Назначение
Газоанализаторы предназначены для измерения концентраций компонентов газовых смесей на основе различных физико-химических свойств газов.
По принципу действия газоанализаторы делятся на:
— термохимические (ПГФ2М1-У4, ЭТХ-1, СТХ-5А, СТХ-6, СВК-3М, ЩИТ-2, СТМ-10, СГГ-3, Politron ND Ex);
— термокондуктометрические (ТП-1120, ТП-5501, ВХЛ-1, Caldos-15);
— кулонометрические (Байкал-1, Байкал-2, Байкал-3, Байкал-4, Байкал-5, Корунд-М);
— фотоколометрические (Сирена-2, Сирена-4, Сирена-М, ФКГ-3М);
— электрохимические (Анкат-7621, Анкат-7631, Анкат-7641, Анкат-7645, ППХ1);
— искровые пневматические (СВИП-1, СВИП-2);
— оптико-абсорбционные (121 ФА-01, ГИАМ-27, Radas-2).
Рассмотрим принцип действия вышеперечисленных газоанализаторов на примере приборов используемых на ОАО «КАУСТИК».
Термохимические газоанализаторы
СТХ-5А. Сигнализатор предназначен для периодического контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов, паров и их смесей в воздухе производственных помещений и выдачи сигналов в диапазоне сигнальных концентраций.
Принцип действия сигнализатора основан на термохимической реакции окисления (сгорания) горючих веществ на рабочем чувствительном элементе, включённом в схему моста. Работает сигнализатор следующим образом: измерительный мост сигнализатора питается стабилизированным напряжением (1.8 ± 0.1 В). В измерительную диагональ моста включён показывающий прибор (микроамперметр). При сгорании на чувствительном элементе горючих веществ, измерительный мост разбалансируется и в его диагонали появляется напряжение постоянного тока, по величине пропорциональное концентрации контролируемых веществ. После того, как напряжение разбаланса достигает определённой величины, стрелка показывающего прибора войдёт в сигнальную зону (рис. 1).
Politron ND Ex. Газоанализатор предназначен для стационарной установки в классифицированных взрывоопасных зонах, требующих постоянного контроля концентрации взрывоопасных газов и паров.
Работа прибора основана на принципе каталитического сгорания с использованием согласованной пары чувствительных элементов: один элемент обладает высокой чувствительностью к взрывоопасному газу, а другой является нечувствительным. Элементы составляют половину мостовой схемы и нагреваются постоянным током, который подаётся с печатной платы. Другая половина мостовой схемы расположена на печатной плате. В присутствии взрывоопасного газа на чувствительном элементе происходит его сгорание, что увеличивает температуру и соответственно электрическое сопротивление элемента. Это разбалансирует мост, приводя к появлению сигнала, пропорционального концентрации газа. Нечувствительный элемент компенсирует изменения условий окружающей среды (рис. 2). На печатной плате сигнал с сенсора усиливается и преобразуется в аналоговый сигнал 4 – 20 мА для передачи на контроллер Regard.
Термокондуктометрические газоанализаторы
ТП-5501. Принцип действия газоанализатора основан на использовании зависимости теплопроводности анализируемой газовой смеси от содержания в ней измеряемого компонента, поскольку теплопроводность последнего значительно отличается от теплопроводности остальных компонентов. Изменение теплопроводности анализируемой газовой смеси, вызванное изменением содержания анализируемого компонента, приводит к изменению теплоотдачи с поверхности чувствительного элемента. Изменение температуры (сопротивления) последнего, компенсируется в газоанализаторе соответствующим изменением тока через чувствительный элемент таким образом, чтобы температура (сопротивление) чувствительного элемента поддерживалась на неизменном уровне. Изменение тока через чувствительный элемент, несущие в себе измерительную информацию, преобразуются электрической системой газоанализатора в форму, удобную для дальнейшего использования.
Основой прибора является датчик. Он состоит из чувствительных элементов R1 и R2 (рис. 3), входящих в мостовую схему устройства регулирования. Резистор R2 служит для преобразования изменений теплопроводности анализируемой газовой смеси, R1 служит для линеаризации и устанавливается по необходимости для небольших диапазонов измерения.
Мост на резисторах R4 … R7 служит для формирования сигнала, пропорционального изменениям температуры во внутреннем объёме датчика. Резистор R3 является нагревателем и служит нагрузкой устройства терморегулирования, изготавливается из медной проволоки.
Устройство электрической схемы газоанализатора и взаимодействие его составных частей объясняется схемой электрической структурной, приведённой на рис. 4.
Устройство терморегулирования служит для поддержания температуры во внутреннем пространстве датчика в +75°С, что позволяет уменьшить влияние изменений внешней температуры на показания газоанализатора.
Устройство регулирования служит для поддержания на неизменном уровне температуры (сопротивления) чувствительного элемента датчика и преобразователя изменения теплопроводности анализируемой газовой смеси в электрический сигнал, который затем поступает на вход устройства нормирования сигнала.
Устройство нормирования сигнала служит для усиления сигнала с устройства регулирования и формирования линейных электрических стандартных выходных сигналов.
Устройство сигнализации осуществляет переключение контактов реле при достижении выходным сигналом одного из четырёх уровней, установленных в пределах от 5 до 95 % от диапазона измерения.
Газоанализатор ТП-5501 предназначен для непрерывного измерения объёмного содержания водорода или двуокиси углерода, или метана, или гелия, или азота во взрывоопасных двухкомпонентных газовых смесях.
Кулонометрические газоанализаторы
Байкал –5. Гигрометр «Байкал – 5» предназначен для непрерывного измерения объёмной доли влаги и абсолютной влажности в воздухе и азоте, может использоваться для работы на воздухоразделительных установках, в технологических процессах, а также в лабораториях для научных исследований.
Принцип работы гигрометра основан на непрерывном извлечении влаги влагосорбирующей плёнкой из точно дозируемого потока газа, одновременном электролитическом разложении извлечённой влаги на водород и кислород и измерении тока электролиза (см. рис. 5). В канале стеклянного цилиндрического корпуса 1 чувствительного элемента размещены три электрода: рабочий 2, контрольный 3 и общий 4, выполненные в виде геликоидальных несоприкасающихся спиралей. Между электродами нанесена плёнка частично гидратированной пятиокиси фосфора 5, обладающая высокой влагосорбирующей способностью.
Через канал чувствительного элемента непрерывно проходит дозируемый поток газа, устанавливаемый при настройке равным 100 см3/мин. При указанном расходе влага практически полностью извлекается из потока анализируемого газа влагосорбирующей плёнкой. К электродам чувствительного элемента подключён источник постоянного тока, напряжение которого превышает потенциал разложения воды (2.3 В), поэтому одновременно с поглощением влаги, непрерывно осуществляется её электролиз. В установившемся режиме работы чувствительного элемента, количество извлечённой и разложенной в единицу времени влаги равны, а ток электролиза, измеряемый миллиамперметром, пропорционален объёмной доле влаги в анализируемом газе. При длительной работе гигрометра активная поверхность влагосорбирующей плёнки может уменьшаться за счёт загрязнения её механическими примесями и аэрозолями масел. Это приводит к неполному извлечению влаги из анализируемого газа. Контроль исправности чувствительного элемента осуществляется автоматически по соотношению токов контрольной и рабочей частей чувствительного элемента, определяемых длиной рабочего и контрольного электродов. Для проверки работоспособности схемы контроля предусмотрен переключатель «измерение – поверка».
Фотоколометрические газоанализаторы
Сирена –2, Сирена-4. Газоанализаторы Сирена-2 и Сирена-4 предназначены для постоянного автоматического определения микроконцентрации токсических газов – амиака и фосгена соответственно в воздухе производственных помещений, а также сигнализации превышения предела измерения.
В основу работы газоанализаторов положен фотоколометрический метод с применением индикаторного порошка в качестве первичного измерительного преобразователя. Принцип действия индикаторного порошка в составе газоанализатора основан на изменении спектрального коэффициента отражения от его поверхности в видимой области спектра при контакте с анализируемым компонентом. В газоанализаторе реализовано многократное использование индикаторного порошка.
Газоанализатор выполнен в виде трёх конструктивно законченных блоков, соединённых между собой кабелями: датчика, блока управления и автоматического потенциометра КСП-4-052И (рис. 7).
Через штуцер «Вход газа» непрерывно подаётся анализируемый воздух при помощи побудителя. Контроль за расходом воздуха производится индикатором расхода. Циклически через каждые 5 минут производится обдув индикаторного порошка в чашке под фотоблоком при помощи побудителя расхода (сильфона), расположенного в датчике, приводящимся в действие электроприводом от сети ~220 В. Анализируемый компонент вступает в реакцию с индикаторным порошком. Изменение спектрального коэффициента отражения индикаторного порошка в диапазоне длин волн 555 — 585 нм преобразуется в пропорциональный выходной сигнал постоянного тока 0 – 5 мА, который поступает на вход блока управления «искробезоп. цепи», где преобразуется в напряжение 0 – 10 мВ, которое подаётся на разъём «Вход искробезоп. цепь» автоматического потенциометра КСП-4-052И. Потенцмиометр производит индикацию и регистрацию измеряемого значения концентрации и выдаёт сигнал о превышении заданных значений ПДК.
Электрохимические газоанализаторы
Анкат-7621. Газоанализаторы Анкат-7621 предназначены для непрерывного контроля содержания в производственном помещении или наружных установках одного из следующих компонентов: SO2, CO, H2S, Cl2 и выдачи аварийной сигнализации при превышении ПДК измеряемого компонента.
Принцип действия газоанализатора – электрохимический. Питание газоанализатора (рис. 8) осуществляется от источника 15 –30 В, в качестве которого используется блок питания и сигнализации БПиС. Двухпроводная линия служит одновременно для дистанционной передачи токового сигнала газоанализатора.
Токовый сигнал поступает в устройство сигнализации и может быть использован для подключения вторичных показывающих приборов. В газоанализаторе использована трёхэлектродная, дифференциально включенная электрохимическая ячейка. При нулевом показании газоанализатора резистором R0 устанавливается ток в линии связи Jсо = 4 мА. Резистором Rк, нагружающим выход нормирующего преобразователя, устанавливается ток Jск = 20 мА при показаниях газоанализатора, соответствующих концу шкалы. При отсутствующих нагрузочных резисторах R0 и Rк потребление в цепи питания газоанализатора не зависит от уровня измеряемой концентрации. Это является условием токового преобразования в цепи питания. Таким образом газоанализатор имеет унифицированный токовый выход 4 – 20 мА.
Электрохимическая ячейка является чувствительным элементом газоанализатора. Она состоит из рабочего, сравнительного и компенсационного электродов, которые изготовлены путём нанесения металлического катализатора на пористую фторопластовую плёнку. Со стороны электролита электроды защищены устойчивой к составу электролита тканью и проницаемой решёткой для придания механической прочности конструкции. Рабочий и компенсационный электроды выполнены на одной подложке, но к компенсационному электроду доступ анализируемого воздуха перекрыт непроницаемой плёнкой. К рабочему и компенсационному электродам по отношению к сравнительному приложен одинаковый потенциал. При попадании анализируемого газа через пористую подложку на металлический катализатор рабочего электрода, происходит окисление газа с выделением свободных электронов. С помощью электрической схемы газоанализатора электрический сигнал нормируется, преобразуется в цифровую и токовую форму. Компенсационный электрод с анализируемым воздухом не соприкасается и изменение тока через него при изменении температуры окружающей среды, используется для стабилизации нулевых показаний газоанализатора.
Искровые пневматические газоанализаторы
СВИП-2. Сигнализатор СВИП-2 представляет собой промышленный стационарный автоматический прибор постоянного циклического действия, обеспечивающий поочерёдный контроль взрывоопасности в четырёх различных точках. Он предназначен для контроля в воздухе производственных помещений взрывоопасных концентраций горючих газов, паров и их смесей: ацетон, бензин, водород, пропан, метан, метанол и др.
Принцип действия сигнализатора основан на методе прямого испытания среды на взрываемость путём искусственного воспламенения определённого объёма анализируемой газовой смеси, обогащённой некоторым объёмом горючего газа. В соответствии с этим принципом в сигнализаторе автоматически выполняются в определённой последовательности следующие операции: смещение в заданном соотношении анализируемого и горючего газов, формирование электрической искры и смеси горючего газа с воздухом для получения факела, индикация взрыва по давлению в испытательной камере (камере взрыва), транспортирование через камеру взрыва газовой смеси и продуктов взрыва, а также синхронизация операций во времени и контроль их выполнения, включая проверку работоспособности элементов конструкции.
Газоанализатор состоит из следующих узлов: управления, смещения, коммутации, контроля работоспособности, датчика взрыва, вспомогательного.
Узел управления предназначен для синхронизации остальных узлов и состоит из: трёх последовательно соединённых импульсаторов; клапана, предназначенного для приведения импульсаторов в исходное состояние после срабатывания последнего; мультивибратора.
Узел смещения предназначен для смещения заданных объёмов анализируемого и горючего газов в камере взрыва и приготовления смеси горючего газа с воздухом для получения факела.
Узел коммутации предназначен для подключения ко входу коллектора одного из четырёх входных каналов (Вх.1, Вх.2, Вх.3, Вх.4). Подключение осуществляется с помощью четырёх коммутаторов. Переключение происходит с помощью четырёх реле. Для определения, из какой точки отбора пробы происходит забор анализируемого газа, в каждой из входных линий установлены ротаметрические индикаторы расхода.
Узел контроля работоспособности предназначен для автоматической и ручной проверки работоспособности генератора искры, детектора взрыва и включения сигнализации в случае неисправности. Принцип действия этого узла основан на искусственном создании в камере взрыва заведомо взрывоопасной концентрации горючего газа.
Датчик взрыва состоит из генератора искры, камеры взрыва с двумя электродами и огнепреградителями и индикатора взрыва.
Вспомогательный узел содержит четыре повторителя для формирования избыточного давления 0.8 кгс/см2, большого 0.7 кгс/см2 и малого 0.4 кгс/см2 подпоров и давления задания Р0, с помощью которого регулируется объём дозы горючего газа, величину которой выбирают так, чтобы обеспечить заданную (20 % НКПР) сигнальную точку. Иными словами, если горючие продукты содержатся в воздухе в количестве, соответствующем сигнальной точке, то в сумме с добавленным горючим газом получается смесь предельного состава, которая взрывается в камере при поджигании.
Оптико-абсорбционные газоанализаторы
Оптико-абсорбционный метод анализа газа основан на измерении поглощения инфрокрасной (ИК) энергии излучения анализируемым компонентом. Степень поглощения ИК-энергии излучения зависит от концентрации анализируемого компонента в газовой смеси. Каждому газу присуща своя область длин волн поглощения. Это обуславливает возможность проведения избирательного анализа газов.
ГИАМ-27. Газоанализатор ГИАМ-27 предназначен для контроля технического состояния двигателей внутреннего сгорания. Он определяет содержание окиси углерода СО, углеводородов СН в выхлопных газах и число оборотов коленчатого вала карбюраторных двигателей.
Газоанализатор содержит оптический блок, блок обработки сигналов, блок индикации, датчик частоты вращения коленчатого вала карбюраторного двигателя автомобиля (рис.9).
Оптический блок состоит из двух излучателей Е1 и Е2, создающих потоки ИК-энергии, которые попадают в камеры, каждая из которых имеет две полости, обозначенные РК – рабочую с анализируемой газовой смесью и СК – сравнительную без анализируемой газовой смеси; обтюратора О, вращающегося от электродвигателя М; двух интерференционных фильтров ИФ1 и ИФ2; двух фоконов Ф1 и Ф2 с двумя приёмниками ИК-излучения П1 и П2; оптоэлектронных пар ОП, выдающих информацию выдающих информацию о положении обтюратора; датчика температуры Dt°.
Блок обработки сигналов состоит из двух каналов обработки сигналов и тахометра, содержащего формирователь импульсов и фильтр. Каждый канал обработки сигнала включает в себя предварительный усилитель ПУ, регулируемый усилитель РУ, усилитель постоянного тока УПТ, аналоговое запоминающее устройство сигналов с рабочей и сравнительной камер АЗУср и АЗУр, выходной усилитель ВУ, схему сравнения СС, источник опорного напряжения ИОН.
Блок индикации содержит два индикатора, один из которых индицирует содержание СО, другой — содержание СН или частоту вращения коленчатого вала двигателя.
В зависимости от положения обтюратора поток ИК-излучения излучателя попадает на приёмник либо через рабочую камеру, либо через сравнительную камеру, пройдя через интерференционный фильтр, фокон.
На приёмнике регистрируется переменный сигнал, который несёт информацию о количестве ИК-энергии, поглощённой анализируемым газом с частотой обтюрации, и, следовательно, о концентрации анализируемого газа. Сигнал с приёмника излучения, усиленны с помощью предварительного усилителя, поступает на регулируемый усилитель, с выхода которого сигнал проходит на два аналоговых запоминающих устройства АЗУр и АЗУср, управляемых формирователями синхроимпульсов, выдающих информацию о положении обтюратора в момент максимального открытия рабочей и сравнительной камер.
В АЗУр запоминается сигнал, пропорциональный ИК-потоку, проходящему через рабочую камеру, В АЗУср – сигнал пропорциональный ИК-потоку, проходящему через сравнительную камеру.
С выходов запоминающих устройств сигналы поступают на дифференциальный выходной усилитель постоянного тока, затем на индикаторное устройство.
Выходное напряжение с АЗУр поступает на схему сравнения СС, которая через УПТ управляет коэффициентом передачи РУ таким образом, чтобы сигнал с АЗУр был равен сигналу с ИОН.
Для повышения линейности статической характеристики газоанализатора в канале введено звено обратной связи ЗОС с выхода ВУ на входы АЗУр и АЗУср.
Для температурной компенсации чувствительности газоанализатора в ИОН ввёден сигнал с датчика температуры Dt°.