диапазон измерения, достаточная надежность и стабильность работы, быстродействие, возможность создания датчиков для систем газового контроля с унифицированным электрическим сигналом. Основной недостаток пламенно-ионизационных газоанализаторов состоит в их низкой избирательности к отдельным органическим компонентам при их совместном присутствии. С помощью пламенно-ионизационного газоанализатора определяют либо их сумму, либо концентрацию компонентов с превалирующими ионизационными эффективностями. Для повышения специфичности анализа на этих приборах используют избирательный перевод контролируемых компонентов в аэрозольную фазу.

Хемилюминесцентные и флуоресцентные газоанализаторы. Принцип работы хемилюминесцентных газоанализаторов основан на измерении интенсивности люминесценции продуктов химической реакции определяемого компонента с реагентом, а флуоресцентных - на измерении интенсивности флуоресценции определяемого компонента под действием УФ-излучения.

Лазерный газоанализатор типа ЛГА. Газоанализатор предназначен для измерения концентрации метана в атмосферном воздухе. Входит в состав передвижных лабораторий для оперативного обследования трасс магистральных и городских газопроводов с целью обнаружения утечки газа. Принцип действия газоанализатора основан на лазерном прямом абсорбционном методе измерения, который заключается в резонансном поглощении излучении метана на длине волны 3,39 мкм. В качестве источника излучения используют газовый лазер, частота излучения которого совпадает с частотой резонансного поглощения излучения метаном. Такое совпадение обеспечивает высокую избирательность и чувствительность измерения.

Оптико-акустические газоанализаторы. Для контроля состава отработавших газов автотранспорта в процессе эксплуатации разработан оптико-акустический газоанализатор. Ультрамикроконцентрации оксида углерода (II), содержащегося в атмосферном воздухе, также измеряют спектроабсорбционным методом с использованием полосы поглощения СО в инфракрасной области спектра 4,66 мкм, где приемниками лучистой энергии служат герметичные камеры с конденсаторным микрофоном, заполненные газовой смесью из определяемого газа. Такие газоанализаторы называют оптико-акустическими.

Оптико-акустический метод основывается на следующем физическом явлении. Если газ, способный поглощать инфракрасные лучи, поместить в закрытый объем, и подействовать влиянием потока инфракрасной энергии, то за некоторый промежуток времени газ нагревается до некоторой температуры, которая определяется условиями теплопередачи. Одновременно увеличивается также давление газа. Когда поток прерывается с некоторой частотой при помощи обтюратора, газ в закрытом объеме периодически нагревается и охлаждается, возникают колебания температуры и давления газа, которые могут быть восприняты чувствительным элементом газоанализатора.

газоанализатор прибор пыль примесь

2. ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ НА СО, СО₂, NO, SО₂ И СН₄

Принцип работы оптико-акустических газоанализаторов (рис. 3.23) основан на измерении поглощения газом инфракрасного излучения (радиации). Газ при прерывистом инфракрасном облучении в замкнутом пространстве измерительной камеры периодически нагревается и охлаждается, что сопряжено с колебаниями давления.

Рис. 3.24. Варианты установки в газопроводе отборного зонда проб технологических газов: а одним подводом пробы газа; б -- с дополнительным инжектирующим подводом вой смеси.

На рис. 3.24 показаны варианты установки отборного зонда проб технологических газов в газопроводах.

Газоанализаторы типа ГИАМ, КЕДР (см. табл. 3.30) предназначены для непрерывного измерения содержания или СО, или N0, или S0₂ в технологических газах и окружающей среде промышленных предприятий в подготовленной с нормированными параметрами пробе газовой смеси. Конструктивно автоматический стационарный газоанализатор выполнен из отдельных блоков, включая газоаналитический преобразователь, блок управления и коррекции, два блока пробоподготовки, аналоговый прибор, шкаф газоанализатора. Питание от источника переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц, потребляемая мощность прибора 220 ВА. Газоанализаторы выпускаются в стоечном, настольном и щитовом исполнениях. Газоанализаторы устанавливают в вентилируемом взрывобезопасном помещении, в воздухе которого отсутствуют примеси, вызывающие коррозию металлических частей и повреждение электрической изоляции. Температура окружающего воздуха 5-45 °С, атмосферное давление 84-106,7 кПа, относительная влажность окружающего воздуха 30-80 %.

Газоанализатор оптико-акустический типа ГИАМ-14

Газоанализатор (рис. 17) предназначен для измерения содержания оксида углерода (СО), диоксида углерода (СОг) или метана (СН4) в анализируемой газовой смеси.

Рис. 17. Газоанализатор оптико-акустический типа ГИАМ-14

Прибор может применяться самостоятельно, а также в системах контроля технологических процессов окружающей среды и газовых выбросах промышленных предприятий.

По принципу действия относится к инфракрасным, оптико-акустическим приборам.

В газоанализаторе предусмотрены два диапазона измерений, каждый из которых имеет линейную характеристику. Возможна как ручная, так и автоматическая установка диапазона измерений. Информация об измеренном значении концентрации представляется на передней панели в цифровом виде в объемных долях процента.

Газоанализатор отличается высокими показателями по надежности, пределу допустимого среднеквадратического отклонения случайной составляющей погрешности. Малые габариты и масса получены в результате применения в приемнике излучения специальной фольги.

Технические характеристики

Диапазон измеряемой концентрации 0...1 и О...2;

О...2 и О...5; О...5 и О...10; О...10 и О...20; О...10 и О...30;

О...20, О...50, О...30 и О...70; О...50 и О...100 % об. доли.

Количество пределов измерений с автоматическим переключателем 2. Пределы допустимой основной приведенной погрешности ± 2%. Время установления выходного сигнала 10 с. Выходной унифицированный сигнал О...5 или 4...20 мА.

Температура анализируемой газовой смеси не более 5...45°С. Содержание пыли в анализируемой газовой смеси не более 10" г/м. Потребляемая мощность не более 90 В-А.

Габаритные размеры: настольного варианта 489х387х130 мм, щитового варианта 520х392х118 мм. Масса не более 12 кг.

Наработка на отказ 20 000 ч. Полный средний срок службы 10 лет.

Условия эксплуатации: температура окружающего воздуха 5...45°С; относительная влажность до 80% при 25°С; атмосферное давление 84...106,7 кПа.

· Газоанализатор имеет цифровую индикацию.

· По заказу потребителя в комплект поставки газоанализатора могут включаться необходимые устройства подготовки пробы, стабилизатор давления газовой смеси, баллон с газовой смесью (ПГС).

· Возможность использования газоанализатора для конкретных целей определяется поставщиком после выяснения задачи у потребителя.

Устройство взрывозащиты газоанализаторов Кедр-1А

Предназначено для установки газоанализаторов в помещения категории В-1А. Вид взрывозащиты “Pх” по ГОСТ Р 51330.3 - 99 (продувка оболочки под избыточным давлением). В качестве защитного газа применяется воздух КИП.

· Блок подготовки защитного газа предназначен для регулирования и стабилизации давления воздуха питания.

· Блок управления предназначен для контроля перепада давления в оболочке, расхода защитного газа, а также для включения и отключения электропитания газоанализатора. Устанавливается во взрывобезопасном помещении, линия связи до 300 м.

3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПЫЛЕ- И ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ

Соблюдение ПДК вредных веществ в воздухе населенных мест требует систематического контроля за фактическим их содержанием в атмосферном воздухе. Такой контроль позволяет оценивать эффективность работы пылеочистного оборудования, предусматривать необходимую степень очистки и совершенствовать технологию производства для снижения концентрации вредных веществ в отходящих газах. Интервал возможных концентраций загрязнений может изменяться от 10^-8 до 10⁵ мг/м³, а полидисперсные системы характеризуются, как правило, еще и широким спектром размеров частиц от 10^-2 до 10³ мкм. Это исключает возможность создания универсального метода измерения концентраций атмосферных загрязнений и объясняет дифференцированный подход к способам их измерения.

Контроль концентрации пыли. При анализе запыленности воздуха предпочтение отдают методам, основанным на предварительном осаждении пыли, так как большинство из них позволяют определять массовую концентрацию взвешенных частиц. К недостаткам этих способов следует отнести циклический характер измерения, высокую трудоемкость и низкую чувствительность анализа. Наиболее часто применяют гравитационный, радиоизотопный и оптические методы.

Гравитационный метод заключается в выделении из пылегазового потока частиц пыли и определения их массы. Концентрацию пыли рассчитывают по формуле С=m/Qф, где m - масса пробы пыли, мг; Q - объемный расход воздуха через пробоотборник, м³/с; ф - время отбора пробы, с.

Гравитационный метод признан стандартным в СССР, Англии, Франции, Бельгии и других странах. Основные преимущества этого метода - получение массовой концентрации пыли и отсутствие влияния ее химического и дисперсного состава на результаты измерений. К недостаткам относится достаточно большая трудоемкость процесса измерения.

Радиоизотопный метод измерения концентрации пыли основан на свойстве радиоактивного излучения (обычно в-излучения) поглощаться частицами пыли. Массу уловленной пыли определяют по степени ослабления радиоактивного излучения при прохождении его через слой накопленной пыли.

Результаты измерения концентрации пыли радиоизотопным методом зависят в некоторой степени от химического и дисперсного состава, что обусловлено особенностью взаимодействия радиоактивного излучения с веществом и нелинейностью зависимости степени поглощения от толщины слоя поглотителя. Однако, как показали исследования, эта погрешность не превышает ± 15%. В то же время методика измерения концентрации пыли радиоизотопным методом проще и не уступает гравитационному методу по точности и чувствительности и при создании автоматических систем контроля атмосферного воздуха вполне может заменить гравитационный метод.

В оптических методах используется зависимость физических свойств (оптической плотности, степени поглощения или рассеивания световых лучей) пылевого осадка или запыленного потока газа от концентрации пыли. Оптическая плотность пылевого осадка зависит от концентрации и толщины уловленного слоя пыли. Измерение оптической плотности по степени светопоглощения или рассеивания света называется фотометрическим методом анализа. С помощью его можно определять до 5*10^-9 г вещества в пробе. Измерение степени рассеивания света взвешенными частицами, находящимися в растворе, положено в основу нефелометрического метода анализа. Чувствительность этого метода до 4*10^-9 г вещества в пробе.

Метод, основанный на явлении поглощения света при прохождении его через пылегазовую среду, называется абсорбционным методом. Такой метод позволяет измерять концентрацию взвешенных частиц непосредственно в атмосферном воздухе без предварительного отбора пробы.- Ослабление света в полидисперсной среде обусловлено не только поглощением, но и его рассеиванием. Изменение интенсивности рассеянного света является функцией размеров частиц. Это явление положено в основу создания приборов, позволяющих определить счетную концентрацию частиц и дисперсный состав анализируемой пыли. Серийно выпускаемый отечественной промышленностью счетчик аэрозольных частиц АЗ-2М регистрирует частицы размером более 0,3 мкм в интервале концентраций от 0 до 25 частиц/см².

Одним из перспективных способов измерения концентрации пыли является пьезоэлектрический метод. Возможны два варианта этого метода. В основе первого лежит измерение изменений частоты колебаний пьезокристалла при осаждении на его поверхности пыли. Этот метод позволяет непосредственно измерять массовую концентрацию пыли. В основе второго - счет электрических импульсов, возникающих при соударении частиц пыли с пьезокристаллом. Этот метод может быть использован для счетной концентрации частиц пыли.

При измерении концентрации пыли находят применение и так называемые электрические методы: индукционный, контактно-электрический, емкостный и др. Эти методы положены в основу создания пылемеров, измеряющих концентрации аэрозолей непосредственно в пылевоздушной среде. На достоверность результатов этих приборов, существенное влияние оказывают влажность, природа пыли и изменение ее дисперсного состава во времени, поэтому широкого распространения для анализа атмосферного воздуха они не получили.

Контроль концентраций газо- и парообразных примесей. Анализ газового состава атмосферного воздуха производится с помощью газоанализаторов, позволяющих осуществлять мгновенный и непрерывный контроль содержания в нем вредных примесей.

Для экспрессного определения токсичных веществ широкое применение нашли универсальные газоанализаторы упрощенного типа (УГ-2, ГХ-2 и др.), основанные на линейно-колористическом методе анализа. При просасывании воздуха через индикаторные трубки, заполненные твердым веществом - поглотителем, происходит изменение окраски индикаторного порошка. Длина окрашенного слоя пропорциональна концентрации исследуемого вещества, измеряемой по шкале в мг/л. Выпускаемый серийно отечественной промышленностью универсальный газовый анализатор УГ-2 позволяет определить концентрацию 16 различных газов и паров. Погрешность измерения не превышает ± 10% от верхнего предела каждой шкалы.

Для постоянного контроля состояния воздушной среды наибольшее применение нашли автоматические приборы, непрерывно регистрирующие концентрации анализируемого компонента в течение определенного времени. Методы контроля газовых примесей можно разделить на оптические, электрохимические, термохимические, хроматографические и др.

Наибольшее распространение для определения токсичных примесей в воздухе нашли оптические методы. Принцип действия оптических газоанализаторов основан на избирательном поглощении газами лучистой энергии в инфракрасной, ультрафиолетовой или видимой областях спектра. К приборам, работающим в инфракрасной области, относятся оптико-акустические газоанализаторы. Обычно они применяются для определения оксида и диоксида углерода, а также метана. Приборы, в которых лучистая энергия поглощается газами в ультрафиолетовой области спектра, применяют для обнаружения в воздухе паров ртути, карбонила, никеля, озона и некоторых других газов. Большое распространение получили фотоколориметрические газоанализаторы, действие которых основано на поглощении лучистой энергии в видимой области спектра растворами или индикаторными лентами, изменяющими свою окраску при взаимодействии с определенным газовым компонентом. Различают жидкостные и ленточные фотоколориметры. В жидкостных фотоколориметрах концентрация анализируемого компонента воздуха определяется по изменению светопоглощения раствора. Принцип действия ленточных фотоколориметров основан на фотометрировании индикаторной ленты, предварительно обработанной раствором, вступающим в химическую реакцию с определенным компонентом. Чувствительность ленточных фотоколориметров выше, чем жидкостных, поэтому они нашли более широкое применение.

В последние годы получили распространение газоанализаторы, использующие не поглощение, а эмиссию излучения анализируемой газовой примеси. Сущность этого метода состоит в том, что исследуемые молекулы, например озона, оксидов азота, соединений серы, тем или иным способом приводят в состояние оптического возбуждения и затем регистрируют интенсивность люминесценции, возникающей при возвращении их в равновесное состояние. Применяются три типа люминесценции (и соответственно три типа газоанализаторов), различающихся между собой по типу возбуждения: хемилюминесценция (возбужденные молекулы возникают в ходе химической реакции), оптически возбуждаемая люминесценция (флюоресценция) и люминесценция в пламени (пламенно-фотометрические газоанализаторы).

Электрические газоанализаторы подразделяются на кондуктометрические и кулонометрические. В основу принципа действия кондуктометрических приборов положено поглощение анализируемого компонента газовой смеси соответствующим раствором и измерение его электропроводности. Такие газоанализаторы широко применяются для определения концентрации сероводорода, сернистого ангидрида, аммиака, оксида и диоксида углерода. В кулонометрических газоанализаторах электрохимическая реакция протекает в ячейке между анализируемым газом и электролитом, в результате которой во внешней цепи появляется электродвижущая сила, пропорциональная концентрации определяемого компонента воздуха. Этим методом можно измерять содержание в атмосфере сернистого ангидрида, сероводорода, диоксида азота, озона, фтористого и хлористого водорода и др.

При хроматографических методах анализа происходит разделение газовоздушной смеси сорбционными методами в динамических условиях. Разделение происходит в результате поглощения газовых компонентов на активных центрах адсорбции. В виду различия физических свойств отдельных составляющих газовоздушной смеси они продвигаются по хроматогра-фической колонке с разной скоростью, что позволяет раздельно фиксировать их на выходе. С помощью хро-матографических методов можно проводить качественный и количественный анализ органических и неорганических примесей воздуха с чувствительностью до 10^-9 - 10^-12%. Хроматографический метод успешно используется для определения содержания диоксида серы, сероводорода, меркаптанов, выхлопных газов автомобилей и обнаружения следов металлов в атмосфере (селена, теллура, ртути, мышьяка и др.).

Широкое применение для регистрации выбросов промышленных предприятий, а также исследования загрязнений атмосферы получили лазерные методы, в которых учитывается рассеивание излучения лазера частицами аэрозолей и молекулами газов. Рассеянная энергия попадает на приемную антенну локатора. Регистрируя и расшифровывая следы взаимодействия лазерных импульсов с атмосферными слоями, можно извлечь информацию о давлении, плотности, температуре, концентрации различных газовых составляющих атмосферы и других параметрах.

Создание лазеров большой мощности с узким и стабильным спектром излучения, лазеров с полностью автоматизированным циклом работ и передачей результатов в вычислительный центр, совершенствование методов извлечения информации из результатов зондирования позволяют осуществлять оперативный контроль степени загрязнения атмосферы в широких масштабах.

Размещено на Allbest.ru