Приборы для измерения концентрации вредных примесей в атмосфере

В данной курсовой работе рассмотрены различные приборы для измерения концентраций вредных примесей в атмосфере и их классификации. Также приведен принцип действия этих приборов и представлены принципиальные схемы работы.
Оценка 5 ...

Введение 2
1 Классификация оборудования для измерения концентраций вредных примесей в атмосфере 4
2 Газоанализаторы 5
2.1 Группы газоанализаторов по принципу действия 6
2.2 Принцип действия газоанализатора 7
2.3 Оптические газоанализаторы 8
2.4 Искровые пневматические газоанализаторы 9
2.5 Термокондуктометрические датчики 11
2.6 Термохимические датчики концентрации 12
2.7 Кондуктометр 13
3 Хроматограф 14
4 Сигнализатор 17
5 Газоопределитель 18
6 Течеискатель 20
Список источников 22

В современном мире, наряду со стремительным развитием прогресса, происходят значительные массовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, возрастает вероятность возникновения техногенных катастроф, утечка токсичного либо взрывоопасного газа чревата гибелью людей, большими материальными убытками и экстренной остановкой производства.
В связи с этим, необходим постоянный контроль качественного и количественного состава загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду
Для предупреждения и предотвращения негативных явлений, а также для экологического и технологического мониторинга технологических процессов и предназначены приборы для измерения концентрации вредных примесей в атмосфере.

9. По методу забора пробы:
диффузионные;
с принудительным забором пробы газа.
10. По принципу действия:
ручного действия;
автоматические. [1]
2 Газоанализаторы
Газоанализаторы – это устройства, предназначенные для определения концентрации различных газов в газовой смеси. Наиболее распространены газоанализаторы для измерения горючих или токсичных газов содержащихся в окружающем воздухе – воздухе рабочей зоны. Но существуют и другие типы устройств для измерения концентраций газов. Это и течеискатели, имеющие размеры сравнимые с размерами обычной шариковой ручки, и сложные газоаналитические комплексы с модулями отбора и подготовки проб газа, едва помещающиеся в огромных, специально сконструированных климатических шкафах. Но все они служат одной цели: обеспечению безопасности производственного процесса, защите персонала, выпуску качественной продукции и охране окружающей среды. [2]
2.1 Группы газоанализаторов по принципу действия
1. Первая группа газоанализаторов – это приборы, работа которых основана на физических методах анализа, которые включают в себя и вспомогательные химические реакции. Газоанализаторами из этой группы определяют изменение давления или объёма смеси газов в результате химических реакций отдельных её компонентов.
2. Вторую группу газоанализаторов составляют приборы, работа которых основана на физических методах анализа, а именно вспомогательных физико-химических процессах (фотоколориметрических, термохимических, электрохимических и других). Процессы, основанные на изменении цвета компонентов (веществ) в результате реакции с анализируемым веществом смеси газов, называются фотоколориметрическими. Процессы, основанные на измерении теплового эффекта в результате горения (реакции каталитического окисления) газа, называются термохимическими. Процессы определения концентрации газа в газовой смеси по значению электрической проводимости электролита, который поглотил этот газ, называются электрохимическими.
3. Третья группа газоанализаторов – это приборы, работа которых основана только на физических методах анализа (оптических, термокондуктометрических, термомагнитных и других), то есть на измерении температуры кипения, магнитной восприимчивости (термомагнитные методы), плотности, вязкости, поглощения и испускания света (оптические методы), теплопроводности (термокондуктометрические методы) и других физических свойств газовой смеси, зависящих от её состава. [2]
2.2 Принцип действия газоанализатора
Принцип действия основан на том, что составляющие вещества поглощаются в определенной последовательности особыми реагентами. Стационарное оборудование с автоматическим принципом действия производит измерения постоянно, то есть - без перерыва. Оно точно фиксирует все физико-химические показатели изучаемой газовой смеси. Подобные приборы дают возможность получать максимально точные итоги измерений при взаимодействии не только с самим веществом, но и с его отдельными компонентами.
Газоизмерительное оборудование бывает множества разновидностей и наименований. Некоторые из них функционируют на основе физических методов измерения, включающих в себя и применение вспомогательной химической реакции. Подобные приборы называются объёмно-монометрическими. Они позволяют предельно точно обнаруживать любые из изменений объема и давления, происходящие в наблюдаемой среде. Прибор сразу же фиксирует все реакции, в которые вступают отдельные составляющие газовой смеси.
Принцип работы газоанализатора может быть основан и на химических способах анализа наблюдаемой среды. Такие приборы могут отслеживать дополнительные термохимические, хроматографические, электрохимические и фотоколориметрические процессы, что зависит от сферы их применения и характеристик эксплуатации. Принцип действия оборудования также отличается. Например, термохимические приборы измеряют уровень тепла в процессе сгорания газа.
Наиболее часто подобное оборудование применяется тогда, когда нужно отслеживать окись водорода в воздушной среде при подозрениях на ее взрывоопасную концентрацию. Как правило, подобная работа производится с горючими газами, приборы термохимического типа при этом очень помогают.
Множество стационарных газоанализаторов работает только на физических принципах исследования. К данной группе приборов относятся анализаторы, которые функционируют при помощи магнитных и оптических способов измерения.
Газоанализаторам свойственна хорошая избирательная способность в отношении анализируемого компонента, причем для достижения такого эффекта используются различные физические явления, названия которых  употребляются в наименовании газоанализаторов. Ниже рассмотрены способы использования этих явлений, параметры которых преобразуются в электрический сигнал в конструкциях:
оптических газоанализаторов;
искровых пневматических газоанализаторов;
термокондуктометрических газоанализаторов;
термохимических датчиков концентрации;
кондуктометров. [3]
2.3 Оптические газоанализаторы
В основу работы оптического газоанализатора положено свойство селективного поглощения различными газами потока излучения. Обычно измерение селективного поглощения осуществляется в инфракрасной части спектра – в этой области особенно резко проявляется селективность поглощении отдельными газами определенной части инфракрасного излучения пропорционально его объемному содержанию.
В общем случае схема газоанализатора, работающая на этом принципе изображена рисунке 1.Схема содержит источник инфракрасного излучения, поток которого поступает в камеры двух оптических каналов. Оба канала идентичны в конструктивном исполнении, но отличаются по «внутреннему содержанию». Сравнительная камера заполнена чистым воздухом, а через объем рабочей камеры постоянно продувается контролируемая газовая смесь.
Проходя через объем рабочей камеры, поток излучения теряет часть энергии, соответствующую линиям поглощения контролируемого компонента (красный поток) и часть энергии, соответствующую линиям поглощения неизмеряемых компонентов (зеленый поток).
Через сравнительную камеру с чистым воздухом поток излучения проходит без потерь энергии.
Затем оба потока излучения поступают в фильтровальные камеры, которые заполнены неизмеряемыми компонентами газовой смеси и где полностью поглощается энергия, соответствующая их спектру.
Таким образом, в измерительную камеру одновременно поступает два потока излучения, результат вычитания энергий которых пропорционален концентрации определяемого компонента.
Сигнал, пропорциональный разности давлений в различных моделях может преобразовываться в импульсы давления или микропоток газа, которые преобразуются в электрический сигнал с помощью конденсаторного микрофона или мостовой схемы со встроенными резисторами и поступает в схему индикации. [3]
2.4 Искровые пневматические газоанализаторы
Искровой пневматический газоанализатор предназначен для оперативного контроля концентрации горючих газов в воздушной среде. В отличие от других типов газоанализаторов, предназначенных для контроля содержания определенных компонентов, искровой газоанализатор определяет взрывоопасную концентрацию любых газовоздушных смесей.
Принцип действия искрового газоанализатора базируется на искусственно вызываемом взрыве определенной порции анализируемого воздуха, смешанного с определенным количеством горючего газа в специальной камере, и по результатам определяют степень взрывоопасности контролируемого воздуха.
Весь процесс газоанализа строго регламентирован и все операции (дозирование, смешение, генерация искры, удаление продуктов взрыва) происходят последовательно и синхронизируются блоком управления.
Рис.2. Блок-схема, поясняющая работу искрового пневматического газоанализатора
Процесс анализа протекает следующим образом (Рис.2). Часть воздуха, поступающего из помещения на анализ по цепочке «входной огнепреградитель ОП 1– взрывная камера – выходной огнепреградитель ОП 2 – открытый клапан Кл 2 - эжектор» транспортируется на сброс.
Горючий газ с выхода дозатора поступает в пульсирующую емкость и по команде на открытие клапана Кл 1 из нее перетекает через входной огнепреградитель во взрывную камеру. Смешение горючего газа с анализируемым воздухом происходит при закрытом клапане Кл2.
В момент появления искры смесь в камере воспламеняется с последующим взрывом. В результате взрыва давление в камере повышается, измеряется датчиком давления. Величина этого давления однозначно связана со степенью взрывоопасности контролируемой атмосферы. [3]
2.5 Термокондуктометрические датчики
Работа термокондуктометрических газоанализаторов основана на зависимости теплопроводности газовой смеси от наличия различных компонентов, входящих в ее состав.
Измерительная ячейка датчика представляет обычно цилиндрический канал, заполняемый анализируемым газом и выполненный из материала хорошо проводящего тепло. Внутри канала располагается нагревательный элемент, запитанный от источника напряжения.
При заполнении ячейки воздухом и при стабильном значении тока, температура нагревательного элемента будет иметь определенную температуру, при которой количество тепла, полученное элементом, будет равно количеству тепла, отдаваемого им материалу канала вследствие теплопроводности воздуха.
Если вместо воздуха канал будет заполнен газом со значительно отличающейся теплопроводностью, то температура нагревательного элемента измениться, причем, если теплопроводность газа будет больше теплопроводности воздуха, то температура элемента снизится, а если меньше – повысится. Следовательно, измеряя темепературу нагревательного элемента с помощью датчиков температуры, можно судить о процентном содержании в смеси компонентов с определенной теплопроводностью.
Конструктивно чувствительный датчик газоанализатора (рис.3) представляет мостовую схему. Во все четыре плеча моста включены равные по величине платиновые резисторы
Рис.3 Измерительная ячейка термокондуктометрического газоанализатора
R1 - R4. Резисторы R1и R3 являются рабочими и размещены в каналах, через которые транспортируется анализируемая смесь, а резисторы R2 и R4 – сравнительные и расположены в закрытых каналах, заполненных воздухом.
При протекании через рабочие камеры анализируемой смеси мост разбалансируется, причем величина разбаланса пропорциональна теплопроводности анализируемого компонента и, следовательно, его концентрации, которая фиксируется вторичным прибором 2. [3]
2.6 Термохимические датчики концентрации
Принцип работы газоанализаторов, использующих термохимические датчики концентрации, основан на измерении повышения температуры нагретой платиновой нити, на поверхности которой происходит каталитическое сгорание горючих компонентов газовой смеси.
Основой измерительной схемы датчика, изображенного на рисунке 4, является мост Уитстона, но только в отличие от классической схемы в два плеча встроены терморезисторы R2 и R3: рабочий терморезистор R3 размещен в камере, через которую продувается анализируемая смесь, второй терморезистор R2 является сравнительным и установлен в герметичной камере, заполненной воздухом. В остальные два плеча встроены резисторы R1 и R4 из манганиновой проволоки.
Терморезисторы нагреваются током источника стабилизированного напряжения 1 до температуры, при которой на ее поверхности происходит каталитическое сгорание анализируемого компонента. В результате реакции горения температура терморезистора R3 резко повышается и, как следствие, увеличивается его сопротивление, что нарушает равновесное состояние моста. Величина разбаланса моста пропорциональна концентрации  анализируемого компонента и фиксируется измерительным прибором 2, включенным в диагональ моста.
Обычно датчики этого типа используются в качестве сигнализаторов при анализе горючих газов на производстве. [3]
2.7 Кондуктометр
Процесс измерения электропроводности производится теми же методами, что и измерение сопротивления. Зависимость электропроводности от концентрации раствора имеет практически линейный характер и определяется его физико-химическими свойствами.
Чувствительным элементом устройства служит кондуктометрическая ячейка, состоящая из двух электродов определенной площади и расположенных на определенном расстоянии между собой.
Для определения электропроводности в большинстве случаев используют мостовую схему, которая применяется для контроля сопротивления. Для исключения явления поляризации электродов, мост запитывается переменным напряжением: изменение направления движения тока устраняет поляризационное сопротивление.
Еще один вариант устранения поляризации электродов, это использование четырехэлектродных кондуктометрических ячеек (рис.5).
Рис.5 Четырехэлектродный датчик
Поляризационные электроды «защищают» измерительные электроды, с которых снимается напряжение на блок индикации. [3]
3 Хроматограф
Хроматограф — прибор для разделения и анализа многокомпонентных смесей веществ методом хроматографии, в основе работы которого положен один из самых современных методов анализа- хроматографии. Метод основан на различии в скоростях перемещения в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз.
В основу классификаций многочисленных хроматографических методов положены следующие признаки: агрегатное состояние подвижной и неподвижной фаз, механизм взаимодействия сорбент – сорбат, форма слоя сорбента (техника выполнения), цель хроматографирования.
Основные виды хроматографии:
по средам: газовая, газожидкостная и жидкостная;
по механизмам разделения: адсорбционная (молекулярная), ионообменная, осадочная и распределительная;
по форме проведения процесса: колоночная, капиллярная, бумажная и тонкослойная.
Хроматографы условно делят на две большие группы — газовые и жидкостные. В газовых хроматографах газом-носителем выступает газ, в жидкостной хроматографии носителем является жидкость. Основным конструктивным элементом хроматографов являются колонки, в которой происходит разделение компонентов исследуемой смеси. Другим важным элементом является детектор, который реагирует на изменение концентрации определяемого вещества. [4]
Принципиальная схема работы хроматографа показана на рисунке 6
Рис. 6 Принципиальная схема работы хроматографа
1-баллон с инертным газом; 2-устройство для ввода пробы в хроматографическую колонку; 3-хроматографическая колонка; 4-термостат; 5-детектор; 6-преобразователь сигналов; 7-регистратор.
Ввод газообразной пробы и жидкой осуществляется либо вручную (газовым шприцем или микро-шприцем), либо автоматически – при помощи микродозаторов. В хроматографической колонке происходит разделение исходной многокомпонентной смеси на ряд бинарных смесей, состоящих из газа-носителя и одного из анализируемых компонентов. В результате происходящих в детекторе процессов (изменения теплопроводности), фиксируется изменение концентрации выходящих компонентов: преобразованные в электрический сигнал, эти процессы записываются в виде выходной кривой.
Газохроматографический процесс осуществляют в специальных приборах - газовые хроматографы. Каждый из них имеет систему подачи потока газа-носителя, систему подготовки и ввода исследуемой смеси, хроматографическую колонку, с системой регулирования температуры, детектор и систему обработки и регистрации результатов анализа.
Принцип работы газового хроматографа заключается в следующем. Поток газа – носителя из баллона 1 через регуляторы расхода и давления непрерывно и в регулируемом количестве подаётся через испаритель в хроматографическую колонку 3 и затем - в детектор 5. С помощью специальных устройств: шприцов -дозаторов , пробоотборного крана подают анализируемую пробу в систему ввода 2, откуда она в соответствующем виде переносится потоком газа-носителя непосредственно в колонку. При прохождении полученной газовой смеси вдоль сорбента происходит разделение. Из колонки газовый поток, несущий в определенной последовательности разделённые компоненты, поступает в детектор 5. Электрический сигнал от детектора преобразуется в преобразователе сигналов 6 и регистрируется на компьютере 7 в виде хроматограммы.
Таким образом, основными системами любого газового хроматографа являются колонка и детектор. Хроматографическая колонка разделяет, а детектор количественно определяет компоненты проходящей через неё газовой смеси.
Детекторы подразделяются на дифференциальные и интегральные. Дифференциальные детекторы отмечают практически мгновенное изменение какой-либо характеристики, интегральные – суммируют изменение её за определенное время. Дифференциальные детекторы могут показывать как изменение концентрации на выходе, так и произведение концентрации на скорость. Принципы, положенные в основу действия детектора, могут быть разнообразными. Наибольшее применение находят дифференциальные детекторы, регистрирующие изменение теплопроводности газа или измеряющие ток, проходящий через ионизированный газ – пламенно- ионизационный, электронно – захватный, аргоновый. В детекторе чувствительным элементом является вольфрамовая нить, нагреваемая постоянным током. Газ – носитель, непрерывно протекая над ней, отводит тепло с постоянной скоростью. Если в газовой смеси над нагретой нитью появляются молекулы анализируемого вещества, то скорость отвода тепла и, как следствие, температура и электросопротивление нити изменяются. Изменение электросопротивления нити пропорционально концентрации компонента в газовой смеси. Разница в показаниях до и после прохождения какого-либо компонента регистрируется электрической схемой. Этот детектор практически универсален. Он позволяет определить концентрацию вещества в пределах 0,1–0,01%.[5]
4 Сигнализатор
Газосигнализатор - автоматический прибор для непрерывного или периодического контроля за состоянием воздуха и выдачи сигналов о появлении в нём токсических веществ в газообразном и парообразном состоянии.
Применяется при химразведке для обнаружения паров аварийно химически опасных веществ в атмосфере и для контроля воздуха в обитаемых подвижных и стационарных объектах. Состоит из чувствительного элемента (детектора), с помощью которого регистрируются опасные вещества, преобразователя (или усилителя), сигнального устройства и источника питания. В зависимости от условий эксплуатации может иметь также воздухозаборное устройство, фильтры, сепараторы, концентраторы. [6]
Сигнализаторы бывают непрерывного и периодического действия. Подразделяются на локальные, контролирующие атмосферу в месте установки прибора, и дистанционные, обнаруживающие аварийно химически опасные вещества на расстоянии. Среди локальных наиболее распространены ионизационные (детектор регистрирует изменение электропроводности воздуха в присутствии аварийно химически опасных веществ). Применяются также, основанные на полярографическом и кулонометрическом (по изменению электрических параметров), фотометрическом (по изменению окраски индикатора), люминесцентном (по свечению индикатора) методах регистрации. Получили развитие на основе полупроводниковых, пьезоэлектрических и электрохимических детекторов малых и сверхмалых размеров, называемых сенсорами. В дистанционных реализуется принцип активной и пассивной локации. В качестве источника излучения при активной локации используется лазер. О появлении аварийно химически опасных веществ судят по изменению излучения до и после его взаимодействия с аварийно химически опасными веществами. При пассивной локации регистрируется собственное излучение аварийно химически опасных веществ на фоне излучения окружающей среды. [6]
Принцип действия сигнализаторов основан на преобразовании уровня концентрации газа в напряжение с помощью термохимического датчика, сравнении полученного напряжения с заданными напряжениями, соответствующими пороговым уровням загазованности и выработку звуковых, световых и управляющих сигналов в соответствии с логикой работы сигнализатора.