Методы и приборы для определения концентрации газов

Определение количественного содержания вредных веществ в исследуемом воздухе может производиться лабораторно-химическим анализом или специальными переносными приборами – газоопределителями.

Для правильного анализа состава воздуха необходимо установить источники выделения вредных веществ и наметить пункты отбора проб.

Пробы воздуха следует отбирать на рабочем месте на уровне дыхания человека (примерно 1, 5 м от уровня пола или рабочей площадки), учитывая направление потоков воздуха в помещении и физико-химические свойства вещества.

Для лабораторно-химического анализа пробы отбираются в какую-либо емкость (бюретку, футбольную камеру и т. п.) и доставляются в лабораторию (рис.1) количественное содержание вредного вещества в пробе может определяться несколькими способами:

1) газообменным - по изменению газовой смеси до и после поглощения исследуемого вещества реактивами;

2) титрометрическим - по уменьшению концентрации (титра) раствора, с которым исследуемое вещество вступает в реакцию;

3) колориметрическим - по изменению окраски реактива после взаимодействия его с исследуемым веществом и др.

 

Рис 1. Бюретка Зейгера

 

Лабораторно-химический анализ позволяет с большой точностью определять содержание газов в воздухе, но в связи с длительностью отбора и анализа проб он не может быть использован для оперативного контроля.

Переносные газоопределители позволяют быстро (в течении 1...5 мин) определить содержание газов в воздухе рабочей зоны и принять необходимые меры для устранения причин изменения состава воздуха.

Многие измерительные приборы имеют шкалу, показывающую концентрацию газов в процентах.

Для перевода массового содержания газа в процентное и наоборот пользуются формулой

(1)

 

где - соответственно массовая и объемная концентрация газа;

22, 4 - объем занимаемый одним молем любого газа при нормальных условиях, л;

М - масса одной молекулы соответствующего газа, концентрация которого определяется.

 

Переносные газоопределители

Для экспресс-анализа применяются приборы ГХ-1, ПГФ-2М, ШИ-5, ШИ-10 и др.

Газоанализатор химический ГХ-1

Газоопределитель ГХ представляет собой портативный прибор ручного действия для ускоренного определения малых концентраций загрязняющих веществ, таких как окись углерода, сернистого газа, сероводорода и окислов азота и газов удушающего действия (СО₂). Он состоит из мехового аспиратора и набора индикаторных трубок одноразового пользования (рис.2, 3).

 

Рис. 2. Газоопределитель ГХ	Рис. 3. Индикаторные трубки

Меховой аспиратор предназначен для прокачивания исследуемого воздуха через индикаторные трубки. Он приводится в действие одной рукой, за полный ход резинового меха просасывается 100 см³ воздуха. Объем просасываемого воздуха для экспресс-анализа может быть 100 или 1000 мл (указан на коробке с индикаторными трубками).

Индикаторная трубка изготовлена из стекла. Концы трубки оттянуты на конус и запаяны, на поверхность стекла нанесена шкала, по делениям которой производится отсчет при определении концентрации газовой составляющей в процентах (деления на трубке соответствуют делениям шкалы на коробке).

На каждой индикаторной трубке нанесена стрелка, указывающая направление движения исследуемого воздуха. Оба конца трубки обламывают с помощью кольца проушины аспиратора и вставляют ее в мундштук стрелкой к меху. Сжимают рукой резиновый мех до упора. При разжатии меха воздух всасывается в аспиратор через индикаторную трубку, и мех занимает первоначальное положение. Перед следующим сжатием меха нужно сделать паузу 3 с.

Универсальный переносный газоанализатор типа УГ-2

Газоанализатор УГ-2 (рис. 4) предназначен для ускоренного определения в воздухе производственных помещений сернистого ангидрида, ацетилена, окиси углерода, сероводорода, хлора, аммиака, окислов азота, этилового эфира, бензина, бензола, толуола, ксилола, ацетона, углеводородов нефти (керосина разных марок, уайт-спирита). Применение прибора для ускоренных определений перечисленных веществ ограничено и возможно при следующих условиях: при давлении 740 -780 мм рт. ст., относительной влажности не более 90%. Температуре - от 10 до 30° С.

Действие газоанализатора основано на линейно-колористическом принципе. Исследуемый воздух с помощью сильфонного аспиратора просасывают через индикаторную трубку, заполненную специфичным для каждого вещества индикаторным порошком. При наличии в исследуемом воздухе анализируемого вещества изменяется окраска индикаторного порошка, причем длина окрашенного столбика при строго фиксированных условиях опыта зависит только от концентрации вещества в пробе.

В институте охраны труда ЛИОТ разработаны индикаторные порошки и методики для определения в воздухе хлористого водорода, этилового спирта, метилового спирта, скипидара, углекислого газа и трихлорэтилена. Погрешность определения газоанализатором УГ-2 не превышает ±10% верхнего предела каждой шкалы. Масса воздухозаборного устройства 1, 3 г.

Индикаторные порошки и сорбенты для фильтрующих патронов поставляются в запаянных ампулах комплектно с принадлежностями. Индикаторные трубки и фильтрующие патроны снаряжаются непосредственно перед анализом.

Рис. 4. Газоанализатор универсальный УГ-2 1 – корпус, 2 - сильфон, 3 – пружина, 4 – кольцо распорное, 5 – канавка с двумя углублениями, 6 – шток, 7 – втулка, 8 – фиксатор, 9 – плата, 10 – трубка резиновая, 11 – штуцер, 12 – трубка резиновая

 

При использовании газоанализатора УГ-2 отбор проб воздуха и собственно анализ совмещаются в одну операцию и результат анализа получают прикладыванием шкалы (отдельной для каждого вещества) к окрашенной части индикаторной трубки.

Искажающее влияние многих сопутствующих примесей устраняют с помощью фильтрующих патронов, устанавливаемых при анализе перед индикаторной трубкой.

Газоопределители на горючие газы

Промышленность выпускает целый ряд газоопределителей на горючие газы. Работа приборов такого типа основана на повышении температуры спиралей из проволоки в результате каталитического беспламенного сгорания на них определяемого горючего газа и разбаланса мостовой схемы прибора.

Проба воздуха забирается ручным поршневым насосом в измерительную камеру, где находится нагретая спираль из вольфрамовой проволоки. Газ, если он содержится в проверяемом воздухе, сгорает при контакте с этой спиралью, повышая ее температуру. Вторая вольфрамовая спираль находится в другой - сравнительной камере. Эта спираль не имеет контакта с загазованным воздухом, и температура ее остается постоянной. Обе спирали входят в схему равновесного мостика Уитсона.

Измерительный мостик состоит из четырех сопротивлений: вольфрамовой спирали рабочего элемента R₁, вольфрамовой спирали сравнительного элемента R₂ и балластных резисторов R₃, R₄. В одну диагональ моста включен источник тока, в другую - гальванометр (рис.5).

При повышении температуры спирали рабочего элемента ее электрическое сопротивление возрастает. В результате возникновения разности сопротивлений равновесие мостика Уитсона нарушается и через имеющийся в приборе гальванометр пойдет ток. Чем выше концентрация определяемого горючего газа, тем большей будет сила тока. По величине возникающего отклонения стрелки гальванометра на шкале прибора можно судить о концентрации газа в воздухе.

Рис. 5. Принципиальная схема датчика приборов для горючих газов

 

В схеме прибора предусматриваются источники питания в виде сухих батарей, прибор может работать при температуре окружающей среды -20...+40°С.

Современные приборы газового контроля могут проводить анализ на несколько веществ и могут выглядеть как прибор GX-2009 (рис. 6).

Рис. 6. Газоопределитель на 4 загрязняющих вещества

 

Газовый интерферометр ШИ-10

Принцип действия интерферометра основан на использовании явления интерференции световых лучей, возникающих при падении и отражении от наклонной поверхности. Для того чтобы получить интерференционные полосы низких порядков, ориентированных параллельно плоскости падения лучей, в приборе специально создается разность хода. В результате этого в окуляре видны чередующиеся интерференционные полосы, расходящиеся от центральной неокрашенной полоски.

С помощью этого прибора измеряют смещение интерференционной картины, возникающей в результате прохождения двух когерентных лучей через камеры, наполненные в одном случае чистым воздухом, в другом случае исследуемой газовоздушной смесью.

Интерферометр ШИ-10 (ШИ-11) служит для определения содержания метана и углекислого газа, т. к. оптическая плотность этих газов практически одинакова. Газы определяются раздельно (СН₄) и суммарно (СН₄+СО₂) в газовоздушной смеси, не превышающей общего их содержания 6 %. Цена деления прибора 0, 25 %.

Прибор смонтирован в плоской металлической коробке. Схема прибора показана на рис. 7. Оптическая часть прибора состоит из измерительной 2 и сравнительной камер 3, плоской пластины зеркала 1 призм полного отражения 18 и 6, объектива 19 и окуляра 9. Источником света служит лампочка 15. Когерентные лучи, т. е. лучи с одинаковой длиной волны, возникают при отражении света от плоского зеркала 1, имеющего две поверхности отражения.

Рис. 7. Интерферометр ШИ-10

Световой пучок, падая на зеркало 1, разделяется на два луча. Оба луча, пройдя камеры, отражаются призмой 6 и снова, пройдя камеры, падают на плоское зеркало 1, где сходятся в один световой пучок.

Если камеры 2 и 3 заполнены одной и той же газовой смесью, то смещения интерференционной картины происходить не будет. Если камеры 2 и 3 заполнены разными газовыми смесями, то картина смещается пропорционально разности показателей плотности этих сред.

Подача газовой смеси в измерительную камеру осуществляется следующим образом. Засасываемый резиновой грушей газ через распределительный кран 6 может поступать либо в патрон с химическим поглотителем 12, либо в патрон с силикагелем 13, а затем в измерительную камеру 2. При поступлении газов в патрон 12 (кран в положении СН₄) газовоздушная смесь очищается от СO₂, затем поступает в патрон с силикагелем 13 и очищается от влаги. В этом случае определение проводят только для СН₄.

При переводе крана в положение CO₂ газовоздушная смесь сразу поступает в патрон с силикагелем 13 и очищается только от влаги. Определение выполняют для смеси газов СO₂+СН₄. Концентрация СO₂ может быть определена по разности показателей второго и первого замеров.

Перед определением концентрации газов необходимо подсоединить резиновую грушу и сделать пять - шесть сжатий груши. Затем следует нажать кнопку включения питания лампы 15, расположенную сбоку прибора и посмотреть в окуляр. Если интерференционная картина и шкала окажутся нечеткими, то вращением окуляра необходимо навести их резкость и установить исходное нулевое положение.

Для этого переключатель перемещения газовоздушной камеры нужно поставить в положение К и, наблюдая в окуляр за положением интерференционной картины, медленным вращением микровинта В добиться совмещения правой черной полосы интерференционной картины с нулевой отметкой шкалы. Затем переключатель ставят в положение И и выполняют необходимые измерения. Тарировку прибора проводят перед началом работы.

Промышленностью выпускаются интерферометры ШИ-11, ШИ-12. Отличительной особенностью ШИ-11, ШИ-12 является применение механизма автоматического возврата переключателя газо-воздушной камеры.