Газоанализатор часто воспринимают как универсальный прибор, способный определить присутствие любого опасного вещества в воздухе. На практике универсального сенсора не существует. Метан, угарный газ, углекислый газ, водород, пропан, бутан и пары жидкого топлива обладают разными физическими и химическими свойствами. Поэтому для их обнаружения применяются различные методы измерения и используются разные сенсоры для газоанализаторов.
Один сенсор может хорошо реагировать на токсичный газ в концентрации нескольких миллионных долей, но оказаться практически бесполезным при контроле взрывоопасной смеси. Другой способен обнаруживать широкий спектр горючих веществ, однако не может определить, какое именно соединение вызвало сигнал.
По этой причине профессиональные газоанализаторы нередко содержат несколько чувствительных элементов. Например, один канал измеряет угарный газ, второй — метан, третий — содержание кислорода, а четвертый — концентрацию углекислого газа.
Выбор сенсора начинается не с конкретной модели и не с цены. Сначала необходимо определить, какое вещество требуется обнаруживать, в каком диапазоне и для какой цели.
Какие задачи решает газоанализатор
Газоанализаторы могут использоваться для решения нескольких принципиально разных задач:
- обнаружения токсичных газов;
- предупреждения о взрывоопасной концентрации;
- контроля недостатка или избытка кислорода;
- измерения состава технологической газовой смеси;
- контроля качества воздуха и работы вентиляции;
- оценки полноты сгорания топлива;
- поиска небольших утечек газа или паров растворителей.
Для токсичных веществ концентрацию часто указывают в ppm — миллионных долях объема. Например, значение 50 ppm означает, что на миллион объемных частей газовой смеси приходится 50 частей определяемого вещества.
Для углекислого газа, кислорода, метана в биогазе и других технологических смесей может использоваться объемная доля в процентах.
При контроле горючих газов и паров результат нередко выражается в процентах от нижнего концентрационного предела распространения пламени — НКПР. В англоязычной документации применяется обозначение LEL.
Показание 100 % НКПР не означает, что воздух полностью состоит из газа. Оно означает, что содержание горючего вещества достигло минимальной концентрации, при которой смесь уже способна воспламениться.
Поэтому значение 20 % НКПР метана и объемная концентрация метана 20 % — совершенно разные показатели.
Электрохимические сенсоры
Электрохимические сенсоры широко применяются для измерения угарного газа CO, сероводорода H₂S, диоксида азота NO₂, диоксида серы SO₂, хлора, аммиака и других токсичных веществ. Отдельную группу составляют электрохимические датчики кислорода.
Внутри сенсора находятся электроды, электролит и газопроницаемая мембрана. Определяемый газ проникает внутрь и вступает в химическую реакцию на поверхности рабочего электрода.
В результате окисления или восстановления молекул возникает небольшой электрический ток. В рабочем диапазоне величина этого тока приблизительно пропорциональна концентрации газа.
Например, электрохимический сенсор угарного газа преобразует количество поступившего CO в ток, который затем усиливается, измеряется и пересчитывается в ppm.
Преимущества электрохимических сенсоров
К достоинствам электрохимического метода относятся:
- высокая чувствительность к малым концентрациям;
- сравнительно хорошая избирательность;
- небольшие размеры;
- низкое энергопотребление;
- возможность работы в переносных приборах;
- достаточно линейная характеристика в основном диапазоне измерения.
Электрохимические сенсоры особенно удобны для персональных газоанализаторов, бытовых извещателей угарного газа, промышленных систем безопасности и переносных анализаторов продуктов сгорания.
Недостатки электрохимических сенсоров
Главным ограничением является конечный срок службы. Электролит постепенно меняет свойства, электроды стареют, а мембрана и химические фильтры могут загрязняться.
Даже сенсор, который не использовался, имеет ограниченный срок хранения.
Кроме того, электрохимические ячейки могут реагировать на посторонние вещества. Например, некоторые сенсоры CO одновременно чувствительны к водороду. Для уменьшения перекрестной чувствительности применяются фильтры, дополнительные электроды и программная компенсация, однако полностью исключить влияние других газов удается не всегда.
На показания также воздействуют температура, влажность, давление и скорость поступления газа.
Очень высокая концентрация может временно перегрузить сенсор. После такого воздействия его показания иногда восстанавливаются медленно, а в отдельных случаях чувствительность изменяется необратимо.
Где используются
Электрохимические сенсоры применяют для:
- контроля угарного газа;
- обнаружения сероводорода;
- измерения токсичных промышленных газов;
- контроля кислорода;
- переносных многогазовых приборов;
- анализа продуктов сгорания;
- контроля воздуха в замкнутых пространствах.
Для метана, пропана, бензина и большинства углеводородов обычные электрохимические сенсоры практически не применяются.
Каталитические сенсоры
Каталитический сенсор, также называемый пеллистором, используется для обнаружения горючих газов и паров.
В классической конструкции имеются два нагреваемых элемента. Первый покрыт катализатором и является активным. Второй имеет похожие тепловые свойства, но не поддерживает реакцию окисления и используется как опорный.
Когда метан, пропан, водород или пары топлива попадают на активный элемент, они окисляются на его поверхности. Реакция сопровождается выделением тепла.
Температура чувствительного элемента повышается, а сопротивление встроенной металлической спирали изменяется. Разность сопротивлений активного и опорного элементов измеряется мостовой схемой и преобразуется в значение концентрации.
Преимущества каталитических сенсоров
Пеллисторы имеют несколько важных достоинств:
- реагируют на большое количество горючих газов;
- подходят для измерения в процентах НКПР;
- имеют сравнительно быстрый отклик;
- способны обнаруживать водород;
- используют хорошо изученную технологию;
- имеют умеренную стоимость.
Один каталитический сенсор может реагировать на метан, пропан, бутан, водород, спирты и пары жидкого топлива.
Недостатки каталитических сенсоров
Для окисления горючего газа необходим кислород. Если его в контролируемой среде недостаточно, сенсор может показать заниженную концентрацию.
Другой недостаток — отсутствие избирательности. Сенсор показывает наличие горючего вещества, но не способен самостоятельно определить его состав.
Газоанализатор может быть откалиброван по метану, а фактически подвергаться воздействию пропана или паров бензина. В таком случае показания будут зависеть от чувствительности пеллистора к конкретному веществу.
Для правильного измерения необходимо использовать калибровку по целевому газу или предусмотренные производителем коэффициенты пересчета.
Каталитический элемент также может быть отравлен некоторыми веществами. Особую опасность представляют соединения кремния, свинца, серы и фосфора. После их воздействия катализатор теряет активность, и прибор начинает занижать концентрацию.
При этом внешне сенсор может продолжать работать, поэтому его исправность необходимо регулярно проверять поверочной газовой смесью.
Еще один недостаток — сравнительно высокое энергопотребление. Для поддержания рабочей температуры требуется нагреватель, что уменьшает продолжительность работы портативного прибора от аккумулятора.
Где используются
Каталитические сенсоры применяются для:
- контроля метана;
- обнаружения пропана и бутана;
- измерения водорода;
- сигнализации утечек природного газа;
- контроля паров бензина и растворителей;
- измерения концентрации горючих веществ в процентах НКПР;
- переносных многогазовых приборов.
Полупроводниковые сенсоры MOS и MOX
Полупроводниковые газовые сенсоры используют чувствительный слой из оксида металла. Наиболее известны конструкции на основе диоксида олова, хотя применяются и другие материалы.
Чувствительный слой нагревается до заданной температуры. На его поверхности адсорбируется кислород. Когда рядом появляются метан, угарный газ, водород, спирты, растворители или другие восстановительные вещества, они взаимодействуют с поверхностным кислородом.
В результате изменяется количество носителей заряда и электрическое сопротивление чувствительного материала.
Современные сенсоры нередко изготавливаются по MEMS-технологии. Миниатюрная нагревательная площадка имеет малую тепловую инерцию, поэтому ее можно быстро нагревать и охлаждать, формируя различные температурные режимы.
Преимущества полупроводниковых сенсоров
К их достоинствам относятся:
- низкая стоимость;
- компактные размеры;
- высокая чувствительность;
- длительный срок эксплуатации;
- большой выбор серийных моделей;
- возможность обнаружения разных горючих и восстановительных газов;
- пригодность для бытовой и массовой электроники.
Полупроводниковый сенсор может использоваться в недорогом сигнализаторе природного газа, датчике загрязнения воздуха, индикаторе дыма или устройстве контроля летучих органических соединений.
Недостатки полупроводниковых сенсоров
Основная проблема — низкая избирательность.
Один и тот же чувствительный элемент может реагировать на:
- метан;
- водород;
- угарный газ;
- этанол;
- ацетон;
- пары бензина;
- бытовую химию;
- дым;
- изменение влажности.
Такой сенсор хорошо обнаруживает изменение состава воздуха, но значительно хуже определяет точную концентрацию конкретного вещества.
Показания зависят от температуры и влажности. После включения требуется прогрев, а начальная стабилизация может занимать значительное время.
Дополнительную сложность создают:
- дрейф сопротивления;
- разброс параметров разных экземпляров;
- нелинейная характеристика;
- загрязнение чувствительной поверхности;
- влияние силиконов, аэрозолей и чистящих средств;
- необходимость индивидуальной калибровки.
В простых модулях для любительской электроники нередко используется только условный порог срабатывания. Такой модуль может показать наличие газа, но не должен автоматически рассматриваться как точный измерительный прибор.
eCO₂ не является прямым измерением CO₂
Некоторые полупроводниковые датчики качества воздуха передают расчетный показатель eCO₂ — эквивалентную концентрацию углекислого газа.
Он вычисляется по концентрации летучих органических соединений и предполагаемой связи между человеческим дыханием, VOC и накоплением CO₂ в помещении.
При этом молекулы углекислого газа непосредственно не измеряются.
Если требуется управлять вентиляцией по реальному содержанию CO₂, необходимо использовать оптический сенсор прямого измерения, а не расчетное значение eCO₂.
Где используются
Полупроводниковые сенсоры подходят для:
- бытовых извещателей природного газа;
- индикаторов загрязнения воздуха;
- датчиков запахов;
- устройств контроля VOC;
- обнаружения дыма;
- систем умного дома;
- предварительного поиска утечки;
- приборов, в которых важна тенденция изменения, а не точная концентрация.
Для ответственных систем безопасности следует применять сертифицированный газоанализатор, а не отдельный недорогой чувствительный модуль.
Инфракрасные сенсоры NDIR
NDIR расшифровывается как недисперсионный инфракрасный метод.
Он основан на способности молекул определенных газов поглощать инфракрасное излучение на характерных длинах волн.
Внутри сенсора находятся:
- источник инфракрасного излучения;
- измерительная камера;
- оптический фильтр;
- приемник излучения;
- электронная схема обработки.
Газ поступает в измерительную камеру. Если в ней присутствует CO₂, метан или другой определяемый компонент, часть инфракрасного излучения поглощается.
Чем больше молекул находится на оптическом пути, тем меньше энергии достигает приемника.
Качественные NDIR-сенсоры могут иметь два измерительных канала. Первый работает в области поглощения целевого газа, а второй используется как опорный. Сравнение этих сигналов помогает компенсировать старение источника света, загрязнение оптики и часть температурных воздействий.
Преимущества NDIR
Инфракрасный метод обладает рядом важных преимуществ:
- газ измеряется непосредственно;
- хорошая избирательность;
- длительный срок службы;
- отсутствие расходуемого электролита;
- возможность работы без кислорода;
- устойчивость к кратковременной перегрузке;
- возможность измерять ppm и объемные проценты;
- хорошая долговременная стабильность.
NDIR особенно широко используется для измерения углекислого газа и метана.
Недостатки NDIR
Инфракрасный сенсор сложнее и обычно дороже электрохимического или полупроводникового.
На его показания влияют:
- температура;
- атмосферное давление;
- водяной пар;
- загрязнение оптики;
- конденсат;
- длина измерительной камеры;
- состав фоновой смеси.
Некоторые газы имеют перекрывающиеся полосы поглощения, поэтому для точного анализа может потребоваться дополнительная спектральная обработка.
Инфракрасный метод подходит не для всех веществ. Например, обычный NDIR-сенсор горючих газов не обнаруживает водород.
Где используются
NDIR-сенсоры применяются для:
- измерения CO₂ в помещениях;
- управления вентиляцией;
- контроля метана;
- анализа природного газа;
- измерения состава биогаза;
- контроля углекислого газа в теплицах;
- пищевых производств;
- холодильных установок;
- промышленных технологических процессов;
- измерения газов в средах с недостатком кислорода.
Фотоакустические сенсоры
Фотоакустический метод также использует поглощение инфракрасного излучения, но регистрирует не ослабление светового потока, а изменение давления газа.
Источник периодически излучает свет на длине волны, поглощаемой определяемым веществом. Молекулы получают энергию и передают ее окружающей среде в виде тепла.
Периодический нагрев создает небольшие колебания давления внутри измерительной камеры. Они регистрируются чувствительным микрофоном или микромеханическим преобразователем.
Амплитуда акустического сигнала связана с концентрацией газа.
Преимущества фотоакустического метода
Основное достоинство — возможность уменьшить размеры измерительной камеры. Обычному NDIR-сенсору требуется определенная длина оптического пути, тогда как фотоакустическая конструкция может быть значительно компактнее.
Другие преимущества:
- прямое измерение газа;
- высокая чувствительность;
- небольшие размеры;
- возможность низкого среднего энергопотребления;
- пригодность для портативных устройств.
Фотоакустические сенсоры особенно распространены в компактных приборах контроля CO₂.
Недостатки
На результат могут влиять:
- температура;
- давление;
- акустические помехи;
- загрязнение камеры;
- конденсат;
- особенности конструкции корпуса.
Сенсор требует сложной обработки слабого сигнала и тщательной компенсации внешних факторов.
Фото-ионизационные сенсоры PID
Фото-ионизационный детектор используется для обнаружения летучих органических соединений — VOC.
Он подходит для измерения паров бензина, растворителей, красок, клеев, ароматических углеводородов и многих других органических веществ.
Внутри сенсора находится ультрафиолетовая лампа. Ее излучение передает энергию молекулам газа.
Если энергия фотона превышает энергию ионизации молекулы, из нее выбивается электрон. Образуются положительные и отрицательные заряженные частицы.
Электрическое поле направляет их к электродам. Возникающий ток связан с концентрацией ионизируемых веществ.
Преимущества PID
Фото-ионизационные сенсоры имеют следующие достоинства:
- высокая чувствительность к VOC;
- быстрый отклик;
- возможность обнаруживать очень малые концентрации;
- пригодность для поиска утечек топлива и растворителей;
- широкий перечень определяемых органических веществ;
- удобство для промышленной гигиены.
PID может обнаружить пары топлива в концентрации, которая еще значительно ниже взрывоопасного уровня.
Недостатки PID
PID не определяет точный состав газовой смеси.
Если в воздухе одновременно присутствуют бензол, толуол, ацетон и другие растворители, прибор выдает суммарный сигнал, зависящий от чувствительности к каждому компоненту.
Для пересчета показаний используются коэффициенты отклика. Прибор обычно калибруют по стандартному газу, а затем применяют поправку для целевого вещества.
Для наиболее точного измерения необходима калибровка по тому веществу, которое предполагается контролировать.
Ультрафиолетовая лампа и измерительная камера могут загрязняться. Особенно быстро это происходит в пыльной, влажной или масляной среде.
PID также не является датчиком метана. Энергии большинства распространенных УФ-ламп недостаточно для ионизации молекулы метана.
Где используются
PID применяется для:
- поиска паров бензина;
- обнаружения растворителей;
- контроля VOC;
- обследования мест разлива топлива;
- лакокрасочного производства;
- контроля воздуха на химических предприятиях;
- проверки резервуаров;
- промышленной гигиены.
Для защиты от взрыва PID обычно дополняют каталитическим или инфракрасным сенсором, измеряющим концентрацию в процентах НКПР.
Термокондуктометрические сенсоры
Термокондуктометрический метод основан на различии теплопроводности газов.
Внутри сенсора находится нагреваемая металлическая проволока или пленка. Скорость отвода тепла зависит от состава окружающей газовой смеси.
При изменении теплопроводности меняется температура нагревателя, а вместе с ней и его электрическое сопротивление.
В дифференциальной системе используются измерительный и опорный элементы. Разность их параметров преобразуется в концентрацию газа.
Преимущества
- сравнительно простая конструкция;
- отсутствие расходуемого электролита;
- возможность измерения высоких концентраций;
- широкий динамический диапазон;
- пригодность для водорода, гелия и некоторых технологических смесей;
- длительный ресурс.
Недостатки
Термокондуктометрический сенсор практически не обладает химической избирательностью.
Любое изменение состава смеси, влияющее на теплопроводность, изменяет показания. Поэтому метод лучше всего работает, когда:
- состав фоновой среды известен;
- смесь содержит преимущественно два компонента;
- концентрация целевого вещества достаточно велика;
- температура и давление контролируются.
Для обнаружения небольших утечек метана в обычном помещении этот метод обычно менее удобен, чем каталитический, полупроводниковый или инфракрасный.
Лазерные сенсоры TDLAS
TDLAS — спектроскопия поглощения с перестраиваемым диодным лазером.
Лазер излучает свет в очень узком спектральном диапазоне, соответствующем линии поглощения конкретной молекулы. Луч проходит через газовую среду, технологическую трубу или дымовой канал.
По изменению интенсивности и форме линии поглощения рассчитывается концентрация газа.
В отличие от обычного NDIR, лазерный анализатор исследует узкий участок спектра. Благодаря этому повышается избирательность и уменьшается влияние соседних компонентов.
Преимущества TDLAS
- высокая избирательность;
- быстрый отклик;
- возможность измерения малых концентраций;
- дистанционное и бесконтактное измерение;
- возможность работы непосредственно в технологическом потоке;
- пригодность для горячих и агрессивных сред;
- отсутствие необходимости постоянно отбирать пробу.
Недостатки
- высокая стоимость;
- сложная оптика;
- необходимость учитывать давление и температуру;
- требования к юстировке;
- чувствительность к загрязнению оптических окон;
- ослабление луча пылью и конденсатом;
- ограниченный набор газов для одного оптического канала.
TDLAS используется для анализа метана, CO, CO₂, кислорода, аммиака, водяного пара и других веществ в энергетике, нефтехимии и промышленной автоматизации.
Пламенно-ионизационные детекторы FID
Пламенно-ионизационный детектор применяется преимущественно для измерения суммарного содержания углеводородов и в газовой хроматографии.
Проба поступает в водородное пламя. Органические соединения образуют заряженные частицы, которые собираются электродами.
Возникающий ток связан с количеством углерода, поступившего в пламя.
Преимущества
- высокая чувствительность к углеводородам;
- широкий динамический диапазон;
- слабая реакция на основные компоненты воздуха;
- пригодность для лабораторного анализа;
- возможность измерять суммарные углеводороды.
Недостатки
FID требует:
- источника водорода;
- подачи воздуха;
- стабильного пламени;
- контролируемого отбора пробы;
- регулярного обслуживания.
Метод является разрушающим: вещество сгорает в измерительной камере.
Для бытового или обычного стационарного сигнализатора FID слишком сложен. Он применяется в лабораториях, системах контроля выбросов и нефтехимической промышленности.
Сравнительная таблица сенсоров
| Тип сенсора | Принцип работы | Основные газы | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|
| Электрохимический | Газ вступает в реакцию на электроде и создает ток | CO, H₂S, NO₂, SO₂, NH₃, Cl₂, O₂ | Высокая чувствительность, малое энергопотребление, измерение ppm | Ограниченный ресурс, перекрестная чувствительность, влияние температуры |
| Каталитический | Окисление горючего газа нагревает активный элемент | Метан, пропан, бутан, водород, пары топлива | Универсальность для горючих газов, быстрый отклик, измерение % НКПР | Требуется кислород, возможное отравление катализатора, высокое потребление |
| MOS/MOX | Газ изменяет сопротивление нагретого оксида металла | Метан, CO, водород, VOC, дым | Низкая цена, компактность, высокая чувствительность | Низкая избирательность, дрейф, прогрев, влияние влажности |
| NDIR | Газ поглощает инфракрасное излучение | CO₂, метан, углеводороды, хладагенты | Прямое измерение, стабильность, длительный ресурс, работа без кислорода | Стоимость, загрязнение оптики, влияние давления и температуры |
| Фотоакустический | Поглощение света вызывает колебания давления | Прежде всего CO₂ | Компактность, прямое измерение, высокая чувствительность | Сложная обработка, влияние акустики, давления и конструкции камеры |
| PID | Ультрафиолет ионизирует молекулы газа | VOC, бензин, растворители, ароматические углеводороды | Очень высокая чувствительность, быстрый поиск утечек | Не определяет состав смеси, загрязнение лампы, не измеряет метан |
| Термокондуктометрический | Измеряется теплопроводность газовой смеси | H₂, He, CH₄, технологические смеси | Простота, широкий диапазон, длительный ресурс | Низкая избирательность, зависимость от фоновой смеси |
| TDLAS | Лазер измеряет узкую линию поглощения газа | CH₄, CO, CO₂, O₂, NH₃, H₂O | Высокая избирательность, быстрый отклик, дистанционное измерение | Высокая стоимость, сложная оптика, загрязнение окон |
| FID | Органические вещества ионизируются в водородном пламени | Углеводороды | Высокая чувствительность, широкий динамический диапазон | Требуются водород и пламя, сложность, разрушающий метод |
Какой сенсор выбрать для метана
Для метана применяются несколько технологий.
Полупроводниковый сенсор
Подходит для недорогого бытового сигнализатора. Он способен обнаружить изменение концентрации природного газа, но обладает ограниченной избирательностью и требует прогрева.
Каталитический сенсор
Хорошо подходит для контроля взрывоопасности и измерения в процентах НКПР. Может одновременно реагировать на другие горючие вещества.
NDIR
Предпочтителен для стабильного промышленного измерения. Работает без кислорода, не подвержен отравлению катализатора и имеет длительный срок службы.
TDLAS
Применяется в технологических процессах, на трубопроводах, при дистанционном обнаружении утечек и в системах, требующих высокой избирательности.
Если в среде может не хватать кислорода, каталитический сенсор использовать как единственный канал опасно. В таких условиях лучше подходит инфракрасный метод.
Какой сенсор выбрать для угарного газа
Для сигнализации CO наиболее распространен электрохимический сенсор.
Он подходит для:
- жилых помещений;
- котельных;
- гаражей;
- производственных объектов;
- переносных приборов;
- анализаторов дымовых газов.
Полупроводниковый сенсор CO может использоваться в недорогом индикаторе, однако его показания могут зависеть от водорода, спиртов и других восстановительных веществ.
Для технологического анализа высоких концентраций применяются инфракрасные и лазерные методы.
Какой сенсор выбрать для CO₂
Для прямого измерения углекислого газа подходят:
- NDIR;
- фотоакустический сенсор;
- лазерный анализатор;
- специализированный промышленный оптический газоанализатор.
Для управления вентиляцией чаще всего используется NDIR или компактный фотоакустический модуль.
Полупроводниковый датчик VOC с расчетным выходом eCO₂ не является полноценной заменой прямому измерению CO₂.
Какой сенсор выбрать для пропана, бутана и паров топлива
Если требуется контролировать приближение к взрывоопасной концентрации, используют:
- каталитический сенсор;
- инфракрасный сенсор углеводородов.
Если необходимо обнаруживать малые концентрации паров бензина, керосина или растворителей, применяется PID.
В ответственной системе эти технологии могут дополнять друг друга:
- PID обнаруживает небольшую утечку;
- каталитический или инфракрасный канал контролирует взрывоопасность.
Контроль кислорода
Для измерения кислорода применяются:
- электрохимические гальванические ячейки;
- циркониевые сенсоры;
- парамагнитные анализаторы;
- лазерные системы.
В переносных многогазовых приборах чаще всего используется электрохимическая кислородная ячейка.
Циркониевые сенсоры хорошо подходят для анализа продуктов сгорания, но требуют высокой рабочей температуры.
Парамагнитные анализаторы применяются в промышленности и лабораторных системах, где требуется стабильное измерение кислорода.
Типовые конфигурации газоанализаторов
Котельная
Для котельной могут использоваться:
- электрохимический сенсор CO;
- каталитический или NDIR-сенсор метана;
- сенсор CO₂;
- датчик температуры;
- релейные выходы управления вентиляцией и газовым клапаном.
Гараж или подземная парковка
Обычно контролируются:
- угарный газ;
- диоксид азота от дизельных двигателей;
- иногда углекислый газ;
- работа вентиляции.
Контроль только CO₂ не обеспечивает надежного обнаружения угарного газа.
Склад топлива и растворителей
Рациональная система может содержать:
- PID для малых концентраций VOC;
- каталитический или инфракрасный сенсор % НКПР;
- датчики возле вероятных источников утечки;
- датчики в низких точках помещения;
- переносной насосный газоанализатор.
Биогазовая установка
Для анализа биогаза могут потребоваться:
- NDIR-сенсор метана;
- NDIR-сенсор CO₂;
- электрохимический сенсор H₂S;
- сенсор кислорода;
- датчики температуры, давления и влажности;
- система подготовки пробы.
Одного полупроводникового сенсора для определения состава биогаза недостаточно.
Переносной четырехгазовый прибор
Типичная конфигурация:
- электрохимический CO;
- электрохимический H₂S;
- сенсор кислорода;
- каталитический или инфракрасный канал горючих газов.
Для работы с растворителями может дополнительно устанавливаться PID.
Как встроить сенсор в газоанализатор
Чувствительный элемент — только часть измерительной системы.
Для создания полноценного газоанализатора необходимы:
- входная электронная схема;
- источник питания;
- аналого-цифровой преобразователь;
- температурная компенсация;
- алгоритмы фильтрации;
- калибровочные коэффициенты;
- диагностика неисправностей;
- звуковая и световая сигнализация;
- защита от влаги, пыли и электромагнитных помех;
- правильно спроектированный газовый тракт.
Электрохимический сенсор
Электрохимическая ячейка выдает очень малый ток. Для ее подключения используется трансимпедансный усилитель или потенциостат.
Схема должна иметь:
- малый входной ток;
- небольшое напряжение смещения;
- защиту от наводок;
- стабильную опорную точку;
- возможность измерения положительного и отрицательного сигнала.
Каталитический сенсор
Пеллистор часто включается в мостовую измерительную схему.
Электроника должна:
- стабилизировать питание нагревателя;
- измерять малую разбалансировку моста;
- обнаруживать обрыв чувствительного элемента;
- учитывать температуру окружающей среды;
- контролировать перегрузку.
MOS-сенсор
Полупроводниковому сенсору необходим нагреватель. Для некоторых моделей важна заданная последовательность температурных импульсов.
Необходимо измерять сопротивление чувствительного слоя, которое может изменяться в очень широком диапазоне.
Оптический сенсор
Готовые NDIR-модули обычно содержат встроенную обработку и передают концентрацию по цифровому интерфейсу.
При разработке собственного оптического канала требуется:
- управлять источником излучения;
- синхронно измерять сигнал приемника;
- подавлять внешнее освещение;
- компенсировать температуру и давление;
- контролировать загрязнение оптики;
- обрабатывать активный и опорный каналы.
Диффузионное и насосное измерение
В диффузионном приборе газ поступает к сенсору естественным образом.
Преимущества такого решения:
- простота;
- малое энергопотребление;
- отсутствие насоса;
- высокая надежность.
Недостаток заключается в том, что измеряется только среда непосредственно возле корпуса прибора.
Насосный газоанализатор может отбирать пробу через трубку. Это позволяет проверять резервуары, колодцы, технологические емкости и удаленные точки.
Однако насосный тракт создает дополнительные источники ошибок:
- задержку прохождения газа;
- подсос внешнего воздуха;
- засорение фильтра;
- конденсацию;
- поглощение вещества стенками трубки;
- потерю реакционноспособных компонентов;
- изменение расхода.
Материал трубки необходимо выбирать с учетом определяемого вещества. Пары топлива и растворителей могут задерживаться на полимерных стенках, замедляя отклик прибора.
Влияние температуры, давления и влажности
Практически все сенсоры зависят от условий окружающей среды.
Температура влияет на:
- скорость химической реакции;
- сопротивление полупроводника;
- ток электрохимической ячейки;
- интенсивность инфракрасного источника;
- параметры оптического приемника;
- плотность газа.
Давление особенно важно для оптических и технологических анализаторов. При изменении давления изменяется количество молекул в измерительном объеме.
Влажность может:
- менять сопротивление MOS-сенсора;
- воздействовать на электролит;
- создавать конденсат;
- загрязнять оптическую камеру;
- влиять на PID;
- изменять теплопроводность смеси.
Поэтому датчики температуры, давления и влажности нередко являются обязательной частью газоанализатора.
Калибровка газоанализатора
Газоанализатор нельзя считать исправным только потому, что он включается и показывает нулевую концентрацию.
Для проверки используются несколько процедур.
Установка нуля
Сенсор помещают в среду, не содержащую определяемого компонента.
В зависимости от технологии это может быть:
- очищенный воздух;
- синтетический воздух;
- азот;
- специальная нулевая газовая смесь.
Использовать обычный воздух помещения как гарантированный ноль можно не всегда.
Калибровка чувствительности
На сенсор подается поверочная газовая смесь известной концентрации.
Электроника сравнивает фактический сигнал с заданным значением и рассчитывает коэффициент преобразования.
Для каталитического сенсора важно, каким газом выполнялась калибровка. Калибровка по метану не всегда дает правильный результат при измерении пропана или паров бензина.
Функциональная проверка
При кратковременной функциональной проверке на прибор подается газ, который должен вызвать заметное изменение показаний и срабатывание сигнализации.
Такая проверка подтверждает, что:
- газ достигает сенсора;
- чувствительный элемент реагирует;
- канал измерения работает;
- сигнализация исправна;
- газовый тракт не заблокирован.
Однако функциональная проверка не подтверждает точность измерения и не заменяет полноценную калибровку.
Где устанавливать стационарные датчики
Распространенное правило гласит, что датчики метана следует устанавливать сверху, а пропана — снизу. Оно полезно, но не учитывает всех реальных условий.
Метан легче воздуха и при отсутствии движения может подниматься вверх. Пропан, бутан и пары многих жидких топлив тяжелее воздуха и способны скапливаться возле пола.
Однако поведение утечки зависит не только от плотности газа.
На распространение облака влияют:
- вентиляция;
- температура;
- давление в трубопроводе;
- скорость выхода газа;
- расположение оборудования;
- перегородки;
- воздушные потоки;
- наличие приямков и каналов;
- нагретые поверхности.
Горячий газ может сначала подниматься вверх, даже если его молекулярная масса выше молекулярной массы воздуха. Струя под давлением может пройти значительное расстояние до перемешивания.
Поэтому при проектировании учитывают:
- наиболее вероятные точки утечки;
- направление движения воздуха;
- места возможного накопления;
- дыхательную зону персонала;
- приямки и закрытые полости;
- доступность для обслуживания;
- вероятность попадания воды, пара и пыли;
- время распространения газа.
Датчик обнаружит утечку только в том случае, если газовое облако достигнет его чувствительного элемента.
Логика работы газоанализатора
Программное обеспечение должно обрабатывать не только числовое значение концентрации.
Полноценный прибор должен различать следующие состояния:
- Включение и прогрев.
- Нормальная работа.
- Предупредительный уровень.
- Аварийный уровень.
- Превышение диапазона.
- Неисправность сенсора.
- Обрыв или короткое замыкание.
- Отказ насоса.
- Засорение газового тракта.
- Необходимость калибровки.
- Окончание срока службы сенсора.
Для предотвращения частого переключения сигнализации используется гистерезис.
Например, аварийный сигнал может включаться при достижении установленной концентрации, но отключаться только после ее снижения до более низкого уровня.
Допускается временная фильтрация сигнала, однако слишком сильное усреднение опасно. Прибор может начать поздно реагировать на быстро развивающуюся утечку.
Особое внимание требуется при превышении верхней границы диапазона. Пользователь должен видеть сообщение о перегрузке, а не просто максимальное число на дисплее.
В ответственных системах применяется отказобезопасная логика. Потеря питания, обрыв кабеля или внутренняя неисправность не должны восприниматься системой управления как нормальное состояние воздуха.
Почему отдельный сенсор еще не является системой безопасности
Даже качественный чувствительный элемент известного производителя не превращает самодельное устройство в сертифицированный газоанализатор.
Для применения в ответственных системах необходимо проверить:
- точность;
- время отклика;
- температурный диапазон;
- влияние влажности;
- перекрестную чувствительность;
- поведение после перегрузки;
- устойчивость к отравляющим веществам;
- электромагнитную совместимость;
- взрывозащиту;
- диагностику отказов;
- надежность программного обеспечения;
- работу при падении напряжения;
- периодичность калибровки;
- срок службы сенсора.
Недорогие модули подходят для обучения, экспериментов и прототипирования. Но их нельзя использовать как единственный элемент защиты людей и оборудования без соответствующих испытаний и подтвержденных характеристик.
Заключение
Универсального сенсора для всех газов не существует.
Для угарного газа чаще всего используется электрохимический сенсор. Для CO₂ применяются NDIR и фотоакустические технологии. Для метана и других горючих веществ используются каталитические, полупроводниковые, инфракрасные и лазерные методы.
Для малых концентраций паров бензина и растворителей особенно полезен фото-ионизационный детектор. Для анализа технологических смесей применяются термокондуктометрические, лазерные и пламенно-ионизационные системы.
Выбирая сенсор, необходимо определить:
- целевой газ;
- рабочий диапазон;
- требуемую точность;
- необходимость химической избирательности;
- наличие кислорода;
- температуру и влажность;
- возможные мешающие вещества;
- способ отбора пробы;
- периодичность калибровки;
- последствия ошибочного показания.
Надежный газоанализатор представляет собой не отдельный чувствительный элемент, а согласованную систему. В нее входят сенсор, измерительная электроника, газовый тракт, компенсация температуры и давления, программная обработка, диагностика неисправностей, сигнализация и правильно выбранное место установки.
Об авторе
