Газоаналитические приборы являются устройствами массового
применения на объектах транспорта нефти и газа. Они используются
для контроля токсичных и взрывоопасных веществ в воздухе произ-
водственных помещений. Прежде чем перейти к рассмотрению кон-
кретных приборов, введем несколько базовых для этой области тер-
минов. Газоанализатор (ГА) — это прибор, предназначенный для
получения информации о значении концентрации измеряемого ком-
понента или суммы компонентов в анализируемой газовой смеси.
ГА, применяемые при контроле и регулировании технологических
процессов, обычно градуируют в единицах объемной доли (для высо-
коточных измерений — в единицах молярной доли). Для контроля
воздушной среды используют ГА, градуированные в единицах массо-
вой концентрации. Нулевой газ — газ, который при прохождении
через ГА не вызывает отклонение указателя показывающего устрой-
ства. Поверочная газовая смесь (ПГС) — смесь нулевого газа с из-
вестным количеством измеряемого компонента, применяемая для
градуировки и поверки ГА. Нижний (верхний) концентрационный
предел взрыва или воспламенения (НКПВ, ВКПВ) — наименьшая
(наибольшая) концентрация горючих и взрывоопасных веществ в воз-
духе, в интервале которых могут произойти воспламенение или взрыв
данной смеси от ее соприкосновения с источником воспламенения.
По исполнению ГА делятся на стационарные и переносные. Ста-
ционарные ГА, являющиеся измерительными приборами, служат для
постоянного контроля опасных концентраций в окружающем воз-
духе или потоке газа. Переносные ГА чаще всего представляют собой
индикаторы, сигнализаторы, детекторы утечки газа и используются
для выявления мест утечек и скоплений газа в колодцах, в месте про-
ведения сварочных работ при ремонте трубопроводов, при обследо-
вании различных установок. По принципу действия ГА могут быть
тепловые, магнитные, оптические, комбинированные и др. Наиболь-
шее распространение на объектах трубопроводного транспорта по-
лучили тепловые и оптические ГА
Тепловые газоанализаторы
В тепловых ГА концентрация определяемого компонента опреде-
ляется по изменению теплопроводности λсм анализируемой газовой
смеси (АГС). Теплопроводность является аддитивным свойством,
поэтому для смеси n компонентов
где λi , Сi — соответственно теплопроводность и объемная концен-
трация каждого компонента.
Если АГС является бинарной или псевдобинарной, то, учитывая,
что сумма концентраций определяемого и неопределяемого компо-
нента равна 1, можно записать
где λок, Сок — теплопроводность и объемная концентрация опреде-
ляемого компонента; λнк — теплопроводность неопределяемого ком-
понента.
Из последнего выражения можно найти искомую концентрацию
Существует два типа тепловых газоанализаторов: термокондукто-
метрические и термохимические.
Принцип действия термокондуктометрического ГА основан на
процессе теплопереноса в газах под действием градиента температур.
При прохождении АГС через измерительную камеру, в которой на-
ходится нагретый до определенной температуры терморезистор, про-
исходит передача тепловой энергии от этого терморезистора через
слой АГС постоянной толщины к стенкам камеры, температура ко-
торых постоянна. Если количество теплоты, отдаваемой терморези-
стором, постоянно, а теплопередача происходит только за счет тепло-
проводности через слой газа, температура терморезистора, а следователь-
но, его сопротивление будут определяться только теплопроводностью
АГС или, как следует из выражения (8.2), концентрацией определяе-
мого компонента.
ГА представляет собой неуравновешенный мост (рис. 8.1, а), два
плеча которого образованы терморезисторами R 2 и R4, помещенны-
ми в измерительные камеры, а два — сравнительными R 1 и R 3 . Из-
мерительная камера (рис. 8.1, 6) представляет собой полый цилиндр,
внутри которого коаксиально расположена платиновая нить (чувстви-
тельный элемент). Диаметр платиновой нити 0,02... 0,05 мм; она на-
тягивается с помощью платиноиридиевых пружинок и закрепляется
в измерительной камере изоляционными втулками. Температура
газовой смеси должна быть постоянной, поэтому датчики термоста-
тируются. Для уменьшения влияния конвекции диаметр измеритель-
ной камеры выполняется как можно меньшим. Сравнительные ка-
меры бывают двух типов: герметизированные и проточные. В качестве
сравнительных смесей в герметизированных камерах используются
газовые смеси либо постоянного состава, либо с добавлением опреде-
ляемого компонента с концентрацией, соответствующей нижнему,
среднему или верхнему пределу измерения анализатора. В проточных
камерах обычно используется АГС, очищенная от определяемого
компонента специальным поглотителем.
Теплота Q, отдаваемая терморезистором в АГС, определяется вы-
Ражением
где I — длина платиновой нити, образующей терморезистор; λсм —
теплопроводность АГС; t H , t c — температура платиновой нити и
стенки камеры соответственно; D,d — диаметры камеры и платино-
вой нити соответственно.
Нагрев платиновой нити до температуры 50... 200 "С осуществля-
ется стабилизированным током I, что обеспечивает постоянство
значения Q. Искомая температура нити t H будет в этом случае равна
где R — сопротивление платиновой нити.
Для градуировки анализатора через него пропускается градуиро-
вочная смесь с известным содержанием определяемого компонента.
Поскольку количество теплоты, отдаваемое чувствительным элемен-
том к стенкам камеры, не меняется, температура нити при анализе
смеси неизвестного состава находится по формуле
где А,гс, Хас — теплопроводности градуировочной и анализируемой
смеси соответственно; tн1, t 2 — соответствующие этим смесям тем-
пературы платиновой нити.
Теплопроводность смеси n компонентов находится по формуле
(8.1). Если анализируемая газовая смесь содержит водяные пары,
то при расчетах необходимо учитывать, что водяные пары практиче-
ски полностью конденсируются, изменяя процентное содержание
других компонентов. Теплопроводность смеси в этом случае опреде-
ляется выражением
где п — число компонентов в смеси; λ, С, — теплопроводность и кон-
центрация i-го компонента; CHj0 — концентрация водяных паров.
Если теплопроводности АГС А,см в измерительных камерах и вспо-
могательного газа λв в сравнительных камерах одинаковы; напряжение
на измерительной диагонали мостовой схемы отсутствует. При из-
менении концентрации определяемого компонента, а значит, и тепло-
проводности АГС условия теплопередачи в измерительных камерах
изменяются, в результате чего на измерительной диагонали появля-
ется напряжение разбаланса U:
где К х — коэффициент преобразования термокондуктометрического ГА.
Термокондуктометрические ГА используются для измерения кон-
центрации негорючих газов (С02, S02 и др.) в бинарных и псевдоби-
нарных смесях. Их диапазон измерений от 0... 1 до 0... 100 %, класс
точности 2,5... 10 (увеличивается с уменьшением диапазона измере-
ния), время реакции 60... 120 с.
В термохимических ГА, используемых для измерения концентра-
ций горючих газов, используется тепловой эффект химической реак-
ции окисления определяемого компонента АГС на каталитически
активной поверхности платиновой нити, нагретой до температуры
200... 500 °С. По выделяющейся при этом теплоте и изменяющейся в
результате этого температуре нити определяется концентрация ана-
лизируемого компонента.
Изменение температуры ∆t при таком окислении (горении) опре-
деляется выражением
где К — постоянный коэффициент, зависящий от природы опреде-
ляемого компонента и конструктивных параметров чувствительного
элемента; Q H , С — удельная объемная теплота сгорания и объемная
концентрация определяемого компонента соответственно.
Каталитически активная платиновая нить включается в одно из
плеч неуравновешенного моста. В этот мост входит также резистор,
выполненный из каталитически пассивной платиновой проволоки и
находящийся в камере, заполненной неопределяемыми компонента-
ми газовой смеси. Если определяемый компонент в смеси отсутству-
ет, их сопротивления одинаковы. Резисторы двух оставшихся плеч
имеют постоянное сопротивление и выполнены из манганиновой
проволоки. При наличии определяемого компонента в газовой смеси
происходит его сгорание на активном резисторе, сопротивление по-
следнего возрастает, что приводит к появлению на измерительной
диагонали моста напряжения, пропорционального концентрации
определяемого компонента. Милливольтметр в измерительной диа-
гонали градуируется в единицах концентрации определяемого ком-
понента.
Такие ГА в основном используются как индикаторы и сигнализа-
торы взрывоопасных концентраций, градуируются в процентах НКПВ
и выполняются как в стационарном, так и в переносном варианте
(сигнализаторы серии СГГ, ПГФ и др.). Сигнализируемые значения
5... 50 % НКВП для горючих газов и паров и 5...20 % НКВП для сме-
сей водорода с воздухом, время реакции не более 30 с. Существуют
также термохимические ГА, в которых реакция окисления опреде-
ляемого компонента протекает на поверхности гранулированного
катализатора, в качестве которого часто используется смесь диокси-
да марганца и оксида меди. Увеличение поверхности катализатора
позволяет снизить нижний предел измерения до долей процента.
В остальном их работа аналогична рассмотренному выше ГА.
Термохимические ГА в настоящее время являются одними из наи-
более распространенных в промышленности средств аналитической
техники. Их различные модели выпускаются как российскими, так и
зарубежными фирмами.
Оптические газоанализаторы
Принцип действия оптических ГА основан на явлении избиратель-
ного поглощения анализируемым компонентом энергии излучения
определенной длины волны, причем интенсивность этого поглощения
зависит от концентрации анализируемого компонента в АГС. Эта за-
висимость описывается законом Бугера—Ламберта—Бера:
где I0λ — интенсивность монохроматического излучения с длиной
волны λ, на входе в поглощающий слой газа и после прохождения
через него соответственно; ελ — коэффициент поглощения излучения
определяемым компонентом на длине волны λ; С — концентрация
определяемого компонента в газовой смеси; L — толщина погло-
щающего слоя.
Произведение ελCL называется оптической плотностью D, :
Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения.
Газы, содержащие в своем составе два и более разнородных атомов,
такие как СО, С02, СН4, NH3, С2Н2, имеют спектры поглощения в
инфракрасной (ИК) области.
Для использования этого метода измерения необходимо, чтобы
определяемый компонент имел спектр поглощения, отличающийся
от спектров поглощения других компонентов анализируемой смеси.
Лежащие в ИК-области спектры поглощения СО, С02, СН4, NH3
изображены на рис. 8.2, а. Хотя спектры С02 и СО, С02 и СН4 ча-
стично перекрываются, можно выделить длины волн, на которых
имеет место селективное поглощение ИК-излучения этими компо-
нентами, что позволяет измерять их концентрацию в многокомпо-
нентных АГС. В качестве источников излучения инфракрасных ГА
используются нихромовые излучатели, нагретые до 700... 800 "С. При-
емниками излучения служат батареи термопар или терморезисторов,
фоторезисторы или конденсаторные микрофоны. Схема одного из
вариантов акустического приемника ИК-излучения представлена на
рис. 8.2, б. Источником 1 создается постоянное излучение, которое
с помощью вращающегося диска с отверстиями (обтюратора) 2 и
светофильтра 3 преобразуется в пульсирующее монохроматическое
излучение. Определяемый компонент, находящийся в камере 4, по-
глощает излучение, при этом в камере возникают пульсации темпе-
ратуры, а следовательно, и давления, изображенные на рис. 8.2, в.
Эти пульсации 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
изменение емкости С конденсатора.
Используемые в промышленности оптико-акустические ГА, как
правило, представляют собой дифференциальные двухлучевые схемы
и имеют две кюветы: измерительную, через которую прокачивается
АГС, и сравнительную, которая заполняется вспомогательной газовой
смесью. В нее входят какой-либо не поглощающий ИК-излучение газ
и неопределяемые компоненты АГС со средними значениями концен-
траций. ИК-излучение (2... 8 мкм) поступает в измерительную и срав-
нительную камеры через фильтровые камеры, служащие для уменьше-
ния влияния на результаты измерения неопределяемых компонентов,
полосы поглощения которых частично перекрываются с полосой по-
глощения определяемого компонента. Они заполняются этими компо-
нентами, причем их концентрация должна быть больше их возможной
концентрации в АГС. Если определяемый компонент отсутствует в АГС,
поглощение импульсного ИК-излучения в обеих камерах будет одина-
ково. При появлении в АГС определяемого компонента он поглощает
часть энергии излучения, проходящего через измерительную камеру, в
результате чего в конденсаторном микрофоне возникают колебания,
частота которых составляет несколько герц.
Оптико-акустические ГА используются для измерения в много-
компонентных смесях концентраций СО, С02, СН4, С2Н2, С3Н6 и др.
Диапазоны измерений этих анализаторов от 0...0Д до 0... 100% об.
Классы точности 2,5... 10 (в зависимости от диапазона измерений).
Дата: 2018-12-28, просмотров: 459.
