Принцип действия газоанализаторов
6 апреля 2016
Анализ газовых смесей широко используется в различных технологических процессах в химической, металлургической и теплогенерирующей отраслях промышленности.
С помощью газоанализаторов определяются самые различные компоненты в коксовальном и доменном газах, в отходящих газах котельных установок, а также в выхлопных газах автомобилей. Данные о количественном содержании определенных компонентов, полученные в результате анализа, используются для управления ходом процесса с целью его оптимизации или отладки работы установки.
В воздухе производственных помещений могут быть взрывоопасные концентрации веществ. Их своевременное определение с помощью газоанализаторов очень важно. Это позволяет предотвратить техногенные аварии с непредсказуемыми последствиями.
Газоанализаторам свойственна хорошая избирательная способность в отношении анализируемого компонента, причем для достижения такого эффекта используются различные физические явления, названия которых употребляются в наименовании газоанализаторов. Ниже рассмотрены способы использования этих явлений, параметры которых преобразуются в электрический сигнал в конструкциях:
- Оптических газоанализаторов;
- Искровых пневматических газоанализаторов;
- Термокондуктометрических газоанализаторов;
- Термохимических датчиков концентрации;
- Кондуктометров.
Оптические газоанализаторы
В основу работы оптического газоанализатора положено свойство селективного поглощения различными газами потока излучения. Обычно измерение селективного поглощения осуществляется в инфракрасной части спектра – в этой области особенно резко проявляется селективность поглощении отдельными газами определенной части инфракрасного излучения пропорционально его объемному содержанию.
В общем случае схема газоанализатора, работающая на этом принципе изображена слева на схеме. Схема содержит источник инфракрасного излучения, поток которого поступает в камеры двух оптических каналов. Оба канала идентичны в конструктивном исполнении, но отличаются по «внутреннему содержанию». Сравнительная камера (левый канал) заполнена чистым воздухом, а через объем рабочей камеры постоянно продувается контролируемая газовая смесь.
Проходя через объем рабочей камеры, поток излучения теряет часть энергии, соответствующую линиям поглощения контролируемого компонента (красный поток) и часть энергии, соответствующую линиям поглощения неизмеряемых компонентов (зеленый поток).
Через сравнительную камеру с чистым воздухом поток излучения проходит без потерь энергии.
Затем оба потока излучения поступают в фильтровальные камеры, которые заполнены неизмеряемыми компонентами газовой смеси и где полностью поглощается энергия, соответствующая их спектру.
Таким образом, в измерительную камеру одновременно поступает два потока излучения, результат вычитания энергий которых пропорционален концентрации определяемого компонента.
Сигнал, пропорциональный разности давлений в различных моделях может преобразовываться в импульсы давления или микропоток газа, которые преобразуются в электрический сигнал с помощью конденсаторного микрофона или мостовой схемы со встроенными резисторами и поступает в схему индикации.
Искровые пневматические газоанализаторы
Искровой пневматический газоанализатор предназначен для оперативного контроля концентрации горючих газов в воздушной среде. В отличие от других типов газоанализаторов, предназначенных для контроля содержания определенных компонентов, искровой газоанализатор «всеяден» - он определяет взрывоопасную концентрацию любых газовоздушных смесей.
Принцип действия искрового газоанализатора базируется на искусственно вызываемом взрыве определенной порции анализируемого воздуха, смешанного с определенным количеством горючего газа в специальной камере, и по результатам определяют степень взрывоопасности контролируемого воздуха.
Весь процесс газоанализа строго регламентирован и все операции (дозирование, смешение, генерация искры, удаление продуктов взрыва) происходят последовательно и синхронизируются блоком управления.
Рис.2. Блок-схема, поясняющая работу искрового пневматического газоанализатора.
Процесс анализа протекает следующим образом (Рис.2). Часть воздуха, поступающего из помещения на анализ по цепочке «входной огнепреградитель ОП 1– взрывная камера – выходной огнепреградитель ОП 2 – открытый клапан Кл2 - эжектор» транспортируется на сброс.
Горючий газ с выхода дозатора поступает в пульсирующую емкость и по команде на открытие клапана Кл1 из нее перетекает через входной огнепреградитель во взрывную камеру. Смешение горючего газа с анализируемым воздухом происходит при закрытом клапане Кл2.
В момент появления искры смесь в камере воспламеняется с последующим взрывом. В результате взрыва давление в камере повышается, измеряется датчиком давления. Величина этого давления однозначно связана со степенью взрывоопасности контролируемой атмосферы.
Термокондуктометрические датчики
Работа термокондуктометрических газоанализаторов основана на зависимости теплопроводности газовой смеси от наличия различных компонентов, входящих в ее состав.
Измерительная ячейка датчика представляет обычно цилиндрический канал, заполняемый анализируемым газом и выполненный из материала хорошо проводящего тепло. Внутри канала располагается нагревательный элемент, запитанный от источника напряжения.
При заполнении ячейки воздухом и при стабильном значении тока, температура нагревательного элемента будет иметь определенную температуру, при которой количество тепла, полученное элементом, будет равно количеству тепла, отдаваемого им материалу канала вследствие теплопроводности воздуха.
Если вместо воздуха канал будет заполнен газом со значительно отличающейся теплопроводностью, то температура нагревательного элемента измениться, причем, если теплопроводность газа будет больше теплопроводности воздуха, то температура элемента снизится, а если меньше – повысится. Следовательно, измеряя темепературу нагревательного элемента с помощью датчиков температуры, можно судить о процентном содержании в смеси компонентов с определенной теплопроводностью.
Конструктивно чувствительный датчик газоанализатора (рис.3) представляет мостовую схему. Во все четыре плеча моста включены равные по величине платиновые резисторы
Рис.3 Измерительная ячейка термокондуктометрического газоанализатора.
R1 - R4. Резисторы R1и R3 являются рабочими и размещены в каналах, через которые транспортируется анализируемая смесь, а резисторы R2 и R4 – сравнительные и расположены в закрытых каналах, заполненных воздухом.
При протекании через рабочие камеры анализируемой смеси мост разбалансируется, причем величина разбаланса пропорциональна теплопроводности анализируемого компонента и, следовательно, его концентрации, которая фиксируется вторичным прибором 2.
Термохимические датчики концентрации
Принцип работы газоанализаторов, использующих термохимические датчики концентрации, основан на измерении повышения температуры нагретой платиновой нити, на поверхности которой происходит каталитическое сгорание горючих компонентов газовой смеси.
Схема термохимического датчика концентрации
Основой измерительной схемы датчика (рис.4) является мост Уитстона, но только в отличие от классической схемы в два плеча встроены терморезисторы R2 и R3: рабочий терморезистор R3 размещен в камере, через которую продувается анализируемая смесь, второй терморезистор R2 является сравнительным и установлен в герметичной камере, заполненной воздухом. В остальные два плеча встроены резисторы R1 и R4 из манганиновой проволоки.
Терморезисторы нагреваются током источника стабилизированного напряжения 1 до температуры, при которой на ее поверхности происходит каталитическое сгорание анализируемого компонента. В результате реакции горения температура терморезистора R3 резко повышается и, как следствие, увеличивается его сопротивление, что нарушает равновесное состояние моста. Величина разбаланса моста пропорциональна концентрации анализируемого компонента и фиксируется измерительным прибором 2, включенным в диагональ моста
Обычно датчики этого типа используются в качестве сигнализаторов при анализе горючих газов на производстве.
Кондуктометры
Процесс измерения электропроводности производится теми же методами, что и измерение сопротивления. Зависимость электропроводности от концентрации раствора имеет практически линейный характер и определяется его физико-химическими свойствами.
Чувствительным элементом устройства служит кондуктометрическая ячейка, состоящая из двух электродов определенной площади и расположенных на определенном расстоянии между собой.
Для определения электропроводности в большинстве случаев используют мостовую схему, которая применяется для контроля сопротивления. Для исключения явления поляризации электродов, мост запитывается переменным напряжением: изменение направления движения тока устраняет поляризационное сопротивление.
Еще один вариант устранения поляризации электродов, это использование четырехэлектродных кондуктометрических ячеек (рис.5).
Рис.5. Четырехэлектродный датчик
Поляризационные электроды «защищают» измерительные электроды, с которых снимается напряжение на блок индикации.
газоанализатор
Источник: devicesearch.ru
