Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

Естественнонаучный факультет

Кафедра Промышленной экологии и техносферной безопасности

РЕФЕРАТ

Анализаторы киcлорода

Выполнила: Пучкова Татьяна

Группа: А4105

Санкт-Петербург

2022 год

Оглавление

Введение. 3

Электрохимическая технология. 4

Цирконевая технология. 7

Парамагнитная технология. 12

Измерение кислорода на основе метода лазерной спектроскопии. 16

Заключение. 18

Список литературы.. 19

Введение

         Наиболее распространенной задачей в области газового анализа является контроль содержания кислорода в различных процессах. Измерение кислорода критически важно для обеспечения безопасности производства и контроля качества продукции. Измерения концентрации кислорода в различных растворах и газах требует масса отраслей промышленности – химическая, нефтехимическая, фармацевтика, пищевая промышленность и др. Любое применение каких-либо биотехнологий подразумевает знание концентрации кислорода.

         Кислород — самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений), приходится около 47,4 % массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8 % (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % (по объёму) в воздухе массовая доля кислорода составляет 23,12 % . Элемент кислород входит в состав более 1500 соединений земной коры. Кислород (О2) входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках.

         Кислород – это сильный окислитель, взаимодействующий практически со всеми элементами таблицы Менделеева, образуя, при этом, оксиды. Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород при нормальных условиях — газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O2), в связи с чем его также называют дикислород. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.

         Существует довольно много химических способов определить концентрацию кислорода, наиболее популярным в этом отношении является метод Винклера. Он подразумевает проведение определенных химических реакций: реакция кислорода с гидроокисью марганца и йодометрическое титрование, благодаря которым представляется возможным определить количества вещества кислорода в единице объема. Однако возможны ошибки из-за наличия в воде редокс-активных примесей: наличие двух- и трехвалентного железа, нитритов, сульфидов и органических существ препятствует получению объективных данных. Несмотря на то, что метод Винклера включен в стандартный набор химических методов анализа растворов и разработано множество его модификаций, позволяющих избежать подобных ошибок, в полевых условиях не представляется возможным оперативно определить концентрацию кислорода.

         С этой целью разработаны специальные приборы — анализаторы кислорода. Анализатор кислорода – это специализированный измерительный прибор, который предназначается для оперативной оценки содержания кислорода в растворах, смесях и других средах, в лабораторных, промышленных или полевых условиях.

         Для измерения кислорода используются несколько технологий: парамагнитная (измерение на процентном уровне), лазерная спектроскопия, циркониевая (измерение на уровне ppm) и электрохимическая (измерение в широком диапазоне от 0-10 ppb до 0-100%, иногда с большей точностью, срок службы измерительных ячеек ограничен).

Электрохимическая технология

       Для ряда применений единственным средством решения задачи измерения следов кислорода является электрохимический метод. Абсолютное большинство анализаторов следового кислорода в таких газах, как этилен, пропилен, природный газ, водород и других, выполнены на основе электрохимических сенсоров. Также электрохимические анализаторы отлично себя зарекомендовали при измерении кислорода на уровне ниже 10 ppm в инертных газах, таких как азот, аргон, гелий и др. Основным преимущество — отсутствие у них чувствительности к водороду и углеводородам, также содержащихся в инертных газах в микроонцентрациях.

         Принцип работы электрохимического сенсора прост и аналогичен принципу действия обычной батарейки. Принцип действия прибора основан на явлении протекания специфичной химической реакции (электрохимической реакции) в электрохимической ячейке, представляющей собой емкость с раствором электролита с электродами (анодом и катодом). Анализируемый газ вступает в химическую реакцию с электролитом, заполняющим ячейку. В результате в растворе возникают заряженные ионы, между электродами начинает протекать электрический ток, пропорциональный концентрации анализируемого компонента в пробе. Электрический датчик обрабатывает возникающий электрический сигнал.

Рис.1 Принцип работы электрохимического анализатора кислорода

Анализатор кислорода Teledyne 3020

         Анализатор кислорода, модель 3020P, фирмы Teledyne – это универсальный, точный, управляемый микропроцессором прибор для измерения кислорода на процентном уровне в различных газовых смесях. Прибор поставляется в полностью взрывозащищенном исполнении для

монтажа на панель, и разработан для того, чтобы сделать анализ кислорода на процентном уровне легче, быстрее и точнее, чем когда-либо ранее. Простой интерфейс меню, внешние доступные переключатели и двойной LCD и светодиодный дисплеи делают настройку и работу анализатора ясной и быстрой.

Рис. 2 Анализатор кислорода Teledyne 3020

         Применение:

1.     Мониторинг химических реакций

2.     Контроль защитных атмосфер

3.      Разделение и сжижение воздуха

4.      Производство полупроводников

5.      Управление нефтехимическим производственным процессом

6.      Контроль качества

7.      Поверка газоанализаторов

         Технические характеристики:

Диапазоны: три программируемых пользователем диапазона (минимально 0-1%) с автоматическим переключением диапазонов измерения

Диапазон калибровки: 0 — 25%

Точность: ±2% от полного диапазона при постоянной температуре

Чувствительность: 0,5% от полного диапазона

Время отклика: 90% истинного значения через <10 секунд при 25 °С

Рабочая температура: от 0 °С до 45 °С

Выходные сигналы: 0-1 В пост . тока

Дисплей: пятиразрядный светодиодный, высота символов 3/5”

Меню дисплея: 20 символов, 2 строчное

Цифровой выход: двунаправленный последовательный цифровой интерфейс

RS-232С, скорость 2400 бод

Сигнализация: одно реле тревоги для обнаружения отказа питания, калибровки, нуля и сенсора; два полностью программируемых реле пределов концентрации

         Преимущества:

·        Линейная характеристика на всех трех программируемых пользователем диапазонах

·        Автоматическое переключение диапазонов измерения

·         Цифровой интерфейс обеспечивает удаленное управление прибором

·        Надежный сенсор с большим сроком службы, не требует тех. обслуживания

·         Функция полной самодиагностики

Цирконевая технология

         Цирконевую технологию используют для анализа содержания кислорода на процентном уровне в дымовых газах. В других процессах с её помощью измеряют концентрацию кислорода на следовом уровне.

         Диоксид циркония ZrO2 обладает уникальным свойством: при температурах свыше 500 °C вещество, легированное оксидами иттрия или кальция, становится проницаемым для ионов кислорода. Если газы с различным парциальным давлением кислорода разделить перегородкой из диоксида циркония, то в кристаллической решётке пластинки возникнет поток ионов кислорода. Поток направлен в сторону газа с меньшим парциальным давлением кислорода и создаёт на противоположных сторонах пластинки разность потенциалов. Данное свойство диоксида циркония используется для измерения концентрации кислорода в газах.

Рис.3 Принцип циркониевой технологии

Диск из диоксида циркония выступает в качестве разделителя между исследуемым и опорным газом (обычно — воздухом), к каждой стороне диска подведены электроды из платины. При нагревании диска возникает электродвижущая сила, величина которой зависит от различия в концентрациях кислорода по разные стороны диска. Её значение пропорционально логарифму отношения парциального давления кислорода в исследуемом и опорном газе (формула Нернста):

ε = RT4F ln P2P1

R — универсальная газовая постоянная,

T — температура,

F — постоянная Фарадея,

P2 — парциальное давление кислорода в опорном газе,

P1 — в исследуемом.

Циркониевая технология позволяет устанавливать измерительную ячейку непосредственно в высокотемпературный процесс, анализ не требует дорогостоящих систем отбора и подготовки пробы.

Как видно из формулы Нернста, выходной сигнал увеличивается с уменьшением концентрации кислорода в исследуемом газе. Это позволяет измерять концентрацию кислорода на следовом уровне в чистых газах.

Недостатком технологии является ощутимая погрешность, связанная с возможным догоранием и окислением на поверхности ячейки таких компонентов, как H2, CH4 или CO. В присутствии катализатора (платиновых электродов) эти газы проявляют сильные восстановительные свойства, они связывают кислород на поверхности ячейки и искажают показания прибора. Поэтому для такого типа измерений используются ячейки с золотыми электродами и более низкой рабочей температурой. К сожалению, из-за низкого сродства золота к диоксиду циркония они менее устойчивы к механическим повреждениям и загрязнениям. Отчасти эта проблема решается на стадии проектировки системы подготовки пробы. Для измерения следового кислорода в горючих смесях используется электрохимическая технология.

Циркониевые ячейки кислорода имеют ряд преимуществ по сравнению с другими существующими методами измерения концентрации кислорода:

·        Ячейка может быть размещена непосредственно в потоке дымовых газов, что повышает чувствительность газоанализатора и уменьшает время отклика.

·        Ячейка кислорода может применяться при анализе влажных газов, так как работает при высокой температуре, превышающей значение температуры точки росы дымовых газов.

·        Отсутствует необходимость в предварительной подготовке пробы газа для анализа (очистка, охлаждение и осушка), тем самым снижаются затраты на приобретение и обслуживание оборудования.

·        Циркониевая ячейка не подвержена воздействию вибрации.

·        Выходной сигнал ячейки возрастает при уменьшении концентрации кислорода в анализируемом газе.

·        Срок хранения запасной ячейки практически не ограничен.

Циркониевый анализатор кислорода ZR Yokogawa

Циркониевые анализаторы кислорода Yokogawa предназначены для измерения концентрации кислорода в дымовых газах и смесях газов в пределах: 0-5….0-100 объемных % кислорода.

Циркониевый анализатор кислорода ZR Yokogawa состоит из двух основных блоков:

— зонда(детектора) с измерительной циркониевой ячейкой

— блока преобразователя.

Циркониевый анализатор кислорода ZR Yokogawa выпускается в интегральном (с совмещенными блоками) и раздельном (с раздельными блоками) исполнении. Циркониевым анализаторам кислорода раздельного и интегрального типа не нужны устройства пробоподготовки, они допускают прямой монтаж детектора в стенки трубы или печи. Анализатор в интегральном исполнении и преобразователь при раздельном исполнении стационарно врезается в процесс и монтируется на внешней стороне трубы или печи.

Рис.4 Анализаторы кислорода ZR Yokogawa

Преобразователь раздельного типа оснащается сенсорным жидкокристаллическим экраном, имеющим различные установочные дисплеи, калибровочные дисплеи, дисплеи тренда концентрации кислорода, которые отличаются простотой работы и расширенными функциональными возможностями. Преобразователь имеет различные стандартные функции, например, для выполнения измерений и вычислений, а также функции техобслуживания, включая самотестирование. Этот преобразователь используется как в анализаторе кислорода, так и анализаторе влажности для высоких температур.

В приборе интегрального типа детектор и преобразователь объединены, что уменьшает длину проводки, трубной обвязки и общую стоимость монтажа. Клавиатура в данном виде анализатора реализована в виде инфракрасных датчиков, улавливающих тепловое излучение человеческого тела. Подобная разновидность бесконтактных клавиатур позволяет настраивать прибор, не нарушая его герметичности, что значительно упрощает эксплуатацию прибора на площадке. Однако преимущество анализатора раздельного типа то, что подобная конструкция позволяет размещать датчик на расстоянии до 300 м от преобразователя и дает возможность контролировать процесс прямо из операторной. Это особенно актуально при эксплуатации прибора в суровых климатических условиях.

Конструктивное исполнение циркониевого анализатора кислорода ZR Yokogawa обеспечивает длительный срок службы в разных процессах, в т.ч. и в жестких условиях: при высоких температурах, в газовых потоках, загрязненных пылью и твердыми частицами, и т.п. Программируемый пользователем преобразователь обладает развитыми функциями, в частности, функцией самодиагностики, в т.ч. диагностика детектора — циркониевой ячейки.

Возможны по выбору пользователя автоматическая, полуавтоматическая, ручная калибровка, различные варианты конфигурации анализатора, использование многоканального преобразователя.

Основные характеристики циркониевого анализатора кислорода ZR Yokogawa:

Измеряемая среда: О2 в дымовых газах и смесях газов (кроме воспламеняющихся газов).

Пределы измерений мин.-макс.: 0-5…0-100 объемных % О2.

Воспроизводимость: 0,5% шкалы.

Время прогрева: 20 минут.

Время отклика: 90% отклика в течение 5 сек.

Температура измеряемой среды: 0…700°С; 0…1400°С (высокотемпературная модификация);

Давление измеряемой среды: до 250 кПа.

Температура окружающей среды:

зонд: 10…150°С;

преобразователь: -20.. .55°С.

Длина погружной части детектора:

0,4; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0м (для модификации общего назначения);

1,0; 1,5 м (для высокотемпературной модификации).

Реле сигнализации: по выбору из имеющихся 13 типов.

Питание: 220 В / 50 Гц.

Масса Циркониевого анализатора килорода ZR Yokogawa

зонда: 6 — 28 кг;

преобразователя: 6 кг.

Парамагнитная технология

Парамагнитную технологию используют для измерения концентрации кислорода в газовых смесях.

Большинство газов — диамагнетики, они выталкиваются магнитным полем. Кислород — редкое исключение, проявляет сильные парамагнитные свойства, его магнитная восприимчивость в среднем в пятьдесят раз выше, чем у большинства газов. Абсолютным антиподом кислорода является азот, его магнитная восприимчивость близка к нулю. Свойства этих двух газов лежат в основе ряда «парамагнитных методов» определения концентрации кислорода.

Рис. 5 Принцип действия парамагнитной технологии

В анализаторах кислорода используется так называемая магнитодинамическая ячейка. Два постоянных магнита создают неоднородное магнитное поле. В зоне его действия на тонкой нити подвешено гантелевидное тело из двух стеклянных сфер, заполненных азотом. На оси вращения сфер установлено зеркало, на которое направлен пучок света. Отражённый свет направляется на фотоприёмник.

Кислород из пробы стремится в точки с максимальной магнитной индукцией и выталкивает сферы, изменение положения сфер фиксируется фотоприёмником. Фотоприёмник в свою очередь связан с катушкой, нить от которой намотана на поперечине гантели. Чем выше сила тока, который требуется подать, чтобы вернуть сферы в исходное положение, тем больше кислорода в пробе.

Магнитная восприимчивость веществ зависит от температуры, поэтому для повышения точности измерений в некоторых приборах используется принцип термостатирования ячейки.

Преимущества:

·        быстродействие, как следствие простоты измерений и малого объема измерительной ячейки,

·        линейность выходного сигнала,

·        отсутствие значимого влияния фоновых газов,

·        возможность работы с коррозийными, агрессивными и горючими смесями,

·        отсутствие движущихся частей,

·        длительный срок службы.

Модель MG8E Yokogawa Парамагнитный анализатор кислорода (взрывозащищенный)

Рис.6 Анализатор кислорода Модели MG8E

Парамагнитный анализатор кислорода Модели MG8E, действие которого основано на притяжении газообразного кислорода магнитом, производит измерение концентрации кислорода. Датчик использует магнитную пропорциональную расходную систему коэффициентов, и обеспечивает высокие эксплуатационные качества. В отличие от циркониевого анализатора кислорода, который не может измерять кислород в смесях горючих газов, MG8E может измерять не только концентрацию кислорода в смесях горючих газов, но также его низкие концентрации с высокой точностью.

MG8E имеет взрывозащитную конструкцию, для использования во взрывоопасной атмосфере. Конвертор оснащен микропроцессором для упрощения эксплуатации и расширения самодиагностики.

Анализатор может использоваться совместно с системой пробоотбора при высокой температуре, высоком давлении, F00.EPS высокой запыленности, или с газовыми смесями с высокой влажностью.

         Основные характеристики:

Объект измерения: концентрация кислорода в газообразных смесях

Диапазон измерений: 0-1 до 25 % О2

Аналоговый выход: 4-20 мА (нагрузка не более 550 Ом)

Дискретный выходы: (125 В пер. 3А, 30 В пост. 3А)

Общая неисправность -1 точка

Низкое давление вспомогательного газа (N2)-1 точка

Техобслуживание-1 точка

Сигнализация (Высокий /Низкий уровень)-2 точки

Повторяемость: ± 1 % от диапазона

Линейность: ± 1 % от диапазона

Технические условия для газов:

Тестируемый газ

Расход: от 500 до 800 мл/мин с колебанием не более ± 10 %

Давление: 1 кПа на входе в анализатор

Температура: от 0 до 60 °С

Влажность: без конденсата

Вспомогательный газ: (азот)

Диапазон измерений

Чистота N2

0…5 % O2 и ниже

99.999 %

0…5 % O2 и выше

99.99 %

Основные преимущества:

·        Долгий срок службы чувствительного элемента вне зависимости от типа газа.

·        90% отклик в течении 3 сек.

·        Отсутствие движущихся частей.

·        Функция компенсации «мешающих» компонентов (Н2 и т.п.).

·        Компенсация ошибок атмосферного давления.

·        Калибровка «одним касанием» автоматическая калибровка

·        Многоплановая функция самодиагностики

Измерение кислорода на основе метода лазерной спектроскопии

С каждым годом получают все более широкое распространение, лазерные анализаторы. Одними из основных применений данных анализаторов является измерение кислорода в дымовых газах, вакуумных колоннах синтеза углеводородов и трубопроводах отходящих газов, содержащих углеводороды и другие взрывоопасные компоненты. Лазерные анализаторы реализуют бесконтактный способ измерения и могут быть использованы для измерений в агрессивных или реакционноспособных газовых потоках.

Молекулы кислорода поглощают определенные длины волн электромагнитного излучения (760нм). Поглощение длин волн, близких к линии спектра поглощения минимально. Пропуская лазерный луч через анализируемый газ, содержащий молекулы кислорода, и настраивая длину волны луча на одну из точек линии спектра поглощения, и измеряя его интенсивность в конце оптического пути, мы можем измерять концентрацию кислорода в объеме, через который проходит лазерный луч. Способность быстрой настройки лазера на определенную длину волны используется для быстрого сканирования линии спектра поглощения и выбора наиболее подходящей длины волны, обеспечивая при этом стабильную повторяемость. В процессе сканирования интенсивность излучения лазерного луча, проходящего через измеряемый газ, регистрируется фотодетектором. Когда длина волны луча выходит за пределы линии спектра поглощения измеряемого вещества, интенсивность становится выше, чем на длинах волн, лежащих на линии спектра поглощения.

Лазерные анализаторы 5100

Рис.7 Лазерные анализаторы 5100

Лазерный анализатор модели 5100 предназначен для измерения концентрации кислорода в различных, в том числе углеводородных, газовых потоках. Анализатор используется в таких процессах, как: добыча, хранение и транспортировка углеводородных газов, очистка природного и нефтяного попутного газа, производство мономеров, контроль кислорода в газах продувки.

В отличие от анализаторов с ячейками на основе оксида циркония лазерные анализаторы реализуют бесконтактный способ измерения и могут быть использованы для измерений в реакционно-способных газах и смесях. В частности, возможно определять концентрацию кислорода в горючих газах, где ячейки на основе оксида циркония неприменимы. Способ измерения обеспечивает селективность по отношению к кислороду и нечувствительность к другим компонентам газовых потоков. Оптическая схема включает дополнительную ячейку с фиксированной концентрацией кислорода, что позволяет постоянно контролировать частоту излучения лазера и исключить ее «уход» с линии поглощения молекул О2.

Особенности:

·        Встроенная система проверки (стабилизации частоты излучения лазера).

·        Нечувствительность к горючим примесям в газе.

·        Цифровая обработка сигнала.

·        Интегрированная система подготовки пробы.

·        Лазерный анализатор кислорода в технологических газах со встроенной системой проверки правильности показаний на потоке

         Основные технические характеристики:

Диапазон измерения: 0,1 …100% об. O2

Приведённая погрешность, % *: ±1

Время отклика (Т63), с: 1

Макс. температура пробы, °С: 100

Давление пробы, кПа: 70…170

Температура окружающей среды, °С: -20… 60

Габариты полевого блока, мм: 830 х 674 х 305

Масса, кг: 59

Заключение

Применение анализаторов кислорода существенно повышает эффективность проведения химико-технологических процессов и долговечность работы дорогостоящего оборудования, обеспечивая экономический эффект, несоизмеримо превышающий стоимость приборов.

Однако перечень приборов, контролирующих содержание кислорода (О2) достаточно широк.

Чтобы подобрать именно тот прибор, который вам нужен, следует определиться со следующим:

·        Необходим ли постоянный контроль уровня кислорода в каком-либо помещении. Если да, то необходимо выбрать стационарный измеритель кислорода.

·        Является ли целью ведение периодического контроля загазованности, без зависимости от источников питания. В таком случае необходимо остановить свой выбор на мобильных моделях кислородомеров.

·        Требуются ли точные показания содержания кислорода. Если требуется, то стоит обратить внимание на газоанализаторы.

·        Если важна сигнализация при достижении порога опасности, то достаточно приобрести сигнализатор или газосигнализатор.

Список литературы

1.     http://www.ecounit.ru/artikle_67.html

2.     http://ooobeg.ru/index.php?option=com_scatalog&view=category&id=113:2022-07-27-16-55-46&Itemid=12

3.     http://www.pmi-systems.ru/

4.     http://www.kipkomplekt.ru/jurnal/kislorod.php

5.     http://ecmoptec.ru/material/materials_id/13

6.     http://www.regular.ru/encyclopedia/zirconium/

7.     http://yokogawa.kip-postavka.ru/GS/Analit/GS11M12A01-01Rzr(hr).pdf

8.     http://www.yokogawa.ru/upload/iblock/022/0225ce5ee5e893c45e2cbfe7c8fc2240.pdf

9.     http://www.artvik.com/rus/products/flue_gas/5100-o2.html