Газоанализатори за серни окиси

ЕкологияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2009

Част II. Същност и специфики на оптичните методи за измерване

 Уважаеми читатели, в настоящия брой на сп. Инженеринг ревю продължаваме темата за газоанализатори за серни окиси. В брой 2/2009 г. представихме видовете методи за газов анализ, критериите за класификация на газоанализатори, видовете сензори, използвани в областта, както и топлинните прибори за измерване на серни окиси. В статията, която публикуваме в броя, ще разгледаме подробно оптичните газоанализатори и видовете уреди в зависимост от приложната им област.

Оптичните газоанализатори
измерват концентрацията на анализираната компонента в зависимост от изменението на оптичните свойства на газовата смес. Към тях се отнасят показателите: спектрално поглъщане и излъчване, спектрална плътност и др. Поглъщането на електромагнитното излъчване от молекулите на газа води до възбуждане на електрона, т.е. към промяна на енергийното му поле. Направени анализи показват, че поглъщането на електромагнитни вълни, съответстващи на видимия и ултравиолетовия спектър, предизвикват изменение на електронната енергия на молекулите. От друга страна, поглъщането на инфрачервеното излъчване води до промяна на колебателните и въртеливи състояния на молекулите.
Описаните явления се използват от абсорбционната спектроскопия, която е метод за определяне на химическия състав на газове. Измерването на интензивността на електромагнитното излъчване, поглъщано от газовата смес, зависи от свойствата й, което позволява концентрацията на дадения газ в сместа да се определи с достатъчно висока точност.

Определяне на газовата концентрация
Съгласно закона на Бугер–Ламберт–Беер, поглъщането на светлината при преминаването й през газова среда зависи експоненциално от концентрацията на газа. В сила е следната зависимост I =I0.e-aLX, където I0 е интензитет на светлината, преди преминаване през газовата среда, I - интензитет на светлината след преминаване през газовата среда, a - коефициент на поглъщане на газа за избраната дължина на вълната, L - дължината на оптичния път, X - концентрацията на молекулите на газа. Ако L и a са известни, концентрацията на газа лесно би могла да се намери, като се измери интезитетът на светлината, преминаваща през измерителния канал от светлинния източник до приемника.
Този закон е в сила само в случаите на монохроматично излъчване, което не е характерно за недисперсионни прибори. Освен това коефициентът на поглъщане се променя в зависимост от широчината на използвания честотен спектър. Промяната на температурата на анализирания газ води до изместване на честотния спектър на поглъщане. Законът, също така, не отчита общото налягане и влиянието на непоглъщащите газове, съдържащи се в сместа.
За да се отстранят или да се отчетат описаните източници на грешки, наред с други неконтролируеми фактори, като изменение интензивността на излъчване, промяна на чувствителността на детектора или замърсяване на стъклата на измервателната клетка, се използват прибори, работещи на основата на двулъчева схема. Съществуват различни модификации уреди, обусловени от спектъра на светлината, с който работят, и конструктивното им изпълнение.

Недисперсионна инфрачервена спектроскопия (NDIR)
Недисперсионната инфрачервена техника за измерване концентрацията на газове се основава на характерните линии на оптично поглъщане на съответния газ в инфрачервената област на електромагнитния спектър. Предимствата на този вид техника пред спектралните уреди, използващи решетки и процепи, са висока чувствителност, добра разделителна способност и бързодействие.
В най-елементарния вариант на метода, инфрачервените лъчи преминават през две еднакви тръби и попадат върху детектора. Първата тръба е сравнителна и се пълни с непоглъщащ газ, например азот, а втората е измерителна и съдържа газа, който ще се анализира. Разликата в пропускането на двете тръби е пропорционална на количеството на поглъщащия газ в измерителната тръба.
Работата на недисперсионните оптични системи зависи от инфрачервения спектър на газа, който ще бъде измерван, спектралните характеристики и чувствителността на детектора.

Конструкция на NDIR спектроскопите
Всички газови анализатори, работещи на основата на NDIR метода, се състоят от следните основни елементи – светлинен източник, оптичен филтър, клетка с изследваната проба, клетка с референтен газ, детектор и обработваща електроника (фиг. 1).
Светлинният сноп, преминаващ през единия канал (измервателния канал), е с дължина на вълната, съответстваща на абсорбционната линия на измервания газ. Другият сноп (еталонният канал) е с дължина на вълната, извън абсорбционната ивица на измервания газ. Той се използва за контролни цели (фиг. 2). Принципът на работа на уреда се състои в сравняване на интензивностите на двата снопа.
Еталонният канал се използва за косвено измерване на началната интензивност на светлината. По този начин се елиминира влиянието на условията, при които се провежда измерването, а именно прозрачност на газа, специфики на оптичните елементи и др.
Разновидност на вече разгледания уред е газоанализатор с една измервателна клетка (фиг. 3). Тя едновременно е и измервателна, и референтна. Конструктивно се реализира от двата филтъра, разположени на въртящ се диск. Първият филтър пропуска инфрачервена светлина с дължина на вълната, която се поглъща от измервания газ. В този случай клетката работи като измервателна. Вторият филтър пропуска светлинен сноп с дължина на вълната, която не се поглъща от измервания газ. Следователно, клетката работи като сравнителна. Детекторът измерва интензивността на светлинния лъч в двата момента и след обработка на получените резултати показва концентрацията на измервания газ.
На фиг. 4 е показан газоанализатор с една измервателна клетка, който се различава от вече описания уред по детектора. При поглъщане на част от светлинния сноп в измервателната клетка, интензивността му се понижава и се променя температурата в предната камера на детектора. Изменението на температурата води до промяна на налягането, което е пропорционално на концентрацията на измервания компонент.

Източници и приемници на излъчването
Основен принос за минитюаризацията на недисперсионните IR газоанализатори имат източниците и приемниците на излъчването. Полупроводниковите източници на светлина са електролуминесцентни прибори, в които електрическата енергия се преобразува в светлинна. Най-широко приложение намират приборите с инжекционна луминесценция, които имат диодна структура. Принципът им на действие се основава на двете явления - инжекция и излъчвателна рекомбинация. Максималната енергия на фотона, който може да бъде излъчен при рекомбинацията на токови носители, е приблизително равна на ширината на забранената зона на полупроводника.
Фотоприемниците са прибори, в които под действието на оптично излъчване се наблюдават редица изменения, позволяващи откриването и измерването на някои характеристики на това лъчение. Съществува голямо разнообразие в типовете полупроводникови приемници, много широко се използват фоторезистори и фотодиоди. Едно от основните явления, характерно за фоторезистивните приемници на светлина, е фотопроводимостта им. Представлява изменение на проводимостта на полупроводник под действието на светлина. Както е добре известно, фотопроводимостта се дължи на образуването на свободни носители на заряд при поглъщането на светлина.
Ултравиолетова спектроскопия
Уредите, работещи на основата на този метод, са подобни на вече разгледаните. Основната разлика е в работния им честотен обхват. На фиг. 5 е показан газоанализатор, състоящ се от UV източник на светлина, измервателна клетка, призма, филтри и детектори. Светлинният сноп преминава през измервателната клетка, при което част от него се поглъща от молекулите на изследвания газ. При достигане до разделителната призма, снопът се разделя на две части, всяка от която достига до филтрите. Единият от филтрите пропуска честотата, която се поглъща от измервания газ. Ролята на детектора след този филтър е да измерва понижената интензивност на светлинния сноп, която е пропорционална на концентрацията на газа. Вторият филтър пропуска честотата, която не се поглъща от измервания газ. Следователно, детекторът след него измерва изменението в интензивността, дължащо се на другите газове в газовата смес, промяната в източника, както и замърсяването на стъклата на измервателната клетка.

Газоанализатор с четири детектора
При наличие на газове, които имат спектър на поглъщане, припокриващ се със спектъра на измервания газ, се използва газоанализатор с четири детектора. Характерно за него е, че ултравиолетовият източник генерира пулсиращ сноп лъчи (30 Hz). При преминаването им през призмата се формират два светлинни снопа. Единият се насочва към детекторите, преди да премине през измервателната клетка, а другият сноп - след като премине през клетката с анализираната газова смес. Разработени са модели уреди със специални спектрално селективни огледала. Те изолират спектрално излъчения сигнал, преминаващ през измервателната клетка, и референтния сигнал по пътя им към детекторите. Имат способността да отразяват енергията с по-нисък честотен обхват. През тези огледала преминават лъчите с по-големи дължини на вълните. Характерно за схемата е много по-малката загуба на енергия, в сравнение с моделите с референтни филтри.
В газоанализатора се използват четири детектора - два преди измервателната камера (Sb) и (Rb) и два след нея (Sa) и (Ra). Sb и Sa приемат вълни в честотния диапазон 265ё310 nm, а Rb и Ra - 310ё355 nm (фиг. 6).
Четирите детектора измерват концентрацията на серен двуокис и коригират смущения както от азотни окиси, така и от нестабилност на ултравиолетовия източник на светлина. Разликата между стойностите, измерени от детекторите, дава концентрацията на SO2. Пресмятанията се извършват по следната формула: SO2 = [f(Rb)-Sb]-[f(Ra)-Sa], където Ra, Rb, Sa и Sb са сигналите от детекторите, f е смекчаващият фактор за референтния сигнал, настроен да компенсира смущенията, дължащи се на NO2. Измерваният газ постъпва в измервателната камера, където поглъща ултравиолетовата светлина пропорционално на концентрацията на газа. Разликата между сигналите от детекторите, разположени в двата края на измервателната камера, определя концентрацията на SO2 в измерваната газова смес. Допълнително, съседните референтни дължини на вълните се използват като основа и за измерването, и за корекция на смущенията (най-вече на NO2). Необходимата работна температура за провеждане на измерването се осигурява от нагревател с вентилатор. Линеаризацията се реализира в електронната схема на уреда. При включена линеаризация и коректно въведени коефициенти на изхода на уреда се получава линейна скала за концентрацията.
Единичната измервателна камера, както и измерването с паралелни честотни обхвати, предоставят уникални преимущества спрямо други видове ултравиолетови газоанализатори. Други предимства на описания уред са ниската енергоемкост, използването на референтен лъч и компенсиране на смущенията, висока стабилност на показанията, нисък дрейф и др.
Газоанализаторът използва пулсираща ултравиолетова лампа, генерираща светлинен поток в областта от 225 до 650 nm. Тя елиминира необходимостта от механичен прекъсвач и свързаните с него шумове и нестабилност. Допълнително, пулсиращата работа увеличава значително живота на източника.
В зависимост от приложението им газоанализаторите за серни окиси се разделят на две основни групи.

Уреди, използвани за контрол
Първата група се формира от газоанализатори, използвани за контрол на технологични процеси и измерване на газове, изхвърляни в атмосферата. Те работят в обхвата от 0 - 100 ppm и от 0 - 100%. Дименсиите са ppm или %. Грешката при измерване е <1% за оптичните и <2% за термокондуктометричните. Линейността е <1%, а дрейфът на нулата и обхватът е <2% при повторяемост на измерването <1%. Друга характеристика на уредите - времето за измерване, е 4ё20 s и се обуславя от метода на измерване и обхвата, в който работи газоанализаторът. Допустимият разход през газоанализатора обикновено е 0,2ё1,5 l/min, а грешката от промяна на разхода най-често е <1%. Максималното налягане на газа е <50 kPa, а грешката при промяна на налягането е <0,1%/0,1 kPa при постоянно налягане и <0,01%/0,1 kPa, когато има компенсация по налягане.
За да се осигурят необходимото налягане и разход, газовият поток преминава през предварителна пробоподготовка. Тя се състои в еднократно или двукратно редуциране на налягането, очистване от механични частици, охлаждане с цел отделяне на водни пари, както и измерване и регулиране на разхода.
Допустимата температура на околната среда обикновено е в диапазона 0ё50 °С (за някои модели уреди -20ё50 °С), а грешката от промяна на температурата - <1%/10 °С. За намаляване на тази грешка, измервателният блок на газоанализатора се темперира при температура, по-висока от околната (60ё90 °С). В процеса на включване на уреда е необходимо да се проведе предварително подгряване, което в зависимост от конструкцията варира в интервала от 15 до 60 min.

Разполагат със съвре-менни комуникационни възможности
Уредите са със захранващо напрежение 100-240 V AC, 50/60Hz. Сигналните изходи, с които разполагат, са аналогови и цифрови. Предлагат се газоанализатори с от 1 до 4 аналогови изхода 4(0) - 20 mA, които могат да бъдат оптически разделени. Цифровите изходи са свободно конфигурируеми (алармени граници на концентрацията, аварийни състояния на уреда, прекъснат изход и др.). Някои уреди са с цифрови входове за дистанционно управление. Съвременните газоанализатори поддържат комуникационни интерфейси, като Ethernet с Modbus TCP или RS 485/232С с Modbus RTU.
Монтират се на панел или на стена в помещение. Разработени са специални уреди, предназначени за монтаж в полето на производствената площадка, които са с необходимите степени на защита IP и Ex. Предлагат се както едноканални, така и многоканални уреди. Стремежът на производителите е насочен към осигуряване на лесен достъп за техническо обслужване и ремонт. Разработени са модели, характерно за които е изолиране на измервателната клетка от електронния блок, посредством продухване с азот. Опционално се предлага възможност за автокалибровка чрез вътрешен или външен клапанен блок. Голяма част от газоанализаторите за серни окиси разполагат с буквено-цифров дисплей и клавишен блок за калибриране и настройка. Освен измерената стойност на концентрацията, върху дисплея се извеждат съобщения за състоянието на газоанализатора и стойности на параметри при настройката.
Втората голяма група включва т.нар. преносими газоанализатори. От своя страна, те също се два вида - за загазованост на въздуха и за периодично измерване на технологични параметри.

Приборите за загазованост на въздуха
се наричат още индивидуални средства за контрол. Те работят с електрохимичен елемент с температурна компенсация. Обхватът им на измерване е от 0 до 100 ppm. Функционирането им е базирано на дифузионен метод на отбиране на пробата (опционално може да се използва сонда за принудителното й подаване). Обикновено имат автоматична калибровка на нулата и обхвата. Болшинството от приборите са снабдени с буквено-цифров течнокристален дисплей за отчитане концентрацията на газа и състоянието на уреда. Поддържат и автоматична сигнализация - светодиодна, звукова или вибросигнал. Все повече прибори предлагат пълна самодиагностика, включително състояние на датчика, проверка на измервателния контур, състояние на батерията, звукова и светлинна сигнализация. Друга функционална възможност на съвременните газоанализатори е записът в паметта им на максимални (пикови) стойности на концентрацията, както и възможността за визуализацията им. Някои прибори имат възможност за запис в паметта на определени събития (като време и същност). Данните могат да бъдат прехвърлени на компютър.
Най-често приборите за загазованост на въздуха са с корпус, изработен от здрав композитен материал, удароустойчив, със степен на защита IP66/67. Захранват се с 3-волтова литиева батерия.

Приборите за периодично отчитане
на технологични параметри се ползват на места, където процесът не е толкова динамичен и не се налага непрекъснат контрол на концентрацията на серните окиси. Сред техническите им характеристики са:
l Обхват на измерване от 0 до 4000 ppm (с електрохимичен сензор) и от 0 до 10% (с оптична измервателна клетка. Дименсиите са: ppm, mg/m3 или %. Грешката при измерване е <1% за оптичните и <2% за електрохимичните уреди;
l За осигуряване на необходимото налягане и разход газовият поток предварително преминава през пробоотборна сонда, филтри, редуцир-вентил, ако е необходимо понижаване на налягането, помпа, както и вграден блок за пробоподготовка (за отделяне на влагата) и др.;
l Допустима температура на околната среда - обикновено е от 0 до 50 °С;
l Захранващо напрежение 100-240 V AC, 50/60 Hz или 12 V DC от акумулатор. Степента на защита обикновено е IP21;
l Дисплей за визуализиране стойността на концентрацията, съобщения за състоянието на уреда, както и параметри за настройка;
l Аналогови и дискретни изходи - конфигурират се в зависимост от приложението и конкретния случай;
l Съвременните уреди разполагат с вградена памет, в която, например, се съхраняват стойности от измервания, въвеждат се алгоритми за подобряване на технологичния процес;
l Някои уреди поддържат комуникационен интерфейс RS 485/232;
l Уредите могат да бъдат както едноканални, така и многоканални. Някои модели измерват и редица допълнителни параметри, като налягане, разход, температура и др.;
l Съвременните прибори за периодично отчитане поддържат пълна самодиагностика на датчици, електронен блок, програмно осигуряване, батерии и други;
l Опционално могат да имат вграден принтер.




Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top