А.3.3 Ограничения по применению
Термокондуктометрический метод применим в случаях, когда изменения выходного сигнала датчика от изменения концентрации фонового газа незначительны по сравнению с сигналом от определяемого компонента (газа или смеси газов) в выбранном диапазоне измерений.
Термокондуктометрические датчики неизбирательны к отдельным газам. Они реагируют на все газы (горючие и негорючие).
Теплопроводность горючих газов сильно различается. Более легкие газы (например, метан и водород) характеризуются большей теплопроводностью, чем воздух, в то время как более тяжелые газы (например, непредельные углеводороды) имеют меньшую теплопроводность. Следовательно, ничего нельзя сказать о сигнале датчика в газовой смеси до тех пор, пока не известен компонентный состав этой смеси. В худшем случае смеси газов с высокой и низкой теплопроводностью могут взаимно компенсировать теплопроводность и уменьшить сигнал датчика до нуля.
Ошибочные показания могут отмечаться также в следующих случаях:
a) используется термокондуктометрический датчик, чувствительный к скорости потока пробы, а поток газовой пробы нестабилен или не выполняются условия подачи пробы, указанные в руководстве по эксплуатации;
b) имеют место колебания температуры окружающего воздуха, которые не компенсируются соответствующим устройством на датчике;
c) неправильное пространственное положение газоанализатора, особенно если принцип действия датчика основан на одновременном использовании свойств теплопроводности и конвекции (датчики с повышенной конвективной составляющей теплопередачи).
|
|
|
А.3.4 Влияние неопределяемых компонентов
Погрешность от влияния неопределяемых компонентов возникает, если оборудование подвергается воздействию газов, на которые оно не отградуировано, или его пытаются использовать для измерения таких газов. Неопределяемые компоненты, такие как горючие и негорючие газы, с теплопроводностью, отличной от теплопроводности окружающей среды, могут влиять на теплопроводность газовой смеси в любом направлении так, что сигнал от датчика может быть уменьшен до нуля.
В большинстве случаев сильным влиянием обладают пары воды, тем более что их содержание в воздухе сильно колеблется, особенно в жарком климате. При измерении небольшого содержания определяемого компонента, для того чтобы исключить влияние изменения влажности, может потребоваться осушение пробы.
А.3.5 Отравление
Отравляющие воздействия на датчик неизвестны.
А.4 Инфракрасные датчики
А.4.1 Общие положения
|
|
|
Принцип действия оптических инфракрасных датчиков основан на поглощении молекулами определяемого газа энергии светового потока в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной области спектра. Существующие газоанализаторы преимущественно работают в инфракрасной (ИК) области спектра.
Многие газы поглощают инфракрасную энергию. Исключением являются одноатомные (например, гелий, неон и аргон) и симметричные двухатомные газы (например, водород и азот). Кислород отличается слабым поглощением ИК-излучения на длине волны, обычно не используемой для определения других газов.
Все другие газы, одни в большей, другие в меньшей степени, поглощают инфракрасную энергию в диапазоне длин волн, характерном для типа химических связей их молекулы. Выбором соответствующего диапазона длин волн для определения того или иного вещества обеспечивается избирательность его определения.
Данный метод измерения находит широкое применение для определения большинства газов в воздухе, потому что три основных компонента сухого воздуха - азот, кислород и аргон - не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на нулевые показания и чувствительность инфракрасного датчика в диапазоне обычно используемых длин волн ИК-излучения.
|
|
|
Наличие в ИК-спектре поглощения какого-либо вещества определенных характеристических полос поглощения указывает на присутствие в его молекулах соответствующих групп атомов. Как следствие, все вещества одного гомологического ряда имеют похожий спектр поглощения. Например, использование характеристических полос поглощения в ИК-спектре углеводородов или других органических веществ особенно полезно при обнаружении горючих газов, поскольку оборудование, настроенное на этот характеристический диапазон, способно обнаруживать все эти соединения, но с различной чувствительностью.
Однако существует много случаев, когда наблюдается частичное наложение характеристических полос поглощения горючих газов и негорючих веществ или других веществ, определение которых не требуется, чаще всего это пары воды и диоксид углерода. Если в ИК-датчике невозможно устранить наложение полос поглощения определяемого и неопределяемых компонентов, то будет наблюдаться влияние неопределяемых компонентов на показания ИК-датчика.
Инфракрасные датчики не искажают пробу, и им не требуется для работы присутствие кислорода. Выходной сигнал ИК-датчиков в наибольшей степени не зависит от скорости потока пробы. У таких датчиков продолжительный срок службы при отсутствии коррозии, загрязнения или механического повреждения.
|
|
|
Вследствие большого разнообразия конструкторских решений, реализованных в различных ИК-датчиках, практически невозможно обобщить их конструктивные особенности. Однако основные элементы конструкции описаны ниже.
Газоанализаторы с ИК-датчиками, несмотря на разнообразие моделей, могут быть классифицированы следующим образом:
a) специализированные газоанализаторы, снабженные системой пробоотбора, которая, в свою очередь, может обеспечивать отбор пробы от нескольких точек контроля;
b) одноточечные газоанализаторы со встроенным ИК-датчиком, предназначенные для установки в потенциально взрывоопасных средах. Они могут иметь герметичные оптические кюветы со встроенным побудителем расхода, либо частично открытые кюветы, защищенные диффузионным барьером, либо в ряде случаев открытый оптический канал фиксированной длины в атмосфере (так называемые трассовые газоанализаторы). Как правило, длина оптического пути составляет менее метра;
c) газоанализаторы, в которых ИК-излучение источника от блока управления направляется на приемник оптического излучения с помощью световода - гибкого оптического кабеля, обеспечивая тем самым дистанционное определение горючих газов;
d) трассовые газоанализаторы с приемником и излучателем, расположенными по обоим концам оптического пути, длина которого может быть различной и составлять до нескольких сотен метров на открытом пространстве.
Технические характеристики газоанализаторов, указанных в перечислениях a), b) и c) регламентируются IEC 60079-29-1, технические характеристики трассовых газоанализаторов - в IEC 60079-29-4.
Во всех случаях излучение от источника проходит по оптическому пути и после фильтрации достигает приемника оптического излучения. Источником излучения может служить электрическая лампа накаливания или светодиод, излучающий в ближней инфракрасной области спектра. В трассовых газоанализаторах могут применяться инфракрасные лазеры.
Для получения точного измеренного значения довзрывоопасных концентраций горючих газов для газоанализаторов типа (a), (b) и (c) необходимо, чтобы в оптической камере между источником и приемником излучения находилась однородная газовая смесь. Для этого типа газоанализаторов это условие гарантированно выполняется ввиду малых размеров камеры. Для трассовых газоанализаторов газ между источником и приемником излучения редко бывает однородным, поэтому трассовые газоанализаторы измеряют интегральную или среднюю концентрацию (см. 4.5).
Для того чтобы устранить нежелательное влияние температуры окружающей среды, неопределяемых газов и паров и т.д., а для трассовых газоанализаторов - влияние осадков, прямого и отраженного солнечного света и искусственного освещения, применяется метод оптической фильтрации, во многих случаях, использующий два инфракрасных луча. Один из них - рабочий, совпадающий с характеристической полосой поглощения определяемого вещества, а другой - опорный или сравнительный, выбираемый в полосе прозрачности, т.е. в области ИК-спектра, где поглощение ИК-излучения минимально.
Как правило, поток излучения прерывается с определенной частотой для получения модулированного сигнала фотоприемника. Фильтрация ИК-излучения обеспечивается установкой фильтра между источником и приемником излучения. Оптические фильтры представляют собой конструкцию на основе твердых оптических материалов, которые, в свою очередь, подразделяют на спектрально-селективные и отрезающие (с коротковолновой и длинноволновой границей). Существуют также фильтры, представляющие собой герметичную кювету с оптически прозрачными окнами, заполненную газом, спектр поглощения которого перекрывается со спектром поглощения определяемого вещества. Такой тип оптического фильтра применяют для уменьшения влияния неопределяемых компонентов.
В качестве фотоприемников могут быть использованы фотодиоды, фотоумножители, фоторезисторы, вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотоприемники, оптико-акустические приемники, термооптические емкостные системы (обычно с негативной фильтрацией), пироэлектрические приемники и т.д. В конструкции оптической кюветы иногда предусматривают оптоволоконные компоненты, предохраняющие от повреждения и коррозии чувствительные оптические элементы и обеспечивающие защиту анализируемой среды от нагретых оптических и электрических элементов газоанализатора.
Что касается трассовых газоанализаторов, то помехи от водяного пара и углекислого газа пропорциональны длине оптического пути и, таким образом, в несколько сотен раз превышают влияние этих помех на газоанализаторы, предназначенные для измерений в одной точке. Также могут возникнуть помехи при наличии пыли и конденсированной воды в виде тумана, дождя или снега.
Поэтому требуется использование специальных методов, в том числе использование длины волны ИК-излучения, равной 2,2 мкм, при которой поглощение определяемого газа слабее, чем при обычной длине волны 3,3 мкм, но при которой влияние воды существенно меньше. Для этого требуется применять такие мощные источники излучения с малой угловой расходимостью, как лазеры. В трассовых газоанализаторах также используется разностный сигнал, полученный на двух различных длинах волн ИК-излучения. Одна длина оптического излучения - рабочая, она совпадает с характеристической полосой поглощения определяемого вещества, а другая - опорная или сравнительная, выбираемая таким образом, чтобы компенсировать влияние нежелательных эффектов - влияния воды, солнечного света, тумана и пыли. Используя для определения отношение сигналов на этих двух длинах волн, возможно уменьшить влияние нежелательных эффектов. Существуют требования по минимальному значению сигнала, которые накладывают ограничения на максимальное значение оптического пути трассового газоанализатора.
В приложении E для пользователей трассовых газоанализаторов приведены дополнительные данные по видимости в атмосфере.
Конструкция ИК-датчиков позволяет использовать самодиагностику для проверки чувствительности к определяемому компоненту. Другими преимуществами метода являются:
a) высокая стабильность;
b) отсутствие неоднозначности показаний при концентрациях, превышающих НКПР;
c) устойчивость к отравлению;
d) менее частое техническое обслуживание благодаря самодиагностике. Автоматическая градуировка, возможность контроля исправности источника ИК-излучения и компенсации загрязнения оптики могут продлить время работы без обслуживания. Однако особое внимание следует уделять своевременной очистке защитных фильтров в газовом тракте, поскольку средства самодиагностики обычно не обнаруживают их загрязнения.
А.4.2 Область применения
ИК-датчики градуируют для определения одиночного компонента и в некоторых случаях нескольких компонентов. Присутствие других газов не будет обнаружено, если их полоса поглощения в ИК-области лежит за пределами полосы пропускания приемника ИК-излучения. Следовательно, газоанализаторы с такими датчиками можно использовать только для обнаружения газовых смесей, для которых они были отградуированы.
ИК-датчики не реагируют на водород. Однако их можно использовать для обнаружения большинства других горючих газов, в любом установленном диапазоне измерений объемной доли от нескольких миллионных долей вплоть до 100%. Чем длиннее оптический путь, тем выше будет чувствительность.
Соответствующим выбором длин волн и длины оптического пути можно получить газоанализаторы для:
- измерения суммарного содержания углеводородов, часто используется область длин волн, соответствующая колебательному переходу С-Н (около 3,3 мкм);
- избирательного определения одного компонента (в смеси);
- определения объемной доли в диапазоне до нескольких миллионных долей;
- определения объемной доли горючих газов в диапазоне до 100%;
- определения объемной доли кислорода в диапазоне до 100%.
В настоящее время применение трассовых газоанализаторов ограничено такими областями, как определение низших алканов, низших алкенов и низших спиртов. Как правило, диапазон измерений трассовых газоанализаторов составляет 0-5 НКПР·м.
Диапазон измерений и технические характеристики газоанализаторов следует выбирать в соответствии с целями конкретного применения.
Дата добавления: 2018-09-23; просмотров: 412; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!