Системы контроля утечки газа

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Введение

ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ это приборы, измеряющие содержание

(концентрацию) одного или нескольких компонентов в газовых смесях.

Каждый газоанализатор предназначен для измерения концентрации только определенных компонентов на фоне конкретной газовой смеси в нормированных условиях. Наряду с использованием отдельных газоанализаторов создаются системы газового контроля, объединяющие десятки таких приборов. В большинстве случаев работа газоанализаторов невозможна без ряда вспомогательных устройств, обеспечивающих создание необходимых титры и давления, очистку газовой смеси от пыли и смол, а в ряде случаев и от некоторых мешающих измерениям компонентов и агрессивных веществ. Газоанализаторов классифицируют по принципу действия на пневматические, магнитные, электрохимические,

полупроводниковые и др. Ниже излагаются физические основы и области применения наиболее распространенных газоанализаторов.

Оптико-акустические газоанализаторы. Для контроля состава отработавших газов автотранспорта в процессе эксплуатации разработан оптико-акустический газоанализатор. Ультрамикроконцентрации оксида углерода (II), содержащегося в атмосферном воздухе, также измеряют спектроабсорбционным методом с использованием полосы поглощения СО в инфракрасной области спектра 4,66 мкм, где приемниками лучистой энергии служат герметичные камеры с конденсаторным микрофоном, заполненные газовой смесью из определяемого газа. Такие газоанализаторы называют оптико-акустическими.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

1. Оптико-акустические газоанализаторы

Оптико-акустические газоанализаторы по принятой классификации следует отнести к оптическим. Они основаны на измерении степени поглощения газом прерывистого потока инфракрасной рдиации. Излучения инфракрасной области спектра поглощаются газами, молекулы которых состоят из двух или большего числа различных атомов и ионов. В

теплоэнергетике их применяют для измерений СО2; СО; СН4.

Оптико-акустический эффект состоит в следующем: при воздействии на газ (находящийся в замкнутом объеме) прерывистым потоком инфракрасной радиации происходит пульсация температуры, а

следовательно, и давления этого газа. Эта пульсация, воздействуя на микрофон, вызывает «звучание» газа.

На рис. 1 приведена принципиальная схема газоанализатора.

Инфракрасное излучение от двух источников 1 направляется по двум каналам (рабочему и сравнительному), проходя при этом через обтюратор

2,который шесть раз в секунду прерывает оба потока одновременно.

Прерывистые потоки излучения проходят через фильтровые камеры 3

заполненные обычно данной смесью газа, из которой исключен анализируемый компонент. Наличие фильтровых камер обеспечивает уменьшение погрешности за счет возможного частичного наложения спектров поглощения анализируемой и не анализируемой составляющей газовой смеси. Далее поток радиации, направленный по рабочему каналу,

проходит рабочую камеру 4, через которую непрерывно пропускается анализируемая газовая смесь. Анализируемая составляющая газа поглощает часть энергии, определяемой поглощающей способностью этого газа.

Остаток лучистой энергии после отражения от пластины 5 поступает в правую область луче приемника 6. Лучистый поток, проходящий по сравнительному каналу, после фильтровой камеры 3 попадает в

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

2. Газоанализатор оптико-акустический

Газоанализатор оптико-акустический - это автоматический непрерывно

действующий прибор, предназначаемый для изучения концентрации одного

из компонентов в сложных газовых смесях.

Среди возможных применений газоанализатора оптико-акустического

стоит отметить:

технологический контроль на различных производствах (в т.ч.

ацетилена, аммиака, метанола),

оптимизацию процессов горения на основании данных о составе

дымовых газов,

контроль содержания в отходящих газах на топливосжигающих

установках различных типов (асфальтовых заводов, ТЭЦ, водогрейных

котлов) оксида углерода,

научные исследования и проч.

Принцип действия прибора базируется на избирательном поглощении

лучистой энергии определяемыми компонентами изучаемой газовой смеси в

инфракрасной области спектра. Эта способность присуща всем газам, кроме

N2, О2, С12, Н2 и одноатомных газов. Оптико-акустический приемник

фиксирует степень ослабления энергии излучения, пропущенного через

определенный слой анализируемого газа. Газоанализатор оптико-

акустический отображает электрический сигнал, получаемый в результате

пульсаций давления газа. Схожие определения:

Термогигрометр беспроводной

<http://www.tehnopribor.ru/termin/termogigrometr_besprovodnoj.html> - это прибор, имеющий своим предназначением круглосуточные (непрерывные) определения и регистрацию температур и влажности воздуха.

Оптико-акустический (ОА) эффект - генерация акустических волн в веществе в результате поглощения им оптического излучения - был обнаружен Беллом, Тиндалем и Рентгеном в 1880-1881 гг. Вскоре после открытия ОА-эффект был практически забыт, и лишь начиная с 1938 г. М.Л. Вейнгеров, проведя серию экспериментов, дал второе рождение этому

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

эффекту и предложил использовать ОА-эффект для количественного и качественного анализов газовых смесей. В 1968 г. появилось сообщение о создании первого лазерного оптико-акустического спектрометра.

ОА-эффект лежит в основе метода оптико-акустической спектроскопии, которая начала развиваться на основе некогерентных источников излучения еще до изобретения лазеров.

Когда оптическое излучение находится в резонансе с колебательновращательным переходом в исследуемом молекулярном газе, процесс преобразования энергии излучения в электрический сигнал состоит из следующих последовательных этапов: возбуждение молекул газа; безызлучательная релаксация возбужденных молекул; нагрев газа; генерация импульса давления; вынужденные колебания мембраны микрофона; генерация электрического сигнала.

До появления лазеров ОА-метод широко использовали для количественного и качественного анализа газовых смесей с помощью газоанализаторов с тепловым источником излучения. Появление лазеров дало новые возможности для совершенствования методов лазерной спектроскопии.

Первичным процессом, определяющим преобразованием энергии лазерного излучения в электрический сигнал, является изменение населенности резонансных (с лазерным излучением) энергетических уровней в молекулах (электронных, колебательно-вращательных, вращательных - в зависимости от области спектра). Колебательно-возбужденные молекулы релаксируют со всех вращательных уровней в основное состояние со скоростью, определяемой наличием трех каналов релаксации - излучательного (радиационная релаксация с вероятностью wR), безызлучательного за счет столкновений в объеме (гомогенная релаксация - вращательная и колебательно-поступательная с вероятностями соответственно безызлучательного за счет релаксации возбуждения на стенке ОА-ячейки (гетерогенная релаксация). Лишь часть колебательновозбужденных молекул, определяемая вероятностью колебательновращательной релаксации, релаксирует с выделением тепла в объеме газа, что вызывает генерацию импульса давления в ячейке ОА-детектора. Точное решение задачи генерации акустического сигнала описывается системой двух уравнений - для отклонений температуры и давления в ячейке от их равновесных значений.

Импульс давления в ячейке ОАД приводит к изменению положения мембраны микрофона и затем к генерации электрического сигнала, снимаемого с детектора.

Уникальные свойства лазерного излучения (высокая спектральная плотность энергии, монохроматичность, возможность плавной перестройки длины волны излучения) позволили разработать детекторы, обладающие высокой чувствительностью и высоким спектральным разрешением. Применение лазерных источников излучения вносит существенные особенности в принципы построения и проектирования соответствующих

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

измерительных схем и приборов.

Все лазерные оптико-акустические газоанализаторы построены по схеме прямого детектирования, в которой детектором поглощенной мощности является сам образец.

Лазерный ОА-метод выгодно отличается от других методов следующими особенностями:

•высокое спектральное разрешение, определяющееся шириной линии лазерного излучения;

•высокая чувствительность по показателю поглощения. Принципиальное ограничение предельной чувствительности определяется тепловыми флуктуациями в исследуемой среде;

•отсутствие сигнала, если спектральная линия излучения лазерного источника находится вне линий поглощения газа (однако следует иметь в виду наличие фонового сигнала, связанного с поглощением излучения окнами и стенками кюветы с исследуемой газовой смесью);

•отношение сигнал/шум увеличивается пропорционально мощности источника. Принципиальное ограничение на мощность налагается лишь явлением насыщения поглощения на исследуемой линии;

•ОА-сигнал пропорционален показателю поглощения газа, что существенно упрощает обработку данных измерения;

•концентрационная характеристика (зависимость амплитуды регистрируемого оптико-акустического сигнала от концентрации газа) линейна при изменении концентрации в пределах 4-5 порядков;

•измеряемая величина (амплитуда колебания давления) является интенсивным параметром образца, т. е. не зависит от его размеров. В силу этой особенности ОА-измерения проводят при малых объеме и длине измерительной камеры;

•шумы приемников из-за высокой спектральной плотности мощности лазерных источников, как правило, не имеют значения. Стабилизация интенсивности лазерного излучения (или нормировка на опорный сигнал) еще более увеличивает чувствительность аппаратуры;

•область, используемых в ОА-газоанализаторах лазерных источников, охватывает спектральный диапазон от УФдо ИК-области;

•возможность быстрой перестройки длины волны излучения, что позволяет проводить оперативный количественный анализ многокомпонентных газовых смесей;

•малый объем и длина измерительной камеры представляют большие преимущества при исследовании нелинейных эффектов (спектроскопический эффект насыщения, многофотонное поглощение), требующих высокой плотности мощности по сечению лазерного пучка, поддержание постоянного высокого значения мощности на длинной оптической трассе невозможно, а в короткой ячейке ОА-детектора сравнительно легко можно получить интенсивности вплоть до оптического пробоя газа.

Основными недостатками газоанализаторов являются: чувствительность к вибрациям и акустическим помехам, а также зависимость

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

чувствительности ОА-детектора от давления и типа исследуемого газа. К числу принципиальных особенностей газоанализаторов следует

отнести необходимость его калибровки для измерений абсолютных значений показателей поглощения (а значит, и концентраций) газов.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

3. Оптико-акустический газоанализатор КЕДР-М Является автоматическим и непрерывно действующим прибором, предназначенным для определения концентрации одного из компонентов в сложной газовой смеси. КЕДР-М может быть использован для: • технологического контроля различных производств, в т.ч. производств аммиака, ацетилена, метанола • оптимизации процессов горения по данным о составе дымовых газов • контроля содержания оксида углерода в отходящих газах топливосжигающих установок различных типов - водогрейных котлов, ТЭЦ, асфальтовых заводов • научных исследований и др. 3.1 Принцип действия Избирательное поглощение инфракрасного излучения определяемым компонентом

анализируемой газовой смеси Прибор имеет ряд исполнений, каждое из которых имеет один диапазон измерения одного из измеряемых компонентов (об. доля, %) CO2 0-0,02; 0-0,05; 0-0,1; 0-0,2; 0-0,5; 0-1; 0-2; 0-5; 0-10; 0-20; 0-50; 0-100 % CO 0-0,1; 0-0,2; 0-0,5; 0-1; 0-2; 0-5; 0-10; 0-20; 0-50; 0-100 % CH4 0- 0,1; 0-0,2; 0-0,5; 0-1; 0-2; 0-5; 0-10; 0-20; 0-50; 0-100 % C2 H2 0-0,5; 0-10 % SO2 0-0,1; 0-0,2; 0-0,5; 0-1; 0-2; 0-5; 0-10; 0-20 % Предел допускаемой основной приведенной погрешности газоанализатора, в % от верхнего предела диапазона измерений ± 4 % для ДИ: 0-1; 0-2; 0-5; 0-10; 0-20; 0-50; 0-100 % CH4 , CO2 , CO

интерфейс RS-232 Индикатор цифровой Время прогрева не более 30 мин Прибор выполнен в обыкновенном исполнении и устанавливается во взрывобезопасном помещении Температура окружающего воздуха 5-50 °C Время работы без подстройки не менее 30 сут Питание от сети 220 В 50 Гц Потребляемая мощность 45 Вт Габаритные размеры 180*360*420 мм Масса 12 кг

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

4. Лазерный оптико-акустический газоанализатор внутрирезонаторного

типа

Характеристика Прибор предназначен для проведения оперативного газоанализа

атмосферного воздуха методом оптико-акустической лазерной спектроскопии

Принцип действия газоанализатора основан на генерации акустических волн в воздухе при взаимодействии модулированного лазерного луча с молекулами газовой примеси, поглощающей лазерное излучение на заданной длине волны. Акустические волны преобразуются микрофоном в электрические сигналы, пропорциональные концентрации поглощающего газа. Перестраивая длину волны лазера и используя известные спектральные данные о коэффициентах поглощения различных газов, можно определить состав детектируемой газовой примеси.

Отличительной особенностью данного газоанализатора является совмещение в единой конструкции перестраиваемого волноводного СО2-

лазера и прокачного оптико-акустического детектора (ОАД)

дифференциального типа. ОАД располагается внутри лазерного резонатора и образует единую конструкцию с лазером. Благодаря этому уменьшаются потери на оптических элементах, повышается мощность внутри рабочего канала ОАД и жесткость всей конструкции. В газоанализаторе используется автоматически перестраиваемый по линиям волноводный СО2-лазер с высокочастотным (ВЧ) возбуждением, в котором импульсно-периодический режим генерации задается модуляцией мощности ВЧ-генератора, что дает возможность оптимизировать энергопотребление путем регулировки скважности импульсов возбуждения. В конструкции используемого ОАД дифференциального типа имеется два резонансных акустических канала, в

которых формируются противофазные акустические волны, что позволяет

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

при введении соответствующей обработки свести к минимуму шумыпри протекании воздуха через каналы.

Данные особенности прибора являются уникальными и в совокупности обеспечивают предельно высокую для оптико-акустических устройств чувствительность детектирования, низкий уровень аппаратурных шумов и относительно малое общее энергопотребление.

Газоанализатор способен регистрировать минимальные коэффициенты поглощения газовых примесей в атмосфере в потоке газа на уровне ~ 5 × 1010 см-1 с высоким быстродействием, присущим оптическим методам газоанализа. Благодаря этим качествам, а также возможности перестройки длины волны лазерного излучения в области 9,3÷10,9 мкм газоанализатор позволяет проводить в реальном времени измерения малых концентраций атмосферных и антропогенных газов (на уровне 1 ppb и менее), таких как С2

Н4, NH3, O3, C6, SO2, SF6, N2

O, CH3, CH3и т.д.,

включая парыряда взрывчатых и отравляющих веществ (всего около

100 веществ).

Указанные свойства позволяют применять прибор для контроля концентраций химических молекулярных соединений в атмосферном воздухе и технологических процессах, проводить анализ выдыхаемого воздуха с целью выявления различных заболеваний и т.д.

Применение эффекта

Очевидные преимущества ОА-метода в сочетании с использованием достаточно мощных непрерывных перестраиваемых по частоте лазеров делают его особенно привлекательным для решения задач, требующих измерения слабого поглощения излучения молекулярными газами. В первую очередь это касается задач газового анализа при малых и сверхмалых концентрациях молекул в среде.