1.1.1 Химические или объемно-манометрические газоанализаторы

Газоанализаторы основанные на химическом (объемно-манометрическом) методе позволяют определить изменение давления и объема газовой смеси при помощи химических реакций, которые происходят с различными компонентами смеси газов.

Переносной химический газоанализатор типа ГХП-1 (изображение 1) применяют для определения процентного содержания в газовой смеси СО2, О2 и СО. Действие прибора основано на раздельном поглощении химическими реактивами определенных компонентов газовой смеси. Изменение объема газовой смеси показывает величину измеряемого компонента.

Изображение 1 Химический газоанализатор ГХП-1

1.1.2 Физико-химические газоанализаторы

Газоанализаторы, основанные на физико-химическом методе подразделяются на:

• хроматографические;

• термохимические;

• фотоколориметрические;

• электрохимические;

Хроматографические газоанализаторы предназначены для измерения состава смеси газов, твердых тел или жидкости. Принцип действия хроматографического анализатора заключается в индикации качественного и количественного состава разделенной газовой смеси.

Принципиальные схемы хроматографа и разделения смеси газов в колонке представлены на рис. 1.

Изображение. 2. Принципиальная схема газового хроматографа:

1 — баллон; 2 — регулятор; 3 — дозатор; 4 — разделительная колонка; 5 — терморегулятор; 6 — детектор; 7 — регистрирующий прибор; 8,9 — микропроцессорное и цифропечатающее устройств

Из баллона 1 газ-носитель поступает в хроматограф. Для поддержания в процессе работы постоянной скорости газа-носителя используется регулятор 2, содержащий редуктор, манометр и измеритель расхода газа.

В газ-носитель дозатором 5 периодически вводится проба анализируемого газа. В разделительной колонке 4, заполненной твердым или жидким сорбентом, анализируемая смесь разделяется на компоненты. Вдоль слоя сорбента с большей скоростью движутся наименее сорбируемые газы. Поэтому в пробе смеси газов (изображение 2, б), содержащей три компонента А, В и С, первым выносится наименее сорбируемый газ А, а последним — хорошо сорбируемый С

После разделения каждый компонент с газом-носителем образует бинарную смесь, анализ которой может быть произведен различными методами, в том числе рассмотренными выше и реализуемыми в детекторе 6. Поскольку в процессе измерения свойства газа-носителя могут меняться, при пропускании последнего через детектор фиксируются изменения его свойств, вызванные присутствием компонента анализируемой смеси.

Для улучшения разделения компонентов температурный режим колонки может меняться с помощью терморегулятора 5 с программным управлением. Выходной сигнал детектора 6 подается на регистрирующий прибор 7, микропроцессорное 8 и цифропечатающее 9 устройства. На диаграмме самопишущего прибора 7 выход каждого из компонентов сопровождается пиком, площадь которого зависит от концентрации этого газа. График, фиксирующий выход компонентов, называют хроматограммой. Использование микропроцессорного измерительного устройства с соответствующим интерфейсом обеспечивает автоматический анализ хроматографического разделения и позволяет ввести информацию о составе газов в АСУ ТП.

Существует 3 метода хроматографического измерения:

1. вытеснительный;

2. фронтальный;

3. проявительный.

Термохимические анализаторы газа – это устройства, определяющие энергию выделяемого тепла при прохождении химической реакции в смеси

Основной принцип работы – процесс окисления компонентов газа с применением дополнительных катализаторов (марганцево-медный катализатор, мелкодисперсная платина).

Схема (изображение 3) включает измерительный мост с постоянными резисторами (R1 и R4)и двумя терморезисторами, один из которых (R2) нахо-дится в атмосфере сравнит. газа, а второй (R3) омывается потоком анализи-руемого газа. Напряжение Uвых в диагонали моста пропорциональ-но концентрации определяемого компонента. Для устойчивой работы газоанализатора исключают влияние температуры среды (термостатированием или термокомпенсацией), стабилизируют напряжение, поддерживают постоян-ным расход газа, очищают его от примесей, отравляющих катализатор (Сl2, НСl, H2S,SO2). 

Изображение. 3. Термохимический газоанализатор:

1- источник стабилизированного напряжения; 2-вторичный прибор; R1 и R4 - постоянные резисторы; R2 и R3, сравнительный и рабочий терморезисторы.

Измерение возникающей температуры осуществляется с помощью терморезистора, который в зависимости от температуры, меняет свое сопротивление, тем самым изменяя проходящий ток.

Фотоколориметрический анализатор газа – это прибор, использующий оптическую систему (излучатель-приемник), который при помощи уровня поглощенного светового потока веществом определяет его.

Существует две разновидности фотоколориметрических газоанализа-торов:

1. жидкостный фотоколориметрический анализатор газа где реакция протекает в растворе, что позволяет с точностью до 5% определить компоненты смеси;

2. ленточный фотоколориметрический газоанализатор используют для реакции твердые носители.

Изображение 4. Жидкостной фотоколориметрический газоанализатор: 1 - источник излучения; 2 - светофильтр; 3 и 3' - рабочая и сравнительная кюветы; 4 - абсорбер; 5 и 5' - приемники излучения; 6 - усилитель; 7 - вторичный прибор.

Принципиальная схема жидкостного газоанализатора представлена на рис. 10. Излучение от источника проходит через рабочую и сравнит. кюветы и поступает на соответствующие приемники излучения. Индикаторный р-р протекает с постоянной скоростью через обе кюветы и абсорбер. Навстречу потоку раствора через абсорбер барботирует анализируемый газ. Определяемый компонент, присутствующий в газе, взаимодействует с реагентом в растворе, вызывая изменение оптической плотности в рабочей кювете, пропорциональное концентрации компонента. В результате интенсивность излучения через одну из кювет изменяется, а через другую-нет. Разность (или отношение) сигналов рабочего и сравнительного каналов - мера концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси.

Подача раствора может быть как непрерывной, так и периодической. При периодической подаче анализируемый газ пропускают в течение некоторого времени через одну и ту же порцию раствора, что позволяет повысить чувствительность определения. Такие газоанализаторы дают возможность измерить среднюю концентрацию определяемого компонента за заданный промежуток времени, напр. при установлении среднесменных или среднесуточных концентраций токсичных примесей в воздухе.

В ленточных газоанализаторах (изображение 5) анализируе-мый 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 окрашенных и неокрашенных участков ленты, - мера  концентра-ции контролируемого компонента в смеси. Иногда используют индикаторную ленту с жидким реактивом. В этом случае реактив наносится на ленту из капельницы непосредственно перед ее контактом с газом. 

Изображение 5. Ленточный фотоколориметрический газоанализатор: 1 -источник излучения; 2-индикаторная лента; 3-светофильтр; 4 и 4'-приемники излучения; 5-газовая камера; 6-усилитель; 7-вторичный прибор.

Электрохимические газоанализаторы предназначены для определения токсических газов в помещениях или на рабочих зонах. Отличительной чертой данного устройства, является возможность применять его во взрывоопасных зонах. Он компактный, энергосберегающий и практически нечувствителен к механическим воздействиям.

Они способны определять следующие вещества:

• Аммиак NН₃;

• Сероводород H₂S;

• Угарный газ СО;

• Оксид серы SO₂;

• Хлор Cl₂;

• Объемные доли кислорода (О₂).

По принципу действия они подразделяются на:

• гальванические (реагируют на изменение электропроводности);

• электро-кондуктометрические (реагируют на изменения тока или напряжения);

• потенциометрические (измеряют отношение напряженности поля и активных ионов).

В основе работы электрохимических анализаторов газа лежит явление электрохимической компенсации, которое заключается в выделении специального реагента, который реагирует с определенным компонентом смеси.