Газоанализатор (ТПГ-СН4) для мони-торинга метана на основе термока-талитических и полупроводниковых сенсоров

АННОТАЦИЯ

Разработан селективный и чувствительный 2х-канальный газоанализатор для контроля количества метана в атмосферном воздухе и технологических газах. Исследована концентрационная зависимость аналитического сигнала  в широком диапазоне концентраций метана и установлен  ее линейный характер. Установленные значения абсолютной и относительной погрешностей и ва­риации аналитического сигнала не превышают допустимые пределы иссле­дованных параметров.

ABSTRACT

As a result of the research, a selective and sensitive 2-channel gas analyzer has been developed for monitoring the amount of methane in atmospheric air and process gases. The dependence of the signal of the device on the concentration of methane in a wide range of its concentration was investigated. It is established that in the studied interval the dependence of the signal on the concentration is straightforward. The found values of the absolute and relative errors and variations of the analytical signal do not exceed the permissible limits of the parameters studied.

Ключевые слова: метан, термокаталитический и полупроводниковые  сенсоры, газоанализатор природного газа, определение метана.

Keywords: Methane, catalytic bead and semiconductor sensors, gas detector natural gas definition of methane.

Метан является одним из самых опасных компонентов воздуха бытовых и производственных помещений. Он создает с воздухом взрыво­опасную смесь [ 1]. Нижним концентрационным пределом взрывчатости метана обычно принято считать 5%, а верхним пределом взрывчатости - 16% [2]. Одним из наиболее опасных видов аварий на бытовых и промышленных объектах являются взрывы метана [3]. Поэтому контроль концентрации метана в воздухе необхо­дим. Данное обстоятельство обусловливает актуальность проведения исследований, направленных на разработку методики и анализатора, обеспечивающих надежный контроль концентрации метана. В определение метана наиболее широко применяется метод газовой хроматографии [4].

Промышленностью выпускаются датчики и приборы для контроля концентрации метана в атмосферном воздухе [5, 6]. Существенным недостатком этих приборов являются большие габариты, недостаточная точность измерений и отсутствие селективности. В связи с этим, задача разработки сенсоров для контроля взрывоопасной концентрации метана (природного газа) в атмосфере бытовых, жилых и производственных помещений является актуальной.

Анализ развития газовых сенсоров в промышленно развитых странах показали, что для предотвращения взрывоопасности наиболее перспективными являются использование термокаталитических и полупроводниковых сенсоров [7, 8]. Данное обстоятельство обусловливает актуальность проведения исследований, направленных на разработку экспрессных, чувствительных и селективных сенсоров, обеспечивающих надежный контроль взрывоопасности газовых смесей замкнутых экологических систем.

Целью работы является разработка газоанализатора метана на основе селективных термокаталитических и полупроводниковых сенсоров для контроля содержания метана в широком интервале его концентрации в воздухе.

В настоящей работе с использованием селективных термо-каталитических (ТКС) ТКС [9] и полупроводниковых (ППС) [10] сенсоров изготовлен двух канальный автоматический газоанализатор метана «ТПГ-СН₄» с диапазоном измерений: 1-канал (ППС) 0-1000 мг/м³; 2-канал (ТКС) 0-4,0 % об.

Использованные нами в работе газо-воздушные смеси были при­готовлены манометрическими методом согласно стандарта СЭВ 4981-86 (группа В 19). Он заключается в постепенной дозировке в баллон отдельных компонентов горючего газа, содержание которых в газовой смеси прямо пропорционально отношению изменения давления после дозировки соответствующего компонента к общему давлению смеси. Разбавление газовоздушных смесей осуществляли с применением генератора газовых смесей марки 823 ГР-03, изготовленного в ВНИИ АП КНПО "Аналитприбор" и генератора чистого воздуха марки 926 ГЧ-02 тог же производителя. Генератор типа ГР-03 предназначен для приготовления газовых смесей с заданной погрешностью методом динамического разбавления аттестованных газовых смесей аттестованным газом разбавителем.

В ходе экспериментов установлены диапазоны определяемых концентраций газов, найдены ос­новные погрешности, области вариации выходного сигнала и проверены дополнительные погрешности при изменении температуры, давления и влажности газовой среды. Газоанализаторы подвергались испытаниям в диапазонах концентрации метана (С_СН4) 0-1000 мг/м³ и 0-5,0 % об. Зависимость сигнала ТПГ-СН₄ от концентрации метана представ­лена в таблице 1.

Таблица1.

Зависимость сигнала ТПГ-СН₄ с ППС и ТКС от концентрации метана в диапазоне  С_СН4 0-1000 мг/м³ и 0-5,00% об (n=5, P=0,95)

Как следует из приведенных данных, в изученных интервалах зависи­мость аналитического сигнала газоанализатора от концентрации метана имеет прямо пропорциональный характер. Основная абсолютная по­грешность газоанализаторов с диапазонами 0-1000 мг/м³ и 0-5,0 % об., рассчи­танная на основании данных, представленных в таблице 1, соста­вила 10 мг/м³ и 0,06 % соответственно.

Вариации показаний ТПГ-СН₄ газоанализатор определялись в смесях с содержанием метана 0,55; 2,45 и 4,86 % об. Из таблицы 2 следует, что значение вариации газоанализатора не превы­шает 0,5 долей абсолютного значения предела допускаемой основной по­грешности на каждом из диапазонов измерения.

Таблица 2.

Результаты определения вариации сигнала газоанализатора (n=5, P=0,95)

Проверку дополнительной погрешности ТПГ-СН₄, обусловленную изменением температуры окружающей среды, проводили в диапазоне 10-50 ⁰С. Результаты определения дополнительной погрешности газоанализатора, обусловленной изменением температуры окружающей среды, представлены в таблице 3, из которых следует, что она не более 0,02 % и во всех случаях намного меньше, чем основная погрешность самого прибора.

Таблица 3.

Результаты термокаталитического определения метана при различ­ной температуре с газоанализатором ТПГ-СН₄ (С_СН4=2,85 % об., n=5, P=0,95)

Некоторые результаты испытаний газоанализатора ТПГ-СН₄ на влагоустойчивость представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Результаты по установлению зависимости сигнала анализатора ТПГ-СН₄ от изменения влагосодержания анализируемой газовой смеси (содержания метана в смеси 2,45 % об., n=5, Р=0,95)

Из данных приведенных в таблице видно, что дополнительная погрешность анализатора в исследованном интервале влажности равна 0,8 %.

Испытания устойчивости сигнала анализатора на воздействие давления проводились в интервале 600- 900 мм.рт.ст. В опытах использовали стандартную смесь метана с содержанием определяемого компонента 500 мг/м³. Результаты проведенных экспериментов показали, что до­полнительная погрешность в диапазоне изменения давления 600 – 900 мм рт.ст.  не превышает 1 %.

Согласно ГОСТу 13320-81 предельно допустимое значение суммарной дополнительной погрешности не должно превышать удвоенное значение предела допустимой основной погрешности. Суммарная дополнительная по­грешность газоанализатора ТПГ-СН₄ за счет изменения температуры, влажности и давления газовой среды во всех случаях не превышала ±1,5%.

Таким образом, проведенные исследования показали, что разработанный нами автоматический газоанализатор типа ТПГ-СН₄ по метро­логическим характеристикам вполне удовлетворяет тре­бованиям ГОСТа, для данного класса приборов.

Выводы

В результате проведенных исследований разработан селективный и чувствительный двухканальный газоанализатор для контроля количества метана в атмосферном воздухе и технологических газах.

Исследованы зависимости сигнала прибора от концентрации метана в интервале его концентрации: 0-1000 мг/м³ и 0-5,0 % об., и установлено, что в изученном интервале зависимость сигнала от концентрации имеет прямо линейный характер.

Найденные значения абсолютной и относительной погрешностей газоанализатора с диапазонами 0-1000 мг/м³ и 0-5,0 % об. соста­вляет 10 мг/м³ и 0,06 %, соответственно. Ва­риации аналитического сигнала прибора не превышают 0,5 долей абсолютного значения предела допускаемой основной погрешности на каждом из диапазонов измерения. Суммарная дополнительная по­грешность газоанализатора за счет изменения температуры, влажности и давления газовой среды во всех случаях не превышала ±1,5%.

Список литературы:
1. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др.-3-е изд., испр.-Л.: Химия, 1971.Т. 2. - 1168 с.
2. Котляров А.К. Особенности формирования взрывоопасной среды в горных выработках шахт. НГУ. – 2007. – №28. – С. 91-99.
3. Взрывобезопасность рудничного электрооборудования /[под ред. А.А. Каймакова. - М.: Недра, 1994. – 207 с.
4. Газохроматографическое измерение массовых концентраций угле-водородов: метана, этана, этилена, пропана, пропилена, н-бутана, альфа-бутилена, изопентана в воздухе рабочей зоны. Методиче-ские указания. МУК 4.1.1306-03 (Утв. главным государственным санитарным врачом РФ 30.03.2003).
5. Газоанализатор-Википедия.[Электрон.документ]. http://ru.wikipedia.org/wiki. Дата обращения: 10.05.2019.
6. Брюханов А.М., Мнухин А.Г., Колосюк В.П. и др. Расследование и предотвращение аварий на угольных шахтах. – Донецк: Норд-пресс, 2004. – Ч. I – 548 с.
7. Голинько В.И., Котляров А.К., Белоножко В.В. Контроль взрыво-опасности горных выработок шахт. - Донецк: Наука и образование, 2004. – 207 с.
8. Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э., Басовский Б.И. Автоматическая га-зовая защита и контроль рудничной атмосферы. - М.: Недра, 1984. – 285 с.
9. Эшкобилов Ш.А., Эшкобилова М.Э., Абдурахманов Э. Определение природного газа в атмосферном воздухе и технологических газах // Экологи-ческие системы и приборы. - 2015.- № 9. - С.11-15.
10. Эшкобилов Ш.А., Эшкобилова М.Э., Абдурахманов Э. Разработка катализатора для чувствительного сенсора природного газа //Международный научный журнал «Символ науки». - 2015. - № 3. - С.7-11.