Термокаталитический газоанализатор для определения оксида углерода

Для контроля содержания оксида углерода наиболее широко используются следующие электрохимические, оптические, хроматографичекие, термокондуктометрические и термокаталитические методы [1, 2]. В результате проведенных опытов нами был предложен и экспериментально подтвержден селективный способ термокаталитического определения оксида углерода в дымовых и выхлопных газах основанный на использовании катализаторов на основе палладий содержащих оксидов металлов (рd-CdO/Al₂O₃ и Pd-NiO/Al₂O₃), характеризующихся высокой стабильностью к действиям каталитических ядов [3]. Полученные результаты позволили разработать селективный термокаталитический сенсор и автоматический газоанализатор оксида углерода «АГ-СО».

Селективность определения оксида углерода термокаталитическим сен­сором достигалась за счет использования различных катализаторов измери­тельных (рd-CdO/Al₂O₃) и_, компенсационных (Pd-NiO/Al₂O₃) чувствительных элементов. Результаты определение селективность работы разработанного сенсора по СО в присутствии водорода, паров бензина, метана, дизельного топ­лива, паров воды и углекислого газа приведены в таблице 1.

Результаты установления селективности термокаталитического сенсора при определении оксида углерода (n = 5; Р = 0,95)

Как следует из данных таблицы 1, разработанный сенсор позволяет селективно определять оксид углерода в многокомпонент­ных газовоздушных смесях, где одновременно вместе с оксидом углерода со­держатся также водород, пары углеводородов (бензина, дизельного топлива и метан) углекислый газ и пары воды. К таким смесям относятся газообразные выбросы отопительных систем, вы­хлопные газы двигателей внутреннего сгорания, атмосферный воздух газоза­правочных станций и др. На основе проведенного исследования можно заключить, что разрабо­танный сенсор вполне пригоден для непрерывного автоматического контроля содержания оксида углерода в широком интервале его концентраций в вы­хлопных, дымовых и технологических газах. Сенсор может работать в непре­рывном режиме в комплекте автоматического газоанализатора выхлопных газов.

Диапазон измерений созданного газоанализатора «АГ-СО»: 0-250 мг/м³ и 0-4,0 об. %, предел допускаемого времени установления показаний не более 15 сек; время прогрева не более 10 мин; габаритные размеры 200х150х140 мм; масса не более 1,2 кг. Сигнал с первичного преобразователя поступает на дифференциальный преобразователь, который регулирует и усиливает сигнал до 250 раза. Затем сигнал поступает на АЦП, работающий по принципу двойного интегрирования. Дешифратор АЦП выдает семисегментный код, поступающий на светодиодные индикаторы, шкала созданного прибора - трёхзарядная. Полученную информацию о содержании неизвестной концентрации газовых компонентов в газоанализаторе представляют в цифровом виде на встроенном в прибор индикаторе (или на мониторе компьютера). Условия эксплуатации газоанализатора: температура 0 - 60 ⁰С, атмосферное давление 650- 900 мм рт.ст.; напряжение питания от сети переменного тока 220 В, постоянного тока 12 В.

«АГ-СО», состоит из двух блоков, размещенных внутри корпуса. В первом блоке смонтированы: цифровой преобразователь, стабилизатор напряжения, усилитель сигнала от первичного преобразователя (термокаталитического сенсора). Во втором блоке находятся: компрессор для автоматического отбора газовой пробы, фильтры для очистки газа от механических примесей и термокаталитический сенсор. В ходе экспериментов установлены диапазоны определяемых концентраций газов, найдены основные погрешности, области вариации выходного сигнала. Газоанализаторы подвергались испытаниям в диапазонах концентрации оксид углерода 0-250 мг/м³ и 0-4,0 % об., в лабораторных условиях и эксплуатационных режимах работ. Лабораторные условия работы: температура испытуемой газовой среды 20±5⁰С; давление испытуемой газовой среды 760±30 мм рт. ст; относительная влажность испытуемой газовой среды 40-60 %; температура анализируемой газовой смеси 20±5 ⁰С; напряжение питания прибора-переменный ток 220±10В. Режимы эксплуатационных условий работы: температура газовой смеси +5 - +50 ⁰С; давление газовой среды 600- 800 мм рт. cт.; относительная влажность газовой среды 25-95 %; угол наклона датчика - до 30 %.

Проверку диапазона измерений и основной погрешности газоанализатора «АГ-СО» при концентрационном диапазоне 0-250 мг/м³ и 0-4,0 об. % проводили подачей на вход газоанализатора поверочных смесей в последовательности: 1-3-5-3-1-5, где номер ГС соответствует содержанию измеряемого компонента и диапазону измерений (%): №1=10±5; №3= 50±5; №5 = 95±5.

Основная абсолютная погрешность газоанализатора в точках проверки определялась по формуле:

D= A_i - A₀.                                                                 (1)

где A_i- концентрация измеряемого компонента в проверяемой точке измерений, индуцируемая на индикаторе; A₀- истинная концентрация измеряемого компонента в проверяемой точке измерения, указанная в паспорте к ГС. Основная погрешность определялась разностью между показаниями газоанализатора и истинными значениями концентрации, отнесенные к диапазону измерения:

¡=А₁ - A₀/ C_k - C_н                                                                                (2)

где С_k-С_н начальный и конечный пределы измерения концентрации определяемых компонентов газовых сред, мг/м³ (%). Результаты проверки диапазона измерений и основной погрешности газоанализатора с пределами измерений 0-250 мг/м³ представлен в таблице 2.

Результаты проверки диапазона измерений и основной погрешности газоанализатора «АГ-СО» с диапазоном измерения 0-250 мг/м³ (n=5,Р=0,95.)

Как следует из приведенных данных, в изученных интервалах зависимость аналитического сигнала газоанализатора от концентрации оксид углерода имеет прямопропорциональный характер. Основная приведенная погрешность газоанализаторов с диапазонами 0-250 мг/м³ и 0-4,0 % об., составила 2,0 и 1,0 % соответственно.

Вариации показаний АГ-СО проводились при трёхкратном пропускании газовой смеси через газоанализатор с содержанием оксид углерода 1,64 % 2,23% и 2,86%. Вариации (В) показаний газоанализаторов определялись по формуле:

B = A_max - A_min                                                               (3)

где A_max (A_min) - показание (содержание компонента, определяемое по выходному сигналу) при подходе к точке проверки со стороны больших (меньших) значений содержания. Газоанализатор считают выдержавшим испытание, если в каждой из точек проверки соблюдаются неравенство: В<Bg (Bg-допускаемая вариация сигнала).

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

Из таблицы 2 следует, что значение вариации газоанализатора не превышает 0,5 долей абсолютного значения предела допускаемой основной погрешности на каждом из диапазонов измерения. Вариации выходного сигнала (показаний) прибора согласно ГОСТу 13320-81 не более 50 % от основной погрешности.

Таким образом, в результате проведенного исследования предложен способ обеспечения селективности термокаталитического определения оксида углерода, основанный на использовании двух термочувствительных элементов сенсора, подключенных в единый блок и содержащих катализаторы обладающих неадекватной активностью к компонентом анализируемой смеси. С учетом специфики решаемой задачи, используя разработанный сенсор, изготовлен автоматический термокаталитический газоанализатор СО «АГ-СО». Газоанализатор «АГ-СО» выполнен в виде переносного прибора и предназначен для измерения концентраций оксида углерода в атмосферном воздухе, дымовых и выхлопных газах.