Надежное управление многими технологическими процессами не может обойтись без измерительных устройств, пригодных для определения информации о составе сырья, промежуточных продуктов, конечных продуктов или различных рабочих сред.
Важна также область контроля состава воздуха в рабочих помещениях, измерения состава дымовых газов, измерения и сигнализации об опасной концентрации горючих газов и паров, обнаружения утечек газа или обнаружения наличия токсичных веществ.
Для этих и других целей используются автоматические газоанализаторы.
Пример. Стационарный газоанализатор MGA6010 для трех газов (CO, CO2, CH4) представляет собой стационарный многофункциональный газоанализатор непрерывного действия для мониторинга, регистрации, контроля и сигнализации газовых атмосфер:
Проблема измерения состава сырья, продуктов и промежуточных продуктов включает в себя очень широкий спектр контрольно-измерительных приборов, от датчиков, непосредственно измеряющих концентрацию контролируемого вещества, до датчиков других величин, которые очень тесно связаны с концентрацией (например, плотность, вязкость, электропроводность, поглощение излучения и др.).
Измерение концентрационных величин имеет определенные особенности по сравнению с измерением других технологических величин.
Принципы работы газоанализаторов
Автоматический аналитический контроль включает в себя анализ газов, жидкостей и твердых веществ. В этой статье основное внимание будет уделено анализу газовых смесей.
Анализаторы работают либо непрерывно, либо через короткие промежутки времени. Они автоматически определяют концентрацию контролируемого вещества в взятой пробе и показывают или записывают результат, или сигнализируют о превышении установленного лимита.
В измерительной цепи газоанализатора входная измеряемая величина – концентрация газа преобразуется в выходную величину – показание анализатора.
Химический датчик является входным блоком измерительной цепи, находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, регистрирует измеряемую величину и преобразует ее в электрический сигнал по определенной закономерности.
Если работой электронных схем управляет микропроцессор, его называют интеллектуальным преобразователем или интеллектуальным датчиком (также известным как Smart-датчик). В этих современных измерительных устройствах процесс измерения контролируется одним или даже несколькими микропроцессорами.
Для своей работы газоанализаторы используют несколько функциональных принципов.
Анализаторы на физическом принципе
Анализаторы, основанные на физическом принципе, измеряют некоторую физическую величину, связь которой с составом анализируемого вещества точно определена. Тогда значение физической величины является функцией химического состава.
Главной особенностью этих анализаторов является то, что они не вызывают количественного или качественного изменения анализируемой смеси.
Из физических величин для анализа различных веществ обычно используют измерение плотности, теплопроводности, магнитной восприимчивости, поглощения излучения (ИК и УФ) и др.
В этом случае функцию химического датчика выполняет подходящий датчик плотности, теплопроводности, измерительная камера парамагнитного анализатора или подходящий набор оптических элементов.
Анализаторы на физико-химическом принципе
Анализаторы, основанные на физико-химическом принципе, оценивают физические явления, сопровождающие химическую реакцию, в которой участвует определяемое вещество или на которую оно существенно влияет.
В одних случаях анализируемая смесь содержит достаточное количество другого вещества, необходимого для взаимодействия с определяемым веществом, в других случаях необходимо ввести в анализируемую смесь вспомогательное вещество (газ или жидкость).
К физико-химическим анализаторам относятся, например, приборы, основанные на измерении теплоты реакции, хемилюминесцентные и электрохимические анализаторы.
В этом случае химическим сенсором может быть каталитически активный шариковый сенсор (пелистор), хемилюминесцентная камера с фотоумножителем, электрохимическая ячейка и т.п.
Датчик, измерительный преобразователь, сенсор, детектор
Здесь стоит напомнить, что в профессиональной литературе помимо термина датчик могут встречаться также термины измерительный преобразователь, сенсор и детектор.
Интеллектуальные встроенные химические датчики
Под химическим датчиком понимается элемент или устройство, преобразующее химическую величину (концентрацию измеряемого вещества) в соответствующий сигнал, обычно электрическую величину (ток, напряжение, электрическое сопротивление, емкость и т. д.).
В химических сенсорах используется ряд принципов (изменение электропроводности полупроводников, термоэлектрический эффект, пьезоэффект, фотоэффект, изменение электрохимического потенциала, выделяющаяся теплота реакции и др.).
Развитие химических сенсоров продолжается интенсивно, и достоинством современных химических сенсоров является значительная чувствительность даже к небольшим изменениям концентрации измеряемого вещества.
Популярны интегрированные датчики, включающие, помимо химического датчика, электронные схемы обработки сигналов, или интеллектуальные интегрированные датчики с микропроцессором, включающие также схемы управления процессом измерения и его анализа.
Интеллектуальные химические датчики обеспечивают двустороннюю связь с окружающей средой, диагностику состояния датчика или исправление ошибок, обеспечение автоматической калибровки датчиков и т.д.
Газоанализаторы по типу использования: стационарные и переносные
Область измерительной техники, связанная с измерением состава газовых смесей, очень обширна и может быть разделена в соответствии с различными аспектами, например, в соответствии с используемым принципом действия или в соответствии с использованием, на лабораторные анализаторы, оперативные анализаторы, анализаторы в воздухозаборники, газоанализаторы и др.
Приборы также можно разделить на стационарные (для непрерывного измерения одного или нескольких компонентов газовой смеси) и переносные (для эпизодических измерений - эти приборы часто называют газоанализаторами).
Стабильные, непрерывно работающие анализаторы используются в газоанализе, мониторинге и контроле технологических процессов и мониторинге выбросов в соответствии с индивидуальными потребностями пользователей. В некоторых случаях это анализаторы для измерения нескольких разных газов.
Примеры стабильных газоанализаторов:
- Ultramat 23 (Siemens) – анализаторы ИК-НДИК, УФ-фотометр, электрохимический (H2S), (O2), парамагнитный,
- циркониевый анализатор кислорода in-situ (Fuji Electric) – зонд ZFK8, блок оценки ZKM2,
- анализатор S700 (Sick) – анализатор NDIR для непрерывного измерения до трех газов, поглощающих ИК-излучение,
- EasyLine EL3000 (ABB) – анализаторы: IR-NDIR, фотометр UV, парамагнитный, тепловой проводимость, ZrO2, ПИД, электрохимический.
Характерные свойства газоанализаторов
Требования, предъявляемые к газоанализаторам, в целом имеют общую силу, как и к другим средствам оперативных измерений. Однако у газоанализаторов есть некоторые особенности, которые не очень распространены в других типах приборов.
Функциональные свойства должны максимально соответствовать заданным требованиям. В основном речь идет о диапазоне измерения, точности, независимости данных от внешних воздействий, избирательности, требуемом типе и уровне сигнала и динамических свойствах.
Примеры детекторов газа:
а) Система обнаружения ADS (Aseko) – датчики: электрохимические, инфракрасные, каталитические, полупроводниковые,
б) Детектор газа (Testo) – детектор газа на метан, пропан и водород с полупроводниковым датчиком,
в) Drager X-am 2500 – содержит электрохимические датчики, измеряет легковоспламеняющиеся газы и пары, а также O2, CO, H2S, NO2 и SO2,
d) Drager Alcotest 3820 – анализатор алкоголя в выдыхаемом воздухе с электрохимическим датчиком.
Диапазон измерения
Диапазон измерений – одна из важных характеристик любого газоанализатора. Понятия максимальной и минимальной достижимой дальности также применимы к этому.
Определить максимальный диапазон проще – у многих анализаторов максимальный диапазон равен 100% измеряемой составляющей. В других случаях верхняя граница диапазона не может превышать точку, в которой заканчивается определенная закономерность, или за которой зависимость, используемая для измерения, имеет неблагоприятный ход (например, снижение чувствительности, появление экстремума на статической характеристике и т. д.)..
Как правило, для нижней границы диапазона такого ограничения нет, и диапазон почти всегда может начинаться с нуля. Минимально достижимый диапазон зависит не только от используемого метода измерения, но и от конструктивного устройства анализатора и в основном связан с точностью измерения.
Концентрация измеряемого компонента
Концентрация измеряемого компонента в газовой смеси может быть выражена в молярных, массовых или объемных долях, в обычной практике часто выражается в объемных процентах или массе на единицу объема (г/м3) и т. д. По существу, это произвольным образом выражается концентрация измеряемого компонента в смеси.
В случае газовых смесей более наглядным показателем является объемная доля, не зависящая от состояния газа, его температуры и давления. Данные, выраженные в виде массы на единицу объема, определяются только для определенного давления и температуры.
Части на миллион (частей на миллион) используются для выражения низких концентраций. Это и ppm v (одна объемная часть на миллион объемных частей), и ppm g (одна массовая часть на миллион массовых частей).
Погрешности измерения
Поянтие «точность» в техническом описании различных анализаторов, не всегда имеет четкое значение. Она может относиться либо к показаниям самого анализатора или подключенного электрического измерительного устройства, либо она применима только к выходному сигналу анализатора, и тогда окончательная неопределенность усугубляется погрешностью подключенного показывающего устройства.
На ошибки газоанализаторов влияет гораздо больше факторов, чем на другие приборы. На погрешность работы анализаторов влияют изменения переменных состояния (температуры, давления), изменения концентрации сопутствующих компонентов в анализируемой смеси, колебания уровня вспомогательной энергии или изменением расхода анализируемой пробы.
Калибровка также может быть специфическим источником ошибок газоанализатора. Хотя для калибровки электроизмерительных приборов всегда доступны достаточно точные эталоны, не всегда удается приготовить или получить смесь, состав которой известен с достаточной точностью для калибровки анализаторов. В основном это относится к смесям с низкими концентрациями измеряемого вещества.
Общая погрешность анализатора включает переменные воздействия окружающей среды, т. е. температуру, атмосферное давление, состав газа-носителя, переменный расход, базовую погрешность анализатора и погрешность подключенного измерительного прибора.
Колебания сетевого напряжения и частоты обычно не применяются, так как обычно используются стабилизированные источники. Опыт показывает, что для анализаторов следует ожидать общую погрешность от 1 до 5% от диапазона измерения.
Чувствительность
Чувствительность в общем случае определяется отношением изменения величины выходного сигнала dy к изменению измеряемой величины dx, т.е. для газоанализатора dy будет изменением выходного электрического сигнала, а dx будет изменение концентрации измеряемого газа.
Чувствительность чаще всего выражается приближенным выражением, которое дается долей изменения данных, соответствующей наименьшей части шкалы деления dy для приборов с аналоговым выходом на соответствующее изменение значения концентрации dx.
Чувствительность приборов с цифровым выходом определяется изменением данных на один разряд (изменением на единицу в последнем значащем разряде), вызванным соответствующим изменением концентрации газа.
Для приборов с линейной статической характеристикой чувствительность постоянна во всем диапазоне измерений. В случае нелинейной характеристики меняется чувствительность.
Селективность
Селективность выражает способность анализатора отличать измеряемый компонент от других компонентов смеси.
Показания идеального анализатора должны зависеть только от концентрации измеряемого вещества. На самом деле на показания каждого прибора в той или иной степени влияет наличие других компонентов смеси. Селективность также может быть выражена количественно.
В этом контексте можно встретить термины «поперечная чувствительность» или «перекрестная чувствительность», которые являются буквальным переводом немецких или английских терминов. Иногда используется (не совсем подходящий) термин «подрывное влияние».
Динамические свойства
Динамические свойства характеризуют влияние на данные анализатора изменения концентрации измеряемого компонента в точке отбора проб. В этом контексте часто говорят о «задержке» данных. Однако эта так называемая задержка не является простым сдвигом во времени между изменением измеренной концентрации и изменением выходных данных анализатора.
Динамические свойства анализаторов обычно оценивают по измеренной переходной характеристике, чаще всего как время отклика Т90, т. е. время, в течение которого показания анализатора достигают 90 % установившегося значения после ступенчатого изменения концентрации.
При описании динамических свойств анализаторов также необходимо учитывать транспортную задержку, возникающую при транспортировке анализируемого образца к анализатору.
Задержка транспортировки выражается временем, необходимым для транспортировки анализируемой пробы от точки сбора до входа в анализатор, и прямо пропорциональна объему трубопровода для отбора проб и обратно пропорциональна потоку пробы.
Уменьшить транспортную задержку можно, поместив анализатор как можно ближе к месту отбора проб или выбрав скорость потока большую, чем требуется для оптимальной работы, и включив анализатор в байпас.
Выходные сигналы газоанализаторов
Выходные данные анализатора обычно отображаются на дисплее, часто вместе с другой информацией. Обычно это:
- аналоговые выходы: от 4 до 20 мА (также несколько выходов), иногда от 0 до 20 В (с гальванической развязкой),
- цифровые выходы: релейные, до четырех беспотенциальных переключающих контактов, также опционально регулируемые,
- последовательный выход: RS-485, RS-232, USB,
- интерфейс связи: CAN, Ethernet, Modbus, Profibus PA, Profibus-DP и другие.
Также имеется прямая индикация данных на ЖКИ.
Сбор и обработка проб
Одним из важных вопросов, связанных с установкой анализатора, является выбор места отбора проб и обработка пробы перед входом в анализатор. В связи с этим можно различать экстрактивные (off-line) и неэкстракционные (in-situ) анализаторы.
Автономные экстрактивные анализаторы берут пробу газа из технологического устройства и после любой модификации проба подается в сам анализатор.
При проектировании установки анализатора большое значение имеет выбор места отбора пробы газа. Возможны два варианта расположения подписки:
- при отборе проб из исправных емкостей и трубопроводов требуется, чтобы отбираемый газ имел состав, соответствующий среднему по данному объему, для охранных устройств,
- наоборот, пробу берут из мест, где ожидается наибольшая концентрация контролируемого компонента, т.е. из самых опасных мест.
В маршрут отбора газообразной пробы обычно входят следующие устройства: пробоотборный зонд, пылевой фильтр, трубопровод (возможно, с подогревом), охладитель с сепаратором конденсата, насос или расходомер, в некоторых случаях осушитель газа.
Неэкстракционные анализаторы in-situ измеряют непосредственно в рабочем аппарате при заданных рабочих условиях. При измерении на месте не требуется никакого оборудования для сбора, транспортировки и обработки пробы газа.
Измерение in-situ ускоряет реакцию на изменение концентрации и тем самым сокращает время отклика анализатора. Однако не все типы анализаторов можно внедрить на месте.