Физико-химические газоанализаторы

Газоанализаторы, основанные на физико-химическом методе подразделяются на:

- хроматографические;

- термохимические;

- фотоколориметрические;

- электрохимические;

Хроматографические газоанализаторы предназначены для измерения состава смеси газов, твердых тел или жидкости. Принцип действия хроматографического анализатора заключается в индикации качественного и количественного состава разделенной газовой смеси.

Принципиальные схемы хроматографа и разделения смеси газов в колонке представлены на рис. 1.

 

Изображение. 2. Принципиальная схема газового хроматографа:

1 — баллон; 2 — регулятор; 3 — дозатор; 4 — разделительная колонка; 5 — терморегулятор; 6 — детектор; 7 — регистрирующий прибор; 8,9 — микропроцессорное и цифропечатающее устройств

Из баллона 1 газ-носитель поступает в хроматограф. Для поддержания в процессе работы постоянной скорости газа-носителя используется регулятор 2, содержащий редуктор, манометр и измеритель расхода газа.

В газ-носитель дозатором 5 периодически вводится проба анализируемого газа. В разделительной колонке 4, заполненной твердым или жидким сорбентом, анализируемая смесь разделяется на компоненты. Вдоль слоя сорбента с большей скоростью движутся наименее сорбируемые газы. Поэтому в пробе смеси газов (изображение 2, б), содержащей три компонента А, В и С, первым выносится наименее сорбируемый газ А, а последним — хорошо сорбируемый С

После разделения каждый компонент с газом-носителем образует бинарную смесь, анализ которой может быть произведен различными методами, в том числе рассмотренными выше и реализуемыми в детекторе 6. Поскольку в процессе измерения свойства газа-носителя могут меняться, при пропускании последнего через детектор фиксируются изменения его свойств, вызванные присутствием компонента анализируемой смеси.

Для улучшения разделения компонентов температурный режим колонки может меняться с помощью терморегулятора 5 с программным управлением. Выходной сигнал детектора 6 подается на регистрирующий прибор 7, микропроцессорное 8 и цифропечатающее 9 устройства. На диаграмме самопишущего прибора 7 выход каждого из компонентов сопровождается пиком, площадь которого зависит от концентрации этого газа. График, фиксирующий выход компонентов, называют хроматограммой. Использование микропроцессорного измерительного устройства с соответствующим интерфейсом обеспечивает автоматический анализ хроматографического разделения и позволяет ввести информацию о составе газов в АСУ ТП.

Существует 3 метода хроматографического измерения:

1. вытеснительный;

2. фронтальный;

3. проявительный.

Термохимические анализаторы газа – это устройства, определяющие энергию выделяемого тепла при прохождении химической реакции в смеси

Основной принцип работы – процесс окисления компонентов газа с применением дополнительных катализаторов (марганцево-медный катализатор, мелкодисперсная платина).

Схема (изображение 3) включает измерительный мост с постоянными резисторами (R1 и R4)и двумя терморезисторами, один из которых (R2) нахо-дится в атмосфере сравнит. газа, а второй (R3) омывается потоком анализи-руемого газа. Напряжение Uвых в диагонали моста пропорциональ-но концентрации определяемого компонента. Для устойчивой работы газоанализатора исключают влияние температуры среды (термостатированием или термокомпенсацией), стабилизируют напряжение, поддерживают постоянным расход газа, очищают его от примесей, отравляющих катализатор (Сl2, НСl, H2S,SO2).

 

 

Изображение. 3. Термохимический газоанализатор:

1- источник стабилизированного напряжения; 2-вторичный прибор; R1 и R4 - постоянные резисторы; R2 и R3, сравнительный и рабочий терморезисторы.

 

Измерение возникающей температуры осуществляется с помощью терморезистора, который в зависимости от температуры, меняет свое сопротивление, тем самым изменяя проходящий ток.

Фотоколориметрический анализатор газа – это прибор, использующий оптическую систему (излучатель-приемник), который при помощи уровня поглощенного светового потока веществом определяет его.

Существует две разновидности фотоколориметрических газоанализа-торов:

1) жидкостный фотоколориметрический анализатор газа где реакция протекает в растворе, что позволяет с точностью до 5% определить компоненты смеси;

2) ленточный фотоколориметрическийгазоанализатор используют для реакции твердые носители.

 

Изображение 4. Жидкостной фотоколориметрический газоанализатор: 1 - источник излучения; 2 - светофильтр; 3 и 3' - рабочая и сравнительная кюветы; 4 - абсорбер; 5 и 5' - приемники излучения; 6 - усилитель; 7 - вторичный прибор.

Принципиальная схема жидкостного газоанализатора представлена на рис. 10. Излучение от источника проходит через рабочую и сравнит. кюветы и поступает на соответствующие приемники излучения. Индикаторный р-р протекает с постоянной скоростью через обе кюветы и абсорбер. Навстречу потоку раствора через абсорбер барботирует анализируемый газ. Определяемый компонент, присутствующий в газе, взаимодействует с реагентом в растворе, вызывая изменение оптической плотности в рабочей кювете, пропорциональное концентрации компонента. В результате интенсивность излучения через одну из кювет изменяется, а через другую-нет. Разность (или отношение) сигналов рабочего и сравнительного каналов - мера концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси.

Подача раствора может быть как непрерывной, так и периодической. При периодической подаче анализируемый газ пропускают в течение некоторого времени через одну и ту же порцию раствора, что позволяет повысить чувствительность определения. Такие газоанализаторы дают возможность измерить среднюю концентрацию определяемого компонента за заданный промежуток времени, напр. при установлении среднесменных или среднесуточных концентраций токсичных примесей в воздухе.

В ленточных газоанализаторах (изображение 5) анализируемый газ поступает в газовую камеру, через которую непрерывно или с заданной периодичностью протягивается лента с нанесенным на нее реактивом. В результате реакции с определяемым компонентом на ленте образуется цветовое пятно, интенсивность окраски которого пропорциональна концентрации компонента. Разность (или отношение) световых потоков, отраженных от окрашенных и неокрашенных участков ленты, - мера концентрации контролируемого компонента в смеси. Иногда используют индикаторную ленту с жидким реактивом. В этом случае реактив наносится на ленту из капельницы непосредственно перед ее контактом с газом.

 

 

Изображение 5. Ленточный фотоколориметрический газоанализатор: 1 -источник излучения; 2-индикаторная лента; 3-светофильтр; 4 и 4'-приемники излучения; 5-газовая камера; 6-усилитель; 7-вторичный прибор.

Электрохимические газоанализаторы предназначены для определения токсических газов в помещениях или на рабочих зонах. Отличительной чертой данного устройства, является возможность применять его во взрывоопасных зонах. Он компактный, энергосберегающий и практически нечувствителен к механическим воздействиям.

Они способны определять следующие вещества:

§ Аммиак NН₃;

§ Сероводород H₂S;

§ Угарный газ СО;

§ Оксид серы SO₂;

§ Хлор Cl₂;

§ Объемные доли кислорода (О₂).

 

По принципу действия они подразделяются на:

§ гальванические (реагируют на изменение электропроводности);

§ электро-кондуктометрические (реагируют на изменения тока или напряжения);

§ потенциометрические (измеряют отношение напряженности поля и активных ионов).

В основе работы электрохимических анализаторов газа лежит явление электрохимической компенсации, которое заключается в выделении специального реагента, который реагирует с определенным компонентом смеси.

Физические газоанализаторы

Физические газоанализаторы работают благодаря физическим процессам и подразделяются на следующие виды:

§ магнитные;

§ термокондуктометрические;

§ оптические;

§ денсиметрические.

Магнитные газоанализаторы предназначены для определения процента О₂ в смеси газов.

Магнитные анализаторы газа подразделяются на 2 группы:

1) магнитомеханические;

2) термомагнитные.

В них момент вращения ротора, функционально связанный с концентрацией О2 в анализируемой смеси, уравновешивается известным моментом, для создания которого используются магнитоэлектрические или электростатические системы. Роторные газоанализаторы ненадежны в промышленных условиях, их сложно юстировать.

 

Изображение____. Магнитомеханический газоанализатор: 1-ротор; 2-полюсы магнита; 3-растяжка; 4-зеркальце; 5-осветитель; 6-шкала вторичного прибора.

Действие термомагнитных газоанализаторов основано на термомагнитной конвекции газовой смеси, содержащей О2, в неоднородных магнитном и температурном полях. Часто применяют приборы с кольцевой камерой (изображение____), к-рая представляет собой полое металлическое кольцо. Вдоль его диаметра установлена тонкостенная стеклянная трубка, на которую намотана платиновая спираль, нагреваемая электрическим током. Спираль состоит из двух секций - R1 и R2, первая из которых помещается между полюсами магнита. При наличии в газовой смеси О2 часть потока направляется через диаметральный канал, охлаждая первую секцию платиновой спирали и отдавая часть тепла второй. Изменение сопротивлений R1 и R2 вызывает изменение выходного напряжения U, пропорциональное содержанию О2 в анализируемой смеси.

 

 

Изображение____Термомагнитный газоанализатор: 1 -кольцевая камера; 2-стеклянная трубка; 3-постоянный магнит; 4-источник стабилизированного напряжения; 5-вторичный прибор; Rt и R2 -соотв. рабочий и сравнит. терморезисторы (секции платиновой спирали); R3 и R4 -постоянные резисторы.

Данные устройства измеряют силу, которая возникает в неоднородном магнитном поле и воздействует на ротор устройства, и позволяет измерять концентрации в диапазоне 10-2.

Термокондуктометрические газоанализаторы позволяют определить состав газовой смеси при помощи такой физической величины, как теплопроводность.

 

 

Изображение ____. Термокондуктометрический газоанализатор: 1 - источник стабилизированного напряжения; 2 - вторичный прибор; R1 и R3 - рабочие терморезисторы; R2 и R4 - терморезисторы; R0 и Rg потенциометры; вход и выход анализируемой газовой смеси показаны стрелками.

На изображении ___ приведена схема, применяемая во многих Термокондуктометрических газоанализаторах. Чувствительные элементы R1 и R3 (рабочие терморезисторы) омываются анализируемой смесью; сравнит. терморезисторы R2 и R4 помещены в герметичные ячейки, заполненные сравнит. газом точно известного состава. Потенциометры R0 и предназначены для установки нулевых показаний и регулировки диапазона измерения. Мера концентрации определяемого компонента – электрический ток, проходящий через , который измеряется вторичным (т.е. показывающим или регистрирующим) прибором. Термокондуктометрические газоанализаторы широко применяют для контроля процессов в производстве H2SO4, NH3, HNO3, в металлургии и др.
Принцип действия заключатся в том, что при изменении качественного и количественного состава газовой смеси, изменяется теплопроводность и соответственно сопротивления в терморезисторах, в результате чего полученные данные анализируются, и по шаблону определяется состав определенных компонентов газа.

 

Оптические газоанализаторы работают по принципу изменения оптических свойств газовой смеси (оптическая плотность, спектральное излечение, показатель преломления и т.д.).

Данные газоанализаторы могут определять как органические (метан СН4, ацетилен С2Н2, этан С2Н6, и т.д.) так и неорганические (хлор, аммиак, сероводород и т.д.) вещества.

Оптические газоанализаторы подразделяются на:

· ультрафиолетовые;

· инфракрасные;

· спектрофотометрические;

· интерферометрические.

Инфракрасные газоанализаторы. Их действие основано на избирательном. поглощении молекулами газов и паров ИК - излучения в диапазоне 1-15 мкм. Это излучение поглощают все газы, молекулы которых состоят не менее чем из двух различных атомов. Высокая специфичность молекулярных спектров поглощения различных газов обусловливает высокую избирательность таких газоанализаторов и их широкое применение в лабораториях и промышленности. Диапазон измеряемых концентраций 10-3 - 100%. В дисперсионных газоанализаторах используют излучение одной длины волны, полученное с помощью монохроматоров (призмы, дифракционной решетки). В не дисперсионных газоанализаторах, благодаря особенностям оптической схемы прибора (применению светофильтров, специальных приемников излучения и т.д.), используют немонохроматическое излучение. В качестве примера на изображении ___ приведена наиболее распространенная схема такого газоанализатора. Излучение от источника излучения 1 последовательно проходит через светофильтр 2 и рабочую кювету 4, в которую подается анализируемая смесь, и попадает в специальный приемник 5 и далее через усилитель 6 попадает на вторичный прибор 7 для анализа. Если в анализируемой смеси присутствует определяемый компонент, то в зависимости от концентрации он поглощает часть излучения, и регистрируемый сигнал пропорционально изменяется. Источником излучения обычно служит нагретая спираль с широким спектром излучения, реже - ИК-лазер или светодиод, испускающие излучение в узкой области спектра. Если используется источник немонохроматического излучения, избирательность определения достигается с помощью селективного приемника.

 

 

Изображение инфракрасный газоанализатор

На сегодняшний день наибольшее распространение получили оптические, термохимические и электрохимические газоанализаторы. Основные преимущества и недостатков указанных газоанализаторов приведены в таблице 3.

Таблица 3

Название	Достоинства	Недостатки
Термохимические	Низкая стоимость	Низкая избирательность; маленький диапазон измеряемой концентрации; непродолжительный срок службы сенсора; низкое быстродействие и чувстви-тельность; для работы требует наличие кислорода
Электрохимические	Позволяет обнаруживать даже мельчайшие частицы вредных газов; широкий диапазон определения загрязняющих органических и неорганических веществ; низкое энергопотребление; приемлемая цена	Ограниченное быстродействие; низкая селективность; крупные габариты; необходимо дополнительно за собой носить огромное количество реагентов и разнообразных блоков
Оптические	Высокая чувствительность; отсутствуют вредные реагенты, необходимые для анализа смеси газов; высокое быстродействие селективность и чувствительность; позволяют определять практически все загрязняющие газы и вещества	Высокая стоимость