Методи за измерване на въглеродни окиси
Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 9, 2007
Законова база , видове измервателни методи и принципи в работата им
Глобалното затопляне и разрушаването на озоновия слой са сред най-сериозните последствия от човешката дейност. Основен източник на вредни веществата, водещи до нарушаването на екологичното равновесие, е индустрията. Важен дял от общото замърсяване на природата има натрупването на вредни вещества в атмосферата. Именно затова, сред приоритетните направления в опазването на околната среда е запазване чистотата на атмосферния въздух. С приемането на България за пълноправен член на Европейския съюз, българската индустрия бе изправена пред сериозното предизвикателство да следва общоевропейската политика в областта на екологията. Макар че бяха договорени определени гратисни периоди, значителна част от индустриалните мощности в страната са изправени пред предизвикателството да намерят и инвестират сериозни финансови средства в инсталирането на очистващи технологии и технически средства. Сред основните замърсители на атмосферния въздух, наред с азотните окиси, нетоксичната и токсичната прах, съдържаща олово, мед, цинк, живак и други метали, са изхвърляните емисии от въглеродни окиси. Обект на статията са основни методи за измерване концентрациите от въглеродни окиси в атмосферния въздух.
За въглеродните окиси
Въглеродният окис представлява газ без цвят и миризма. По-голямата част от попадащите в атмосферата въглеродните окиси (СО и СО2) са отпадъчен продукт, получен в резултат на непълното горене на въглеродосъдържащи горива като въглища, дървесина и други. Поради това основните индустриални замърсители на атмосферата с въглеродни окиси са топлоелектрическите централи и стоманодобивната промишленост. Тъй като въглеродният окис е един от основните парникови газове, водещи до повишаване на температурата на планетата, допринасящи за създаването на парниковия ефект и разрушаващи озоновия слой, концентрациите му в атмосферата нормативно подлежат на непрекъснат мониторинг.
Пределно допустими концентрации
Пределно допустимите концентрации на въглеродни окиси в атмосферния въздух на населените места се регламентират от Наредба 14 (приета на 23.09.1997 г.) на Министерството на здравеопазването и Министерството на околната среда и водите. С тази наредба се определят всички пределно допустими концентрации на вредните вещества в атмосферния въздух на населените места. Според наредбата, нивата на вредните вещества, регистрирани за определен период от време, трябва да бъдат такива, че да не оказват нито пряко, нито косвено вредно въздействие върху организма на човека, включително отдалечени последствия за настоящото и бъдещото поколение, и да не намаляват неговата работоспособност, самочувствие и дълголетие.
В наредба 14 по отношение на въглеродните окиси е регламентирана пределно допустима средноденонощна концентрация в размер на 10.0 мг/м3, а максималната еднократна концентрация е 60.0 мг/м3.
Редът и начинът за извършване на измервания на емисиите (концентрациите на вредни вещества в отпадъчните газове), изпускани в атмосферния въздух от обекти с неподвижни източници, се регламентира от Наредба № 6 от 26.03.1999 г. на Министерството на околната среда и водите. По смисъла на тази наредба, измерванията могат да бъдат контролни и собствени. Контролните измервания се извършват от компетентните органи по чл. 24, т. 1 от Закона за чистотата на атмосферния въздух (ЗЧАВ) или от акредитирани лица и лаборатории, по поръчка на компетентните органи. От своя страна, собствените измервания са непрекъснати (автоматични) или периодични, извършвани от собственика или ползвателя на обекта.
Методи за измерване и анализ на въглероден оксид
При мониторинг на нивата на въглеродни окиси в атмосферата се използват предимно методи, базирани на способността на веществата да абсорбират електромагнитна енергия с различна дължина на вълната, съответстваща на инфрачервената част от спектъра. Обикновено се използват електромагнитни вълни с дължина от 2 до 11 mm. Причината е, че въглеродните окиси абсорбират електромагнитни вълни именно с посочената дължина на вълната. Затова за откриване и измерване на въглеродни окиси приложение намират основно инфрачервени методи. Генерално методите за откриване и измерване концентрацията на въглероден окис в атмосферата се разделят в две основни групи - екстрактивни и в точката на пробовземане.
От инфрачервените методи, използвани при измерване концентрациите на въглеродни окиси в атмосферния въздух, най-широко приложение намират предимно анализатори, работещи на основата на недиспергиращ инфрачервен спектрометричен метод (NDIR) и инфрачервените анализатори с трансформация на Фурие (FTIR)
Недиспергиращ инфра-червен спектрометричен метод (NDIR)
Анализаторите, работещи на принципа на недиспергираната инфрачервена спектрометрия, обикновено се препоръчват в приложения, при който се осъществява мониторинг само на един вид газ. Тези анализатори се характеризират с дълъг експлоатационен живот, висока чувствителност и надеждност.
Действието на NDIR анализаторите се основава на способността на веществата да поглъщат електромагнитни вълни с определена дължина. За концентрацията на определено вещество се съди в зависимост степента на абсорбция на електромагнитна вълна с определена дължина на вълната от молекулите на изследваното вещество. Именно по тази причина дължината на електромагнитната вълна, с която работи анализаторът, се избира така, че изследваното вещество да абсорбира максимално количество от енергията й. Освен за въглероден окис, методът се използва за откриване и измерване концентрацията на серни окиси, азотни окиси и други атмосферни замърсители. NDIR методът спада към групата на екстрактивните.
При този вид анализатори светлинен източник излъчва светлинен стоп с дължина в инфрачервената област, която преминава през две кювети. Едната от кюветите, наричата референтна или опорна, обикновено е напълнена с газ, който не поглъща енергия в тази част на спектъра, в която излъчва светлинният източник. Втората кювета е напълнена с пробата на анализирания газ. При преминаването на светлинния лъч през тази кювета, молекулите на въглеродния окис ще погълнат част от енергията. В резултат, на изхода от кюветата енергията на светлинния сноп ще бъде по-малка. От друга страна, енергията на светлинния сноп, преминал през първата кювета, не се променя. На базата на отчетената разлика между двата сигнала се определя концентрацията на измервания газ.
Оптопневматични детектори (Luft детектори)
Luft детекторите се използват широко в областта на индустрията. Съществуват различни конструкции Luft детектори. Този тип анализатори са чувствителни по отношение на проблеми, свързани с вибрации, което стеснява приложната им област.
Т.нар. Luft или оптопневматични детектори в конструктивно отношение са изградени от референтна кювета, кювета, в която се намира анализираният газ, както и две напълнени с газ абсорбционни кювети. Четирите кювети обикновено се свързват в мостова схема. Принципът на действие на отпопневматичните детектори се основава на повишаване на температурата в кюветата с изследвания газ, в случая въглероден окис. Температурата се повишава като резултат от поглъщането на енергията на преминаващия през нея електромагнитен сноп с дължина на вълната в инфрачервената област. Съответно, при преминаване на снопа през референтната кювета температурата се запазва, тъй като молекулите на референтния газ не поглъщат енергията на тази част от електромагнитния спектър. Промяната в температурата води до изменение в налягането на едното рамо на моста. По разликата в сигналите в двете рамене на моста се съди за концентрацията на въглеродния окис в изследваната проба.
Оптопневматичните детектори принадлежат към екстракционните методи за откриване и измерване концентрацията на въглероден окис.
Фотоакустични детектори
При фотоакустичните детектори се използва методът на фотоакустичната спектроскопия. Принадлежат към групата на екстракционните методи. Газанализаторите с фотоакустични детектори 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 при въртенето на обтуратор превръща непрекъснатия светлинен сноп в поредица от светлинни импулси. Важна част от конструкцията на тези газанализатори е диск с теснолентови пропускащи оптични филтри. Обикновено максималният им брой е 6 - пет за различни видове газове, а шестият - за водни пари. След всеки от филтрите се получава светлинен лъч с дължина на вълната в тясна област, съответстваща на измервания газ, при която молекулите му поглъщат максимално количество енергия. Въздухът постъпва в измервателната тръба и през входен вентил влиза в измервателната камера.
При работа на газанализатора на пътя на лъча се поставя филтър, съответстващ на измервания газ, в случая въглеродния окис. Частта от енергията на лъча, погълната от въглеродния окис, е правопропорционална на неговото количество. Погълнатата от въглеродния окис енергия повишава неговата температура, което води и до увеличаване на 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 приключване на измерването, въздухът се изтегля през изходен вентил.
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.
Основно предимство на този вид анализатори е, че могат да се използват за измерване на количеството на много различни газове, включително и на въглеродни окиси, използвайки набор от дискове с филтри.
Филтърни корелационни газанализатори (GFC)
Филтърните корелационни газанализатори са друга разновидност на NDIR анализаторите и работят на базата на подобен принцип. Конструктивно, филтърните корелационни газанализатори са изградени от инфрачервен източник, въртящ се диск и детектор. Върху въртящия се диск са разположени кювети, през които преминава инфрачервен лъч. При измерването на въглероден окис обикновено се използва диск с две кювети. Едната кювета съдържа неутрален газ, като азот например, който не поглъща електромагнитна енергия в тази част от спектъра. Другата кювета (корелационен филтър) съдържа чист въглероден окис. При въртенето на диска инфрачервеният лъч преминава последователно през двете кювети. Лъчът, преминал през кюветата с чист въглероден окис, не съдържа негова спектрална съставка. От своя страна, лъчът преминал през камерата с азот, остава непроменен. След това лъчът се пропуска през кювета с изследвания въздух. Ако е излязъл от корелационния филтър, лъчът преминава през кюветата с въздух без промяна. Съответно интензитетът на светлинния поток е по-малък при преминаването му първоначално през кюветата с азот. Чрез детектор се регистрира разликата в интензитета на преминалата електромагнитна енергия. Методът позволява измерване на минимална концентрация до няколко стотици ppm, а разрешаващата способност е няколко десетки ppm. Филтърните корелационни газанализатори могат да се използват както като екстракционни, така и като анализатори в мястото на пробовземането.
Инфрачервени анализатори с трансформация на Фурие
При мониторинга на вредни емисии на въглеродни окиси освен анализаторите, базиращи се на NDIR методите, се използват и инфрачервени анализатори с трансформация на Фурие. Тези анализатори се използват предимно когато концентрацията на измервания газ е много малка. По принцип FTIR анализаторите работят с електромагнитни вълни, имащи дължини от 2,5 до 25 mm, съответстващи на инфрачервената част от спектъра. Концентрацията на изследвания газ се определя на базата на различни алгоритми. Сред предимствата на използвания при FTIR приборите измервателен метод е възможността за мониторинг на няколко различни газа едновременно. Вградената в съвременните конструкции инфрачервени анализатори микропроцесорна техника позволява съхранение на интерференчната картина и определяне съдържанието на друг компонент от газовата смес в по-късен период от време.
Според Наредба № 1 от 16 януари 2004 г. за норми за бензен и въглероден окис в атмосферния въздух, издадена от Министерството на околната среда и водите и Министерството на здравеопазването, референтен метод за измерване на въглероден окис е недиспергиращият инфрачервен спектрометричен метод. Инфрачервените анализатори с трансформация на Фурие също принадлежат към екстракционните методи.
Освен описаните методи за откриване и измерване концентрацията на въглероден окис съществуват и други. Спецификите в принципа на работа и приложната им област ще бъдат обект на разглеждане в друг брой на сп. Инженеринг ревю.
Вижте още от Измервателна техника
Новият брой 9/2024
