Газоанализатори

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2011

Методи, използвани за анализ на газови смеси


Газоанализаторите са измервателни прибори, използвани за извършване на анализ на газови смеси с цел определяне на техния качествен и количествен състав. Широко използвани са в областта на екологията и опазването на околната среда, химическата промишленост и други. Основни техни приложения се явяват определяне на концентрациите на промишлените отпадни газове, контрол на замърсяването на атмосферата в жилищни райони, контрол на изхвърляните газове от автомобилите, контрол на атмосферата в работната зона, контрол на технологичните процеси и т. н. Намират приложение и при пожароопасни и взривоопасни производства, а също така могат да бъдат използвани за контрол на газовете, съдържащи се във вода или в други течности.

Методи за газов анализ
Принципно, методите за извършване на газов анализ се основават на измерването на физичните параметри и свойства на средата, стойностите на които зависят от концентрацията на определени компоненти. Свойствата на средата, които имат отношение към извършването на газовия анализ, са електрическа проводимост, магнитна чувствителност, топлопроводност, оптична плътност, коефициент на разсейване и т. н. Съответно, в зависимост от естеството на измерваните физически параметри, методите, използвани за газов анализ, могат да бъдат разделени на механични, акустични, топлинни, магнитни, оптични, йонизационни, мас-спектрометрични, електрохимични, полупроводникови.

Към механичните методи се отнасят методи, базирани на измерването на обема, налягането, плътността. Акустичните се основават на измерване на поглъщането или скоростта на разпространение на звуковите и ултразвуковите вълни в газовата смес. Топлинните методи, съответно, се базират на измерването на топлопроводността на газовата смес или на топлинния ефект на излъчването с участие на определени компоненти. Магнитните методи измерват физичните характеристика на газа, обусловени от магнитните свойства на определен компонент в магнитното поле. В групата на оптичните методи се включват абсорбционните методи, основаващи се на измерването на оптическата плътност, емисионните, базирани на интензивността на излъчване и рефлектометричния метод, при който се измерва коефициентът на пречупване. Използването на йонизационни методи е свързано с измерване на електрическата проводимост на йонизираната газова смес. Мас-спектрометричният метод се базира на измерването на масата на йонизираните компоненти на анализирания газ. При електрохимичните методи се измерват параметрите на системата, състояща се от течен или твърд електролит, електроди и определени компоненти от газовата смес или продукти от реакцията й с електролита. При полупроводниковите методи се измерва съпротивлението на полупроводника, взаимодействащ с определен компонент от газовата смес. В някои случаи, към методите за газов анализ се включват и т. нар. комбинирани методи.

Газоанализаторите
Обикновено се подразделят на две основни групи - газоанализатори с ръчно и такива с автоматично действие. Сред газоанализаторите с ръчно действие най-разпространени в практиката са абсорбционните газоанализатори, при които компонентите на газовата смес се поглъщат последователно от различни реагенти. Автоматичните газоанализатори измерват непрекъснато всяка една физическа или физико-химична характеристика на газовата смес или нейните отделни компоненти. Днес най-широко разпространени са именно автоматичните газоанализатори. В зависимост от принципа си на действие, те могат да бъдат разделени в три групи: уреди, базирани на чисто физични методи за анализ; уредите, базирани на физични методи за анализ, включващи спомагателни химични реакции; уреди, базирани на физични методи за анализ, включващи спомагателни физико-химични процеси.

Сред методите, използвани в уредите, базирани на чисто физични методи за анализ, са термокондуктометричните, термомагнитните, оптичните методи и др. От тях термокондуктометричните, основаващи се на измерването на топлопроводността на газа, позволяват да се анализират двукомпонентни смеси или многокомпонентни при условие на изменение на концентрацията само на един компонент. Магнитните газоанализатори се използват основно за определяне концентрацията на кислорода, характеризиращ се с голяма магнитна възприемчивост. С помощта на ултравиолетовите газоанализатори се определят съдържащите се газовите смеси халогени, живачни пари, някои органични съединения.

С помощта на уредите, базирани на физични методи за анализ, включващи спомагателни химични реакции, наричани още обемно-манометрични или химични, се определя изменението на обема или налягането на газовата смес в резултат на химичните реакции на отделни нейни компоненти.

От уредите, базирани на физичните методи за анализ, включващи спомагателни физико-химични процеси, термохимичните се основават на измерване на топлинния ефект от реакцията на каталитично окисление (горене) на газа, използвани предимно за определяне концентрацията на горивни газове, например - опасни концентрации на окиси на въглерода във въздуха. Електрохимичните позволяват да се определи концентрацията на газа в сместа в зависимост от електрическата проводимост на разтвора, поглъщащ газа. Фотоколориметричните се основават на изменението на цвета на определени вещества при тяхната реакция с анализирания компонент от газовата смес, използват се предимно при измерване на микроконцентрации на токсични примеси в газовата смес – сероводород, окиси на азота и др. Хроматографските са най-широко използвани за анализ на смеси на газообразни въглеводороди.

Производителите на газоанализатори днес използват на практика всички от споменатите методи за газов анализ. Сред най-използваните от тях са електрохимичните газоанализатори. Според специалисти това се дължи на сравнително по-ниската им цена, универсалността и простотата. Недостатъци на този метод се явяват невисоката избирателност и точност на измерването, сравнително краткият срок на работа на чувствителния елемент, податливостта към влиянието на агресивни примеси.

Освен в зависимост от методите за измерване, широко използвана класификация за газоанализаторите е в зависимост от функционалните им възможности, спрямо които те се подразделят на индикатори, сигнализатори и газоанализатори
Индикаторите са уреди, използвани предимно за качествена оценка на газовите смеси по наличието на контролируемия компонент, на принципа много-малко. Не измерват точната концентрация, но обикновено могат да определят дали количеството е голямо или малко. Към тази група могат да се отнесат и детекторите за течове. С детектор за течове, оборудван със сонда или устройство за вземане на проби, може да се локализират местата на утечки от тръбопроводи, например. Сигнализаторите също дават приблизителна оценка на концентрациите на контролирания компонент, но при тях има един или няколко алармени прагове. При достигане на концентрации, съответстващи на алармения праг, сработва сигнализацията, която може да бъде оптичен индикатор, звуков сигнал, реле. Последната група газоанализаторите са уреди, с които може да се получи количествена оценка на концентрациите на измервания компонент с индикация на показанията, по обем или по маса, но могат да бъдат снабдени и с всякакви спомагателни функции като изходни аналогови или цифрови сигнали и т. н.

Газоанализаторите могат да бъдат мобилни, преносими или стационарни. Мобилните, или още наричани портативни, газоанализатори са уреди с малки размери и тегло, които обикновено се използват за контрол и анализ на димни и технологични газове за определяне на високи концентрации, за мониторинг на процесите на горене и т. н. Те са ефективни там, където е невъзможно използването на стационарни системи. Стационарните системи, от своя страна, се използват за контрол на концентрацията на газове при различни технологични процеси в нефтохимията, енергетиката, металургията. Те се характеризират с големи размери и тегло и обикновено са предназначени за дълга и непрекъсната работа. Основни техни предимства се явяват гъвкавостта и универсалността на уредите, позволяващи икономично и ефективно да се реши проблемът с общия контрол в непрекъснат режим на опасните работни зони в производствените предприятия.

Полустационарните или преносимите газоанализатори имат по-малки габарити и без особени усилия могат да бъдат премествани между обектите. Както при стационарните системи, при преносимите газоанализатори количеството измервани газове е индивидуално в зависимост от броя на датчиците.

Възможност за анализ на няколко компонента
Газоанализаторите могат да бъдат конструирани за анализ на няколко компонента. Освен това, анализът може да бъде едновременно за всички компоненти, така и поотделно в зависимост от конструктивните особености на уреда.

Също така, уредите за газов анализ могат да бъдат както едноканални (едни датчик или една точка за вземане на проба), така и многоканални. Обикновено броят им варира от 1 до 16. Следва да се отбележи, че съвременните модулни газоанализаторни системи позволяват нарастване на броя на каналите за измерване на практика до безкрайност. Измерваните компоненти за различните канали могат да бъдат както еднакви, така и различни в произволен набор. За газоанализаторите с датчик проточен тип (термокондуктометрични, термомагнитни, оптико-абсорбционни) задачата за многоточковия контрол се решава с помощта на специални спомагателни устройства – газови разпределители, които обезпечават алтернативно подаване на проби към датчика от няколко точки на пробовземане.

Трудно е да се създаде един универсален газоанализатор, с помощта на които да могат да се решат всички задачи, свързани с газовия анализ. Контролът на различни газове в различни концентрации протича различно, посредством различни методи и начини за измерване. Поради това, производителите конструират и предлагат уреди за решаване на конкретни задачи при измерването.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top