МЕТОДИ І ПРИЛАДИ ДЛЯ ГАЗОВОГО АНАЛІЗУВизначення складу відпрацьованих газів ДВЗ має важливе практичне значення в природоохоронній діяльності. Крім того, хімічний аналіз складу ВГ широко використовується при діагностиці технічного стану ДВЗ. В даний час найбільш часто використовуються наступні методи аналізу: - Оптичний, заснований на селективному поглинанні газами енергії випромінювання; - Полум'яно-іонізаційний, заснований на іонізації водневого полум'я при згорянні в ньому вуглеводнів; - Хемілюмінесцентний, використовуваний для визначення концентрації оксидів азоту. Найбільшого поширення набули оптико-акустичні газоаналізатори завдяки малому часу аналізу (20... 30 с), високої точності і невеликими габаритами. Їх використовують для визначення концентрацій СО, СО2, СН4 і деяких інших газів. У таких газоанализаторах використовується відмінність спектрів поглинання окремих компонентів суміші. Іншими словами, кожен газ поглинає падаючу на нього енергію лише в певній області довжин хвиль і не поглинає (або поглинає в набагато меншому ступені) енергію інших довжин хвиль (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Спектри поглинання деяких газів в інфрачервоній області Найчастіше використовується інфрачервона (ІЧ) область, т.к. відмінність спектрів поглинання в цьому випадку найбільш яскраво виражено. Принцип дії оптико-акустичного газоаналізатора наступний. Якщо газ, що володіє спектром поглинання в ІЧ-області, помістити в замкнуту камеру-лучеприймач 3 (рис. 7.2) і направити на нього джерело ІЧ-випромінювання 1, переривався обтюратором 2, то газ за рахунок поглинання енергії буде періодично нагріватися і охолоджуватися, що викличе відповідні коливання його тиску (газ «звучить»). Ці коливання можуть бути сприйняті чутливим елементом 4.
Рис. 7.2. Селективний оптико-акустичний лучепріемнік: а - схема, б - зміна температури і тиску в часі Такий лучеприймач є виборчим (селективним), так як процес поглинання енергії відбувається тільки за певних довжинах хвиль випромінювання, відповідних спектру поглинання газу, яким заповнений лучеприймач. Якщо між обтюратором і лучеприймачем буде встановлена прозора (робоча) камера, заповнена газовою сумішшю, що містить той же газ, яким заповнений лучеприймач (аналізований компонент), то до лучеприймача дійде ослаблений потік випромінювання і амплітуда коливань тиску в ньому зменшиться на величину, що залежить від концентрації цього компонента. Наявність в аналізованої газової суміші інших (не вимірюваних) компонентів, спектри поглинання яких частково перекривають спектр поглинання вимірюваного компонента, призводить до появи похибки в показаннях приладу. Для зменшення цієї похибки довжина хвилі випромінювача підбирається таким чином, щоб для неї ставлення коефіцієнтів поглинання неізмеряемих й вимірюваного компонентів було мінімальним. З цією ж метою в оптичному каналі газоаналізатора встановлюються спеціальні фільтрові камери, які заповнюються сумішшю з не вимірюваних компонентів (рис. 7.3). У цих камерах відбувається поглинання тієї частини потоку випромінювання, спектр якої відповідає спектру не вимірюваних компонентів (світлі стрілки на рис. 7.3). Для підвищення точності застосовується двоканальна (диференціальна) схема (рис. 6.3). Два джерела ІЧ-випромінювання створюють два однакових потоку, одночасно перериваються обтюратором 1. У лівому каналі потік, пройшовши фільтрову 2 і порівняльну 3 камери, надходить в ліву камеру 4 лучеприймача. У правому каналі потік випромінювання, пройшовши фільтрову 8 і робочу 7 камери, надходить в праву камеру 6 лучеприймача. Порівняльна камера заповнюється газом незмінній концентрації, тому амплітуда коливань тиску в лівій камері постійна, в правій же вона залежить від ступеня поглинання потоку в робочій камері, тобто від концентрації вимірюваного компонента в аналізованої суміші. Ліва і права камери лучеприймача з'єднані з конденсаторним мікрофоном 5 (або іншим чутливим елементом), сигнал якого залежить від різниці тисків у камерах. Далі сигнал підсилюється підсилювачем 9 і надходить на вимірювальний прилад 10, шкала якого відградуйована в одиницях концентрації.
Рис. 7.3. Схема двоканального Оптико-акустичного газоаналізатора Полум'яно-іонізаційний метод використовується для визначення концентрації сумарних вуглеводнів CnHm в продуктах згоряння вуглеводневих палив. У ньому використовується ефект зміни електричної провідності водневого полум'я при додаванні в нього вуглеводнів (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Схема полум'яно-іонізаційного методу: 1 - пальник; 2 - електрод-колектор; 3 - джерело живлення; 4 - резистор; 5 - підсилювач; 6 - вимірювальний пристрій Полум'я хімічно чистого водню практично неелектропровідних. При наявності вуглеводнів у полум'я з'являється провідність, пропорційна кількості введених атомів вуглецю С. Таким чином, структура молекул вуглеводнів не впливає на вимірюваний ефект, як це спостерігається в оптичних аналізаторах, за допомогою яких визначається концентрація одного конкретного вуглеводню. Для вимірювання концентрації оксидів азоту на практиці широко застосовується хемілюмінесцентний метод, заснований на хімічній люмінесценції окису азоту NO з озоном O3. Інформація, що міститься в пробі газу окис азоту надходить в реакційну камеру 1 (рис. 7.5), де вступає в реакцію з вводиться озоном, внаслідок чого виходить двоокис азоту NO2: NO + O3 → NO2 + O2.
Рис. 7.5. Схема хемілюмінесцентного газоаналізатора: 1 - реакційна камера; 2 - оптичний фільтр; 3 - фотоумножувач; 4 - підсилювач; 5 - реєструючий пристрій; 6 - генератор озону; 7 - конвертор При цьому частково молекули NO2 (5... 10% від їх загальної кількості) виходять у збудженому стані, з якого мимовільно перетворяться в нормальне, віддаючи надлишок енергії у вигляді випромінювання з довжиною хвилі 600... 2400 нм: NO2 → NO2 + H ν, де h = 6,62 ⋅ 10 -34 Дж ⋅ с - постійна Планка; ν - частота, Гц. Для виключення з аналізу газів, здатних до хімічної люмінесценції з озоном (СО та ін), випромінювання попередньо пропускають через спеціальний оптичний фільтр 2. Потім за допомогою високочутливого фотоумножувача 3 випромінювання перетвориться в фотострум, величина якого пропорційна концентрації оксидів азоту. Отриманий фототок посилюється в підсилювачі 4 і надходить на реєструючий пристрій 5. Озон отримують у вбудованому генераторі 6, впливаючи тліючим розрядом на кисень або повітря. При наявності в пробі двоокису азоту вона попередньо перетвориться в окис азоту шляхом нагрівання до 600 ° С в конверторі 7. Газоаналізатори, що використовують даний метод, мають широкий діапазон вимірювань (від 1 до 10000 млн -1), а також високою чутливістю. Для оцінки димності дизельних ДВЗ в даний час використовують два методи: - метод фільтрації (часто званий методом Bosch - за назвою фірми, вперше реалізувала його); - метод просвічування (метод Hartridge - за назвою фірми, перший випустила прилад, що працює за даним принципом). Метод фільтрації заснований на пропущенні фіксованого обсягу ВГ (зазвичай від 0,3 до 1,0 л) через паперовий фільтр з наступним визначенням ступеня його почорніння шляхом порівняння фільтра з тонової шкалою або за величиною інтенсивності відбитого пучка світла, спрямованого на його поверхню (рис. 8.1). Ступінь чорноти фільтра буде пропорційна димності ВГ. В якості фільтра застосовуєть фільтрувальний папір певної щільності і пористості у вигляді змінних фільтрів-шайб або рулонної стрічки. Шкала димоміра, що використовує метод фільтрації, розбивається на 10 одиниць (одиниць Bosch). При цьому «0» відповідає чистому фільтру, а «10» - повного поглинання світла його поверхнею. Рис. 8.1. Схема димоміра, використовує метод фільтрації: 1 - дросельний отвір; 2 - фільтр, 3 - насос, 4 - аналізує прилад Враховуючи, що паперові фільтри затримують не більше 60% сажі, справжнє значення її концентрації в ВГ приладами даного типу не визначається. Метод просвічування базується на реєстрації зміни оптичної щільності потоку ВГ при його просвічуванні. Функціональна схема приладу, що працює за методом просвічування, наведена на рис. 8.2. Відпрацьовані гази автомобіля, містять непрозорі сажові частки, надходять безперервно через пробозабірний пристрій у вимірювальний канал 2 і далі викидаються в атмосферу. Світловий потік лампи розжарювання 1 висвітлює через стовп ВГ фотоелемент 3, фотострум якого залежить від оптичної щільності газу. Чим більше концентрація сажі в ВГ, тим інтенсивніше буде послаблюватися світловий потік, і менший фототок буде виробляти фотоелемент. Рис. 8.2 Схема димоміра, працює за методом просвічування: 1 - джерело світла; 2 - вимірювальна камера; 3 - фотоелемент; 4 - реєструючий пристрій. Найважливішою характеристикою димомірів даного типу є ефективна довжина оптичного шляху променів через газ (ефективна база димоміра). Стандартною вважається довжина 0,43 м. Істотне значення має також термостатирование проби. Температура потоку повинна бути не вище 120 ° С, щоб запобігти втраті чутливості фотоелемента, і не нижче 70 ° С щоб уникнути конденсації водяної пари. У димомірів даного типу димність вимірюється у відсотках непрозорості світлового пучка від 0 до 100% (шкала Hartridge), або у значеннях коефіцієнта ослаблення світлового потоку (k, м -1). Результати визначення димності ВГ, отримані за допомогою різних методів, безпосередньо непорівнянні, оскільки їх характеристики значно відрізняються один від одного, а шкали не відповідають одна одній. Співвідношення між сажевмістимістю і одиницями вимірювання димності ВГ наведені в таблиці 8.1.
|
