Оптический газоанализатор принцип действия

Газоанализатор – это специальный прибор для измерения количественного и качественного состава смеси газов. На сегодняшний день различают 2 основных типа газоанализаторов:

Автоматические газоанализаторы

Данные измерительные приборы позволяют измерять физико-химический или физический состав смеси газов или отдельных его частей. Исходя из принципа действия, существует 3 группы автоматических анализаторов:

  1. Химические или объемно-манометрические анализаторы.
  2. Газоанализаторы, основанные на физико-химическом и физическом методах.
  3. Физические газоанализаторы

Назначение этих устройств

Оптический газоанализатор принцип действия

Когда в помещении, в воздухе концентрируется опасная пропорция опасных веществ, устройство немедленно оповещает об этом. Применяются звуковые и световые сигналы. Блокируется подача газа.

Оптический газоанализатор принцип действия

Монтаж этого прибора обезопасит жильцов квартиры от аккумулирования газа в помещении и поспособствует оперативному устранению утечки. Если прибор имеет модуль GSM, связанный с номером абонента, то он может направлять сигнал на телефон.

Оптический газоанализатор принцип действия

И сегодня часто устройство называют бытовым сигнализатором газа – датчиком утечки угарного газа.

И это логично, ведь он монтируется там, где есть угроза скопления опасных элементов.

Шаблонные приборы могут определять концентрацию таких видов газа:

  • угарного (CO),
  • метана (СН4),
  • пропана (С3Н8).

Первый вид наиболее опасный. При его утечке в закрытом помещении возникает смертельная угроза.

Метан есть в главном газопроводе. При его большом скоплении есть большой риск взрыва или пожара.

Пропан – главный компонент сжиженного состава, который по массе превосходит воздух. И даже при открытом пламени возможна концентрация газа внизу помещения, ближе к полу.

В квартиры обычно подаётся состав из пропана, метана, сероводорода, углекислого газа и паров воды. Также для запаха подмешиваются специальные одоранты. Хотя главный компонент – всё же метан. Его пропорция: 70-98%.

Детектор утечки бытового газа может улавливать все эти компоненты. И чаще всего он монтируется около мест, где есть риск утечки (плиты, котлов, колонок и т.д.)

Химические или объемно-манометрические анализаторы

Первая группа устройств этого типа позволяет определить изменение давления и объема газовой смеси при помощи химических реакций, которые происходят с различными компонентами смеси газов.

Структура и принцип функционирования

Оптический газоанализатор принцип действия

Базис работы этих приборов – это термомеханические и оптические датчики. Структура всех устройств такова:

  1. Начальный преобразователь. Его функция – улавливать и вычислять пропорции газа в воздухе.
  2. Измерительный модуль. Он обрабатывает сигнал начального преобразователя и сопоставляет его с заданными параметрами.
  3. Блок питания.
  4. Корпус.
  5. Электромагнитный клапан. Он блокирует подачу горючего.
  6. Звуковые и световые индикаторы.

При включении вытяжки на кухне прибор направляет сигнал на пожарный щит.

Газоанализаторы, основанные на физико-химическом и физическом методах

В зависимости от физики использованного процесса, приборы 2-ой группы подразделяются на:

  • Хроматографические
  • Термохимические
  • Фотоколориметрические
  • Электрохимические

Хроматографические газоанализаторы

Данный тип приборов предназначен для измерения состава смеси газов, твердых тел или жидкости. Принцип действия хроматографического анализатора заключается в индикации качественного и количественного состава разделенной газовой смеси.

Существует 3 метода хроматографического измерения:

  1. Вытеснительный
  2. Фронтальный
  3. Проявительный

Термохимические газоанализаторы

Термохимические анализаторы газа – это устройства, определяющие энергию выделяемого тепла при прохождении химической реакции в смеси газов.

Принцип работы

Основной принцип работы – процесс окисления компонентов газа с применением дополнительных катализаторов (марганцево-медный катализатор, мелкодисперсная платина).

Измерение возникающей температуры осуществляется с помощью терморезистора, который в зависимости от температуры, меняет свое сопротивление, тем самым изменяя проходящий ток.

Фотоколориметрические газоанализаторы

Фотоколориметрический анализатор газа – это прибор, использующий оптическую систему (излучатель-приемник), который при помощи уровня поглощенного светового потока веществом определяет его.

Существует 2 разновидности фотоколориметрических газоанализаторов:

  1. Жидкостный фотоколориметрический анализатор газа (реакция протекает в растворе, что позволяет с точностью до 5% определить компоненты смеси);
  2. Ленточный фотоколориметрический газоанализатор (используют для реакции твердые носители).

Электрохимические газоанализаторы

Данный тип приборов предназначен для определения токсических газов в помещениях или на рабочих зонах. Отличительной чертой данного устройства, является возможность применять его во взрывоопасных зонах. Он компактный, энергосберегающий и практически нечувствителен к механическим воздействиям.

Они способны определять следующие вещества:

  • Аммиак NН3;
  • Сероводород H2S;
  • Угарный газ СО;
  • Оксид серы SO2;
  • Хлор Cl2;
  • Объемные доли кислорода (О2).

По принципу действия они подразделяются на:

  • Гальванические (реагируют на изменение электропроводности);
  • Электро-кондуктометрические (реагируют на изменения тока или напряжения);
  • Потенциометрические (измеряют отношение напряженности поля и активных ионов).

В основе работы электрохимических анализаторов газа лежит явление электрохимической компенсации, которое заключается в выделении специального реагента, который реагирует с определенным компонентом смеси.

Физические газоанализаторы

Данные устройства работают благодаря физическим процессам и подразделяются на следующие виды:

  • Термокондуктометрические;
  • Магнитные;
  • Оптические;
  • Денсиметрические.

Магнитные газоанализаторы

Предназначены для определения процента О2 в смеси газов.

Магнитные анализаторы газа подразделяются на 2 группы:

  1. Термомагнитные;
  2. Магнитомеханические.

Данные устройства измеряют силу, которая возникает в неоднородном магнитном поле и воздействует на ротор устройства, и позволяет измерять концентрации в диапазоне 10-2.

Термокондуктометрические газоанализаторы

Данные устройства позволяют определить состав газовой смеси при помощи такой физической величины, как теплопроводность.

Принцип действия: при изменении качественного и количественного состава газовой смеси, изменяется теплопроводность и соответственно сопротивления в терморезисторах, в результате чего полученные данные анализируются, и по шаблону определяется состав определенных компонентов газа.

Оптические газоанализаторы

Устройства данной конструкции работают по принципу изменения оптических свойств газовой смеси (оптическая плотность, спектральное излечение,  показатель преломления и т.д.).

Данные газоанализаторы могут определять как органические (метан СН4,  ацетилен С2Н2, этан С2Н6, и т.д.) так и неорганические (хлор, аммиак, сероводород и т.д.) вещества.

Оптические газоанализаторы подразделяются на:

  • Ультрафиолетовые;
  • Инфракрасные;
  • Спектрофотометрические;
  • Интерферометрические.

Принцип действия: определенный газ поглощает инфракрасное излучение с определенной длинной волны, в зависимости от которой устройство ведет расчет.

Разновидности приборов

Эти устройства отличаются друг от друга по виду определяемого газа. Как правило, датчик газа на кухню ставят такой, чтобы он определял CO, СН4 и С3Н8.

В последнее время большую популярность завоёвывают комбинированные модели. Они определяют сразу несколько разновидностей газа.

Ручные газоанализаторы

Ручные анализаторы газа – это переносные устройства, которые обладают высокой точностью и служат для проверки автоматических анализаторов газа в процессе их эксплуатации. Они также предназначены для лабораторных и контрольных анализов.

Основное отличие от автоматических устройств – это длительность процесса забора пробы, которая зависит от квалификации специалиста и может занимать от 5-и до 10-и минут.

Клапаны бытовых детекторов газа

Оптический газоанализатор принцип действия

Если на кухне есть вытяжка, включающаяся по сигналу прибора, то безопасность в помещении во многом обеспечивает отсекающий клапан. Он работает по электромагнитному принципу. Он мгновенно пресекает поступление горючего по сигналу прибора.

Есть таких виды клапанов:

  1. По диаметру трубы, проводящей газ.
  2. Электрические.
  3. Имеющие, допустимое давление.

Их виды по конструкции таковы:

  1. Нормально-открытый. Он взводится ручным способом. Для его работы не требуется напряжение. Когда срабатывает детектор, следует электрический сигнал, и клапан закрывается. Обозначение клапана — «NA».
  2. Нормально-закрытый. Его взведение аналогично. Но необходимо электричество. Он всегда работает под напряжением. По импульсу от устройства напряжение исчезает, происходит закрытие клапана.

Для бытовых задач оптимально использовать первый вид. Ведь при сбоях с электричеством его функциональность никак не пострадает.

Таблица основных преимуществ и недостатков некоторых газоанализаторов

Название Достоинства Недостатки
Термохимические Низкая стоимость Низкая избирательность; маленький диапазон измеряемой концентрации; непродолжительный срок службы сенсора; низкое быстродействие и чувствительность; для работы требует наличие кислорода
Электрохимические Позволяет обнаруживать даже мельчайшие частицы вредных газов; широкий диапазон определения загрязняющих органических и неорганических веществ; низкое энергопотребление; приемлемая цена Ограниченное быстродействие; низкая селективность; крупные габариты; необходимо дополнительно за собой носить огромное количество реагентов и разнообразных блоков
Оптические Высокая чувствительность; отсутствуют вредные реагенты, необходимые для анализа смеси газов; высокое быстродействие селективность и чувствительность; позволяют определять практически все загрязняющие газы и вещества Высокая стоимость

На сегодняшний день наибольшего распространения получили:

  • Оптические газоанализаторы;
  • Электрохимические газоанализаторы.

Установка приборов

Для монтажа газовых анализаторов лучше всего подходят вертикальные поверхности – места возможной газовой утечки (у счётчиков, колонок, котлов, плит).

Нельзя монтировать прибор:

  1. На дистанции менее 1 м от горелок.
  2. В грязных и пыльных зонах.
  3. Рядом с вентиляционными туннелями.
  4. В зонах, где хранятся горючие и токсичные материалы.

При монтаже нужно учитывать характеристики газа и высоту его концентрации. Так позиции газов от пола следующие:

  • метан – 50 см,
  • угарный газ – 180 см(до потолка – 30 см)
  • пропан – 50 см.

Комбинированную модель лучше монтировать в диапазоне 50-30 см до потолка.

Чтобы клапаны работали стабильно, поставьте в прибор аккумуляторы, которые способны автоматически переходить на запасное питание.

Установить прибор не сложно. Его можно зафиксировать дюбелями или саморезами.

В его паспорте подробно схематически отражается подключение электричества к нему и его контактирование с прочим оборудованием.

Монтировать клапан на газовые трубы должны только профессионалы.

Минимум раз в год газовый анализатор должен подвергаться процедуре освидетельствования.

Читайте также:  Стремянка для обрезки деревьев

Классификация по форм-фактору:

По форм-фактору, устройства можно разделить на на:

  • Стационарные  газоанализаторы — устройства, предназначенные для стационарной установки в рабочей зоне промышленных заводов и комбинатов, химических лабораториях, на нефтеперерабатывающих и газодобывающих предприятиях и других производствах
  • Портативные  газоанализаторы — устройства, индивидуального применения, которые служат дополнительной защитой к стационарным анализаторам газа
  • Переносные газоанализаторы — устройства, занимающие промежуточную нишу между стационарными и портативными. Больше по размеру, чем  портативные устройства, но обладают и большими возможностям. Подходят для небольших предприятий.

Газоанализаторы – это незаменимые устройства, которые используются как на производстве, так и в быту и позволяют определять качественный и количественный состав загрязняющих веществ в рабочей зоне или любом другом помещении, где есть опасные факторы утечки вредных веществ и газов.

Популярные модели

Сегодня купить такие приборы несложно. Их ассортимент приличен. На следующем изображении представлены некоторые хорошо раскупаемые модели

Оптический газоанализатор принцип действия

Приличным спросом пользуется и сигнализатор газа «Страж». У него есть разные модификации. Например, TD 0371. Его фото:

Оптический газоанализатор принцип действия

Его достоинства:

  1. Чувствительность к таким видам газа, как: природный, сжиженный и угарный.
  2. Срабатывание в течение 20 сек.
  3. Имеет мощную звуковую сирену.
  4. Его работа строится от сети. Поэтому не нужно постоянно менять батарейки.
  5. Устойчивость к влаге – 95%.
  6. Температурная стойкость – до 50 градусов.

Это оптимальный вариант для установки на кухне. Он легко справится с разными испарениями и температурными перепадами.

По инструкции сигнализатор газа Страж TD 0371 нужно монтировать ровную поверхность рядом с источником питания. Для этого применяются два шурупа.

Прибор должен получать постоянное питание от системы с параметром 220 В.

Его можно присоединить к кнопкам тревоги (охраны или пожарной). Можно задействовать как отдельную сигнализацию.

Характеристики и параметры прибора:

  1. Виды материала: пластик, стойкий к ударам, металл.
  2. Масса – 260 грамм.
  3. Потребление электричества – менее 2 В.
  4. Параметр звукового сигнала – 70 дБ/м.
  5. Функциональный температурный диапазон: 10 – 55 градусов.
  6. Габариты: 11 х 7 х 4 см.
  7. Срабатывание прибора осуществляется при пропорциях газа 10%LEL.
  8. Виды сигнала: звук и мигание.

Ещё одна знаменитая модификация «Стража» для квартиры – это УМ-005.

Оптический газоанализатор принцип действия

Модель постоянно контролирует содержание CO и СН4 в воздухе. Если пропорции первого превышают 0,005%, а второго — 0,5%, прибор сразу же оповещает об этом звуковым сигналом световыми диодами.

Тип его монтажа – вертикальный. Для этого подходит стена, ближайшая к газовому аппарату.

Возможно подключение внешнего аккумулятора – 12 В.

Если прибор пищит

Если газосигнализатор «Страж» пищит, то это может означать:

  1. Утечку газа. Нужно принять все меры безопасности для таких случаев.
  2. Поломку прибора.
  3. Проблемы с его питанием.

Если прибор сломался, а в воздухе не опасное содержание вредных компонентов, его следует отремонтировать или заменить.

Газоанализатор. Оптические газоанализаторы

В оптических газоанализаторах концентрация определяемого компонента измеряется по изменению оптических свойств газовой смеси, к числу которых относятся показатели преломления, спектрального поглощения и излучения, спектральная плотность и т.п.

Наиболее распространенными являются четыре группы оптических газоанализаторов: инфракрасного и ультрафиолетового поглощения; фотоколориметрические; люминесцентные; ослабления видимого излучения.

Оптические газоанализаторы обладают большой разрешающей способностью, благодаря чему они применяются для анализа микроконцентраций взрывоопасных и токсичных примесей в промышленных газах, при контроле воздуха в атмосфере и производственных помещениях.

Из перечисленных типов газоанализаторов наиболее распространенными являются недисперсионные инфракрасные фотометры (NDIR).

Газоанализаторы инфракрасного и ультрафиолетового поглощения. Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения. Газы, содержащие в своем составе два и более разнородных атомов, такие как СО, СO2, СН4, NH3, С2Н2 имеют спектры поглощения в инфракрасной области. Одноатомные газы характеризуются линейчатыми спектрами поглощения, лежащими в ультрафиолетовой области.

  • Закон Ламберта—Бера определяет связь ослабления монохроматического излучения при прохождении через камеру, заполненную анализируемым газом, с его концентрацией:
  • Iλ = I0λexp(-ε λcL)
  • Dλ = ε λcL = ln(I0λ/ Iλ)
  • где I0λ, Iλ— интенсивность монохроматического излучения на входе и выходе камеры длиной L, заполненной определяемым компонентом с концентрацией с и коэффициентом спектрального поглощения ελ, Dλ — оптическая плотность смеси газов.

Для использования этого метода измерения необходимо, чтобы определяемый компонент имел спектр поглощения, отличающийся от спектров поглощения других компонентов анализируемой смеси. Лежащие в инфракрасной области спектры поглощения СО, СO2, СН4, NH3 изображены на рис. 1. Спектры СO2 и СО, СO2 и СН4 частично перекрываются.

Оптический газоанализатор принцип действия

Рис. 1. Спектры поглощения СО, С02, СН4 в инфракрасной области

Схема одного из вариантов приемника инфракрасного излучения представлена на рис. 2.

Оптический газоанализатор принцип действия

Рис. 2. Принципиальная схема оптико-акустического лучеприемника:

1 — источник; 2 — диск с отверстиями; 3 — светофильтр; 4 — камера; 5 — чувствительный элемент

Источником 1 создается постоянное излучение, которое с помощью вращающегося диска с отверстиями (обтюратора) 2 и светофильтра 3 преобразуется в пульсирующее монохроматическое излучение. Анализируемый компонент, находящийся в камере 4, поглощает излучение, при этом в камере возникают пульсации температуры, а следовательно, и давления, изображенные на том же рисунке.

Пульсации давления в камере воспринимаются микрофонным чувствительным элементом 5, представляющим собой конденсатор, образованный подвижной мембраной и неподвижной пластиной.

Под действием давления мембрана перемещается, вызывая из-за колебаний зазора 5 изменения емкости конденсатора С. Подобного типа преобразователи входят в состав анализаторов недисперсионного инфракрасного излучения (NDIR).

Рассмотрим принцип действия микропроцессорного газоанализатора ULTRAMAT6 ф. Siemens, предназначенного для измерения концентраций газов, имеющих спектры поглощения в области длин волн 2…9 мкм, таких как СО, СO2, SO2, NO, NH3, Н2O, СН4 и другие углеводороды.

Газоанализатор помимо цифрового индикатора имеет интерфейс RS-485 и может иметь плату для подключения к высокоскоростной полевой шине Fieldbus.

Прибор содержит газовую и электронную части. Схема первой представлена на рис. 3. Поток инфракрасного излучения от источника 1 проходит через светофильтр 2 и делится светоделителем 3 на два потока: анализируемый 4 и эталонный 5.

Светоделитель 3 является также фильтровой камерой, заполненной неопределяемым компонентом со спектром поглощения, частично перекрывающим спектр поглощения анализируемого газа. Потоки 4, 5 попадают соответственно в камеру 6 заполненную анализируемым газом, и камеру 7, заполненную азотом.

После этих камер потоки попадают в измерительную камеру 8, содержащую секции каждого канала, разделенные по высоте на две части.

Оптический газоанализатор принцип действия

Рис. 3. Схема оптических каналов газоанализатора ULTRAMAT:

1 — источник света; 2 — светофильтр; 3 — светоделитель; 4,5 — анализируемый и эталонный поток; 6, 7 — камеры, заполненные газом и азотом; 8 — измерительная камера; 9 — датчик микропотока. 10 — оптический соединитель; 11 — заслонка; 12 — обтюратор

Центры пучков излучения поглощаются в верхней части измерительной камеры, края — в верхней и нижней. Верхние и нижние части секций соединены датчиком микропотока 9, который представляет собой мост, состоящий из двух выполненных в виде решетки никелевых резисторов, нагретых до температуры 120 °С, и двух постоянных.

При постоянном потоке излучения 5, попадающем в правую часть измерительной камеры 8, поток, попадающий в левую часть, зависит от концентрации определяемого компонента.

Разница давлений в секциях измерительной камеры 8 приводит к появлению микропотока газа, вызывающего изменение теплоотдачи от никелевых резисторов 9, и как следствие, изменение их сопротивления и выходного сигнала моста.

Оптический соединитель 10 удлиняет оптический канал нижней части измерительной камеры 8. Изменением положения заслонки 11 производится начальная балансировка оптических каналов.

Для создания пульсаций светового потока используется обтюратор 12.

Рассматриваемая конструкция сенсора ИК излучения обеспечивает узкую полосу спектральной чувствительности и отсутствие влияния на показания изменения концентрации неопределяемых компонентов.

ULTRAMAT6 может анализировать до четырех газовых смесей. Пределы измерения СО составляют 0…10 vpm, а СO2 0…5 vpm, расход газа лежит в пределах 12…90 л/ч. Погрешность выходного сигнала находится в пределах ± 0,5 % при недельном уходе начального сигнала и диапазона ±1 %. Приборы этого типа включает система NGA 2000, серия 800, BINOS NDIR ф. Rosemount.

Существуют модификации ИК анализаторов для измерения СО, СO2 в дымовых и выхлопных газах, в которых производится прямое просвечивание потока газа: с одной стороны находится источник ИК излучения, а с другой — приемник.

Большинство газов и паров способны поглощать ультрафиолетовое (UV) излучение, однако ограниченное их число обладают спектрами поглощения, отличными от других газов.

Газоанализаторы, основанные на поглощении определенными компонентами ультрафиолетового излучения, применяются для измерения наличия в воздухе токсичных паров ртути, хлора, карбонила никеля. В приборах в качестве источников ультрафиолетового излучения используются ртутные лампы.

Схемы могут быть как одноканальными, так и двух- канальными. В качестве приемников излучения на выходе рабочих и фильтровых камер применяются фоторезисторы, вакуумные фотоэлементы и фотоумножители.

Приборы этого типа входят в систему NGA2000, к ним относятся ETL 9100, мод. 2100 фирмы Rosemount.

Фотоколориметрические  газоанализаторы. В фотоколориметрических газоанализаторах концентрация определяемого компонента в соответствии с законом Ламберта—Бера измеряется по изменению оптической плотности индикаторного раствора, окраска которого избирательно меняется в присутствии определяемого компонента.

Читайте также:  Ремонт шлифовальной машинки своими руками

Фотоколориметрический метод характеризуется универсальностью, поскольку один и тот же прибор с различными индикаторными растворами может использоваться для анализа разнообразных компонентов газовой смеси. Он отличается также высокой избирательностью, зависящей от специфичности реакции, протекающей между анализируемым компонентом и индикаторным раствором.

Возможность накопления определяемого компонента в индикаторном растворе обеспечивает высокую чувствительность метода. Основанные на этом принципе приборы применяются для контроля состояния воздушного бассейна, они измеряют концентрацию в воздухе таких вредных примесей, как NO, NO2, SO2, Cl2, NH3, H2S.

Приборы имеют верхний предел измерения от 0,5 до 50 мкг/л в зависимости от анализируемого компонента.

К оптическим методам анализа относятся методы, использующие различные виды люминесценции. Люминесценция представляет собой холодное свечение, вызываемое светом (фотолюминесценция, флюоресценция), электрическим полем (электролюминесценция), химическими реакциями (хемилюминесценция). Последняя используется в газоанализаторах для измерения концентрации оксида и диоксида азота в газовых смесях.

Структурная схема газоанализатора типа «Клен» представлена на рис. 4.

Оптический газоанализатор принцип действия

Рис. 4. Структурная схема газоанализатора типа «Слен»:

КР — реакционная камера; К — клапан; Ф — фильтр; ГО — генератор озона; ПР — побудитель расхода; БД — блок дожига озона; ИП — измерительный преобразователь; РП — регистрирующий прибор

В реакционной камере КР оксид азота окисляется озоном. Реакция сопровождается свечением, интенсивность которого зависит от концентрации NO. Излучение попадает на фотоэлектронный умножитель, входящий в блок электронно-оптического преобразователя.

Если анализируемый газ через клапан К, поступает в реакционную камеру, то измеряется концентрация NO. Для измерения концентрации NO + NO2 анализируемый газ пропускается через конвертер К, в котором при температуре 800 °С NO2 восстанавливается до NO.

Для получения озона воздух проходит через фильтр очистки Ф и генератор озона ГО. Расход через прибор анализируемого газа и воздуха создается побудителем расхода ПР. Из реакционной колонки газовая смесь до сброса в атмосферу пропускается через блок дожига озона БД и фильтр.

Сигнал электронно-оптического преобразователя поступает на измерительный преобразователь ИП, выходной токовый сигнал которого регистрируется автоматическим миллиамперметром РП-160. Минимальный диапазон измерения прибора составляет 0…100 мг/м3, погрешность в зависимости от модификации составляет ±12; ±20%.

Аналогичный принцип действия применяется в анализаторах модели 955 (ф. Rosemount), имеющих диапазоны измерения от 10 до 1000 ррт.

Для измерения концентрации SO2 используется явление флюоресценции молекул под влиянием ультрафиолетового излучения. Автоматизированная система контроля загрязнения атмосферы АСКЗА включает приборы для измерения концентрации СО, СO2, NO, NO2, SO2, основанных на явлениях хемилюминесценции и флюоресценции.

Ослабление светового потока за счет его поглощения и рассеивания взвешенными частицами, находящимися в газе, применяются для измерения содержания золы в уходящих газах котлоагрегатов, для контроля запыленности воздуха в производственных помещениях и содержания в нем частиц влаги. В этих приборах производится просвечивание слоя или потока газа, при этом может измеряться как ослабленный частицами прямой поток, так и отраженный, последнее используется реже. Источником света служат, как правило, лампы накаливания, излучение воспринимается фотоэлементами, фоторезисторами или фотоумножителями. Измеритель задымленности газового потока ИЗА производит прямое просвечивание потока и может измерять задымленность в газоходах шириной от 1 до 10 м. Пределы измерения оптической плотности составляют 0—2 при пределе приведенной погрешности ±2 %.

Оптический инфракрасный газоанализатор, анализатор кислорода принцип действия

Горючие газы и пары — это, в основном, химические соединения, в составе которых углерод, водород, кислород, в некоторых случаях и азот, данное органическое соединение имеет название углеводород.

Соединение имеет достаточно специфическое свойство – поглощает инфракрасное излучение.

Что дало возможность использовать газоанализаторы для анализа и измерительных действий в целях получения данных относительно содержания газов в воздухе.

Поглощение инфракрасного излучения осуществляется в определенном спектральном диапазоне.

Некоторые газы имеют видимый диапазон, например, бром красный, йод фиолетовый, но такое восприятие, говорит о высокой концентрации, что опасно для жизни человека.

Также поглощение осуществляется на определенной длине волн 3,3-3,5мкм, но эта длина волн не поглощает кислород и азот, поэтому ее и используют в газоанализаторах.

Принцип действия следующий, когда ИК-излучение проходит через смесь, например, пропан и воздух, интенсивность излучения падает. Снижение интенсивности инфракрасного излучения напрямую будет зависеть от концентрации газа. Это объясняется тем, что в результате часть излучения будет поглощена молекулами газа:

  • Воздух. ИК-излучение при анализе проходит без снижения, интенсивность не падает, а сигнал на выходе =0.
  • Углеводородный газ. ИК-излучение ослабевает, интенсивность снижается, сигнал на выходе будет равен концентрации газа.

Благодаря этому принципу работы, где осуществляется сравнение ослабления инфракрасного излучения при прохождении через газ и через воздух, выполняется калибровка, где концентрация газа всегда будет отвечать интенсивности снижения излучения.

Но вместе с тем, эта измерительная технология значительно усложняется за счет самой величины ослабления ИК-излучения, она очень мала.

Кроме этого, следует учитывать, что снижение интенсивности может быть вызвано и другими причинами: грязная оптика, эффект старения излучателя.

Источник излучения  – это световой поток, который воспроизводится сенсором за счет низковольтных ламп, которые включаются периодически. Они обладают высоким процентом ИК-излучения в данном спектре частот. Когда они проходят через сапфировое стекло, они делятся на 2 части, за счет светоделителя. 1-я часть попадает на опорный детектор, 2-я на измерительный.

Эти детекторы имеют пироэлектрические кристаллы, которые предназначены для того чтобы преобразовать энергию в выходное напряжение. В тоже время они оснащаются разными фильтрами, которые принимают волны с разной длиной.

Если сравнить оптический инфракрасный газоанализатор с термокаталитическим сенсором, можно увидеть следующие преимущества:

  • Нечувствительны к коррозийным и полимеризирующимся веществам, отравителям катализа;
  • Обнаружения газа в атмосфере с низким содержанием кислорода;
  • Нечувствительны к дисульфиду углерода, водороду, к скорости потока газа;
  • Высокая отказоустойчивость;
  • Стабильность показаний;
  • Подменная /перекрестная калибровка относительно газозаменителя для сложного целевого углеводородного газа.

Относительно недостатков, можно отметить время реакции, которое несколько выше чем у термокаталитических сенсорах, и более высокую стоимость.

21-5. Оптические газоанализаторы

Макеты страниц

Общие сведения. Оптические газоанализаторы основаны на использовании зависимости изменения того или иного оптического свойства анализируемой газовой смеси от изменения концентрации измеряемого компонента. В оптических газоанализаторах

используются такие оптические свойства, как спектральное поглощение, оптическая плотность, показатель, преломления, спектральное излучение газовой смеси и др.

В соответствии с оптическим свойством, положенным в основу принципа работы прибора, оптические газоанализаторы подразделяются на следующие основные три группы (ГОСТ 13320-67):

1. Абсорбционные — основанные на поглощении лучистой энергии в инфракрасной области спектра (в том числе оптико-акустические), ультрафиолетовой и видимой областях спектра (фотоколориметр ические жидкостные и ленточные).

2. Интерферометрические — основанные на использовании явления смещения интерференционных полос вследствие изменения оптической плотности газовой среды на пути одного из двух когерентных лучей.

3. Эмиссионные — основанные на излучении лучистой энергии, например на измерении интенсивности спектральных линий излу чения компонента, зависящей от его концентрации в анализируемой газовой смеси. Этот метод, предложенный С. Эфришем, принято называть методом эмиссионного спектрального анализа газовой смеси.

Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лучей, получили широкое применение в различных отраслях промышленности и применяются для определения концентрации окиси углерода двуокиси углерода метана аммиака в сложных газовых смесях, а также и других газов. Это объясняется тем, что в инфракрасной области спектра газы имеют весьма интенсивные и отличительные друг от друга по положению в спектре полосы поглощения.

Газоанализаторы, основанные на поглощении ультрафиолетовых лучей, применяются в химической, нефтяной и пищевой промышленности.

Благодаря высокой чувствительности они широко используются для определения токсических и взрывоопасных концентраций различных газов в воздухе промышленных предприятий.

Газоанализаторы этого типа позволяют определять содержание паров ртути, хлора и других газов и паров как в воздушной среде, так и в технологических газовых смесях.

Газоанализаторы фотоколориметр ические, основанные на поглощении лучей в видимой области спектра, подразделяются на жидкостные и ленточные. Жидкостные газоанализаторы являются приборами с непосредственным (прямым) поглощением излучения определяемым компонентом при взаимодействии анализируемого компонента с жидким реактивом.

В газоанализаторах второго типа измеряется светопоглощение поверхностью бумажной или текстильной ленты, предварительно пропитанной или смоченной соответствующим реактивом. Фотоколориметрические газоанализаторы широко применяют для измерения микроконцентрации различных газов в воздушной среде и в сложных газовых смесях.

Эти газоанализаторы широко используются также для определения в воздухе

Спектрофотометрические газоанализаторы, основанные на методе эмиссионного спектрального анализа газовой смеси, используются для анализа аргона, гелия, азота, водорода и кислорода на примеси.

Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лучей (оптико-акустические). Известно, что способностью поглощать инфракрасные лучи обладают все газы, которые содержат в молекуле два и более различных атомов, например окись углерода двуокись углерода метан Способность к поглощению инфракрасных лучей не проявляется у таких газов, как кислород азот водород одноатомные газы — гелий (Не), неон аргон криптон ксенон радон которые имеют один тип атомов.

  • Основным законом, определяющим интенсивность монохроматического излучения, прошедшего известную толщину поглощающего слоя газа х, является закон Ламберта-Бера
  • где интенсивность монохроматического излучения до и после прохождения поглощающего слоя газа; коэффициент поглощения, характерный для данного газа и определенной длины волны с — объемная концентрация газа, поглощающего излучение (в долях единицы).
Читайте также:  Где самая горячая часть пламени

Известно, что каждый газ поглощает инфракрасное излучение в свойственных ему участках спектра. Это различие спектров поглощения в инфракрасной области в большинстве случаев позволяет вести избирательный анализ данного компонента в сложной газовой смеси при переменной концентрации неопределяемых компонентов.

В зависимости от принципа действия лучеприемника газоанализатора, а вместе с тем и характера реакции его на поток инфракрасного излучения (селективного и неселективного) существующие газоанализаторы этого типа делятся на несколько групп и имеют различные наименования. Наибольшее распространение имеют газоанализаторы, в которых используется селективный оптикоакустический лучеприемник.

На рис. 21-5-1, а схематично показан оптико-акустический лучеприемник 1, в котором находится газ, способный поглощать инфракрасные лучи. Окно 2 этого лучеприемника выполнено из материала, пропускающего инфракрасное излучение. Через это окно поступает поток инфракрасного излучения от источника 3, прерываемый с определенной частотой обтюратором 4, приводимым в действие

синхронным двигателем 5. Вследствие этого газ будет периодически нагреваться за счет поглощения энергии и охлаждаться и в замкнутом объеме лучеприемника возникнут периодические колебания температуры, вызывающие периодические колебания давления газа (рис. 21-5-1, б).

Рис. 21-5-1. Схема оптико-акустического лучеприемника.

Колебания давления могут быть преобразованы конденсаторным микрофоном 6 в электрический выходной сигнал, который можно измерить. Описанное оптико-акустическое явление известно как явление Тиндаля-Рентгена, которое ими наблюдалось при звуковых частотах модуляции излучения.

Рассмотренный лучеприемник, заполненный данным газом, является селективным (избирательным), так как процесс поглощения модулированного инфракрасного излучения и связанные с ним периодические колебания температуры и давления возникают только при определенных длинах волн, соответствующих спектру поглощения газа, находящегося в лучеприемнике (рис. 21-5-2).

Рис. 21-5-2. Спектры поглощения в инфракрасной области.

Предположим, что перед оптико-акустическим лучеприемником установлена дополнительная (рабочая) камера с двумя окнами из материала, пропускающего инфракрасное излучение.

Если через эту камеру пропускать газовую смесь, содержащую также и анализируемый газ, которым наполнен лучеприемник, то при прохождении потока инфракрасного излучения часть его поглотится газом, находящимся в рабочей камере.

Поэтому в лучеприемник будет поступать ослабленный поток излучения, степень ослабления которого будет зависеть от концентрации определяемого компонента в газовой смеси. Это приводит к изменению амплитуды

колебаний температуры и давления в замкнутом объеме лучеприемника. Таким образом, амплитуда будет определять концентрацию определяемого компонента в газовой смеси, пропускаемой через рабочую камеру.

Необходимо отметить, что наличие в анализируемой сложной газовой смеси неопределяемых компонентов, спектры поглощения которых могут частично перекрывать спектр поглощения определяемого компонента (например, наличие и при определении в газовой смеси), приведет к увеличению погрешности измерения.

Это обусловливается тем, что в данном случае степень ослабления потока инфракрасного излучения в рабочей камере будет определяться и концентрацией мешающих неопределяемых компонентов.

Значение погрешности измерения будет зависеть от соотношения удельных коэффициентов (показателей) поглощения определяемого и неопределяемого компонентов, от выбранной схемы и конструкции газоанализатора, а также от концентрации неопределяемого мешающего компонента.

Для уменьшения влияния неопределяемых компонентов на точность измерения в оптическом канале газоанализатора устанавливают фильтровую камеру, наполняемую неопределяемыми мешающими компонентами в смеси с газом, не поглощающим инфракрасное излучение в требуемой пропорции.

Рассмотренная одноканальная оптическая схема газоанализатора, состоящая из источника инфракрасного излучения, обтюратора, рабочей камеры и лучеприемника, не может обеспечить необходимую точность измерения. Для повышения точности измерения в большинстве отечественных и зарубежных газоанализаторов применяют двухканальную (дифференциальную) оптическую схему.

Первые типы газоанализаторов, использующие оптико-акустическое явление Тиндаля-Рентгена, были созданы в СССР М. Л. Вейнгеровым.

Они работали на звуковых частотах модуляции инфракрасного излучения и поэтому получили наименование оптико-акустических газоанализаторов.

Выпускаемые же в настоящее время газоанализаторы этого типа работают с частотой модуляции 5—6 Гц, но наименование их осталось прежним.

Рассмотрим принципиальную схему оптико-акустического газоанализатора с газовой компенсацией, показанную на рис. 21-5-3, широко применяемого для определения (тип ) в сложных газовых смесях. Газоанализатор состоит из приемного преобразователя 1 и вторичного прибора 2, выполненного на базе автоматического уравновешенного моста типа МС (МСР) или КСМ2.

Приемный преобразователь состоит из следующих элементов и узлов: 3 — излучателя из нихромовой проволоки; 4 — отражателя; 5 — обтюратора; 6 — синхронного двигателя, приводящего в действие обтюратор; 7 — фильтровых камер, заполненных неопределяемыми мешающими компонентами в смеси с газом, не поглощающим инфракрасное излучение в требуемой пропорции; 8 — рабочей камеры, через

которую протекает анализируемая газовая смесь; 9 — отражающей пластины; 10 — лучеприемника; 11 — лучеприемных камер, заполненных анализируемым компонентом или газовой смесью, содержащей измеряемый компонент и газ, не поглощающий инфракрасное излучение в определенной пропорции в зависимости от диапазона измерений; 12 — конденсаторного микрофона, предназначенного для преобразования колебания давления в лучеприемнике в электрический выходной сигнал; 13 — компенсационной камеры, заполненной газовой смесью, содержащей измеряемый компонент и газ, не поглощающий инфракрасное излучение в определенной пропорции в зависимости от диапазона измерений; 14 — поршня для изменения толщины поглощающего слоя газа (передняя плоскость поршня одновременно выполняет функции отражателя); 15 — усилителя со вспомогательным блоком питания; 16 — реверсивного двигателя, вал которого через редуктор может перемещать поршень;

17 — реохорда, включенного в мостовую измерительную схему вторичного прибора.

Окна фильтровых, рабочей, компенсационной и лучеприемных камер выполнены из синтетического корунда, пропускающего инфракрасное излучение. Для герметизации компенсационной камеры применен сильфон.

Рис. 21-5-3. Принципиальная схема оптико-акустического газоанализатора с газовой компенсацией.

Питание электрической схемы приемного преобразователя газоанализатора осуществляется от сети напряжением 127 или 220 В, частотой 50 Гц через стабилизатор 18.

Потоки инфракрасного излучения (показаны стрелками на рис. 21-5-3) от двух излучателей, одновременно прерываемые обтюратором, поступают в два оптических канала.

В правом канале поток излучения проходит через фильтровую и рабочую камеры и ослабляется в фильтровой камере, а затем в рабочей пропорционально концентрации определяемого компонента в анализируемой газовой смеси.

Ослабленный поток излучения поступает через отражатель в правую лучеприемную камеру. В левом сравнительном канале поток излучения проходит через фильтровую и

компенсационную камеры и, отражаясь в последней от передней плоскости поршня, поступает в левую лучеприемную камеру. В этом канале инфракрасное излучение ослабляется в фильтровой камере (на то же значение, что и в фильтровой камере правого канала), а затем в компенсационной камере пропорционально толщине слоя газа в ней.

При равенстве интенсивностей инфракрасного излучения в правой и левой лучеприемных камерах мембрана конденсаторного микрофона остается неподвижной.

Периодическое нагревание и охлаждение газа хотя и вызывают в левой и правой лучеприемных камерах колебания давлений, но они возникают одновременно с обеих сторон мембраны и равны по амплитуде.

Поэтому выходной сигиал конденсаторного микрофона практически равен нулю.

Если интенсивность поступающего инфракрасного излучения в правую лучеприемную камеру будет меньше, чем в левую, то и амплитуда периодического колебания давлений в правой лучеприемной камере будет меньше, чем в левой.

При этом разность давлений, действующая на мембрану конденсаторного микрофона, будет тем больше, чем больше будет концентрация определяемого компонента в анализируемой газовой смеси.

Амплитуда колебаний мембраны и связанное с ней изменение выходного сигнала пропорциональны разности давлений в лучеприемных камерах, а следовательно, и концентрации определяемого компонента в газовой смеси.

Выходной сигнал конденсаторного микрофона, пропорциональный амплитуде колебаний его мембраны, подается на вход усилителя.

Вал реверсивного двигателя, управляемого усилителем, через редуктор и преобразовательное устройство перемещает поршень компенсационной камеры, заполненной определяемым компонентом, и изменяет тем самым толщину слоя газа в ней до тех пор, пока интенсивность поступающего инфракрасного излучения в левую лучеприемную камеру не будет равна интенсивности излучения, поступающего в правую лучеприемную камеру.

Положение поршня при его перемещении, а следовательно, и толщииу слоя газа можно определить по вспомогательной шкале, нанесенной на вращающийся циферблат, жестко соединенный с каркасом реохорда (шкала на рис. 21-5-3 не показана).

Таким образом, в пределах диапазона измерения прибора каждому значению концентрации определяемого компонента в анализируемой газовой смеси соответствует определенная толщина слоя этого же компонента в компенсационной камере, а вместе с тем и сопротивление рабочего участка реохорда, измеряемое вторичным прибором.

В рассмотренном газоанализаторе с газовой компенсацией поглощение инфракрасного излучения в обоих оптических каналах имеет одинаковый спектрально-избирательный характер. Приборы с газовой компенсацией по сравнению с оптико-акустическими газоанализаторами с электрической и оптической компенсацией

обладают более высокой чувствительностью, равномерной шкалой и лучшими метрологическими характеристиками [89].

Пределы допускаемой основной погрешности газоанализаторов составляют ±2,5% диапазона измерения.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector