Приборы. Приборы и методы контроля энергетических загрязнений окружающей среды Приборы и методы измерения шумов

• Название: Приборы и методы контроля энергетических загрязнений окружающей среды Приборы и методы измерения шумов
• Дата: 28.04.2022
• Размер: 4.92 Mb.
• Имя файла: Приборы.doc
• Тип: Документы; #503527
• страница: 3 из 5

Тепловые методы анализа состава газовых смесей

Термохимические газоанализаторы
Определение концентрации какого-либо вещества в смеси производится измерением ее физического или физико-химического параметра, имеющего однозначную связь с концентрацией определяемого компонента. Для горючих газов наиболее характерной является способность окисляться в воздушной среде. Один из методов определения их концентрации в воздухе основан на измерении повышения температуры при сгорании анализируемого вещества. Приборы с принципом действия, основанным на этом методе, называют термохимическими газоанализаторами (ТХГА) [5].

Рассмотрим принцип действия термохимических газоанализаторов на примере переносного газоанализатора типа ОКА-92М. Схема, поясняющая принцип действия прибора приведена на рис. 41а. Датчик ТХГА содержит два чувствительных элемента R_t1иR_t2, омываемых анализируемой газовой смесью. Эти элементы обычно выполняются из платиновой проволоки. Один из элементов R_t1 является сравнительным, а другойR_t2 - измерительным. На измерительный элементR_t2 наносят катализатор в виде пленки из соединений оксида алюминия с платиной или палладием. Чувствительные элементы включены в смежные плечи измерительного моста. Мост запитывается напряжением E, и электрический ток нагревает чувствительные элементы. При появлении в анализируемой смеси горючих газов происходит их окисление на чувствительных элементах. На поверхности измерительного чувствительного элемента R_t2 окисление газов за счет катализатора происходит более интенсивно. Поэтому при увеличении концентрации измеряемых газов растет разность температур и электрических сопротивлений чувствительных элементов R_t1, R_t2. Это приводит к росту сигнала рассогласования измерительного моста. Сигнал рассогласования, пропорциональный измеряемой концентрации, выводится на индикатор И. Внешний вид газоанализатора ОКА-92М приведен на рис. 41б. Прибор предназначен для измерения содержания в воздухе горючих газов (с градуировкой по метану, пропану, гексану, водороду, оксиду углерода или другому горючему газу по выбору потребителя) в диапазоне от 0 до 10% НКПР (нижнего концентрационного предела распространения пламени).

Ч


а) б)
Рис. 41. Газоанализатор ОКА-92М:

а) схема, поясняющая принцип действия; б) внешний вид прибора
увствительные элементы ТХГА могут располагаться как в специальной кювете, так и непосредственно в окружающей среде. ТХГА способны измерять концентрации горючих газов в диапазоне от единиц десятых долей до десятков процентов. При измерениях следует учитывать, что показания зависят от концентрации всех горючих газов, находящихся в анализируемой смеси, а чувствительность ТХГА к этим газам различна. Кроме того, искажение результатов измерений возможно из-за старения катализатора измерительного чувствительного элемента.
Термокондуктометрические газоанализаторы
Принцип действия термокондуктометрических газоанализаторов (ТКГА) основан на измерении теплопроводности газовых смесей. ТКГА применяют для анализа газов с увеличенными либо заниженными значениями теплопроводности. Наиболее перспективно использование ТКГА для измерения концентрации водорода, который из-за высокой теплопроводности используется в контурах охлаждения некоторых электростанций. Утечки водорода из этих контуров могут приводить к образованию в воздухе взрывоопасных смесей. Поэтому они должны своевременно обнаруживаться путем непрерывных автоматических измерений.

Датчик ТКГА представляет собой кювету, через которую с постоянной скоростью прокачивается анализируемая газовая смесь. Внутри кюветы расположен нагреваемый электрическим током чувствительный элемент из платиновой проволоки либо полупроводниковый терморезистор. При постоянстве электрического тока, скорости движения и температуры газовой смеси температура элемента будет зависить от теплопроводности этой анализируемой смеси. Для измерения температуры чувствительного элемента распространено его включение в плечо измерительного моста. Сигнал рассогласования измерительного моста выводится на индикатор.

Типовые ТКГА позволяют измерять концентрации водорода в диапазоне 0,1 - 100 % и концентрации CO₂ в диапазоне 1 -100%. От ТХГА их отличает: более низкая температура чувствительного элемента, не приводящая к воспламенению анализируемой смеси; необходимость температурной стабилизации кюветы с чувствительным элементом; применение побудителя расхода анализируемой газовой смеси со стабильной производительностью.
Термомагнитные газоанализаторы
Атомы всех веществ имеют различные собственные магнитные моменты. Это объясняет различие способностей веществ намагничиваться внешним магнитным полем. Такая способность характеризуется параметром, называемом магнитной восприимчивостью. Газы с высокой магнитной восприимчивостью называют парамагнитными. Из всех газов наибольшей магнитной восприимчивостью обладает кислород. Также относительно высокую магнитную восприимчивость имеют NO и NO₂. Магнитная восприимчивость других газов в сотни раз ниже. Поэтому для измерения концентрации кислорода применяются магнитные газоанализаторы [17].

Рассмотрим принцип действия термомагнитного газоанализатора (ТМГА), изображенного на рис. 42. Он основан на явлении термомагнитной конвекции. В простейшем случае ТМГА представляет собой магнитную систему. Между ее полюсами N и S расположено нагреваемый электрическим током резистор R. Парамагнитный газ, соприкасаясь с резистором R, нагревается, частично теряет свои магнитные свойства и выталкивается из магнитного поля более холодным, т.е. более магнитным газом. Возле нагревателя возникает непрерывный поток газа, направленный в сторону падения напряженности магнитного поля (по схеме рис. 42 – влево). Это явление называется термомагнитной конвекцией. Ее интенсивность зависит от концентрации и магнитной восприимчивости парамагнитного газа. При росте концентрации парамагнитного газа увеличивается термомагнитная конвекция и происходит увеличение охлаждения терморезисторов R₁иR₄ при дополнительном нагреве терморезисторов R₂иR₃. Измерение концентрации осуществляется путем включения терморезисторов R₁, R₂, R₃ иR₄в плечи измерительного моста. Электрический сигнал рассогласования измерительного моста в

Рис. 42. Схема термомагнитного газоанализатора
ыводится на индикатор μV.

Заметим, что в ТМГА наряду с термомагнитной конвекцией действует гравитационная конвекция. Она обусловлена расширением (снижением плотности) газов при их нагревании. При отклонениях ТМГА от горизонтали гравитационная конвекция усиливается. Это приводит к искажению выходного сигнала. Поэтому на погрешность измерения ТМГА, кроме температуры анализируемой газовой смеси, стабильности скорости ее подачи в датчик и внешних магнитных полей, влияет ориентация корпуса прибора в пространстве (горизонтальность установки прибора).

Типовые ТМГА для измерения содержания кислорода имеют верхние пределы измерения от 1 до 100%, основную приведенную относительную погрешность измерения от 0,5 до 5% от диапазона измерений, время измерения от 10 до 90 сек. Во времена Советского Союза такие газоанализаторы производились в Прибалтике. В настоящее время на территории России они не производятся, а измерение содержания кислорода в газовых смесях осуществляют преимущественно газоанализаторами с электрохимическим принципом действия.
Другие методы анализа газов

Электрохимические газоанализаторы



Рис. 43. Электрохимическая ячейка газоанализатора
Электрохимические методы определения концентрации газов в смесях основаны на их химических реакциях с электролитами. В результате этих реакций вырабатывается электрическое напряжение на погруженных в электролит электродах, либо изменяется межэлектродное сопротивление. Датчик, в котором осуществляются данные процессы, называют электрохимической ячейкой. Электролит ячейки может находиться в жидком или твердом состоянии. Поступление анализируемой газовой смеси в электролит осуществляется принудительно или происходит за счет диффузии. Электрохимические газоанализаторы позволяют измерять содержание в воздухе O₂, NO₂, SO₂ и многих других газов с концентрациями от 10^-4 до 100%.

Электрохимическая ячейка газоанализатора кислорода представлена на рис. 43. Она содержит электропроводящий материал с большой площадью поверхности. Этот материал расположен между электролитом и атмосферным воздухом. Он является катодом К. В электролите находится электрод, называемый анодом А. В присутствии кислорода происходит окисление активной поверхности катода с выделением тепла. В результате данной химической реакции в электрохимической ячейке между катодом и анодом возникает измерительное напряжение U. Оно возрастает пропорционально содержанию кислорода в окружающей атмосфере и через усилитель Ус поступает на индикатор И. Так как датчик чувствителен к температуре окружающей среды, необходима его температурная стабилизация.

В


а) б) в)

Рис. 44. Электрохимические газоанализаторы:

а) трехкомпонентный газоанализатор Элан; б) двухкомпонентный газоана-лизатор ПГА-300; в) электрохимический датчик газоанализатора ПГА-300
качестве примера на рис. 44а приведен внешний вид газоанализатора ЭЛАН для измерения СО; О₂ и токсичных компонентов: Н₂S; SО₂; NO; NO₂; Сl₂; NН₃ в воздухе. Газоанализаторы выпускают­ся в одно-, двух- и трехкомпонентном исполнении. В приборе используются электрохимические сенсо­ры фирмы City Technology (Великобритания). Всасывание анализируемой газовой смеси производится с помощью встро­енного насоса.

На рис. 44б представлен более удобный для переноски газоанализатор ПГА-300. Он предназначен для одновременного непрерывного измерения концентраций двух газов в зависимости от комплектации датчиками: горючих газов, кислорода, водорода и широкого спектра токсичных газов из ряда NO₂, SO₂, CO, H₂S в воздушной среде на взрывоопасных объектах. Внешний вид электрохимического датчика приведен на рис. 44в. Поверенный откалиброванный сменный датчик из комплекта поставки имеет удобное крепление и легко устанавливается в разъем на корпусе газоанализатора. Настройка на сменный датчик происходит автоматически. Датчики имеют встроенную флэш-память, в которой хранятся градуировочные коэффициенты и настроечные параметры; при подключении к базовому блоку значения коэффициентов считываются встроенным в ПГА-300 процессором.

Достоинством электрохимических газоанализаторов является простота конструкции и универсальность их датчиков. Поэтому при анализе загрязнений воздушной среды данный тип прибора является наиболее распространенным.

Основной недостаток газоанализаторов рассмотренного типа - ограниченный срок службы электрохимических датчиков, однако, в настоящее время встречаются датчики для непрерывной работы с гарантийным сроком службы до 4 лет.
Полупроводниковые газоанализаторы


а) б)

Рис. 45. Газосигнализатор озона БРИЗ-201 с полупроводниковым датчиком:

а) схема, поясняющая принцип действия; б) внешний вид прибора
В самых простых и дешевых газовых датчиках используется эффект изменения электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающего вследствие адсорбции газа. Чувствительность датчика к конкретному газу зависит от материалов, легирующих полупроводник, и от его температуры [5]. Датчик полупроводникового газоанализатора, изображен на рис. 45а. Он состоит из керамической трубочки, способной выдерживать нагрев до 100 ... 500^оС. Изнутри трубочка нагревается электрическим током от источника напряжения U, проходящим по тонкой проволоке R_H. Температура нагрева датчика регулируется резистором R. Снаружи трубочки находятся два электрода Э, между которыми наносится полупроводящий оксид металла ОМ. Если газ находится над слоем оксида металла, то проводимость этого слоя меняется. С помощью мостовой измерительной схемы R₁, R₂, R₃, R_OM изменение проводимости преобразуется в изменение напряжения, которое отображается индикатором И.

Так как погрешности измерения концентраций газов приборами с полупроводниковыми датчиками достаточно велики, эти устройства называют не газоанализаторами, а газосигнализаторами. Их основное назначение – не измерение концентрации газа, а оперативное информирование об опасной ситуации. На рис. 45б дан внешний вид газосигнализатора БРИЗ-201 для измерения концентрации озона в воздухе с принципом действия, основанным на изменении проводимости толстопле­ночного металлооксидного полупроводникового сенсора в присутствии озона.

Важнейшим материалом для создания полупроводниковых датчиков является диоксид олова SnO₂ с различными легирующими добавками. Подбором легирующей добавки и рабочей температуры можно увеличивать чувствительность датчика к одним газам и снижать к другим. При легировании медью оптимальная чувствительность, например, для СО получается при 370^оС. В случае метана СН₄ оптимальная чувствительность достигается при легировании платиной и работе при температуре 500^оС.

Основным недостатком полупроводниковых газоанализаторов является их высокая чувствительность к не измеряемым газам (низкая селективность измерений). Газовый датчик с высокой селективностью получается для сероводорода H₂S. Датчик выполняется на основе нелегированного SnO₂ при рабочей температуре 200^оС. При времени срабатывания около одной минуты датчик позволяет измерять концентрации H₂S от 0,1 до 20^.10^-4%.
Газовая хроматография
Хроматография - это метод разделения, обнаружения и определения веществ, основанный на различии их поведения в системе из двух несмешивающихся фаз - подвижной и неподвижной. Хроматографию используют для разделения сложных смесей. Хроматографический процесс заключается в перемещении подвижной фазы, содержащей компоненты разделяемой смеси, относительно неподвижной. Подвижной фазой может быть газ или жидкость, неподвижной фазой - твердое вещество или жидкость, адсорбированная на твердом веществе, называемом носителем. При движении подвижной фазы вдоль неподвижной компоненты смеси сорбируются на неподвижной фазе. Поэтому неподвижную фазу называют также сорбентом. Каждый компонент подвижной фазы сорбируется по-своему. Захваченные сорбентом молекулы могут переходить в подвижную фазу, продвигаться дальше и вновь сорбироваться. Чем сильнее сорбируется компонент, тем медленнее его продвижение вместе с подвижной фазой. Если компоненты смеси сорбируются неодинаково, при перемещении смеси вдоль сорбента происходит их пространственное разделение. Одни компоненты задерживаются, другие продвигаются дальше.

При газовой хроматографии неподвижную фазу размещают в специальной колонке. Различают спиральные и капиллярные колонки. Вид спиральной колонки приведен на рис. 46. Эти колонки изготавливаются из трубки диаметром 2 - 6 мм и длиной до 20 м. Для обеспечения компактности оборудования трубки свернуты в форму спирали. Капиллярные колонки имеют диаметр 0,2 - 0,5 мм и длину до 10 см [17].

П

Рис. 46. Принцип работы хроматографической колонки
одвижной фазой в газовой хроматографии является инертный газ, N₂, H₂, которые с постоянной скоростью прокачивается через хроматографическую колонку. Пробу объемом 0,01 - 50 мкл вводят в колонку шприцем или с помощью специального дозатора. При этом распределение концентрации С газов пробы и газа подвижной фазы по длине Х трубки колонки показано на левом графике рис. 46. Из графика видно, что на входе в хроматографическую колонку газовые компоненты исследуемой пробы объединены.

В приведенном на рисунке примере исследуемая газовая смесь состоит из слабо сорбируемого оксида углерода СО и имеющего большую сорбционную способность диоксида углерода СО₂. Продвижение через сорбент колонки диоксида углерода будет замедленно. Поэтому произойдет пространственное разделение компонентов анализируемой смеси. Как видно из правого графика рис. 46, сначала на выходе колонки появится оксид углерода, а затем – СО₂.

В общем случае концентрации выходящих из колонки компонентов можно измерять различными способами. Известны фотоионизационный, электроннозахватный детекторы, детектор по теплопроводности. Для анализа сложных смесей органических веществ широко применяют пламенный детектор. Он представляет собой водородную горелку на которую направлен поток газа с выхода хроматографической колонки. Поступление в горелку очередного компонента смеси вызывает вспышку пламени, которая преобразуется оптико– электронным преобразователем в электрический сигнал и в простейшем случае фиксируется самопишущим прибором на бумажном носителе.

График зависимости выходного сигнала от времени состоит из ряда пиков. Местоположение пика на временной оси несет информацию о его принадлежности определенному компоненту анализируемой смеси. Концентрация этого компонента пропорциональна площади соответствующего пика.



а) б)

Рис. 47. Газовый хроматограф:

а) схема, поясняющая принцип действия; б) внешний вид хроматографа ФГХ-1
Для проведения газовой хроматографии используют специальные приборы - газовые хроматографы различных моделей. Схема, поясняющая принцип действия газового хроматографа, приведена на рис. 47а. В общем случае хроматограф содержит: баллон Б с газом-носителем (подвижная фаза), термостат с устройством ввода анализируемых проб УВ, термостат с хроматографической колонкой ХК, термостат с блоком хроматографических детекторов БД, электронный блок с регистрирующим устройством РУ.

При работе с хроматографами особое внимание следует уделять стабилизации температуры колонки и правильному подбору материала неподвижной фазы.

До недавнего времени хроматографы состояли из отдельных, указанных на рис. 47а блоков. Работа с ними не была автоматизирована, требовала тщательности и высокой квалификации обслуживающего персонала. Современные хроматографы, как правило, оснащаются компьютерным устройством управления, имеют малые массу и габариты. Например, представленный на рис. 47б полностью автономный носимый хроматограф ФГХ-1 является современным автоматизированным средством экспресс- определения концентраций вредных веществ в воздухе. Он представляет собой кейс, в котором размещены хроматограф, ноутбук, системы подачи газа-носителя (азот) и электропитания. В приборе используются следующие детекторы: фотоионизационный, электронозахватный, по теплопроводности. Он позволяет определять содержание в воздухе предельных и непредельных углеводородов, спиртов, простых и сложных эфиров, ароматических углеводородов, кетонов, нефтепродуктов, растворителей, хлорпроизводных углеводородов, окиси азота и др. в диапазоне от ПДК до промышленных выбросов. Результаты анализа, комментарии к ним и сами хроматограммы автоматически документируются в памяти компьютера. Для работы на хроматографе в автоматическом режиме не требуются специальные знания и опыт работы на хроматографах.
Масс - спектроскопия
Сущность масс-спектроскопии заключается в разделении с помощью электрических и магнитных полей пучка заряженных частиц (обычно ионов) с разными удельными зарядами. Удельный заряд определяется отношением заряда иона Q к его массе M. Приборы, реализующие данный метод, называют масс-спектрометрами [17].

На рис. 48 приведена схема масс – спектрометра. Его основным элементом является камера ВК из которой при помощи вакуумного насоса ВН удален воздух. Проба анализируемой газовой смеси атомизатором АТ разлагается на ионы, а затем поступает в формирователь пучка ФП (ускоритель) заряженных частиц. На некотором расстоянии от оси прямолинейного движения пучка частиц расположен электрод А. Он запитывается электрическим напряжением и называется анодом. Между анодом А и ускорителем частиц ФП существует электрическое поле. Перпендикулярно потоку частиц специальными катушками L₁ и L₂ создается магнитное поле, которое отклоняет поток частиц от прямолинейной траектории. Величина этого отклонения зависит от напряженности магнитного поля, прямо пропорциональна заряду Q частиц в пучке и обратно пропорциональна их массе M. В результате в камере масс-спектрометра происходит разделение пучка заряженных частиц на несколько потоков с различающимися удельными зарядами Q/M. На анод А поступает только один из образовавшихся потоков. При этом величина анодного электрического тока пропорциональна концентрации частиц с конкретным удельным зарядом. Протекая через резистор R₂, ток преобразуется в напряжение, которое через усилитель сигнала УС поступает на регистрирующее устройство РП. Настройка прибора на измерение концентрации частиц с требуемой величиной Q/M осуществляется изменением напряженности магнитного поля при помощи резистора R₁.



Рис. 48. Схема масс – спектрометра
Масс-спектроскопия является очень точным методом анализа состава смесей веществ. Недостатком метода является сложность его аппаратурной реализации. Кроме того, метод не позволяет разделить разные частицы с одинаковыми удельными зарядами. Типовой масс-спектрометр содержит вакуумный насос, устройства для ионизации и дозирования анализируемой пробы. Поэтому обычно прибор не является переносным и предназначен для работы в лабораторных условиях, хотя в последнее время появились сообщения о создании переносных устройств реализующих методы масс-спектроскопии.
Химические методы анализа
Химические методы анализа основаны на определении результата химической реакции. Таким результатом может быть объем выделившегося газа, масса образовавшегося осадка, изменение окраски индикатора и т.д. Действие химических газоанализаторов основано на поглощении определяемых компонентов газовой смеси каким-либо веществом, вступающим с ними в химическую реакцию. Автоматические химические газоанализаторы неудобны в эксплуатации из-за своей инерционности и наличия расходуемых химических реагентов. Вместе с тем в природе существуют тысячи наименований газов. Для измерения их концентраций потребовались бы тысячи наименований автоматических газоанализаторов. Это экономически нецелесообразно. Поэтому при анализе составов природных газовых смесей широко используют химические методы [6, 15]. Они позволяют с помощью малого числа приборов и большого числа химических реактивов определять концентрации практически любого газа. Из всех методов химического анализа состава газов наиболее распространены фотоколориметрические, титрометрия и гравиметрия [1]. Рассмотрим их более подробно.

Принцип фотоколориметрии основан на химической реакции взаимодействия определяемого компонента с реактивом-индикатором. Результатом реакции является окрашивание порошка в стеклянной индикаторной трубке, раствора или ленты.

Принцип действия индикаторных трубок основан на комбинации методов хроматографии и фотоколориметрии. Окрашивание реагентов в стеклянной трубке осуществляется на определенную глубину. На трубке нанесены деления. По ним производится отсчет концентрации компонента после продувки через трубку определенного количества анализируемой газовой смеси.

Продувка исследуемой смеси через индикаторные трубки осуществляется при помощи электрических, либо приводимых в действие вручную побудителей расхода анализируемой газовой смеси (насосов). Простейшее устройство для продувки через трубку определенного количества анализируемой газовой смеси – приводимый в действие вручную аспиратор сильфонный АМ-5-0059 изображен на рис. 49а. Объем всасываемого воздуха за один рабочий ход аспиратора составляет 100 см³. Количество прошедшего через индикаторную трубку воздуха определяется числом рабочих ходов аспиратора.

На рис. 49б представлено более совершенное устройство для прокачки газовых смесей через индикаторную трубку - электрическое переносное пробоотборное устройство ПУ-2Э. Устройство обеспечивает автоматический отбор проб с заданным объемным расходом через любые типы поглотителей по двум параллельным каналам. Масса пробоотборного устройства – 6 кг (с аккумуляторной батареей). На рис. 49в показано современное устройство - Toximeter II, которое при массе - 0,58 кг не только обеспечивает автоматическую продувку заданного объема анализируемой газовой смеси, но и производит анализ цвета на контрольной трубке. Установленное цифровое значение является мерой для концентрации газа.




а) б) в)

Рис.49. Аппаратура для продувки газовых смесей через индикаторные трубки:

а) аспиратор сильфонный АМ-5-0059; б) электрическое переносное пробоот-борное устройство ПУ-2Э; в) многофункциональное устройство Toximeter II
Определение концентрации газа путем окрашивания раствора осуществляется пропусканием анализируемой газовой смеси через поглотительную склянку, заполненную специальным реактивом. Интенсивность окрашивания реактива определяется прибором, представленным на рис. 40, - фотоколориметром, который позволяет измерить пропускание излучения определенной длины волны веществом, находящимся в его кювете. По результатам измерения фотоколориметра производится расчет концентрации поглощенного газа. К прибору прилагается комплект кювет и оптических фильтров.

Титрометрия заключается в переводе определяемого газа в раствор путем химической реакции. Продукт этой реакции разрушают (титруют), вводя дополнительный химический реагент (титрант). Добавление дополнительного реагента прекращается в момент полного разрушения продукта реакции. Определяемая концентрация газа пропорциональна количеству введенного титранта. Например, для определения содержания в воздухе оксидов азота пробу отбирают в стеклянную колбу. Затем в нее добавляют водный раствор перикиси водорода Н₂О₂ и энергично встряхивают. Находящиеся в пробе оксиды азота образуют азотную кислоту. К содержимому колбы прибавляют каплю метилового красного, который имеет красную окраску в кислых растворах. Полученный раствор титруют, добавляя к нему щелочь NaOH до появления слабо-желтой окраски. Количество израсходованной щелочи пропорционально концентрации окислов азота в анализируемой пробе воздуха.

Гравиметрия заключается во взвешивании продукта химической реакции анализируемого компонента газовой смеси. Например, взвешивают осадок, образовавшийся при пропускании диоксида углерода СО₂ через известковую воду. Концентрация СО₂ пропорциональна массе образовавшегося осадка и обратно пропорциональна количеству пропущенного через раствор воздуха.