Газоанализатори за серни окиси

ЕкологияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2009

Базови методи за газов анализ, критерии за класификация
на газоанализатори

 

  Газовият състав е определящ фактор за ефективно приложение на редица технологии, водещи до икономия на енергия, свързани с контрол на качеството или оптимизация на промишлените процеси, както и с цел мониторинг и контрол на околната среда и т.н. Анализът на газови смеси с цел определяне на качествения и количествения им състав е познат още като газов анализ.

Видове методи за газов анализ
Съществуват различни методи на газов анализ, включително химични, физико-химични и физични.
Химичните методи се основават на различното взаимодействие между компонентите на газовата смес с реагенти. За количеството на конкретния газ в анализираната смес се съди по намаляване обема на взетата проба. Достойнство на химическите методи е сравнително лесната им реализация.
При физико-химичните методи, компонентите на газовата смес се поглъщат от разтвор на съответен реагент. Измерва се неговата електрическа проводимост, оптическа плътност или друга физико-химична характеристика и в зависимост от получената стойност се съди за наличието и съдържанието на определен газов компонент.
Физическите методи на газов анализ се основават на измерване на топлопроводността, коефициентите на поглъщане и излъчване на светлината, както и на други физични свойства на газовата смес, зависещи от нейния състав. Важно преимущество на физико-химичните и физичните методи на газов анализ пред химичните са по-високата скорост на измерване и възможността за автоматизиране на анализа. Това обяснява и по-широкото им разпространение.

Прибори за газов анализ
Газовият анализ се използва за определяне състава на природни и промишлени газове, контрол на определени технологични процеси, откриване на токсични и взривоопасни газове във въздуха на производствените помещения и др.
Приборите, с помощта на които се извършва газов анализ, се наричат газоанализатори. Те са с ръчно и автоматично действие.
От първия вид, най-разпространени са химично-абсорбционните. Принципът им на работа се основава на последователно поглъщане на компонентите на газовата смес от различни реагенти.
От втория вид, най-широко се използват автоматичните газоанализатори, които измерват някоя от физичните или физико-химичните характеристики на газовата смес или на нейни отделни компоненти.
Критерии за класификация на газоанализатори
Съществуват различни критерии за класификация на газоанализаторите, например според функционалните им възможности, конструктивното изпълнение, количеството на измерваните компоненти, броя на измервателните канали, предназначението и др.
В зависимост от функционалните възможности, приборите се определят като индикатори, сигнализатори и газоанализатори. Индикаторите са прибори, които извършват качествена оценка на газовата смес за наличие на контролиран компонент. Не измерват точната концентрация, но обикновено могат да определят дали количеството е голямо или малко. Сигнализаторите също дават приблизителна оценка на концентрацията на контролирания компонент. Разликата с индикаторите е, че имат няколко прага на сработване. При достигане на концентрацията до някоя от праговите стойности те сработват, т.е. включва се определен елемент на сигнализация. Използват се светлинни индикатори и звукови устройства. За разлика от тях, газоанализаторите правят не само количествена оценка на концентрацията на измервания компонент по обем или маса, но могат да бъдат снабдени с прагови устройства, изходни аналогови или цифрови сигнали, принтери и др.
Според конструктивното си изпълнение, приборите са стационарни и преносими. Стационарните газоанализатори са по-голямо габаритни и тежки и обикновено са предназначени за продължителна и непрекъсната работа на определено място. Преносимите имат по-малки размери и могат лесно да се преместват от един обект на друг.
В зависимост от количеството на измерваните компоненти, приборите са еднокомпонентни и многокомпонентни. Известно е, че газоанализаторите могат да анализират няколко компонента. Анализът би могъл да се извършва както едновременно за всички компоненти, така и последователно, в зависимост от конструкцията на прибора.
Друг критерий за класификация на уредите е броят на измервателните канали. На осовата на този критерий, газоанализаторите се определят едноканални и многоканални. Съвременните модулни газоанализаторни системи позволяват броят на измервателните канали да се увеличава. В различните канали могат да се измерват както еднакви компоненти, така и различни.
Според предназначението, уредите се определят като газоанализатори за контрол на технологичните процеси, за контрол на промишлени газове, изхвърляни в атмосферата, за осигуряване на безопасна работа, за екологичен контрол и др. За съжаление, не е възможно да се направи универсален газоанализатор, с който да бъдат решени всички задачи на газовия анализ. Контролирането на различни газове, в различни диапазони на концентрация, се извършва на основата на различни измервателни методи. Затова производителите конструират прибори, предназначени за решаване на конкретни метрологични задачи.

Серните окиси - основни замърсители на въздуха
Серният двуокис и серният триокис (SO2 и SO3) са основни окиси на сярата в атмосферния въздух. Проведени изследвания показват, че болшинството атмосферни замърсявания се формират от различни аерозоли, които се образуват в атмосферата при фотохимични реакции между SO2, окиси на азота и въглеводороди. Серният двуокис често се превръща в SO3, сярна киселина (H2SO4) или в нейни соли.
Серните и азотните окиси в атмосферата са сред най-сериозните причини за корозиране на металните конструкции. Те увреждат не само тях, но и жилища, сгради, включително паметниците на културата. Например в Рим и на много други места, където културните паметници са изградени от мрамор и са потъмнели от времето, лесно би могло да се забележи, че местата, открити за дъждовете, са бели. Причината е, че калциевият карбонат образува със сярната киселина калциев сулфат, известен под името гипс.
Освен с екологични цели измерването на серните окиси играе важна роля при управлението на технологичните процеси в нефтопреработвателната промишленост, химическата индустрия, металургията и др.

Видове сензори за измерване на серни окиси
За измерване на серни окиси се използват разнообразни методи за газов анализ, включително електрохимичен, термокондуктометрични и оптични.
Основно предимство на химическите твърдотелни сензори в сравнение с прибори, работещи на базата например на хроматография и оптическа спектроскопия, са малките им габарити. Това позволява качествен и количествен анализ на газови смеси да се извършва посредством преносими устройства.
В зависимост от принципа на действие и конструктивните си особености се различават следните видове сензори:
Електрохимически сензори. Те измерват изменението на потенциала или проводимостта на чувствителен елемент, изработен от твърди електролити, в зависимост от концентрацията на активния компонент в газовата смес.
Каталитични сензори. Измерват промяната на температурата в резултат на екзотермична реакция на окисление на горим газ или пара, която протича на повърхността на катализатора.
Полупроводникови сензори. Изработват се на основата на металоокисни системи, проводимостта на които се променя в зависимост от типа и концентрацията на газа.
Микроелектронни сензори. Съдържат полеви транзистор, капацитивен или диоден елемент, характеристиките на който се променят от състава на газовата смес.
Микроакустични сензори. Измерват честотното изместване на акустически резонатор в зависимост от газовия състав.
При цялото разнообразие на типове прибори за определяне наличието и концентрацията на серни окиси в атмосферата, в конструкцията им има два задължителни елемента. Те са чувствителен слой и първичен електронен преобразувател. Чувствителният слой в отделни случаи би могъл да има дебелина от порядъка на атомни или молекулни размери. Свойствата му се определят не само от химическия състав, но и от вътрешната структура на порите.

Топлинни газоанализатори
Измерват концентрацията на анализираната компонента на основата на свързаните с нея термични свойства на газовата смес. От съществуващитe конструкции газоанализатори най-широко приложение са получили приборите, при които се измерва топлопроводността на газовата смес. Те са познати като термокондуктометрични. Базов параметър за работата им е относителният коефициент на топлопроводност на анализирания газ.
Между коефициента на топлопроводност на газовата смес l, коефициентите на топлопроводност li  и концентрациите сi на влизащите в нейния състав n компоненти съществува следната зависимост l = l1 c1 + l2 c2 +...+ ln cn. Тя е близка до линейната. Да направим допускането, че газовата смес е бинарна. Нека тя има сумарна концентрация сn на компонентите, които не се определят и които са със съвпадащи коефициенти на топлопроводност ln.. Следователно, зависимостта за коефициента на топлопроводност на сместа добива вида: l = l0 c0 + ln cn .Тъй като cn + c0 = 1, зависимостта между концентрацията с0 на компонентата, която се изследва, и измервания коефициент на топлопроводност на сместа l, при известни коефициенти на топлопроводност лn  и л0, има вида: c0 = l - ln / l0 - ln. Ако в състава на компонентите, които не се определят, се съдържа газ, промяната в концентрацията на който влияе върху коефициента на топлопроводност на сместа, е необходимо тази компонента да се отдели. В стационарен топлинен режим коефициентът на топлопроводност на газовата смес се определя еднозначно от температурата на определено термосъпротивление, най-често изработено от платина.

Измервателна схема на топлинен разходомер
Една от най-разпространените измервателни схеми на топлинни газоанализатори е неуравновесена мостова схема (фиг. 1). Тя се състои от четири термосъпротивления Pt 100, като Rm се намират на пътя на измервания газ, а Rr - на пътя на референтния газ. Изходният сигнал от моста се настройва на нула, когато не е пуснат измерваният газ.
Два са вариантите на използване на измервателната схема в зависимост от приложението и газовия състав на измерваната смес. При първия не се използва референтен газ. Измерваният газ се подава към сензорите и, преминавайки покрай тях, ги охлажда под действието на ефекта на термопроводимост. Газът поглъща част от топлината на термосъпротивленията. За да се намали влиянието на конвективния топлообмен, газът постъпва към термодатчиците дифузно. Охлаждането на термосъпротивленията води до промяна на съпротивлението им, което разбалансира моста. Генерираният изходен сигнал е пропорционален на топлопроводността на газа. В допълнение, електронният блок обработва този сигнал. Преобразува го в стандартен аналогов - токов или напреженов, цифров или дискретен сигнал.
Когато в състава на газовата смес се съдържат и други газове, различни от въздух и азот, които влияят на топлопроводността, се прилага вторият вариант. Той се базира на използването на референтен газ, подаван от т.нар. референтна страна на моста. В този случай изходният сигнал ще се формира от разликата в топлопроводимостите на измервания и референтния газ.
На фиг. 2а и 2б е показан измервателният блок на термокондуктометричен газоанализатор. Той е изработен от алуминий, неръждаема стомана или хастелой и съдържа два газови пътя- на измервания газ и на референтния газ. Обемът на блока и масата на сензорите е минимизиран с цел по-голямо бързодействие при измерване. За да се потисне влиянието на промяната на околната температура, блокът е изолиран и термостатиран. Сензорите са облицовани със стъкло, за да издържат на агресивни газови смеси.
Термокондуктометричните газоанализатори намират ограничено приложение при измерване на серни окиси. Те се използват най-вече за анализ на водород и хелий, тъй като техният коефициент на топлопроводност е значително по-висок.




Top