Анализаторы кислорода
федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ»
Кафедра экологии и техносферной безопасности
РЕФЕРАТ
на тему: «Анализаторы кислорода»
Автор:
Максимов Р.И.
Факультет НЭ
Группа №W4150
Преподаватель:
Белобородов В.В.
Санкт-Петербург 2022
Содержание
Введение……………………………………………………………………..…….2
1. Циркониевая технология………………………………………………….…..5
1.1. Циркониевый анализатор кислорода ZR Yokogawa……………….……9
2. Термомагнитный принцип действия…………………………………………13
2.1. Термомагнитный анализатор кислорода XMO2………………………..15
3. Парамагнитный принцип действия…………………………………….……17
3.1. Парамагнитный анализатор кислорода Teledyne3020M…………….…18
4. Электрохимический принцип действия……………………………………..22
4.1. Анализатор кислорода Instatrans…………………………………..…….24
5. Метод лазерной спектроскопии………………………………………….….26
5.1. Поточный лазерный анализатор LGA-4000…………………..….……..28
Заключение……………………………………………………………………….31
Список литературы ………………………………………………………….….32
Введение
Наиболее распространенной задачей в области газового анализа является контроль содержания кислорода в различных процессах, например при контроле промышленных выбросов, мониторинге загрязнения атмосферного воздуха, контроле выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. 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, фармацевтическая, пищевая промышленность и др. Любое применение каких-либо биотехнологий подразумевает знание концентрации кислорода.
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.
Принципы работы анализаторов кислорода:
Для измерения кислорода используются несколько технологий:
1. Циркониевая (измерение на уровне ppm);
2. Термомагнитная (измерение на процентном уровне);
3. Парамагнитная (измерение на процентном уровне);
4. Электрохимическая (измерение в широком диапазоне от 0-10 ppb до 0-100%;
5. Метод лазерной спектроскопии (измерение поглощения кислородом электромагнитного излучения).
1. Циркониевая технология
Циркониевую технологию используют для анализа содержания кислорода на процентном уровне в дымовых газах при контроле промышленных выбросов. 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. 1. Принцип действия циркониевой технологии.
Диск из диоксида циркония выступает в качестве разделителя между исследуемым и опорным газом (пром. выбросом), 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):
;
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.
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.
Преимущества:
· устойчивость к «кислородному шоку»,
· скорость работы намного выше, чем при электрохимическом анализе,
· возможность проведения измерений во «влажной» среде (в газах с температурой точки росы до 180 °C).
Среди фирм, выпускающих циркониевые анализаторы кислорода, лидерами являются «Вестингауз», «Сервомекс», «Кент», предлагающие целую серию моделей, предназначенных для контроля содержания кислорода в дымовых газах печей любой мощности и назначения, т.е. при промышленных выбросах.
Типичная структура системы анализа отходящих газов показана на рис. 2
Циркониевый датчик помещается непосредственно в измеряемую среду, что исключает погрешности измерения, вносимые пробоотборной и пробоподготовительной системами, и уменьшает время запаздывания. Электронный блок, обеспечивающий стандартный выходной сигнал, переход с одного диапазона измерения в другой, индексацию результатов измерения непосредственно на месте, предназначен для настенного монтажа. Гибкий, трубопровод предназначен для подачи стандартного газа (воздуха).
Число фирм, выпускающих аналогичные приборы, постоянно увеличиваются.
1.1. 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.3. — 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.
2. Термомагнитный принцип действия
Принцип действия газоанализатора термомагнитного базируется на зависимости от концентраций О2 магнитной восприимчивости газовых смесей, поскольку величина объемной магнитной восприимчивости кислорода выше на два порядка, нежели у большинства прочих газов.
Посредством устройств такого типа можно уверенно определять кислород в составе газовых сложных смесей. Газоанализатор термомагнитный функционирует, используя термомагнитную конвекцию содержащей кислород газовой смеси в неоднородных температурном и магнитном полях.
На рис. 4 представлена схема газового потока в измерительной камере газоанализатора МГК-348, в котором используется явление термомагнитной конвекции.
Если в смеси содержится кислород, то он взаимодействует с магнитным полем полюсов, в результате чего над термоэлементом возникает охлаждающий его газовый поток.
В свою очередь кислород, нагревшись, в значительной мере теряет свои магнитные свойства и выталкивается очередной «холодной» порцией анализируемого газа. Таким образом, над термоэлементом возникает непрерывный газовый поток, величина которого будет определяться концентрацией кислорода в смеси. Соответственно этому, степень охлаждения термоэлемента также будет определяться концентрацией кислорода. Различная температура и, следовательно, различное сопротивление плеч измерительного моста приведут к его разбалансировке. Напряжение дисбаланса, пропорциональное концентрации кислорода в анализируемой смеси, подается на вторичный регистрирующий прибор.
Автоматический магнитный газоанализатор на кислород МГК. Этот прибор предназначен для непрерывного определения концентрации кислорода в отходящих печных газах вращающихся и шахтных печей.
Исследуемая смесь газов пропускается через измерительную камеру 1 (рис. 4). Постоянные магниты 4 создают в камере сильное магнитное поле. В камере симметрично установлены два одинаковых термоэлемента 2 и 3 из платиновой проволоки, один из которых расположен в магнитном поле. Оба элемента включены в мостовую измерительную схему прибора.
Если в контролируемом газе не содержится кислород, то температура термоэлементов одинакова и мостовая схема находится в равновесии, а стрелка прибора стоит на нуле шкалы. При появлении в газе кислорода элемент 3, находящийся в магнитном поле, охлаждается конвективным потоком газа и его сопротивление изменяется. Мостовая измерительная схема при этом выходит из равновесия и стрелка прибора отклоняется по шкале пропорционально содержанию кислорода в газе.
2.1. Термомагнитный анализатор кислорода XMO2.
Рис.5. Термомагнитный анализатор кислорода XMO2.
Рис.6. Схема кислородной термомагнитной измерительной ячейки XMO2.
Парамагнитные свойства кислорода обуславливают втягивание в магнитное поле пробы кислородсодержащего газа. Магнитная восприимчивость кислорода уменьшается с увеличением температуры. Введение кислородсодержащей газовой смеси в магнитное поле, и ее нагрев приводит к возникновению вынужденного движения газовой смеси, при котором нагретая газовая смесь непрерывно вытесняется холодной смесью. Образующий конвекционный поток газа приводит к изменению сопротивления пары термисторов.
Определение концентрации кислорода и компенсация газового фона выполняется с помощью встроенного в преобразователь микропроцессора.
3. Парамагнитный принцип действия
Парамагнитными свойствамиобладают кислород и окись азота, причем по абсолютному значению их магнитная восприимчивость в 100 раз и более превосходит магнитную восприимчивость остальных газов и паров. На этом основано измерение концентрации кислорода в многокомпонентной смеси.
Рис. 7. Принцип действия парамагнитной технологии.
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.
3.1. Анализатор кислорода Teledyne3020М
Рис.8. Внешний вид анализатора кислорода 3020М.
Рис.9. Схема основных внутренних компонентов анализатора кислорода Teledyne3020M.
Технические характеристики
Диапазоны измерения
от 0-5 % до 0-100% программирование, (опционально 0-1%)
Взрывозащита
Exd IIB H2 T5/T6
Время отклика
90% истинного значения через <10 секунд
Рабочее давление
0,3-1,2 бар изб. на входе в анализатор, атмосферное (на сбросе пробы)
Калибровка
По газу с известной концентрации кислорода на уровне 80% от диапазона измерения, нулевой газ — основной фоновый газ без содержания кислорода
Рабочая температура
0°С… 50°С
Точность
±1 % от полного диапазона при постоянной температуре
Выходные сигналы
0-1В и 4-20мА постоянного тока, изолированные цифровой двунаправленный интерфейс RS-232 с возможностью расширения до RS-485
Чувствительность
0,5% от диапазона
Реле тревоги
одно реле тревоги срабатывает при отключении питания или неисправности анализатора, два программируемых реле пределов концентрации
Тип корпуса и класс защиты
Взрывонепроницаемая оболочка, IP67
Габариты
623 В х 388 Ш х 288 Г
Масса
50 кг
Электропитание
85- 240 В, 50/60 Гц
Описание
Полностью взрывозащищенная версия, имеющая все преимущества серии 3000М. Стандартная комплектация включает в себя полностью взрывозащищенный корпус NEMA 4/7 для установки в зоны В1-А, В1-Г, 3 программируемых пользователем диапазона диапазон калибровки, 2 программируемых реле пределов концентрации, двунаправленный RS-232C интерфейс, измерительную ячейку и линии подачи пробы из нержавеющей стали.!
Преимущества
· Линейная характеристика на всех трех программируемых пользователем диапазонах
· Автоматическое изменение диапазонов измерения
· Возможность автоматической калибровки
· Не требует газа продувки
4. Электрохимический принцип действия
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 микроконцентрациях.
Принцип работы электрохимического сенсора.
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.10. Схема работы электрохимического принципа.
Контролируемый газ через противопылевой фильтр (также выполняющий функцию селективного (избирательного) фильтра) и гидрофобную мембрану диффундирует на измерительный (рабочий) электрод, выполненный из одного из благородных металлов (платина, золото, палладий либо другого драгметалла). Высвобождающиеся при этом электроны проходят через электролит и эталонный электрод, и формируют во внешней цепи сигнал постоянного тока. Величина этого сигнала прямо пропорциональна концентрации детектируемого газа (кислорода). Благодаря контрэлектроду, потенциал электродов остаётся на неизменном уровне, значительно повышая стабильность ЭХЯ и улучшая её измерительные свойства.
4.1. Анализатор кислорода Instatrans.
Рис. 11. Внешний вид Анализатора кислорода Instatrans.
Рис.12 . Схема поперечного сечения электрохимической ячейки анализатора кислорода Instatrans.
Технические характеристики
Диапазоны измерения
0-10,0-100,0-1000 ppm и 0-1,0-10,0-25%
Взрывозащита
1ExiaIIСT6 (при подключении через искробезопасный барьер)
Время отклика
90% истинного значения через <65 секунд
Рабочее давление
Атмосферное
Калибровка
По газу с известной концентрации кислорода на уровне 80% от диапазона измерения (плотность калибровочного газа должна быть максимально близка к плотности пробы), допускается калибровка по воздуху
Рабочая температура
0ºС… 50ºС
Точность
±1% от полного диапазона при постоянной температуре
Выходные сигналы
4-20мА постоянного тока
Чувствительность
0,5% от диапазона
Тип корпуса и класс защиты
Корпус для настенного монтажа IP65
Габариты
200х110х180мм
Масса
3,2 кг
Электропитание
12-24В постоянного тока по токовой петле
Наиболее универсальным анализатором кислорода в мире является модель Instatrans, предназначенная как для следовых, так и для процентных измерений кислорода в различных газах. При подключении анализатора через искробезопасный барьер, он может быть установлен во взрывоопасной зоне.
5. Метод 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.
Рис. 13. Принцип работы лазерной спектроскопии.
Конструкция фотометрических анализаторов состоит из трех основных элементов: источника излучения, проточной камеры с пробой и фотодетектора. Также в измерительную систему входят вращающийся диск с отверстиями для модуляции сигнала, светофильтры и линзы для фокусировки луча. В зависимости от измеряемого компонента, диапазона измерения и состава пробы выбирается участок спектра, в котором измеряемый компонент поглощает максимальное количество длин волн, в то время, как фоновые компоненты пробы не поглощают излучение на этом участке спектра, или их поглощение незначительно. Выбранный спектр определяет тип источника и приемника излучения, а также тип светофильтров и конструкцию проточной ячейки. В случае, если требуется высокая чувствительность анализатора, используется дополнительная ячейка сравнения, которая заполнена газом сравнения. Кроме того, измерительная ячейка может иметь отражающую поверхность, при этом оптический путь между источником и приемником излучения возрастает, за счет того, что луч многократно отражается в ячейке.
Источниками излучения являются лампы различного типа, в зависимости от требуемого спектра излучения. Приемники излучения также имеют несколько вариантов исполнения. Наиболее распространенными являются детекторы основанные на сенсорах микропотоков, состоящие из двух камер, заполненных газом. В зависимости от интенсивности излучения, достигающего детектора, температура в камерах меняется, так как газ поглощает излучение и нагревается, в следствие чего, возникает микропоток газа между двумя камерами, фиксируемый сенсором микропотока и пропорциональный концентрации исследуемого газа.
5.1. Поточный лазерный анализатор. Модель LGA-4000
Рис.14. Внешний вид поточного лазерного анализатора LGA-4000.
Основан на методе полупроводниковой лазерной спектроскопии.
Анализатор LGA-4000 состоит из источника излучения — лазера, приемника излучения с блоком обработки данных, и опционального центрального управляющего модуля. Источник и приемник устанавливаются друг напротив друга на трубопроводе или байпасе. Лазерный луч с определенной длиной волны проходит через газовый поток, протекающий по трубопроводу, от источника до приемника излучения. Обработанный электрический сигнал от приемника отправляется на центральный блок управления или внешние устройства регистрации данных.
Преимущества и особенности технологии:
· Немедленный отклик на изменения в процессе
· Исключает затраты на систему подготовки пробы и ее обслуживание
· Подходит для измерения O2, CO, CO2, CH4, NH3, HCl, и H2O по объему
· Исключает интерференции от фоновых компонентов и пыли, существенно повышая точность анализа
Принцип работы:
Молекулы измеряемого газа поглощают определенные длины волн электромагнитного излучения. Поглощение длин волн, близких к линии спектра поглощения минимально. Пропуская лазерный луч через анализируемый газ, содержащий молекулы измеряемого вещества, и настраивая длину волны луча на одну из точек линии спектра поглощения, и измеряя его интенсивность в конце оптического пути, мы можем измерять концентрацию интересующего нас вещества 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. Например, для кислорода, длина волны спектра поглощения составляет 760нм.
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. Благодаря поочередному измерению интенсивностей лучей с длинами волн спектра поглощения и с длинами волн, не входящими в него, анализатор LGA-4000 обеспечивает высокую точность измерения и высокую чувствительность.
Рис.15. Схема установки лазерного анализатора LGA-4000.
Применения:
· Металлургия (доменные печи, коксовые печи, конвертерные газы)
· Нефтехимия (регенерация катализатора при каталитическом крекинге, установки регенерации серы и др.)
· Энергетика (котлы,отапливаемые углем и мазутом, рукавные фильтры, экономайзеры)
· производство синтезгаза, мусоросжигательные заводы
· производство цемента и стекла
· производство аммиака и минеральных удобрений
Заключение
Применение анализаторов кислорода контролирует изменения концентрации кислорода в промышленных выбросах, что несет в себе экологическую безопасность производственных процессов, существенно повышает эффективность проведения химико-технологических процессов и долговечность работы дорогостоящего оборудования, обеспечивая экономический эффект, несоизмеримо превышающий стоимость приборов. Так же подробное описание каждого анализатора кислорода позволяет нам понять принцип действия и алгоритм работы прибора, что поможет нам подобрать нужный анализатор для того или иного технологического процесса.
Список литературы
1. Кулаков М.В., Технологические измерения и приборы для химических производств, М., 1983.
2. Выдержка из книги Степанова Н.Н. «Современные методы и приборы для определения содержания кислорода, применяемые в нефтеперерабатывающей промышленности».
3. Анализатор кислорода АДГ-210 Руководство по эксплуатации 5К1.552.047 РЭ.
4. http://www.tyumen-pribor.ru/paramagnitnyy-analizator-kisloroda-v-gazah-mg8
5. https://lifeo2.ru
6. https://lifeo2.ru/xmo2.html
7. http://www.ngpedia.ru/pg136x0lJ1t9X5S7w9w8c50004037488/
8. https://lifeo2.ru/#!/catalog/lazernye_analizatory/107
От какого производителя выбрать универсальный лямбда-зонд
Если вы выяснили, что лямбда-зонд на вашем авто требует замены, не торопитесь бежать в ближайший магазин и выбирать новый датчик из тех, что есть в наличии. Обратите внимание, что производители часто заявляют об универсальности выпускаемых ими датчиков и указывают на абсолютную совместимость того или иного устройства с любым транспортным средством. В чем же кроется опасность приобретения такого товара?
Все очень просто – несовместимость датчика с вашим автомобилем может проявиться не сразу, а спустя какой-то период времени. Эти устройства разных автомобилей имеют различную конструкцию. Они отличаются резьбой, наличием предварительного подогрева, предусмотренным количеством проводов, а также разъемами для соединения. Одинаковым является только принцип работы и основной элемент.
Именно поэтому специалисты рекомендуют отдавать предпочтение оригинальным датчикам, которые имеют маркировку, идентичную обозначениям на сломанной лямбде. Сэкономить свои средства можно путем приобретения универсального датчика, разработанного специально для определенной марки авто.
Какой лямбда-зонд лучше выбрать? Предлагаем ознакомиться с небольшим перечнем проверенных производителей, у которых можно купить лямбда-зонд хорошего качества:
- Bosch.
Это крупнейший мировой бренд. Поставки товара измеряются сотнями тысяч единиц, которые производятся в 150 странах мира. Помимо изготовления запчастей, компания осуществляет обслуживание транспортных средств, а также занимается разработкой программного обеспечения. Товары Bosch занимают около четверти вторичного европейского рынка автозапчастей. По прогнозам экспертов компании, сфера влияния расширится в ближайшие годы еще больше за счет обслуживания грузового транспорта и производства высокотехнологичных деталей.
Среди автозапчастей Bosch каждый владелец авто может найти подходящую к своему ТС деталь. Ассортимент представлен большим количеством устройств ходовой, тормозной системы, рулевого управления, электроникой, элементами топливной системы, расходниками, оптикой, мультимедийной техникой, а также элементами охладительной системы. Наибольшей популярностью среди автовладельцев пользуются стартеры, датчики, аккумуляторы, генераторы, бензонасосы и лампы – эти детали считаются лучшими не только в Европе, но и в Америке, и в Азии.
Все оригинальные запчасти Bosch оснащены отличительной наклейкой KeySecure System, прочитать которую можно при помощи телефона со специальным приложением. Еще одна метка – наклейка с голограммой и защитным кодом. Последние цифры кода на ней должны совпадать с последними символами номера запчасти.
- Denso.
Этот бренд входит в число самых известных производителей элементов системы зажигания, топливной системы, электрики, электроники и расходников. Согласно статистике, у 90 % автолюбителей установлен хотя бы один элемент производства этой компании. Предприятие тесно взаимодействует с автоконцернами, а также имеет филиал Denso Aftermarket, успешно функционирующий на вторичном европейском рынке.
Линейка продуктов бренда Denso включает в себя множество различных наименований: топливные системы, электрические компоненты авто, стеклоочистители, элементы системы безопасности и информационной системы, а также систем кондиционирования воздуха и охлаждения, свечи накала и т. д. Именно широкий ассортимент и высокое качество деталей являются факторами, определяющими выбор автолюбителей.
Для того чтобы отличить оригинальную деталь Denso от подделки, следует обратить внимание на наличие особых металлических наплавов, а также оценить качество сварки и резьбы. Электроды поддельных свечей будут отличаться от электродов оригинального продукта тем, что имеют несколько больший размер. Еще один признак подделки – матовый наконечник. Не стоит также игнорировать буквенные и цифровые обозначения: на оригинальных деталях надписи не сотрутся даже очень твердым предметом.
- NGK.
Это довольно известный производитель свечей зажигания, лямбда-зондов и свечей накала. Подразделение NGK в Европе занимается торговлей и налаживанием взаимодействия с ведущими автоконцернами. Установлено, что около 85 % автопроизводителей используют запчасти NGK в процессе сборки авто.
Комплектующие компании стали использовать в Европе относительно недавно. Предприятие поставляет на рынок самые разные запчасти, но наибольшей популярностью пользуются свечи. Все, кто сталкивался с продукцией бренда, отмечают постоянно высокое качество изделий. NGK занимает стабильно высокое положение на рынке автомобильных комплектующих. Около 50 % выпускаемых в мире авто в первичной комплектации имеют свечи этой фирмы.
Оригинальная продукция NGK имеет характерные особенности, благодаря которым высококачественную деталь можно отличить от подделки (качество полиграфии, высокая стоимость, правильное расположение и геометрия бокового и центрального электрода, качественная накатная резьба, наличие кода на грани, плотная посадка уплотнительного кольца и т. д.).
- Profit.
Это бренд чешской компании, которая производит бюджетные запчасти для различных транспортных средств. В отличие от вышеперечисленных фирм, Profit производит комплектующие менее высокого качества, что, разумеется, отражается на мнении автовладельцев.
Ассортимент продукции Profit состоит из следующих наименований: амортизаторы, элементы тормозной системы, шаровые опоры, стойки стабилизаторов, кузовные детали, фильтры, насосы, детали рулевого механизма, подшипники, детали трансмиссии, крепежные элементы, запчасти системы зажигания и т. д. Стоит отметить, что запчасти этой компании нередко собирают отрицательные отзывы пользователей. Наиболее популярными и качественными деталями считаются тормоза, амортизаторы и салонные фильтры.
В целом качество запчастей Profit соответствует их небольшой стоимости, поэтому комплектующие от чешского бренда могут подойти, скорее, в качестве временной замены вышедшей из строя детали. Если вы хотите установить надежный датчик, который будет исправно работать на протяжении долгого времени, лучше выбрать более качественный вариант.
Принцип работы лямбда-зонда
Как я уже говорил ранее, лямбда-зонд измеряет только количество кислорода в отработавших газах. Через сколько минут начинает работать лямбда-зонд? Всё зависит, как он быстро прогреется до температуры 300-350°С. Если в нём есть нагревательный элемент, то кислородник начнёт работать значительно быстрее. Именно при повышенной температуре электролит λ-зонда начинает проводить электричество.
Что делает лямбда-зонд? Датчик производит эффективное измерение остаточного кислорода и сравнивает его объём с эталонным значением. При отклонении он начинает генерировать пониженное или повышенное выходное напряжение на электродах, что передаётся в электронный блок управления. На основе этих данных в горючее либо обедняется, либо обогащается.
А как же быть с тем, что после поворота ключа зажигания лямбда-зонд не работает, пока не прогреется? Коррекция состава топливно-воздушной смеси происходит на основе сигналов с таких лямбда-зондов , как обороты коленчатого вала ДВС, температура антифриза и положение дроссельной заслонки.
Расскажу более подробно о самом принципе работе устройства. Поскольку в кислороде находятся отрицательные ионы, они накапливаются на электродах с платиновым напылением. Когда температура лямбда-зонда достигает отметки 350°C, то разность потенциалов на электродах формирует напряжение.
Если кислорода в выхлопе много, то смесь считается бедная. Когда происходит сравнение с содержанием O2 с содержанием его в атмосфере, то формируется небольшая разность потенциалов. Образуется невысокое напряжение, которое равно 0,1-0,4 В.
Если кислорода в выхлопных газах мало, то смесь считается богатая. В этом случае формируется высокая разность потенциалов. Напряжение в этом случае достигает отметки 0,5-0,9 В.
Что происходит дальше? Первый (верхний, передний) лямбда-зонд в автомобиле передаёт указанное напряжение в ЭБУ двигателя. Причём первый лямбда-зонд считывает количество кислорода 3 раза в секунду. Система управления без остановки стремиться выставить среднее напряжение, которое составляет 0,4-0,6 в при значении остаточного кислорода равному единице.
А поскольку работа мотора происходит в разных режимах, то напряжение изменяется как больше, так и меньше среднего значения. Узкополосный датчик может выявить лишь большие отклонения содержания кислорода в отработавших газах. При этом возникает скачок напряжения от 0,1 В до 0,9 В.
Второй (задний, нижний) лямбда-зонд работает по похожему принципу, как и первый. Поскольку он стоит сразу после катализатора, то содержание кислорода в выхлопе остаётся на одном и том же уровне. Это происходит благодаря постоянному напряжению, которое всегда удерживается в границах от 0,4 В до 0,6 В. Если этот λ-зонд или катализатор выйдет из строя, то мотор начнёт работать нестабильно во всех случаях.
ЭБУ на основе данных об объёме воздуха, который попал во впускной коллектор и данных с датчика абсолютного давления, решает, какое количество топлива впрыснуть в цилиндры мотора через форсунки. А данные с лямбда-зонда помогают ЭБУ «понять», прибавить или убавить количество горючего, чтобы автомобиль работал как надо.
Вообще работа λ-зонда по времени не линейна, значения меняются очень быстро, поэтому системе управления приходится постоянно оптимизировать топливную смесь. Мотор очень редко работает на 100% стехиометрической смеси, но система пытается всё время достичь эталона.
Кислородный датчик не выявляет информацию о том, какое количество кислорода в выхлопе, он лишь считывает данные о том, имеется ли свободный кислород в газах или нет. Наличие кислорода в топливной смеси говорит о том, что бензина в ней должно быть больше, потому что некоторая часть воздуха не вступила в окислительную реакцию.
И наоборот, если свободного кислорода будет мало, а топлива больше, чем нужно, то выхлоп будет грязный, что приведёт к возникновению сажи. Если λ-зонд будет работать правильно, то разница между стехиометрическим и реальным составом топливной смеси будет минимальна. Смесь, грубо говоря, постоянно пребывает в условно-обогащённом и условно-обеднённом состоянии.
Если взять график вольтажа с лямбда-зонда, то он будет иметь вид синусоиды с резким скачками вверх и вниз. Топливо в смесь то добавляется, то перестаёт поступать.
Если же лямбда-зонд работает некорректно, то электронный блок управления будет работать по средним значениям, которые записаны в устройстве – аварийной карте. Сразу после этого на приборной панели загорится лампочка Check Engine. Разумеется, состав топливной смеси будет далёк от идеального.
Из-за этого бензин начнёт улетучиваться на глазах, холостой ход авто будет нестабильный, ухудшится разгон. А в некоторых моделях из выхлопной трубы может валить чёрный дым и мотор работает чересчур тормознуто, поэтому придётся добираться до техстанции техобслуживания на буксире.
Проверка осциллографом
Этот измерительный прибор имеет преимущество в возможности выявления времени между однообразными изменениями выходного напряжения. Этот показатель должен быть не более 120 миллисекунд.
Как проверить датчик осциллографом?
- Соединяем щуп измерительного устройства с сигнальным проводом.
- Сигнал λ-зонда всегда проверяется при работающем прогретом двигателе. Заводим и прогреваем мотор.
- Повышаем число оборотов до 2500—2600.
- При температуре 25 по Цельсию сопротивление будет составлять 2-14 Ом (как правило, об этих значениях указывает производитель устройства лямбда-зонда).
- Затем надо проверить напряжение, которое подведено к нагревательному элементу: при работающем моторе и подключённом разъёме оно должно быть не меньше 10,5 В. Если этот показатель меньше, то следует проверить напряжение проводов и АКБ.
Отмечу, что осциллограф может показать наибольшее число поломок лямбда-зонда.
Применять профессиональный осциллограф вовсе не нужно, можно применить специальную программу на ноутбуке.
На этом рисунке изображён график правильной работы кислородного датчика. На сигнальный провод транслируется сигнал в виде ровной синусоиды в допустимых границах. Небольшие изменения указывают на то, что датчик постоянно проверяется.
На нижеуказанных рисунках изображены графики неисправного датчика.
Технические характеристики
| Servomex 1800 | Servomex 1900 | Servomex 2200 | |
| Основные метрологические характеристики | |||
| Диапазон измерений | 0…100% O2 | 0…25% O2 | 0…100% O2 0…21 % O2 (версия Нigh Pressure) |
| Минимальный диапазон измерений | 0…2.5% O2 | 0…2.5% O2 | 0…0.5% O2 0…1% O2 (для 2200Н) |
| Погрешность | 0.2% от показаний или 0.05% O2 | 0.2% от показаний или 0.05% O2 | 0.02% O2 0.04% O (для 2200Н) |
| Линейность | 0.05% O2 | 0.05% O2 | 0.01% O2 0.02% O2 (для 2200Н) |
| Повторяемость | 0.1% показаний или 0.05% O2 | 0.1% показаний или0.05% O2 | 0.02% O2 0.03% O (для 2200Н) |
| Время отклика, Т | при расходе 200 мл/мин
| при расходе 200 мл/мин
| 4 с (при расходе 250 мл/мин) |
| Дрейф нуля/неделя | 0.05% O2 | 0.05% O2 | 0.02% O2 0.04% O2 (для 2200 Н) |
| Дрейф шкалы/неделя | 1% от показаний или 0.05% O2 | 1% от показаний или 0.05% O | 0.05% O2 0.1% O (для 2200Н) |
| Входы и выходы | |||
| Изолированный выход 4-20 мА и неизолированный 0-1 В. 2 беспотенциальных реле концентрации; реле расхода. Возможна установка дополнительных реле и аналоговых выходов. | Изолированный выход 4- 20мА, 3 сигнальных реле. 2 аналоговых входа для подключения внешних датчиков (например, датчика давления) | ||
| Цифровой выход | Нет | Цифровой интерфейс RS 485 | |
| Требования к анализируемому газу | |||
| Требования к пробе | Чистая, сухая проба без масла и конденсата | ||
| Давление пробы (избыточное) |
|
| Не более 28 кПа изб. давления или 205 кПа изб. давления (версия High Pressure), но не более чем на 0,3 кПа больше выходного давления |
| Расход газа |
|
| 50…250 мл/мин или 0,2…1,2 л/мин (в зависимости от версии) |
| Температура пробы | -10… 50 °С | -10… 50 °С -10… 105°С (для 2200Н) | |
| Температура точки росы пробы | на 5 °С ниже температуры окружающей среды до 105 °С (для 2200Н) | ||
| Параметры окружающей среды | |||
| Температура окружающей среды | -10… 50 °С | ||
| Температура хранения | -20… 55 °С | -20… 70 °С | |
| Влияние изменения внешних параметров | |||
| Влияние перепада расхода пробы | 0.1 % O при перепаде расхода от 50 до 250 мл/мин 0.2 % O при перепаде расхода от 50 до 70 л/час (версия High Flow) не влияет при использовании AFCD | 0.1 % O при перепаде расхода от 50 до 250 мл/мин или 0,2…1,2 л/мин (в зависимости от версии) | |
| Влияние перепада давления на выходе | 1% от показаний/1% 0.13% от показаний/1% (при использовании BPR) | 1% от показаний/1% Использование функции компенсации давления снижает данный эффект до 0,02%O2 | |
| Влияние перепада напряжения питания | 0.2% от показаний на каждые 10% изменения напряжения | ||
| Габаритные размеры, вес, напряжение питания | |||
| Напряжение питания | (100…240) В ±10%, 50/60 Гц. | (100…240) В ±10%, 50/60 Гц. | (100…240) В ±10%, 50/60 Гц. |
| Монтаж | Настенный или панельный | Настенный или панельный | Настенный |
| Габаритные размеры, мм | 448×229×235 | 448×229×235 | блок электроники:
измерительный блок: 432×303×209 |
| Вес, кг | 26 | 26 | блок электроники: измерительный блок: 15 кг |
| Класс защиты корпуса | IP66 | IP66 | IP66 |
| Класс взрывозащиты | EEx ia d IIC T4. | блок электроники:
измерительный блок: EEx ia d IIC T4 | |
