Газоанализатор предназначен для. Области применения газоанализаторов. Разновидности современных газоанализаторов

Анализ газовых сред является обязательным мероприятием в работе химических производств, а также на многих промышленных предприятиях. Такие исследования представляют собой процедуры по измерению того или иного компонента в газовой смеси. Например, в горнодобывающих предприятиях знание характеристик воздуха в шахте является вопросом безопасности, а экологи таким образом определяют концентрацию вредных элементов. Не так часто подобные анализы применяют в бытовых целях, но если такая задача и возникает, то лучше всего использовать газоанализатор. Это измерительное устройство, позволяющее определить состав газовой смеси. При этом есть множество разновидностей данного прибора, которые имеют принципиальные отличия.

Устройство газоанализатора

Несмотря на множество конструкционных вариаций прибора, существует набор базовых компонентов, которые присутствуют в каждой модели. В первую очередь это корпус, в который заключены все рабочие элементы газоанализатора. Дело в том, что такие аппараты требуют высокой степени защиты, поэтому к внешней оболочке следует предъявлять серьезные требования. Практически каждый прибор требует питания энергией - соответственно, аккумулятор также можно рассматривать как обязательную часть устройства. Далее стоит перейти к более ответственному компоненту. Это первичный преобразователь, то есть датчик газоанализатора или чувствительный элемент, обеспечивающий непосредственные данные для измерения.

Надо сказать, что существует несколько видов таких сенсоров, в том числе термокаталитические, инфракрасные и электрохимические. Задача данного элемента заключается в преобразовании искомого компонента газового состава в электрический сигнал. После этого в работу вступает измерительно-показывающее устройство, которое обрабатывает данный сигнал и демонстрирует его показатели в виде индикации или отображения на дисплее. Теперь стоит рассмотреть виды существующих газоанализаторов.

Термохимические модели

В устройствах такого типа предусматривается принцип измерения за счет определения теплового эффекта от химической реакции с участием искомого компонента. Как правило, в процессе работы применяется техника окисления кислородом. Поэтому такой прибор можно рассматривать как газоанализатор кислорода, а функцию катализаторов выполняет гопкалит, который наносится на пористый носитель. Измерение показателей окисления осуществляется при помощи металлических или полупроводниковых терморезисторов. В некоторых случаях поверхность платиновых терморезисторов также выступает катализатором. Обычно термохимические модели применяются для работы с горючими газами и парами, а также в процессе С его помощью можно определить, к примеру, содержание кислорода в водороде.

Магнитные устройства

В данном случае речь также идет о приборах, ориентированных на определение кислорода. Газоанализатор этого типа отслеживает показатели восприимчивости магнитов относительно исследуемой среды в зависимости от концентрации в ней кислорода. Казалось бы, данный компонент может определяться и другими разновидностями прибора, но есть одна особенность. Дело в том, что магнитный газоанализатор - это измеритель, который способен с более высокой точностью определять концентрацию в сложных смесях. Также следует различать магнитомеханические и термомагнитные устройства. В первом случае прибор измеряет силу, действующую в неоднородном магнитном поле на размещенный в исследуемой среде чувствительный элемент - например, ротор. Показания будут зависеть от температуры среды и давления. Принцип действия термомагнитных моделей основан на конвенции, которая возникает при взаимодействии газовой смеси с неоднородными температурным и магнитным полями.

Пневматические модели

Такие приборы работают на основе измерения показателей вязкости и плотности. Для этого анализируются данные гидромеханических свойств потока. Сразу надо сказать, что существует три варианта подобных устройств: дроссельные, струйные и пневмоакустические. Дроссельный газоанализатор - это устройство с преобразователем, которое измеряет при пропускании через себя газовой смеси. Модели струйного типа измеряют динамические характеристики напора газовой смеси, вытекающей из сопла. Обычно устройства этого типа применяются в работе с азотными и хлористыми составами.

Пневмоакустический прибор включает свою конструкцию два свистка с приблизительно равными частотами порядка 4 кГц. Первый свисток пропускает через себя анализируемый газ, а второй - состав для сравнения. В итоге газоанализатор воздуха позволяет сопоставить частоты колебаний, преобразуя показатели в пневматические вибрации с помощью усилителя. Для обеспечения подачи сигнала используется типа.

Инфракрасные модели

Принцип работы таких газоанализаторов базируется на избирательном поглощении инфракрасным излучением молекул пара и газа. Важно учитывать, что устройство предусматривает поглощение тех газовых смесей, молекулы которых содержат не менее двух разных атомов. Специфика молекулярных спектров в различных газах определяет и повышенную избирательность подобных устройств. Например, существуют обычные и дисперсионные версии преобразователя. Дисперсионный газоанализатор - это прибор, в работе которого используется излучение, вырабатываемое монохроматорами, то есть или призмами. В обычных представителях этого класса применяется немонохроматическое излучение, обеспечиваемое за счет особенностей оптических схем. Для этого используются светофильтры, специальные приемники излучения и другие компоненты. Также в инфракрасных газоанализаторах могут применяться приемники излучения неселективного типа - в частности, термобатареи, болометры и полупроводниковые компоненты.

Как пользоваться прибором?

Для пользователя прибором важно ознакомиться с дисплеем или другим устройством для вывода информации, которым снабжается аппарат. Как правило, на современных дисплеях отображается дата, а также несколько полей для данных о составе газовой смеси. Получить полные сведения о значении полей и каналов прибора позволит инструкция газоанализатора в конкретной комплектации. Собственно, управление функциями прибора также зависит от конкретной модели. Как правило, достаточно активировать устройство при нахождении в газовой среде. Далее, когда будут достигнуты пороговые показатели концентрации искомого компонента, устройство подаст сигнал. В некоторых моделях возможна и световая индикация. В этот же момент на экране прибора должны быть заполнены основные строки о химическом составе газовой смеси и свойствах определенного компонента, на который был настроен прибор.

Поверка устройства

Как и любой газоанализатор нуждается в поверке. Эта процедура позволит оценить техническое состояние, рабочие показатели устройства, а также его соответствие Чаще всего сбоям в рабочих показателях подвергаются переносные газоанализаторы, поэтому их обслуживание следует производить чаще. Итак, как проводится поверка? Процедура выполняется на специальном поверочном стенде. Начинается она с осмотра прибора, тестирования замены неисправных элементов. Далее следуют калибровочные мероприятия и выполнение необходимых настроек.

Непосредственно поверка предполагает использование прибора для оценки концентрации определенного компонента в баллоне со сжатым газом. То есть, применяются специальные смеси, при помощи которых осуществляется поверка газоанализаторов на предмет анализа конкретного компонента.

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.

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Назначение газоанализаторов: измерять и контролировать концентрацию газов. В технологических процессах металлургического производства контролируется концентрация различных газов: горючие газы продукты сгорания защитные атмосферы газы технологических процессов вредные и взрывоопасные примеси и т. Контроль состава газов в ряде случаев дает возможность судить о правильности протекания технологического процесса. Например по составу колошникового газа в доменной печи ведется процесс плавки; скорость окисления углерода в жидкой ванне...

Вопрос 6. Назначение, принцип работы и типы газоанализаторов.

Назначение газоанализаторов: измерять и контролировать концентрацию газов.

В технологических процессах металлургического производства контролируется концентрация различных газов: горючие газы, продукты сгорания, защитные атмосферы, газы технологических процессов, вредные и взрывоопасные примеси и т.д.

Контроль состава газов в ряде случаев дает возможность судить о правильности протекания технологического процесса. Например, по составу колошникового газа в доменной печи ведется процесс плавки; скорость окисления углерода в жидкой ванне, характеризующая ход конвертерной плавки, определяется на основе анализа газов на содержание СО и СО2 ; непрерывный контроль топочного режима в эксплуатационных условиях на современных ТЭС осуществляется с помощью автоматических газоанализаторов по содержанию в продуктах горения (дымовых газах) О2 и т.д.

Промышленный газоанализатор, как правило, состоит из устройства пробоподготовки, приемника и измерительного прибора.

Устройство пробоподготовки предназначено для отбора пробы анализируемой газовой смеси от технологического объекта, очистки пробы от агрессивных и механических примесей, приведения ее параметров (температуры, давления и т.п.) к значениям, нормированным для параметров пробы на входе приемника газоанализатора.

Приемник газоанализатора предназначен для формирования выходных унифицированных сигналов, значение которых эквивалентно содержанию (концентрации) измеряемого компонента в газовой смеси.

В качестве измерительного устройства, как правило, используются стандартные измерительные приборы.

Типы газоанализаторов: термокондуктометрические; термомагнитные; электрохимические; основанные на поглощении инфракрасного излучения: оптико-акустические и абсорбционные.

Области применения газоанализаторов

В Большинстве отраслей промышленности в различных технологических процессах часто применяются газы, требующие постоянного контроля отсутствия утечек с целью обеспечения безопасности производства и снижения рисков для персонала. Для этого устанавливают системы обнаружения газов для постоянного контроля уровня рабочей среды.

Эти системы, состоящие из детекторов газа (газоанализаторов), контроллеров, устройств оповещения и исполнительных устройств, выполняют функции раннего предупреждения о развитии опасной ситуации. Тем самым системы обнаружения газов позволяют локализовать развитие опасных ситуаций на ранних стадиях, а так же увеличивают период времени для принятия соответствующих защитных мер и действий по устранению аварийных ситуаций.

Системы обнаружения газов

Чтобы системы контроля загазованности имели максимальную эффективность при их проектировании, необходимо учитывать специфику конкретного технологического процесса данной отрасли производства. Ведь универсального решения по построению систем детектирования газов для разных отраслей промышленности не существует — каждый случай уникален и требует индивидуального подхода с точки зрения архитектуры построения систем безопасности, выбора числа точек контроля загазованности и перечню детектируемых газов.

Нефтегазовая промышленность включает в себя большое число направлений производственной деятельности: от разведки на суше и на шельфе, производства нефти и газа и до их транспортировки, хранения и перегонки. Данные виды деятельности характеризуются наличием большого числа огнеопасных газообразных углеводородов, которые представляют собой серьезную опасность. Горючим газам часто сопутствуют так же токсичные газы, такие, например, как сероводород.

• разведочные буровые установки;
• эксплуатационные платформы;
• наземные нефте- и газохранилища;
• нефтеперерабатывающие заводы.

Контролируемые газы:

• Горючие: углеводородные газы.
• Токсичные: сероводород, угарный газ.

Предприятия химической промышленности, возможно, являются самыми крупными потребителями различного оборудования для обнаружения газа. Они часто применяют широкий диапазон горючих и токсичных газов в своих технологических процессах или создают их в виде побочных продуктов производственных процессов.

Типовые объекты, требующие контроля загазованности:

хранилища сырья и готовой продукции;
производственные зоны;
лаборатории;
насосные станции;
компрессорные станции;
зоны погрузки/разгрузки сырья и готовой продукции.
Контролируемые газы:

Горючие: обычные углеводороды.
Токсичные: сероводород, фтороводород, аммиак, дефицит кислорода и другие газы.
Тепловые электростанции. В качестве основного топлива на электростанциях обычно используются природный газ, уголь и нефтепродукты. При сжигании топлива из-за неполного сгорания топлива, наличия утечек в арматуре и соединениях газопроводов или топок котлов возможно выделение в воздух рабочей зоны продуктов горения и не сгоревшего топлива.

Типовые объекты, требующие контроля загазованности:

пространство вблизи топок и трубопроводов в котельных;
пространство внутри и вокруг корпусов турбин;
в бункерах и ленточных транспортерах для угля (на электростанциях работающих на угле).
Контролируемые газы:

Горючие: природный газ, метан, водород, пары углеводородов.
Токсичные: угарный газ, оксиды серы и азота SOx, NOx и дефицит кислорода.
Машинно-котельные отделения бывают всех возможных форм и размеров. В небольших зданиях имеются простые котельные, в то время как в больших зданиях часто можно встретить машинно-котельные отделения из нескольких котельных.

Типовые объекты, требующие контроля загазованности:

утечки горючего газа из приемных газопроводов;
утечки из котельной и окружающего газопровода;
угарный газ в котельных в плохом техническом состоянии.
Контролируемые газы:

Горючие: метан.
Токсичные: угарный газ.
Станции по очистке сточных вод. Канализационные стоки обильно выделяют метан и сероводород. Запах тухлых яиц, присущий сероводороду, часто ощущается еще на подъездах к станции очистки, так как обоняние человека позволяет уловить наличие сероводорода в воздухе при его концентрации менее 0,1 части сероводорода на миллион частей воздуха (0,1 ppm).

Типовые объекты, требующие контроля загазованности:

автоклавы;
заводские отстойники;
скрубберы H2S;
насосные станции.

Контролируемые газы:

Горючие: метан, пары растворителей.
Токсичные: сероводород, углекислый газ, хлор, диоксид серы, озон.
Автомобильные тоннели и закрытые автостоянки требуют отслеживания токсичных выхлопных газов. Современные тоннели и автостоянки используют подобный мониторинг для управления вентиляционными установками, осуществляющими проветривание этих сооружений. В подземных тоннелях может также осуществляться контроль наличия природного газа, который может выделятся в туннель из толщи горной породы, в которой проложен данный тоннель.

Типовые объекты, требующие контроля загазованности:

автомобильные туннели;
подземные и закрытые автостоянки;
подходные туннели;
управление вентиляцией.
Контролируемые газы:

Горючие: метан (природный газ), сжиженный нефтяной газ, сжиженный природный газ, пары бензина.

Токсичные: угарный газ, диоксид азота.

При производстве полупроводниковых материалов используются высокотоксичные вещества и горючие газы. Токсичные фосфор, мышьяк, бор и галлий обычно применяются в качестве легирующих примесей. Горючий водород используется как в качестве реагента, так и газа-носителя восстановительной среды. Травильные и осветляющие газы содержат NF3 и другие перфторированные смеси.

Типовые объекты, требующие контроля загазованности:

реактор полупроводниковых пластин;
установка сушки полупроводниковых пластин;
газовые шкафы;
установка химического осаждения из паровой фазы.
Контролируемые газы:

Горючие: водород, изопропанол, метан, пропан.
Токсичные: HCl, AsH3, BCl3, PH3, CO, HF, O3, H2Cl2Si, TEOS, C4F6, C5F8, GeH4, NH3, NO2 и дефицит кислорода.
Самовоспламеняющиеся: кремневодород.
Медицинские учреждения применяют горючие и токсичные вещества, прежде всего, в своих исследовательских лабораториях. Кроме того, многие медицинские учреждения располагают местной энергосистемой и аварийными генераторными станциями с запасом топлива.

Типовые объекты, требующие контроля загазованности:

лаборатории;
рефрижераторные установки;
машинно-котельные отделения.
Контролируемые газы:

Горючие: метан, водород, пары дизельного топлива.
Токсичные: угарный газ, хлор, аммиак, этиленоксид и дефицит кислорода.
Применение в производственных процессах опасных веществ, в частности легковоспламеняющихся, токсичных и кислородосодержащих газов, требует постоянного мониторинга ситуации. Ведь неизбежно в ходе нарушения технологии производства, производственных аварий и инцидентов могут случаться утечки газов, которые представляют потенциальную опасность для промышленного предприятия, экологии, персонала и людей, проживающих поблизости. Применение систем обнаружения газов позволяет существенно снизить риски и повысит безопасность производства.

Предлагаем рассмотреть основные принципы действия, положенные в основу промышленных газоанализаторов, призванных обеспечить безопасность во таких отраслях как промышленность, энергетика, нефтегазовый комплекс, сельское хозяйство, оборонный комплекс, транспорт и т.д. Один класс приборов должен обеспечить обнаружение возможных утечек взрывоопасных газов и паров до достижения нижнего предела взрываемости. (НКПР). Другой класс приборов обеспечивает обнаружение возможных утечек токсичных газов и паров жидкостей до достижения уровня ПДК (предела допустимых концентраций). И в первом, и во втором случае газоанализаторы должны подавать сигналы, которые используются для устранения процессов, приводящих к появлению утечек.

В приведенной ниже таблице рассмотрены принципы действия, достоинства и недостатки различных типов промышленных газоанализаторов.

Принцип действия, достоинства и недостатки различных типов датчиков для газоанализаторов

1. ОПТИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Основой большинства выпускаемых компанией Метеоспецприбор газоанализаторов являются оптические (ИК абсорбционные) датчики. По целому комплексу параметров они значительно превосходят применяемые в промышленности термокаталитические, электрохимические и полупроводниковые газовые сенсоры.

Оптические датчики имеют высокую стабильность нуля, чувствительность, селективность, быстродействие, не отравляются повышенными концентрациями контролируемых и сопутствующих газов, могут функционировать в бескислородной среде.

Базовая оптическая схема

Многие газы имеют характерные полосы поглощения в инфракрасной области спектра.

Поэтому по величине поглощения излучения, прошедшего сквозь газовую пробу, можно измерить концентрацию газа.

В оптических газоанализаторах для увеличения стабильности нуля, а также для компенсации возможного влияния влаги, пыли и других факторов, которые способны поглатить свет, используется автокомпенсационная двухлучевая оптическая схема, в которой измеряется интенсивность двух лучей, проходящих по одному и тому же оптическому пути, причем длина волны одного (измерительного) луча находится в области поглощения, а другого (опорного) – в области прозрачности определяемого газа.

Реальные элементы (излучатели и фотоприемники), используемые в газоанализаторе, меняют свои параметры при изменениях температуры, а также в процессе старения. Для автокомпенсации этих изменений в оптическую схему вводятся еще два луча, не проходящие сквозь анализируемую газовую смесь.

Высокая стабильность нуля и чувствительности, долговечность

Основная причина перехода на оптические газоанализаторы – стабильное положение нуля и стабильная чувствительность к контролируемому газую Это означает отстствие необходимости ежедневной калибровки.
Применение в качестве чувствительных элементов полупроводниковых изделий микроэлектроники обеспечивает функционирование оптических газоанализаторов на протяжении более десяти лет. Все это обеспечивает нашим приборам высокое соотношение качество/цена.

Бесконтактный и неразрушающий характер измерений

Преимущество оптических газоанализаторов по сравнению с электрохимическими, термокаталитическими, полупроводниковыми датчиками заключается в отсутствии контакта между загазованной атмосферой и чувствительными элементами: сквозь газовую пробу проходит лишь луч света, а излучатель и фотоприемник защищены прозрачными окнами из химически стойкого стекла. Поэтому для оптических газоанализаторов безопасны химически агрессивные вещества и соединения (например, хлор, сера, фосфор, фтор, аммиак, окислы азота, тетраэтилсвинец,и т.д.), выводящие из строя газоанализаторы, в основе действия которых лежат химические реакции. Им не страшны концентрационные перегрузки вплоть до 100% концентрации определяемого газа, причем время восстановления после перегрузки определяется только временем обновления содержимого газовой камеры.

Избирательность

Уникальная особенность оптических газоанализаторов – избирательность. В них, в отличие от других типов – термокаталитических, электрохимических, полупроводниковых приборов – исключается реакция на другие вещества, так как спектры поглощения различных газов не совпадают.
В частности, измеряется концентрация метана в атмосфере, содержащей и другие углеводороды.
Инженерами ЗАО "Метеоспецприбор" разработан метод, защищенный европейским патентом, позволивший достигнуть рекордной селективности измерений концентраций метана по отношению к пропану: S=1000.

Высокое быстродействие

К достоинствам оптических газоанализаторов относится также их быстродействие. Если для датчиков, в основе действия которых лежит химическое взаимодействие с определяемым газом, время измерения определяется скоростью протекания химических реакций и составляет несколько секунд, то для оптических газоанализаторов быстродействие достигает долей секунды.

Функционирование в бескислородной среде

Нельзя оставить без внимания также уникальную способность оптических газоанализаторов вести измерения в бескислородной среде, например, в заполненном азотом межстеночном пространстве резервуаров для хранения бензина.

Широкий диапазон измерений

Меняя длину газовой камеры удалось создать приборы для измерения в самых разных диапазонах концентраций и с различной чувствительностью. Длина пути в 4 – 5 метров (для этой цели используются многоходовые оптические кюветы) позволяет измерять концентрации метана на уровне естественного фона - 10-4 доли объема, а для измерения в диапазоне (0-100)% объемных долей с точностью ±1% достаточно пути в 1 см.

Заметим, что термокаталитические газоанализаторы способны вести измерения только в узком диапазоне довзрывоопасных концентраций. Высокие концентрации углеводородов выводят их из строя.

Мы предлагаем линейку газоанализаторов, которые работают как высокоточные измерительные приборы во всевозможном земном диапазоне концентраций углеводородов – от 1 ррm до 100% объема.

Они могут функционировать:
как высокочувствительные течеискатели,
как приборы для экологического контроля (1 ….100 ppm)t
как приборы для измерения довзрывных концентраций углеводородов в системах техники безопасности (100 ррm -5об.д.,%),
как приборы для технического контроля в газовой, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности

Кроме того, оптические датчики обладают уникальной селективностью.

Подбирая различные сочетания датчиков, работающих в составе данной модели газоанализатора, можно удовлетворить любые конкретные технические требования

2. ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Важность использования оптики объясняется спецификой принципа работы, например, термокаталитического датчика, который уступает оптическому по безопасности.
Главным недостатком термопреобразовательных элементов является постепенная потеря чувствительности вследствие структурных изменений каталитически активной поверхности при их длительной работе в сложных атмосферных условиях, какие, например, встречаются на реальных объектах.
Как показал опыт эксплуатации, полная потеря чувствительности происходит за отрезок, исчисляемый от нескольких месяцев до нескольких лет. Этот недостаток является принципиальным и обусловлен химической природой процесса взаимодействия между поверхностью каталитически активного чувствительного элемента и анализируемыми газами.
Такое химическое взаимодействие на атомно-молекулярном уровне приводит к постепенному изменению структуры поверхности чувствительного элемента, усугубляемое в реальных условиях наличием паров кислотных и щелочных подземных вод, а также микродоз газов, являющихся ядами для катализаторов – некоторые серосодержащие газы, пары силиконовых соединений техногенного происхождения и др.
В обычных условиях это приводит к постепенному изменению показаний прибора.
В случае аварийной ситуации использование термокаталитического газоанализатора может просто привести к катастрофе.
При возникновении возгорания произойдет отравление прибора продуктами горения и он может не сработать на реальный выброс. Кроме этого, в замкнутом пространстве подземного сооружения при горении происходит резкое падение концентрации кислорода.

3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Термокаталитические сенсоры в системе обеспечения безопасности (в силу их специфики) применяются все меньше и меньше. Как правило, это контроль взрывоопасных газов, где оптические сенсоры имеют неоспоримые преимущества. К сожалению, оптические методы не могут эффективно быть использованы в диапазоне 1-100 ppm. Это область ПДК для отравляющих газов. Оптические методы и здесь могут работать эффективно, однако для этого требуется построить очень большие по размерам и весу приборы. Например, для такого газ как H2Sуровень ПДК это ≈100 ppm. Для того, чтобы построить оптический газоанализатор для такого диапазона концентрации необходимо иметь оптической ячейки более 10 м., что является неприемлемым. В связи с этим для решения проблем безопасности на случаи утечки таких газов как H2S, CO, NH3, NO, NO2, H2, O2, Cl2, SO2 и др. в диапазонах ПДК (1-200 ppm) используются электрохимические сенсоры. Несмотря на свои недостатки, они больше подходят по соотношению цена/качество.

4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Полупроводниковые сенсоры, из-за своих недостатков невозможно использовать для создания измерительных приборов, однако с успехом их можно использовать для создания всевозможных течеискателей для таких газов как метан, пропан, бутан, ацетилен, угарный газ, аммиак, сероводород, водород, бензин, галогены, фреоны, спирт и других промышленных растворителей.

Заключение.

Таким образом можно сделать следующие выводы:

1. Для обеспечения надежного обнаружения утечек взрывоопасных и горючих газов лучше всего подходят оптические промышленные газоанализаторы (как портативные, так и стационарные).

2. Для надежного обнаружения возможных утечек токсичных газов на уровне ПДК рабочей зоны лучше всего подходят электрохимические газоанализаторы.

3. Для создания эффективных течеискателей как горючих, так и токсичных газов лучше всего подходят приборы, построенные на базе полупроводниковых сенсоров.

Термокаталитические газоанализаторы исчерпали свой ресурс и на современном уровне развития промышленности являются морально устаревшими.