Оптически газанализатори

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2006

Оптически газанализатори
 

Видове оптически газанализатори, характеристики, обхват на приложение

С въвеждането на европейската нормативна база в областта на екологията средствата за измерване на индустриални газове и системите за техния мониторинг и контрол се превърнаха в задължителни технически решения за голяма част от промишлените предприятия в страната. Известно е, че измерването на количеството газ, включително в много малки концентрации, се извършва чрез специални технически средства, наречени газанализатори. Те не са задължителна част от производствената инсталация или работното помещение.

Съществуват различни методи за откриване, измерване и анализ концентрацията на газове, като сред най-широко разпространените са оптическите. При тях концентрацията на определен газов компонент се определя на базата на оптичните му свойства. Сред оптическите характеристики, използвани за измерване концентрацията на определен компонент от сместа, са спектралната плътност, коефициентите на пречупване, спектрално поглъщане и излъчване на анализирания газ. Ниският праг на нечувствителност на оптичните газанализатори ги прави приложими за работа в емисионни и имисионни обхвати. Оптичните газанализатори се използват за определяне концентрацията на токсични и взривоопасни газове, отделяни от промишлените производства в атмосферния въздух.

Области на приложение

Сред газовете и газовите смеси, концентрацията на които е обект на анализ в различни индустриални производства, са азот, азотни окиси, серен двуокис, бром, флуор, хлороводород, флуороводород, NH3, AsH3, BCl3, ClF3, B2H6, PH3, SiH4 и много други.

Контролът на съдържанието на запалими газове (водород, ацетилен, винилхлорид, етан) в дадена газова смес е от значение за предовратяване на запалването й или на експлозия. Съдържанието на който и да е от тези газове трябва да е под допустима минимална граница. Наличието на токсични газове трябва да се измерва достатъчно прецизно, за да не се надхвърлят допустимите санитарни норми и съответно да се гарантира безопасната работа на хората. На благородните газове (азот, хелий, аргон) и въглеродния окис (СО) понякога не се обръща достатъчно внимание, тъй като те не влияят пряко върху човешкото здраве. При нарастване на концентрацията им, те изтласкват кислорода от въздуха.

Намаленото съдържание на кислорода създава опасност от задушаване и съответно промяна в поведението на персонала. Този риск е твърде опасен в затворени работни и складови помещения. Особено внимание трябва да се обръща на химически активните газове, които могат да предизвикат корозия (например хлороводород и амоняк) и окисление (хлор).

Основни характеристики

Обща характеристика за всички газанализатори е видът на измервания или контролиран газ (Gas Measured). Друга характеристика е наличното количество газ в дадена газова среда, наричано още концентрация. Измерва се в абсолютни (g/m3, mg/m3 или mg/m3) или в относителни единици. Много рядко като относителна единица се използва %. Обикновено концентрацията се дава като милионна част – ppm (part per million), или части на един милиард - ppb (part per billion). Основен параметър на всеки газанализатор е обхватът (Range, Measuring Range) или обхватите на измерване. На практика те винаги започват от 0, а горният им край зависи от предназначението на уреда. При газанализаторите за нетоксични газове максималните измервани стойности достигат до няколко стотици ppm, а при тези за токсични газове – до няколко стотици ppb. Друг параметър - точност на измерване (Accuracy), в действителност представлява грешката (абсолютна или относителна) при измерването. При газанализаторите с цифров индикатор на измерваната величина или цифров изход следва да се обърне внимание и на разрешаващата способност (Lower Detectable Limit) LDL. Тя представлява относителната промяна на измерваното количество газ, водеща до изменение с единица на най-младшия разред на показанието или на изходното число. Типични стойности на разрешаващата способност са няколко ppb.

Параметърът дрейф ZD (Zero Drift) на нулата характеризира стабилността на показанията във времето. При липса на измерван газ показанието на уреда би трябвало да е 0, но за определен период от време то се променя със ZD (типични стойности няколко ppb). От друга страна, зависимостта на изходния електрически сигнал от количеството на газа би трябвало да е линейна. Отклонението от тази идеална зависимост се оценява чрез параметъра линейност (Linearity) L, който обикновено се дава като част от горната граница на съответния обхват (обикновено около 1%). В редица приложения важна характеристика на газанализаторите е времето за реакция (Response Time), което се дефинира от момента на рязка промяна на количеството на измервания газ до получаване с определена точност на съответстващия й изходен електрически сигнал (например достигане на 63% от окончателната му стойност). Това време зависи от скоростта на движение на газа и има типични стойности няколко десетки s. Тъй като резултатът от измерването зависи от скоростта на измервания газ през уреда, тя също се задава като параметър (Sample Flowrate) с типични стойности няколко десетки l/h.

Видове оптични газанализатори

Сред оптичните прибори за откриване и анализ на газови потоци най-широко приложение в практиката намират инфрачервените и ултравиолетовите спектрални газанализатори. Принципът им на работа се основава на свойството на газовете да поглъщат строго определена част от електромагнитния спектър. Методът е приложим в случаите, при които спектърът на поглъщане на изследвания газ не се припокрива със спектрите на поглъщане на останалите компоненти на газовата смес. В конструкцията на газанализаторите от този тип, през изследваната газова смес се пропуска монохроматичен светлинен сноп, с дължина, съответстваща на предварително известния спектър на поглъщане на анализирания компонент. За концентрацията на изследвания газ се съди по промяната в интензитета на светлинния сноп при преминаването му през газовата смес.

Методът на инфрачервените лъчи

(IR Detection Method) се основава на факта, че молекулите на даден газ поглъщат част от енергията на преминаващ инфрачервен сноп с точно определена дължина на вълната l0. Например, въглеродният оксид поглъща електромагнитни вълни с дължина 4,7 mm. Погълнатата енергия е правопропорционална на количеството на газа, което може да се определи чрез измерване на влизащия светлинен поток F и излизащия поток F0. Между тях съществува зависимост

F = F0 e-cd ,

където c е коефициент на поглъщане от газа (зависи от количеството му) с ясно изразен максимум при l0, а d е дължината на пътя на лъча. При малки стойности на cd е в сила приблизителната зависимост

F » F0 (1 - cd) ,

която се използва в уредите за определяне на c. На практика, изпълнението на горната зависимост се осигурява чрез подходящо конструктивно изпълнение на газанализатора.

Въвеждането на микропроцесори или микроконтролери позволява изчисляване на c на основата на точната зависимост, което подобрява линейността на уредите. Следователно, при предварително известно разстояние d за измерване на количеството газ в дадена смес е достатъчно през нея да се пропусне лъч с дължина на вълната l0, който да измине разстояние d и да се измерят влизащият и излизащият светлинен поток.

За последователно измерване на малки количества от няколко газа в една смес намира приложение

методът на фотоакустичната спектроскопия

или PAS (Photoacustic Spectroscopy). Работещите на основата на този принцип газанализатори съдържат източник на светлина, който обикновено е лампа с нажежаема жичка, излъчваща в широк спектър от видимата и инфрачервената област. Параболично огледало в конструкцията формира тънък лъч, който чрез специална перка за накъсване превръща непрекъснатия светлинен сноп в поредица от светлинни импулси. Важна част от конструкцията на тези газанализатори е диск с теснолентови пропускащи оптични филтри. Най-често, максималният им брой засега е 6 – пет за различни видове газове, а шестият – за водни пари. След всеки от филтрите се получава светлинен лъч с дължини на вълните в тясна област около l0, съответстваща на измервания газ, при която молекулите му поглъщат максимално количество енергия. Въздухът, чийто газов състав ще се измерва, постъпва в измервателната тръба и през входен вентил влиза в измервателната камера.

При работа на газанализатора чрез диска с оптични филтри на пътя на лъча се поставя филтър, съответстващ на измервания газ. Частта от енергията на лъча, погълната от газа, е правопропорционална на неговото количество. Тази енергия нагрява газа, с което се увеличава парциалното му налягане. При засенчване на лъча от перката, температурата и налягането на газа намаляват. Тази циклична промяна на налягането представлява акустичен сигнал с амплитуда, правопропорционална на количеството на газа. Сигналът се приема от микрофони, с които е съоръжена конструкцията на газанализатора. Чрез тях сигналът се усилва и се подава на измервателен уред. След регистриране на резултата дискът с оптичните филтри се завърта за поставяне на пътя на лъча на друг филтър и съответно за измерване на количеството на друг газ. След приключване на измерването, въздухът се изтегля през изходен вентил. Очевидно чрез набор от дискове с филтри газанализаторите на този принцип биха могли да се използват за измерване на количеството на много различни газове. Съвременните конструкции газанализатори, работещи на този принцип, постигат разрешаваща способност от порядъка на 10 ppb. Точността на измерване и стабилността на показанията във времето са големи, тъй като измерването е непосредствено, без полученият сигнал да се сравнява с опорен сигнал.

В практиката намира приложение и разновидност на метода, наречена

метод на постоянния поток

или (Continuous Flow Method), специално разработен за едновременно измерване на количеството на три газа (въглероден диоксид, въглеводороди и водни пари). За целта специалната перка, описана в конструкцията на фотоакустичните спектроскопски газанализатори, се заменя с въртящ се диск с три концентрични кръга отвори. Съответно, след диска се получават три поредици от светлинни импулси с различна честота. Чрез филтри се формират три светлинни лъча с различни l0 и честоти на пулсации. Всеки от тях активира съответния газ и формира необходимата съставка на акустичния сигнал за измерване на количеството му.

Сред газовете, количеството на които задължително се измерва и анализира, е въглеродният диоксид. Предвид широкото използване на газанализатори за въглероден диоксид е разработена друга разновидност на метода, наречена

метод с корелационен филтър

(Correlation Filter Method). За целта се използва инфрачервен лъч с дължина на вълната l0=4,7 mm, на който непрекъснато се променя посоката. По този начин лъчът се пропуска през кювета с чист въглероден оксид (корелационен филтър) и празна кювета. В първия случай излизащият лъч не съдържа спектралната съставка на въглеродния оксид, а във втория остава непроменен. След това лъчът достига до кюветата с измервания газ, през която преминава без промяна, ако е излязъл от корелационния филтър. Съответно интензитетът на светлинния поток е намалял при преминаването му първоначално през празната кювета. Чрез детектор се регистрира разликата в интензитетите, която е право пропорционална на количеството на въглеродния оксид. Методът позволява измерване на минимална концентрация до няколко стотици ppm, а разрешаващата способност е няколко десетки ppm.

Аналогичен на метода с инфрачервени лъчи е

ултравиолетовият метод

(U.V. Method), при който отново се измерва отслабването на светлинния поток поради поглъщане от определен газ на преминаващ светлинен лъч с дължина на вълната l0 в ултравиолетовата област. Например, за измерване на количеството на озона във въздуха се използва електромагнитна вълна с дължина l0 = 254 nm, а за измерване на серен диоксид намира приложение спектралната линия на цинка. Газанализаторите и газмониторите по този метод имат обхват от няколко десети от ppm до няколко десетки ppm и разрешаваща способност няколко ppb.

През последните години сред оптическите методи навлезе и т.нар.

Раманова спектроскопия

Наречена е на името на създателя си - индийския физик Раман. При облъчване на газ със светлинен лъч с дължина на вълната l0, част от него се отразява от молекулите на газа. Дължината на вълната l на отразената светлина е различна от l0 и зависи от химичния състав на молекулата, докато интензитетът на светлината е правопропорционален на количеството молекули на газа.




Новият брой 2/2017

брой 2-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top