Приложение А (обязательное). Принципы измерения

Приложение А
(обязательное)

Принципы измерения

Описания принципов действия различных типов датчиков приведены в настоящем приложении более подробно, чем в разделе 5, и предназначены для инженеров и лиц, ответственных за выбор, разработку и установку газоанализаторов, а также для лиц, проводящих обучение. В настоящем приложении описаны преимущества, типичные применения и ограничения девяти универсальных типов газоанализаторов. Ограничения по применению включают влияние неопределяемых компонентов, а также веществ, вызывающих потерю чувствительности датчиков (каталитических ядов).

Термокаталитические датчики (см. А.1) и анализаторы температуры пламени (см. А.7) по своему принципу действия предназначены для определения горючих газов. Другие датчики, описанные в настоящем приложении, предназначены для определения как горючих, так и негорючих газов, их принцип действия основан на различных физических и химических свойствах этих газов.

Для удобства читателя данные таблицы А.1 полностью соответствуют данным таблицы 1 раздела 5, изменены лишь ссылки на пункты согласно настоящему приложению.

Таблица А.1

	Термокаталитический датчик	Термокондуктометрический датчик	Инфракрасный датчик	Полупроводниковый датчик	Электрохимический датчик	Пламенно-ионизаци-онный датчик	Анализатор температуры пламени	Фотоионизационный датчик	Парамагнитный датчик кислорода
Подробности в подразделе	А.1	А.2	A.3	А.4	А.5	А.6	А.7	А.8	А.9
Необходимость присутствия в газовой пробе	Да	Нет	Нет	(Нет)	(Нет)	(Нет)	Да	Нет	Не применяется
Типичные диапазоны измерения. Горючие газы	НКПР	(0 - 100) %	(0 - 100) %	НКПР	НКПР	НКПР	НКПР	НКПР	Не применяется
Типичные диапазоны измерения для кислорода	Не применяется	Не применяется	(0 - 100) %	Не применяется	(0 - 25) % (0 - 100) %	Не применяется	Не применяется	Не применяется	(0 - 100) %
Горючие газы, не поддающиеся определению	Большие молекулы	См. 5.2		См. 5.4	Алканы	,	(См. 5.7)	, ; *(5)	Горючие газы
Относительное время срабатывания *(1)	В зависимости от вещества	Среднее	(Малое)	В зависимости от вещества	Среднее	Малое	Малое	Малое	От малого до среднего
Влияние негорючих газов*(2)	Нет	, фреоны	(Да)	, ,	,	CIHCs*(3), фреоны	Фреоны	Вещество *(5)	,
Отравление*( 2)	; (); ( ); Pb	Нет	Нет	;;	(Нет)	()	Нет	Нет	Нет
Необходимость внешних газов	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Нет	(Да/Нет)
*(1) Качественное сравнение времени срабатывания для датчиков, основанных на различных принципах измерения. Данные значения не учитывают время транспортирования пробы от точки отбора до датчика. *(2) В таблице приведены наиболее типичные примеры. *(3) Хлорсодержащие углеводороды. *(4) Органические галогенсодержащие или неорганические галогенсодержащие соединения. *(5) ИП - ионизационный потенциал вещества; X - энергия фотонов УФ-лампы детектора. Примечание - (Нет), (Да) - для получения информации о данных в скобках см. соответствующий подраздел.

А.1 Термокаталитические датчики

Принцип действия термокаталитических датчиков основан на окислении горючего газа на поверхности катализатора, электрически нагреваемого до температуры 450°С - 550°С. Катализатор, как правило, имеет форму нити или выполнен в виде бусинки из пористой керамики, пропитанной веществом катализатора и закрепленной на нити накала.

Окисление приводит к повышению температуры чувствительного элемента, приблизительно пропорциональному содержанию определяемого горючего газа. Конструктивно датчик состоит из двух чувствительных элементов, установленных близко друг от друга, один из элементов - рабочий, а другой - сравнительный. Рабочий и сравнительный чувствительные элементы электрически подобны, однако сравнительный чувствительный элемент не изменяет свою температуру и, следовательно, свое электрическое сопротивление при контакте с горючим газом. Обычно чувствительные элементы включают по мостовой схеме. При этом влияние внешних воздействующих факторов, таких, как давление, температура и влажность окружающей среды, компенсируется в пределах рабочих условий эксплуатации датчика.

Изменение сопротивления рабочего чувствительного элемента приводит к разбалансировке мостовой схемы включения датчика.

Тот факт, что на поверхности чувствительного элемента происходит реакция окисления горючего газа, означает, что как сама проба, так и кислород расходуются в процессе проведения измерений. Следовательно, анализируемая проба и кислород должны непрерывно подводиться, а продукты сгорания должны удаляться с поверхности чувствительного элемента, это условие выполняется либо за счет диффузии, либо принудительно, путем размещения чувствительного элемента в потоке анализируемого газа.

Поскольку для работы термокаталитических датчиков требуется, как минимум, содержание кислорода в воздухе 10% объемной доли или больше, то термокаталитические датчики могут использоваться для определения горючих газов при их содержании в воздухе не более 100% НКПР.

Термокаталитические датчики подвержены необратимому или временному отравлению катализатора некоторыми веществами (т. н. каталитическими ядами), в результате чего чувствительность датчиков временно или необратимо снижается, что приводит к снижению сигнала датчиков в присутствии газа. Необратимое отравление катализатора термокаталитического датчика может быть результатом воздействия таких веществ, как кремнийорганические соединения, тетраэтилсвинец, серные и фосфорорганические соединения, которые либо образуют твердый слой продуктов сгорания на каталитической поверхности чувствительного элемента, либо изменяют структуру и площадь поверхности. В ряде случаев временное отравление может вызываться, например, некоторыми галогенсодержащими углеводородами.

Так называемые "стойкие к отравлению" датчики способны переносить более высокие дозы каталитических ядов, чем традиционные датчики, прежде чем в них начнется процесс необратимого отравления и снижения чувствительности.

Термокаталитические датчики, чувствительный элемент которых выполнен в виде керамической бусинки, способны функционировать непрерывно в течение нескольких лет при отсутствии сколько-нибудь значительного количества каталитических ядов в воздухе, но они тем не менее постепенно теряют свою чувствительность вследствие старения и воздействия следовых количеств каталитических ядов. В связи с этим необходимо проводить регулярную проверку чувствительности, периодичность которой определяется особенностями конструкции конкретных типов датчиков и условиями их эксплуатации.

Как правило, в корпус датчика вмонтировано металлическое газопроницаемое устройство - огнепреградитель, обеспечивающий достаточный газообмен между анализируемой средой и поверхностью чувствительного элемента и при этом исключающий возможность передачи воспламенения от нагретого чувствительного элемента в окружающую среду, если содержание горючего газа в анализируемой среде превысит НКПР. Огнепреградитель обеспечивает также защиту чувствительных элементов от пыли, механических повреждений и от воздействия потоков воздуха.

Термокаталитический датчик может быть использован в газоанализаторах:

- с диффузионным отбором пробы;

- с принудительной подачей пробы, обеспечиваемой ручным или электрическим насосом.

А.1.1 Область применения

Термокаталитические датчики пригодны для:

- определения принципиально всех горючих газов, но с разной чувствительностью;

- определения горючих газов при их содержании в воздухе до 100% НКПР.

Время установления показаний и чувствительность датчиков зависят от свойств определяемого газа. Чем больше молекулярная масса и размер молекул газа, тем больше будет время установления показаний и, как правило, меньше чувствительность.

А.1.2 Ограничения по применению

Принцип действия термокаталитического датчика основан на каталитическом окислении в присутствии достаточного количества кислорода. Недостаток кислорода может быть вызван большим содержанием горючего газа, значительно превышающим НКПР. Следовательно, данный тип датчика можно использовать только для определения смесей горючих газов и паров при их содержании в воздухе до 100% НКПР.

ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: Когда содержание горючего газа в воздухе превышает НКПР, термокаталитический датчик ввиду недостатка кислорода может выдавать ошибочный сигнал, а показания газоанализатора могут быть менее 100% НКПР.

Следовательно, газоанализаторы с термокаталитическими датчиками, соответствующие требованиям стандарта ГОСТ Р 52350.29.1, должны иметь блокирующийся сигнал о выходе показаний за пределы диапазона измерений (индикацию перегрузки), чтобы избежать выдачи ошибочных показаний. Однако стационарные датчики (например, датчики, единственным выходным сигналом которых является токовый выход 4 - 20 мА) и ранее разработанные газоанализаторы могут не иметь такой функции.

Влияние скорости воздушного потока на термокаталитический датчик с диффузионным отбором пробы должно устраняться конструкцией датчика и применением газопроницаемых элементов, изготовленных из спеченного металлического порошка.

Изменения давления, температуры и влажности не оказывают существенного влияния на показания термокаталитического датчика в пределах рабочих условий. Однако чем ниже значение порога сигнализации, тем больше будет влияние изменений температуры и других факторов окружающей среды.

Для предотвращения ложного срабатывания сигнализации не рекомендуется устанавливать значение порога сигнализации ниже 5% НКПР для метана, 10% НКПР для пропана и бутана и 20% НКПР для паров бензина (гексана) при условии, что в последнем случае приняты соответствующие меры предосторожности против токсического действия паров.

Если объемная доля горючих газов в воздухе превышает верхний предел диапазона измерений, особенно при длительном воздействии такой среды, может потребоваться несколько часов для восстановления характеристик датчика или могут наблюдаться необратимые изменения нулевого сигнала и чувствительности.

По причинам, приведенным в последних трех абзацах, термокаталитические датчики не подходят для применения в условиях, требующих высокой чувствительности (например, для диапазонов измерений значительно ниже 0 - 10% НКПР), поскольку увеличение коэффициента усиления только усилит эти нежелательные свойства.

А.1.3 Влияние неопределяемых компонентов

Термокаталитический датчик, как правило, не обеспечивает избирательность, потому что все горючие газы (в воздухе) вызывают изменение его сигнала. Существует значительный разброс чувствительности датчика к различным газам, которые не связаны прямо со значениями НКПР. Рекомендуется использовать данные по относительной чувствительности, предоставленные изготовителем.

Если контролируемая среда содержит газ или газы, которые разбавляют или замещают воздух (например, азот или диоксид углерода), то термокаталитический датчик может выдать слабый или даже нулевой сигнал. Похожие проблемы могут возникнуть из-за присутствия паров воды, которые, сконденсировавшись, могут закрыть поры огнепреградителя, предотвратив проникновение газов к термокаталитическому датчику. Присутствие в пробе инертного газа (например, аргона или гелия) также может нарушить тепловое равновесие датчика, что приведет к выдаче газоанализатором ошибочных показаний.

А.1.4 Отравление

Термокаталитические датчики чувствительны к отравлению веществами - каталитическими ядами, многие из которых довольно широко применяются, что требует регулярных проверок чувствительности и градуировки.

Потеря чувствительности может быть необратимой или временной в зависимости от физических и химических свойств такого вещества.

Необратимая потеря чувствительности, известная как "отравление катализатора", возникает в результате воздействия следующих веществ:

- кремнийорганических соединений (например, гидроизолирующих веществ, клеев и компаундов, отдельных масел и жиров, некоторых лекарственных препаратов);

- тетраэтилсвинца (например, содержащегося в этилированном бензине);

- серных соединений (например, диоксида серы, сероводорода);

- галогенсодержащих соединений (например, ряда галогенсодержащих углеводородов);

- фосфорорганических соединений (например, гербицидов, инсектицидов и эфиров фосфорной кислоты в огнеупорных гидравлических жидкостях).

В ряде случаев галогенсодержащие углеводороды и серные соединения могут вызвать только временное снижение чувствительности.

Так называемые "стойкие к отравлению" датчики способны переносить более высокие дозы таких веществ, чем традиционные датчики, прежде чем у них пропадет чувствительность. На этом этапе кроме снижения чувствительности могут ухудшиться другие их характеристики, например, увеличится время установления показаний.

Те датчики, которые не являются "стойкими к отравлению", в ряде случаев могут быть защищены от большинства каталитических ядов применением фильтров с использованием активированного угля или другими. Однако следует помнить, что фильтры следует использовать с большой осторожностью, поскольку, несмотря на то что они могут послужить превосходной защитой от каталитических ядов, такие фильтры, в частности с использованием активированного угля, приводят к понижению чувствительности к углеводородам и могут даже препятствовать обнаружению высших углеводородов. Также они могут послужить причиной значительного увеличения времени установления показаний для других веществ, кроме метана и водорода, и, таким образом, ограничить применение газоанализаторов для определения этих газов. Фильтры имеют ограниченный срок службы и требуют замены. Также на их работоспособность может повлиять уровень влажности измеряемой среды.

Другой технический прием, иногда используемый для уменьшения влияния каталитических ядов, - прерывистый режим работы датчика. Этот прием также используют для уменьшения потребления электроэнергии от аккумуляторной батареи. Однако газоанализаторы, использующие датчики в таком режиме, могут выдавать ложные показания, например, при внезапном воздействии газовоздушной смеси с большим содержанием горючего газа во время фазы отключения питания датчика. Требуется особое внимание при использовании таких газоанализаторов в режиме течеискателя или в других подобных случаях.

Результат отравляющего воздействия зависит в первую очередь от самого каталитического яда, от определяемого газа и от конструктивных особенностей датчика. Следует обратиться к руководству по эксплуатации газоанализатора, чтобы выяснить, какие вещества могут отравить катализатор и как защитить датчик.

А.2 Термокондуктометрические датчики

Принцип действия термокондуктометрических датчиков основан на изменении температуры электрически нагреваемого резистивного чувствительного элемента (который может быть проволочным, тонкопленочным или в виде бусинки), помещенного в контролируемую среду, по сравнению с температурой такого же элемента, помещенного в камеру с газом сравнения, вызванном различием теплопроводностей определяемого компонента и газа сравнения. Чувствительные элементы помещают в поток газовой пробы с постоянным расходом или в диффузионную камеру.

Температура чувствительных элементов такого датчика значительно ниже, чем термохимического. Как следствие, термокондуктометрический датчик может служить очень долгое время при отсутствии коррозии или загрязнения чувствительных элементов.

Датчик не изменяет химического состава пробы, для работы ему не требуется кислород. Следовательно, измерения можно проводить даже при отсутствии расхода пробы.

Температура элемента, однозначно связанная с его электрическим сопротивлением, определяется потерей тепла и зависит от молекулярной массы и других физических свойств окружающего элемент газа. Когда изменяется состав газа, температура электрически нагреваемого резистора - чувствительного элемента изменяется, соответствующее изменение электрического сопротивления определяют тем же способом, что и в случае термокаталитических датчиков (см. А.1). Как правило, в конструкции датчика предусматривают компенсационный элемент, который помещают в сравнительный газовый поток или в герметически запаянный объем, заполненный газом сравнения. Применение компенсационного элемента устраняет влияние колебаний температуры окружающей среды на показания датчика.

Термокондуктометрические датчики применяют для определения таких газов, теплопроводность которых в желаемом диапазоне измерений значительно отличается от теплопроводности сравнительной среды (обычно воздуха). Однако опубликованные таблицы теплопроводности могут привести к ошибочным выводам, поскольку на чувствительность датчика также влияют иные факторы, например конвекция или перенос массы.

Сказанное ограничивает применение термокондуктометрического метода определением объемной доли горючих газов, обычно превышающей НКПР. Газоанализаторы с термокондуктометрическими датчиками не следует использовать для определения горючих газов в диапазоне измерений до 100% НКПР, за исключением водорода, к которому эти датчики особенно чувствительны.

Следовательно, чувствительность к газовой смеси будет неопределенной до тех пор, пока неизвестен компонентный состав анализируемой смеси, включая газы, которые нет необходимости определять. В худшем случае смесь газов с высокой и низкой теплопроводностью, образовавшаяся, например, в результате изменения состава газовой среды, может снизить до нуля сигнал от определяемого компонента.

А.2.1 Область применения

Для применения термокондуктометрических датчиков не требуется наличие кислорода, и они обеспечивают измерение объемной доли газового компонента вплоть до 100%.

Газоанализатор может быть отградуирован на любой выбранный диапазон объемной доли определяемого компонента, включая 100% объемной доли, в среде оговоренного компонентного состава.

Эти датчики пригодны для обнаружения одиночного компонента - газа, имеющего высокую или низкую теплопроводность по сравнению с теплопроводностью воздуха, который служит сравнительной средой. Характерна высокая чувствительность термокондуктометрических датчиков к присутствию в воздухе таких газов, как водород, гелий и неон, теплопроводность которых велика; чувствительность к метану также достаточно высока.

Чувствительность метода ограниченна, верхний предел диапазона измерений обычно выше 100% НКПР, кроме случаев, когда теплопроводность газа достаточно сильно отличается от теплопроводности воздуха.

Особым случаем применения термокондуктометрических датчиков является продувка резервуаров со сжиженным нефтяным газом смесью в качестве "инертного" газа. Используя свойство теплопроводности в комбинации с конвекцией, можно изготовить датчики, которые нечувствительны к изменениям содержания фоновых газов (например, воздуха, водорода и смеси диоксида углерода/азота). В то же время они реагируют с достаточной чувствительностью на незначительное содержание легких предельных углеводородов от метана до пентана, несмотря на то что данные по теплопроводности указывают, что это невозможно.

А.2.2 Ограничения по применению

Термокондуктометрический метод применим в случаях, когда изменения выходного сигнала датчика от изменения концентрации фонового газа незначительны по сравнению с сигналом от определяемого компонента (газа или смеси газов) в выбранном диапазоне измерений.

Термокондуктометрические датчики неизбирательны к отдельным газам. Они реагируют на все газы, горючие и негорючие.

Теплопроводность горючих газов сильно различается. Более легкие газы (например, метан и водород) характеризуются большей теплопроводностью, чем воздух, в то время как более тяжелые газы (например, непредельные углеводороды) имеют меньшую теплопроводность. Следовательно, ничего нельзя сказать о сигнале датчика в газовой смеси до тех пор, пока не известен компонентный состав этой смеси. В худшем случае смеси газов с высокой и низкой теплопроводностью могут взаимно компенсировать теплопроводность и уменьшить сигнал датчика до нуля.

Ошибочные показания могут отмечаться также в следующих случаях:

a) используется термокондуктометрический датчик, чувствительный к скорости потока пробы, а поток газовой пробы нестабилен или не выполняются условия подачи пробы, указанные в руководстве по эксплуатации;

b) имеют место колебания температуры окружающего воздуха, которые не компенсируются соответствующим устройством на датчике;

c) неправильное пространственное положение газоанализатора, особенно если принцип действия датчика основан на одновременном использовании свойств теплопроводности и конвекции (датчики с повышенной конвективной составляющей теплопередачи).

А.2.3 Влияние неопределяемых компонентов

Погрешность от влияния неопределяемых компонентов возникает, если оборудование подвергается воздействию газов, на которые оно не отградуировано, или его пытаются использовать для измерения таких газов. Неопределяемые компоненты, такие, как горючие и негорючие газы, с теплопроводностью, отличной от теплопроводности окружающей среды, могут влиять на теплопроводность газовой смеси в любом направлении так, что сигнал от датчика может быть уменьшен до нуля.

В большинстве случаев сильным влиянием обладают пары воды, тем более что их содержание в воздухе сильно колеблется, особенно в жарком климате. При измерении небольшого содержания определяемого компонента влияние изменения влажности может потребовать осушения пробы.

А.2.4 Отравление

Отравляющие воздействия на датчик неизвестны.

А.3 Инфракрасные датчики

Принцип действия оптических инфракрасных датчиков основан на поглощении молекулами определяемого газа энергии светового потока в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной области спектра. Существующие газоанализаторы преимущественно работают в инфракрасной (ИК) области спектра.

Многие газы поглощают инфракрасную энергию. Исключением являются одноатомные (например, гелий, неон и аргон) и двухатомные газы (например, водород и азот). Кислород отличается слабым поглощением ИК-излучения на длине волны, обычно не используемой для определения других газов.

Все другие газы, одни в большей, другие в меньшей степени, поглощают инфракрасную энергию в диапазоне длин волн, характерном для типа химических связей их молекулы. Выбором соответствующего диапазона длин волн для определения того или иного вещества обеспечивается избирательность определения.

Данный метод измерения находит широкое применение для определения большинства газов в воздухе, потому что три основных компонента сухого воздуха - азот, кислород и аргон - не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на нулевые показания и чувствительность инфракрасного датчика в диапазоне обычно используемых длин волн ИК-излучения.

Наличие в ИК-спектре поглощения какого-либо вещества определенных характеристических полос поглощения указывает на присутствие в его молекулах соответствующих групп атомов. Как следствие, все вещества одного гомологического ряда имеют похожий спектр поглощения. Например, использование характеристических полос поглощения в ИК-спектре углеводородов или других органических веществ особенно полезно при обнаружении горючих газов, поскольку оборудование, настроенное на этот характеристический диапазон, способно обнаруживать все эти соединения, но с различной чувствительностью.

Однако существует много случаев, когда наблюдается частичное наложение характеристических полос поглощения горючих газов и негорючих веществ или других веществ, определение которых не требуется, чаще всего это вода и диоксид углерода. Если в ИК-датчике невозможно устранить наложение полос поглощения определяемого и неопределяемых компонентов, то будет наблюдаться влияние неопределяемых компонентов на показания ИК-датчика.

Инфракрасные датчики не искажают пробу, и им не требуется для работы присутствие кислорода. Выходной сигнал ИК-датчиков в наибольшей степени не зависит от скорости потока пробы. У таких датчиков продолжительный срок службы при отсутствии коррозии, загрязнения или механического повреждения.

Вследствие большого разнообразия конструкторских решений, реализованных в различных ИК-датчиках, практически невозможно обобщить их конструктивные особенности. Однако основные элементы конструкции описаны ниже.

Излучение от источника проходит по оптическому пути и после фильтрации достигает приемника оптического излучения. Источником излучения может служить электрическая лампа накаливания или светодиод, излучающий в ближней инфракрасной области спектра. Оптическая кювета, как правило, имеет небольшую длину. В ряде случаев длина оптической камеры может быть больше 30 см, в этом случае необходимо обеспечить равномерный поток пробы вдоль всей длины оптического пути. Кювета может быть открытой (или частично открытой, защищенной диффузионным барьером) или герметичной с отверстиями для входа и выхода пробы. Также в конструкции ИК-датчика может быть предусмотрена сравнительная кювета наряду с рабочей.

Фильтрация ИК-излучения обеспечивается установкой фильтра между источником и приемником излучения. Оптические фильтры представляют собой конструкцию на основе твердых оптических материалов, которые, в свою очередь, подразделяют на спектрально-селективные и отрезающие (с коротковолновой и длинноволновой границей). Существуют также фильтры, представляющие собой герметичную кювету с оптически прозрачными окнами, заполненную газом, спектр поглощения которого перекрывается со спектром поглощения определяемого вещества. Такой тип оптического фильтра применяют для уменьшения влияния неопределяемых компонентов.

Как правило, поток излучения прерывается с определенной частотой для получения модулированного сигнала фотоприемника. В оптическом датчике обычно используют два диапазона длин волн, один из них - рабочий, совпадающий с характеристической полосой поглощения определяемого вещества, а другой - опорный, или сравнительный, выбираемый в полосе прозрачности, т.е. в области ИК-спектра, где поглощение ИК-излучения минимально. В качестве фотоприемников могут быть использованы фотодиоды, фотоумножители, фоторезисторы, вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотоприемники, оптико-акустические приемники, термооптические емкостные системы (обычно с негативной фильтрацией), пироэлектрические приемники и т.д. В конструкции оптической кюветы иногда предусматривают оптоволоконные компоненты, предохраняющие от повреждения и коррозии чувствительные оптические элементы и обеспечивающие защиту анализируемой среды от нагретых оптических и электрических элементов газоанализатора.

Газоанализаторы с ИК-датчиками, несмотря на разнообразие моделей, могут быть классифицированы следующим образом:

a) специализированные газоанализаторы, снабженные системой пробоотбора;

b) одноточечные газоанализаторы со встроенным ИК-датчиком, предназначенные для установки в потенциально взрывоопасных средах; они могут иметь герметичные оптические кюветы со встроенным побудителем расхода, либо частично открытые кюветы, защищенные диффузионным барьером, либо в ряде случаев открытый оптический канал фиксированной длины в атмосфере (так называемые трассовые газоанализаторы);

c) газоанализаторы, в которых ИК-излучение источника от блока управления направляется на приемник оптического излучения с помощью гибкого оптического кабеля, обеспечивая дистанционное определение горючих газов - так называемые "световые трубки".

Конструкция ИК-датчиков принципиально позволяет использовать самодиагностику для проверки чувствительности к определяемому компоненту. Другие преимущества метода:

a) высокая стабильность;

b) отсутствие неоднозначности показаний при концентрациях, превышающих НКПР;

c) устойчивость к отравлению;

d) менее частое техническое обслуживание благодаря самодиагностике. Автоматическая градуировка, возможность контроля исправности источника ИК-излучения и компенсации загрязнения оптики могут продлить время работы без обслуживания. Однако особое внимание следует уделять своевременной очистке защитных фильтров в газовом тракте, поскольку средства самодиагностики обычно не обнаруживают их загрязнения.

Примечание - Трассовые ИК-газоанализаторы, имеющие открытый оптический канал, отличаются от других типов оборудования, упомянутых в настоящем стандарте, тем, что они не определяют содержание газа в конкретной точке, а измеряют интегральное содержание газа вдоль всего оптического пути. Следовательно, они способны обнаруживать присутствие газа на большей площади, чем другие типы газоанализаторов. Однако по своей природе они не различают ситуацию, при которой высокое содержание газа наблюдается на коротком отрезке оптического пути от той, при которой малое содержание газа присутствует на протяженном участке оптического пути, и, следовательно, такие газоанализаторы не соответствуют требованиям ГОСТ Р 52350.29.1.

А.3.1 Область применения

ИК-датчик градуируют для определения одиночного компонента и в некоторых случаях нескольких компонентов. Присутствие других газов не будет обнаружено, если их полоса поглощения в ИК-области лежит за пределами полосы пропускания приемника ИК-излучения. Следовательно, газоанализаторы с такими датчиками можно использовать только для обнаружения газовых смесей, для которых они были отградуированы.

ИК-датчики не реагируют на водород. Однако их можно использовать для обнаружения большинства других горючих газов, в любом установленном диапазоне измерений объемной доли от нескольких миллионных долей вплоть до 100%. Чем длиннее оптический путь, тем выше будет чувствительность.

Соответствующим выбором длин волн и длины оптического пути можно получить газоанализаторы для:

- измерения суммарного содержания углеводородов, часто используется область длин волн, соответствующая колебательному переходу С-Н (около 3,3 мкм);

- избирательного определения одного компонента (в смеси);

- определения объемной доли в диапазоне до нескольких миллионных долей;

- определения объемной доли горючих газов в диапазоне до 100%;

- определения объемной доли кислорода в диапазоне до 100%.

Диапазон измерений и технические характеристики газоанализаторов следует выбирать в соответствии с целями конкретного применения.

А.3.2 Ограничения по применению

ИК-датчики не обнаруживают водород.

Время, необходимое, чтобы содержание газа на всей длине оптического пути достигло того же значения, что и в контролируемой среде, ограничивает время установления показаний газоанализатора. Это время невелико в газоанализаторах с принудительным отбором пробы. В газоанализаторах с диффузионным отбором пробы установка кожуха для защиты от атмосферных воздействий, газовых фильтров и гидрофобных барьеров увеличивает время установления показаний.

Изменения давления анализируемой среды не влияют на нулевые показания, но чувствительность, как правило, пропорциональна парциальному давлению определяемого компонента. Поскольку датчик чувствителен к давлению, следует исключить изменения давления в газовом канале газоанализатора.

Некоторые типы датчиков, использующие модуляцию потока ИК-излучения или оптикоакустический приемник, чувствительны к вибрации.

Некоторые типы инфракрасных датчиков, в частности датчики для трассовых газоанализаторов, чувствительны к рассогласованию оптических осей, вызванному тряской и вибрацией.

Воздействие температуры обычно незначительно, но оно может привести как к уменьшению, так и к увеличению сигнала датчика.

А.3.3 Влияние неопределяемых компонентов

Неопределяемые компоненты (горючие и негорючие газы) могут вызывать изменение сигнала датчика. Чувствительность некоторых датчиков к таким газам, как диоксид углерода, часто приводит к значительной погрешности при измерении.

Изменение концентрации паров воды в анализируемой газовой смеси может вызывать изменение сигнала ИК-датчиков горючих газов. Однако газоанализаторы, отвечающие требованиям ГОСТ Р 52350.29.1, будут иметь минимальную чувствительность к воде.

Наличие в пробе твердых частиц и капель жидкости, которые также поглощают инфракрасную энергию, вызывает изменение сигнала датчика или даже потерю чувствительности. Важно предупредить загрязнение оптических компонентов (например, окон и зеркал), особенно загрязнение, вызванное твердыми частицами или конденсацией паров. Когда для защиты от загрязнения элементов оптического тракта используют фильтры тонкой очистки, следует иметь в виду, что фильтры могут закупориться, если проба сильно загрязнена.

А.3.4 Отравление

Отравляющие воздействия на датчик неизвестны.

А.4 Полупроводниковые датчики

Принцип работы полупроводниковых датчиков основан на изменении электропроводности, вызванном хемосорбцией молекул определяемого компонента на поверхности нагретого чувствительного элемента, находящегося в воздухе. Содержание газа определяют путем измерения изменения сопротивления чувствительного элемента.

Полупроводниковый материал, нанесенный на поверхность керамической подложки, электрически нагревается до нескольких сотен градусов Цельсия. Электроды наносятся на поверхность методом ионной имплантации или другим способом.

Полупроводниковые датчики используют для обнаружения газов в широком диапазоне концентраций, однако зависимость между концентрацией определяемого компонента и сигналом датчика нелинейна, чувствительность датчиков уменьшается с увеличением концентрации. Во многих случаях полупроводниковые датчики для своей работы требуют присутствия кислорода в пробе, а колебания влажности анализируемой среды и изменения содержания кислорода могут повлиять на их чувствительность.

Некоторые полупроводниковые датчики помимо горючих газов и паров реагируют также на другие вещества. Датчики, как правило, не являются избирательными и подвержены влиянию внешних факторов и неопределяемых компонентов. Чувствительность датчиков к различным горючим газам существенно различается. Полупроводниковые датчики обладают высокой чувствительностью к водороду. Сигнал при воздействии некоторых других газов (например, ) может быть противоположен полярности сигнала при воздействии водорода, поэтому влияние неопределяемых компонентов на показания датчика необходимо анализировать в каждом конкретном случае.

В связи с этим полупроводниковые датчики обычно используют для обнаружения конкретного газа в заданном диапазоне концентраций и при других особо оговоренных условиях, когда решающее значение имеет стоимость прибора.

Время установления показаний зависит от технологии изготовления чувствительного элемента, содержания определяемого компонента в анализируемой газовой смеси и способа ее доставки к датчику (обычно посредством диффузии, но также может применяться принудительная подача).

А.4.1 Область применения

Полупроводниковые датчики применяют для определения газов в широком диапазоне концентраций, в том числе очень низких, однако их характеристика преобразования нелинейна.

Они пригодны для использования в течеискателях даже при очень низких концентрациях определяемого компонента и в сигнализаторах, не имеющих отсчетного устройства.

А.4.2 Ограничения по применению

Полупроводниковые датчики горючих газов, как правило, неизбирательны, чувствительны к изменениям влажности и неопределяемым компонентам, для них характерны дрейф как нулевых показаний, так и чувствительности. Некоторые газы (например, ) вызывают отрицательный по отношению к горючим газам сигнал.

Примечание - Обычно производитель приводит рекомендации относительно веществ, которые оказывают влияние на работу датчика или вызывают ложные показания.

Новым датчикам может потребоваться длительная приработка (до нескольких недель) для стабилизации нуля и чувствительности перед проведением градуировки. Эту приработку должен проводить изготовитель.

В дальнейшем приработка может быть необходима после продолжительного (более 1 дня) пребывания датчика в отключенном состоянии.

Если содержание определяемого компонента превышает верхний предел диапазона измерений, датчику может потребоваться несколько часов для восстановления характеристик или могут произойти необратимые изменения нулевых показаний и чувствительности.

А.4.3 Влияние неопределяемых компонентов

Полупроводниковые датчики неизбирательны, негорючие газы могут вызывать как отрицательный, так и положительный сигнал датчика.

Датчики одного типа имеют широкий разброс чувствительности к определяемому компоненту, к тому же относительная чувствительность к другим газам может значительно отличаться от одного датчика к другому. Обычно значения чувствительности не связаны прямо со значениями НКПР. Конкретные значения приводят в руководстве по эксплуатации.

Изменения содержания кислорода, температуры, влажности или скорости движения воздуха могут оказать сильное влияние на чувствительность. Конкретные значения приводят в руководстве по эксплуатации.

А.4.4 Отравление

На чувствительность полупроводниковых датчиков оказывают сильное влияние (в большинстве случаев понижают, но иногда и повышают) отравляющие вещества, но при концентрациях больших, чем концентрации, влияющие на термокаталитические датчики. Примеры таких веществ:

- щелочные или кислотные соединения;

- кремнийорганические соединения;

- тетраэтилсвинец;

- серные соединения;

- галогенсодержащие соединения.

Следует обратиться к руководству по эксплуатации газоанализаторов, чтобы выяснить, какие отравляющие вещества могут повлиять на чувствительность и как защитить датчик.

А.5 Электрохимические датчики

Принцип действия электрохимических датчиков основан на изменении электрических параметров электродов, находящихся в контакте с электролитом, в присутствии определяемого газа. Изменение электрических параметров является следствием окислительно-восстановительный реакции определяемого газа на поверхности электрода.

Электроды и электролит обычно размещены в корпусе электрохимической ячейки, закрытом полупроницаемой мембраной, непроницаемой для жидкого электролита, но позволяющей молекулам газа диффундировать сквозь нее к поверхности раздела электрод - электролит. В большинстве случаев рабочий электрод, на котором протекает реакция с участием определяемого газа, формируется непосредственно на внутренней поверхности полупроницаемой мембраны. Электроды могут быть покрыты активирующим слоем, который вызывает протекание реакции.

Внутри электрохимической ячейки имеется по крайней мере еще один электрод и содержится электролит. Избирательность к различным газам достигается выбором материалов электродов и электролита, поляризующего напряжения, схемы включения электрохимической ячейки.

Некоторые электрохимические датчики могут использовать предварительную химическую реакцию с участием определяемого компонента, продукты этой реакции уже непосредственно детектируются электрохимической ячейкой.

Как правило, определяемый газ расходуется в процессе протекания окислительно-восстановительной реакции на поверхности рабочего электрода, а продукты реакции диффундируют в объем электролита к вспомогательному электроду. Поскольку только небольшое количество определяемого газа может прореагировать на поверхности рабочего электрода, диффузию газа можно ограничить, поместив перед полупроницаемой мембраной диафрагму или капилляр, что предотвратит перегрузку (насыщение) электрохимической ячейки.

Как сами электроды, так и электролит электрохимических датчиков могут постепенно изменяться или даже расходоваться в ходе протекания химических реакций. Датчики требуют регулярной градуировки через установленные интервалы времени в целях корректировки дрейфа нуля и чувствительности и в конце концов подлежат замене. Срок службы в благоприятных условиях обычно более 2 лет.

Время срабатывания сигнализации и время установления показаний t (90) сравнительно велико и обычно превышает 30 с, особенно после перегрузки и в конце срока службы. Существуют ограничения по эксплуатации электрохимических датчиков в условиях низких температур и низкой относительной влажности.

А.5.1 Область применения

Электрохимические ячейки компактны, потребляют мало энергии и обладают высокой чувствительностью к определяемым газам.

Электрохимическая ячейка не может быть использована для обнаружения большинства углеводородов (например, алканов - метана, этана, пропана и т.д.).

Существует ограниченное число применений данного типа датчиков для контроля до взрывоопасных концентраций. Они пригодны для определения до взрывоопасных концентраций водорода или оксида углерода, а также объемной доли кислорода до 25%. Существуют также датчики для определения объемной доли кислорода до 100%.

Кроме того, эти датчики широко применяют для определения содержания газов вплоть до нескольких миллионных долей, например при обнаружении утечек или индивидуальном контроле многих токсичных газов (но не паров), например , СО, HCN, , , , NO, и этиленоксида. Даже если электрохимические датчики предназначены для определения одного компонента, они, как правило, имеют чувствительность к неопределяемым компонентам.

Переносные газоанализаторы горючих газов с диапазоном измерения от 0% до 100% НКПР, использующие другие типы датчиков, описанных в настоящем стандарте, часто выпускают в многоканальном исполнении, включающем электрохимические датчики токсичных газов и кислорода.

А.5.2 Ограничения по применению

Временная потеря чувствительности наблюдается во время перемещения холодного электрохимического датчика в более теплое место с повышенной влажностью, вследствие конденсации воды на мембране. Это особенно заметно у кислородных датчиков, у которых по этой причине при нормальной объемной доле кислорода 21% показания могут снизиться и прибор может выдавать аварийный сигнал в течение нескольких минут. Загрязнение нелетучими жидкостями или клейкими твердыми веществами может привести к постоянному снижению чувствительности.

Для прохождения электрохимической реакции необходим кислород. При работе датчика в обескислороженной среде кислород, растворенный в электролите, обеспечит ход химической реакции в течение непродолжительного времени в зависимости от датчика, но длительная работа датчика при отсутствии кислорода в анализируемой среде невозможна.

Изменения, происходящие в электролите, а также на поверхности одного или нескольких электродов, сокращают срок службы датчика. Чувствительность датчиков обычно падает со временем, приводя к необходимости периодической проверки чувствительности и градуировки.

В зависимости от типа датчика и определяемого компонента у датчика может сократиться срок службы или уменьшиться быстродействие, если содержание определяемого компонента превышает верхний предел диапазона измерений. Это характерно для кислородных датчиков, использующихся при высоком содержании кислорода, когда свинцовый электрод расходуется пропорционально объемной доле кислорода.

Срок службы многих типов электрохимических датчиков также зависит от времени воздействия других газов, которые приводят в негодность электролит. В частности, высокие концентрации диоксида углерода могут вызвать потерю чувствительности и сократить срок годности электролита в некоторых кислородных датчиках.

В большинстве случаев влияние температуры на чувствительность датчика хорошо известно и воспроизводимо, что позволяет использовать программно-аппаратную компенсацию.

Низкая температура или влажность может понизить чувствительность и увеличить время установления показаний датчика. Длительная работа при очень низких значениях влажности может привести к высыханию электролита. Чтобы этого избежать, некоторые датчики снабжают резервуаром для увлажнения.

Свойства электролита ограничивают минимальное (а в ряде случаев и максимальное) значение рабочей температуры; предельные значения указывают в руководстве по эксплуатации. Обычно минимальная температура ограничена значением минус 15°С ввиду возможного замерзания электролита.

Времена срабатывания и время установления показаний t (90) сравнительно большие, обычно 30 с.

А.5.3 Влияние неопределяемых компонентов

Электрохимические ячейки могут реагировать на другие газы, выдавая как положительный, так и отрицательный сигнал.

За исключением кислородных датчиков, чувствительность к неопределяемым компонентам в некоторых случаях может быть выше, чем к определяемому.

Для некоторых типов электрохимических датчиков чувствительность пропорциональна атмосферному давлению. Для датчиков других типов перепады давления создают опасность повреждения, что должно быть указано в руководстве по эксплуатации.

Существуют частные случаи влияния неопределяемых компонентов на кислородные датчики при их использовании не в воздухе, а в газовых смесях или в присутствии очень высоких концентраций горючих газов, например:

- молекулярная масса газа, в которой измеряется содержание кислорода, может оказывать сильное влияние на чувствительность датчика, поэтому необходимо провести градуировку по ПГС, содержащей кислород в этом же газе;

- срок службы датчика может уменьшиться из-за присутствия в пробе высоких концентраций органических растворителей, вступающих в химическую реакцию с электролитом.

А.5.4 Отравление

На электролит или электрод датчиков могут влиять различные газы, содержащиеся в пробе, что может приводить к потере чувствительности датчиков, о чем должно быть указано в руководстве по эксплуатации.

Кроме случаев загрязнения, описанных выше, доступ кислорода к мембране датчика может постепенно уменьшаться и со временем быть полностью перекрыт продуктами реакции, например гидролиза таких галоген-содержащих соединений, как фторид бора (III) ( ), тетрахлорсилан () и т.д.

Некоторые кислородные датчики могут терять чувствительность из-за большого содержания в атмосфере, вступающего в реакцию с электролитом.

А.6 Пламенно-ионизационные датчики

Принцип работы пламенно-ионизационных датчиков (ПИД) основан на ионизации в электрическом поле молекул органических соединений, сжигаемых в пламени водородной горелки. Образующееся при этом ионное облако перемещается под воздействием разности потенциалов в несколько сотен вольт, поддерживаемой между электродами в камере сгорания. Это перемещение создает очень слабый электрический ток, пропорциональный содержанию определяемого компонента (газа или пара) в газовом потоке.

Данный тип датчиков обладает превосходной линейностью в диапазоне нескольких декад, при величине объемной доли определяемого компонента от единиц миллионных долей до 100% НКПР. В пламени чистого водорода (и воздуха) образуется незначительное количество ионов, которые обеспечивают остаточный ток датчика меньший, чем 0,1 пА. Это позволяет проводить измерения массового расхода органических соединений вплоть до 10 - 15 пг/с.

В качестве отрицательного электрода обычно используют сопло горелки, в качестве положительного - цилиндр или кольцо, расположенные на небольшом расстоянии вокруг пламени.

В датчике также присутствует источник розжига пламени (например, искровой промежуток или свеча зажигания).

Расход водорода обычно устанавливается равным нескольким десяткам миллилитров в минуту. Водород не должен содержать органических соединений и других примесей, но может содержать некоторое количество таких газов, как азот, кислород, водяной пар и т.д. Расход пробы чаще всего устанавливается равным нескольким миллилитрам в минуту, газом-носителем пробы не должен быть воздух, проба смешивается с водородом непосредственно перед пламенной горелкой.

Необходимый для горения воздух, обычно с расходом 100  или более, подается через кольцевые прорези в камере сгорания. В воздухе, необходимом для горения пламени, не должно быть органических примесей. Иногда в переносных газоанализаторах, предназначенных для определения малых концентраций органических газов в воздухе, в качестве воздуха для горения используется воздух самой пробы, что устраняет необходимость отдельной его подачи.

Расход всех газов и температура в камере сгорания должны быть стабилизированы.

Время установления показаний ПИД в основном определяется временем доставки пробы к пламени; достижимо время установления показаний менее 1 с.

Процесс ионизации в пламени зависит от типа и степени окисления атомов, входящих в состав молекулы определяемого газа. В соответствии с эмпирическим правилом ионизируются С-Н связи, ненасыщенные С-С связи и С-галоген связи. Чувствительность к углеводородам приблизительно пропорциональна общему содержанию углерода в молекуле газа.

Таким образом, относительная чувствительность к различным углеводородам, выраженная в молярных долях, приблизительно пропорциональна числу атомов углерода в их молекулах. Однако для кислородсодержащих соединений это правило изменяется. Связи С-О в молекулах не образуют поддающихся обнаружению ионов. Количество атомов углерода, необходимое для расчета сигнала, должно быть сокращено наполовину для каждого атома кислорода в молекуле. Например, муравьиная кислота НСООН не определяется ПИД-детектором (1 углерод минус 1/2 для каждого кислорода равняется нулю). Данный эффект снижает чувствительность детектора в случае, если ПИД используют как анализатор общего содержания углерода в пробе.

Однако существуют значительные отклонения от этого эмпирического правила. В действительности чувствительность детектора к различным углеводородам может изменяться в диапазоне от 1:3 до более чем 3:1 относительно чувствительности к метану. Чувствительность детектора зависит от конструктивных особенностей пламенной горелки, расхода газа, электрических параметров, добавления пробы к водороду или от использования пробы в качестве газа для горелки, а также от выбора газа-носителя.

Инертные и редкие (благородные) газы, оксиды азота, галогены, водород, кислород, диоксид углерода, четыреххлористый углерод и вода не определяются ПИД.

Если в пробе содержатся кремнийорганические соединения, требуется более частое обслуживание ПИД, так как диоксид кремния, образующийся при их сгорании, может образовать на электроде изолирующий слой, что снизит сигнал детектора.

А.6.1 Область применения

ПИД используют, когда необходима высокая чувствительность, широкий диапазон измерений, малая погрешность измерения, устойчивость к отравлению и быстрое время установления показаний. ПИД пригоден для измерения в диапазонах от единиц миллионных долей до 100% НКПР и даже выше.

ПИД обладает чувствительностью почти ко всем органическим соединениям, большинство из которых горючие. Исключением являются формальдегид и муравьиная кислота.

Данный тип датчиков пригоден для измерений при повышенной температуре.

А.6.2 Ограничения по применению

Принцип действия не обеспечивает избирательность, так как, как правило, все органические соединения вызывают появление сигнала датчика. Если предполагается присутствие других газов в месте установки ПИД, необходимо провести градуировку датчика на тот газ, к которому он наименее чувствителен. Однако для данного метода относительная чувствительность лучше поддается расчету, чем для других методов.

Помимо уже упомянутых органических соединений, к которым ПИД не чувствителен, данные датчики также непригодны для обнаружения горючих неорганических газов, водорода, оксида углерода, аммиака, сероуглерода, сероводорода и цианисто-водородной (синильной) кислоты.

ПИД могут также определять ряд негорючих органических соединений.

Для горения водородной горелки требуется подача извне водорода и (обычно) синтетического воздуха. В ряде случаев сама проба может быть использована в качестве воздуха для горения. Сигнал датчика сильно зависит как от расхода пробы, так и от расхода водорода и в меньшей степени от расхода воздуха для горения. Следовательно, необходимо поддерживать постоянство давлений анализируемой газовой смеси (пробы), воздуха и водорода, при этом следует отметить, что огнепреградители, используемые в пробоотборной линии, могут засоряться, создавая трудности с поддержанием постоянного расхода пробы.

А.6.3 Влияние неопределяемых компонентов

Галогенсодержащие углеводороды снижают чувствительность, если газоанализатор отградуирован на измерение общего содержания углерода в газовой смеси.

ПИД нельзя применять для измерения в смесях с высоким содержанием газов, которые гасят пламя, например хладонов.

А.6.4 Отравление

Как правило, для данных датчиков не характерно отравление, но если в пробе присутствуют кремнийорганические соединения или другие вещества, которые образуют твердые продукты сгорания, то они могут вызвать образование налета на электродах и на изоляции, который приведет к снижению чувствительности и в конце концов сделает датчик неработоспособным.

А.7 Анализаторы температуры пламени

Принцип работы детекторов-анализаторов температуры пламени (АТП) основан на повышении температуры пламени, сжигающего постоянный поток водорода (или другого газа). Это повышение вызывается наличием горючих примесей в пробе воздуха, поддерживающих горение пламени.

Температура пламени измеряется внутри небольшой камеры сгорания. Зависимость выходного сигнала датчика от содержания определяемого компонента нелинейна.

Время установления показаний АТП в основном определяется временем доставки пробы к пламени; достижимо время установления показаний менее 5 с.

Газ для горелки (обычно водород) должен иметь постоянный состав. Для получения стабильного нулевого сигнала АТП при отсутствии горючих газов в пробе воздуха, подаваемого на горелку, необходимо поддерживать постоянную температуру в камере сгорания и поддерживать постоянным расход пробы и горючего газа для горелки.

Необходимо быть особенно внимательным, если в анализируемом газе присутствуют хладоны. Присутствие в пробе хладонов при отсутствии в ней горючих газов приведет к уменьшению температуры пламени. Горючие газы на фоне большого содержания хладонов в пробе будут определяться с большой погрешностью, более того, пламя может даже погаснуть.

А.7.1 Область применения

АТП используют для измерения общего количества горючих газов и паров при их содержании в пробе ниже 100% НКПР, когда требуется быстрое время установления показаний.

АТП пригоден для измерений при повышенной температуре.

А.7.2 Ограничения по применению

АТП не является избирательным, так как его выходной сигнал зависит только от теплотворной способности пробы. При высоком содержании определяемого компонента передаточная характеристика нелинейна. Подробно об ограничениях указано в руководстве по эксплуатации.

Не рекомендуется использовать АТП для измерения в диапазоне единиц миллионных долей.

Для работы АТП требуется один или несколько вспомогательных газов. Для пламени необходим водород или другой горючий газ. Для работы горелки необходимо обеспечить или присутствие в определяемом газе кислорода, или отдельную подачу воздуха. Сигнал критически зависит от расхода пробы, горючего газа и, если используется, воздуха для горения. Следовательно, как и в случае ПИД, необходимо стабилизировать давление пробы, воздуха и горючего газа для горелки, но следует отметить, что огнепреградители, используемые в пробоотборной линии, могут засориться, и, как следствие, могут возникнуть трудности с сохранением устойчивого расхода пробы.

А.7.3 Влияние неопределяемых компонентов

Галогенсодержащие углеводороды, например фреоны, при высоких концентрациях уменьшают сигнал АТП, снижая температуру пламени.

А.7.4 Отравление

Отравляющие воздействия на датчик неизвестны.

А.8 Фотоионизационные датчики

Принцип действия фотоионизационных датчиков (ФИД) основан на ионизации газов посредством ультрафиолетового (УФ) излучения, испускаемого специальной лампой, с известной длиной волны и, следовательно, энергией фотона, обычно выражаемой в электрон-вольтах (например, 10,6 эВ). Кроме лампы в ионизационной камере располагаются два электрода, между которыми приложено напряжение. В ионизационной камере молекулы определяемого газа, чей ионизационный потенциал (ИП) ниже, чем энергия фотонов, испускаемых лампой, ионизируются, и между двумя электродами начинает протекать ток. Этот ток пропорционален содержанию определяемого компонента в диапазоне концентраций, охватывающих несколько порядков.

Основные компоненты ФИД - УФ-лампа с генератором возбуждающих импульсов (методами высокого напряжения или высокой частоты), два электрода-коллектора с усилителем и, как правило, фильтр и побудитель расхода пробы. Для работы ФИД какого-либо газа дополнительно не требуется.

Вещества с более высокими значениями ИП, чем энергия фотонов УФ-лампы, не определяются ФИД. Например, такие вещества, как этан, пропан, ацетилен или метанол, имеют ИП выше, чем 10,6 эВ - значение, характерное для самых распространенных УФ-ламп. Другие вещества, у которых значения ИП немного ниже (например, этанол и этилен с ИП = 10,5 эВ), вызовут слабый сигнал ФИД.

В принципе, поскольку измерение обычно проводят в воздухе, все вещества, у которых ИП выше, чем у кислорода (ИП = 12,1 эВ) (например, водород, оксид углерода и метан), не поддаются определению. Поэтому нет особой необходимости в УФ-лампе с более высоким значением энергии фотонов, чем 12,1 эВ.

Возможности метода по определению горючих газов ограниченны, и с самыми распространенными УФ-лампами этим методом не удастся обнаружить все горючие газы.

Значения ионизационного потенциала для различных веществ можно найти в справочной литературе или получить у изготовителя газоанализаторов. К соединениям, которые можно обнаружить, относятся:

- органические молекулы, содержащие несколько атомов углерода и (или) других атомов (например, кислорода, серы, брома);

- ненасыщенные и ароматические углеводороды;

- амины;

- ряд горючих неорганических соединений (например, аммиак, сероводород и сероуглерод);

- некоторые негорючие газы (например, диоксид азота, оксид азота и трихлорэтилен).

Относительная чувствительность ФИД к различным газам, как правило, хорошо известна, что позволяет учесть эти данные в программном обеспечении газоанализатора. Пользуясь предварительно установленными значениями относительной чувствительности, можно, проведя градуировку газоанализатора по одной ПГС, проводить затем определение других известных газов, непосредственно считывая показания газоанализатора.

Время установления показаний определяется только временем, необходимым для доставки пробы к ФИД. Типичное значение времени установления показаний - от 2 до 10 с.

А.8.1 Область применения

ФИД используют, когда основными требованиями являются высокая чувствительность, устойчивость к отравляющим веществам и малое время установления показаний.

Хотя этот метод предназначен преимущественно для использования в стационарных газоанализаторах, но применяется и в переносных (ручных) или передвижных газоанализаторах эпизодического действия, обычно имеющих встроенный побудитель расхода для принудительного отбора пробы.

ФИД пригоден для определения содержания газов от единиц миллионных долей до примерно 2000 . Таким образом, метод пригоден для определения как токсичности среды, так и ее взрывоопасности.

Кроме того, ФИД обычно используют для измерения содержания газов в диапазоне нескольких миллионных долей в течение коротких промежутков времени, например при поиске утечки.

А.8.2 Ограничения по применению

Принцип измерений не обеспечивает избирательное определение горючих газов. Датчик обнаруживает все вещества, у которых ИП ниже, чем энергия излучения УФ-лампы.

ФИД не может обнаружить оксид углерода, водород или метан в воздухе.

ФИД не обнаруживает соединения, имеющие ИП, превышающие энергию излучения лампы. Большинство датчиков оборудовано УФ-лампой с энергией излучения 10,6 эВ.

Таким образом, этот метод не подходит для обнаружения легких предельных углеводородов и некоторых других веществ. Однако изменение энергии излучения лампы от 8,4 эВ (что исключает обнаружение многих веществ) до 11,7 эВ (при определении горючих веществ в воздухе) позволяет обнаружить большее количество газов (см. руководство по эксплуатации).

Лампы с более высокой энергией излучения имеют малый срок службы.

ФИД не рекомендуется применять для определения содержания определяемого компонента свыше из-за нелинейности характеристики преобразования. Ограничения по диапазонам измерений указаны в руководстве по эксплуатации конкретного газоанализатора.

А.8.3 Влияние неопределяемых компонентов

ФИД обладает чувствительностью ко всем веществам, у которых ИП ниже, чем энергия фотонов УФ-лампы, обычно 10,6 эВ. Но коэффициент чувствительности сильно зависит от ионизационных свойств вещества.

Пары воды могут вызвать сигнал, эквивалентный нескольким миллионным долям. Этот сигнал не является результатом ионизации (ИП составляет 12,6 эВ), а возникает в результате взаимодействия воды с материалами, окружающими электроды.

Высокое содержание метана в присутствии определяемого компонента может привести к уменьшению показаний из-за подавления ионизации.

Конденсат, твердые частицы, пятна от пальцев и т.д. на лампе или окне датчика могут изменить интенсивность УФ-излучения и, следовательно, чувствительность.

А.8.4 Отравление

Отравляющие воздействия на датчик неизвестны.

Измерение содержания ряда соединений, например сложных эфиров или стирола, может привести к разложению веществ, подвергнувшихся воздействию УФ-излучения, и отложению их на колбе УФ-лампы. Следовательно, рекомендуется регулярно очищать УФ-лампу в соответствии с указаниями, приведенными в руководстве по эксплуатации.

А.9 Парамагнитный датчик кислорода

Кислород обладает сильными парамагнитными свойствами (втягивается в магнитное поле). Газы, содержащие кислород, будут стремиться разделиться в сильном магнитном поле с силой, пропорциональной объемной доле кислорода. и разделяются в пропорционально меньшей степени, для других газов эффект практически отсутствует, что делает этот метод очень избирательным к кислороду при отсутствии значительных количеств оксидов азота.

Использование парамагнитных свойств кислорода возможно несколькими способами. В датчике магнито-механического типа используется очень легкий и маленький ротор с торсионной подвеской, помещенный в сильное неоднородное магнитное поле, ротор выполняется в виде гантельки из диамагнитного материала. Вращение ротора, вызванное притяжением парамагнитного газа в магнитном поле, обнаруживается оптически, в магнито-механических датчиках компенсационного типа цепь обратной связи электромеханически возвращает ротор в исходное состояние. Следовательно, ток в цепи обратной связи будет пропорционален углу закручивания упругого подвеса ротора и, следовательно, будет пропорционален содержанию парамагнитного газа. Необходимо обеспечить компенсацию влияния давления и температуры на сигнал датчика. Магнитомеханические датчики также чувствительны к ударам и вибрации, тем не менее их возможно сделать устойчивыми к транспортированию.

В датчике термомагнитного типа используется температурная зависимость удельной магнитной восприимчивости, которая обратно пропорциональна температуре. Поток газовой пробы разделяется на две части. Проба в одном потоке нагревается примерно на 100 К выше температуры окружающей среды. В неоднородном магнитном поле благодаря разнице в магнитной восприимчивости парамагнитного газа при двух разных значениях температур создается движение пробы ("магнитный ветер"). Этот поток обнаруживается благодаря своему охлаждающему воздействию на нагревательный элемент, включенный в мостовую схему. Сигнал разбаланса моста является мерой содержания кислорода. Показания газоанализатора обычно зависят от положения в пространстве, следовательно, данный метод применим для стационарных газоанализаторов.

Датчики магнитопневматического типа измеряют дифференциальное давление, вызванное потоком парамагнитного газа, втянутого в неоднородное магнитное поле. Для них требуется использование газа сравнения, например азота, подаваемого с очень малым расходом. Для получения сигнала давления, пропорционального содержанию кислорода, обычно используют модуляцию магнитного поля.

А.9.1 Область применения

Парамагнитный датчик используют для определения кислорода в случаях, когда основными требованиями являются избирательность, долговременная стабильность и устойчивость к отравляющим веществам.

Данный датчик пригоден для измерения объемной доли кислорода в диапазонах от 0% - 1% до 0% - 25%. Возможно определение вплоть до 100% объемной доли. Разница между нижним и верхним пределами диапазона измерений объемной доли кислорода должна превышать 0,5%.

В зависимости от особенностей конструкции датчика время установления показаний может варьироваться от 6 до 40 с.

А.9.2 Ограничения по применению

В зависимости от особенностей конструкции датчика газоанализаторы могут:

- использовать один или несколько вспомогательных газов;

- содержать источники воспламенения (нагретые чувствительные элементы);

- быть чувствительными к ударам и (или) вибрации.

В большинстве случаев необходима компенсация влияния изменений давления и температуры.

А.9.3 Влияние неопределяемых компонентов

За исключением NO и , сигнал от которых при равном с кислородом содержании равен приблизительно 50% и 4% соответственно от сигнала, вызванного кислородом, не выявлено существенной чувствительности к другим газам.

А.9.4 Отравление

Отравляющие воздействия на датчик неизвестны.