Физические основы работы газоанализаторов

Газоанализаторы - это приборы, как было выше сказано, измеряющие содержание (концентрацию) одного или нескольких компонентов в отработавших газах автомобильных двигателей. Каждый газоанализатор предназначен для измерения концентрации только определенных компонентов на фоне эталонной газовой смеси в нормальных условиях. Наряду с использованием отдельных газоанализаторов создаются системы газового контроля, объединяющие десятки таких приборов. В большинстве случаев работа газоанализатора невозможна без ряда вспомогательных устройств, обеспечивающих создание необходимых температуры и давления, очистку газовой смеси от пыли и смол, а в ряде случаев, и от некоторых мешающих измерениям компонентов и агрессивных веществ. Газоанализаторы классифицируют по принципу действия на пневматические, магнитные, электрохимические, полупроводниковые и др. Ниже излагаются физические основы и области применения наиболее распространенных газоанализаторов.

Термокондуктометрические газоанализаторы.Их действие основано на зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава. Термокондуктометрические газоанализаторы не обладают высокой избирательностью и используются, если контролируемый компонент по теплопроводности существенно отличается от остальных, например, для определения концентраций Н₂, Не, Аг, СО₂ в газовых смесях, содержащих N₂, О₂ и др. Диапазон измерения - от единиц до десятков процентов по объему.

Изменение состава газовой смеси приводит к изменению ее теплопроводности и, как следствие, температуры и электрического сопротивления нагреваемого током металлического или полупроводникового терморезистора, размещенного в камере, через которую пропускается смесь.

Термохимические газоанализаторы.В этих приборах измеряют тепловой эффект химической реакции, в которой участвует определяемый компонент. В большинстве случаев используется окисление компонента кислородом воздуха; катализаторы - марганцевомедный (гопкалит) или мелкодисперсная платина (Pt), нанесенная на поверхность пористого носителя. Изменение температуры при окислении измеряют с помощью металлического или полупроводникового терморезистора. В ряде случаев поверхность платинового терморезистора используют как катализатор.

Большинство термохимических газоанализаторов используют в качестве газосигнализаторов горючих газов и паров (Н₂, углеводороды и др.) в воздухе при содержании 20 % от их нижнего предела воспламенения, а также при электролизе воды для определения примесей водорода в кислороде (диапазон измерения 0,02-2 %) и кислорода в водороде (0,01-1 %).

Магнитные газоанализаторы.Применяют для определения кислорода (О₂). Их действие основано на зависимости магнитной восприимчивости газовой смеси от концентрации О₂, объемная магнитная восприимчивость которого на два порядка больше, чем у большинства остальных газов. Такие газоанализаторы позволяют избирательно определять О₂ в сложных газовых смесях. Диапазон измеряемых концентраций 10^-2 - 100%. Наиболее распространены магнитомеханические и термомагнитные газоанализаторы.

В магнитомеханических газоанализаторах измеряют силы, действующие в неоднородном магнитном поле на помещенное в анализируемую смесь тело (обычно ротор). Обычно мерой концентрации компонента служит вращающий момент, находимый по углу поворота ротора. Показания магнитомеханического газоанализатора определяются магнитными свойствами анализируемой газовой смеси и зависят от температуры и давления, поскольку последние влияют на объемную магнитную восприимчивость газа.

Более точны газоанализаторы, выполненные по компенсационной схеме. 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.

Действиетермомагнитных газоанализаторов основано на термомагнитной конвекции газовой смеси, содержащей О₂, в неоднородных магнитном и температурном полях. Часто применяют приборы с кольцевой камерой, которая 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.

Пневматические газоанализаторы.Ихдействие основано на зависимости плотности и вязкости газовой смеси от ее состава. Изменения плотности и вязкости определяют измеряя гидромеханические параметры потока. Распространены пневматические газоанализаторы трех типов.

Газоанализаторы с дроссельными преобразователями измеряют гидравлическое сопротивление дросселя (капилляра) при пропускании через него анализируемого газа. При постоянном расходе газа перепад давления на дросселе - функция плотности (турбулентный дроссель), вязкости (ламинарный дроссель) или того и другого параметра одновременно.

Струйные газоанализаторы измеряют динамический напор струи газа, вытекающего из сопла. Содержат два струйных элемента типа «сопло-приемный канал». Для подачи анализируемого и сравнительного газов служит эжектор. Давление на выходе из элементов поддерживается регулятором. Равенство давлений газов на входе в элементы обеспечивается соединительным каналом и настройкой вентиля. Разница динамических давлений (напоров), воспринимаемых трубками - функция кмнематической вязкости и мера концентрации определяемого компонента газовой смеси. Струйные газоанализаторы используют, например, в азотной промышленности для измерения содержания Н₂ в азоте (диапазон измерения 0-50 %), в хлорной промышленности - для определения С1₂ (0-50 и 50-100 %). Время установления показаний этих газоанализаторов не превышает несколько секунд, поэтому их применяют также в газосигнализаторах довзрывных концентраций газов и паров некоторых веществ (напр., дихлорэтана, винилхлорида) в воздухе промышленных помещений.

Пневмоакустические газоанализаторы содержат два свистка с близкими частотами (3-5 кГц), через один из которых проходит анализируемый газ, через второй - сравнительный. Частота биений звуковых колебаний в смесителе частот зависит от плотности анализируемого газа. Биения (частота до 120 Гц) усиливаются и преобразуются в пневматические колебания усилителем. Для получения выходного сигнала (давления) служит частотно-аналоговый преобразователь.

Инфракрасные газоанализаторы. Ихдействие 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 недисперсионных газоанализаторах, благодаря особенностям оптической схемы прибора (применению светофильтров, специальных приемников излучения и т.д.), используют немонохроматическое излучение.

Излучение от источника последовательно проходит через светофильтр и рабочую кювету, в которую подается анализируемая смесь, и попадает в специальный приемник. 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.

Инфракрасные газоанализаторы широко используют для контроля качества продукции, анализа отработавших газов, воздуха помещений. С их помощью определяют, например, СО, СО₂, NH₃, СН₄ в воздухе помещений, оксиды азота, SO₂, СО и углеводороды в выхлопных газах автомобилей и т.д.

Ультрафиолетовые газоанализаторы.Принцип их действия основан на избирательном поглощении молекулами газов и паров излучения в диапазоне 200-450 нм. Избирательность определения одноатомных газов весьма велика. Двух- и многоатомные газы имеют в УФ-области сплошной спектр поглощения, что снижает избирательность их определения. Однако отсутствие УФ-спектра поглощения у N₂, O₂, СО₂ и паров воды позволяет во многих практически важных случаях проводить достаточно селективные измерения в присутствии этих компонентов. Диапазон определяемых концентраций обычно 10^-2-100% .

В качестве источников излучения обычно применяют ртутные лампы низкого (длина волны 253,7 нм) и высокого (спектр с большим набором линий) давлений, газоразрядные лампы с парами драгоценных металлов (длина волны 280, 310 и 360 нм), лампы накаливания с вольфрамовой нитью, водородные и дейтериевые газоразрядные лампы. Приемники излучения - фотоэлементы и фотоумножители. Ультрафиолетовые газоанализаторы применяют главным образом для автоматического контроля содержания С1₂, О₃, SO₂, NO₂, H₂S, C1O₂.

Люминесцентные газоанализаторы.Вхемилюминесцентных газоанализаторах измеряют интенсивность люминесценции, возбужденной благодаря химической реакции контролируемого компонента с реагентом в твердой, жидкой или газообразной фазе. Пример - взаимодействие NO с О₃, используемое для определения оксидов азота:

NО + О₃ -> N0₂⁺ + О₂ -> NО₂ + hv + О₂.

Во флуоресцентных газоанализаторах измеряют интенсивность флуоресценции (длина волны), возникающей при воздействии на контролируемый компонент УФ-излучения (с частотой f₁). Газоанализаторы для определения SO₂ характеризуются высокой чувствительностью и избирательностью. Они используются в автоматических станциях контроля окружающей среды.

Фотоколориметрические газоанализаторы.Этиприборы измеряют интенсивность окраски продуктов избирательной реакции между определяемым компонентом и специально подобранным реагентом. Реакцию осуществляют, как правило, в растворе (жидкостные газоанализаторы) или на твердом носителе в виде ленты, таблетки, порошка (соответственно ленточные, таблеточные, порошковые газоанализаторы).

Разность (или отношение) сигналов рабочего и сравнительного каналов - мера концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси.

В ленточных газоанализаторах 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 окрашенного и неокрашенного участков ленты - мера концентрации контролируемого компонента в смеси. Иногда используют индикаторную ленту с жидким реактивом.

Электрохимические газоанализаторы. Их действие основано на зависимости между параметром электрохимической системы и составом анализируемой смеси, поступающей в эту систему.

Действие потенциометрических газоанализаторов основано на зависимости потенциала Е индикаторного электрода от активности электрохимически активных ионов, образовавшихся при растворении определяемого компонента:
электрохимической реакции. Измеряемое значение Е пропорционально концентрации контролируемого компонента, растворенного в электролите. Эти газоанализаторы применяют для определения СО₂, NH₃, SO₂ и др.

Большое распространение получили потенциометрические газоанализаторы с твердым электролитом для измерения содержания О₂.

Ионизационные газоанализаторы. Их действие основано на зависимости электрической проводимости ионизованных газов от их состава. Появление в газе примесей оказывает дополнительное воздействие на процесс образования ионов или на их подвижность и, следовательно, рекомбинацию. Возникающее при этом изменение проводимости пропорционально содержанию примесей.

Полупроводниковые газоанализаторы. Их действие основано на изменении сопротивления полупроводника (пленки или монокристалла) при воздействии анализируемого компонента смеси. В основе работы полупроводниковых окисных газоанализаторов лежит изменение проводимости чувствительного слоя (смеси оксидов металлов) при хемосорбции на его поверхности молекул химически активных газов.

Такие газоанализаторы применяют для определения горючих газов (в частности, Н₂, СН₄, пропана), а также О₂, СО₂ и др. Селективность анализа достигается варьированием состава чувствительного слоя и его температуры (при помощи встроенного нагревателя).