Назначение, принцип работы и типы газоанализаторов. Газоанализаторы: типы и принципы действия Чем отличается газоанализатор от сигнализатора

Введение

1 Основные понятия

2 Классификация анализаторов

Общие и конструктивные требования к анализаторам

Лазерный газоанализатор

Лазерный оптико-акустический газоанализатор

Мультисенсорный газоанализатор

Сенсорный селективный газоанализатор

Газоанализаторы для охраны труда на предприятиях технического обслуживания транспорта

Технические характеристики газоанализаторов

2 "ОРТ-СО-1"

Заключение

Список литературы

газоанализатор лазерный сенсорный транспорт

Введение

Газоанализатор - измерительный прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов. Различают газоанализаторы ручного действия и автоматические. Среди первых наиболее распространены 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. По принципу действия автоматические газоанализаторы могут быть разделены на 3 группы:

I) 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.

II) Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные физико-химические процессы (термохимические, электрохимические, 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. 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.

III) 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.

Применение газоанализаторов

Экология и охрана окружающей среды: определение концентрации вредных веществ в воздухе

В системах управления двигателями внутреннего сгорания например, лямбда-зонд (Лямбда-зонд (?-зонд) - датчик кислорода в выпускном коллекторе двигателя. Позволяет оценивать количество оставшегося свободного кислорода в выхлопных газах.)

На химически опасных производствах

На взрывоопасных и пожароопасных производствах для определения содержания горючих газов в процентах от НКПР

1. Основные понятия и классификация анализаторов

1 Основные понятия

В системах экологического и аналитического контроля внешней среды и физико-химических свойств веществ широко применяются датчики и измерительные преобразователи (ИП). Эти устройства в сфере экологического контроля и медико-биологических исследований часто называют анализаторами.

Под общим понятием "анализатор" чаще всего подразумевают автоматически или полуавтоматически действующее измерительное устройство (или измерительный преобразователь), которое указывает количественно и качественно состав анализируемого вещества на основе параметров, характеризующих его физические или физико-химические свойства.

Действие анализатора может быть непрерывным или периодическим. Отбор проб также может быть непрерывным или периодическим, ручным или автоматическим. Результат анализа указывается по шкале или регистрируется. О критических значениях результата могут формироваться специальные предупреждающие сигналы.

Типичными анализаторами являются, например, приборы, основанные на измерении поглощения излучения, теплопроводности, магнитной восприимчивости и т.п. К анализаторам можно отнести автоматически действующие вискозиметры, плотномеры, влагомеры, рефрактометры и т.п., поскольку их показания характеризуют состав веществ.

Автоматический анализатор относится к числу устройств, которые действуют полностью автоматически, начиная с отбора пробы и кончая выходным сигналом. Эти приборы могут служить в качестве элементов автоматических регулирующих систем или сигнализирующих устройств, так называемых сигнализаторов. Автоматические анализаторы по своим размерам и массе обычно представляют собой стационарные устройства. Для своего функционирования они требуют, за очень редкими исключениями, подвода вспомогательной энергии, чаще всего электрической. В большинстве случаев они работают непрерывно.

Полуавтоматический анализатор является более низкой ступенью автоматическою анализатора. Полуавтоматический анализатор в своей работе обычно предполагает наличие ручных операций, которые состоят либо в периодической подаче анализируемой пробы, либо в дополнительной обработке результатов анализа. Приборы такого типа не могут применяться в качестве элементов автоматических регулирующих систем. Полуавтоматическим анализатором является, например, хроматограф с ручным дозированием пробы.

Индикатор является разновидностью полуавтоматического анализатора. Обычно он работает периодически и, как правило, требует ручного обслуживания. Часто он выполняется как переносной прибор.

Пробы в большинстве случаев отбираются вручную, а результат анализа не регистрируется. Он может быть либо указан по шкале, либо должен отсчитываться с помощью графиков или других вспомогательных шкал.

Требования к точности индикатора бывают ниже, чем у анализатора, и главное значение придается скорее качественной стороне анализа, чем его количественной оценке. Важное значение имеют, прежде всего, скорость и простота определения, использование наиболее дешевого и легкого переносного устройства с простым обслуживанием.

К индикаторам относятся переносные приборы, такие, например, как, приборы для поиска нарушений герметичности в различных устройствах, приборы для контроля концентрации токсических или взрывоопасных веществ в атмосфере, основанные на самых разнообразных принципах. К индикаторам также относятся и так называемые индикаторные патроны.

Наряду с названием "индикатор" применяется также обозначение детектор. Однако под понятием детектор чаще всего подразумевается собственно измерительное устройство - чувствительный элемент анализатора. [ 3]

2 Классификация анализаторов

Анализаторы классифицируются по различным признакам. Каждая из принятых классификаций имеет свои преимущества и недостатки.

Самым простым является деление анализаторов по физическому (агрегатному) состоянию анализируемого вещества (анализируемой фазы).

В соответствии с этим различают газоанализаторы, анализаторы (концентратомеры) жидкостей, анализаторы твердых веществ.

Газоанализаторы образуют самую многочисленную группу автоматических анализаторов. Количество используемых принципов и методов здесь намного больше, чем у приборов других групп.

Анализаторы жидкостей (концентратомеры) имеют очень широкое применение, но существующие типы приборов не удовлетворяют всем требованиям промышленности. Конструктивно эти приборы сложнее, чем газоанализаторы. В некоторых случаях это - сложные автоматы, часто подражающие действиям аналитика в лаборатории. В целях упрощения конструкций количество операций, как правило, приходится ограничивать, что, однако, не должно осуществляться за счет точности анализа.

Анализаторы твердых веществ (в частности, сыпучих) до настоящего времени являются наименее разработанными приборами. Практически они находятся на начальной стадии своего развития. Наибольшие трудности представляют автоматический отбор представительной (средней) пробы и ее дальнейшая обработка при минимальном запаздывании в выдаче результата анализа. Во многих случаях известными на сегодня методами и техникой еще не удается получить удовлетворительного решения.

По числу определяемых компонентов анализаторы можно разделить на одно- и многокомпонентные.

Однокомпонентные анализаторы - это приборы, которые определяют одну составляющую анализируемого вещества. К ним относится подавляющее большинство анализаторов и индикаторов.

Многокомпонентные анализаторы - это, прежде всего, хроматографы и масс-спектрометры. Другие приборы, например дисперсионные и бездисперсионные инфракрасные анализаторы, тоже можно оформить так, чтобы они обеспечивали определение нескольких компонентов анализируемой смеси.

Согласно принципу действия анализаторы можно разделить на две группы.

Анализаторы, основанные на физических принципах, - это приборы, измеряющие некоторую физическую величину, зависимость которой от химического состава анализируемого вещества точно определена.

Важным свойством этих анализаторов является то, что при измерении не происходит ни количественных, ни качественных изменений анализируемой смеси. Их преимуществом, как правило, является малая постоянная времени, поскольку эти приборы не требуют введения вспомогательного реагента (газа или раствора).

Определенным недостатком физических анализаторов является зависимость значений физических величин от давления, температуры и концентрации сопутствующих компонентов.

Из физических величин для анализа веществ используются измерения плотности, коэффициента преломления, вязкости, теплопроводности, магнитной восприимчивости, поглощения, различных излучений и т.д.

Анализаторы, основанные па физико-химических принципах. Действие этих анализаторов основано на контроле физических явлений, сопровождающих химическую реакцию, в которой определяемое вещество либо участвует само, либо на которую оно оказывает существенное влияние. В некоторых случаях анализируемая смесь сама содержит достаточное количество вещества, необходимого для реакции с определяемым веществом, а иногда к анализируемой смеси приходится добавлять вспомогательное вещество в газовой или жидкой фазе.

Запаздывание в показаниях (постоянная времени) у физико-химических анализаторов больше, чем у приборов, основанных на физических принципах.

К физико-химическим анализаторам относятся, например, приборы, основанные на измерении теплоты реакции, некоторые электрохимические анализаторы и т.п.

2. Общие и конструктивные требования к анализаторам

Применение анализаторов в медицине и экологии преследует цель получения объективных и точных результатов измерения. Поэтому к рабочим характеристикам анализаторов обычно предъявляются высокие требования.

Разработка анализаторов должна учитывать необходимость наиболее широкого применения этих приборов в самых разнообразных рабочих условиях. Выполнить требования универсальности анализаторов весьма трудно. Как правило, каждый тип анализатора предназначается только для данного вещества, определенного диапазона измерения и данных рабочих условий. Из требований, предъявляемых к анализатору, особо выделяют общие и конструктивные.

Общие требования

Разработка отдельных типов анализаторов должна иметь целью выполнение следующих общих требований:

* максимально возможная надежность приборов в работе;

* минимум расходов на их эксплуатацию;

* большой срок службы;

* более широкая область применения;

* минимальная стоимость;

* необходимая производительность (постоянная времени);

* наличие выходных сигналов для взаимодействия с исполнительными устройствами.

Конструктивные требования

Конструкция анализатора определяется характером среды, в которой ему придется работать. С этой точки зрения различают следующие исполнения анализаторов:

) обычное;

) взрывозащищенное;

) для работы в условиях агрессивных или запыленных сред;

) вибро- и тряскопрочное.

Обычные анализаторы сконструированы для невзрывоопасных условий работы. Специальные требования к исполнению, естественно, повышают стоимость прибора.

При проектировании анализаторов должны учитываться все обстоятельства, которые могли бы неблагоприятно отразиться на четкости их работы.

При этом необходимо придерживаться следующих основных правил:

Приборы не должны иметь более широкого диапазона измерения, чем это действительно необходимо для конкретной задачи.

Чувствительность прибора должна быть такой, какая оправдывается потребностями контроля. Слишком чувствительные приборы, как правило, являются очень сложными в эксплуатации, более дорогими и требуют более квалифицированного обслуживания.

В течение длительного времени должна сохраняться точность прибора.

Анализатор должен быть спроектирован так, чтобы в процессе эксплуатации его можно было переградуировать.

Анализаторы, являющиеся датчиками и измерительными преобразователями, должны обладать минимальной постоянной времени и унифицированным выходным сигналом.

Приборы должны быть относительно простыми, чтобы их обслуживание не требовало высокой квалификации работников.

Индикаторы должны удовлетворять такому важному требованию, как скорость измерения. Здесь большой скорости измерения с меньшей точностью обычно отдают предпочтение перед измерением более точным, но более длительным.

3. Лазерный газоанализатор

Высокочувствительный лазерный газоанализатор предназначен для анализа содержания примесных газов в воздушных пробах. Основные элементы газоанализатора: волноводный СО2-лазер, резонансная оптико-акустическая ячейка, а также компьютер, в библиотеке которого содержатся сведения о линиях поглощения 37 газов. Представлены сведения о пределах обнаружения газов разработанным газоанализатором. Предел обнаружения по аммиаку с погрешностью 15% составляет 0.015 ppb.

Необходимость постоянного контроля за содержанием в воздухе большого числа загрязнений на значительных территориях при разумных затратах средств и труда ставит задачу оснащения службы экологического контроля газоанализаторами, удовлетворяющими следующим требованиям: 1) порог обнаружения на уровне предельно допустимых концентраций анализируемых веществ; 2) высокая избирательность по отношению к посторонним веществам; 3) многокомпанентность анализа; 4) высокое быстродействие (малое время цикла измерений при заборе одной пробы), обеспечивающее возможность работы в движении и сравнительно быструю реакцию на превышение заданного уровня концентрации; 5) непрерывность измерений в течение 2-4 ч для определения размеров загрязненной области.

Существующие методы детектирования газов можно условно разделить на традиционные (неспектроскопические) и оптические (спектроскопические). В работе перечислены достоинства и недостатки основных традиционных методов с точки зрения их применения для анализа газовых примесей сложного состава в воздухе.

Спектроскопические методы, быстрое развитие которых определяется уникальными характеристиками лазеров, позволяют устранить основные недостатки традиционных приборов и обеспечить необходимое быстродействие, чувствительность, селективность и непрерывность анализа. В большинстве случаев для детектирования загрязнения воздуха спектроскопическими методами используется средняя и.к.-область спектра, где сосредоточены основные колебательные полосы подавляющего большинства молекул. Видимая и у.ф.-области в этом отношении менее информативны.

Особое место в семействе и.к.-лазерных газоанализаторов занимают приборы с СО2-лазера-ми. Эти лазеры долговечны, надежны и просты в эксплуатации и позволяют детектировать более 100 газов.

Ниже описан газоанализатор (макетный образец), удовлетворяющий вышеперечисленным требованиям. В качестве источника излучения используется волноводный СО2-лазер, чувствительным элементом является резонансная оптико-акустическая ячейка (р.о.а.я.). В основе оптико-акустического метода лежит регистрация звуковой волны, возбуждаемой в газе при поглощении модулированного по амплитуде лазерного излучения в р.о.а.я. Давление звуковой волны, пропорциональное удельной поглощенной мощности, регистрируется микрофоном. Структурная схема газоанализатора приведена на рис. 3,1. Модулированное излучение СО2-ла-зера попадает на узел перестройки длины волны. Этот узел представляет собой дифракционную решетку, позволяющую перестраивать длину волны излучения в диапазоне 9.22-10.76 мкм и получать 84 лазерные линии. Далее излучение через систему зеркал направляется в чувствительный объем р.о.а.я., где регистрируются те газы, которые поглощают поступающее в нее излучение. Энергия поглощенного излучения увеличивает температуру газа. Выделившееся на оси ячейки тепло путем, главным образом, конвекции передается стенкам ячейки. Модулированное излучение вызывает соответствующее изменение температуры и давления газа. Изменение давления воспринимается мембраной емкостного микрофона, что приводит к появлению периодического электрического сигнала, частота которого равна частоте модуляции излучения.

Рисунок3,1. Структурная схема газоанализатора

На рис.3, 2 представлен эскиз внутренней полости р.о.а.я. Он образован тремя цилиндрическими активными объемами: симметрично расположенными объемами 1 и 2 диаметром 20 мм и внутренним объемом 3 диаметром 10 мм. Входное 4 и выходное 5 окна изготовлены из материала BaF2. Микрофон установлен в нижней части ячейки и соединен с активным объемом отверстием 6 диаметром 24 мм.

Рисунок 3,2 Внутренняя полость резонансной оптико-акустической ячейки. 1, 2 - внешние объемы, 3 - внутренний объем. 4, 5 - входное и выходное окна, 6 - отверстие микрофона

Оптический резонанс" обусловленный поглощением лазерного излучения газом, при нормальных условиях возникает при частоте модуляции излучения 3.4 кГц, а фоновый сигнал, обусловленный поглощением излучения окнами р.о.а.я., максимален при частоте 3.0 кГц. Добротность в обоих случаях составляет >20. Такая конструкция р.о.а.я. обеспечивает высокую чувствительность газоанализатора и позволяет подавить вклад фонового сигнала с помощью частотно- и фазово-селективного усилителя. В то же время р.о.а.я. нечувствительна к внешним акустическим шумам. Амплитуда электрического сигнала при измерении концентрации определяется формулой

где K - постоянная ячейки, - мощность излучения лазера, ? - коэффициент поглощения излучения газом, С - концентрация газа.

Перед измерениями проводится калибровка газоанализатора с использованием поверочного газа (СО2) c известной концентрацией.

Измерение амплитуды осуществляется с помощью платы а.ц.п., входящей в состав компьютера фирмы Advantech. Этот же компьютер используется для управления узлом перестройки длины волны и расчета концентраций измеряемых газов.

Разработанная программа обработки информации предназначена для качественного и количественного анализа смеси газов по спектру поглощения лазерного излучения СО2 лазера. Исходной информацией для программы является измеренный спектр поглощения анализируемой газовой смеси. Пример спектра поглощения азота, построенный в единицах оптической толщины , приведенной рис3,3а, а на рис.3,3б представлен пример спектра поглощении с малой добавкой аммиака.

Рисунок 3,3 Спектры поглощения: а - азота при нормальном атмосферном давлении, б - смеси азот-аммиак.

Оптическая толщина, где

См-1 атм-1- коэффицент поглощения j-го газа на i-ой лазерной линии, Сi, атм - концентрация j-го газа, i

Библиотека возможных компонент содержит значения коэффициентов поглощения и представляет собой матрицу размерностью {N x m}. Число представленных в библиотеке газов т = 37, максимальное число анализируемых лазерных линий N - 84 (по 21 линии в каждой ветви СO2-лазера).

В процессе анализа спектра газовой смеси, образованного перекрывающимися линиями поглощения входящих в состав смеси газов, программа отбирает из библиотеки те компоненты, которые позволяют наилучшим образом описать спектр смеси. Одним из основных критериев поиска наилучшего набора компонент служит величина среднеквадратичного отклонения между экспериментальным и найденным в результате итераций спектром поглощения :

Алгоритм решения обратной задачи - поиска концентраций по известному спектру поглощения - построен с помощью метода исключения Гаусса и метода регуляризации по Тихонову, и основные трудности его реализации связаны с оценкой устойчивости решения (элементы матрицы коэффициентов поглощения, так же как и свободные члены, известны лишь приближенно), выбором параметра регуляризации и нахождением критериев прекращения итерационного процесса.

В таблице представлены расчетные сведения о пределах обнаружения некоторых газов описываемым газоанализатором:

ГазПредел обнаружения, ppbГазПредел обнаружения, ppbАкролеин0.3Монометил гидразин0.2Аммиак0.015Озон0.1Бензол0.4Перхлорэтилен0.02t-бутанол0.2Пропанол0.4Винил хлорид0.1Стирол0.4Гексафторид серы0.001Трихлорэтилен0.1Гексахлорбутадиен0.1Фреон-110.2Гидразин0.1Фреон-1130.07Диметилгидразин0.2Фреон-1140.071.1 -дифторэтилен0.06Фреон-120.07Изопропан0.3Фуран0.2Ксилол1Этанол0,2Метилхлороформ0.1Этилацетат0.07Метил этил кетон0.6Этилен0.02Метанол0.06

Основные рабочие характеристики газоанализатора: количество одновременно измеряемых газов - до 6; время измерений 2 мин; предел обнаружения по углекислому газу 0,3 ррт: предел обнаружения по аммиаку 0.015 ppb: диапазон измерений по углекислому газу 1 ррт -10%; диапазон измерений по аммиаку 0.05 ppb-5 ррт; погрешность измерений 15%; напряжение питания 220В ±10%. [ 1]

4. Лазерный оптико-акустический газоанализатор

В результате индустриальной деятельности человека в настоящее время все актуальнее становится проблема охраны окружающей среды и в особенности атмосферы. Для решения этой проблемы необходимо проводить оперативный мониторинг состояния атмосферы, с целью контроля в ней уровня загрязняющих веществ. Лазерный оптико-акустический газоанализатор позволяет с высокой точностью в большом динамическом диапазоне определять количественный состав многокомпонентных газовых смесей Основной особенностью разработанного измерительного комплекса является сопряжение ЛОАГ с персональным компьютером со специальным программным обеспечением. Использование ПК и отдельного микропроцессорного блока управления обеспечивает возможность проведения газоанализа многокомпонентных смесей, оперативность и высокую степень автоматизации процесса измерения. Измерительный комплекс ЛОАГ имеет небольшие массогабаритные параметры, что позволяет использовать его как мобильную систему для контроля чистоты воздуха. Функциональная схема автоматизированного измерительного комплекса на основе ЛОАГ представлена на рис. 4,1. В качестве источника излучения используется непрерывный перестраиваемый СО2 лазер с высокочастотной накачкой н выходной мощностью излучения 1…3 Вт, имеющий около 70 линий генерации в диапазоне 9,2... 10,8 мкм (в этом спектральном диапазоне лежат молекулярные линии поглощения многих загрязняющих веществ). Излучение лазера модулируется обтюратором на акустической частоте. Для контроля выходной мощности лазера используется пироприемник МГ-30, на который с помощью светоделительной пластины из фторида бария направляется часть лазерного излучения.

Рис 4,1. Схема измерительного комплекса на основе ЛОАГ

Модулированное излучение лазера попадает в измерительную ячейку, где поглощается анализируемой газовой смесью, в результате чего образуются колебания давления, регистрируемые как акустические колебания. Тип измерительной ячейки: цилиндрическая нерезонансная, в стенку которой встроен конденсаторный микрофон Выбор ячейки нерезонансного типа, хотя и существенно снижает чувствительность газоанализатора, однако позволяет уменьшить объем и внутреннюю площадь ячейки (а значит уменьшить влияние адсорбции и десорбции и, как следствие, сократить время на необходимую продувку ячейки между двумя заборами газовых проб). Малые размеры нерезонансной ячейки делают ее привлекательной для мобильной системы. Кроме того, устраняется существенный недостаток резонансной ячейки, заключающийся в зависимости частоты акустического резонанса от температуры и вязкости газа. Для повышения чувствительности газоанализатора, содержащего нерезонансную ячейку, используются специальные алгоритмы обработки сигналов.

Система напуска и выпуска газов служит для продувки измерительной ячейки и для забора анализируемой газовой пробы.

Блок управления осуществляет связь по последовательному интерфейсу с ПК. выдает сигналы на перестройку лазеру и на забор газовой пробы системе выпуска и напуска газов. В блоке управления осуществляется предварительная обработка измеряемых сигналов: аналоговая фильтрация, оцифровка, вычисление показателя поглощения, накопление значении показателя поглощения, отбраковка аномальных результатов. Блок управления имеет в своем составе микропроцессор, позволяющий работать газоанализатору в режиме измерения поглощения без использования ПК. Для автономной работа блок управления ЛОАГ имеет также соответствующие органы управления и индикации.

Для измерения концентраций газов многокомпонентных смесей описанный выше газоанализатор работает в комплексе с ПК типа IBM PC со специально разработанным программным обеспечением.

Рис 4,2. Схема программного обеспечения измерительного комплекса.

Программное обеспечение измерительного комплекса (блок-схема изображена на рис.4, 2) позволяет проводить количественный газоанализ многокомпонентной смеси, который можно подразделить на несколько этапов:

поиск набора спектральных каналов измерения (ИСКИ), заключающийся в выборе М спектральных каналов для N -компонентной смеси из К возможных каналов используемого источника излучения (К>М >N);

измерение поглощения исследуемой смеси в найденном ИСКИ;

восстановление концентраций компонентов анализируемой газовой смеси по результатам измерений.

Необходимой входной информацией для комплекса является качественный состав смеси, задаваемый либо на основе некой априорной информации (например, при рутинном газоанализе), либо с помощью проведения предварительных измерений с использованием методов обнаружения газовых компонентов.

Программное обеспечение измерительного комплекса включает в себя также реляционную базу данных, содержащую необходимую информацию для работы измерительного комплекса и состоящую из трех взаимосвязанных таблиц:

) таблицы, содержащей информацию о длинах волн генерации лазера - спектральных каналах измерения, мощности излучения на этих длинах волн, а также информацию необходимую для перестройки лазера на эти линии;

) таблицы, содержащей значения коэффициентов поглощения газов в спектральных каналах из первой таблицы и предельно допустимые концентрации (ПДК) этих газов согласно различным нормам (значения коэффициентов поглощения газов на длинах волн генерации СО2-лазера);

) таблицы, содержащей информацию об источниках получения данных для второй таблицы.

В процессе работы измерительного комплекса возможно редактирование и дополнение базы данных, как из внешних источников, так и в процессе измерения спектров газов самим измерительным комплексом.

На первом этапе работы измерительного комплекса для заданного качественного состава анализируемой смеси определяется оптимальный НСКИ, учитывающий спектральные характеристики компонентов, входящих в смесь, мощности лазерного излучения в отдельных спектральных каналах, а также характеристики измерительной аппаратуры. Для смеси, состоящей из N газовых компонентов, выбирается 2N каналов измерения (для реализации режима дифференциального поглощения). Режим дифференциального поглощения заключается в том, что измерение для каждого анализируемого компонента проводится из двух близких длинах волн. Это позволяет исключить влияние неселективного поглощения и фоновых сигналов, имеющих слабую спектральную зависимость. Поиск оптимального НСКИ оператором вручную для многокомпонентных смесей либо требует больших временных затрат, либо вообще невозможен.

В составе программного обеспечения измерительного комплекса на основе ЛОАГ была реализована автоматизированная система поиска НСКИ с использованием различных методик. В зависимости от задачи возможен либо поиск оптимального набора, требующий относительно больших временных затрат, либо поиск квази-оптимального набора за время менее 1 с. Систем поиска НСКИ в результате выдает информации необходимую для работы системы управление процессом измерения.

На втором этапе газоанализа осуществляется измерение поглощения анализируемой газовой смеси. Блок управления реализован в виде специального программного обеспечения для ПК и отдельного управляющего микропроцессорного модуля (входящего в состав спектрометра). Такая архитектура управляющей системы позволяет выполнять процессы управления ЛОАГ (в том числе перестройку лазера, требующую больших временных затрат), измерения и предварительной обработки сигналов параллельно работе ПК, входящего в измерительный комплекс. Это позволяет существенно уменьшить время на проведение газоанализа. Микропроцессорный модуль спектрометра связан с ПК с помощью последовательного интерфейса, по которому передаются команды задания на измерение и результаты предварительной обработки данных измерения.

На третьем этапе система обработки результатов измерений осуществляет восстановление значений концентраций. Система обработки результатов включает в себя блок предварительной обработки и блок тематической обработки. Предварительная обработка результатов измерения осуществляется в блоке управления ЛОАГ. Блок тематической обработки осуществляет восстановление концентраций компонентов анализируемой газовой смеси. Для этого необходимо решение системы из 2N линейных уравнений (N - число компонентов в смеси) лазерного газоанализа. Сложность решения такой системы заключается в наличии шумов в измеренных сигналах (вектор правой части) и в неточности задания коэффициентов поглощения (матрица коэффициентов правой части). Решение, полученное методом прямого обращения, в такой ситуации будет некорректным, т. е. неустойчивым к малым изменениям правой части и для многокомпонентных смесей, как правило, не удается восстановить концентрации газов без применения специальных алгоритмов обработки. В блоке тематической обработки были реализованы алгоритмы, основанные на регуляризации Тихонова и методе подбора квазирешения, позволяющие получить устойчивое решение.

С использованием разработанного измерительного комплекса на основе ЛОАГ возможно не только однократное автоматизированное проведение всего процесса количественного многокомпонентного газоанализа, но также возможен квазинепрерывный (с дискретом, равным времени на проведение газоанализа) мониторинг многокомпонентных смесей. В режиме квазинепрерывного мониторинга многокомпонентной газовой смеси в блоке тематической обработки осуществляется сглаживание полученных значений концентраций и сравнение их со значениями ПДК. В случае превышения концентрациями анализируемых компонентов значений ПДК измерительный комплекс выдает предупреждающую информацию.

Взаимодействие оператора с измерительным комплексом ЛОАГ осуществляется посредством пользовательского интерфейса, входящего в состав программного обеспечения.

Максимальное число анализируемых компонентов смеси (Nmax) определяется количеством спектральных каналов измерения, определяемых используемым источником лазерного изучения. В нашем случае Nmax ~M max /2 = 35 (Мтах - число спектральных каналов источника излучения). Однако реальное число анализируемых компонентов ограничивается спектральными характеристиками этих газов (из-за взаимного перекрытия их спектров поглощения) и, как следствие, обусловленностью системы линейных уравнений лазерного газоанализа, и составляет 10-15. Точность измерения показателя поглощения, составляющая 1-5%, зависит от мощности излучения в спектральном канале измерения и интенсивности поглощения в этом спектральном канале. Ошибка же восстановления концентраций существенно зависит от количества компонентов, входящих в смесь, и от их спектральных характеристик. Время одиночного измерения составляет единицы минут, и определяется в большей степени временем, необходимым на перестройку СО2-лазера.

При использовании в качестве способа перестройки не поворот дифракционной решетки, являющейся одним из зеркал резонатора, а метод электронной перестройки, возможно дальнейшее сокращение времени, необходимого на проведение газоанализа. Дискретность измерений при непрерывном газоанализе определяется временем, необходимым на одиночное измерение. Небольшие размеры измерительного комплекса, высокая оперативность и автоматизация процесса газоанализа, простота управления делают данный прибор перспективным для контроля чистоты атмосферного воздуха.

5. Мультисенсорный газоанализатор

Описывается модель мультисенсорного газоанализатора, построенная на основе использования параметров высокочувствительных амперометрических электрохимических сенсоров. Обсуждаются варианты выбора потенциала на рабочем электроде сенсора и проблема точности измерения малых концентраций некоторых газовых компонентов в присутствии больших концентраций других.

Важностью одной из основных проблем современного общества - чистоты окружающей среды - объясняется большой интерес к разработкам новых методик газового анализа и их аппаратурному обеспечению. Используемые в настоящее время методики (газохромато-графические, оптические и т.д.) наряду с множеством положительных качеств имеют существенный недостаток, не позволяющий применять их повсеместно. Этим недостатком является высокая стоимость как самой аналитической аппаратуры, так и ее обслуживания. Реальной альтернативой имеющимся методикам может служить метод газового анализа при помощи мультисенсорных газоанализаторов (МСГА), построенных на основе электрохимических сенсоров. Однако до последнего времени из-за отсутствия высокочувствительных сенсоров невозможно было при помощи МСГА решать задачи контроля содержания газовых компонентов в воздухе на уровне ppb, т.е. осуществлять мониторинг воздуха жилой зоны. Появление в настоящее время сенсоров, обладающих высокой чувствительностью и малым уровнем собственных шумов, предоставляет такую возможность.

В настоящей статье анализируются варианты построения мультисенсорного газоанализатора на основе таких сенсоров, а также проводится оценка точности измерения малых концентраций некоторых компонентов газовой смеси в присутствии больших концентраций других.

В предлагаемой авторами модели МСГА с использованием высокочувствительных электрохимических сенсоров S(NО2) и S(SО2) применяются в основном две методики анализа многокомпонентной газовой смеси:

с использованием селективных фильтров для удаления "мешающих" газов;

без использования селективных фильтров, с настройкой потенциала рабочего электрода сенсора.

Оба варианта имеют как свои преимущества, так и недостатки. При идеальной работе селективных фильтров, когда на каждый сенсор поступает только „собственный" компонент, точность определения концентраций максимальна для данной конфигурации сенсоров. В общем случае система линейных уравнений, описывающая конфигурацию измерительной системы, имеет следующий вид:

……………………………………

где Ii - сигнал i-to сенсора, мкА; аij - коэффициент чувствительности i-го сенсора относи- j-ro компонента, мкА"(мг/ м3); Ci - концентрация i-ro компонента смеси, мг/м3.

В случае использования селективных фильтров главный детерминант D0 принимает диагональную

форму aij = 0 при Однако в процессе старения фильтров точность определения концентраций компонентов снижается из-за появления смешанных членов в главном D0 и вспомогательных Di детерминантах Такая ситуация требует проведения повторной калибровки по всем измеряемым компонентам или замены старых селективных фильтров на новые для восстановления первоначальных точностных характеристик МСГА.

Сенсоры S(NO2) и S(SO2), как и другие электрохимические сенсоры, не обладают 100 %-ной селективностью по отношению к основному измеряемому компоненту. Исследования, проведенные авторами, выявили картину влияния на сенсоры S(N02) и S(SO2) таких газов, как NO2, NO и SO2: чувствительность S каждого сенсора к перечисленным газам зависит от значения потенциала V на рабочем электроде сенсора по отношению к электроду сравнения (см. рис 5,1). Характер изменения чувствительности при изменении потенциала V в диапазоне oт -300 до +300 мВ позволяет выбрать, по крайней мере, три рабочие области (РО) установки потенциала на рабочих электродах сенсоров для одновременного измерения концентраций газов.

Была реализована следующая комбинация сенсоров в измерительной системе:

S(NO2) с потенциалом V в PO-1 (-250 ".. -200 мВ) для измерения концентраций NO2 и SO2;

S(NO2) с потенциалом V в РO-2 (200 300 мВ) для измерения концентраций NO2 и NO;

S(SO2) с потенциалом V в РО-З (-200,.. -100 мВ) для измерения концентрации NO2и SO2.

Рисунок 5,1 Зависимость чувствительности S сенсоров от потенциала V на рабочем электроде: а - сенсор S(NO2), б - сенсор S(SO2)

В связи со сложностью выбора эффективных селективных фильтров на уровне ppb-концентраций для газовой смеси NO2 - NO - SO2 были проанализировали варианты установовки на каждый из сенсоров фильтра, способного поглотить только SO2 из газовой смеси (молекулярное сито 4А)

Результаты моделирования одновременного измерения концентраций многокомпонентной газовой смеси с использованием электрохимических сенсоров с неполной селективностью представлены в таблице, где введены следующие обозначения: Сi, - концентрация газа в смеси; ; - концентрация газа, измеренная с помощью МСГА; si - среднеквадратическое отклонение; - 95 %-ный доверительный интервал; - относительная погрешность измерения. (Жирным шрифтом выделены варианты с аномально большой ошибкой измерения.)

Номер измеренийГаз Сi , ppb, ppbsi, ppb, ppb,% Примечание1NO2 SO2 NO100 34 1100 34 11,1 1,4 0,698 ... 103 31 ... 37 0 ... 2,02 10 100Без фильтровNO2 SO2 NO100 34 1100 34 1,11,1 1,4 0,698 ... 102 31 ... 37 -0,1 ...2,42 8 109Фильтр SO2 на S(NO2), РО-1NO2 SO2 NO100 34 1100 34 1,10,8 8,3 0,499... 102 17... 53 0,3 ... 1,82 49 68Фильтр SO2 на S(NO2), РО-32NO2 SO2 NO100 100 1100 100 0,91,1 1,3 0,698 ... 102 98 ... 102 -0,2 ... 2,02 2,5 120Без фильтровNO2 SO2 NO100 100 1100 100 11,2 1,6 0,698... 103 98... 104 -0,2 ...2,12 3121Фильтр SO2 на S(NO2), РО-1NO2 SO2 NO100 100 1100 100 11,1 7,8 0,698…103 87... 117 0... 2,122 15 105Фильтр SO2 на S(NO2), РО-33NO2 SO2 NO100 1 1101 2,0 0,81,1 2,1 0,599... 103 -2,2 ... 6,1 -0,1 ... 2,02,1 210 117Без фильтровNO2 SO2 NO100 1 1101 1,6 1,61,1 2,3 0,599... 103 -3,0 ... 6,1 0,1 ...2,02,5 10268 82Фильтр SO2 на S(NO2), РО-1NO2 SO2 NO100 1 1100 -0,2 11,3 8,0 0,598... 103 -17,3 ... 17,0 0,2 ... 2,02,2 630 2,4Фильтр SO2 на S(NO2), РО-34NO2 SO2 NO100 1 100100 0,5 1001,1 1,6 1,298... 102 -2,6 ...3,6 98... 1021,8 191 2,8Без фильтровNO2 SO2 NO100 1 100101 1,7 1000,9 1,7 1,499... 102 -13 ...4,9 98 ... 1032,2 630 2,4Фильтр SO2 на S(NO2), РО-1NO2 SO2 NO100 1 100100 0,9 1001,3 10,4 1,298 ... 103 -19... 21 98... 1032,5 2115 2,4Фильтр SO2 на S(NO2), РО-3

Как известно, для МСГА, построенных на сенсорах с неполной селективностью, отмечается значительное снижение точности определения малых концентраций отдельных компонентов в присутствии больших концентраций „мешающих" компонентов. Из анализа данных, представленных в таблице, следует, что использование селективного фильтра на SO2 отнюдь не приводит к большей точности измерений, в чем нетрудно убедиться при сравнении результатов измерений № 3 и 4 для малых концентраций SO2 и NO на фоне больших концентраций NО2

6. Сенсорный селективный газоанализатор

Создание газоанализаторов сероводорода связано с многочисленными техническими трудностями. Дело в том, что чувствительный элемент (сенсор) концентрации H2S любого типа деградирует ("отравляется") со временем из-за химической активности H2S. В случае, когда газоанализаторы используются в экологическом мониторинге, проблема усложняется тем, что предельно допустимые концентрации (ПДК) для H2S очень малы (5 ppb для санитарной зоны) наблюдение при высокой чувствительности сенсора ею трудно воспользоваться в реальных условиях работы прибора изменение внешних условий (температуры, влажности, давления) и особенно влияние присутствующих в атмосфере газов могут нивелировать присущую сенсору высокую чувствительность к H2S. Пока проблема измерений малых концентраций H2S решается с помощью газоанализаторов, основанных на резонансных явлениях. Но приборы такого типа весьма сложны, громоздки и дороги Высокочувствительные селективные приборы с сенсорными датчиками к H2S еще не существуют.

Недавно авторам удалось решить задачу создания сенсорного газоанализатора малых концентраций сероводорода на основе МДП-сенсора металл - диэлектрик - полупроводник (МДП). Ниже описан прибор такого типа. Но прежде чем обсуждать конкретные возможности прибора, напомним кратко принцип работы МДП-сенсора. Схема его устройства показана на рис. 6,1.

Рисунок 6,1. Схема устройства МДП-сенсора:

3 - изоляторы; 2 - резистор-нагреватель; 4 - терморезистор; 5 - металл (Pd); 6 - диэлектрик; 7 - полупроводник;

Сенсор состоит из пластинки кремния 7, на которую нанесен слой диэлектрика 6, а затем напылен слой палладия 5. Эта структура представляет собой конденсатор емкостью С, Для оптимальных условий работы сенсор подогревается источником напряжения Е до температуры 100-140 с помощью миниатюрного резистивного нагревателя (1-3). Температура измеряется терморезистором 4 и поддерживается электронным блоком прибора с погрешностью ±0,03 °С.

На рис.6, 2 приведена С(U)-характеристика сенсора, она существенно не линейна. Физико-химический принцип действия сенсора состоит в следующем. Молекулы H2S, попадая из атмосферы на поверхность палладия, изменяют емкость конденсатора, при этом С(U)-характеристика смещается влево, как показано пунктирной кривой. При поддержании на конденсаторе постоянного напряжения смещения UCM емкость изменяется на С. Это изменение можно преобразовать, например, в частоту электронным блоком прибора.

Рисунок.6,2. С(U)-характеристика МДП-сенсора (А - рабочая точка]

На рис.6, 3а, схематически изображена динамическая характеристика сенсора: зависимость С от времени при подаче прямоугольного импульса концентрации К. Величина характеризует скорость отклика сенсора, - релаксацию при удалении H2S. Для концентраций порядка 0,1 ppm составляет 3-5 мин, что определяется диффузионными И сорбционными процессами в самом сенсоре и в камора, содержащей сенсор. На рис. 3, б схематически показана статическая характеристика сенсора: зависимость С от концентрации газа. Вид ее аналогичен для всех газов, различие состоит лишь в концентрации, выше которой наблюдается насыщение. В области концентраций менее 10 ppm она всегда линейна.

Рисунок.6,3. Динамическая (а) и статическая (б) характеристики сенсора

Известно, что МДП-сенсоры обладают очень высокой чувствительностью к ряду газов и поэтому, казалось бы. должны использоваться а газоанализаторах. Однако укоренилось мнение, что им всегда присущи нестабильность и не воспроизводимость характеристик. Вопреки этому мнению, практически все упоминаемые в научной литературе Недостатки МДП-сенсоров удалось преодолеть с помощью специально разработанной лазерной технологии изготовления и при этом сохранить их высокую чувствительность. По своей физико-химической природе МДП-сенсоры неселективны. Они "чувствуют" следующие газы: Н2, H2S, NО2, NH3, СО и др. (в разной степени в зависимости от технологии изготовления). Проблема селективности была решена авторами с помощью двухканальной схемы отбора газовой пробы.

Структурная схема газоанализатора показана на рис.6,4. Исследуемая проба газа прокачивается побудителем расхода попеременно через фильтры Ф1, Ф2 и чувствительный элемент ЧЭ. Поток газа через фильтры переключается электромагнитным клапаном. Сигнал с ЧЭ преобразуется электронным блоком, который связан со специальным процессором. Результат измерений высвечивается на индикаторе.

Рисунок. 6,4. Структурная схема газоанализатора: Ф1, Ф2 фильтры; Кл - клапан; ЧЭ - чувствительный элемент (МДП-сенсор); ПР - побудитель расхода

Идея двухканального отбора пробы состоит в следующем. Предлагаемый сенсор "чувствует" в основном три газа: H2S, NО2 и Н2; соотношение их чувствительностей примерно 100:10:1. Поэтому при измерении малых концентраций H2S присутствие сопутствующих в атмосфере NО2 и Н2 может искажать результаты. Более того, на фоне влияния сопутствующих газов или изменяющихся внешних условий не удается заметить реакцию на очень малые концентрации H2S. В связи с этим материалы фильтров подобраны так, чтобы N02, Н2, влага и др. либо одинаково пропускались, либо одинаково поглощались фильтрами, a H2S хорошо пропускал один фильтр и хорошо поглощал другой фильтр. Тогда, вычитая показания прибора, полученные при поочередной работе каналов, получаем сигнал только от H2S. Таким образом, датчик становится селективным по отношению к H2S. Операции переключения каналов и получения разностного сигнала осуществляет процессор. На индикаторе прибора один раз в 2 минуты высвечивается разность показаний по каналам, которая пропорциональна концентрации H2S. Коэффициент пропорциональности устанавливается при калибровке прибора по аттестованному источнику микроконцентрации H2S.

Метрологические характеристики газоанализатора. Для МДП-сенсора были определены чувствительности S к H2S, NO2, Н2 и влажности в одноканальном режиме работы прибора (без фильтров) Для этого в случае H2S на вход ЧЭ (см. рис. 4) подсоединяли термостат (30) с источником микроконцентраций производительностью 0,35 мкг/мин, изготовленным в ФГУП "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева". Расход пробы составлял 0,5 л/мин, через термостат прокачивали обычный комнатный воздух. Аналогично проводили калибровку по NO2. Производительность источника составляла 7 мкг/мин. При определении чувствительности к Н2 через сенсор прокачивали смесь воздух - Н2 с концентрацией Н2 4 ppm. При определении влияния влажности через ЧЭ прокачивали комнатный воздух, предварительно прошедший 1 поверхностью воды в сосуде.

Для типичного сенсора было получено: = 30 В/ppm,

3 B/ppm, = 0,3 B/ppm, = 10 мВ на 1% измерения относительной влажности при 20 °С. Знак "минус" у = означает, что С(U) характеристика в случае NO2 смещается вправо. Результирующая погрешность измерений прибора при неизменных внешних условиях составляла 10 мВ.

По этим данным с помощью экстраполяции оценим минимально обнаружимую концентрацию H2S. Если задаться относительной погрешностью ±20 %, то соответствующий сигнал составит 50 мВ. Отсюда минимально обнаружимая концентрация H2S будет KmIn =1,5 ppb, т. е. 1/3 ПДК санитарной зоны. Из сравнения Sh2s и видно, что появление в воздухе даже 1-2 ррm водорода (от близости источников тления, горения и т. п.) в 6-12 раз снижает минимально обнаружимую концентрацию H2S. Следует отметить, что водород в воздухе является наиболее "опасным" сопутствующим газом, так как с помощью фильтра от него практически невозможно защитить чувствительный элемент

При работе газоанализатора в двухканальном режиме чувствительности к N02, Н2 и влажности подавляются полностью (до уровня шумов ±10 мВ) подбором материалов и толщин фильтров. Однако результирующая чувствительность к H2S уменьшается при этом в 4 раза и составляет 7,6 B/ppm. Это обусловлено тем, что коэффициент поглощения фильтра на H2S меньше 100 % и время измерений по каналам меньше . В итоге, в двухканальном режиме минимально обнаружимая концентрация H2S составляет около 5 ppb, т. е. равна ПДК санитарной зоны.

Форма сигнала в двухканальном режиме аналогична динамической характеристике, показанной на рис. 3, в.

Технические характеристики газоанализатора СВГ-3: диапазон измеряемых концентраций сероводорода в воздухе 5-200 ppb (0,008-0,320 мг/м3) разрешающая способность 5 ppb

абсолютная погрешность ±2 ppb

время реагирования 3-5 мин

напряжение питания 220 В, 50 Гц

потребляемая мощность 5 Вт

габаритные размеры 210x110x80 мм

масса прибора 1,5 кг

Прибор селективен к сероводороду.

Срок службы чувствительного элемента при непрерывной работе составляет не менее трех лет, если измеряемая концентрация сероводорода не превышает 0,1 ррm. Высокая чувствительность прибора позволяет использовать его также для обнаружения сероводорода, растворенного в воде; при этом датчик размещают над поверхностью воды.

7. Газоанализаторы для охраны труда на предприятиях технического обслуживания транспорта

Во время работ по техобслуживанию транспорта в воздух производственных помещений выделяются различные вредные вещества, опасные для здоровья работников. По закону, вещества I класса опасности должны контролироваться автоматическими газоанализаторами с сигнализацией. Точность существующих анализаторов выхлопных газов для воздуха рабочей зоны недостаточна. С этой целью разработаны газоанализаторы ГАНК-4, соответствующие принятым стандартам.

При техническом обслуживании транспорта, работающего на углеводородном топливе (автомобили, тепловозы, трактора и т. п.), которое проводится в специально отведенных для этого помещениях, в воздух рабочей зоны выделяется целый ряд вредных веществ. Это, прежде всего, монооксид углерода (СО), углеводороды (СН), диоксид азота (NO2), формальдегид (СН2О). При газовой и электрической сварке выделяются озон (О3), NО2 ,СО, СН; при проведении гальванических работ - фтороводород (HF), хлороводород (НС1), NO2; при покраске - ароматические углеводороды, такие как бензол (C6H6), толуол (С7Н8), ксилол (С8Н10). Среди перечисленных веществ есть такие, которые относятся к / классу опасности: СО, NO2, СН2О и др.

При вдыхании СО взаимодействует с гемоглобином. В результате образуется малорастворимое в плазме крови вещество, неспособное переносить кислород, из-за чего нарушается дыхание и кислородный обмен в тканях. Отравление NО2 сопровождается отеком легких, кашлем, рвотой, нарушениями дыхания и аллергическими реакциями. СН2О вызывает раздражение слизистых оболочек и разрушает эндокринную систему.

СН способствуют появлению злокачественных опухолей. Кроме того, все эти вещества не выводятся из организма, а накапливаются в нем, вызывая труднопредсказуемые на ранних стадиях поражения печени и почек. Поэтому при превышении предельно допустимых концентраций для рабочей зоны (ПДКр3) таких веществ в воздухе рабочей зоны работа запрещена.

Согласно ГОСТ 12.1.005-88 "Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности", при возможности попадания таких веществ в воздух рабочей зоны должен быть обеспечен непрерывный контроль за их концентрациями с помощью автоматических газоанализаторов. Последние должны иметь световую и звуковую сигнализации о превышении ПДКр3.

Широко известны газоанализаторы для контроля выхлопных газов автомобильного и железнодорожного транспорта. Однако они не пригодны для контроля воздуха в пределах производственных помещений на некотором удалении от выхлопных труб - для этого их чувствительность недостаточна. Например, концентрация СО в выхлопных газах порядка 1 %, в то время как ПДКр з СО составляет 0,002 %, т. е. в 500 раз меньше. Измерение столь малых концентраций является сложной научно-технической задачей.

В последнее время разработаны датчики, обладающие необходимой для таких измерений чувствительностью. ВНИИ автомобильной электроники и электрооборудования (ВНИИЛЭ) совместно с ООО "НПО "Прибор "" разработали газоанализатор ГАНК-4-1 (рис.7,1), специально предназначенный для контроля воздуха рабочей зоны в гаражах, помещениях автосервиса и испытательных лабораториях. Габариты прибора 250x200x150 мм, масса 3,5 кг. Имеется как переносной, так и стационарный варианты исполнения прибора. Прибор снабжен электрохимическими датчиками СО и NO2, термокаталитическим датчиком СН и сменными ленточными датчиками аммиака, сероводорода, хлора, НСl, HF, уксусной и синильной кислот, О3 и пыли.

Рисунок 7,1.

Каждый ленточный датчик представляет собой специальную кассету с реактивной лентой, чувствительной к содержанию измеряемого вещества. Ленты представляют собой пористую целлюлозную основу, пропитанную растворами, содержащими вещества - индикаторы определяемых веществ. Конструктивно предусмотрена возможность установки дополнительных датчиков на другие вещества.

При включении прибора начинает работать микронасос, который просасывает через поры ленты воздух. При этом происходит химическая реакция, приводящая к изменению окраски ленты. Интенсивность окраски и скорость ее изменения зависят от концентрации измеряемого вещества в воздухе. Каждая кассета снабжена электронным запоминающим устройством, в котором записаны результаты калибровки ленты.

Прибор работает полностью автоматически. Он непрерывно контролирует концентрации примесей. При превышении ПДКр з загорается красный светодиод и подается звуковой сигнал. Имеется возможность вывода данных прямо на монитор ПК через порт RS-232.

Кроме того, для контроля содержания СО, СН и NO2 разработан ряд стационарных термоаналитических и электрохимических газоанализаторов ГАНК-4-СО, ГАНК-4-СН и ГАНК-4-NCb (рис.7,2). Это миниатюрные (габариты - 155*80x60 мм), простые и удобные в обращении приборы, снабженные цифровыми индикаторами, измеряющие концентрации 0,1-9,9 ПДКр з. При превышении 1 ПДКр з замыкаются контакты реле и подается световой сигнал, при превышении 5 ПДКр3 - срабатывает второе реле и подается звуковой сигнал. К реле могут быть подключены исполнительные механизмы - диспетчерский пункт, вентиляция, сигналы оповещения и т. п. Прибор снабжен аналоговым выходом 4...20 мА для связи с ПК или какими-либо КИП.

Рисунок7,2

Приборы ГАНК полностью соответствуют ГОСТ 13320-81 "Газоанализаторы промышленные автоматические: общие технические условия" и делают возможным контроль воздуха рабочей зоны. Их использование позволяет сохранить здоровье работников предприятий техобслуживания автотранспорта. Автоматизация включения вентиляции позволяет экономить электрическую и тепловую энергию, ресурс электрооборудования и воздухоочистителей.

8. Технические характеристики газоанализаторов

8.1 Газоанализатор "СОУ-1"

Принцип работы - электрохимический. Способ забора пробы - диффузионный.

Сигнализатор оксида углерода СОУ-1. Внешний вид и установочные размеры.

В основу принципа действия анализатора положен электрохимический метод. Электрохимический датчик (ЭХД) включает в себя чувствительный элемент-электрохимическую ячейку (ЭХЯ) и плату, на которой расположены терморезистивные цепи, индивидуальные для каждой ячейки и обеспечивающие совместно с устройством аналоговой обработки сигнала компенсацию температурных изменений чувствительности ЭХЯ.

Электрохимическая ячейка является чувствительным элементом сигнализатора и состоит из рабочего электрода, сравнительного электрода и вспомогательного электрода, которые изготовлены путем нанесения металлического катализатора на пористую фторопластовую пленку.

При попадании детектируемого газа через пористую подложку на металлический катализатор рабочего электрода происходит окисление газа с выделением свободных электронов. ЭХЯ формирует токовый сигнал, пропорциональный концентрации измеряемого компонента в воздухе. Электрический сигнал с ЭХД поступает в устройство обработки сигнала, где усиливается и сравнивается с установленным порогом сигнализации.

8.2 Газоанализатор "Орт-СО-01"

Сигнализатор окиси углерода "Орт-СО-01". Внешний вид и установочные размеры.

Газоанализатор окиси углерода "Орт-СО-01"(в дальнейшем газоанализатор) предназначен для непрерывного автоматического контроля концентрации окиси углерода в воздухе в условиях открытых пространств в зонах под навесами, в помещениях с нерегулируемыми климатическими условиями объектов общепромышленного назначения, коммунальных хозяйств.

"Орт-СО-01" является стационарным, одноблочным, одноканальным газоанализатором одиночного компонента непрерывного действия с конвекционной подачей контролируемой среды, цифровой индикацией концентрации определяемого компонента, двухпороговой световой и звуковой сигнализацией и выходами для управления цепями (включения/выключения) внешних исполнительных устройств.

Газоанализатор предназначен для эксплуатации в следующих условиях:

температура окружающей и контролируемой среды от -20°С до +50°С;

относительная влажность окружающей и контролируемой среды от 15% до 95%;

атмосферное давление от 84 кПа до 107 кПа (от 630 до 800 мм.рт.ст.);

внешние синусоидальные вибрации частотой от 5 Гц до 35 Гц амплитудой смещения до 0,35 мм.

Устройство и работа анализатора

Чувствительный элемент (ЧЭ) газоанализатора - электрохимический. Принцип действия ЧЭ основан на зависимости величины тока, возникающего в электрохимической ячейке, от интенсивности реакции окисления на поверхности каталитически активного электрода молекул СО, диффундирующих из контролируемой среды внутрь ячейки через пористую мембрану.

В газоанализаторе применяется трехэлектродный ЧЭ, обозначенный на схеме GS. Токовый выходной сигнал ЧЭ, снимаемый с чувствительного электрода "Sensing", поступает на вход операционного усилителя (ОУ) DA1, представляющего собой преобразователь ток-напряжение. Терморезистор R5; включённый в цепь обратной связи ОУ DA1, предназначен для компенсации температурной зависимости чувствительности ЧЭ.

С целью уменьшения нелинейности преобразования и повышения стабильности работы ЧЭ потенциал чувствительного электрода стабилизирован. Это достигается введением в конструкцию ЧЭ третьего (опорного) электрода "Reference" и следящего усилителя DA2, выход которого подключён ко второму электроду измерительной токовой цепи GS - "Counter".

Ключ VT1, управляемый от источника питания замыкает между собой чувствительный и опорный электроды ЧЭ при отсутствии питающего напряжения газоанализатора (в период хранения или при аварийных отключениях сети 220В). Это предотвращает поляризацию электродов GS, что обеспечивает быстрый процесс установления нормального режима работы ЧЭ при включении газоанализатора.

ОУ DA3 осуществляет обработку сигнала в соответствии с выражением:

где U3 - напряжение на выходе преобразователя измерительного, В;

К=0,01 Вм /мг - номинальное значение крутизны преобразования;

СВх - действительное значение концентрации СО в контролируемой среде, мг/м3;

С0 - смещение нуля ЧЭ, приведённое ко входу, мг/м3; ?С0(Т) - температурный дрейф нуля ЧЭ, приведённый ко входу, мг/м3;

U0 - напряжение сдвига, приведённое к выходу преобразователя измерительного, для коррекции смещения нуля ЧЭ (т.е. выходного тока GS при Свх = 0), В;

?Uo(T) - напряжение компенсации температурного дрейфа нуля ЧЭ, приведённое к выходу преобразователя измерительного, В.

Для точного сопряжения преобразователя измерительного с конкретным экземпляром ЧЭ в газоанализаторе предусмотрены элементы подстройки R13 "0" - коррекция смещения нуля ЧЭ, R15 "Т" - компенсация температурного дрейфа нуля ЧЭ и R21 "К" - установка номинальной крутизны преобразования.

Выходное напряжение ОУ DA3 подаётся через делитель R14, R15 на АЦП и далее - на СОУ, выполненное на светодиодных индикаторах HG1-HG4, которые представляют текущее значение концентрации Свх в рр или в мг/м3 соответственно при отжатой либо нажатой кнопке переключателя SA1 "ppm-mg/m3".

Воздействие той или иной величины содержания СО компонента в воздухе на организм человека представлено в таблице.

Концентрация СО-компонента в воздухе, ррmСимптомыдо 50воздействие в течение нескольких часов не вызывает каких-либо симптомов100воздействие в течение нескольких часов вызывает легкую головную боль в лобной части500воздействие в течение 1 часа вызывает головную боль с нарастающей интенсивностью1 000воздействие в течение 20-30 мин. вызывает головную боль, сопровождающуюся головокружением и тошнотой4 000возможен летальный исход в течение 1 час.

Конструктивно газоанализатор выполнен в корпусе состоящем из основания (поз. 1) и верхней крышки (поз. 2). На верхней крышке и в ее полости размещены: чувствительный элемент (поз. 3), фильтр (поз. 4), плата преобразователя измерительного (поз. 5), плата индикатора (поз. 6), переключатель SA1 "ppm-mg/m " (поз. 7), кнопка сброса звуковой сигнализации SB2 "Сброс Фй" (поз. 8), кнопка включения режима контроля SB1 "Пуск" (поз. 9), пьезоэлектрическая сирена ВА1 (поз. 10). Для уменьшения влияния температурных градиентов ЧЭ и элементы R5 и VD1 преобразователя измерительного снабжены термоизолирующей оболочкой (поз. 11). Плата управления (поз. 12) расположена в основании корпуса. Оси потенциометров R13 "0" (поз. 13) и R21 "К" (поз. 14) выведены на лицевую панель газоанализатора и опломбированы самоклеющейся пломбой (поз. 15).

Заключение

Следует заметить, что применение газоанализаторов различно, начиная от изучения состава газа и заканчивая спасением жизни работника от выбросов вредных веществ, и в настоящее время, если хорошо приглядеться, то с легкостью можно обнаружить эти "хитрые" приборы во многих общественных местах, чаще как анализатор дыма, реже как какой-либо анализатор вредных веществ. Подробное описание каждого газоанализатора позволяет нам понять принцип действия и алгоритм работы прибора, но стоить отметить, что для работы с ним следует хорошо знать инструкцию и методы по которым происходят замеры содержания вредных газов в воздухе. Если же пренебречь этими условиями то последствия могут быть различными, а именно от порчи прибора и до отравления человека с последующим летальным исходом. На сегодняшний день существуют и разрабатываются различные газоанализаторы, которые наверняка спасут не одного человека.

Список литературы

1) Приборы и техника эксперимента, 2002г., №3, с. 111-114.

) Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2002г., №9, с. 38-41.

) Зубков М.В., Локтюхин В. Н., Совлуков А.С., "Датчики и измерительные преобразователи для контроля окружающей среды": учебное пособие; Рязан. гос. радиотехн. ун-т. Рязань, 2009, 64с.

) Приборостроение, 2002г., №3, с. 52-54.

) Измерительная техника, 2004г., №6 с. 67-69.

) Датчики и системы, 2004г., №2, с. 51-52.

) http://ru.wikipedia.org/wiki/Газоанализатор

)Технический паспорт Сигнализатора оксида углерода СОУ-1, руководство по эксплуатации ИБЯЛ.413534.001 РЭ №1855, 1999.

) Технический паспорт Сигнализатора окиси углерода "ОРТ-СО-01", руководство по эксплуатации ПЛРТ.413534.001 РЭ, 2004.

) Бублик. Г. Ф.(отв. Ред.) и др. "Приборостроение", Киев: Лыбедь, 1991, 64с.

Газоанализаторы - это специальные приборы, которые служат, чтобы точно измерять качественный и количественный состав газов. Исходя из их предназначения и принципа эксплуатации, они могут быть ручными и автоматическими. Один из наиболее распространенных типов ручных приборов – это абсорбционные анализаторы.

Принцип действия газоанализатора этого вида основан на том, что составляющие вещества поглощаются в определенной последовательности особыми реагентами. Стационарное оборудование с автоматическим принципом действия производит измерения постоянно, то есть - без перерыва. Оно точно фиксирует все физико-химические показатели изучаемой газовой смеси. Подобные приборы дают возможность получать максимально точные итоги измерений при взаимодействии не только с самим веществом, но и с его отдельными компонентами.

Газоизмерительное оборудование бывает множества разновидностей и наименований. Некоторые из них функционируют на основе физических методов измерения, включающих в себя и применение вспомогательной химической реакции. Подобные приборы называются объёмно-монометрическими. Они позволяют предельно точно обнаруживать любые из изменений объема и давления, происходящие в наблюдаемой среде. Прибор сразу же фиксирует все реакции, в которые вступают отдельные составляющие газовой смеси.

Принцип работы газоанализатора может быть основан и на химических способах анализа наблюдаемой среды. Такие приборы могут отслеживать дополнительные термохимические, хроматографические, электрохимические и фотоколориметрические процессы, что зависит от сферы их применения и характеристик эксплуатации. Принцип действия оборудования также отличается. Например, термохимические приборы измеряют уровень тепла в процессе сгорания газа.

Наиболее часто подобное оборудование применяется тогда, когда нужно отслеживать окись водорода в воздушной среде при подозрениях на ее взрывоопасную концентрацию. Как правило, подобная работа производится с горючими газами, приборы термохимического типа при этом очень помогают.

Множество стационарных газоанализаторов работает только на физических принципах исследования. К данной группе приборов относятся анализаторы, которые функционируют при помощи магнитных и оптических способов измерения.

ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ, приборы, измеряющие содержание (концентрацию) одного или неск. компонентов в газовых смесях (см. также Газовый анализ). Каждый газоанализатор предназначен для измерения концентрации только определенных компонентов на фоне конкретной газовой смеси в нормиров. условиях. Наряду с использованием отдельных газоанализаторов создаются системы газового контроля, объединяющие десятки таких приборов. В большинстве случаев работа газоанализатора невозможна без ряда вспомогат. устройств, обеспечивающих создание необходимых т-ры и давления, очистку газовой смеси от пыли и смол, а в ряде случаев и от нек-рых мешающих измерениям компонентов и агрессивных в-в. Газоанализаторы классифицируют по принципу действия на пневматические, магнитные, электрохимические, полупроводниковые и др. Ниже излагаются физ. основы и области применения Наиб. распространенных газоанализаторов.

Термокондуктометрические газоанализаторы. Их действие основано на зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава. Для большинства практически важных случаев справедливо ур-ние:

где-теплопроводность смеси, - теплопроводность i - того компонента, Ci - eгo концентрация, n-число компонентов.

Термокондуктометрич. газоанализаторы не обладают высокой избирательностью и используются, если контролируемый компонент по теплопроводности существенно отличается от остальных, напр. для определения концентраций Н2, Не, Аг, СО2 в газовых смесях, содержащих N2, О2 и др. Диапазон измерения - от единиц до десятков процентов по объему.

Изменение состава газовой смеси приводит к изменению ее теплопроводности и, как следствие, т-ры и электрич. сопротивления нагреваемого током металлич. или полупроводникового терморезистора, размещенного в камере, через к-рую пропускается смесь. При этом:

где a-конструктивный параметр камеры, R1 и R2- сопротивление терморезистора в случае пропускания через него тока I при теплопроводности газовой среды соотв. и,-температурный коэф. электрич. сопротивления терморезистора.

Термохимические газоанализаторы. В этих приборах измеряют тепловой эффект хим. р-ции, в к-рой участвует определяемый компонент. В большинстве случаев используется окисление компонента кислородом воздуха; катализаторы - марганцевомедный (гопкалит) или мелкодисперсная Pt, нанесенная на пов-сть пористого носителя. Изменение т-рыпри окислении измеряют с помощью металлич. или полупроводникового терморезистора. В ряде случаев пов-сть платинового терморезистора используют как катализатор. Величинасвязана с числом молей М окислившегося компонента и тепловым эффектомсоотношением: , где k-коэф., учитывающий потери тепла, зависящие от конструкции прибора.

Большинство термохим. газоанализаторов используют в кач-ве газосигнализаторов горючих газов и паров (Н2, углеводороды и др.) в воздухе при содержании 20% от их ниж. КПВ, а также при электролизе воды для определения примесей водорода в кислороде (диапазон измерения 0,02-2%) и кислорода в водороде (0,01-1%).

Магнитные газоанализаторы. Применяют для определения О2. Их действие основано на зависимости магн. восприимчивости газовой смеси от концентрации О2, объемная магн. восприимчивость к-рого на два порядка больше, чем у большинства остальных газов. Такие газоанализаторы позволяют избирательно определять О2 в сложных газовых смесях. Диапазон измеряемых концентраций 10-2 - 100%. Наиб. распространены магнитомех. и термомагн. газоанализаторы.

В магнитомеханических газоанализаторах (рис. 3) измеряют силы, действующие в неоднородном магн. поле на помещенное в анализируемую смесь тело (обычно ротор). Сила F, выталкивающая тело из магн. поля, определяется выражением:

гдеи-объемная магн. восприимчивость соотв. анализируемой смеси и тела, помещенного в газ, V-объем тела, H-напряженность магн. поля. Обычно мерой концентрации компонента служит вращающий момент, находимый по углу поворота ротора. Показания магнитомех. газоанализатора определяются магн. св-вами анализируемой газовой смеси и зависят от т-ры и давления, поскольку последние влияют на объемную магн. восприимчивость газа.

Более точны газоанализаторы, выполненные по компенсац. схеме. В них момент вращения ротора, функционально связанный с концентрацией О2 в анализируемой смеси, уравновешивается известным моментом, для создания к-рого используются магнитоэлектрич. или электростатич. системы. Роторные газоанализаторы ненадежны в промышленных условиях, их сложно юстировать.

Действие термомагнитных газоанализаторов основано на термомагн. конвекции газовой смеси, содержащей О2, в неоднородных магнитном и температурном полях. Часто применяют приборы с кольцевой камерой, к-рая представляет собой полое металлич. кольцо. Вдоль его диаметра установлена тонкостенная стеклянная трубка, на к-рую намотана платиновая спираль, нагреваемая электрич. током. Спираль состоит из двух секций - R1 и R2, первая из к-рых помещается между полюсами магнита. При наличии в газовой смеси О2 часть потока направляется через диаметральный канал, охлаждая первую секцию платиновой спирали и отдавая часть тепла второй. Изменение сопротивлений R1 и R2 вызывает изменение выходного напряжения U, пропорциональное содержанию О2 в анализируемой смеси.

Пневматические газоанализаторы. Их действие основано на зависимости плотности и вязкостигазовой смеси от ее состава. Изменения плотности и вязкости определяют измеряя гидромех. параметры потока. Распространены пневматич. газоанализаторы трех типов.

Газоанализаторы с дроссельными преобразователями измеряют гидравлич. сопротивление дросселя (капилляра) при пропускании через него анализируемого газа. При постоянном расходе газа перепад давления на дросселе - ф-ция плотности (турбулентный дроссель), вязкости (ламинарный дроссель) или того и другого параметра одновременно.

Струйные газоанализаторы измеряют динамич. напор струи газа, вытекающего из сопла. Содержат два струйных элемента типа "сопло-приемный канал". Для подачи анализируемого и сравнит. газов служит эжектор 2. Давление на выходе из элементов поддерживается регулятором 4. Равенство давлений газов на входе в элементы обеспечивается соединит. каналом 5 и настройкой вентиля 6. Разница динамич. давлений (напоров), воспринимаемых трубками 1б,- ф-ция отношения и мера концентрации определяемого компонента газовой смеси. Струйные газоанализаторы используют, напр., в азотной пром-сти для измерения содержания Н2 в азоте (диапазон измерения 0-50%), в хлорной пром-сти - для определения С12 (0-50 и 50-100%). Время установления показаний этих газоанализаторов не превышает неск. секунд, поэтому их применяют также в газосигнализаторах довзрывных концентраций газов и паров нек-рых в-в (напр., дихлорэтана, винилхлорида) в воздухе пром. помещений.

Пневмоакустические газоанализаторы содержат два свистка с близкими частотами (3-5 кГц), через один из к-рых проходит анализируемый газ, через второй - сравнительный. Частота биений звуковых колебаний в смесителе частот зависит от плотности анализируемого газа. Биения (частота до 120 Гц) усиливаются и преобразуются в пневматич. колебания усилителем. Для получения выходного сигнала (давления) служит частотно-аналоговый преобразователь.

Пневматич. газоанализаторы не обладают высокой избирательностью. Они пригодны для анализа смесей, в к-рых изменяется концентрация только одного из компонентов, а соотношение между концентрациями других остается постоянным. Диапазон измерения - от единиц до десятков процентов. Пневматич. газоанализаторы не содержат электрич. элементов и поэтому могут использоваться в помещениях любой категории пожаро- и взрывоопасности. Элементы схемы, контактирующие с газами, выполнены из стекла и фторопласта, что позволяет анализировать весьма агрессивные газы (хлор-, серосодержащие и др.).

Инфракрасные газоанализаторы. Их действие основано на избйрат. поглощении молекулами газов и паров ИК-излучения в диапазоне 1-15 мкм. Это излучение поглощают все газы, молекулы к-рых состоят не менее чем из двух разл. атомов. Высокая специфичность молекулярных спектров поглощения разл. газов обусловливает высокую избирательность таких газоанализаторов и их широкое применение в лабораториях и пром-сти. Диапазон измеряемых концентраций 10-3 -100%. В дисперсионных газоанализаторах используют излучение одной длины волны, полученное с помощью монохроматоров (призмы, дифракц. решетки). В недисперсионных газоанализаторах, благодаря особенностям оптич. схемы прибора (применению светофильтров, спец. приемников излучения и т.д.), используют немонохроматич. излучение. В кач-ве примера на рис. 7 приведена Наиб. распространенная схема такого газоанализатора. Излучение от источника последовательно проходит через светофильтр и рабочую кювету, в к-рую подается анализируемая смесь, и попадает в спец. приемник. Если в анализируемой смеси присутствует определяемый компонент, то в зависимости от концентрации он поглощает часть излучения, и регистрируемый сигнал пропорционально изменяется. Источником излучения обычно служит нагретая спираль с широким спектром излучения, реже - ИК-лазер или светодиод, испускающие излучение в узкой области спектра. Если используется источник немонохроматич. излучения, избирательность определения достигается с помощью селективного приемника.

Наиб. распространены газоанализаторы с газонаполненным оптико-акустическим приемником. Последний представляет собой герметичную камеру с окном, заполненную именно тем газом, содержание к-рого нужно измерить. Этот газ, поглощая из потока излучения определенную часть с характерным для данного газа набором спектральных линий, нагревается, вследствие чего давление в камере увеличивается. Посредством мех. модулятора поток излучения прерывается с определ. частотой. В результате с этой же частотой пульсирует давление газа в приемнике. Амплитуда пульсации давления - мера интенсивности поглощенного газом излучения, зависящая от того, какая часть характерного излучения поглощается тем же газом в рабочей кювете. Др. компоненты смеси излучение на этих длинах волн не поглощают. Т. обр., амплитуда пульсации давления в приемнике излучения - мера кол-ва определяемого компонента в анализируемой смеси, проходящей через рабочую кювету. Изменение давления измеряют обычно конденсаторным микрофоном или микроанемометром (датчиком расхода газа). Заменяя газ в приемнике излучения оптико-акустич. газоанализатора, можно избирательно измерять содержание разл. компонентов смесей.

В инфракрасных газоанализаторах используют также неселективные приемники излучения - болометры, термобатареи, полупроводниковые элементы. Тогда в случае источников с широким спектром излучения избирательность определения обеспечивают применением интерференционных и газовых фильтров. Для повышения точности и стабильности измерения часть потока излучения обычно пропускают через сравнит. кювету, заполненную газом, не поглощающим регистрируемое излучение, и измеряют разность или отношение сигналов, полученных в результате прохождения излучения через рабочую и сравнит. кюветы.

Инфракрасные газоанализаторы широко используют для контроля кач-ва продукции, анализа отходящих газов, воздуха помещений. С их помощью определяют, напр., СО, СО2, NH3, СН4 в технол. газах произ-ва синтетич. аммиака, пары ряда р-рителей в воздухе пром. помещений, оксиды азота, SO2, СО и углеводороды в выхлопных газах автомобилей и т.д.

Ультрафиолетовые газоанализаторы. Принцип их действия основан на избират. поглощении молекулами газов и паров излучения в диапазоне 200-450 нм. Избирательность определения одноатомных газов весьма велика. Двух- и многоатомные газы имеют в УФ-области сплошной спектр поглощения, что снижает избирательность их определения. Однако отсутствие УФ-спектра поглощения у N2, O2, СО2 и паров воды позволяет во многих практически важных случаях проводить достаточно селективные измерения в присут. этих компонентов. Диапазон определяемых концентраций обычно 10-2-100% (для паров Hg ниж. граница диапазона 2,5-10-6%).

Схема ультрафиолетового газоанализатора аналогична схеме, приведенной на рис. 7. Имеются также приборы с двумя детекторами излучения без модулятора, в к-рых световые потоки не прерываются. В кач-ве источников излучения обычно применяют ртутные лампы низкого (= 253,7 нм) и высокого (спектр с большим набором линий) давлений, газоразрядные лампы с парами др. металлов (=280, 310 и 360 нм), лампы накаливания с вольфрамовой нитью, водородные и дейтериевые газоразрядные лампы. Приемники излучения - фотоэлементы и фотоумножители. При использовании неселективного источника излучения избирательность измерения в большинстве приборов обеспечивают с помощью оптич. фильтров (стеклянных или интерференционных).

Ультрафиолетовые газоанализаторы применяют гл. обр. для автоматич. контроля содержания С12, О3, SO2, NO2, H2S, C1O2, дихлорэтана, в частности в выбросах пром. предприятий, а также для обнаружения паров Hg, реже Ni (СО)4, в воздухе пром. помещений.

Люминесцентные газоанализаторы . В хемилюминесцентных газоанализаторах измеряют интенсивность люминесценции, возбужденной благодаря хим. р-ции контролируемого компонента с реагентом в твердой, жидкой или газообразной фазе. Пример - взаимод. NO с О3, используемое для определения оксидов азота:

N0 + 03 -> N02+ + 02 -> N02 + hv + 02

Анализируемая смесь и реагент через дроссели поступают в реакц. камеру. Побудитель расхода (насос) обеспечивает необходимое давление в камере. При наличии в смеси определяемого компонента излучение, сопровождающее хемилюминесцентную р-цию, через светофильтр подается на катод фотоумножителя, к-рый расположен в непосредств. близости к реакц. камере. Электрич. сигнал с фотоумножителя, пропорциональный концентрации контролируемого компонента, после усиления поступает на вторичный прибор. При измерении слабых световых потоков, возникающих при малых концентрациях определяемого компонента, фотокатод охлаждают электрич. микрохолодильниками с целью уменьшения темнового (фонового) тока.

Для измерения содержания NO2 в приборе предусмотрен конвертер, где NO2 превращается в NO, после чего анализируемая смесь направляется в реакц. камеру. При этом выходной сигнал пропорционален суммарному содержанию NO и NO2. Если же смесь поступает, минуя конвертер, то по выходному сигналу находят концентрацию только NO. По разности этих сигналов судят о содержании NO 2 в смеси.

Высокая избирательность хемилюминесцентных газоанализаторов обусловлена специфичностью выбранной р-ции, однако сопутствующие компоненты в смеси могут изменять чувствительность прибора. Такие газоанализаторы применяют для определения NO, NO2, NH3, O3 в воздухе в диапазоне 10-7-1%.

В флуоресцентных газоанализаторах измеряют интенсивность флуоресценции (длина волны), возникающей при воздействии на контролируемый компонент УФ-излучения (с частотой v1). В кач-ве примера на рис. 9 представлена схема такого газоанализатора для определения SO2 в воздухе. Анализируемая смесь поступает в детекторную камеру, к-рая отделена от импульсного источника УФ-излучения и от фотоумножителя светофильтрами 3 и 4, пропускающими излучение с длинами волн соотв. и. Фотоумножитель, расположенный под углом 90° к источнику излучения, регистрирует импульсы флуоресценции, амплитуда к-рых пропорциональна концентрации определяемого компонента в камере. Электрич. сигнал с фотоумножителя после усиления и обработки поступает на вторичный прибор. Газоанализаторы для определения SO2 характеризуются высокой чувствительностью и избирательностью. Они используются в автоматич. станциях контроля окружающей среды.

Для удаления паров воды, влияющих на показания люминесцентных газоанализаторов, применяют спец. фильтры (типа молекулярного сита) на входе потока газа в камеру.

Фотоколориметрические газоанализаторы. Эти приборы измеряют интенсивность окраски продуктов избират. р-ции между определяемым компонентом и специально подобранным реагентом. Р-цию осуществляют, как правило, в р-ре (жидкостные газоанализаторы) или на твердом носителе в виде ленты, таблетки, порошка (соотв. ленточные, таблеточные, порошковые газоанализаторы).

Принципиальная схема жидкостного газоанализатора представлена на рис. 10. Излучение от источника проходит через рабочую и сравнит. кюветы и поступает на соответствующие приемники излучения. Индикаторный р-р протекает с постоянной скоростью через обе кюветы и абсорбер. Навстречу потоку р-ра через абсорбер барботирует анализируемый газ. Определяемый компонент, присутствующий в газе, взаимод. с реагентом в р-ре, вызывая изменение оптич. плотности в рабочей кювете, пропорциональное концентрации компонента. В результате интенсивность излучения через одну из кювет изменяется, а через другую-нет. Разность (или отношение) сигналов рабочего и сравнит. каналов - мера концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси.

Подача р-ра может быть как непрерывной, так и периодической. При периодич. подаче анализируемый газ пропускают в течение нек-рого времени через одну и ту же порцию р-ра, что позволяет повысить чувствительность определения. Такие газоанализаторы дают возможность измерить среднюю концентрацию определяемого компонента за заданный промежуток времени, напр. при установлении среднесменных или среднесуточных концентраций токсичных примесей в воздухе.

В ленточных газоанализаторах анализируемый газ поступает в газовую камеру, через к-рую непрерывно или с заданной периодичностью протягивается лента с нанесенным на нее реактивом. В результате р-ции с определяемым компонентом на ленте образуется цветовое пятно, интенсивность окраски к-рого пропорциональна концентрации компонента. Разность (или отношение) световых потоков, отраженных от окраш. и неокраш. участков ленты, - мера концентрации контролируемого компонента в смеси. Иногда используют индикаторную ленту с жидким реактивом. В этом случае реактив наносится на ленту из капельницы непосредственно перед ее контактом с газом.

Принцип действия таблеточных и порошковых газоанализаторов такой же, как у ленточных, но эти приборы, как правило, циклич. действия. Для получения чистой пов-сти перед каждым циклом измерения срезается верх. окраш. слой таблетки или заменяется порция порошка.

Время работы ленточных и таблеточных газоанализаторов без замены ленты или таблетки достигает 30 сут и более. Источники излучения в фотоколориметрич. газоанализаторах-обычно лампы накаливания и полупроводниковые светодиоды, фотоприемники - фотоумножители, фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы. Эти приборы позволяют с высокой избирательностью определять разл. газообразные (парообразные) в-ва в диапазоне концентраций 10-5-1%. Особенно высока чувствительность у газоанализаторов периодич. действия; их недостаток - некрое запаздывание показаний.

Фотоколориметрич. газоанализаторы применяют гл. обр. для измерения концентраций токсичных примесей (напр., оксидов азота, О2, С12, CS2, O3, H2S, NH3, HF, фосгена, ряда орг. соед.) в атмосфере пром. зон и в воздухе пром. помещений. При контроле загрязнений воздуха широко используют переносные приборы периодич. действия. Значит. число фотоколориметрич. газоанализаторов применяют в качестве газосигнализаторов.

Электрохимические газоанализаторы. Их действие основано на зависимости между параметром электрохим. системы и составом анализируемой смеси, поступающей в эту систему.

В кондуктометрических газоанализаторах измеряется электропроводность р-ра при селективном поглощении им определяемого компонента. Обычно схема прибора включает элек-трич. мост постоянного или переменного тока с двумя кондуктометрич. ячейками, через к-рые протекает электролит. В одну из ячеек электролит поступает после контакта с потоком анализируемого газа. Выходной сигнал пропорционален разности электропроводностей р-ра до и после контакта с контролируемой смесью. Эта разность зависит от концентрации растворенного в электролите определяемого компонента. Изменяя расходы электролита и анализируемой смеси, можно в широких пределах изменять диапазон определяемых концентрации. Недостатки этих газоанализаторов-низкая избирательность и длительность установления показаний при измерении малых концентраций. Кондуктометрич. газоанализаторы широко применяют для определения О2, СО, SO2, H2S, NH3 и др.

Действие потенциометрических газоанализаторов основано на зависимости потенциала Е индикаторного электрода от активности а электрохимически активных ионов, образовавшихся при растворении определяемого компонента:

где E°-стандартный электродный потенциал, R- универсальная газовая постоянная, Т - абс. т-ра, F- число Фарадея, n-число электронов, участвующих в электрохим. р-ции. Измеряемое значение Е пропорционально концентрации контролируемого компонента, растворенного в электролите. Эти газоанализаторы применяют для определения СО2, H2S, HF, NH3, SO2 и др.

Большое распространение получили потенциометрич. газоанализаторы с твердым электролитом для измерения содержания О2. Керамич. пластина на основе СаО и ZrO2 при высокой т-ре начинает проводить ионы кислорода, т.е. ведет себя как электролит. На пов-сть такой пластины с обеих сторон наносят тонкие слои пористой платины (платиновые электроды). С одной стороны пластины подают анализируемую газовую смесь, с другой - сравнительный газ. Разность потенциалов между электродами - мера содержания О2. Термостат поддерживает т-ру электрохим. ячейки в нужном диапазоне. С помощью таких газоанализаторов определяют О2 в широком диапазоне концентраций (10-4-100% по объему). Присутствие углеводородов в анализируемой смеси приводит к искажению результатов из-за их окисления при высокой т-ре.

Действие амперометрических газоанализаторов основано на зависимости между электрич. током и кол-вом определяемого компонента, прореагировавшим на индикаторном электроде. Если контролируемый компонент полностью вступает в электрохим. р-цию, то выполняется закон Фарадея: I = = nFQC, где I-ток, Q- расход газа, С-концентрация определяемого компонента, F-число Фарадея, n-число электронов, участвующих в р-ции.

Электрохим. превращение данного компонента газовой смеси со 100%-ным выходом по току (т.е. отсутствие побочных электродных р-ций) обеспечивается выбором индикаторного электрода и его потенциала. Необходимое постоянное значение разности потенциалов поддерживается благодаря тому, что сравнит. и индикаторный электроды выполняют из двух разных специально подобранных металлов, напр. из Аи и Zn, Au и Pb, Ni и Cd (ячейки гальванич. типа). Разность потенциалов можно стабилизировать и посредством электронной системы с использованием третьего вспомогат. электрода (ячейки потенциостатич. типа).

Амперометрич. газоанализаторы применяют для определения газов, обладающих окислит.-восстановит. св-вами, напр. SO2, NO2, H2S, О2, С12, О3. В газоанализаторах для измерения содержания SO2 в воздухе (рис. 12) анализируемый газ поступает на измерит. электрод 3 электрохим. ячейки и по газовому каналу - в камеру с запасным электролитом 9, в к-рый помещен электрод сравнения 5. Вспомогат. электрод 2 расположен в отдельной камере, к-рая, как и камера 9, соединена с камерой измерит. электрода электролитич. каналом. Достоинства амперометрич. газоанализаторов-высокая чувствительность и избирательность.

Кроме рассмотренной выше конструкции электрохим. ячейки барботажного типа (с непосредств. продуванием смеси через электролит) широкое применение находят ячейки с т. наз. газодиффузионными электродами, где газ отделен от электролита пористой газопроницаемой полимерной мембраной. Со стороны, контактирующей с электролитом, на мембрану наносят мелкодисперсный электродный материал (Pt, Pd, Au). Такие системы отличаются более высокой чувствительностью и стабильностью характеристик.

В основе кулонометрических газоанализаторов компенсац. типа лежит метод кулонометрич. титрования, к-рый заключается в электрохим. получении (генерировании) реагента-титранта, способного быстро взаимод. с определяемым компонентом газовой смеси, растворенным в электролите. Этот газоанализатор включает цепи генерирования и индикации. Электрохим. ячейка содержит соотв. две пары электродев - катод и анод, на к-рых идет электролиз и генерируется титрант, а также индикаторный электрод и электрод сравнения. Ток электролиза автоматически поддерживается постоянным. После того как все контролируемое в-во полностью прореагирует с электрогенерированным титрантом, окислит.-восстановит. потенциал системы резко изменяется, что обнаруживается по скачку потенциала индикаторного электрода. Кол-во электричества, прошедшее через ячейку до завершения р-ции, эквивалентно концентрации определяемого компонента.

Ионизационные газоанализаторы. Их действие основано на зависимости электрич. проводимости ионизов. газов от их состава. Появление в газе примесей оказывает дополнит. воздействие на процесс образования ионов или на их подвижность и, следовательно, рекомбинацию. Возникающее при этом изменение проводимости пропорционально содержанию примесей.

Все ионизац. газоанализаторы содержат проточную ионизац. камеру (как на рис. 13), на электроды к-рой налагают определенную разность потенциалов. Эти приборы широко применяют для контроля микропримесей в воздухе, а также в кач-ве детекторов в газовых хроматографах. Ниже рассмотрены Наиб. распространенные типы ионизац. газоанализаторов, используемые без предварительного хроматографич. разделения пробы.

К радиоизотопным газоанализаторам, в к-рых ионизацию газов осуществляют радиоактивным излучением, относятся приборы на основе сечения ионизации, электронно-захватные и аэрозольно-ионизационные. В первых используют разницу в сечениях (вероятности) ионизации компонентов смеси. Ионизацию осуществляют обычноизлучением 90Sr, 3H, 63Ni, 147Pm. Эти Газоанализаторы не избирательны, их применяют для анализа смесей H2-N2, N2-CO2, Н2 - этилен, Н2-СН4, H2-CH3SiCl3, H2-BC13 и т.п.; диапазон измерения 0,01-100%; время установления показаний - до 0,1 с.

Действие электронно-захватных газоанализаторов основано на способности молекул ряда в-в (О2, Н2О, галогены, галогенсодержащие орг. соед., ароматич. углеводороды, спирты, карбонильные соед. и др.) захватывать своб. электроны, возникающие при ионизации газов, и превращаться при этом в ионы. Последние имеют меньшую подвижность, чем электроны, в результате чего ионизац. ток падает пропорционально концентрации в-ва. Электронно-захватные газоанализаторы применяют для контроля примесей (в частности, галогенов при их концентрации 10-3-104%) в чистых газах и воздухе. При определении примесей в воздухе на входе в газоанализаторы обычно помещают полимерные мембраны, задерживающие О2.

В основе действия аэрозольно-ионизационных газоанализаторов лежит зависимость ионизац. тока от концентрации аэрозольных частиц, образующихся после предварительного избират. перевода определяемого компонента смеси в аэрозоль. Этот перевод осуществляют обычно хим. р-цией с соответствующим реагентом или фотохим. р-цией в газовой фазе, пиролизом исследуемого в-ва, а также сочетанием пиролиза с послед. хим. р-цией с реагентом. Напр., при определении NH3 в кач-ве реагента можно использовать пары соляной к-ты; в результате образуется аэрозоль NH4C1. Размер аэрозольных частиц 10-7-10-4 см. Концентрации анализируемых компонентов 10-5-10-3%. Аэрозольно-иониза-ционный газоанализатор используют, в частности, для определения микропримесей NH3, аминов, НС1, HF, NO2, паров HNO3, карбонилов Ni и Со, фосгена и ряда др. соед. в воздухе пром. помещений.

В пламенно-ионизационных газоанализаторах анализируемые орг. соед. ионизуют в водородном пламени. Эффективность ионизации пропорциональна числу атомов С, поступающих в пламя в единицу времени, но зависит также от наличия в молекуле в-ва атомов др. элементов. Схема такого прибора представлена на рис. 14. Горелка служит одним из электродов ионизац. камеры. Второй электрод ("коллекторный") - тонкостенный цилиндр или кольцо. Эти газоанализаторы используют для определения орг. в-в в воздухе и технол. газах. При совместном присутствии ряда орг. компонентов находят либо их сумму, либо концентрацию компонентов со значительно большей эффективностью ионизации. С помощью пламенно-ионизационных газоанализаторов контролируют изменения суммарного содержания углеводородов в атмосфере и токсичные примеси в воздухе пром. помещений, чистоту выхлопных газов автомобилей, утечки газов из трубопроводов и подземных коммуникаций. Диапазон измеряемых концентраций 10-5-1%. Имеется непосредств. взаимосвязь между эффективностью ионизации орг. газов и паров и степенью взрывоопасности их смесей с воздухом. Это позволяет контролировать довзрывные концентрации орг. в-в в пром. помещениях, шахтах, туннелях.

В поверхностно-ионизационных газоанализаторах образуются положит. ионы при адсорбции газов на нагретых пов-стях металлов или их оксидов. Ионизоваться могут компоненты с достаточно низкими потенциалами ионизации, сравнимыми по величине с работой выхода электронов из нагретой пов-сти (эмиттера). Обычно ионизуются не контролируемые компоненты смеси, а продукты их р-ций на каталитически активной пов-сти. В кач-ве эмиттеров применяют, напр., нагреваемые током спирали из Pt, оксидов Мо или W. Нагретый эмиттер одновременно служит одним из электродов ионизац. камеры. Второй ("коллекторный") электрод выполняют в виде наружного цилиндра. Т-ру нагрева эмиттера изменяют от 350 до 850 °С. С помощью таких газоанализаторов определяют фенол, уксусную и муравьиную к-ты, а также (с высокой избирательностью) азотсодержащие орг. соед., в частности анилин, амины, гидразины. Созданы приборы для контроля ряда аминов (диэтиламин, триэтиламин и др.) в воздухе пром. помещений. Диапазон измеряемых концентраций 10-5-10-2%.

В т. наз. "галогенных" газоанализаторах на пов-сти платины, нагретой до 800-850 °С, ионизуются щелочные металлы (обычно Na и К), добавляемые в виде солей в зону нагрева и ионизации. Эмиссия щелочных ионов зависит от содержания в окружающем воздухе галогенов и их соединений. Эти приборы позволяют определять галогены (С1, Вг) в воздухе пром. помещений, хладоны при контроле герметичности холодильных установок и бытовых аэрозольных баллончиков с пределами обнаружения ок. 10-4%.

В фотоионизационных газоанализаторах молекулы определяемого компонента ионизуются УФ-излучением. Это возможно, если энергия фотонов не ниже потенциала ионизации молекул. В кач-ве источников излучения используют лампы, генерирующие фотоны с энергиями 9,5, 10, 10,2, 10,9 и 11,7 эВ. Осн. компоненты воздуха (О2, N2, CO, СО2, Н2О), а также СН4 имеют потенциалы ионизации в диапазоне 12-20 эВ и такими фотонами не ионизуются. Фотоионизац. газоанализаторы применяют для контроля примесей ароматич. и непредельных углеводородов, альдегидов, кетонов, спиртов и других орг. соед. в воздухе с пределами обнаружения 10-5 -10-4%. Подбирая излучение с подходящей энергией, можно избирательно определять, напр., ароматич. соединения в присут. алканов и кислородсодержащих орг. соед., меркаптаны в присут. H2S.

Полупроводниковые газоанализаторы. Их действие основано на изменении сопротивления полупроводника (пленки или монокристалла) при воздействии анализируемого компонента смеси. В основе работы полупроводниковых окисных газоанализаторов лежит изменение проводимости чувствит. слоя (смеси оксидов металлов) при хемосорбции на его пов-сти молекул химически активных газов (рис. 15). Такие газоанализаторы применяют для определения горючих газов (в частности, Н2, СН4, пропана), а также О2, СО2 и др. Селективность анализа достигается варьированием состава чувствит. слоя и его т-ры (при помощи встроенного нагревателя). Диапазон измеряемых концентраций горючих газов 0,01-1% по объему.

В полупроводниковых газоанализаторах с кристаллическими чувствит. элементами измеряют проводимость монокристалла или более сложной полупроводниковой структуры с р-n-переходами при изменении зарядового состояния пов-сти, т.е. концентрации или распределения зарядов на ней. Напр., для определения Н2 используют чувствит. элементы в виде системы слоев металл - диэлектрик - полупроводник (канальные транзисторы), причем верх. металлич. слой получают из Pd или его сплавов. Изменение зарядового состояния пов-сти достигается изменением контактной разности потенциалов между полупроводником и Pd при растворении в последнем Н2, присутствующего в анализируемой смеси. Диапазон измеряемых концентраций Н2 в инертных газах 10-5-10-3%.

Для серийного произ-ва полупроводниковых газоанализаторов применяют совр. технологию микроэлектроники, что позволяет создавать измерит. преобразователь, включающий чувствит. элемент, систему термостатирования и усилитель электрич. сигнала в виде отдельного микромодуля.

Устройство, функционально построенное на принципах измерения газовых смесей, позволяет своевременно определить превышение опасных токсинов. Газовый анализатор – небольшой по размерам прибор предупредит об опасности, связанной с несанкционированным выбросом вредных летучих веществ и о появлении протечки в трубопроводе.

Мы расскажем о всех применяемых на практике видах анализаторов газовой смеси. В представленной нами статье подробно описаны их конструктивные особенности и принцип действия. С учетом наших рекомендаций вы сможете выбрать наиболее подходящий прибор.

С точки зрения исполнения, существуют газоанализаторы ручные и автоматические. К ручным анализаторам относятся абсорбционные модели, где используется технология поглощения газовой среды реагентами. Приборы, действующие автоматически, обычно действуют по технологии построения физико-химической характеристики вещества.

Практически все устройства анализа газовой среды, поддерживающие автоматическое измерение, с точки зрения методологии условно делятся на три группы:

1. Анализаторы химических реакций.
2. Анализаторы физико-химических процессов.
3. Анализаторы физических процессов.

Первыми поддерживаются физические методы анализа, выполняемого с помощью химических реакций. Здесь, как правило, ассортимент приборов составляют объёмно-манометрические, а также химические аппараты.

С помощью мобильных приборов измеряется объём или давление смеси газа.

Газоанализатор – одна из многочисленных моделей подобных приборов, которые широко применяются в самых разных отраслях народного хозяйства. Такие устройства позволяют вести всеобъемлющий контроль окружающей среды

Второй группой устройств тоже поддерживается физическая методология, но при дополнении физико-химическим процессом.

Среди таких процессов могут иметь место:

• электрохимия;
• термическая химия;
• фотоколориметрия;
• фотоионизация;
• хроматография.

Естественно, в зависимости от конкретного процесса, результат получают разным способом. К примеру, электрохимией определяют концентрацию газовой смеси, основываясь на её электрической проводимости. Или же, измеряя тепловую отдачу реакции каталитических окислений, получают степень концентрации горючих газов.

Пример устройства, поддерживающего технологию фотоионизационного анализа. Модель из серии приборов «Колион» относится к разряду переносных конструкций, отличается удобством применения и качеством выдаваемых результатов

Третья группа газоанализаторов, построенная исключительно на физической методике, представлена магнитными, оптическими, денсиметрическими и другими устройствами. В эту группу входят, к примеру, термокондуктометрические приборы анализа газовых смесей, благодаря которым получают результат, измеряя степень теплопроводности веществ.

Основной принцип работы и устройство газоанализаторов позволяет выполнять анализ многокомпонентных смесей, измеряя уровень концентрации одного компонента, присутствующего в составе смеси.

Принципы классификации газовых анализаторов

Все существующие на данный момент анализирующие устройства классифицируются, исходя из конструктивных и технологических деталей. Классификацией характеризуются конкретные функциональные возможности приборов газового анализа.

Например, индикатор и сигнализатор могут быть чем-то схожи, но классифицируются как разные измерители. То же самое следует по отношению к течеискателям и газовым анализаторам.

Малогабаритный удобный в применении течеискатель – конструкция, имеющая прямое отношение к анализаторам газовой среды. Использование подобных устройств является актуальным для различных условий промышленного производства и бытовой сферы

Классификация конструктивного исполнения определяет такие свойства, как мобильность и портативность. Способности приборов измерять определённое количество компонентов классифицируются признаками однокомпонентного или многокомпонентного устройства.

Аналогично с числом каналов измерения, где существует классификация по одноканальным или многоканальным газоанализаторам.

Наконец, есть ещё один критерий, показывающий конкретное назначение приборов. К примеру, имеются газоанализаторы мониторинга выхлопных газов автомобилей, и есть устройства, контролирующие технологические процессы.

Самые распространённые приборы

Наиболее распространёнными устройствами, входящими в состав трёх отмеченных групп, выделяются оптические и электрохимические модели. Их привлекательность обусловлена возможностью производства измерений в состоянии режима реального времени.

При этом технологически приборы поддерживают многокомпонентный анализ с возможностью сохранения результатов в микросхеме памяти.

Пример из группы оптических газоанализаторов – приборов, получивших наибольшее распространение в самых разных областях. Оптические анализаторы газовой среды обладают высокой точностью измерений

Для промышленной сферы подобные устройства являются незаменимым оборудованием. Особенно там, где требуется постоянный контроль выбросов или анализ технологических процессов.

В таких случаях газоанализаторы нередко выступают как системы непрерывного мониторинга процесса промышленного производства, используются в исследованиях экологической обстановки. Для выбора под применение в бытовой среде газоанализаторы указанных типов тоже предпочтительны.

Выбор прибора для анализа загазованности

Пытаясь сделать выбор устройства, желательно определиться, какая задача будет возложена на прибор. Исходя из намеченных задач, проще подыскать требуемую комплектацию. К тому же денежный вопрос при точном подборе комплектации решится в пользу покупателя. Чем меньше деталей комплекта, тем ниже стоимость.

Вниманию при выборе обычно подлежат следующие рабочие критерии:

• список поддерживаемых газов;
• граничные значения измерения концентраций;
• возможности анализа объёмных и массовых долей;
• время непрерывной работы;
• возможность ведения измерений сразу в нескольких точках.

Конечно же, определённую роль в процессе подбора оборудования играет внешнее исполнение. Наличие защитных свойств, таких как влагозащищённый корпус, блокировка проникновения пыли и сажи – всё это также важно, если рассчитывать на долговечность анализатора.

Мобильная модель газового анализатора, привлекательная помимо удобства использования ещё и тем, что заключена в надёжный влагонепроницаемый корпус. Плотное исполнение корпуса защищает также от попадания внутрь пыли

Учитывая насыщенность российского рынка газовыми анализаторами иностранного производства, приходится выбирать с оглядкой на адаптацию к отечественным условиям. Понятно, если информационная часть устройства на иностранном языке, пользоваться таким прибором сложнее. Правда со временем можно-таки привыкнуть.

Любой газоанализатор оснащается рабочими сенсорами (датчиками). По мере эксплуатации эти элементы утрачивают свои свойства, теряют чувствительность и подлежат замене.

Насколько частыми должны быть замены и как обстоят дела с приобретением запасных комплектующих – это тоже вопрос выбора, требующий внимательного подхода. Да и срок гарантии не последняя деталь, на которую следует обратить внимание.

Обзор производителей газоанализаторов

Среди зарубежных компаний, чья продукция снискала популярность на отечественном рынке, выделяется немецкая компания Testo AG. Выпускает широчайший ассортимент контрольно-измерительной аппаратуры, включая газоанализаторы разного вида.

Компания существует больше полвека и за этот период времени научилась создавать действительно качественную, добротную во всех отношениях технику.

Конкретно по газовым анализаторам: фирмой Testo AG поставляются на рынок устройства, способные измерять, анализировать, выдавать характеристики различных дымовых газов, формируемых .

Одна из популярных моделей анализатора, отмеченного известным брендом Testo AG. Измерительные и контрольные приборы компания поставляет в широком ассортименте, пользовательский выбор многообразный

Вполне достойный выбор газовых анализаторов обеспечивает также отечественная компания Политехформ-М. Это один из крупных производителей контрольно-измерительных приборов и аналитической техники. На базе предприятия действует собственная экспериментально-лабораторная база, чем обеспечивается удачная разработка современных устройств.

Ассортимент Политехформ-М представляют модели газовых сигнализаторов из серии «Сигнал» и «Сигма», включая многоканальные конструкции. Также предприятием выпускается серия детекторов «ДМГ» и прочее оборудование. Среди конкретных примеров можно отметить: «Сигнал-033», «Сигма 1М», «ДМГ-3».

Продукт российской компании Политехформ-М – многоканальный газовый анализатор, функционально обеспечивающий всеобъемлющий контроль газовой среды. Приборы компании ценятся не только за функциональность, но также за надёжность

Питерская компания Информаналитика разработала и выпускает серию устройств под маркой «Хоббит». Серия «Хоббит-Т» охватывает широкий диапазон веществ, с которыми приборы могут работать и выполнять анализ.

Эффективный прибор российской компании из Санкт-Петербурга. Устройство носит интересное название «Хоббит-Т». Возможно компания «Информаналитика» решила таким образом привлечь к разработке, но прибор явно не нуждается в лишней рекламе

Практически все виды газов, используемых в промышленном производстве и бытовой сфере, подаются анализу с помощью прибора, разработанного компанией из Санкт-Петербурга. Правда, «Хоббит-Т» – оборудование, которое относится к разряду стационарных устройств. Этот фактор несколько ограничивает пользовательский выбор.

Ещё одна немецкая компания «Фёссен» через своё дочернее предприятие WITT поставляет быстрые, точные, многофункциональные газоанализаторы. Причём выбор для потребителя практически не ограничен по конструктивному исполнению приборов.

Ассортимент WITT наполнен стационарными и мобильными приборами, рассчитанными на производство выборочного или поточного контроля. Все виды газов доступно анализировать техникой WITT, а область возможного применения начинается с пищевой сферы и завершается металлургией.

Интересными для выбора отмечаются приборы компании Промэкоприбор. Относительно молодая российская фирма (2009 год) разрабатывает и продвигает на отечественном рынке современную аналитическую технику экологического назначения.

Интересными эффективными и продуктивными приборами снабжает отечественный рынок российская компания «Промэкоприбор». Компания выпускает изделия промышленного назначения, но есть также отдельные разработки, пригодные для быта

Примечательно, что выпускаемая компанией продукция полностью соответствует нормативной документации для отечественного применения. Список продуктов компании возглавляют приборы серии «Полар» и «Тест». Это переносные многокомпонентные анализаторы газа, предназначенные под системы контроля промышленных процессов.

Удобные в применении приборы бытового назначения поставляет в Россию итальянская компания Seitron s.r.l. На российском рынке итальянцы работают более 15 лет и за это время успели поставить более 450 наименований контрольно-измерительной аппаратуры.

Для бытовой сферы интерес может представлять, к примеру, разработка «Seitron RGDMETMP1» – сигнализатор загазованности природным газом, поставляемым .

Снискавший популярность в России итальянский газовый анализатор RGDMETMP1 – продукт компании «Seitron s.r.l». Идеально подходит для применения в условиях домашнего хозяйства. Вместе с тем ассортимент компании рассчитан на широкую аудиторию потребителей

Это всего лишь один отдельно взятый пример итальянского оборудования. В целом же техника Seitron способна покрыть спрос в широком диапазоне потребностей. Здесь найдутся, к примеру, мобильные газоанализаторы режимной наладки газовых и и стационарные сигнализаторы загазованности помещений.

Анализатор газа – электронный прибор, который всё чаще становится нужным аксессуаром для многих моментов современной жизни. Научно-технический прогресс дал людям множество полезных вещей и продуктов, но вместе с тем принёс массу вредных технологий производства и условий эксплуатации.

Выводы и полезное видео по теме

На примере мобильной модели можно понять принцип работы газового анализатора:

Точный анализ окружающей среды позволяет обезопасить природу, сделать чистыми места проживания людей. Анализаторы раскрывают полностью картину состояния окружающей атмосферы, дают возможность оценить обстановку и незамедлительно принимать меры, если есть отклонения от стандартизированных норм.

Пишите, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке, задавайте вопросы и публикуйте фото. Расскажите о собственном опыте в использовании газоанализатора. Не исключено, что ваши рекомендации будут полезны посетителям сайта.

Введение

В сознании многих газоанализатор прочно ассоциируется с определением токсичности выхлопных газов автомобиля. Это, действительно, так. Контроль токсичности - одна из основных функций газоанализатора, но не единственная. Газоанализатор решает широкий круг задач по исследованию состояния двигателя и его систем. Именно с помощью газоанализатора начинается диагностика двигателя с целью определения нормативных значений содержания в отработавших газах автомобилей оксида углерода (СО), углеводородов (СН) и нормативное значение коэффициента избытка воздуха (лямбда параметр) при оценке технического состояния систем автомобиля, двигателя и при выявлении отклонений от требуемых значений, их настройка и регулировка. Именно после проверки газоанализатором заканчивается ремонт и диагностика двигателя при соответствии его выше указанным параметрам.

Общие сведения

Требования к двигателю и его системам в эксплуатации

Газоанализатор является необходимым компонентом диагностического комплекса, поскольку только с его помощью можно судить о соответствии выходных параметров работы двигателя установленным нормам.

Основные требования к бензиновым двигателям автотранспортных средств изложены в ГОСТ Р 52033-2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нор-мы и методы контроля при оценке технического состояния» и ГОСТ Р 51709-2001 «Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки».

Основным является соответствие требованиям содержания загрязняющих веществ в отработавших газах.

Значение коэффициента избытка воздуха λ в режиме холостого хода на n пов у автомобилей, оборудованных трехкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов, должно быть в пределах данных предприятия-изготовителя. Если данные предприятия-изготовителя отсутствуют или не указаны, значение коэффициента избытка воздуха λ должно быть от 0,97 до 1,03.

Протекания и каплепадение топлива в системе питания бензиновых двигателей и дизелей не допускаются. Запорные устройства топливных баков и устройства перекрытия топлива должны быть работоспособны. Крышки топливных баков должны фиксироваться в закрытом положении, повреждения уплотняющих элементов крышек не допускаются.

В соединениях и элементах системы выпуска отработавших газов не должно быть утечек.

Рассоединение трубок в системе вентиляции картера двигателя не допускается.

Уровень шума выпуска двигателя АТС - по ГОСТ Р 52231.

Примечания

1) В эксплуатационных документах автомобиля предприятие-изготовитель указывает штатную комплектацию автомобиля оборудованием для снижения выбросов загрязняющих веществ (далее – вредные выбросы); предельно допустимое содержание оксида углерода, углеводородов и допустимый диапазон значений коэффициента избытка воздуха.

2) Для автомобилей с пробегом до 3000 км нормативное значение содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах установлено технологическими нормами предприятия-изготовителя.

Устройство и принцип работы газоанализатора

2.1 Назначение

Газоанализаторы Инфракар М предназначены для измерения объем-ной доли оксида углерода (СО), углеродов (в пересчёте на гексан), диоксида углерода (СО2), кислорода (О2) в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. В газоанализаторе имеется канал для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателей автомобилей, осуществляется расчёт коэффициента избытка воздуха λ.

Тахометр предназначен для измерения и отображения и цифровом виде частоты вращения коленчатого вала двух или четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания, с бесконтактной и контактной одноискровой системой зажигания с высоковольтным распределением.

2.2 Устройство и принцип работы

Прибор состоит из системы пробоотбора и пробоподготовки, блока измерительного (БИ) и блока электронного (БЭ). Система пробоотбора и пробоподготовки газоанализатора включает газозаборный зонд, пробоотборный шланг, бензиновый фильтр, тройник, пневмосопротивление, 2 насоса, каплеотбойник, фильтр тонкой очистки.

Принцип действия датчиков объемной доли (СО, СО2, углеводородов) – оптико-абсорбционный. Принцип действия датчика измерения кон-центрации кислорода – электрохимический. Принцип действия датчика частоты вращения коленчатого вала основан на индуктивном методе определения частоты импульсов тока в системе зажигания.

Блок измерительный содержит оптический блок, в котором имеются излучатель, измерительная кювета, 4 пироэлектрических приёмника излучения, перед которым размещены 4 интерференционных фильтра. Излучение модулируется обтюратором.

Блок электронный предназначен для измерения выходных сигналов первичных преобразователей газоанализаторов ИФРАКАР М, обработки и представления результатов измерения.

Газоанализатор ИНФРАКАР М содержит:

Комбинированный блок питания от постоянного тока напряжением (12 +2.8-1.2) В и переменного тока напряжением (220±22/-33) В, частотой (50±1) Гц;

Микропроцессорный контроллер, в том числе выполняющий функцию измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя;

6 светодиодных индикаторов;

Клавиатуру;

Датчик температуры;

Цифровой выход для связи с компьютером через разъем RS 232.

При определении концентрации веществ анализируемый газ прокачивается побудителем расхода через газозаборный зонд, фильтр Ф1 и поступает в сборник конденсата СК1, где происходит отделение влаги от газа. Затем анализируемый газ поступает в измерительную кювету, где определяемые компоненты, взаимодействуя с излучением, вызывают его поглощение в соответствующих спектральных диапазонах. Электрохимический датчик при взаимодействии с кислородом выдаёт сигнал, пропорциональный концентрации кислорода. Величина λ вычисляется автоматически по измеренным СО, CH, CO2 и O2.

2.3 Порядок работы

Установить прибор на горизонтальной поверхности. В зависимости от источника электрического питания к разъему на задней панели подключить кабель питания 220 В или кабель питания 12 В из комплекта принадлежностей.

К гнезду на задней панели подключить кабель с датчиком тахометра, датчик подсоединить к высоковольтному проводу 1-й свечи.

Работа прибора начинается с его включения выключателем Сеть на задней стенке прибора.

После включения прибора в течении 5 мин. Происходит предвари-тельный прогрев, при этом на индикаторах высвечивается (-----). Если прибор был включён на короткий промежуток времени, для выхода в ра-бочее состояние до истечения 5 мин. Необходимо нажать кнопку 0◄.

Процесс выхода прибора на режим завершается включением авто-продувки нуля. Далее, если насос прибора выключен, каждые 30 мин. про-исходит автопродувка. Если сигналы меньше минимально допустимого уровня на индикаторах высвечивается “ЗАГР”. При этом информация о загрязнении опорного канала выводиться на индикаторе “ λ ”.

Перед началом работы необходимо убедится, что система отвода от-работавших газов автомобиля на всём протяжении герметична, иначе в показания прибора будут внесены искажения за счёт подсоса воздуха из атмосферы.

Установить пробозаборник прибора в выхлопную трубу автомобиля на глубину не менее 300 мм от среза (до упора) и зафиксировать её зажимом. На некоторых автомобилях установлены специальные заборники на выхлопном коллекторе для отбора проб отработавших газов. В таком случае целесообразно подключать газоанализатор к ним, так как в этом случае на показания прибора не будет влиять работа каталитического нейтрализатора. Если таких заборников нет, то тогда отбор производится из выхлоп-ной трубы.

Нажатие и удерживание кнопки 4/2 такта позволяет установить в тахометре тип двигателя, к которому подключён прибор. Короткое нажатие на кнопку 4/2 такта позволяет проконтролировать тип двигателя, установленный в тахометре.

Для изменения уровня чувствительности тахометра необходимо одновременно нажать кнопки Печать и 4/2 такта. При этом на индикаторе “λ” появиться значение установленного уровня чувствительности. Нажатием на кнопки Печать(-) и 4/2 такта(+) можно установить требуемый уровень чувствительности тахометра для устойчивого измерения частоты оборотов коленчатого вала для данного автомобиля. При завышении показаний тахометра и при его неустойчивой работе необходимо понизить чувствительность, при занижении показаний - повысить чувствительность тахометра.

Запоминание установленного уровня производится нажатием кнопки ( 0◄) (Ввод). Выход без запоминания нажатием кнопки Насос(Выход). При изменении частоты вращения коленчатого вала в двигателях с 2-х искровой системой зажигания в тахометре устанавливается режим точно также, как и в 2-х тактном двигателе.

Включить Насос нажатием кнопки. Газоанализатор готов к работе.

После окончания режима настройки нуля (чувствительности – по каналу О2) газоанализатор переходит в режим измерения концентраций всех каналов, а также частоты вращения коленчатого вала двигателя, производится расчёт коэффициента λ.

Переключение режимов вычисления параметра λ для различных видов топлива осуществляется нажатием и удерживанием более 4 сек кнопки СО корр (Топливо). На индикаторе λ будут высвечиваться названия режимов в порядке “БЕНЗ”, “ПРОП”, “П,ГАЗ”. “БЕНЗ”- для бензина, “ПРОП”- для смеси пропан-бутан, “П,ГАЗ”- для метана(природный газ).

Автоматическая подстройка нуля производиться через 30 мин., время подстройки – 30 с. В процессе измерения (при нажатой кнопке Насос(Выход) автоподстройка не происходит.

Показания следует фиксировать через 40-60 сек после начала измерения.

Нажатием кнопки ПЕЧАТЬ производиться распечатка измеренных данных величин с указанием реального времени и информации о владельце прибора.

По окончании работы с автомобилем или при перерыве в работе выключить побудитель расхода газа нажатием кнопки НАСОС. Вынуть пробозаборник из выхлопной трубы автомобиля, отсоединить тахометр. Выключить питание прибора.

В современных промышленных условиях рабочая зона – место, где в течение трудовой смены периодически или постоянно находятся люди – может быть повышено опасной территорией.

В связи с технологическими процессами или в ходе аварийных выбросов воздух рабочей зоны загрязняют токсичные, горючие и взрывоопасные газовые компоненты.

Газоанализаторы – устройства, с помощью которых определяется состав газовой смеси как качественный (какие именно газы присутствуют), так и количественный (сколько определённых газов находится в смеси).

В первую очередь газоанализаторами оснащаются пожаро-, взрыво- и химически опасные производства, а также шахты, где имеются скопления рудничного газа (метана) .

Обязательно применяют газоанализаторы перед тем, как проводить огневые работы в подвалах и колодцах, а также чтобы аттестовать рабочие места на вредных производствах.

Применение для индивидуальной защиты

Портативные газоанализаторы небольших размеров, которыми снабжаются работники опасных производств , можно считать первичными средствами индивидуальной защиты.

Они своевременно сигнализируют о повышенном содержании вредных примесей в воздухе, при котором следует покинуть рабочую зону либо применить . Прибор-газоанализатор представлен на фото:

Способ работы устройства

Ручные анализаторы , которые приводятся в действие оператором, основаны на том, что отдельные газообразные компоненты поглощаются специальными реагентами.

Воздух производственной зоны пропускается через поглотитель , который связывает определённый газ. После этого первоначальный объём смеси уменьшается. По уменьшению объёма рассчитывается, сколько газа, связанного поглотителем, там изначально содержалось. В зависимости от квалификации оператора, измерение занимает от пяти до десяти минут .

Работа автоматических анализаторов непрерывного действия основана на физических и химических процессах, а также их сочетании.

Физический принцип измерения результата вспомогательной химической реакции обеспечивает работу объёмно-манометрических или химических анализаторов. В этих приборах измеряется, насколько изменился объём либо давление смеси газов после того, как её компоненты вступили в определённые химические реакции.

Физико-химический принцип действия, совмещённый с физическим, имеют следующие устройства:

Чисто физические принципы работы имеют следующие автоматические газоанализаторы:

Разновидности

Кроме различия по способу действия (ручные или автоматические) и принципу работы, газоанализаторы для воздуха рабочей зоны подразделяют на типы:

• Стационарные . Такие приборы автоматически отслеживают концентрацию газов. В промышленном исполнении, если допустимое содержание опасной газовой составляющей превышено, они подают световые и звуковые сигналы, а также включают вентиляцию и прочие системы безопасности;
• Переносные . Предназначены для определения концентрации газовых примесей в разных местах производственной зоны;
• Портативные . Индивидуальные устройства. Имеют малые габариты и вес, измеряют концентрацию вредных примесей непосредственно там, где находится работник.

Кроме того, по количеству измеряемых примесей эти приборы бывают одно- и многокомпонентными , а по числу каналов (датчиков или точек отбора пробы) – одно- и многоканальными.

Правила выбора

Чтобы правильно выбрать прибор для контроля воздуха рабочей зоны, нужно, прежде всего, исходить из перечня примесей , которые нужно определять. Кроме того, имеет значение класс опасности примесей : есть модификации устройств для взрывоопасной и взрывобезопасной среды.

Образцы моделей промышленных газоанализаторов представлены на фото:

В зависимости от поставленных задач – общий это контроль, локальный или индивидуальный , выбирают стационарные, переносные либо портативные модели газоанализаторов. И, наконец, устройства с разным принципом действия имеют присущие им преимущества и недостатки .

Так, термохимические устройства имеют низкую стоимость, но при этом непродолжительный срок службы датчика газоанализатора, невысокое быстродействие и чувствительность, небольшой диапазон измеряемых концентраций. Термохимические анализаторы используют преимущественно для контроля воздуха производственной зоны на содержание горючих газов, например, СО.

Электрохимические анализаторы занимают среднюю ценовую позицию. У них высокая чувствительность, широкий диапазон определяемых веществ, низкое потребление энергии. Вместе с тем, они имеют крупные габариты, сложны в обслуживании.

Оптические приборы имеют прекрасное быстродействие, высокую избирательность и чувствительность. Диапазон их измерения охватывает практически весь спектр возможных загрязнений. При этом стоимость оптических газоанализаторов – самая высокая.

Руководство по эксплуатации и хранение

Установка, использование и поверка газоанализаторов воздуха рабочей зоны должны проходить в строгом соответствии с условиями, указанными предприятием-изготовителем.

Требования к хранению зависят от устройства анализатора . Так, например, электрохимические приборы хранятся в упаковке поставщика в отапливаемом хранилище при температуре от +5ºС до +40ºС и выдерживают высокую влажность.

Оптические устройства допускают температурный интервал от -50ºС до +50ºС , однако чувствительны к резким перепадам температуры и влажности, а также к пыли, агрессивным парам и другим вредным примесям.

Гарантийный срок хранения, как правило, составляет 12 месяцев, а период обслуживания по гарантии не превышает полутора лет.

Адекватно подобранный, исправный и правильно используемый газоанализатор предоставляет точную и своевременную информацию о составе воздуха рабочей зоны . Эта информация может оказаться не только нужной, но и жизненно важной для работника.

В заключение предлагаем посмотреть видео-обзор, как работает газоанализатор ФП11.2К: