Что такое газоанализатор и как он работает

Что такое газоанализатор

Газоанализатор — это специализированное контрольно-измерительное устройство, предназначенное для определения качественного и количественного состава газовых смесей. Прибор позволяет установить наличие конкретных компонентов в анализируемой среде и измерить их концентрацию с заданной точностью. В отличие от газовых хроматографов, где происходит предварительное физическое разделение смеси на отдельные составляющие с последующим детектированием каждого компонента, в газоанализаторе на чувствительный элемент воздействует вся газовая смесь целиком. Это принципиальное отличие определяет как преимущества, так и ограничения метода: высокую скорость получения результата при относительно простой конструкции, но возможное взаимное влияние компонентов (перекрёстную чувствительность).

По своей сути газоанализатор относится к классу средств измерений содержания компонентов в газовых и газоконденсатных средах. Он преобразует то или иное физико-химическое свойство определяемого вещества (способность участвовать в электрохимической реакции, поглощать излучение определённой длины волны, изменять теплопроводность смеси, каталитически окисляться и т.д.) в электрический сигнал. Этот сигнал затем обрабатывается электронной схемой, линеаризуется, компенсируется по температуре и давлению и преобразуется в значение концентрации, удобное для восприятия оператором или для передачи в систему автоматизации.

Современные газоанализаторы выпускаются в широком диапазоне исполнений: стационарные и переносные, однокомпонентные и многокомпонентные, с диффузионным и принудительным отбором пробы, общепромышленные и взрывозащищённые. Стационарные приборы предназначены для непрерывного круглосуточного контроля в определённых точках технологического процесса или рабочей зоны. Переносные модели используются для оперативных измерений, инспекционных проверок, контроля замкнутых пространств перед допуском персонала, наладочных работ и периодического мониторинга условий труда.

Важно различать понятия «газоанализатор», «газосигнализатор» и «газодетектор». Газосигнализатор — это устройство, основным назначением которого является выдача аварийного сигнала при достижении заранее установленных пороговых значений концентрации. Он может не иметь точной индикации текущей концентрации или иметь упрощённую шкалу. Газодетектор — более широкий термин, часто применяемый к простым пороговым устройствам. Газоанализатор же в классическом понимании обязан обеспечивать измерение концентрации с нормированной погрешностью и выдавать количественный результат. На практике границы между этими понятиями часто размыты: многие современные приборы совмещают функции измерения и сигнализации.

С точки зрения метрологии газоанализатор является средством измерений утверждённого типа. Это означает, что его конструкция, метрологические характеристики и методика поверки проходят государственную экспертизу, а сам прибор вносится в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Только после этого он может применяться в сферах государственного регулирования (охрана труда, промышленная безопасность, экологический контроль, коммерческий учёт и др.).

Исторически первые газоанализаторы появились в XIX веке и представляли собой химические приборы объёмно-манометрического типа, основанные на избирательном поглощении компонентов реактивами с последующим измерением изменения объёма. Такие приборы (например, газоанализаторы Орса) до сих пор используются в лабораторной практике, однако для промышленных и полевых условий они неудобны. Развитие электроники и сенсорных технологий во второй половине XX века привело к появлению автоматических приборов непрерывного действия, которые и составляют основу современного парка газоаналитического оборудования.

Таким образом, газоанализатор — это не просто индикатор наличия газа, а полноценное средство измерений, обеспечивающее количественную информацию о составе газовой среды с известной и контролируемой точностью. От правильности выбора типа прибора, его установки, обслуживания и поверки напрямую зависит достоверность получаемых данных и, как следствие, безопасность людей и технологических процессов.

Для индивидуального контроля в условиях повышенной опасности купить одноканальный газоанализатор ЛИДЕР-01 станет верным шагом к соблюдению норм промышленной безопасности.

Назначение газоанализатора

Основное назначение газоанализатора состоит в получении достоверной информации о составе газовой среды для решения задач безопасности, технологического контроля и охраны окружающей среды. Прибор выполняет несколько взаимосвязанных функций, каждая из которых имеет свою специфику.

Первая и наиболее критичная функция — обеспечение безопасности персонала. Многие газы и пары, встречающиеся на производстве, не имеют цвета и запаха или обладают запахом только в определённых концентрациях. Оксид углерода, например, полностью лишён запаха и вызывает отравление уже при относительно небольших концентрациях. Сероводород в малых количествах ощущается как запах тухлых яиц, но при повышении концентрации быстро притупляет обоняние, создавая ложное ощущение безопасности. Горючие газы (метан, пропан, водород) могут накапливаться до взрывоопасных концентраций незаметно для человека. Газоанализатор позволяет обнаружить опасность на ранней стадии и своевременно предупредить персонал.

Вторая важная функция — контроль технологических процессов. В металлургии, химической промышленности, производстве строительных материалов, энергетике состав газовых потоков напрямую влияет на качество продукции, расход сырья и энергоносителей, а также на образование вредных выбросов. Например, контроль содержания кислорода и оксида углерода в дымовых газах котлов позволяет оптимизировать процесс горения, снизить расход топлива и уменьшить выбросы. В производстве аммиака, метанола, этилена состав синтез-газа является одним из ключевых параметров, определяющих эффективность процесса.

Третья функция — экологический мониторинг. Промышленные предприятия обязаны контролировать выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. Газоанализаторы, установленные на дымовых трубах и в системах автоматического контроля выбросов, обеспечивают непрерывное измерение концентраций оксидов азота, серы, углерода, пыли и других компонентов. Полученные данные используются как для внутренней отчётности предприятия, так и для предоставления в надзорные органы.

Четвёртая функция — контроль воздуха рабочей зоны и атмосферного воздуха населённых пунктов. В соответствии с санитарным законодательством содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны не должно превышать предельно допустимых концентраций. Газоанализаторы позволяют проводить как периодический, так и непрерывный контроль, фиксировать превышения и формировать отчёты. Аналогичные задачи решаются при мониторинге атмосферного воздуха в городах и промышленных зонах.

Пятая функция — контроль замкнутых пространств. Перед допуском персонала в колодцы, резервуары, цистерны, трюмы судов, вентиляционные камеры и другие замкнутые объёмы необходимо убедиться в отсутствии опасных концентраций газов и достаточном содержании кислорода. Для этих целей используются переносные газоанализаторы с выносными блоками датчиков или пробоотборными зондами.

Шестая функция — диагностика двигателей внутреннего сгорания и контроль токсичности отработавших газов. Специализированные автомобильные газоанализаторы измеряют содержание оксида углерода, углеводородов, диоксида углерода, кислорода и оксидов азота в выхлопных газах. Результаты измерений используются для регулировки систем питания и зажигания, а также для проверки соответствия экологическим нормам.

Таким образом, назначение газоанализатора выходит далеко за рамки простого «обнаружения газа». Это инструмент, обеспечивающий безопасность людей, эффективность технологических процессов, соблюдение экологических требований и достоверность метрологической информации. От того, насколько правильно выбран и применён прибор, зависит качество решения всех перечисленных задач.

Что измеряет газоанализатор

Газоанализатор измеряет концентрацию одного или нескольких компонентов в газовой смеси. Результат измерения может выражаться в различных единицах в зависимости от природы измеряемого параметра, области применения и требований нормативной документации.

Основные единицы измерения:

• объёмная доля — проценты (%), части на миллион (ppm), части на миллиард (ppb);
• массовая концентрация — миллиграммы на кубический метр (мг/м³);
• довзрывоопасная концентрация — проценты от нижнего концентрационного предела распространения пламени (% НКПР);
• парциальное давление — паскали или миллиметры ртутного столба (в специальных применениях).

Выбор единицы измерения не произволен. Для контроля взрывоопасности горючих газов принято использовать % НКПР, поскольку именно отношение текущей концентрации к нижнему концентрационному пределу определяет степень опасности. Для токсичных газов в воздухе рабочей зоны обычно применяют мг/м³, так как предельно допустимые концентрации нормируются именно в этих единицах. Для кислорода и диоксида углерода в технологических процессах чаще используют объёмные проценты.

Наиболее часто измеряемые компоненты можно условно разделить на несколько групп.

Кислород (O₂). Контроль содержания кислорода необходим для предотвращения как гипоксии (недостатка кислорода), так и создания условий, благоприятных для возникновения пожара или взрыва (избыток кислорода). Типичный диапазон измерений — от 0 до 25 % объёмной доли. Особое значение имеет контроль кислорода в замкнутых пространствах, при работах в среде инертных газов, а также в технологических процессах, где кислород является реагентом или примесью.

Горючие газы и пары. К этой группе относятся метан, пропан, бутан, водород, пары бензина, растворителей, спиртов и многие другие вещества. Измерение обычно ведётся в диапазоне от 0 до 100 % НКПР. Для некоторых применений (контроль чистоты газов, технологические процессы) требуется измерение высоких концентраций — до 100 % объёмной доли. Важно помнить, что показания приборов, градуированных по метану, при измерении других горючих газов требуют применения коэффициентов пересчёта, поскольку чувствительность сенсора к разным веществам различна.

Токсичные газы. Наиболее распространённые контролируемые вещества: оксид углерода (CO), сероводород (H₂S), диоксид серы (SO₂), аммиак (NH₃), хлор (Cl₂), диоксид азота (NO₂), оксид азота (NO), фтористый водород (HF), фосфин (PH₃), синильная кислота (HCN) и другие. Диапазоны измерений выбираются исходя из значений предельно допустимых концентраций и возможных аварийных выбросов. Для большинства токсичных газов рабочие диапазоны составляют от долей до сотен мг/м³ или ppm.

Диоксид углерода (CO₂). Измеряется как в технологических процессах (контроль горения, производство напитков, тепличное хозяйство), так и при контроле качества воздуха в помещениях. Диапазоны — от сотен ppm до десятков процентов объёмной доли.

Летучие органические соединения (ЛОС). Для их измерения часто применяются фотоионизационные детекторы, способные обнаруживать широкий спектр органических веществ. Результат обычно выражается в ppm или мг/м³ по градуировочному веществу (чаще всего изобутилену) с последующим пересчётом по коэффициентам для конкретных соединений.

При интерпретации результатов измерений необходимо учитывать ряд факторов. Во-первых, перекрёстную чувствительность — реакцию сенсора на вещества, отличные от определяемого компонента. Во-вторых, влияние температуры, давления и влажности на показания. В-третьих, возможное отравление или деградацию сенсора при длительном воздействии высоких концентраций или агрессивных веществ. В-четвёртых, необходимость периодической калибровки и поверки для поддержания метрологических характеристик в заданных пределах.

Многокомпонентные газоанализаторы позволяют одновременно измерять несколько веществ. Это удобно при комплексном контроле воздуха рабочей зоны или анализе дымовых газов. Однако следует помнить, что каждый дополнительный канал увеличивает сложность прибора, требования к обслуживанию и стоимость владения.

Устройство газоанализатора

Несмотря на разнообразие принципов измерения, большинство современных газоанализаторов имеют схожую общую структуру. Понимание назначения и особенностей работы отдельных узлов необходимо для правильного выбора, монтажа, эксплуатации и технического обслуживания приборов.

Чувствительный элемент (сенсор, датчик) является сердцем газоанализатора. Именно он непосредственно взаимодействует с анализируемой газовой смесью и формирует первичный сигнал, пропорциональный концентрации определяемого компонента. Тип сенсора определяет метод измерения, перечень измеряемых веществ, диапазоны, селективность, срок службы и требования к условиям эксплуатации. Сенсоры могут быть электрохимическими, оптическими (инфракрасными), термокаталитическими, термокондуктометрическими, полупроводниковыми, фотоионизационными, парамагнитными и другими. Подробное рассмотрение принципов их работы будет дано во второй части статьи. Здесь важно отметить, что от качества сенсора в первую очередь зависят метрологические характеристики всего прибора.

Система пробоотбора обеспечивает доставку анализируемой газовой смеси к чувствительному элементу. Существует два основных способа отбора пробы: диффузионный и принудительный. При диффузионном отборе газ поступает к сенсору за счёт естественной диффузии через защитную мембрану или спечённый металлический фильтр. Такой способ прост, не требует дополнительных устройств и хорошо подходит для переносных индивидуальных приборов. Принудительный отбор осуществляется с помощью встроенного или внешнего насоса. Он позволяет отбирать пробу из удалённых или труднодоступных точек, обеспечивает более быстрый отклик и применяется в большинстве стационарных систем и переносных приборов с выносными зондами.

Важнейшим элементом системы пробоотбора является подготовка пробы. Анализируемый газ часто содержит пыль, влагу, аэрозоли, агрессивные компоненты, которые могут повредить сенсор или исказить результаты измерений. Поэтому в тракт пробоотбора включают фильтры грубой и тонкой очистки, осушители, холодильники пробы (для конденсации избыточной влаги), нагреватели (для предотвращения конденсации), побудители расхода и регуляторы. В некоторых случаях применяется разбавление пробы чистым воздухом или инертным газом для расширения диапазона измерений или защиты сенсора.

Измерительный преобразователь принимает первичный сигнал сенсора (изменение тока, напряжения, сопротивления, интенсивности излучения) и преобразует его в форму, удобную для дальнейшей обработки. В простейших случаях это может быть усилитель и аналого-цифровой преобразователь. В более сложных приборах преобразователь выполняет предварительную фильтрацию сигнала, компенсацию температуры и другие операции.

Электронная вычислительная часть — микропроцессор или микроконтроллер — выполняет основной объём обработки информации. Она осуществляет опрос сенсоров, линеаризацию градуировочных характеристик, температурную и барометрическую компенсацию, расчёт концентрации в заданных единицах, сравнение с пороговыми значениями, управление индикацией и сигнализацией, обмен данными с внешними устройствами, ведение архива измерений. В современных приборах программное обеспечение позволяет гибко настраивать пороги сигнализации, единицы измерения, интервалы записи данных и другие параметры.

Устройство отображения информации предназначено для представления результатов измерений оператору. В переносных приборах обычно используется графический или сегментный жидкокристаллический индикатор, на котором одновременно отображаются значения по нескольким каналам, единицы измерения, состояние батареи, уровень сигнала, сообщения о неисправностях и превышении порогов. В стационарных приборах индикация может быть вынесена на отдельный блок или отсутствовать вовсе — данные передаются только в систему верхнего уровня.

Система сигнализации обеспечивает оповещение персонала о достижении опасных концентраций. В переносных приборах это звуковой сигнал высокой громкости, яркая светодиодная индикация и вибрация. В стационарных системах формируются релейные сигналы («сухой контакт»), токовые выходы 4–20 мА, цифровые интерфейсы (Modbus, HART и др.). Пороги сигнализации обычно настраиваются пользователем и могут быть разными для предупредительной и аварийной сигнализации.

Источник питания в переносных приборах — аккумуляторная батарея (чаще всего литий-ионная или никель-металлгидридная), обеспечивающая работу от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от типа сенсоров и режима работы насоса. В стационарных приборах используется сетевое питание 220 В или 24 В постоянного тока с возможностью резервирования от аккумуляторов.

Корпус защищает внутренние элементы от механических воздействий, пыли, влаги, агрессивных сред и электромагнитных помех. Для переносных приборов важны ударопрочность, удобство удержания в руке, наличие крепления на пояс или одежду. Степень защиты оболочки обычно составляет IP54–IP67. Для работы во взрывоопасных зонах корпус и все электрические цепи выполняются в соответствии с требованиями взрывозащиты (искробезопасная цепь, взрывонепроницаемая оболочка и др.). Маркировка взрывозащиты наносится на корпус и указывается в паспорте прибора.

В многокомпонентных газоанализаторах устанавливается несколько сенсоров различных типов, работающих параллельно. Электронная схема обеспечивает их поочерёдный или одновременный опрос, обработку сигналов и вывод результатов по каждому каналу. В ряде конструкций применяется модульный принцип: сенсорные модули могут заменяться или дополняться в зависимости от решаемой задачи. Выносной блок датчиков, соединённый с основным блоком кабелем, позволяет проводить измерения в колодцах, резервуарах, вентиляционных каналах и других труднодоступных местах, оставляя индикаторный блок в руках оператора.

Качество и надёжность газоанализатора в значительной степени определяются не только характеристиками чувствительного элемента, но и правильностью организации всего измерительного тракта — от точки отбора пробы до обработки сигнала. Даже самый точный и селективный сенсор даст недостоверные показания, если к нему поступает загрязнённая, переувлажнённая или неправильно подготовленная проба, либо если электронная схема не обеспечивает корректную компенсацию влияющих факторов. Поэтому при выборе и эксплуатации прибора необходимо уделять внимание всем элементам его конструкции.

Принцип работы газоанализатора

Принцип работы газоанализатора полностью определяется типом установленного чувствительного элемента. Каждый метод измерения опирается на конкретное физическое или физико-химическое явление, позволяющее преобразовать концентрацию целевого компонента газовой смеси в электрический сигнал, удобный для дальнейшей обработки. От правильности выбора метода зависят селективность, диапазон измерений, стабильность показаний, срок службы сенсора, требования к условиям эксплуатации и общая стоимость владения прибором. Ниже подробно рассмотрены основные принципы измерения, применяемые в современных газоанализаторах.

Электрохимический метод

Электрохимические сенсоры остаются одним из наиболее массовых и востребованных типов чувствительных элементов для контроля токсичных газов и кислорода. В основе их работы лежит электрохимическая реакция окисления или восстановления молекул определяемого компонента на поверхности рабочего электрода, покрытого катализатором.

Конструкция типичного электрохимического сенсора представляет собой герметичную ячейку небольшого размера, заполненную жидким или гелеобразным электролитом. Внутри ячейки расположены три электрода: рабочий (измерительный), вспомогательный (контрэлектрод) и опорный (референсный). Рабочий электрод изготавливается из пористого материала и покрывается тонким слоем катализатора на основе металлов платиновой группы (платина, палладий, золото или их сплавы). Анализируемый газ проникает внутрь ячейки через газопроницаемую гидрофобную мембрану, которая пропускает молекулы газа, но удерживает электролит от вытекания.

На поверхности рабочего электрода происходит целевая реакция. Для кислорода характерна реакция восстановления, для большинства токсичных газов (оксид углерода, сероводород, диоксид серы, аммиак и др.) — реакция окисления. В результате реакции между электродами протекает электрический ток, сила которого в рабочих диапазонах концентраций практически линейно пропорциональна количеству прореагировавших молекул газа. Этот ток усиливается, преобразуется аналого-цифровым преобразователем и пересчитывается микропроцессором в значение концентрации с учётом градуировочной характеристики и температурной компенсации.

Температурная компенсация обязательна, поскольку скорость электрохимической реакции существенно зависит от температуры. Современные сенсоры либо имеют встроенный терморезистор, либо используют внешний датчик температуры, данные которого учитываются в расчётных алгоритмах прибора.

К достоинствам электрохимического метода относятся высокая чувствительность (возможность измерения концентраций на уровне единиц и даже долей ppm), хорошая селективность к целевому компоненту, относительно низкая стоимость сенсора, компактные размеры и малое энергопотребление. Это делает метод особенно удобным для переносных и индивидуальных приборов.

Основные ограничения связаны с ограниченным сроком службы сенсора (обычно от одного до трёх лет в зависимости от условий эксплуатации и типа газа), чувствительностью к экстремально низким и высоким температурам, возможностью отравления катализатора при воздействии высоких концентраций целевого газа или присутствии каталитических ядов, а также наличием перекрёстной чувствительности к некоторым сопутствующим газам. Кроме того, электрохимические сенсоры требуют периодической калибровки для компенсации естественного дрейфа нуля и чувствительности.

Электрохимический метод применяется для измерения оксида углерода, сероводорода, диоксида серы, аммиака, хлора, диоксида азота, оксида азота, кислорода, фтористого водорода, фосфина, синильной кислоты и ряда других веществ. Он составляет основу большинства современных переносных газоанализаторов индивидуального и группового контроля воздуха рабочей зоны.

Оптический (инфракрасный) метод

Оптические газоанализаторы, работающие в инфракрасной области спектра, используют явление избирательного поглощения молекулами газа электромагнитного излучения определённых длин волн. Каждый многоатомный газ обладает характерным спектром поглощения, обусловленным колебательно-вращательными переходами в молекулах. Это позволяет создавать высокоселективные сенсоры, практически не реагирующие на газы, не имеющие полос поглощения в выбранной спектральной области.

Наиболее распространённой реализацией является недисперсионный инфракрасный (NDIR) метод. Источник инфракрасного излучения (обычно нагретая нить или полупроводниковый излучатель) формирует поток излучения, который проходит через измерительную кювету с анализируемым газом. На выходе кюветы установлен приёмник излучения, перед которым размещён узкополосный оптический фильтр, выделяющий область спектра, соответствующую полосе поглощения целевого компонента. Интенсивность излучения, дошедшего до приёмника, уменьшается пропорционально концентрации газа.

Количественная зависимость описывается законом Бугера–Ламберта–Бера:

где \( I \) — интенсивность излучения после прохождения через слой газа толщиной \( l \), \( I_0 \) — начальная интенсивность излучения, \( k \) — коэффициент поглощения, зависящий от природы газа и длины волны, \( c \) — концентрация поглощающего компонента.

Оптическая плотность \( A = -\ln(I / I_0) \) в области применимости закона прямо пропорциональна концентрации. Для повышения точности и компенсации дрейфа в современных NDIR-сенсорах применяют двухлучевые или двухволновые схемы. В двухволновой схеме один канал является измерительным (настроен на полосу поглощения газа), второй — опорным (настроен на область, где газ не поглощает). Отношение сигналов двух каналов позволяет компенсировать загрязнение оптики, старение источника излучения и другие медленные изменения.

Инфракрасный метод характеризуется высокой долгосрочной стабильностью, большим сроком службы сенсора (часто 5–10 лет и более), низкой чувствительностью к наличию или отсутствию кислорода, возможностью измерения как низких, так и очень высоких концентраций, а также хорошей селективностью. Метод особенно эффективен для диоксида углерода, метана, пропана, этана и других углеводородов.

К ограничениям относятся невозможность измерения одноатомных газов и гомоядерных двухатомных молекул (кислород, азот, водород, хлор, аргон), поскольку у них отсутствуют дипольные колебательные переходы в инфракрасной области. Также оптика чувствительна к загрязнению пылью и конденсату, поэтому в системах с принудительным отбором пробы требуется качественная фильтрация и осушка газа. Периодическая проверка нулевых показаний остаётся обязательной процедурой.

Оптические газоанализаторы широко применяются в системах непрерывного контроля промышленных выбросов, в технологических процессах химической и нефтехимической промышленности, при контроле качества воздуха в помещениях, а также для измерения горючих газов во взрывоопасных зонах, где требуется высокая надёжность и большой межсервисный интервал.

Термокаталитический метод

Термокаталитические (термохимические) сенсоры предназначены главным образом для измерения довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров. Принцип их действия основан на каталитическом окислении молекул горючего газа кислородом воздуха на поверхности специально подготовленного катализатора с выделением тепла.

Чувствительный элемент конструктивно представляет собой миниатюрную платиновую спираль, на которую нанесён слой каталитически активного материала (обычно соединения платины, палладия или их смеси на пористом носителе). Спираль нагревается пропускаемым электрическим током до рабочей температуры 400–550 °C. При появлении в окружающей среде горючего газа его молекулы окисляются на поверхности катализатора. Выделяющееся тепло повышает температуру спирали, что приводит к увеличению её электрического сопротивления. Изменение сопротивления регистрируется измерительным мостом Уитстона и преобразуется в сигнал, пропорциональный концентрации газа.

Для исключения влияния температуры окружающей среды, скорости газового потока и напряжения питания в схему включают компенсирующий элемент — аналогичную платиновую спираль, но без каталитического покрытия или с инертным покрытием. Компенсирующий элемент подвергается тем же внешним воздействиям, что и рабочий, но не реагирует на горючий газ. Разность сигналов рабочего и компенсирующего элементов зависит практически только от концентрации горючего компонента.

Термокаталитические сенсоры обладают хорошей чувствительностью в диапазоне от 0 до 100 % НКПР, относительно быстрым временем отклика и приемлемой стоимостью. Они остаются одним из основных технических решений для контроля взрывоопасности на объектах нефтегазовой отрасли, химических производствах, в угольных шахтах, на газораспределительных станциях и в коммунальном хозяйстве.

Существенные ограничения метода связаны с необходимостью присутствия кислорода в анализируемой среде (в инертной атмосфере реакция окисления невозможна), возможностью отравления катализатора соединениями серы, кремнийорганическими веществами, соединениями свинца, фосфора и галогенов, а также снижением чувствительности при длительной работе в атмосфере с повышенной концентрацией горючих газов. После воздействия концентраций, значительно превышающих верхний предел измерений, сенсор может потребовать перекалибровки или замены. Кроме того, термокаталитические сенсоры имеют заметное энергопотребление из-за необходимости постоянного подогрева.

Термокондуктометрический метод

Термокондуктометрические газоанализаторы используют зависимость теплопроводности газовой смеси от её состава. Теплопроводность различных газов различается весьма существенно: водород и гелий обладают высокой теплопроводностью, диоксид углерода, аргон и тяжёлые углеводороды — значительно более низкой по сравнению с воздухом или азотом.

Чувствительный элемент представляет собой тонкую металлическую нить (платиновую, вольфрамовую или из другого материала с высоким температурным коэффициентом сопротивления), нагреваемую электрическим током и помещённую в камеру небольшого объёма. Скорость отвода тепла от нити зависит от теплопроводности окружающей газовой смеси. Изменение теплопроводности приводит к изменению равновесной температуры нити и, соответственно, её электрического сопротивления. Это изменение измеряется с помощью мостовой схемы.

Для компенсации влияния температуры окружающей среды, давления и других внешних факторов применяется сравнительная (опорная) камера, заполненная газом постоянного состава (обычно сухим воздухом или азотом). Обе камеры конструктивно выполнены одинаково и находятся в одинаковых тепловых условиях. Разность сигналов измерительной и сравнительной камер пропорциональна изменению теплопроводности анализируемой смеси относительно опорного газа.

Метод отличается высокой надёжностью, длительным сроком службы чувствительного элемента, возможностью работы в широком диапазоне температур и давлений, а также относительно простой конструкцией. Он хорошо подходит для измерения высоких концентраций водорода, гелия, диоксида углерода, аргона и некоторых других газов в двухкомпонентных или условно двухкомпонентных смесях.

Главное ограничение термокондуктометрического метода — низкая селективность. Показания зависят от суммарного изменения теплопроводности всей смеси, поэтому метод применим преимущественно в тех случаях, когда изменяется концентрация только одного компонента, а содержание остальных компонентов остаётся практически постоянным. При сложном и переменном составе смеси интерпретация результатов становится неоднозначной.

Другие методы

Помимо четырёх основных методов, рассмотренных выше, в практике газового анализа применяются и другие принципы измерения, каждый из которых занимает свою нишу.

Фотоионизационные детекторы (ФИД) используют ультрафиолетовое излучение с энергией фотонов, достаточной для ионизации молекул многих органических соединений, но недостаточной для ионизации основных компонентов воздуха (азота, кислорода, водяного пара, диоксида углерода). Образующиеся ионы создают ионизационный ток, величина которого пропорциональна концентрации ионизируемых веществ. Метод обладает очень высокой чувствительностью (единицы и доли ppm) и широко применяется для контроля летучих органических соединений в воздухе рабочей зоны, при поиске утечек и обследовании загрязнённых территорий. Недостатком является суммарный характер сигнала: прибор реагирует на сумму ионизируемых веществ, и для определения конкретного соединения требуются дополнительные данные или градуировочные коэффициенты.

Полупроводниковые сенсоры основаны на изменении электропроводности слоя оксида металла (диоксида олова, оксида цинка и др.) при адсорбции на его поверхности молекул газа. Адсорбция изменяет концентрацию носителей заряда в полупроводнике, что регистрируется как изменение сопротивления. Такие сенсоры компактны, дёшевы и потребляют мало энергии, однако имеют относительно низкую селективность, заметный дрейф характеристик и высокую чувствительность к влажности. Они чаще применяются в бытовых сигнализаторах загазованности и простых детекторах, чем в профессиональных средствах измерений.

Парамагнитные сенсоры используют уникальное свойство молекулы кислорода — наличие двух неспаренных электронов, благодаря которому кислород обладает выраженными парамагнитными свойствами. В неоднородном магнитном поле молекулы кислорода втягиваются в область более сильного поля, что позволяет создавать высокоселективные анализаторы кислорода, практически не реагирующие на другие газы. Метод отличается высокой точностью, стабильностью и применяется в технологических процессах, медицинском оборудовании и системах контроля чистоты газов.

Существуют также сенсоры на основе оксида циркония (для измерения кислорода при высоких температурах), пламенно-ионизационные детекторы, хемилюминесцентные анализаторы оксидов азота и другие специализированные решения. Выбор конкретного метода всегда определяется задачей измерения, требуемой точностью, условиями эксплуатации и экономической целесообразностью.

Классификация газоанализаторов

Классификация газоанализаторов проводится по нескольким независимым признакам. Это позволяет систематизировать номенклатуру оборудования и облегчает выбор прибора под конкретную задачу.

По принципу измерения выделяют электрохимические, оптические (инфракрасные), термокаталитические, термокондуктометрические, фотоионизационные, полупроводниковые, парамагнитные, циркониевые и комбинированные приборы, в которых установлено несколько сенсоров разных типов.

По количеству одновременно измеряемых компонентов приборы делятся на однокомпонентные и многокомпонентные. Однокомпонентные газоанализаторы проще и дешевле, многокомпонентные позволяют контролировать несколько веществ одним устройством, что удобно при комплексном мониторинге воздуха рабочей зоны или анализе дымовых газов.

По способу доставки пробы к сенсору различают приборы с диффузионным отбором и с принудительным отбором. Диффузионный отбор прост и надёжен, не требует насоса и применяется в большинстве индивидуальных переносных приборов. Принудительный отбор с помощью встроенного или внешнего насоса позволяет отбирать пробу из удалённых точек, ускоряет отклик и обязателен для многих стационарных систем и переносных приборов с выносными зондами.

По конструктивному исполнению газоанализаторы бывают стационарными, переносными и индивидуальными (носимыми). Стационарные приборы предназначены для непрерывного круглосуточного контроля в фиксированных точках и обычно имеют выходные сигналы для подключения к системам автоматизации. Переносные приборы используются для периодических измерений, обследования объектов и наладочных работ. Индивидуальные приборы носятся работником на одежде или поясе в течение всей смены и служат для персональной защиты.

По области применения выделяют приборы для контроля воздуха рабочей зоны, для контроля технологических процессов, для контроля промышленных выбросов, для контроля отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, для экологического мониторинга атмосферного воздуха и для лабораторных исследований.

По наличию средств взрывозащиты приборы делятся на общепромышленные и взрывозащищённые. Взрывозащищённые газоанализаторы имеют соответствующую маркировку и допускаются к применению во взрывоопасных зонах определённых классов.

По метрологическому статусу различают рабочие средства измерений, подлежащие периодической поверке, и эталонные средства, используемые при поверке и калибровке рабочих приборов.

Области применения

Газоанализаторы используются практически во всех отраслях промышленности и сферах деятельности, где существует риск образования опасных газовых смесей либо где состав газа является важным технологическим или экологическим параметром.

В нефтегазовой отрасли приборы контролируют утечки метана, пропана, сероводорода и других углеводородов на скважинах, объектах добычи, магистральных и промысловых трубопроводах, насосных и компрессорных станциях, резервуарных парках, газоперерабатывающих и нефтеперерабатывающих заводах. Особое значение имеет контроль довзрывоопасных концентраций и содержания сероводорода на месторождениях с высоким содержанием сернистых соединений.

В химической и нефтехимической промышленности газоанализаторы обеспечивают безопасность персонала при работе с широким спектром токсичных и горючих веществ, а также контролируют состав технологических газовых потоков на различных стадиях производства.

В металлургии и теплоэнергетике приборы применяются для оптимизации процессов горения в котлах и печах, контроля содержания кислорода, оксида углерода и оксидов азота в дымовых газах, а также для защиты персонала от отравления оксидом углерода в газоочистных сооружениях и на рабочих местах.

На объектах коммунального хозяйства и городского хозяйства газоанализаторы контролируют загазованность колодцев, подземных коллекторов, тепловых пунктов, котельных и газифицированных зданий. Перед спуском персонала в колодцы и резервуары обязателен контроль содержания кислорода, горючих газов и токсичных веществ.

В горнодобывающей промышленности, особенно в угольных шахтах, приборы используются для непрерывного контроля рудничной атмосферы — содержания метана, оксида углерода, кислорода и других газов. От надёжности газового контроля напрямую зависит безопасность горных работ.

В пищевой промышленности и сельском хозяйстве газоанализаторы контролируют состав газовых сред в холодильных камерах, овощехранилищах, теплицах, а также применяются при производстве газированных напитков и в процессах модифицированной газовой атмосферы.

В лабораторной практике и научно-исследовательских организациях газоанализаторы используются для анализа состава различных газовых смесей, контроля чистоты газов и проведения экспериментальных работ.

Отдельное важное направление — контроль токсичности отработавших газов автомобилей, дизельных установок и других двигателей внутреннего сгорания, а также диагностика систем питания и нейтрализации отработавших газов.

Нормативные документы и требования

Применение газоанализаторов на территории Российской Федерации регулируется комплексом нормативных документов, обеспечивающих единство измерений, промышленную безопасность и охрану труда.

Ключевыми документами являются:

• ГОСТ 13320-81 «Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические условия» — устанавливает общие технические требования к промышленным газоанализаторам непрерывного действия;
• ГОСТ Р 52350.29.1-2010 (МЭК 60079-29-1:2007) «Взрывоопасные среды. Часть 29-1. Газоанализаторы. Общие технические требования и методы испытаний газоанализаторов горючих газов»;
• ГОСТ Р 52350.29.2-2010 (МЭК 60079-29-2:2007) «Взрывоопасные среды. Часть 29-2. Газоанализаторы. Требования к выбору, монтажу, применению и техническому обслуживанию газоанализаторов горючих газов и кислорода»;
• Федеральный закон от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений»;
• санитарные правила и нормы, устанавливающие предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны и атмосферном воздухе.

Газоанализаторы, применяемые в сферах государственного регулирования обеспечения единства измерений (охрана труда, промышленная безопасность, экологический контроль, коммерческий учёт и др.), подлежат обязательной периодической поверке. Межповерочный интервал устанавливается при утверждении типа средства измерений и в большинстве случаев составляет один год. Результаты поверки удостоверяются знаком поверки и (или) свидетельством о поверке.

Для приборов, используемых на опасных производственных объектах, дополнительно действуют требования федеральных норм и правил в области промышленной безопасности. Персонал, работающий с газоанализаторами, должен быть обучен и аттестован в установленном порядке.

При выборе, монтаже и эксплуатации оборудования необходимо строго руководствоваться указаниями изготовителя, изложенными в руководстве по эксплуатации, а также требованиями перечисленных стандартов в части размещения датчиков, проверки работоспособности, технического обслуживания и действий при срабатывании аварийной сигнализации.

Особенности выбора и эксплуатации

Правильный выбор газоанализатора начинается с максимально чёткого формулирования измерительной задачи. Необходимо определить: какие именно газы и пары подлежат контролю; в каких диапазонах концентраций ожидаются измерения; требуется ли непрерывный контроль или достаточно периодических измерений; каковы условия окружающей среды (температура, влажность, наличие пыли, агрессивных веществ, взрывоопасных зон); нужны ли выходные сигналы для системы автоматизации; каковы требования к автономности работы и массогабаритным характеристикам. Ответы на эти вопросы позволяют обоснованно выбрать принцип измерения, количество каналов, способ отбора пробы, степень защиты оболочки и наличие взрывозащиты.

При размещении стационарных датчиков необходимо учитывать плотность контролируемых газов относительно воздуха. Датчики на газы легче воздуха (метан, водород, аммиак) устанавливают в верхней части помещения, датчики на газы тяжелее воздуха (пропан, пары растворителей, сероводород) — в нижней зоне. Следует принимать во внимание расположение возможных источников выделения газов, направление движения воздушных потоков, создаваемых вентиляцией, и зоны дыхания работающего персонала. Неправильное размещение датчика может привести к запаздыванию обнаружения опасной концентрации или к полному пропуску опасной ситуации.

Эксплуатация газоанализатора включает регулярное техническое обслуживание. В состав типовых работ входят внешний осмотр, проверка работоспособности по показаниям и срабатыванию сигнализации, очистка или замена фильтров и защитных элементов системы пробоотбора, контроль состояния сенсоров, проверка и при необходимости корректировка нулевых показаний и чувствительности. Калибровка выполняется с применением поверочных газовых смесей утверждённого типа, имеющих известный состав и прослеживаемость к государственным эталонам. Пренебрежение периодической калибровкой приводит к постепенному накоплению погрешности и потере достоверности результатов измерений.

Срок службы чувствительных элементов ограничен и зависит от типа сенсора, условий эксплуатации, наличия отравляющих примесей и средних концентраций измеряемых газов. Электрохимические сенсоры в типичных условиях требуют замены каждые один–три года. Термокаталитические сенсоры сохраняют работоспособность дольше, но чувствительны к отравлению. Инфракрасные сенсоры имеют наибольший ресурс и могут служить пять–десять лет и более. Своевременная замена сенсоров, выработавших ресурс или утративших чувствительность, является обязательным условием поддержания прибора в исправном состоянии.

Особое значение имеет подготовка персонала. Каждый работник, использующий переносной газоанализатор или находящийся в зоне действия стационарной газосигнализации, должен быть обучен порядку действий при срабатывании аварийной сигнализации. Типовой алгоритм включает немедленное прекращение работ, выход из опасной зоны по безопасным маршрутам, оповещение ответственных лиц и запрет на повторный вход до тех пор, пока причина загазованности не будет устранена, а состав атмосферы повторно проверен исправным газоанализатором.

Только сочетание обоснованного выбора прибора, правильного монтажа, регулярного обслуживания, своевременной поверки и калибровки, а также обученного и дисциплинированного персонала позволяет газоанализатору в полной мере выполнять свои функции и обеспечивать реальную безопасность людей и технологических процессов.

При необходимости подобрать газоанализатор для контроля воздуха рабочей зоны, технологических процессов или промышленных выбросов можно купить модель, соответствующую требуемым диапазонам измерений, условиям эксплуатации и бюджету. Актуальная цена и сроки поставки уточняются при обращении. Правильно выбранный и своевременно обслуживаемый прибор обеспечивает достоверный контроль газовой среды и существенно снижает риски, связанные с загазованностью.

Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич