Общие сведения о газоаналитических приборах

Газоаналитические приборы являются устройствами массового

применения на объектах транспорта нефти и газа. Они используются

для контроля токсичных и взрывоопасных веществ в воздухе произ-

водственных помещений. Прежде чем перейти к рассмотрению кон-

кретных приборов, введем несколько базовых для этой области тер-

минов. Газоанализатор (ГА) — это прибор, предназначенный для

получения информации о значении концентрации измеряемого ком-

понента или суммы компонентов в анализируемой газовой смеси.

ГА, применяемые при контроле и регулировании технологических

процессов, обычно градуируют в единицах объемной доли (для высо-

коточных измерений — в единицах молярной доли). Для контроля

воздушной среды используют ГА, градуированные в единицах массо-

вой концентрации. Нулевой газ — газ, который при прохождении

через ГА не вызывает отклонение указателя показывающего устрой-

ства. Поверочная газовая смесь (ПГС) — смесь нулевого газа с из-

вестным количеством измеряемого компонента, применяемая для

градуировки и поверки ГА. Нижний (верхний) концентрационный

предел взрыва или воспламенения (НКПВ, ВКПВ) — наименьшая

(наибольшая) концентрация горючих и взрывоопасных веществ в воз-

духе, в интервале которых могут произойти воспламенение или взрыв

данной смеси от ее соприкосновения с источником воспламенения.

По исполнению ГА делятся на стационарные и переносные. Ста-

ционарные ГА, являющиеся измерительными приборами, служат для

постоянного контроля опасных концентраций в окружающем воз-

духе или потоке газа. Переносные ГА чаще всего представляют собой

индикаторы, сигнализаторы, детекторы утечки газа и используются

для выявления мест утечек и скоплений газа в колодцах, в месте про-

ведения сварочных работ при ремонте трубопроводов, при обследо-

вании различных установок. По принципу действия ГА могут быть

тепловые, магнитные, оптические, комбинированные и др. Наиболь-

шее распространение на объектах трубопроводного транспорта по-

лучили тепловые и оптические ГА

Тепловые газоанализаторы

В тепловых ГА концентрация определяемого компонента опреде-

ляется по изменению теплопроводности λсм анализируемой газовой

смеси (АГС). Теплопроводность является аддитивным свойством,

поэтому для смеси n компонентов

где λ_i , С_i — соответственно теплопроводность и объемная концен-

трация каждого компонента.

Если АГС является бинарной или псевдобинарной, то, учитывая,

что сумма концентраций определяемого и неопределяемого компо-

нента равна 1, можно записать

где λок, Сок — теплопроводность и объемная концентрация опреде-

ляемого компонента; λнк — теплопроводность неопределяемого ком-

понента.

Из последнего выражения можно найти искомую концентрацию

Существует два типа тепловых газоанализаторов: термокондукто-

метрические и термохимические.

Принцип действия термокондуктометрического ГА основан на

процессе теплопереноса в газах под действием градиента температур.

При прохождении АГС через измерительную камеру, в которой на-

ходится нагретый до определенной температуры терморезистор, про-

исходит передача тепловой энергии от этого терморезистора через

слой АГС постоянной толщины к стенкам камеры, температура ко-

торых постоянна. Если количество теплоты, отдаваемой терморези-

стором, постоянно, а теплопередача происходит только за счет тепло-

проводности через слой газа, температура терморезистора, а следователь-

но, его сопротивление будут определяться только теплопроводностью

АГС или, как следует из выражения (8.2), концентрацией определяе-

мого компонента.

ГА представляет собой неуравновешенный мост (рис. 8.1, а), два

плеча которого образованы терморезисторами R2 и R4, помещенны-

ми в измерительные камеры, а два — сравнительными R1 и R3. Из-

мерительная камера (рис. 8.1, 6) представляет собой полый цилиндр,

внутри которого коаксиально расположена платиновая нить (чувстви-

тельный элемент). Диаметр платиновой нити 0,02... 0,05 мм; она на-

тягивается с помощью платиноиридиевых пружинок и закрепляется

в измерительной камере изоляционными втулками. Температура

газовой смеси должна быть постоянной, поэтому датчики термоста-

тируются. Для уменьшения влияния конвекции диаметр измеритель-

ной камеры выполняется как можно меньшим. Сравнительные ка-

меры бывают двух типов: герметизированные и проточные. В качестве

сравнительных смесей в герметизированных камерах используются

газовые смеси либо постоянного состава, либо с добавлением опреде-

ляемого компонента с концентрацией, соответствующей нижнему,

среднему или верхнему пределу измерения анализатора. В проточных

камерах обычно используется АГС, очищенная от определяемого

компонента специальным поглотителем.

Теплота Q, отдаваемая терморезистором в АГС, определяется вы-

Ражением

где I — длина платиновой нити, образующей терморезистор; λ_см —

теплопроводность АГС; tH, tc — температура платиновой нити и

стенки камеры соответственно; D,d — диаметры камеры и платино-

вой нити соответственно.

Нагрев платиновой нити до температуры 50... 200 "С осуществля-

ется стабилизированным током I, что обеспечивает постоянство

значения Q. Искомая температура нити tH будет в этом случае равна

где R — сопротивление платиновой нити.

Для градуировки анализатора через него пропускается градуиро-

вочная смесь с известным содержанием определяемого компонента.

Поскольку количество теплоты, отдаваемое чувствительным элемен-

том к стенкам камеры, не меняется, температура нити при анализе

смеси неизвестного состава находится по формуле

где А,гс, Хас — теплопроводности градуировочной и анализируемой

смеси соответственно; tн1, t2 — соответствующие этим смесям тем-

пературы платиновой нити.

Теплопроводность смеси n компонентов находится по формуле

(8.1). Если анализируемая газовая смесь содержит водяные пары,

то при расчетах необходимо учитывать, что водяные пары практиче-

ски полностью конденсируются, изменяя процентное содержание

других компонентов. Теплопроводность смеси в этом случае опреде-

ляется выражением

где п — число компонентов в смеси; λ, С, — теплопроводность и кон-

центрация i-го компонента; CHj0 — концентрация водяных паров.

Если теплопроводности АГС А,см в измерительных камерах и вспо-

могательного газа λв в сравнительных камерах одинаковы; напряжение

на измерительной диагонали мостовой схемы отсутствует. При из-

менении концентрации определяемого компонента, а значит, и тепло-

проводности АГС условия теплопередачи в измерительных камерах

изменяются, в результате чего на измерительной диагонали появля-

ется напряжение разбаланса U:

где Кх — коэффициент преобразования термокондуктометрического ГА.

Термокондуктометрические ГА используются для измерения кон-

центрации негорючих газов (С02, S02 и др.) в бинарных и псевдоби-

нарных смесях. Их диапазон измерений от 0... 1 до 0... 100 %, класс

точности 2,5... 10 (увеличивается с уменьшением диапазона измере-

ния), время реакции 60... 120 с.

В термохимических ГА, используемых для измерения концентра-

ций горючих газов, используется тепловой эффект химической реак-

ции окисления определяемого компонента АГС на каталитически

активной поверхности платиновой нити, нагретой до температуры

200... 500 °С. По выделяющейся при этом теплоте и изменяющейся в

результате этого температуре нити определяется концентрация ана-

лизируемого компонента.

Изменение температуры ∆t при таком окислении (горении) опре-

деляется выражением

где К — постоянный коэффициент, зависящий от природы опреде-

ляемого компонента и конструктивных параметров чувствительного

элемента; QH, С — удельная объемная теплота сгорания и объемная

концентрация определяемого компонента соответственно.

Каталитически активная платиновая нить включается в одно из

плеч неуравновешенного моста. В этот мост входит также резистор,

выполненный из каталитически пассивной платиновой проволоки и

находящийся в камере, заполненной неопределяемыми компонента-

ми газовой смеси. Если определяемый компонент в смеси отсутству-

ет, их сопротивления одинаковы. Резисторы двух оставшихся плеч

имеют постоянное сопротивление и выполнены из манганиновой

проволоки. При наличии определяемого компонента в газовой смеси

происходит его сгорание на активном резисторе, сопротивление по-

следнего возрастает, что приводит к появлению на измерительной

диагонали моста напряжения, пропорционального концентрации

определяемого компонента. Милливольтметр в измерительной диа-

гонали градуируется в единицах концентрации определяемого ком-

понента.

Такие ГА в основном используются как индикаторы и сигнализа-

торы взрывоопасных концентраций, градуируются в процентах НКПВ

и выполняются как в стационарном, так и в переносном варианте

(сигнализаторы серии СГГ, ПГФ и др.). Сигнализируемые значения

5... 50 % НКВП для горючих газов и паров и 5...20 % НКВП для сме-

сей водорода с воздухом, время реакции не более 30 с. Существуют

также термохимические ГА, в которых реакция окисления опреде-

ляемого компонента протекает на поверхности гранулированного

катализатора, в качестве которого часто используется смесь диокси-

да марганца и оксида меди. Увеличение поверхности катализатора

позволяет снизить нижний предел измерения до долей процента.

В остальном их работа аналогична рассмотренному выше ГА.

Термохимические ГА в настоящее время являются одними из наи-

более распространенных в промышленности средств аналитической

техники. Их различные модели выпускаются как российскими, так и

зарубежными фирмами.

Оптические газоанализаторы

Принцип действия оптических ГА основан на явлении избиратель-

ного поглощения анализируемым компонентом энергии излучения

определенной длины волны, причем интенсивность этого поглощения

зависит от концентрации анализируемого компонента в АГС. Эта за-

висимость описывается законом Бугера—Ламберта—Бера:

где I_0λ — интенсивность монохроматического излучения с длиной

волны λ, на входе в поглощающий слой газа и после прохождения

через него соответственно; ε_λ — коэффициент поглощения излучения

определяемым компонентом на длине волны λ; С — концентрация

определяемого компонента в газовой смеси; L — толщина погло-

щающего слоя.

Произведение _ελCL называется оптической плотностью D, :

Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения.

Газы, содержащие в своем составе два и более разнородных атомов,

такие как СО, С02, СН4, NH3, С2Н2, имеют спектры поглощения в

инфракрасной (ИК) области.

Для использования этого метода измерения необходимо, чтобы

определяемый компонент имел спектр поглощения, отличающийся

от спектров поглощения других компонентов анализируемой смеси.

Лежащие в ИК-области спектры поглощения СО, С02, СН4, NH3

изображены на рис. 8.2, а. Хотя спектры С02 и СО, С02 и СН4 ча-

стично перекрываются, можно выделить длины волн, на которых

имеет место селективное поглощение ИК-излучения этими компо-

нентами, что позволяет измерять их концентрацию в многокомпо-

нентных АГС. В качестве источников излучения инфракрасных ГА

используются нихромовые излучатели, нагретые до 700... 800 "С. При-

емниками излучения служат батареи термопар или терморезисторов,

фоторезисторы или конденсаторные микрофоны. Схема одного из

вариантов акустического приемника ИК-излучения представлена на

рис. 8.2, б. Источником 1 создается постоянное излучение, которое

с помощью вращающегося диска с отверстиями (обтюратора) 2 и

светофильтра 3 преобразуется в пульсирующее монохроматическое

излучение. Определяемый компонент, находящийся в камере 4, по-

глощает излучение, при этом в камере возникают пульсации темпе-

ратуры, а следовательно, и давления, изображенные на рис. 8.2, в.

Эти пульсации воспринимаются микрофонным чувствительным

элементом 5, представляющим собой конденсатор, образованный

подвижной мембраной и неподвижной пластиной. Под действием

давления мембрана перемещается, вызывая из-за колебаний зазора 5

изменение емкости С конденсатора.

Используемые в промышленности оптико-акустические ГА, как

правило, представляют собой дифференциальные двухлучевые схемы

и имеют две кюветы: измерительную, через которую прокачивается

АГС, и сравнительную, которая заполняется вспомогательной газовой

смесью. В нее входят какой-либо не поглощающий ИК-излучение газ

и неопределяемые компоненты АГС со средними значениями концен-

траций. ИК-излучение (2... 8 мкм) поступает в измерительную и срав-

нительную камеры через фильтровые камеры, служащие для уменьше-

ния влияния на результаты измерения неопределяемых компонентов,

полосы поглощения которых частично перекрываются с полосой по-

глощения определяемого компонента. Они заполняются этими компо-

нентами, причем их концентрация должна быть больше их возможной

концентрации в АГС. Если определяемый компонент отсутствует в АГС,

поглощение импульсного ИК-излучения в обеих камерах будет одина-

ково. При появлении в АГС определяемого компонента он поглощает

часть энергии излучения, проходящего через измерительную камеру, в

результате чего в конденсаторном микрофоне возникают колебания,

частота которых составляет несколько герц.

Оптико-акустические ГА используются для измерения в много-

компонентных смесях концентраций СО, С02, СН4, С2Н2, С3Н6 и др.

Диапазоны измерений этих анализаторов от 0...0Д до 0... 100% об.

Классы точности 2,5... 10 (в зависимости от диапазона измерений).