2.5. Газоанализаторы

Газоанализаторы – это средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации о количестве вещества или его концентрации. Обычно газоанализаторы состоят из первичного измерительного преобразователя (датчика) и измерительного прибора.

В пищевой промышленности газоанализаторы применяются для анализа топочных газов при сжигании различных видов топлива, для контроля состава газовых сред в сушильных камерах, концентрации сернистого, углекислого и других газов, подаваемых в ходе технологических процессов, для контроля концентрации предельных значений в помещениях, где возможно скопление газов, вредных для здоровья.

В современных газоанализаторах используются самые разнообразные методы анализа в области оптики, электроники, ультразвука, ядерного магнитного резонанса и др.

По функциональному значению автоматические и полуавтоматические газоанализаторы подразделяются на лабораторные и промышленные, по режиму работы на непрерывные и циклические. В зависимости от принципа действия выделяют газоанализаторы механические, тепловые, магнитные, электрохимические, оптические и др.

Шкалы газоанализаторы градуируются в процентах концентрации анализируемого компонента в газовой смеси, в объемных или массовых долях определяемого компонента. Классы точности приборов от 1 до 10. Приборы, предназначенные для анализа микроконцентраций, могут выпускаться с пределами приведенной относительной погрешности до 15 и 20 %.

Механические газоанализаторы

Механические газоанализаторы основаны на измерении молекулярно-механических параметров анализируемой газовой смеси. Например, может фиксироваться изменение объема или давления пробы газовой смеси в результате химического взаимодействия на определенный компонент и т.п.

Тепловые газоанализаторы

Широко распространены в пищевой промышленности в качестве автоматических приборов. Различают термокондуктометрические и термохимические газоанализаторы.

Термокондуктометрические газоанализаторы. Принцип действия основан на различии теплопроводности некоторых газовых компонентов. В газоанализаторах этого типа измеряется различие теплопроводности анализируемого газа и эталонного газа с известной теплопроводностью. Измерительный преобразователь выполнен по мостовой схеме. Измерительный мост образован двумя одинаковыми чувствительными элементами (резисторами) R_а и R_э, которые выполняют роль и термопреобразователей сопротивления и нагревателей. И двумя одинаковыми постоянными резисторами R₁и R₂. Один резистор R_а помещен в «рабочую» камеру, через которую непрерывно протекает анализируемая газовая смесь, а второй R_э – в закрытую камеру, заполненную эталонным газом известного состава. Температура нагрева чувствительных элементов R_а , R_э обычно составляет 100-120°С.

Метод теплопроводности используется для анализа газовых смесей на наличие водорода, гелия, хлора, диоксида углерода, сернистого газа, хлористого водорода.

Термохимические газоанализаторы. Предназначены для анализа газовых смесей на содержание в них метана, эфира, водорода, паров спирта, бензина и других горючих или взрывоопасных компонентов.

Принципиальная электрическая схема первичных преобразователей аналогична схеме газоанализаторов по теплопроводности, но измеряется тепловой эффект реакции каталитического окисления компонента смеси. Каталитически активная платиновая нить, нагреваемая до температуры 400-500°С , включается в схему измерительного моста.

Для повышения точности измерений измерительный блок тепловых газоанализаторов термостатируется.

Магнитные газоанализаторы

Приборы применяются для определения концентрации кислорода в газовых смесях. Принцип действия основан на различии магнитных свойств компонентов газовой смеси. По магнитным свойствам газы делятся на парамагнитные и диамагнитные. Парамагнитные газы втягиваются в магнитное поле, диамагнитные выталкиваются из него. С ростом температуры магнитная восприимчивость парамагнитных газов уменьшается.

В измерительном преобразователе термомагнитного газоанализатора анализируемый газ протекает через кольцевую камеру, представляющую собой полое кольцо с тонкой трубкой-перемычкой. На перемычке намотана спираль из платиновой проволоки. Спираль состоит из двух секций, резисторов R₁и R₂, нагреваемых до температуры 200-250°С. Платиновые резисторы являются одновременно и нагревательными, и чувствительными элементами, включенными в мостовую измерительную схему. При отсутствии кислорода объем газовой смеси, заполняющий перемычку, не двигается, так как отсутствует термомагнитная конвекция. При наличии кислорода появляется магнитная конвекция. Поток газа переносит тепло от секции R₁ к секции R_2. , что приводит к разбалансу в мостовой измерительной схеме.

Электрохимические газоанализаторы

Основаны на использовании электрохимических реакций, происходящих в электролитах под действием анализируемых компонентов газовых смесей, отличаются высокой избирательностью и пороговой чувствительностью к анализируемым компонентам. Распространены кулонометрические (измеряется сила тока электролиза) и полярографические газоанализаторы (измеряется сила предельного диффузионного тока в измерительной гальванической ячейке).

Оптические газоанализаторы

Используется зависимость изменения оптических свойств анализируемой газовой смеси от концентрации определяемого компонента. Распространены инфракрасные, ультрафиолетовые, фотоколориметрические газоанализаторы. Не нашли широкого распространения в пищевой промышленности спектрофотометрические, интерферометрические приборы.

Инфракрасные газоанализаторы. Широко применяются при контроле сжигания топлива. Современные приборы объединяют инфракрасный газоанализатор и магнитный (О₂). Позволяют контролировать содержание угарного газа СО, углекислого СО₂, метана СН₄, аммиака NН₃, хлора СL₂, окиси азота NО₂, сернистого ангидрида SО₂, сероводорода Н₂S и др.

Действие приборов основано на измерении степени поглощения инфракрасного излучения анализируемым газом. Концентрация определяемого компонента С связана с поглощением энергии светового потока зависимостью:

I=I₀ e^-έλCd ,

Где I и I₀– поверхностная плотность (интенсивность излучения) потока излучения, входящего и выходящего из слоя газа Вт/м²; έ_λ - коэффициент, зависящий от длины волны измеряемого компонента (экстинкция) , 1/(моль.м); С – концентрация определяемого компонента, моль; d - толщина слоя поглощающего газа, м.

Инфракрасный газоанализатор состоит из источника инфракрасного излучения 1, обтюратора 2 и камер – рабочей 3 и измерительной 4. Через рабочую камеру с окнами, пропускающими инфракрасные лучи, проходит анализируемая газовая смесь. Измерительная камера заполняется газом, подлежащим определению. На входе она имеет окно, также пропускающее инфракрасные лучи. В измерительной камере установлено устройство 5, реагирующее на колебания давления, возникающие при поглощении газом прерывистого потока излучения. Если в анализируемом газе, протекающем через рабочую камеру, отсутствует определяемый компонент, то в измерительную камеру поступает неослабленный поток излучения. Если в смеси присутствует определяемый компонент, в измерительную камеру поступает ослабленный поток излучения. Следовательно, амплитуда колебания давления газа уменьшается по определенной зависимости от концентрации определяемого компонента. Эти колебания давления воспринимаются устройством 5, преобразуются в электрический сигнал, подаются на усилитель и затем на вторичный измерительный прибор.

В современных промышленных газоанализаторах применяются дифференциальные двухканальные схемы: два потока излучения рабочий и сравнительный падают на один дифференциальный лучеприемник.

Ультрафиолетовые газоанализаторы. Применяются для измерения содержания хлора, паров ртути, бензола и других газов. Основаны они на измерении поглощения анализируемым газом ультрафиолетовых лучей. На рис. представлена принципиальная двухканальная фотоэлектрическая схема такого газоанализатора. Поток ультрафиолетового излучения от излучателя 1 проходит через две кюветы: рабочую 2, через которую протекает анализируемая газовая смесь, и сравнительную 7, заполненную газовой смесью, не поглощающей ультрафиолетовое излучение. При отсутствии анализируемого компонента в газовой смеси потоки излучения в обоих каналах равны, а следовательно, равны и фототоки, развиваемые фотоэлементами 3 и 6. При появлении в анализируемой смеси определяемого компонента часть потока излучения поглощается в рабочей кювете и на входе усилителя 4 появляется сигнал разбаланса, соответствующий концентрации определяемого компонента, который подается на измерительный прибор 5, отградуированный в единицах концентрации.

Фотоколориметрические газоанализаторы. Применяют для определения микроконцентраций различных газов, вступающих в цветовую реакцию со специально подобранными реактивами. Принцип действия основан на сравнении величины светового потока, отраженного от окрашенного пятна на ленте прибора, с величиной эталонного светового потока. Интенсивность окраски пятна находится в прямой зависимости от концентрации определяемого компонента. Фотоколориметрический метод обладает высокой чувствительностью и применяется для определения в воздухе производственных помещений небольших количеств H₂S, NO, NO₂, SO₂, Cl₂ и др. в воздухе производственных помещений.

Примеры газоанализаторов, применяемых в САР:

Наименование	Назначение	Область применения
Ритангаз –16	Предназначен для измерения отходящих газов топливосжигающих установок (О2; CO; CО2; NO; SО2; NО2; H2S)	О2: 0 – 21 % CO: NO: SО2 NО2 СО2: 0 – 25%
ГИАМ-15М	Предназначен для измерения концентрации газов в технологических процессах (CO; CО4; СО2; NO; SО2)	CO: 0 – 1% CО4: 0 – 0,2% NO: 0 – 2 г/м3 SО2: 0 – 60 г/м3
АНКАТ-7621	Предназначен для непрерывного контроля токсичных газов на уровне ПДК рабочей зоны	CO: 0 – 50 г/м3 H2S: 0 – 20 г/м3 SO2: 0 – 20 г/м3 Cl2: 0 – 50 г/м3 NO2: 0 – 10 г/м3
СГГ-4М	Сигнализатор предназначен для автоматического непрерывного контроля взрывоопасных концентраций многокомпанентных воздушных смесей, горючих газов и паров.
ГАНК-4	Предназначен для автоматического непрерывного контроля за содержанием до 70 вредных веществ в воздухе рабочей зоны и атмосфере.

Вспомогательное оборудование.

Датчик контроля пламени. При отсутствии пламени в горелке оптический датчик вырабатывает сигнал, поступающий на автомат контроля пламени, который блокирует поступление поточных газов или включает сигнализацию.

Контрольные вопросы и темы для обсуждения.

1. Метрологическое обеспечение производства (общие сведения).

2. Средства измерений и их метрологические характеристики.

3. Типовые схемы приборов. Компенсационная схема измерений. Принципиальная схема автоматического потенциометра.

4. Типовые схемы приборов. Мостовая схема измерений. Принципиальная схема автоматического уравновешивающего моста.

5. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).

6. Манометрические термометры.

7. Термоэлектрические термометры.

8. Термометры сопротивления.

9. Пирометры излучения.

10. Мембранные датчики давления.

11. Деформационные датчики давления.

12. Расходомеры постоянного перепада давления.

13. Датчики расхода переменного перепада.

14. Электромагнитные расходомеры.

15. Вихревые расходомеры.

16. Счетчики штучных изделий.

17. Уровнемеры.

18. Емкостные уровнемеры.

19. Гигрометры.

20. Психрометрические гигрометры.

21. Автоматические газоанализаторы.

22. Фотометрические анализаторы.

23. Кондуктометрические анализаторы жидкости. Концентратомер.

24. Спектрометрические анализаторы. ИК-влагомеры.

25. Плотномеры.

26. Вискозиметры.

27. Потенциометрические анализаторы. Автоматический рН-метр.