Газоанализатор. Оптические газоанализаторы.

В оптических газоанализаторах концентрация определяемого компонента измеряется по изменению оптических свойств газовой смеси, к числу которых относятся показатели преломления, спектрального поглощения и излучения, спектральная плотность и т.п. Наиболее распространенными являются четыре группы оптических газоанализаторов: инфракрасного и ультрафиолетового поглощения; фотоколориметрические; люминесцентные; ослабления видимого излучения. Оптические газоанализаторы обладают большой разрешающей способностью, благодаря чему они применяются для анализа микроконцентраций взрывоопасных и токсичных примесей в промышленных газах, при контроле воздуха в атмосфере и производственных помещениях. Из перечисленных типов газоанализаторов наиболее распространенными являются недисперсионные инфракрасные фотометры (NDIR).

Газоанализаторы инфракрасного и ультрафиолетового поглощения. Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения. Газы, содержащие в своем составе два и более разнородных атомов, такие как СО, СO₂, СН₄, NH₃, С₂Н₂ имеют спектры поглощения в инфракрасной области. Одноатомные газы характеризуются линейчатыми спектрами поглощения, лежащими в ультрафиолетовой области.

Закон Ламберта—Бера определяет связь ослабления монохроматического излучения при прохождении через камеру, заполненную анализируемым газом, с его концентрацией:

I_λ = I_0λexp(-ε _λcL)

D_λ = ε _λcL = ln(I_0λ/ I_λ)

где I_0λ, I_λ— интенсивность монохроматического излучения на входе и выходе камеры длиной L, заполненной определяемым компонентом с концентрацией с и коэффициентом спектрального поглощения ε_λ, D_λ — оптическая плотность смеси газов.

Для использования этого метода измерения необходимо, чтобы определяемый компонент имел спектр поглощения, отличающийся от спектров поглощения других компонентов анализируемой смеси. Лежащие в инфракрасной области спектры поглощения СО, СO₂, СН₄, NH₃ изображены на рис. 1. Спектры СO₂ и СО, СO₂ и СН₄ частично перекрываются.

Рис. 1. Спектры поглощения СО, С0₂, СН₄ в инфракрасной области

Схема одного из вариантов приемника инфракрасного излучения представлена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема оптико-акустического лучеприемника:

1 — источник; 2 — диск с отверстиями; 3 — светофильтр; 4 — камера; 5 — чувствительный элемент

Источником 1 создается постоянное излучение, которое с помощью вращающегося диска с отверстиями (обтюратора) 2 и светофильтра 3 преобразуется в пульсирующее монохроматическое излучение. Анализируемый компонент, находящийся в камере 4, поглощает излучение, при этом в камере возникают пульсации температуры, а следовательно, и давления, изображенные на том же рисунке.

Пульсации давления в камере 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 изменения емкости конденсатора С. Подобного типа преобразователи входят в состав анализаторов недисперсионного инфракрасного излучения (NDIR). Рассмотрим принцип действия микропроцессорного газоанализатора ULTRAMAT6 ф. Siemens, предназначенного для измерения концентраций газов, имеющих спектры поглощения в области длин волн 2...9 мкм, таких как СО, СO₂, SO₂, NO, NH₃, Н₂O, СН₄ и другие углеводороды. Газоанализатор помимо цифрового индикатора имеет интерфейс RS-485 и может иметь плату для подключения к высокоскоростной полевой шине Fieldbus.

Прибор содержит газовую и электронную части. Схема первой представлена на рис. 3. Поток инфракрасного излучения от источника 1 проходит через светофильтр 2 и делится светоделителем 3 на два потока: анализируемый 4 и эталонный 5. Светоделитель 3 является также фильтровой камерой, заполненной неопределяемым компонентом со спектром поглощения, частично перекрывающим спектр поглощения анализируемого газа. Потоки 4, 5 попадают соответственно в камеру 6 заполненную анализируемым газом, и камеру 7, заполненную азотом. После этих камер потоки попадают в измерительную камеру 8, содержащую секции каждого канала, разделенные по высоте на две части.

Рис. 3. Схема оптических каналов газоанализатора ULTRAMAT:

1 — источник света; 2 — светофильтр; 3 — светоделитель; 4,5 — анализируемый и эталонный поток; 6, 7 — камеры, заполненные газом и азотом; 8 — измерительная камера; 9 — датчик микропотока. 10 — оптический соединитель; 11 — заслонка; 12 — обтюратор

Центры пучков излучения поглощаются в верхней части измерительной камеры, края — в верхней и нижней. Верхние и нижние части секций соединены датчиком микропотока 9, который представляет собой мост, состоящий из двух выполненных в виде решетки никелевых резисторов, нагретых до температуры 120 °С, и двух постоянных. При постоянном потоке излучения 5, попадающем в правую часть измерительной камеры 8, поток, попадающий в левую часть, зависит от концентрации определяемого компонента. Разница давлений в секциях измерительной камеры 8 приводит к появлению микропотока газа, вызывающего изменение теплоотдачи от никелевых резисторов 9, и как следствие, изменение их сопротивления и выходного сигнала моста.

Оптический соединитель 10 удлиняет оптический канал нижней части измерительной камеры 8. Изменением положения заслонки 11 производится начальная балансировка оптических каналов. Для создания пульсаций светового потока используется обтюратор 12. Рассматриваемая конструкция сенсора ИК излучения обеспечивает узкую полосу спектральной чувствительности и отсутствие влияния на показания изменения концентрации неопределяемых компонентов.

ULTRAMAT6 может анализировать до четырех газовых смесей. Пределы измерения СО составляют 0...10 vpm, а СO₂ 0...5 vpm, расход газа лежит в пределах 12...90 л/ч. Погрешность выходного сигнала находится в пределах ± 0,5 % при недельном уходе начального сигнала и диапазона ±1 %. Приборы этого типа включает система NGA 2000, серия 800, BINOS NDIR ф. Rosemount.

Существуют модификации ИК анализаторов для измерения СО, СO₂ в дымовых и выхлопных газах, в которых производится прямое просвечивание потока газа: с одной стороны находится источник ИК излучения, а с другой — приемник.

Большинство газов и паров способны поглощать ультрафиолетовое (UV) излучение, однако ограниченное их число обладают спектрами поглощения, отличными от других газов. Газоанализаторы, основанные на поглощении определенными компонентами ультрафиолетового излучения, применяются для измерения наличия в воздухе токсичных паров ртути, хлора, карбонила никеля. В приборах в качестве источников ультрафиолетового излучения используются ртутные лампы. Схемы могут быть как одноканальными, так и двух- канальными. В качестве приемников излучения на выходе рабочих и фильтровых камер применяются фоторезисторы, вакуумные фотоэлементы и фотоумножители.

Приборы этого типа входят в систему NGA2000, к ним относятся ETL 9100, мод. 2100 фирмы Rosemount.

Фотоколориметрические  газоанализаторы. В фотоколориметрических газоанализаторах концентрация определяемого компонента в соответствии с законом Ламберта—Бера измеряется по изменению оптической плотности индикаторного раствора, окраска которого избирательно меняется в присутствии определяемого компонента.

Фотоколориметрический метод характеризуется универсальностью, поскольку один и тот же прибор с различными индикаторными растворами может использоваться для анализа разнообразных компонентов газовой смеси. Он отличается также высокой избирательностью, зависящей от специфичности реакции, протекающей между анализируемым компонентом и индикаторным раствором. Возможность накопления определяемого компонента в индикаторном растворе обеспечивает высокую чувствительность метода. Основанные на этом принципе приборы применяются для контроля состояния воздушного бассейна, они измеряют концентрацию в воздухе таких вредных примесей, как NO, NO₂, SO₂, Cl₂, NH₃, H₂S. Приборы имеют верхний предел измерения от 0,5 до 50 мкг/л в зависимости от анализируемого компонента.

К оптическим методам анализа относятся методы, использующие различные виды люминесценции. Люминесценция представляет собой холодное свечение, вызываемое светом (фотолюминесценция, флюоресценция), электрическим полем (электролюминесценция), химическими реакциями (хемилюминесценция). Последняя используется в газоанализаторах для измерения концентрации оксида и диоксида азота в газовых смесях.

Структурная схема газоанализатора типа «Клен» представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема газоанализатора типа «Слен»:

КР — реакционная камера; К — клапан; Ф — фильтр; ГО — генератор озона; ПР — побудитель расхода; БД — блок дожига озона; ИП — измерительный преобразователь; РП — регистрирующий прибор

В реакционной камере КР оксид азота окисляется озоном. Реакция сопровождается свечением, интенсивность которого зависит от концентрации NO. Излучение попадает на фотоэлектронный умножитель, входящий в блок электронно-оптического преобразователя. Если анализируемый газ через клапан К, поступает в реакционную камеру, то измеряется концентрация NO. Для измерения концентрации NO + NO₂ анализируемый газ пропускается через конвертер К, в котором при температуре 800 °С NO₂ восстанавливается до NO.

Для получения озона воздух проходит через фильтр очистки Ф и генератор озона ГО. Расход через прибор анализируемого газа и воздуха создается побудителем расхода ПР. Из реакционной колонки газовая смесь до сброса в атмосферу пропускается через блок дожига озона БД и фильтр. Сигнал электронно-оптического преобразователя поступает на измерительный преобразователь ИП, выходной токовый сигнал которого регистрируется автоматическим миллиамперметром РП-160. Минимальный диапазон измерения прибора составляет 0...100 мг/м³, погрешность в зависимости от модификации составляет ±12; ±20%. Аналогичный принцип действия применяется в анализаторах модели 955 (ф. Rosemount), имеющих диапазоны измерения от 10 до 1000 ррт.

Для измерения концентрации SO₂ используется явление флюоресценции молекул под влиянием ультрафиолетового излучения. Автоматизированная система контроля загрязнения атмосферы АСКЗА включает приборы для измерения концентрации СО, СO₂, NO, NO₂, SO₂, основанных на явлениях хемилюминесценции и флюоресценции.

Ослабление светового потока за счет его поглощения и рассеивания взвешенными частицами, находящимися в газе, применяются для измерения содержания золы в уходящих газах котлоагрегатов, для контроля запыленности воздуха в производственных помещениях и содержания в нем частиц влаги. В этих приборах производится просвечивание слоя или потока газа, при этом может измеряться как ослабленный частицами прямой поток, так и отраженный, последнее используется реже. Источником света служат, как правило, лампы накаливания, излучение воспринимается фотоэлементами, фоторезисторами или фотоумножителями. Измеритель задымленности газового потока ИЗА производит прямое просвечивание потока и может измерять задымленность в газоходах шириной от 1 до 10 м. Пределы измерения оптической плотности составляют 0—2 при пределе приведенной погрешности ±2 %.