изико-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 постоян-ным 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) анализируе-мый 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 концентра-ции 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.

изические 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 промыш-ленных 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 идр.
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.

Принцип действия основывается на том, что определенный газ поглощает инфракрасное излучение с определенной длинной волны, в зависимости от которой устройство ведет расчет.

Ручные анализаторы газа – это переносные устройства, которые обладают высокой точностью и служат для проверки автоматических анализаторов газа в процессе их эксплуатации. Они также предназначены для лабораторных и контрольных анализов.

Основное отличие от автоматических устройств – это длительность процесса забора пробы, которая зависит от квалификации специалиста и может занимать от 5-и до 10-и минут.

На сегодняшний день наибольшего распространения получили оптические газоанализаторы и электрохимические газоанализаторы.

По форм-фактору, устройства можно разделить на на:

· стационарные газоанализаторы — устройства, предназначенные для стационарной установки в рабочей зоне промышленных заводов и комбинатов, химических лабораториях, на нефтеперерабатывающих и газодобывающих предприятиях и других производствах

· портативные газоанализаторы — устройства, индивидуального применения, которые служат дополнительной защитой к стационарным анализаторам газа

· переносные газоанализаторы — устройства, занимающие промежуточную нишу между стационарными и портативными. Больше по размеру, чем портативные устройства, но обладают и большими возможностям. Подходят для небольших предприятий, а также используются на угольных шахтах.

Переносные газоанализаторы поддаются транспортировке, стационарный газоанализатор никуда перемещать нельзя, он зафиксирован на месте, а портативный газоанализатор компактен и мобилен.

По количеству измеряемых компонентов (однокомпонентные и многокомпонентные газоанализаторы);

По количеству каналов измерения (одноканальные и многоканальные газоанализаторы);

По назначению (для обеспечения безопасности работ, для контроля технологических процессов, для контроля промышленных выбросов, для контроля выхлопных газов автомобиля). Другими словами, есть бытовые газоанализаторы, есть промышленные и автомобильные.

Все приборы газового анализа также могут быть классифицированы по функциональным возможностям:

· индикаторы;

· течеискатели;

· сигнализаторы;

· универсальные газоанализаторы.

МЕТОДИКА ПОВЕРКИ

Настоящая методика поверки распространяется на анализатор мультигазовый именуемый в дальнейшем анализатор, предназначенный для непрерывного автоматического измерения объемной доли метана, углекислого газа и кислорода в воздухе и иных газовых средах и выдачи звуковой и визуальной сигнализации при выходе измеряемых величин за пределы установленных порогов.

Межповерочный интервал – 12 месяцев.

11.2 Операции поверки

11.2.1 При проведении поверки должны выполняться операции, указанные в таблице 11.1.

Таблица 11.1

Наименование операции	Номер пункта методики поверки
1 Внешний осмотр	11.6.1
2 Проверка показаний на воздухе	11.6.2.2
3 Определение основной погрешности	11.6.3
4 Определение времени срабатывания аварийной сигнализации по каналу измерений объемной доли метана	11.6.4
5 Определение абсолютной погрешности установки порогов срабатывания аварийной сигнализации	11.6.5

11.3 Средства поверки

11.3.1 При проведении поверки должны применяться поверочные газовые смеси (ПГС), метано - воздушные смеси (МВС) и нулевые газы (НГ), приведенные в таблице 11.2 и средства измерительной техники, оснастка и материалы, приведенные в таблице 11.3. Средства измерительной техники, применяемые при проведении поверки, должны быть поверены.

Таблица 11.2

Номер ПГС, МВС, НГ по	Наименование компонента	Объемная доля компонента, %	Пределы допускаемого абсолютного отклонения, %	Пределы допускаемой абсолютной погрешности, %
ТУ У 26.5-33206228-018:2015	ТУ У 24.1-02568182-001:2005
	3907-87	СН₄ воздух	1,60 остальное	±0,30	±0,08
	3907-87	СН₄ воздух	2,50 остальное	±0,30	±0,08
	-	СН₄ воздух	4,3 остальное	±0,5	±0,12
	3795-87	СО₂ воздух	4,5 остальное	±0,5	±0,1
	3786-87	СО₂ N₂	остальное	±3	±0,2
	3894-87	СН₄ N₂	остальное	±3	±0,8
-	-	азот нулевой ТУ 6-21-39-79	-	-	-
-	-	воздух нулевой ТУ 6-21-5-82	-	-	-

Окончание таблицы 11.2

Примечания. 1 Допускается применение вместо воздуха нулевого воздуха атмосферного, при условии, что содержание примесей в нем не превышает ПДК, установленных ГОСТ 12.1.005. 2 ПГС 4 используется для исполнений анализатора с верхним пределом диапазона измерений объемной доли углекислого газа 5%. 3 ПГС 5 используется для исполнений анализатора с верхним пределом диапазона измерений объемной доли углекислого газа 100%.

Таблица 11.3

Наименование средства измерительной техники, материала, оснастки	Обозначение НД
Вентиль запорно-регулирующий ВР-2	ТУ 25.07.629
Адаптер	-
Ротаметр РМ-0,04 ГУ 3	ГОСТ 13045
Секундометр СДСпр – 1-2-010	ТУ 25-1819.0021
Термометр лабораторный ТЛ-4 4-Б2	ГОСТ 28498
Барометр-анероид БАММ-1	ТУ 25-11-1513
Трубка ПМ-1/42 4,0х1,0 1м	ТУ 64-2-286
Примечание. Допускается применение других средств измерительной техники, оснастки с параметрами не хуже, чем у указанного.

11.4 Требования безопасности

11.4.1 При проведении поверки должны соблюдаться следующие требования безопасности:

а) помещение, где проводится поверка, должно быть оборудовано вытяжной вентиляцией;

б) при использовании ПГС и НГ в баллонах под давлением должны выполняться «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

11.5 Условия поверки

11.5.1 При проведении поверки должны соблюдаться следующие условия:

а) температура окружающей среды (20 ± 5) °С;

б) относительная влажность воздуха до 80%;

в) содержание горючих компонентов в атмосфере помещения, где проводится поверка, не должно превышать значений, установленных санитарными нормами по ГОСТ 12.1.005;

г) баллоны с ПГС, НГ и анализатор должны быть выдержаны в помещении, где проводится поверка, до выравнивания их температур с температурой воздуха помещения.

11.6 Проведение поверки

11.6.1 Внешний осмотр проводится с целью установления соответствия анализатора следующим требованиям:

а) комплектность должна соответствовать разделу 4 паспорта МОЭМ.418120.007 ПС;

б) анализатор должен иметь неповрежденные пломбы предприятия-изготовителя или ремонтной организации;

в) анализатор не должен иметь механических повреждений, влияющих на его работоспособность и взрывобезопасность;

г) анализатор должен иметь четкую маркировку.

Примечание. Комплектность проверяется только при выпуске из производства.

11.6.2 Опробование

11.6.2.1 Включите анализатор и прогрейте его в течение не менее 10 мин.

11.6.2.2 Проверьте показания на воздухе, которые должны соответствовать значениям, указанным в таблице 11.4. В противном случае анализатор к дальнейшей поверке не допускается.

Таблица 11.4

Анализируемый компонент, верхний предел диапазона измерений, об. доля, %	Показания на воздухе, об. доля, %
Метан	± 0,20
Углекислый газ, - 5 - 100	± 0,20 ± 0,2
Кислород	± 0,5

11.6.3 Для определения основной погрешности установите на защитную крышку блока датчиков адаптер. Соберите схему, приведенную в Приложении А.

ПГС, МВС и НГ подаются на анализатор с расходом (0,15 ± 0,05) л/мин.

Последовательность и время подачи ПГС, МВС и НГ на анализатор, в зависимости от исполнения представлены в таблице 11.5.

Таблица 11.5

Номер ПГС, МВС, наименование НГ	Верхний предел диапазона измерений объемной доли СО₂, %	Время подачи, мин

Первичная поверка	Периодическая поверка	Первичная поверка	Периодическая поверка
	+	-	+	-
	+	+	+	+
	+	-	+	-
	+	+	+	+
	+	+	-	-
	-	-	+	+
N₂	+	+	+	+
Примечание. Знак «+» означает, что ПГС, МВС и НГ подаются на анализатор, а знак «-» означает, что они не подаются.

Перед завершением подачи ПГС, МВС и НГ на анализатор зафиксируйте показания.

Рассчитайте основные абсолютные погрешности (∆) на ПГС 1, ПГС 2, ПГС 4, ПГС 5, ПГС 6 и азоте нулевом как разности между показаниями анализатора и паспортными данными ПГС.

При подаче на анализатор азота нулевого показания фиксируются по каналу измерения кислорода (нулевые показания).

Рассчитайте основную относительную погрешность (δ) на МВС 3 по выражению:

δ = [(П – С) / С] ∙ 100, %

где П – показания анализатора, % объемной доли;

С – значение объемной доли анализируемого компонента по паспорту ПГС (МВС), %.

Анализатор считается выдержавшим испытание, если рассчитанные значения ∆ и δ не превышают значений, представленных в табл. 11.6.

Таблица 11.6

Номер ПГС, МВС, наименование НГ	Предельно допустимые значения основных погрешностей измерений
∆, об. доля, %	δ, %
	±0,20	-
	±0,20	-
	-	±8
	±0,20	-
	±4,0	-
	±2,5	-
N₂	±0,5	-

11.6.4 Определение времени срабатывания аварийной сигнализации по каналу измерений объемной доли метана проводится следующим образом. На анализаторе предварительно устанавливается первый порог срабатывания аварийной сигнализации (1,00 ± 0,10)%. Для проверки используется ПГС 1.

На анализатор с установившимися показаниями на воздухе подается ПГС 1. С началом реагирования (по показаниям на дисплее) включается секундомер. По секундомеру фиксируется время срабатывания аварийной сигнализации первого порога.

Анализатор считается выдержавшим испытание, если время срабатывания аварийной сигнализации первого порога не превышает 8 с.

Проверка времени срабатывания аварийной сигнализации может быть проведена на ПГС 2. Но при этом значение первого порога срабатывания аварийной сигнализации должно быть установлено (1,60 ± 0,10)%.

11.6.5 Определение абсолютной погрешности установки порогов срабатывания аварийной сигнализации проводится следующим образом. Анализатор переводится в специальный тестовый режим проверки порогов срабатывания аварийной сигнализации. При этом показания анализатора медленно растут (по кислороду – падают), а после срабатывания аварийной сигнализации медленно падают (по кислороду – растут). Фиксируются показания, при которых включается и отключается аварийная сигнализация.

Анализатор считается выдержавшим испытание, если показания, при которых включается и отключается аварийная сигнализация отличаются от значений установленных порогов не более чем на ± 0,10%.

11.7 Оформление результатов поверки

11.7.1 При первичной поверке при выпуске из производства госповеритель делает запись в паспорте (в разделе «Свидетельство о приемке») с нанесением оттиска поверительного клейма. При последующих поверках выдается свидетельство установленной формы.

11.7.2 Анализатор, не удовлетворяющий требованиям настоящей методики поверки, к эксплуатации не допускается, клеймо гасится и свидетельство аннулируется, что оформляется извещением о непригодности с указанием причин.