Материал: Экологический мониторинг. Газоанализаторы для контроля загрязнения атмосферного воздуха (90
Рис.4. Принципиальная схема датчика хемилюминесцентного газоанализатора
Анализируемый воздух с помощью побудителя расхода 10 зазор между внутренним электродом и внутренней поверхностью засасывается из атмосферы и коммутирующим устройством 2 делится на два потока. Первый поток проходит через озонатор 1, который имеет внутренний и внешний электроды, разделенные диэлектриком (стеклянной трубкой). Атмосферный воздух проходит через стеклянной трубки. При подаче на электроды высоковольтного импульса (10–12 кВ) частотой 500 – 700 Гц происходит разряд, в результате чего образуется озон.
Далее озонированный воздух поступает в реакционную камеру 5.
Второй поток воздуха с помощью коммутирующего устройства 4 подается непосредственно в реакционную камеру 5, где оксид азота (II), содержащийся в атмосферном воздухе, вступает в реакцию с озоном.
16
Кроме того, поток анализируемого воздуха через коммутирующее устройство 2 может поступать в каталитический конвертер 3, где NO2, содержащийся в атмосферном воздухе, на катализаторе будет восстанавливаться до NО и через коммутирующее устройство 4 поступать в реакционную камеру 5. Хемилюминесцентное излучение через светофильтр 6, который выделяет область люминесценции возбужденных молекул NО2*, поступает на ФЭУ 7, электрический сигнал которого пропорционален концентрации NО. Далее сигнал поступает на электронный измерительный преобразователь 8, где усиливается, а затем подается на вычислительное устройство. На вычислительное устройство преобразователя 8 поступают сигналы, соответствующие концентрации NО и NO+NО2, где производится операция вычитания сигналов. После этой операции на измерительный прибор 9 подается три сигнала: величина одного пропорциональна концентрации NО, другого, NO2, третьего NO +NО2.
Один из распространенных приборов, работающих на этом принципе – газоанализатор типа 645ХЛ – 01.
5. Оптико-акустические газоанализаторы
Принцип действия датчика этих газоанализаторов (рис. 5) основан на оптико-акустическом эффекте, который заключается в том, что газ при прерывистом ИК-облучении в замкнутом пространстве периодически нагревается и охлаждается и при этом происходят колебания давления газовой смеси.
Инфракрасное излучение источников 2 прерывается (модулируется) с помощью обтюратора с приводом 1. Герметичная кювета сравнения 3 заполнена анализируемой газовой смесью без СО. Измерительная кювета 4 – проточная.
Если в измерительной кювете 4 в анализируемой газовой смеси отсутствует СО, то потоки инфракрасного излучения, поступающие в лучеприемные цилиндры 6, равны, мембрана 8 конденсаторного микрофона 9, воспринимающая сумму давлений, возникающих в правом и левом лучеприемных цилиндрах 6, будет находиться в покое, так как колебания температуры и давления в надмембранном объеме скомпенсированы (т. е. равны нулю).
17
Рис. 5. Принципиальная схема датчика оптико-акустического газоанализатора
При появлении СО в воздухе, прокачиваемом через измерительную кювету 4, произойдет поглощение части спектра инфракрасного излучения и соответственно понижение температуры в правом лучеприемном цилиндре 6 приемника инфракрасного излучения 7, что в свою очередь связано с понижением давления в этой части приемника. Разница давления в правой и левой частях лучеприемника 6 приведет к колебанию мембраны 8. Амплитуда колебаний мембраны 8 конденсаторного микрофона 9 будет зависеть от концентрации СО в анализируемом атмосферном воздухе. Чем больше концентрация СО, тем больше поглощение излучения в кювете 4, тем больше перепад температур и давления в лучеприемных цилиндрах 6, тем больше амплитуда колебаний.
Колебания мембраны преобразуются конденсаторным микрофоном в переменное напряжение, которое поступает на вход усилителя 10, где усиливается и преобразуется в унифицированный сигнал, подаваемый на регистрирующий прибор 11. Показания регистрирующего прибора являются мерой концентрации СО, содержащегося в анализируемом атмосферном воздухе.
Для исключения влияния на показания прибора СО2, содержащегося в атмосферном воздухе, спектр поглощения которого в
18
значительной мере совпадает с полосой поглощения СО, фильтровые камеры 5 заполнены СО2.
Внутренние поверхности рабочей, сравнительной и фильтровой камер отполированы и покрыты золотом, что повышает их отражательную способность. Окошки камер выполнены из синтетического корунда, обладающего высоким пропусканием инфракрасного излучения.
Объем лучеприемных цилиндров 6 заполнен смесью СО и аргона, что обеспечивает избирательность анализа, так как в объеме мерной камеры лучеприемника колебания температуры и давления газа возникают только в результате поглощения инфракрасного излучения, соответствующего спектру поглощения СО.
На основе оптико-акустического метода создан газоанализатор ГИАМ – 1 для контроля оксида углерода (II) в атмосферном воздухе.
6. Пламенно-ионизационные газоанализаторы
Принцип действия этих газоанализаторов основан на зависимости величины ионного тока, возникающего в процессе ионизации исследуемого газа, от содержания в нем контролируемого компонента.
Из известных способов ионизации газов (ионизация пламенем, тлеющим разрядом, радиоактивным излучением и облучением коротковолновым светом) при разработке газоанализаторов наиболее часто используют ионизацию пламенем и радиоактивное излучение. Преимуществом ионизационного метода является низкий порог чувствительности, широкий диапазон измерения, достаточная надежность и стабильность работы, быстродействие. Основной недостаток – низкая избирательность к отдельным органическим компонентам при их совместном присутствии. В этом случае определяют либо их сумму, либо концентрацию компонентов с превалирующими ионизационными эффектами.
Для анализа суммы углеводородов CH предназначены газоанализаторы типа 232 ИН-01, а для определения метана и CH –
19
523-ИН-02. Датчиком в этих газоанализаторах является пламен- но-ионизационная камера (рис. 6), которая по конструкции аналогична пламенно-ионизационному детектору в газожидкостном хроматографе.
К камере подводят два газовых потока: поток водорода с анализируемым газом и поток воздуха для поддержания горения водородного пламени.
При отсутствии в воздухе органических веществ пламя в камере имеет низкую электропроводность (фоновый ток 10-11 А). Если в воздухе появляются органические вещества, то их ионизация в водородном пламени приводит к резкому увеличению ионного тока между электродами. При этом фиксируемый прибором ток пропорционален количеству органического вещества в воздухе, поступающего в камеру в единицу времени.
Рис. 6. Пламенно-ионизационная горелка:
1 – ионизационная камера; 2 – горелка; 3 – электрод; 4 – источник напряжения; 5 – усилитель; 6 – регистрирующий прибор
Для анализа CH и метана применение получил метод каталитического окисления, основанный на том, что температура окисления метана существенно выше температуры окисления всех остальных углеводородов.
20